آنالیز ساختار سطحی( بخش دوم)

چکیده
آنالیز سطحی برای شناخت خواص نانوساختارها و تبیین رابطه خواص سطحی انان با خواص شیمیایی و فیزیکی آنها ضروری است. برای آنالیز سطحی روشهای متفاوتی وجود دارد یکی از روشها استفاده از میکروسکوپهای پویشی است. در این مقاله ما دو نوع از این میکروسکوپها را ببرسی میکنیم.
تعدادکلمات 1200 زمان مطالعه6 دقیقه

رضیه برجیان

میکروسکوپ پویشی

یک روش کارآمد برای تهیه تصویر از سطح نمونه‌ها پویش (اسکن) سطح نمونه توسط یک پرتو الکترونی می‌باشد. اطلاعات مربوط به یک سطح را میتوان با استفاده از یک پروب پیمایشگر به دست آورد. اسکن سطح توسط یک پروب که الکترون‌های تونل زننده بین سطح و نوک پروب و نیروی اعمال‌شده بین آن دو را آشکار می‌کند، نیز مقدور است. در سال 1981 میلادی، میکروسکوپ تونلی روبشی به عنوان اولین عضو از خانواده میکروسکوپ‌های پروبی روبشی به وسیله دو تن از محققین سوئیسی اختراع شد . با وجود چند اختراع نسبتاً مشابه در زمینه ساخت میکروسکوپ‌های پروبی روبشی در آن ایام، این دو دانشمند درسال 1986 جایزه نوبل فیزیک را به جهت این اختراع دریافت کردند. در همین سال بینیگ، میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) را نیز معرفی کرد. به دنبال اختراع STM و سپس AFM، تلاش‌های بسیاری جهت مطالعه مورفولوژی و ساختار سطوح و فصل مشترک آن‌ها صورت گرفت .[1]

دستگاه هایی چون میکروسکوپ الکترونی عبوری پویشی (SEM)؛ نیز از این روش استفاده می¬کنند.[2] در این مقاله به میکروسکوپ تونلی پویشی و میکروسکوپ نیروی اتمی خواهیم پرداخت .

میکروسکوپ تونلی پویشیSTM

میکروسکوپ تونلی پویشی STM دستگاهی است که برای بررسی ساختار و برخی از خواص سطوح مواد رسانا، بیولوژیک که تا حدی رسانا هستند و همچنین لایه‌های نازک نارسانا که روی زیر لایه رسانا لایه نشانی شده‌اند، در حد ابعاد زیر نانومتر، بکار می‌رود. مبنای اندازه‌گیری هندسه و خواص سطحی در این دستگاه بر این واقعیت استوار است که هرگاه فاصله یک سوزن تیز رسانا از یک سطح رسانا حدود چند آنگستروم باشد ( متصل نشوند) و اختلاف ولتاژی به بزرگی حدود چند ده میلی ولت به آن اعمال شود جریان الکتریکی حدود چند نانوآمپر بین سوزن و سطح برقرار می‌شود. به این پدیده در اصطلاح" جریان تونل زنی" گفته می‌شود. مقدار جریان الکتریکی تابعی از فاصله سوزن از سطح، شکل و جنس سوزن، هندسه و جنس سطح، و اختلاف ولتاژ سوزن و سطح می‌باشد. در دستگاه STM این سوزن تیز رسانا به بازوهای پیزوالکتریکی متصل است که به‌وسیله آن‌ها سوزن به هر نقطه دلخواه از سطح با فاصله دلخواه از آن نقطه منتقل می‌شود و امکان بررسی خواص آن نقطه از سطح فراهم می‌شود. در تعیین خواص نقاط مختلف سطح ازSTM به دو صورت مستقیم و غیرمستقیم استفاده می‌شود. درواقع در تعیین خواصی که مستقیماً از روی تغییرات جریان تونلی برحسب فاصله سوزن از سطح و اختلاف ولتاژ اعمال‌شده استنتاج می‌شوند از STM به‌صورت مستقیم استفاده‌شده است. خواصی از سطح که به‌طور مستقیم توسط STM تعیین می¬شوند عبارت‌اند از توپوگرافی هندسی سطح، تابع کار نقاط مختلف سطح، چگالی حالات انرژی نقاط مختلف سطح، ترازهای ارتعاشی نقاط مختلف سطح، حوزه‌های مغناطیسی سطوح و مغناطش آن‌ها.
یک روش کارآمد برای تهیه تصویر از سطح نمونه‌ها پویش (اسکن) سطح نمونه توسط یک پرتو الکترونی است.
در دسته دیگری از روش‌های تعیین خواص سطحی، از جریان تونلی برای تحریک الکترون‌های یک نقطه از سطح استفاده می‌شود. در این حالت به‌طور موقت برخی از خصوصیات آن نقطه از سطح تغییر می‌کند که باعث می‌شود این سطوح توسط روش‌های دیگر اسپکتروسکوپی ( مانند اسپکتروسکوپی رامان، لومینسانس) قابل‌شناسایی شوند.

نمایش نمادین اجزای اصلی و اصول عملکرد دستگاه STM

روش‌های مبتنی بر استفاده مستقیم از STM در تعیین مشخصات سطوح

در دماهای پایین و در ولتاژهای معمولی ارتباط بین جریان تونلی و مشخصات سوزن و فاصله بین آن‌ها به‌صورت (I=F(V)× exp(-2kz می‌باشد که z ارتفاع سوزن از سطح، k ثابت نمایی تابعی از "تابع کار"[3] سوزن و سطح و F تابعی از چگالی حالات انرژی الکترون‌های سطح است. بر این اساس با ثابت قرار دادن برخی از این پارامترها امکان بررسی مقدار یا نحوه تغییرات پارامترهای دیگر فراهم می‌شود. به‌عنوان‌مثال در ولتاژ ثابت با اندازه‌گیری جریان تونلی در ارتفاع‌های مختلف k تعیین می‌شود. به‌عنوان‌مثال دیگر حالتی را در نظر می‌گیریم که جنس و چگالی حالات انرژی الکترونها در نقاط مختلف یکسان (LDOS)[4] است. یعنی k و تابع F در تمام نقاط سطح یکی خواهد بود. در این صورت ثابت ماندن جریان، ثابت بودن فاصله سوزن از سطح را تضمین می‌کند و درنتیجه توپوگرافی هندسی سطح معلوم می‌شود.

مثال دیگر حالتی است که درصدد کسب اطلاع از ترازهای انرژی یا چگالی حالات انرژی الکترون‌ها در یک نقطه از سطح باشیم. در حالت اخیر با ثابت کردن مکان سوزن نسبت به سطح و بررسی تغییرات جریان تونلی برحسب ولتاژ از تابع F آگاه می‌شویم. با توجه به اینکه F خود تابعی از ترازهای انرژی و LDOS الکترون‌ها است، آگاهی از F معادل آشکارسازی ترازهای انرژی و LDOS الکترون‌هاست.

میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM)

میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) دستگاهی است که برای بررسی خواص و ساختار سطحی مواد در ابعاد نانومتر بکار می‌رود. انعطاف‌پذیری ، سیگنالهای بالقوه متعدد، و امکان عملکرد دستگاه در مدهای مختلف محققین را در بررسی سطوح گوناگون ، تحت شرایط محیطی متفاوت توانمند ساخته است . این دستگاه را بینینگ و همکارانش در سال 1981 طراحی کردند . این دستگاه امکان عملکرد در محیط خلاء، هوا، و مایع را دارد. با این دستگاه امکان بررسی سطوح رسانا یا عایق، نرم یا سخت، منسجم یا پودری، بیولوژیک و آلی یا غیر آلی وجود دارداین دستگاه امکان تصویر برداری از ساختارهای نانویی نمونه های زنده را امکان پذیر می سازد . [5]خواص قابل‌اندازه‌گیری با این دستگاه شامل مورفولوژی هندسی، توزیع چسبندگی، اصطکاک، ناخالصی سطحی، جنس نقاط مختلف سطح، کشسانی، مغناطیس، بزرگی پیوندهای شیمیایی، توزیع بارهای الکتریکی سطحی، و قطبش الکتریکی نقاط مختلف می‌باشد. در عمل از این قابلیت‌ها برای بررسی خوردگی، تمیزی، یکنواختی ، زبری، چسبندگی، اصطکاک، اندازه و غیره استفاده می‌شود.

شماتیک اصول عملکرد AFM

نحوه عملکرد AFM

اصول کلی کار بدین صورت است که یک سوزن[6] بسیار تیز و ظریف به نوک یک شیء با قابلیت ارتجاع به نام تیرک[7] وصل شده و سر دیگر تیرک به یک بازوی پیزوالکتریک متصل شده است . پشت لرزانک با یک لایه‌نازک از فلز، برای بهبود انعکاس باریکه لیزر از آن، روکش شده است . انعکاس باریکه لیزر به‌منظور آگاهی از جهت‌گیری تیرک در فضا است . با اعمال اختلاف ولتاژهای مناسب به پیزوالکتریک می‌توان آن را به هر نقطه دلخواه از فضای سه‌بعدی، با دقت آنگستروم ، منتقل کرد.

از طرفی به هنگام مجاورت سوزن با سطح نمونه ، نیرویی به سوزن وارد میشود که بزرگی و جهت آن وابسته به فاصله نوک سوزن از سطح و همچنین نوع سطح است. نیروی ناشی از سطح باعث خم شدن تیرک می‌شود و باریکه لیزر در صفحه عمود بر افق جابجا می‌شود . درنتیجه با آگاهی از میزان خمیدگی تیرک توسط دیودهای نوری و از طرفی معلوم بودن مکان انتهایی تیرک ، موقعیت فضایی سوزن مشخص می‌شود. از سوی دیگر میزان خمیدگی تیرک بیانگر فاصله سوزن از سطح است که با توجه به مشخص بودن موقعیت فضایی سوزن، موقعیت فضایی سطح تعیین می‌شود.

با تغییر پیوسته اختلاف ولتاژهای اعمال‌شده به پیزو الکتریک، سوزن سطح نمونه را جاروب[8] می‌کند و با مکانیسم یاد شده موقعیت تک‌تک نقاط سطح معین می‌شود و نتیجه در نمایشگر یک کامپیوتر به‌صورت یک سطح سه‌بعدی رسم میشود. در میکروسکوپ AFMاز نیروی بین سوزن و نمونه در مد کاری نیروی ثابت برای تصویر برداری استفاده می شود ؛ بنابراین تنظیم نیروی مناسب در کیفیت تصویر بسیار اثر می گذارد.[9] وقتی میکروسکوپ نیروی اتمی از یک نمونه خشک با سرعت بالایی تصویر برداری می کند،تصاویر شفاف و واضح هستند ؛ اما در محیط مرطوب تصاویر به دست آمده مشوش خواهند بود. این اغتشاشات شدیدا به گرانروی سینماتیکی مربوط هستند. یک راه حل برای این مشکل اعمال یک نیروی بارگذاری به پروب پویشگر است؛ به طوری که این نیرو در جهت خلاف نیروی ایجاد شده در اثر چسبناکی بین پروب و سیال عمل کند.[10]

پی نوشت
[1] http://edu.nano.ir/paper/102
[2] چارلز پی. پول، فرانک جی. اون، مقدمه ای بر نانوتکنولوژی، ایمان فرح بخش، امین نعیمی، عبدالحسین موحدی، امیرجواد احرار، محسن مظفری، نیره صحتی،ص90 موسسه انتشارات یزد،1385.
[3] Work Function
[4] Local Density Of States
[5] «مروری بر فناوری AFM دریچه ای جدید به روی نانوزیست فناوری» فروه احیا،فضای نانو،1378.
[6] Tip
[7] Cantilever
[8] Scanning
[9] « اثرات ناخواسته در هنگام کار با میکروسکوپ پروبی روبشی»،مریم خسروی، فضای نانو،شماره22، ص33، 1388.
10] فضای نانو،شماره21، ص56، 1387.
منابع
http://edu.nano.ir/paper/102
چارلز پی. پول، فرانک جی. اون، مقدمه ای بر نانوتکنولوژی، ایمان فرح بخش، امین نعیمی، عبدالحسین موحدی، امیرجواد احرار، محسن مظفری، نیره صحتی،ص90 موسسه انتشارات یزد،1385
«مروری بر فناوری AFM دریچه ای جدید به روی نانوزیست فناوری» فروه احیا،فضای نانو،1378.
« اثرات ناخواسته در هنگام کار با میکروسکوپ پروبی روبشی»،مریم خسروی، فضای نانو،شماره22، ص33، 1388.
فضای نانو،شماره21، ص56، 1387.