میکروسکوپ تونلی روبشی (Scanning Tunneling Microscopy) یا STM، قدیمی ترین میکروسکوپ های پیمایشگر روبشی هستند که در آن سطح نمونه با یک سوزن تیز اتمی روبش می شود.
اصول میکروسکوپ تونلی روبشی
وقتی یک اختلاف پتانسیل بین سوزن و نمونه اعمال می شود، الکترون ها بین سوزن فلزی و نمونه حرکت تونلی خواهند داشت. از جریان ایجاد شده از حرکت الکترون ها برای تعیین توپوگرافی سطح نمونه استفاده می شود.
سوزن یا تیپ (Tip) معمولا از جنس تنگستن است که با روش هایی مانند برش (cutting)، سایش، تبخیر (evaporation)، اچ کردن الکتروشیمیایی (Electrochemical etching) و غیره ساخته و تیز می شود. سوزن های از جنس پلاتین-ایریدیوم (Pt-Ir) به دلیل واکنش پذیری کمتر، تفکیک اتمی بهتری دارند، اما شکننده بوده و در برخورد با سطح ممکن است آسیب دیده و یا بشکنند.
پروب در فاصله کمتر از یک نانومتر قرار دارد. اختلاف پتانسیل معمولا بین mVز1000-1- اعمال می شود و جریان تونلی نیز در محدوده nAز10-0.2 تغییر می کند. جریان تونلی با افزایش فاصله نوک سوزن و نمونه به صورت نمایی کاهش می یابد. چون جریان اندازه گیری می شود، بنابراین تصویربرداری STM محدود به نمونه های رسانا می شود. تصاویر با تفکیک اتمی با روش STM به دست می آید که با انواع روش های پروب روبشی دیگر امکان پذیر نیست.
اثر تونلی (Tunneling effect) اساس روش میکروسکوپ تونلی روبشی است. اثر تونلی یک پدیده مکانیک کوانتومی است که در آن ذرات کوانتومی می توانند از میان موانع نفوذناپذیر با تونل زدن یا جهش عبور کنند. اگرچه طبق قوانین فیزیک کلاسیک، این اثر پدیده ای نامحتمل است و انرژی لازم برای عبور از مانع باید فراهم باشد تا ذره ای بتواند از یک مانع عبور کند. اما در جهان مکانیک کوانتومی الکترون ها خواص موجی نیز دارند.
این امواج با برخورد به یک سد یا مانع کاملا متوقف نمی شوند. اگر سد یا مانع ضخامت بسیارکمی داشته باشد، تابع احتمال الکترون از سد گذشته و یک احتمال هرچند اندک از حضور الکترون در پشت مانع یا دیواره وجود دارد. این احتمال اگرچه کم است، ولی سبب حضور تعدادی الکترون یا ذره کوانتومی در طرف دیگر مانع یا دیواره می شود. شکل 1 رفتار شماتیک تابع موج یک الکترون در برخورد با یک دیواره ضخیم و نازک را نشان می دهد. به خاطر زوال سریع تابع احتمال با گذر از دیواره، تعداد الکترون هایی که تونل زنی می کنند به شدت به ضخامت دیواره وابسته ست. جریان تونلی به صورت نمایی با افزایش ضخامت دیواره کاهش می یابد.
دستگاهوری STM
شکل 2 شمای کلی روش میکروسکوپ تونلی روبشی (STM) را نشان می دهد. از یک روبشگر پیزوالکتریکی (Piezoelectric scanner) برای روبش دقیق نوک، با کنترل و دقت در حد یک انگستروم، استفاده می شود. یک حلقه بازخوردی ولتاژ اعمالی را کنترل و تنظیم می کند.
اثر پیزوالکتریک (Piezoelectric effect) قابلیت بعضی از مواد و کریستال ها مانند کوارتز و نیترات باریم در تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی و بالعکس است. مواد پیزوالکتریکی تحت تاثیر یک نیروی مکانیکی (کشیدن یا فشرده کردن) مقداری بار الکتریکی در سطح این مواد ایجاد می شود.
تصویربرداری STM در دو مد ارتفاع ثابت (Constant height mode) و جریان ثابت (Constant current mode) انجام می شود. در تصویربرداری مد ارتفاع ثابت، سوزن در یک فاصله ثابت از سطح نمونه حرکت می کند. بنابراین جریان تونلی با توپوگرافی سطح و چگالی محلی الکترون ها در نمونه تغییر می کند. به علت تابع کار (work function) متفاوت اتم های مختلف، توپوگرافی و نقایص سطح نمونه با این مد تصویربرداری به دست می آید. تصویربرداری مد ارتفاع ثابت، به علت عدم حرکت سوزن سرعت روبش بالایی دارد. این روش معمولا برای سطوح صاف به کار می رود.
در تصویربرداری مد جریان ثابت، با تنظیم روبشگر در هر نقطه جریان تونلی ثابت نگه داشته می شود. مدار بازخوردی به نحوی عمل می کند که وقتی سیستم تغییر جریان تونلی را حس می کند، ولتاژ اعمال شده به روبشگر پیزوالکتریک را تغییر می دهد که سبب تغییر فاصله بین سوزن و نمونه می شود و در نتیجه جریان تونلی ثابت نگه داشته می شود. تصویربرداری مد جریان ثابت، روش متداول تصویربرداری STM است که برای سطوح ناصاف نیز دقت خوبی دارد، اگرچه سرعت روبش کمتر و در نتیجه زمان آنالیز بیشتر خواهد بود.
تصویربرداری STM غالبا در خلا بسیار بالا باید انجام شود اما امکان تصویربرداری در هوا و محیط های مایع نیز وجود دارد. خلاء بالا مانع اکسید شدن سطح نمونه و حفظ هدایت سطحی نمونه می شود.
نکات آنالیزی STM
- روش STM محدود به تصویربرداری از مواد رساناست.
- توانایی تصویربرداری از اتم ها را داراست.
- تصاویر STM جای اتم ها را نشان نمی دهد بلکه نقشه چگالی الکترون ها را نمایش می دهد بنابراین تصاویر STM همیشه موقعیت اتم ها را مشخص نمی کند.
- ابزاری بسیار مهم در مطالعه اصطکاک و زبری سطح، نقص و واکنش های سطحی در مواد کاتالیزوری و تحقیقات و توسعه نیمه هادی ها و میکرو الکترونیک به شمار می رود.
- تصویربرداری STM می تواند در هوا و مایعات نیز انجام شود. بنابراین برای مطالعات زیستی و نمونه های زنده نیز به کار می رود.
