ميکروسکوپ امپدانس روبشي تلفيقي از ميکروسکوپ پروبي روبشي با پروبرسانا و طيفسنج امپدانس است. در ميکروسکوپ پروبي روبشي، پروب بهصورت نانومتري به سطح نمونه نزديک و تصاوير توپوگرافي و سه بعدي با قدرت تفکيک اتمي از سطح نمونه تهيه ميشود. بهطور معمول در ميکروسکوپهاي پروبي روبشي زمانيکه نياز به ايجاد اختلاف پتانسيل بين سطح نمونه و پروب باشد، از جريان و ولتاژ مستقيم (dc) استفاده ميشود اما در ميکروسکوپ امپدانس روبشي به علت محاسبه امپدانس، از جريان متناوب (ac) استفاده ميشود. به بيان دقيقتر، ميکروسکوپ امپدانس روبشي، روشي براساس ميکروسکوپي پروبي روبشي براي تهيه تصوير کمّي از خواص جريان متناوب است.
یکی از قابلیتهای ارزشمند میکروسکوپی تونلزنی روبشی، اندازهگیری هدایت تک مولکول است.براي این منظور لازم است يک اتصال مولکولي بین الکترود (سوزن STM از جنس طلا) و مولکولی که دارای گروه عاملی مناسبی برای ایجاد اتصال است (مانند گروههای تیولی) بهوجود آمده و سپس هدایت در يک محيط کنترلشده و با پتانسیل مشخصی اندازهگيري شود. یکی از چالشهای اساسی این روش، ایجاد چنين اتصالهایی بهصورت تکرارپذیر است. پیشرفت روش شکست- اتصال، نقش مهمی را در توسعه رشته الکترونیک مولکولی ایفا خواهد نمود. در این مقاله اصول نظری و عملی اندازهگیری هدایت تک مولکول به روش اتصال– شکست مورد بررسی قرار میگیرد. این مقاله شامل سرفصل های زیر است: مقدمه 1- اصول امپدانس 2- اندازهگيريهاي امپدانس موضعي 3- مثالهاي کاربردي در رابطه با ميکروسکوپ امپدانس روبشي 3-1- پيلهاي سوختي
مقدمه
از زمان اختراع ميکروسکوپ نيروي اتمي توسط بينيگ و همکارانش [1و2]، تاکنون روشهاي متعددي بر مبناي ميکروسکوپي پروبي روبشي بهعنوان ابزار پايه در زيستشناسي و نانوزيست فناوري تکامل يافتهاند. روشهايي نظير ميکروسکوپي امپدانس روبشي [3]، ميکروسکوپي الکتروشيميايي روبشي [4]، و ميکروسکوپي نيروي الکترواستاتيکي [6] امکان مطالعه رفتار الکتريکي مواد مختلف در مقياس نانو بهخصوص زيستملکولها در محيط فيزيولوژيکي اصلي را فراهم ميسازند. در اين مقاله، بر دستيابي به اطلاعات امپدانس در مقياس نانو با استفاده از ميکروسکوپي نيروي اتمي اشاره شدهاست. طيفنگاري امپدانس مبتني بر روش AFM، با بهکارگيري سوزن هادي AFM بهعنوان الکترود متحرک، اطلاعات امپدانس موضعي در مقياس نانو را براي پديدههاي الکتريکي، الکتروشيميايي و ديالکتريکها فراهم ميسازد تا پاسخ جريان بهصورت تابعي از زمان و فرکانس در شرايط کنترلشده آشکارسازي شود. در اين جا اصول اندازهگيري امپدانس مبتني بر روش AFM، بهصورت مختصر بررسي و سپس مثالهايي از کاربردهاي متنوع اين روش در مواردي نظير پيلهاي سوختي، باتريهاي يون – ليتيوم، زيست غشاهاي نورفعال، پوششهاي پليمري و اکسيدهاي نيمههادي ذکر ميشود.
1- اصول امپدانس امپدانس يا مقاومت ظاهري الکتريکي، مقدار مقاومتي است که تحت يک اختلاف پتانسيل با فرکانسهاي مختلف در برابر جريان الکتريکي ظاهر ميشود. امپدانس که با نماد Z نمايش داده ميشود داراي دو جزء حقیقی يا مقاومتي (Z’ يا Zre) و جزء موهومي يا خازني (Z” يا Zim) است که بنابر قانون اهم از نسبت ولتاژ به جريان بهدست ميآيد.
امپدانس بهصورت نسبتي از ولتاژ اعمالي اغتشاشکننده سينوسي (فرمول (1)) و پاسخ جريان حاصل از سيستم براساس فرمول (2)، مشخص ميشود که در آن:
V(t) و I(t) به ترتيب پتانسيل و جريان در زمان (t)، (V0) و (I0) بزرگي سيگنالهاي ولتاژ و جريان، (w) فرکانس زاويهاي و (j) زاويه فاز (زاويه تأخيري بين ولتاژ اعمال شده و جريان حاصله) است.
V(t)=V0sin(wt) (1) I(t)=I0sin(wt+j) (2)
با اندازهگيري امپدانس يک سيستم در دامنهاي از فرکانسها، طيف امپدانس بدست ميآيد که اين امر ميتواند به روشهاي مختلفي نمايش داده شود. يکی از روشهای نمايش، ترسيم نايکوئيست است که در آن (Zim) برحسب (Zre) براي مقادير مختلفي از (w) رسم ميشود. بهوسيله مدلهاي رسم شده در ترسيم بُد يعني لگاريتم بزرگي (Z0) و زاويه فاز (j) امپدانس بر حسب لگاريتم فرکانس زاويهاي (log w) امکان تشخيص زمانهاي استراحت يک سيستم فراهم ميشود. اين زمانهاي استراحت ميتواند مربوط به فرآيندهاي فيزيکي و شيميايي متعددي شامل انتقال يون، انتقال بار و نفوذ باشد. نمايي از طيف امپدانس نوعي (به فرم نايکوئيست) که در شکل (1-الف) ارائه شده، شامل چندين کمان نيمدايرهاي شاخص است که بهطور معمول هرکدام از آنها ميتوانند به پديدههاي فيزيکي مجزايي در ماده يا سيستم مورد مطالعه مربوط باشد. در اندازهگيريهاي امپدانس نوعي، يک اغتشاش ولتاژ سينوسي از طريق دو الکترود متصل به نمونه اعمال ميشود و پاسخ جريان سينوسي حاصل اندازه گرفته ميشود (شکل(1-ب)).
بهدليل بهکارگيري الکترودهاي تودهاي در اندازهگيريهاي متداول امپدانس، اين روش نتايج ميانگيني از سيستم ايجاد ميکند. در ادامه مشاهده خواهيد کرد، به دلیل توسعه سريع روشهاي پروبي روبشي، امکان تلفيق قابليتهاي AFM با اندازهگيري امپدانس وجود دارد تا دستيابي به اندازهگيريهاي امپدانس سطوح با توان تفکيک بالا امکانپذير شود. با گسترش قابل توجه مقاومت در نقطه تماس نوک AFM با نمونه، اطلاعاتي در مورد ويژگيهاي موضعي که با خطوط نيمکروي نشان داده شده، حاصل ميشود. Zreal و Zimag به ترتيب اجزاء حقيقي و موهومي امپدانس يک سيستم، ZW، ZK,I و ZK,II بهترتيب امپدانس درگير فرآيند اهمي، فرآيند جنبشي I و فرآيند جنبشي II است. RW، RK,I، RK,II، CW، CK,I و CK,II به ترتيب مقاومتها و خازنهاي درگير فرآيند اهمي، فرآيند سينتيکي I و فرآيند سينتيکي II در مدار معادل هستند (شکل (1-ج)).
شکل 1: ميکروسکوپي نيروي اتمي (AFM) مبتني بر اندازهگيريهاي امپدانس. (الف) نماي نمونهاي از طيف امپدانس متداول. اين طيف امپدانس دو کمان نيمدايرهاي جدا از هم را نشان ميدهد که هرکدام از آنها را اغلب ميتوان به پديدههاي فيزيکي ويژه (نظير يک واکنش الکتروشيميايي) يا اشکال ريزساختار (نظير فصول مشترک يا مرزهاي دانهاي) در ماده نسبت داد. شکل داخلي نشاندهنده مدار معادل طيف امپدانس است. (ب) اندازهگيري امپدانس دو الکترود و (ج) اندازهگيري امپدانس مبتني بر AFM را نشان ميدهد. امپدانس بين يک پروب موضعي (نوک AFM) و الکترود تودهاي اندازه گرفته ميشود. [7]
2- اندازهگيريهاي امپدانس موضعي به روشي کاملاً مشابه با اندازهگيريهاي امپدانس ماکروسکوپي، اندازهگيريهاي امپدانس مبتني بر AFM ميتواند به دو روش صورت گيرد. نوک AFM ميتواند بهعنوان پروب جريان ميکروسکوپي مشابه با جريان ماکروسکوپي مورد استفاده قرار گيرد. اين رويکرد بهعنوان اندازهگيري امپدانس AFM تماسي (يا ميکروسکوپي نانوامپدانس) در نظر گرفته ميشود. در اين مورد، يک ساز و کار متداول آشکارسازي نيرو بهمنظور رديابي توپوگرافي سطح و آشکارسازي جريان بهمنظور اندازهگيريهاي امپدانس به کار گرفته ميشود. نوک AFM ميتواند بهعنوان يک پروب متحرک ولتاژ با استفاده از آشکارسازي نيروي الکترواستاتيک به روش غيرتماسي (طيفنگاري امپدانس روبشي) بهکار گرفته شود. در اين مورد، سهم مقاومت تماس سطح با نوک نسبت به اندازهگيريهاي امپدانس به حداقل ميرسد. در هر دو مورد خواصي که ميتواند نشان داده شود، بهصورت طيفهاي نقطهاي يا تصاوير است؛ زيرا ميکروسکوپي غيرامپدانسي قابليت نقشهبرداري از امپدانس را در دو بعد با توان تفکيک زير nmا100 دارد. اين قابليت شگفتانگيز با چالشهايي همراه است: محدوديتهاي مربوط به سرعت در بهدست آوردن طيف در هر نقطه و عدم قطعيتها در ناحيه تماس سطح نمونه با نوک. با اين وجود، در موارد متعددي، نتايج ميتواند تفسير شود تا اطلاعات نيمه کمّي بدست آيد.
3- مثالهاي کاربردي در رابطه با ميکروسکوپ امپدانس روبشي
3-1- پيلهاي سوختي اُهايره و همکارانش [8] به کمک AFM امپدانسي از غشاء نافيوني تصويربرداري کردند تا مکانهاي آبگريز نسبت به حوزههاي فعال يوني با وضوح فضايي زير nmا۱۰۰ متمايز شوند. نافيون يک الکتروليت بسيار متداول در پيلهاي سوختي است. خواص هدايت ماکروسکوپي آن به شدت وابسته به توزيع کانالهاي هدايتکننده يوني آبدوست در درون يک بافت آبگريز است. اعمال يک نيروي محرکه جريان مستقيم به سوزن AFM با پوشش پلاتين، منجر به انجام يک واکنش فارادي انتقال بار از غشا، ترکيب پروتونها با اکسيژن هوا و تشکيل آب ميشود. اساساً سوزن AFM با پوشش پلاتين در تماس با غشاء الکتروليت، نقش يک کاتد ريز و متحرک پيل سوختي را بازي ميکند. انتقال سوزن AFM از سطح غشاء الکتروليت با رديابي واکنش انتقال بار فارادي، اجازه دستيابي به تصاوير امپدانس الکترو شيميايي با توان تفکيک فضايي را ميدهد.
شکل (2) مجموعهاي از تصاوير AFM امپدانسي در فرکانس ثابت را از يک غشاء الکتروليت نافيوني نشان ميدهد. تصاوير پاسخ امپدانس را از غشاء خشک با همان ناحيه از غشاء، هنگاميکه مرطوب شده، مقايسه ميکنند. سطح آبگيري الکتروليت نافيون بهطور چشمگيري بر غلظت پروتون حلالپوشي شده (H3O+.nH2O) و هدايت اثر ميگذارد. اين موضوع به سرعت از روي تصاوير AFM امپدانسي مشخص ميشود، بهطوريکه تغيير شديدي در پاسخ امپدانس مشاهده ميشود. همچنين با تصاوير امپدانس نافيون در شکل (2) ميتوان نواحي چند صد نانومتري آبدوست (مناطق روشنتر) و آبگريز (مناطق تيرهتر) را شناسايي نمود. اين نتايج بيانگر يک کاهش کلي در امپدانس و يک گسترش نواحي کم امپدانس با افزايش آبپوشي، در مقايسه با اطلاعات کنوني در مورد رفتار نافيون است.
. شکل ۲: تصاوير مدول امپدانس (رديف بالا) و فاز امپدانس (رديف پايين) از يک غشاي الکتروليت نافيون. مجموعههاي تصويري در سمت چپ، پاسخ امپدانس را در شرايط خشک (صفر درصد رطوبت نسبي) با شرايط رطوبت معمولي (30 درصد رطوبت نسبي) براي ناحيه ۲اμmا۴۰ × ۴۰ از غشاء نافيوني مقايسه ميکنند. مجموعههاي تصويري در سمت راست، پاسخ امپدانس را در شرايط خشک با شرايط رطوبت معمولي براي ناحيه ۲اμmا۱ × ۱ از غشاء نافيوني مقايسه ميکنند. تصاوير در فرکانس Hz ۱ با يک ولتاژ متناوب mVا۳۰ و مستقيم کاتدي Vا0/4 بدست آمدند. همچنانکه از تصاوير امپدانس مشخص ميشود، سطح آبپوشي الکتروليت نافيوني تأثير قابل توجهي بر غلظت +H3O و هدايت يوني ميگذارد. تغيير در تصاوير ۲اμmا۱ واضح است، بهطور مشابه به سبب نوسانات و تشکيل قوسي بين آب و نوک سوزن، بر محدوديتهاي روش ميافزايد. [9]
با پيشرفت روش، چندين گروه تحقيقاتي ديگر، هدايت پروتون در غشاهاي نافيوني را با بکارگيري امپدانس (ac) و نيز نقشهبرداري از جريان، در وضوح فضايي حتي بالاتر بررسي کردند. بوسيان و همکارانش گزارش کردند که کسر بزرگي از کانالهاي هدايتگر در يک غشاي نافيون معمولي، به علت محدوديت قابليت اتصال حوزههاي آبدوست و عدم دسترسي به کاتاليزور، غيرفعال هستند [10]. الکساندروف و همکارانش دريافتند که کسر بزرگي از درگاههاي کانالي همان تعداد از پروتونها در واحد زمان را عبور ميدهند که وجود يک اندازه حفره و ساختار بهينه براي اتصال مؤثر شبکه کانال يوني پيشنهاد شد [11]. آنها در کار بعدي خود، قابليت اتصال مسيرهاي آب دوست و رفتار ديناميک آنها را با استفاده از نقشهبرداري هدايتي با تفکيک زماني مورد بررسي قرار دادند [12].
همچنين مطالعات نشان داد که توزيع هدايت يوني موضعي با رطوبت نسبي، با افزايش نمايي پيک و پهنا در نصف راه، از يک تابع گوسين پيروي ميکند. در کار ديگري، تغييرات ميکروسکوپي چشمگيري در شبکههاي کانال يوني در حين مطالعات فرسودگي مشاهده و پيشنهاد جهتگيري مجدد کانالهاي يوني نزديک به سطح غشا مطرح شد [13].
در پژوهش ديگري به ارتباط بين نواحي با هدايت ناچيز و مقاومت انتقال جرم فصل مشترک پي برده شد و در راستاي کمک به درک خواص انتقالي در غشاء براي مديريت آب و بازدهي پيل سوختي رابطه مهمي برقرار گرديد [14].
کاربردها و بينشها نسبت به طيفنگاري امپدانس AFM بهوسيله توسعه اندازهگيريها به محيطهاي کنترلشده، بهويژه در دماهاي بالاتر ميتواند افزايش بيشتري داشته باشد. هانسن و همکاران [15و16] تصاوير توپوگرافي، تصاوير هدايتپذيري و طيفهاي امپدانس را روي ميکروالکترودهاي طلاي رسوبگذاري شده بر سراميک با ساختار بلورين زيرکونيوم دي اکسيد پايدار شده بهوسيله ايتريوم اکسيد (YSZ) از دماي محيط تا ۶۵۰ درجه سانتیگراد بهدست آوردند.
شکل ۳: طيفنگاري امپدانس (ac) موضعي براي بررسي سرعت احياي اکسيژن در سيستم Pt/CsHSO4. (الف) ميکروگراف الکتروني روبشي از سطح CsHSO4 که پس از آزمايش الکتروشيميايي تهيه شدهاست. (ب) روبش توپوگرافي سطح CsHSO4 چند بلوري که در دماي تقريبي Cا°۱۵۰ در هواي نمناک (حدود 0/03 اتمسفر آب) بدست آمده است. (ج) منحني نيمه لگاريتمي ولتاموگرامهاي چرخهاي (شاخه کاتدي) با سرعت پيمايش mV/sا25 براي نقاط انتخابی از سطحPt/CsHSO4 که در شکل (ب) نشان داده شدهاست. (د) ضريب تبادل، (α) و جريان تبادل، (i0)، بهصورت توابعي از موقعيت مکاني رسم شدهاست. کمیتها از برازش ناحيه خطي هر منحني در (الف) با معادله تافل استخراج شدهاند. در برخي از موارد، نوارهاي خطا براي (α) کوچکتر از علائم مربوط به نقاط هستند. تغييرات فضايي عمده در سرعت احياي اکسيژن توسط (α) و (i0)، نشان از تأثير ويژگيهاي سطح در مقياس نانو از الکتروليت چند بلوري بر سرعتهاي واکنش الکتروشيميايي در سيستم Pt/CsHSO4 دارد [17].
لوئي و همکارانش آناليز سرعت احياي اکسيژن در فصل مشترک Pt/CsHSO4 را در مقياس نانو و دماي C°ا۱۵۰ در محیط مرطوب با استفاده از امپدانس مبتني بر AFM و ولتامتري چرخهاي انجام دادند [17].
با استفاده از نتایج آن، احياي اکسيژن در فصل مشترک Pt/CsHSO4 بدون اثرات ميانگين فضايي مورد بررسي قرار گرفت که بدينترتيب امکان جداسازي چندين فرآيندي که در اندازهگيريهاي ماکرومقياس متداول از پيچيدگي زيادي برخوردار بودند، فراهم گردید (شکل ۳). مشخصههاي جريان – ولتاژ فصل مشترک Pt/CsHSO4 در نقاط متعدد سطح الکتروليت نشاندهنده وابستگي سرعت احياي اکسيژن با تغييرات مکاني است. ضرايب تبادل براي انتقال بار از 0/1 تا 0/6 تغيير کرد و جريانهاي تبادل با گستره 5 درجه بزرگي استخراج شد. تغيير اساسي در اين عوامل با تغييرات مکاني، نشاندهنده ناهمگني در مقياس نانو در سطح و تأثير آن روي سرعتهاي واکنش الکتروشيميايي در سيستم Pt/CsHSO4 است.
مثالهاي فوق نشان ميدهند که چگونه امپدانس مبتني بر AFM، امکان مطالعات نيمهکمي و گسترده از واکنشهاي الکتروشيميايي در فصول مشترک در مقياس نانو را فراهم ميسازد.
منابـــع و مراجــــع
۱ – Kalinin, S.V., Bonnell, D.A., “Scanning impedance microscopy of electroactive interfaces”, Appl. Phys. Lett. 78(9), 1306-1309, (2001).
۲ – Binnig, G., Rohrer, H.”Scanning tunneling microscopy”, IBM J. Res. Dev. 30(4), 355-369, (1986).
۳ – Kalinin, S.V., Bonnell, D.A., “Scanning impedance microscopy of an active schottky barrier diode”, J. Appl. Phys. 91(2), 832-839, (2002).
۴ – Kranz, C., Friedbacher, G., Mizaikoff, B., Lugstein, A., Smoliner, J., Bertagnolli, E., “Integrating an ultramicroelectrode in an AFM cantilever: Combined technology for enhanced information”, Anal. Chem. 73(11), 2491-2500, (2001).
۵ – Fumagalli, L., Ferrari, G., Sampietro, M., Gomila, G., “Quantitative nanoscale dielectric microscopy of single-layer supported biomembranes”, Nano Lett. 9(4), 1604-1608, (2009).
۶ – Fumagalli, L., Esteban-Ferrer, D., Cuervo, A., Carrascosa, J.L., Gomila, G., “Label-free identification of single dielectric nanoparticlesviruses with ultraweak polarization forces”, Nat. Mater. 11, 808-816, (2012).
۸ – O’Hayre, R.P., Feng, G., W.D. Nix , F.B. Prinz, ” Quantitative impedance measurement using atomic force microscopy”, J. Appl. Phys. 96, 3540-3549, (2004).
۹ – O’Hayre, R.P., Lee, M., Prinz, F.B, “Ionicelectronic impedance imaging using atomic force microscopy”, J. Appl. Phys. 95, 8382-8392, (2004).
۱۰ – Bussian, D.A., O’Dea, J.R., Metiu, H., Buratto, S.K., “Nanoscale current imaging of the conducting channels in proton exchange membrane fuel cells”, Nano Lett. 7(2), 227-232, (2007).
۱۱ – Aleksandrova, E., Hiesgen, R., Friedrich, K.A., Roduner, E., “Electrochemical atomic force microscopy study of proton conductivity in a Nafion membrane”, Phys. Chem. Chem. Phys. 9, 2735-2743, (2007).
۱۲ – Aleksandrova, E., Hink, S., Hiesgen, R., Roduner, E., “Spatial distributiondynamics of proton conductivity in fuel cell membranes: potentialations of electrochemical atomic force microscopy measurements”, J. Phys. Condens. Matter. 23, 234109, (2011).
۱۳ – Xie, X., Kwon, O., Zhu, D.-M., Nguyen, T.V., Lin, G., “Local probeconduction distribution of proton exchange membranes”, J. Phys. Chem. B 111(22), 6134-6140, (2007).
۱۴ – Q.G. He, Kusoglu ,A., Lucas, I.T., K. Clark, A.Z. Weber, R. Kostecki, “Correlating humidity-dependent ionically conductive surface area with transport phenomena in proton-exchange membranes”, J. Phys. Chem. B 115(40), 11650-11657, (2011).
۱۵ – Hansen, K.V., Jacobsen, T., Nørgaard, A.M., Ohmer, N., Mogensena, M., “Scanning probe microscopy at 650 °C in air”, Electrochem. Solid State Lett. 12(10), B144-B145, (2009).
۱۶ – Wu, Y., Hansen, K.V., Jacobsen, T., Mogensen, M., “Impedance measurements on Au microelectrodes using controlled atmosphere high temperature scanning probe microscope”, Solid State Ionics 197(1), 32-36, (2011).
۱۷ – Louie, M.W., Hightower, A., Haile, S.M., “Nanoscale electrodes by conducting atomic force microscopy: Oxygen reduction kinetics at the Pt∣CsHSO4 interface”, ACS Nano 4, 2811-2821, (2010).
۱۸ – Vullum, F., Teeters, D., Nytén, A., Thomas, J., “Characterization of lithium nanobatterieslithium battery nanoelectrode arrays that benefit nanostructuremolecular self-assembly”, Solid State Ionics 177, 2833-2838, (2006).
۱۹ – Layson, A., Gadad, S., Teeters, D., “Resistance measurements at the nanoscale: scanning probe ac impedance spectroscopy”, Electrochim. Acta 48, 2207-2213, (2003).
۲۰ – Lipson, A.L., Ginder, R.S., Hersam, M.C, “Nanoscale in situ characterization of Li-ion battery electrochemistry via scanning ion conductance microscopy”, Adv. Mater. 23, 5613-5617, (2011).
۲۱ – Kathan-Galipeau, K., Nanayakkara, S., O’Brian, P.A., Nikiforov, M., Discher, B.M., Bonnell, D.A., “Direct probe of molecular polarization in de novo protein–electrode interfaces”, ACS Nano 5, 4835-4842, (2011).
۲۲ – Lee, M., O’Hayre, R., Prinz, F.B., Gur, T.M., “Electrochemical nanopatterning of Ag on solid-state ionic conductor RbAg4I5 using atomic force microscopy”, Appl. Phys. Lett. 85, 3552-3554, (2004).
۲۳ – Kruempelmann, J., Balabajew, M., Gellert, M., Roling, B., “Quantitative nanoscopic impedance measurements on silver-ion conducting glasses using atomic force microscopy combined with impedance spectroscopy”, Solid State Ionics 198, 16 21, (2011).