میکروسکوپ SPM 2

میکروسکوپ SPM 2Reviewed by جلالی on Aug 14Rating:

spm

میکروسکوپ SPM 2

درباره همه چیز : در مقاله گذشته به معرفی میکروسکوپ تونلی روبشی، ساختمان دستگاهی و قابلیت های آن پرداخته شد. در این نوع میکروسکوپ محاسبات مربوط به ساختار الکترونی و پدیده هایی نظیر جریان تونلی، پیچیدگی های خاص خود را دارد. در این مقاله ضمن معرفی ساختمان پروب ها، به جریان تونلی و برخی مخاسبات مطرح در آن پرداخته خواهد شد.

[divider]

مقدمه
اولین گروه از سیستم های میکروسکوپ پروبی روبشی، میکروسکوپ تونلی می باشد. مهمترین تکنولوژی در این سیستم ها، تکنولوژی سوزن هاست. در میکروسکوپ های تونلی روبشی با اعمال یک ولتاژ بایاس مناسب( V1- mV10)، بین سوزن و سطح نمونه که در فاصله کمتر از ۱۰ آنگستروم از هم قرار دارند، الکترونها بر اساس پدیده ای کوانتومی، به نام تونل زنی (tunneling) ، از نمونه به اتمهای سوزن یا بالعکس(بسته به جهت ولتاژ بایاس) جریان می یابند[۴و۶].

۱- ساختمان پروب های STM

پروب های STM معمولا شامل یک کانتیلور همراه با یک سوزن فلزی تیز جهت به حداقل رساندن نوسانات موجی می باشد. بصورت ایده آل، سوزن باید تیز باشد، اما در عمل اکثر روش های تهیه سوزن، یک سوزن با مقطع عرضی خشن تولید می کنند که شامل ناهمواری های متعددی است که نزدیکترین آنها به سطح نمونه، مسئول تونل زنی خواهد بود.
سوزنهای تیز کانتیلور، معمولا از جنس فلزی ساخته می شوند، که شامل فلزات تنگستن(W)، طلا(Au) و آلیاژهای پلاتین-ایریدیم(Pt-Ir) است و معمولا بوسیله روشهایی نظیر سایش ( grinding)، برش (cutting)، روشهای نشر میدانی (field emission ) یا روشهای تبخیری (evaporation )، سایش یونی (ion milling) ، شکستن (fracture)، پرداخت الکتروشیمیایی (Electrochemicalpolishing )و یا اچ کردن الکتروشیمیایی (Electrochemicaletching)تیز می شود [۳۹, ۴۰]. در این بین بیشترین نوع سوزن های مورد استفاده شامل Pt-Ir 80/20 و سیم تنگستنی است.
سوزنهای Pt-Ir، عموما بصورت ماشینی و مکانیکی شکل دهی شده و تهیه می شوند این در حالی است که سوزن های تنگستنی نیز از سیمهای تنگستنی اچ شده با فرآیندی الکتروشیمیایی حاصل می شوند.
بطور کلی، سوزن های Pt-Ir، نسبت به سوزن های تنگستنی، رزولوشن اتمی بهتری را تأمین می کنند که دلیل آن واکنش پذیری کمتر پلاتین است. با این وجود سوزن های تنگستنی از نظر شکل، یکنواخت تر هستند و روی نمونه هایی با شیبهای تند، امکان عملکرد بهتری از خود نشان می‌دهند. با وجودی که سوزنهای آلیاژ Ir-Pt و W، بسیار تیز بوده و رزولوشن بالایی را ایجاد می کنند، ولی شکننده و ترد بوده و گاهی در برخورد با سطح می شکنند. در تحقیقات بعمل آمده، سوزنهای الماسی نیز مورد بررسی قرار گرفته اند. این سوزنها بوسیله کاشت یون بور، رسانا شده اند[۳].
قطر سیم تنگستنی مورد استفاده برای کانتیلور معمولا ۲۵۰µm ، شعاع انحنایی آن ۲۰ تا ۱۰۰ نانومتر و زاویه نوک مخروطی آن بین ̊۱۰ تا ̊۶۰ است. اگر نیاز باشد، سیم می تواند در دستگاه، به شکل حرف L خم شود.
پروبهای Pt-Ir با نسبت ظاهری بالا و هندسه کنترل شده تهیه شده به روش اچ الکتروشیمیایی، بصورت تجاری جهت به تصویر کشیدن حفرات و شیارهای کوچک و عمیق فراهم شده اند.
همچنین، پروب هایی که حاوی یک سوزن با شعاع کمتر از ۵۰ نانومتر هستند، جهت به تصویر کشیدن شیارهای عمیق( ۰٫۲۵µm<) و خواص و اشکال نانومقیاس استفاده می شود. جهت مطالعات حیطه الکتروشیمی، پروبهای Pt-Ir با یک فیلم نارسانا پوشانده می شوند. 

۲- جریان تونلی

اصل تونل زنی الکترون ابتدا توسط ایوار گیور (IvarGiaever )برنده جایزه نوبل ۱۹۷۳، مطرح شد [۱]. او چنین تصور کرد که اگر یک اختلاف پتانسیل به دو فلزی که توسط یک فیلم نازک عایق از هم جدا شده اند، اعمال شود، بدلیل توانایی نفوذ الکترون در سد پتانسیل موجود، جریانی ایجاد خواهد شد. برای اینکه محاسبه جریان تونلی ایجاد شده، امکان پذیر باشد، دو فلز نمی بایست بیش از ۱۰ نانومتر از هم فاصله داشته باشند[۲]. برهمین اساس بنیگ و همکارش [۳] تونل زنی خلاء آمیخته با روبش افقی را مطرح کردند، چرا که خلاء، سد ایده آلی برای تونل زنی تأمین می کند.
بطور کلی جریان تونلی یک اثر مکانیک کوانتوم با دو اثر مهم برای STM است:
اول: این جریان بین دو الکترود، حتی از میان لایه نازکی از عایق یا شکاف نازکی از خلاء برقرار می شود.
دوم: این جریان در مقیاس طول در حد شعاع یک اتم، افت می کند.
در STM، جریان تونلی از آخرین اتم نوک سوزن به تک اتم های روی سطح نمونه جریان یافته و به این ترتیب، رزولوشن اتمی را فراهم می کند[۴]. اگر ساختار الکترونی یک فلز را طبق شکل۵- الف، در نظر بگیرید، الکترون های فلز تمامی ترازهای انرژی قابل دسترس پایین انرژی EF را اشغال کرده اند.
برای اینکه یک الکترون فلز را ترک کند، لازم است تا مقدار زیادی از انرژی φ بالاتر از انرژی فرمی (EF) (Fermi energy) بدست آورد. این انرژی الکترون را به تراز خلاء می رساند. انرژی φ بعنوان تابع کار فلز معرفی می شود.

filereader.php?p1=main_ed92eff813a02a31a
 
شکل۵- نمودار سطوح انرژی الکترون در برقراری جریان تونلی بین دو فلز سوزن و سطح: الف) درسطوح انرژی الکترون تا انرژی مخصوصی بنام انرژی فرمی پر شده اند. ب)در فاصله مشخصی بین سطح و سوزن، الکترون ها در انرژی فرمی برای گذار نیازمند غلبه بر سد پتانسیلی هستند[۵].
شکل۵- ب، موقعیت یک سوزن و نمونه را در هنگامیکه در مجاورت یکدیگر قرار دارند، نشان می دهد. بین این سطوح ، تنها ناحیه باریکی از فضا وجود دارد، اما هیچ ارتباط و رسانشی بین آنها ایجاد نمی شود.
 
الکترون ها برای حرکت از نمونه به سوزن و یا برعکس، هنوز به انرژی افزونتری (بالاتر از انرژی فرمی) نیاز دارند. بر اساس مکانیک کوانتوم طبق فرآیند تونل زنی، الکترون ها می توانند از میان سد موجود عبور کنند. در STM ، سد توسط شکاف خلاء بین نمونه و سوزن ایجاد می شود[۵, ۶]. شکل۶ عبور موج از میان یک سد انرژی با اعمال ولتاژ بایاس را نشان می دهد.
filereader.php?p1=main_c6c27fc98633c8257
شکل۶- عبور موج از میان یک سد انرژی با اعمال ولتاژ بایاس کافی[۷]

در منطقه ممنوعه کلاسیک، تابع موج ψ بصورت نمایی مطابق با رابطه زیر افت میکند:

filereader.php?p1=main_cda522d4353b166cc
 
در اینجا m جرم ذرات و ۳۴-۱۰×۱٫۰۵= ħ میباشند[۴, ۶].
مطابق شکل۷، زمانیکه یک ولتاژ الکتریکی V، بین نمونه و سوزن اعمال می شود، پدیده تونل زنی منجر به ایجاد جریانی الکتریکی موسوم به «جریان تونلی» می گردد. 
filereader.php?p1=main_46d46a759bf6cbed0
شکل۷- نمودار سطوح انرژی الکترون در برقراری جریان تونلی بین دو فلز سوزن و سطح: در فاصله و انرژی کافی، الکترون ها امکان تونل زنی می یابند.

جریان مذکور به فاصله سوزن و نمونه (d)، ولتاژ(V) و ارتفاع سد (یا همان تابع کار (φ))، بستگی دارد و بصورت رابطه تقریبی زیر بیان می شود:

 
filereader.php?p1=main_8c6d22ff6f63fc671
این رابطه به صورت تقریبی نشان می دهد که جریان تونلی از قانون اهم تبعیت می کند به گونه ای که جریان (I)، با ولتاژ(V)، متناسب است و بصورت نمایی به فاصله (d)، بستگی دارد. سایر مقادیر در رابطه فوق، مربوط به تابع کار (φ)، بارالکترون(e)، جرم الکترون (m) و ثابت پلانک (ħ) هستند. برای تابع کاری با میزان معمول ۴ الکترون ولت(eV)، جریان تونلی، به ازاء هر ۱/۰ نانومتر افزایش در مقدار d، به میزان ۱۰ برابر کاهش می یابد. این بدین معنی است که در هنگام روبش، بر فراز اتمی با قطر ۳/۰ نانومتر، جریان تونلی ممکن است به میزان ۱۰۰۰ برابر تغییر کند. وجود چنین پارامترهایی باعث می شود که عملکرد STM از حساسیت بالایی برخوردار باشد.همچنین باید دوباره اشاره شود که جریان تونلی شدیدا به فاصله موجود بین آخرین اتم سوزن و نزدیک ترین اتم نمونه به آن بستگی دارد[۵]. شکل۸ تغییرات جریان تونلی بر حسب فاصله سوزن و نمونه را به خوبی نمایش می دهد.
filereader.php?p1=main_2e3f209d4f2bb3466
شکل۸- تغییرات جریان تونلی بر حسب فاصله سوزن و نمونه[۵]

سپس با توجه به روابط ۱و ۲، جریان تونلی را میتوان با در نظر گرفتن چگالی ترازهای نمونه، در لبه فرمی، از رابطه تکمیلی تر زیر بدست آورد:

filereader.php?p1=main_5c108ce0fe89d0632

در این رابطه ارتفاع سد Φ در واحدeV و z در واحد آنگستروم اعمال می شود. در مقدار معمول ارتفاع سد Φ=۵eV که مربوط به تابع کار طلا است، با افزایش فاصله به اندازه ۱Å، جریان تونلی نصف می شود[۴, ۶]. 

مدل ترسوف – هامان (Terosoff-Hamann model )، یک مدل درجه اول استاندارد برای STM محسوب می شود که بر مبنای انتقال همیلتونی توسط باردین (bardeen) از [۸]، جهت توضیح منحنی های جریان بر حسب ولتاژ سدهای اکسیدی بین سوپرهادی ها، معرفی شد. باردین نشان داد که جریان تونلی بین دو الکترود که توسط عایق از هم جدا شده اند با رابطه زیر تعیین میشود:

filereader.php?p1=main_8717ce4dfdc86a4b5

که در آن:

filereader.php?p1=main_e1b8054c9cdd622c9

انرژی فرمی است. ρsوρt به ترتیب، چگالی ترازهای نمونه و سوزن، e بار الکترون،   ħ=h/2π که در آن h ثابت پلانک و متغیر انتگرال است. باردین نشان داد که المان ماتریس تونل زنی(M)با رابطه زیر تعیین می شود:

filereader.php?p1=main_f38ee76ce06ccd139
که در آن ψs و ψt به ترتیب، توابع موج نمونه و سوزن هستند. بنابراین، مسئله برای نمونه و سوزن به طور جداگانه حل می شود و سپس المان ماتریس برحسب رابطه فوق تعیین می گردد.
همچنین برای ولتاژهای کم، رابطه۶، بصورت زیر اصلاح می شود[۴, ۶]:
filereader.php?p1=main_b9d7e51eba2c6d155


۳- رزولوشن در میکروسکوپ تونلی روبشی

با استفاده از میکروسکوپ پروبی روبشی می توان سطوح را با رزولوشن مطلوب بصورت افقی، تا کمتر از یک نانومتر و بصورت عمودی تا کمتر از ۰٫۱ نانومتر، تصویر کرد که این مقادیر برای تعیین موقعیت اتمهای منفرد کافی است.
اساسا جریان تونلی هنگامی که فاصله تنها ۰٫۲ نانومتر افزایش می یابد، با ضریب ۲ کاهش می یابد. رزولوشن عمودی بسیار بالا در STM به این خاطر است که جریان تونلی با فاصله بین دو الکترود (سوزن فلزی و سطح روبش شده)، بصورت نمایی تغییر می کند. همچنین رزولوشن افقی بستگی به میزان تیز بودن نوک سوزن ها دارد [۲].
 
 ۴- حالت های کاری میکروسکوپ تونلی روبشی
میکروسکوپ‌های تونلی روبشی می توانند برای تهیه تصویر در دو حالت “جریان ثابت” یا “ارتفاع ثابت” طراحی شوند. به علاوه حالاتی نظیر طیف نگاری (spectroscopy ) یا دستکاری (manipulation ) نیز در دستگاه مطرح هستند[۴, ۹].
 
۴-۱- حالت جریان ثابت
شکل۹، حالت (مد) جریان ثابت را نشان می دهد. یک سیستم بازخورد (feedback ) ارتفاع سوزن را در راستای محورz تغییر می دهد تا جریان را ثابت نگه دارد. این کار با تنظیم ارتفاع روبشگر پیزوالکتریک (piezoelectric ) در هر نقطه اندازه گیری صورت می گیرد. برای مثال وقتی که سیستم افزایش جریان تونلی را حس می کند، ولتاژ اعمال شده به روبشگر پیزوالکتریک را به گونه ای تنظیم می کند که فاصله بین سوزن و نمونه را افزایش دهد.

filereader.php?p1=main_d9a9d61ef9ac1fb46
شکل۹- حالت کاری جریان ثابت
در حالت جریان ثابت، حرکت روبشگر پیزو باعث تشکیل تصویر می شود. اگر سیستم، جریان تونلی را ثابت نگه دارد، فاصله بین سوزن تا نمونه تا حد چند آنگستروم ثابت نگه داشته می شود.
جابجایی سوزن بعلت ولتاژ اعمالی به پیزوالکتریک، پس از پردازش رایانه ای و نرم افزاری ، نهایتا نقشه توپوگرافیک سطح را ایجاد می کند و یک تصویر سه بعدی بدست می‌آید.
باید توجه داشت چنانچه اتم های متفاوتی در ساختار یک نمونه حاضر باشند، ممکن است در یک ولتاژ بایاس مشخص، هر کدام از این اتمهای مختلف، جریانهای تونلی متفاوتی ایجاد کنند. بنابراین اطلاعات بدست آمده از ارتفاع ممکن است معیار صادقی از توپوگرافی سطح نمونه نباشند.
 
۴-۲- حالت ارتفاع ثابت
در حالت ارتفاع ثابت، سوزن با یک ارتفاع ثابت در بالای نمونه حرکت می کند و سوزن در جهت Z حرکتی ندارد. در این حالت جریان تونلی بر حسب توپوگرافی سطح و خواص الکترونی موضعی نمونه، تغییر می کند. این سوزن فلزی می تواند سراسر سطح نمونه را در ولتاژ و ارتفاع ثابت، روبش کرده و تغییرات جریان را در سیستم ثبت نماید.( شکل۱۰)
filereader.php?p1=main_ad304601e6638bf2b
شکل۱۰- حالت کاری ارتفاع ثابت


در حقیقت جریان تونلی اندازه گیری شده در هر نقطه از سطح نمونه، در تشکیل تصویر توپوگرافی مشارکت می کند. بایستی توجه داشت این حالت بعلت عملکرد در ارتفاع یکسان، برای سطوح ناهموار کاربردی نیست[۴, ۶, ۹, ۱۰]. 

۵- مزایا و معایب حالات استاتیکی و دینامیکی

همانطور که اشاره شد میکروسکوپ‌های تونلی روبشی در دو حالت جریان ثابت یا ارتفاع ثابت توپوگرافی سطح را آنالیز می کند که هر حالتی مزایا و معایبی خاص خود را دارد. حالت ارتفاع ثابت، دارای سرعت بیشتری است، زیرا سیستم مجبور نمی باشد روبشگر پیزو را به بالا و پایین حرکت دهد، ولی اطلاعاتی که تولید می کند فقط برای سطوح نسبتا صاف مفید است. این در حالی است که حالت جریان ثابت می تواند سطوح ناصاف را با دقت بیشتری اندازه گیری کند ولی به زمان بیشتری نیاز دارد.
همچنین حساسیت STM به ساختار الکترونی موضعی در تهیه نقشه توپوگرافی می تواند اشکال ایجاد کند. برای مثال، اگر قسمتی از نمونه اکسید شده باشد جریان تونلی با رسیدن سوزن به آن ناحیه ناگهان افت می کند. در حالت جریان ثابت، قسمت کنترل کننده به سوزن دستور می دهد که به نمونه نزدیکتر شود تا جریان تونلی ثابت بماند و در نتیجه ممکن است سوزن باعث ایجاد فرورفتگی در سطح نمونه شود. از سوی دیگر، وجود حساسیت STM به ساختار الکترونی می تواند مزیت بزرگی باشد. تکنیک های دیگری که برای بدست آوردن اطلاعات مربوط به خواص الکترونی نمونه بکار می روند، این اطلاعات را از ناحیه نسبتا بزرگی (به مقطع چند میکرون تا چند میلیمتر) از سطح نمونه جمع آوری و متوسط گیری می کنند. [۴, ۶, ۹].

نتیجه گیری
اساس کار در میکروسکوپ تونلی روبشی، پدیده کوانتومی به نام تونل زنی می باشد. در این میکروسکوپ ها جریان تونلی از آخرین اتم روی نوک سوزنی نوک تیز به اتم های روی سطح نمونه جریان می یابد و به این ترتیب رزولوشن اتمی را فراهم می گردد. در این میکروسکوپ ها، می توان سطوح را با رزولوشن کمتر از یک نانومتر بصورت افقی و تا کمتر از ۱ آنگستروم بصورت عمودی، تصویر نمود. برای تهیه تصویر در میکروسکوپ های تونلی روبشی، از دو حالت کاری “جریان ثابت ” و “ارتفاع ثابت” استفاده می شود. مهمترین مزیت حالت ارتفاع ثابت، سرعت بالای روبش و در حالت جریان ثابت، اندازه گیری سطوح ناصاف را با دقت بیشتر می باشد.


سایتی به وسعت همه چیز که در اون سعی میکنم تجربیات و مطالب در خور توجه رو که دوستشون دارم قرار بدم و امیدوارم با پیشنهادات و انتقادات خودتون من رو راهنمایی کنید. با تشکر


پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

دوست داری سایت خودتو داشته باشی همین الان این کار رو بکن
امتیاز دهید:
به این صفحه

به این سایت
برای محبوب کردن سایت روی 1+ کلیک کنید