بخشی از پاورپوینت
اسلاید 1 :
میکروسکوپ تونلی روبشی(2)
اسلاید 2 :
روشهای نوین شناسایی نانوساختارها
میکروسکوپ های پروبی روبشی
2 STM
اسلاید 3 :
ساختمان پروبهای STM
پروب های STM معمولاً 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.
اسلاید 4 :
ساختمان پروبهای STM
سوزنهای تیز کانتیلور، معمولاً از جنس فلزی ساخته می شوند، که شامل فلزات تنگستن(W)، طلا (Au) و آلیاژهای پلاتین-ایریدیم (Pt-Ir) است و معمولاً بوسیله روشهایی نظیر سایش، برش، روشهای نشر میدانی یا روشهای تبخیری، سایش یونی، شکستن، پرداخت الکتروشیمیایی و یا اچ کردن الکتروشیمیایی تیز می شود. در این بین بیشترین نوع سوزن های مورد استفاده شامل Pt-Ir 80/20 و سیم تنگستنی است.
اسلاید 5 :
ساختمان پروبهای STM
سوزنهای Pt-Ir، عموماً بصورت ماشینی و مکانیکی شکل دهی می شوند.
سوزن های تنگستنی از سیمهای تنگستنی اچ شده با فرآیندی الکتروشیمیایی حاصل می شوند.
سوزن های Pt-Ir، نسبت به سوزن های تنگستنی، رزولوشن اتمی بهتری را تأمین می کنند که دلیل آن واکنش پذیری کمتر پلاتین است.
سوزن های تنگستنی از نظر شکل، یکنواخت تر هستند و روی نمونه هایی با شیبهای تند، امکان عملکرد بهتری از خود نشان میدهند.
سوزنهای آلیاژ Ir-Pt و W، 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.
اسلاید 6 :
ساختمان پروبهای STM
قطر سیم تنگستنی مورد استفاده برای کانتیلور معمولاً µm250 ، شعاع انحنایی آن 20 تا 100 نانومتر و زاویه نوک مخروطی آن بین ̊10 تا ̊60 است.
پروب هایی که حاوی یک سوزن با شعاع کمتر از 50 نانومتر هستند، جهت به تصویر کشیدن شیارهای عمیق (µm 25 /0<) و خواص و اشکال نانومقیاس استفاده می شود.
جهت مطالعات حیطه الکتروشیمی، پروبهای Pt-Ir با یک فیلم نارسانا پوشانده می شوند.
اسلاید 7 :
جریان تونلی
اصل تونل زنی الکترون ابتدا توسط ایوار گیور (IvarGiaever ) مطرح شد:
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 10 نانومتر از هم فاصله داشته باشند. برهمین اساس بنیگ و همکارش تونل زنی خلاء آمیخته با روبش افقی را مطرح کردند، چرا که خلاء، سد ایده آلی برای تونل زنی تأمین می کند.
اسلاید 8 :
جریان تونلی
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.
اسلاید 9 :
جریان تونلی
در ساختار الکترونی یک فلز (الف) 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.
شکل ب، موقعیت یک سوزن و نمونه را در مجاورت یکدیگر نشان می دهد. بین این سطوح، تنها ناحیه باریکی از فضا وجود دارد، اما هیچ ارتباط و رسانشی بین آنها ایجاد نمی شود.
اسلاید 10 :
جریان تونلی
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.
عبور موج از میان یک سد انرژی با اعمال ولتاژ بایاس
اسلاید 11 :
جریان تونلی
در منطقه ممنوعه کلاسیک، تابع موج ψ بصورت نمایی مطابق با رابطه زیر افت می کند:
رابطه 1
در اینجا m جرم ذرات و 34-10×05/1 = می باشند.
مطابق شکل، 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.
اسلاید 12 :
جریان تونلی
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:
رابطه 2
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 پارامترها تابع کار (φ)، بارالکترون(e)، جرم الکترون (m) و ثابت پلانک (Ћ) هستند.
وجود چنین پارامترهایی باعث می شود که عملکرد STM از حساسیت بالایی برخوردار باشد.
جریان تونلی شدیداً به فاصله موجود بین آخرین اتم سوزن و نزدیک ترین اتم نمونه به آن بستگی دارد.
اسلاید 13 :
جریان تونلی
تغییرات جریان تونلی بر حسب فاصله سوزن و نمونه
اسلاید 14 :
جریان تونلی
جریان تونلی را می توان با در نظر گرفتن چگالی ترازهای نمونه، در لبه فرمی، از رابطه تکمیلی تر زیر بدست آورد:
رابطه 3
در این رابطه ارتفاع سد در واحد eV و z در واحد آنگستروم اعمال می شود.
اسلاید 15 :
جریان تونلی
مدل ترسوف – هامان، یک مدل درجه اول استاندارد برای STM محسوب می شود که بر مبنای انتقال همیلتونی توسط باردین 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 می شود:
رابطه4
که در آن:
رابطه5
انرژی فرمی است. و به ترتیب، چگالی ترازهای نمونه و سوزن، e بار الکترون،
که در آنh ثابت پلانک و متغیر انتگرال است.
اسلاید 16 :
جریان تونلی
باردین نشان داد که المان ماتریس تونل زنی(M) با رابطه زیر تعیین می شود:
رابطه 6
که در آن و به ترتیب، توابع موج نمونه و سوزن هستند.
همچنین برای ولتاژهای کم، رابطه بصورت زیر اصلاح می شود:
رابطه 7
اسلاید 17 :
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 0/1 نانومتر، تصویر کرد که این مقادیر برای تعیین موقعیت اتمهای منفرد کافی است.
اساساً جریان تونلی هنگامی که فاصله تنها 0/2 نانومتر افزایش می یابد، با ضریب 2 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.
رزولوشن افقی بستگی به میزان تیز بودن نوک سوزن ها دارد.
اسلاید 18 :
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.
حالت جریان ثابت
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.
اسلاید 19 :
حالت 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 ، نهایتاً نقشه توپوگرافیک سطح را ایجاد می کند و یک تصویر سه بعدی بدست میآید.
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.
اسلاید 20 :
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.
این حالت بعلت عملکرد در ارتفاع یکسان، برای سطوح ناهموار کاربردی نیست.
