مجهر المسح النفقي في فيزياء الكم

إن مجهر المسح النفقي (STM) في فيزياء الكم، هو مجهر إلكتروني غير ضوئي يستخدم التأثير الميكانيكي الكمومي للنفق، حيث إنه يعمل عن طريق مسح طرف معدني حاد للغاية فوق سطح موصل ضمن نطاق عدة أنجستروم منه، وعندما يتم إحضار الطرف إلى مثل هذه المسافة القريبة من العينة ويتم تطبيق جهد انحياز بين الطرف والعينة يتدفق تيار نفق عبر فجوة الفراغ التي تفصل بين الموصلين، على الرغم من أنهما ليسا على اتصال كهربائي.

مجهر المسح النفقي

مجهر المسح النفقي (STM) هو نوع من المجهر المستخدم لتصوير الأسطح على المستوى الذري، حيث أدى تطورها في عام 1981 إلى كسب مخترعيها، جيرد بينيج وهاينريش روهرر، ثم في آي بي إم زيورخ جائزة نوبل في الفيزياء عام 1986، إذ تستشعر (STM) السطح باستخدام طرف موصل حاد للغاية يمكنه التمييز بحجم أصغر من 0.1 نانومتر بدقة عمق 0.01 نانومتر (10 مساءً ).

وهذا يعني أن هناك قدرة لتصوير الذرات الفردية ومعالجتها بشكل روتيني، حيث تم إنشاء معظم المجاهر يتم استعمالها في الفراغ الفائق عند درجات حرارة تكون قريبة من الصفر كلفن، ولكن توجد متغيرات للدراسات في الهواء والماء والبيئات الأخرى ودرجات الحرارة التي تزيد عن 1000 درجة مئوية.

مبدأ تشغيل مجهر المسح النفقي

يعتمد (STM) على مفهوم النفق الكمي، فعندما يتم جلب الطرف بالقرب من السطح الذي سوف يتم فحصه، فإن جهد التحيز المطبق بين الاثنين سوف يجعل للإلكترونات أن تمشي عبر الفراغ الفاصل بينهما، حيث إن تيار النفق الناتج هو دالة لموضع الطرف، والجهد المطبق والكثافة المحلية للحالات (LDOS) للعينة.

تأخذ المعلومات من خلال مراقبة التيار في مرحلة مسح الطرف عبر السطح، وعادة ما يتم وضعها في شكل صورة، حيث أن صقل التقنية المعروفة باسم التحليل الطيفي للمسح النفقي تتكون من الحفاظ على الطرف في وضع ثابت فوق السطح، وتغيير جهد التحيز وتسجيل التغيير الناتج في التيار.

باستخدام هذه التقنية، يمكن إعادة بناء الكثافة المحلية للحالات الإلكترونية، إذ يتم إجراء هذا أحيانًا في مجالات مغناطيسية عالية وفي وجود شوائب لاستنتاج خصائص وتفاعلات الإلكترونات في المادة المدروسة.

يمكن أن يكون الفحص المجهري للأنفاق النفقية تقنية صعبة، حيث تتطلب أسطحًا نظيفة للغاية ومستقرة ونصائح حادة  وعزلًا ممتازًا للاهتزاز وإلكترونيات متطورة، ومع ذلك، فإن العديد من الهواة يبنون مجاهرهم الخاصة.

مكونات مجهر المسح النفقي

• المكونات الرئيسية لمجهر المسح النفقي هي طرف المسح، والارتفاع المتحكم به كهرضغطية المحور (z) والماسح الجانبي للمحاور (x) و (y)، وآلية النهج الخشن من العينة إلى الطرف، حيث يتم التحكم في المجهر بواسطة إلكترونيات مخصصة وجهاز كمبيوتر، إذ أن النظام مدعوم بنظام عزل الاهتزاز.

• غالبًا ما يكون الطرف مصنوعًا من سلك التنجستن أو البلاتين الإيريديوم، على الرغم من استخدام الذهب أيضًا، وعادة ما تصنع أطراف التنغستن بالنقش الكهروكيميائي ونصائح البلاتين الإيريديوم بالقص الميكانيكي.

• إن دقة الصورة محدودة بنصف قطر انحناء طرف المسح. في بعض الأحيان، إذ تحدث عيوب في الصورة إذا كان الطرف يحتوي على أكثر من قمة في النهاية، وغالبًا ما يتم ملاحظة التصوير ثنائي الطرف، وهو الموقف الذي يساهم فيه رأسان بشكل متساوٍ في حفر الأنفاق.

• في حين أن العديد من العمليات للحصول على نصائح حادة وقابلة للاستخدام معروفة، فإن الاختبار النهائي لجودة الطرف يكون ممكنًا فقط عندما يكون في نفق في الفراغ، وفي كثير من الأحيان يمكن تكييف الأطراف عن طريق تطبيق الفولتية العالية عندما تكون بالفعل في نطاق النفق، أو بجعلها تلتقط ذرة أو جزيء من السطح.

• وفي معظم التصميمات الحديثة يكون الماسح الضوئي عبارة عن أنبوب مجوف من كهرضغطية مستقطب شعاعيًا مع أسطح ممعدنة، حيث ينقسم السطح الخارجي إلى أربعة أرباع طويلة لتعمل كأقطاب كهربائية للحركة (x) و (y) مع جهد انحراف من قطبين مطبقين على الجانبين المتعاكسين.

• إن مادة الأنبوب عبارة عن سيراميك تيتانات الرصاص مع ثابت بيزو يبلغ حوالي 5 نانومتر لكل فولت، حيث يتم تثبيت الحافة في وسط الأنبوب؛ بسبب بعض الحديث المتبادل بين الأقطاب الكهربائية وغير الخطية المتأصلة، وتتم معايرة الحركة وتطبق الفولتية اللازمة لحركة (x) و (y) و (z) المستقلة وفقًا لجداول المعايرة.

ما الذي يؤثر على مجهر المسح النفقي

نظرًا للحساسية الشديدة لتيار الأنفاق لفصل الأقطاب الكهربائية، فإن عزل الاهتزاز المناسب أو جسم (STM) الصلب أمر ضروري للحصول على نتائج قابلة للاستخدام، في أول (STM) بواسطة بينيج وروهرر تم استخدام الرفع المغناطيسي للحفاظ على (STM) خالية من الاهتزازات.

الآن غالبًا ما يتم استخدام أنظمة الزنبرك الميكانيكي أو الزنبرك الغازي، وبالإضافة إلى ذلك يتم أحيانًا تنفيذ آليات لتخميد الاهتزاز باستخدام التيارات الدوامة، حيث تحتاج المجاهر المصممة لإجراء عمليات مسح طويلة في التحليل الطيفي للمسح النفقي إلى ثبات شديد وهي مبنية في غرف عديمة الصدى، وغرف خرسانية مخصصة مع عزل صوتي وكهرومغناطيسي يتم تعويمها على أجهزة عزل الاهتزاز داخل المختبر.

يتحكم الكمبيوتر في الحفاظ على موضع الطرف فيما يتعلق بالعينة ومسح العينة والحصول على البيانات، حيث يتم استخدام برنامج مخصص لمسح المجاهر المجهرية لمعالجة الصور وكذلك إجراء القياسات الكمية.

بعض مجاهر المسح النفقي قادرة على تسجيل الصور بمعدلات إطارات عالية، حيث يمكن لمقاطع الفيديو المصنوعة من مثل هذه الصور إظهار انتشار السطح أو تتبع الامتزاز والتفاعلات على السطح، وفي مجاهر معدل الفيديو تم تحقيق معدلات إطار تبلغ 80 هرتز مع ردود فعل تعمل بشكل كامل تضبط ارتفاع الطرف.

كيفية استخدام مجهر المسح النفقي

يتم وضع الطرف بجانب العينة عن طريق آلية تحديد المواقع الخشنة التي تتم رؤيتها عادةً بصريًا، ومن مسافة قريبة يتم تحقيق تحريكها حسب موضع الطرف فيما يتعلق بسطح العينة عن طريق أنابيب الماسح الكهروضغطي التي يمكن تغيير طولها بواسطة جهد تحكم.

يتم تطبيق جهد متحيز بين العينة والطرف، ويتم إطالة الماسح الضوئي تدريجيًا حتى يبدأ الطرف في تلقي تيار النفق، حيث يتم بعد ذلك الاحتفاظ بالفصل بين الطرف والعينة (w) في مكان ما في النطاق 4-7 (0.4–0.7 نانومتر ) وهو أعلى بقليل من الارتفاع، حيث يتعرض الطرف لتفاعل مثير للاشمئزاز ( w <3Å)، ولكن لا يزال في المنطقة التي يوجد بها تفاعل جذاب (3 < دبليو<10Å).

يتم تكبير تيار النفق كونه في نطاق الأمبيرات الفرعية أقرب ما يكون إلى الماسح الضوئي، فعنما يتم إنشاء الأنفاق يتنوع انحياز العينة وموضع الطرف فيما يتعلق بالعينة وفقًا لما تريده التجربة.

عندما يتم تحريك الطرف عبر السطح في مصفوفة س و ص منفصلة، فإن التغيرات في ارتفاع السطح وعدد سكان الحالات الإلكترونية تسبب تغيرات في تيار النفق، وتتشكل الصور الرقمية للسطح بإحدى الطريقتين، أولا في وضع الارتفاع الثابت، حيث يتم تعيين تغييرات تيار النفق مباشرة، وثانيا في وضع التيار الثابت، حيث يتم تسجيل الجهد الذي يتحكم في ارتفاع الطرف ع أثناء يتم الاحتفاظ بتيار النفق عند مستوى محدد مسبقًا.

ماذا يحدث لمجهر المسح النفقي في وضع التيار المستمر

في وضع التيار المستمر تضبط إلكترونيات التغذية المرتدة الارتفاع بجهد كهربائي لآلية التحكم في الارتفاع الكهروإجهادي، فإذا كان تيار النفق في مرحلة ما أقل من المستوى المحدد يتم تحريك الطرف نحو العينة والعكس صحيح.

هذا الوضع بطيء نسبيًا حيث تحتاج الإلكترونيات إلى فحص تيار النفق وضبط الارتفاع في حلقة تغذية مرتدة عند كل نقطة مقاسة على السطح، وعندما يكون السطح مسطحًا ذريًا فإن الجهد المطبق على الماسح الضوئي (z) سيعكس بشكل أساسي الاختلافات في كثافة الشحنة المحلية.

ولكن، عند مواجهة خطوة ذرية أو عند التواء السطح بسبب إعادة البناء سيتعين أيضًا تغيير ارتفاع الماسح الضوئي بسبب التضاريس العامة، حيث أن الصورة المكونة من الفولتية (z-scanner) التي كانت مطلوبة للحفاظ على تيار النفق ثابتًا، حيث أن الطرف الممسوح ضوئيًا للسطح سيحتوي بالتالي على بيانات الكثافة الطبوغرافية وكثافة الإلكترون.

إن أحد الأساليب الرائعة هو مجهر المسح النفقي (STM)، الذي اخترعه في عام 1981 جيرد بينيج وهاينريش روهرر في آي بي إم زيورخ. في الواقع، إذ لا تستطيع (STMs) رؤية الذرات الفردية فحسب بل يمكن أيضًا استخدامها لمعالجة الذرات.