رویای دهه‌ی 1980

دیدن یک چیز، گاهی موجب می شود تا به آن چیز اعتقاد پیدا شود. بنابراین، تصویربرداری از نانومواد یک بخش ضروری از علم نانو و نانوتکنولوژی می باشد. تصویربرداری در مقیاس نانومتری نه تنها به معنای ایجاد یک تصویر می باشد، بلکه همچنین به معنای فهمیدن معنای تصاویر نیز می باشد. امروزه، متخصصین به انواع دستگاه های جالب توجه دسترسی دارند که به آنها اجازه می دهد تا از اجسام در مقیاس نانومتری نگاه کنند. این مسئله یک تا دو دهه ی قبل، رویای محققین بوده است. رویایی که در میانه ی دهه ی 1980 به واقعیت پیوست. در این زمان، ابزار انقلابی ابداع شدند. این ابزار میکروسکوپ روبشی- تونل زنی (scanning tunnelling microscope) نامیده شد و اندکی بعد نیز ابزاری دیگر به نام میکروسکوپ نیروی اتمی، ابداع شد. در واقع این ابزارها قابلیت دیدن اشیای نانومتری را فراهم آوردند. همچنین بوسیله ی این وسایل امکان آنالیز مواد نانومتری، فهم در مورد رفتار آنها و همچنین روش های دستکاری آنها، بوجود آمد.
این مقاله برخی از روش های مورد استفاده در تصویربرداری و شناسایی نانومواد را مورد بررسی قرار می دهد. در اینجا، منظور از نانومواد در حقیقت موادی هستند که حداقل یکی از ابعاد آنها در حد نانومتری است. این نانومواد شامل سطوح نانوساختار، نانوذرات، مواد نانوتخلخل و ... می باشند. هدف این مقاله، پاسخ دهی به این سوال می باشد که:
چگونه مواد نانومتری تصویربرداری و شناسایی می شوند؟
روش های مختلفی وجود دارد که بوسیله ی آنها، مواد نانوساختار، تصویربرداری می شوند (مثلا سطوح نانوساختار) و همچنین خواص فیزیکی و شیمیایی آنها، تعیین می شود. در اینجا، تنها یک بررسی و توصیف کوتاه در مورد این روش ها مهیا شده است و هدف آشنایی افراد با این روش ها می باشد. برای مطالعه ی جزئیات باید به مقالات موجود در این زمینه، مراجعه کنید.
عموماً دو نوع اساسی از روش های شناسایی وجود دارد: تصویربرداری با میکروسکوپ و آنالیز با طیف سنجی. روش های مورد استفاده در حقیقت ویژگی های نانومواد را شناسایی و تعیین می کنند.
میکروسکوپی
یک میکروسکوپ نوری از نور مرئی (یعنی تابش الکترومغناطیسی) و یک سری لنز استفاده می کند و می تواند از نمونه های کوچک، تصویربرداری کند. به همین دلیل، این میکروسکوپ را میکروسکوپ نوری می نامند. میکروسکوپ های اپتیکی قدیمی ترین و ساده ترین میکروسکوپ ها محسوب می شوند. حد رزولیشن مربوط به این میکروسکوپ ها در حقیقت در حد طول موج نوری مرئی است. نور مرئی بخشی از طیف الکترومغناطیس است که دارای طول موجی بین 400 تا 700 نانومتر می باشد. در حقیقت بر این اساس، توان دیدن یک میکروسکوپ نوری در حدود 0.2 میکرون و یا 200 نانومتر است. بنابراین، برای دو جسم متمایز، فاصله باید حداقل 200 نانومتر باشد تا بدین صورت میکروسکوپ نوری بتواند آنها را تشخیص دهد. اجسام منفرد کوچکتر از این حد، با میکروسکوپ نوری، قابلیت رویت ندارند. آنها به صورت حاله ای مشاهده می شوند. این مسئله به دلیل تفرق نور مرئی، رخ می دهد.
به منظور فایق آمدن بر این محدودیت ها، سایر میکروسکوپ ها نیز طراحی شده اند که از باریکه هایی به جز باریکه ی نور استفاده می کنند. در حقیقت در این ادوات از باریکه ی الکترونی برای بررسی نمونه، استفاده می شود. میکروسکوپ الکترونی دارای قدرت تفکیک بسیار بهتری نسبت به میکروسکوپ نوری می باشد. در این میکروسکوپ ها، بزرگنمایی های بیشتری حاصل می شود. برخی اوقات می توان تصاویری بدست آورد که حتی 2 میلیون بار بزرگترند؛ در حالی که میکروسکوپ های نوری حداکثر بزرگنمایی 2000 برابری را ایجاد می کنند. هم میکروسکوپ های الکترونی و هم نوری دارای حد رزولیشن هستند. در حقیقت این حد بوسیله ی طول موج تابش ارسالی به نمونه، تعیین می شود. رزولیشن و بزرگنمایی بزرگتر در میکروسکوپ الکترونی، به دلیل این ایجاد می شود که طول موج الکترون، بسیار بزرگتر از طول موج نور مرئی است.
انواع مختلفی از میکروسکوپ های الکترونی وجود دارد: مانند میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) و یا میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM). از لحاظ مفهومی، این میکروسکوپ ها مشابه میکروسکوپ نوری هستند و از تابش برای مرئی سازی نمونه استفاده می کنند. در حقیقت در میکروسکوپ نوری از فوتون ها استفاده می شود و در میکروسکوپ الکترونی از الکترون استفاده می شود.
در سال 1981، یک مفهوم جدید از تصویربرداری بوسیله ی Binning و همکارانش در شرکت IBM معرفی شد. آنها از یک سری فلزی بسیار کوچک استفاده کردند که در واقع در فاصله ی بسیار نزدیکی نسبت به یک سطح رسانا قرار می گرفت: وقتی این سری و سطح در کنار هم قرار می گرفتند، یک بایاس بین دو سطح به الکترون ها اجازه می داد تا از میان خلأ تونل زنی کنند. این مسئله موجب ایجاد جریان تونل زنی می شد که می توانست اندازه گیری شود. در حقیقت این جریان تابعی از دانسیته ی الکترون بر روی سطح است. دانسیته ی الکترون در حقیقت احتمال یافتن الکترون در یک مکان خاص می باشد. دانسیته ی الکترونی بالایی در اطراف اتم وجود دارد.
این نوع از میکروسکوپ ، میکروسکوپ روبشی- تونل زنی(STM) نامیده شد. تغییر در جریان در زمان عبور سری میکروسکوپ بر روی سطح، به عنوان یک تصویر، تحلیل می شود. STM می تواند تصاویر سه بعدی از نمونه را با رزولیشن اتمی ایجاد می کند. این بدین معناست که رزولیشن در واقع بسیار بالاست و می تواند حتی اتم های منفرد را نیز تشخیص دهد. ابداع STM موجب شد تا Binning و همکارش Heinrich Rohrer در IBM بتوانند جایزه ی نوبل فیزیک در سال 1986 را دریافت کنند.
میکروسکوپ روبشی- تونل زنی
STM یک ابزار اساسی در علم نانو و نانوتکنولوژی است. این ابزار هم در تحقیقات صنعتی و هم تحقیقات اساسی مورد استفاده قرار می گیرد و بوسیله ی آن، تصایری در سطح مقیاس اتمی از فلزات، و سطوح نیمه رسانا، بدست می آید (شکل 1). این ابزار پروفایل سه بعدی از زبری سطحی به ما ارائه می دهد و اجازه می دهد تا عیوب سطحی را مشاهده کرده و بتوانیم اندازه و پیکربندی مولکول ها و ذرات موجود در سطح را تعیین کنیم. یکی دیگر از خواص عجیب STM، این است که این ابزار قابلیت دستکاری (حرکت) اتم های منفرد، شروع واکنش های شیمیایی و اجرای همزمان طیف سنجی الکترونی را دارا می باشد.
اصولی کاری STM
STM در حقیقت یکی از تکنولوژی های میکروسکوپ پروبی- روبشی (Scanning Probe Microscopy) (SPM) است که بوسیله ی آن تصاویری از سطوح ایجاد می شود که در حقیقت بوسیله ی پویش سطحی خط به خط بوسیله ی یک پروب، انجام می شود. کارهای روبشی دقیقاً مشابه روشی است که افراد نابینا خط بریل را می خوانند. در حقیقت، انسان های نابینا، با انگشت و خط به خط، خطوط بریل را می خوانند. در یک STM، پروب یک سوزن بسیار نازک است که سری یا تیپ (tip ) نامیده می شود. این سری آنقدر کوچک است که سرش تنها چند اتم قطر دارد. این سری از یک ماده ی رسانا (فلزهایی مانند تنگستن) تولید می شود. حرکت دقیق این سری بوسیله ی یک پیزوموتور، کنترل می شود.
سری یک STM در حدود 3 میلی متر طول دارد و باید در نزدیکی سطح اسکن شده، قرار گیرد. در عمل، فاصله ی میان انتهای سری و سطح، باید کمتر از 0.1 نانومتر باشد اما برخوردی میان سطح و سری ایجاد نشود. برای تصور بهتر در مورد میزان کوچک بودن و دقت این فاصله، می توان گفت که این فاصله مشابه این است که بخواهیم برج ایفل را که 300 متر طول دارد، در فاصله ی 0.01 میلی متری بر روی یک شهر قرار دهیم، بدون آنکه برخوردی بین برج و ساختمان ها ایجاد شود (شکل 2). یکی از المان های اساسی مربوط به STM، سری پروب آن است که سطح را اسکن می کند. این سری باید بسیار تیز باشد (شکل 3). تولید پروب های تیزتر اجازه می دهد تا رزولیشن مربوط به ویژگی های سطحی، بهبود یابد. در نهایت، یک سری پروبی دارای سری یک اتمی، بهترین رزولیشن را ایجاد می کند. وقتی یک سری رسانا در نزدیکی یک سطح فلزی یا نیمه رسانا قرار گیرد (در یک فاصله ی 0.1 نانومتری)، این سری می تواند موجب تشکیل جریان تونل زنی شود. تغییر در جریان در زمان عبور پروب از روی سطح، به صورت تصویر تفسیر می شود (شکل 4). وقتی یک سری رسانای بر روی یک سطح نیمه رسانا و یا رسانا عبور کند، یک جریان تونل زنی ایجاد می شود که در حقیقت بواسطه ی پرش الکترون ها از سطح به سری پروب STM، ایجاد می شوند. احتمال این رخداد به طور قابل توجهی به d یعنی فاصله ی میان سطح و سری، وابسته می باشد. بنابراین اندازه ی جریان به این فاصله وابسته است. تغییرات اندک در فاصله ی میان سری و سطح زیرلایه، به صورت تغییرات قابل توجهی در جریان تونل زنی، نمود پیدا می کند. به همین دلیل، رزولیشن در مقیاس اتمی در STM می تواند به صوت جهات x، y و z تعریف شوند.
تصاویر چگونه ایجاد می شود؟
یکی از راه های استفاده از STM، تصویربرداری از سطح زیرلایه در حالت جریان تونل زنی ثابت می باشد (مثلا در جریان هایی در حد نانوآمپر). با اعمال یک جریان تونل زنی ثابت، سری مربوط به پروب در یک فاصله ی ثابت از سطح قرار می گیرد. وقتی سری پروب کار اسکن سطح را انجام می دهد، این سری بالا و پایین می شود و بدین صورت می تواند توپولوژی سطحی را برای ما نشان دهد (شکل 5). در اینجا، سری STM از چپ به راست حرکت می کند. حرکت سری می تواند به صورتر نقشه ای رنگی از سطح در آید. این نقشه حاوی رنگ های مختلفی است که هر رنگ، نشاندهنده ی یک ارتفاع خاص می باشد (شکل 6). استفاده از STM موجب می شود تا بتوان سطوح را با حرکت دادن سری در فاصله ی 0.1 نانومتری، مورد بررسی قرار داد. بنابراین، بدین صورت یک بیان دقیق در مورد سطح ارائه می شود. برای اینکه این مسئله به واقعیت برسد، این ضروری است که سری دستگاه سطح را اسکن کند و یک جریان تونل زنی، ایجاد شود. بنابراین، سطح باید تا حدی رسانا باشد (زیرلایه باید رسانا و یا نیمه رسانا باشد).
اگر این ضروری باشد که سطحی را اسکن کنیم که به خودی خود، رسانا نیست، می توان آن را با یک لایه ی نازک از فلز رسانا مانند طلا، پوشش داد. این مسئله بر این دلالت دارد که STM برای مطالعه ی برخی از مواد (مانند بررسی مولکول های بیولوژیکی مانند DNA) مناسب نیست. برای این نوع از نمونه ها، سایر روش های SPM مناسب تر است مانند روش میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM). یک AFM در حقیقت جریان تونل زنی را اندازه گیری نمی کند، بلکه نیروی میان سری و سطح را اندازه گیری می کند. و بنابراین، نیازمند وجود سطح رسانا نمی باشد. AFM در سال 1985 بوسیله ی Binning و همکارانش در IBM زوریخ، توسعه یافت. این وسیله به طور خاص برای تصویر برداری مواد عایق، توسعه یافت.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
Nano-Surface chemistry / Morton Rosoff