المجهر النفقي هو أداة قوية للغاية لدراسة البنية الإلكترونية لأنظمة الحالة الصلبة. تساعد صوره الطبوغرافية في تطبيق تقنيات تحليل السطح الخاصة بالمواد الكيميائية ، مما يؤدي إلى تعريف هيكلي للسطح. يمكنك التعرف على الجهاز والوظائف والمعنى ، وكذلك الاطلاع على صورة المجهر النفقي في هذه المقالة.
منشئو المحتوى
قبل اختراع مثل هذا المجهر ، كانت إمكانيات دراسة التركيب الذري للأسطح مقتصرة بشكل أساسي على طرق الحيود باستخدام حزم الأشعة السينية والإلكترونات والأيونات والجسيمات الأخرى. وجاء هذا الاختراق عندما طور الفيزيائيان السويسريان غيرد بينيج وهاينريش روهرر أول مجهر نفقي. اختاروا سطح الذهب لصورتهم الأولى. عندما عُرضت الصورة على شاشة تليفزيونية ، رأوا صفوفًا من الذرات المرتبة بدقة ولاحظوا مدرجات واسعة مفصولة بخطوات بارتفاع ذرة واحدة. بينيج وروهرراكتشف طريقة بسيطة لإنشاء صورة مباشرة للتركيب الذري للأسطح. تم الاعتراف بإنجازهم المثير للإعجاب مع جائزة نوبل في الفيزياء عام 1986.
السلائف
اخترع راسل يونغ وزملائه مجهرًا مشابهًا يسمى Topografiner بين عامي 1965 و 1971 في المكتب الوطني للمعايير. وهو حاليًا المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا. يعمل هذا المجهر على مبدأ أن محركات بيزو اليسرى واليمنى تفحص الطرف أعلى سطح العينة وفوقه بقليل. يتم التحكم في محرك الخادم المركزي الذي يتم التحكم فيه عن طريق بيزو بواسطة نظام الخادم للحفاظ على جهد ثابت. ينتج عن هذا فصل رأسي دائم بين الطرف والسطح. يكتشف مضاعف الإلكترون جزءًا صغيرًا من تيار النفق الذي يتبدد على سطح العينة.
عرض تخطيطي
تشتمل مجموعة مجهر الأنفاق على المكونات التالية:
- تلميح مسح ؛
- وحدة تحكم لتحريك الطرف من إحداثيات إلى أخرى ؛
- نظام عزل الاهتزاز ؛
- كمبيوتر.
غالبًا ما يكون الطرف مصنوعًا من التنجستن أو البلاتين الإيريديوم ، على الرغم من استخدام الذهب أيضًا. يستخدم الكمبيوتر لتحسين الصورة من خلال معالجة الصور وعمل القياسات الكمية.
كيف يعمل
مبدأ تشغيل النفقالمجهر معقد للغاية. لا تقتصر الإلكترونات الموجودة أعلى الطرف على المنطقة داخل المعدن بواسطة الحاجز المحتمل. يتحركون عبر العقبة مثل حركتهم في المعدن. يتم إنشاء الوهم بأن الجسيمات تتحرك بحرية. في الواقع ، تنتقل الإلكترونات من ذرة إلى ذرة ، مروراً بحاجز محتمل بين موقعين ذريين. لكل نهج للحاجز ، يكون احتمال حفر الأنفاق هو 10: 4. تعبرها الإلكترونات بسرعة 1013 في الثانية. معدل النقل العالي هذا يعني أن الحركة كبيرة ومستمرة.
بتحريك طرف المعدن فوق السطح لمسافة صغيرة جدًا ، متداخلة مع السحب الذرية ، يتم إجراء التبادل الذري. هذا يخلق كمية صغيرة من التيار الكهربائي يتدفق بين الطرف والسطح. يمكن قياسها. من خلال هذه التغييرات المستمرة ، يوفر مجهر الأنفاق معلومات حول بنية وتضاريس السطح. وبناء عليه نموذج ثلاثي الأبعاد مبني على مقياس ذري يعطي صورة للعينة.
حفر الأنفاق
عندما يتحرك الطرف بالقرب من العينة ، تقل المسافة بينه وبين السطح إلى قيمة مماثلة للفجوة بين الذرات المجاورة في الشبكة. يمكن أن يتحرك إلكترون النفق باتجاههم أو باتجاه الذرة عند طرف المسبار. يقيس التيار في المسبار كثافة الإلكترون على سطح العينة ، ويتم عرض هذه المعلومات على الصورة. تظهر مجموعة الذرات الدورية بوضوح على مواد مثل الذهب والبلاتين والفضة والنيكل والنحاس. مكنسة كهرباءيمكن أن يحدث نفق للإلكترونات من الطرف إلى العينة على الرغم من أن البيئة ليست فراغًا ، ولكنها مليئة بالغاز أو الجزيئات السائلة.
تشكيل ارتفاع الحاجز
يوفر التحليل الطيفي لارتفاع الحاجز المحلي معلومات عن التوزيع المكاني لوظيفة عمل السطح المجهري. يتم الحصول على الصورة عن طريق قياس التغير اللوغاريتمي في تيار النفق نقطة بنقطة ، مع مراعاة التحول إلى فجوة تقسيم. عند قياس ارتفاع الحاجز ، يتم تعديل المسافة بين المسبار والعينة بشكل جيبي باستخدام جهد تيار متردد إضافي. تم اختيار فترة التعديل لتكون أقصر بكثير من زمن حلقة التغذية الراجعة الثابتة في مجهر الأنفاق.
المعنى
هذا النوع من مجهر المسح الضوئي قد مكّن من تطوير تقنيات النانو التي يجب أن تتعامل مع كائنات بحجم النانومتر (أصغر من الطول الموجي للضوء المرئي بين 400 و 800 نانومتر). يوضح المجهر النفقي بوضوح ميكانيكا الكم عن طريق قياس كمية الغلاف. اليوم ، يتم ملاحظة المواد غير المتبلورة غير البلورية باستخدام مجهر القوة الذرية.
مثال السيليكون
تمت دراسة أسطح السيليكون على نطاق أوسع من أي مادة أخرى. تم تحضيرها عن طريق التسخين في الفراغ إلى درجة حرارة بحيث أعيد بناء الذرات في عملية مستحثة. تمت دراسة إعادة الإعمار بتفصيل كبير. شكل معقد على السطح ، يُعرف باسم Takayanagi 7 × 7. شكلت الذرات أزواجًا ،أو الثنائيات التي تتناسب مع الصفوف الممتدة عبر قطعة السيليكون بأكملها قيد الدراسة.
بحث
أدى البحث حول مبدأ تشغيل مجهر الأنفاق إلى استنتاج مفاده أنه يمكن أن يعمل في الغلاف الجوي المحيط بنفس الطريقة كما في الفراغ. تم تشغيله في الهواء والماء والسوائل العازلة والمحاليل الأيونية المستخدمة في الكيمياء الكهربائية. هذا أكثر ملاءمة من الأجهزة ذات الفراغ العالي.
يمكن تبريد مجهر الأنفاق إلى 269 درجة مئوية تحت الصفر وتسخينه إلى 700 درجة مئوية. تستخدم درجة الحرارة المنخفضة لدراسة خصائص المواد فائقة التوصيل ، وتستخدم درجات الحرارة العالية لدراسة الانتشار السريع للذرات عبر سطح المعادن وتآكلها.
يستخدم مجهر الأنفاق في المقام الأول للتصوير ، ولكن هناك العديد من الاستخدامات الأخرى التي تم استكشافها. تم استخدام مجال كهربائي قوي بين المسبار والعينة لتحريك الذرات على طول سطح العينة. تمت دراسة تأثير المجهر النفقي في الغازات المختلفة. في إحدى الدراسات ، كان الجهد أربعة فولت. كان الحقل عند الطرف قويًا بدرجة كافية لإزالة الذرات من الحافة ووضعها على الركيزة. تم استخدام هذا الإجراء مع مسبار الذهب لإنشاء جزر ذهبية صغيرة على ركيزة تحتوي على عدة مئات من ذرات الذهب لكل منها. خلال البحث تم اختراع مجهر هجين النفقي. تم دمج الجهاز الأصلي مع bipotentiostat
