مشخصه یابی مواد نانو: قسمت سوم

میکروسکوپ‌های پروپی روبشی (STM)

میکروسکوپ‌های پروپی روبشی¹  (SPMs) از دیگر ابزاری است که جهت مشخصه‌یابی و آنالیز نانومواد مورد استفاده قرار می‌گیرد.

میکروسکوپ پروپی روبشی، در طی 25 سالی که از اختراع‌اش می‌گذرد، در بسیاری از حوزه‌های علمی و صنعتی کاربرد وسیعی یافته است. قدرت بزرگ‌نمایی بسیار بالا، سادگی استفاده و عدم نیاز به آماده‌سازی‌های پیچیده از جمله مزایایی است که موجب شده است پژوهشگران و محققان تمایل زیادی به استفاده از آن داشته باشند.

در این میکروسکوپ‌ها، سطح نمونه توسط یک سوزن نوک تیز یا پروپ که نوک آن به صورت تک‌اتمی است، روبش می‌شود. این سوزن روبنده به خاطر ابعاد بسیار کوچک خود می‌تواند کوچک‌ترین پستی و بلندی موجود در سطح را (در حد نانومتر) حس نماید. بسته به طبیعت برهم‌کنش‌های موضعی، می‌توان تصاویری سه‌بعدی از پستی و بلندی سطح، ساختار الکترونیکی، ساختار مغناطیسی یا هر خاصیت موضعی دیگر را به دست آورد. نانوکریستال‌ها، نانوکامپوزیت‌ها، نانوذرات، نانولوله‌ها، نانوپودرها و... از جمله نانوساختارهایی هستند که امروزه به طور گسترده‌ای با این نوع میکروسکوپ مورد بررسی قرار می‌گیرند.

بسته به این‌که اطلاعات گرفته شده توسط سوزن روبنده با چه مکانیزمی قابل دریافت باشد، دو سیستم میکروسکوپی به وجود آمده است که عبارتند از:

1. میکروسکوپ تونلی روبشی²  (STM)

2. میکروسکوپ نیروی اتمی³  (AFM)

میکروسکوپ تونلی روبشی (STM)

میکروسکوپ تونلی روبشی اولین نوع از میکروسکوپ‌های پروبی روبشی بود که در سال 1981 توسط بینینگ⁴ و روهرر ⁵ اختراع شد. این گروه پنج سال بعد موفق به دریافت جایزه نوبل شدند، چرا که STM اولین دستگاهی بود که تصاویر سه‌بعدی واقعی با قدرت تفکیک اتمی از سطوح تولید کرد.

در این نوع میکروسکوپ، از خاصیت الکتریکی اجسام بهره گرفته و با تولید یک جریان الکتریکی تونلی و تغییرات آن در اثر نوسان سوزن روی سطح، اطلاعات دریافت می‌شود. در این تکنیک از یک سوزن تیز برای روبش سطح استفاده می‌شود و یک ولتاژ بین سوزن و نمونه اعمال می‌شود. وقتی‌که سوزن به فاصله کم‌تر از 10 آنگسترومی سطح نمونه آورده می‌شود، الکترون‌ها بر اساس پدیده‌ی تونل‌زنی از نمونه به اتم‌های سوزن یا بالعکس جریان می‌یابد. این جریان تونلی ایجاد شده که با تغییر فاصله سوزن تا نمونه، تغییر می‌کند، به عنوان سیگنال تصویر‌سازی استفاده می‌شود. شکل (1) شماتیک عملکرد STM را نشان می‌دهد.

روش‌های تصویربرداری از طریق STM

معمولاً سطوح مواد در مقیاس اتمی، سطوح ناصافی هستند، چرا که اتم‌های تشکیل دهنده‌ی ماده،‌کروی شکل هستند و در اثر قرار گرفتن در کنار هم باعث ایجاد پستی و بلندی روی سطح خواهند شد. با توجه به این اصل، دو روش تهیه تصویر برداری در STM وجود دارد.

روش الف) جریان ثابت

هرگاه جریان اعمالی به نوک پروپ میکروسکوپ ثابت باشد، نوک پروپ به صورت عمودی روی سطح نمونه حرکت می‌کند تا جریان ثابت باقی بماند. حرکت عمودی نوک پروپ میکروسکوپ به وسیله یک پیزوالکتریک کنترل می‌شود. در واقع،‌ در این روش همواره فاصله‌ی بین نوک پروپ میکروسکوپ و اتم‌های سطح نمونه ثابت باقی می‌ماند.

روش ب) ولتاژ ثابت

وقتی ولتاژ ثابت باشد، نوک پروپ فقط به صورت افقی روی سطح حرکت می‌کند تا ولتاژ ثابت باقی بماند. در اینجا فاصله‌ی بین نوک پروپ میکروسکوپ و اتم‌های سطح نمونه ثابت نیست.

واژه ها:

1.Scanning Probe Microscopy

2.Scanning Tunneling Microscopy

3.Atomic Force Microscopy

4.Binning

5.Rohrer

 

گردآوری:مریم ملک دار
http://www.tebyan.net/Science_Technology/Nanotechnology/2008/12/27/81733.html