طيف‌سنجي تونل‌زني روبشي (STS) روش آزمايشگاهي قوي در ميكروسكوپ تونل‌زني روبشي (STM) است كه بررسي چگالي حالت‌هاي انرژي (DOS) و گاف نواري سطوح و مواد روي آنها را در مقياس اتمي ممكن می‌کند. همچنین اطلاعات مهمی در رابطه با توزیع خاص سیستم‌های الکترونی را در اختیار قرار می‌دهد. به‌طور كلي (STS)، در حالت جريان ثابت با اعمال باياس سوزن – نمونه، بررسي تغييرات و انجام اندازه‌گيري موضعي جريان تونلي، اندازه‌گيري هدايت تونلي (dI/dV) و مواردي ديگر را در بردارد.
این مقاله شامل سرفصل‌های زیر است:
1- مقدمه
2- طیف‌سنجی تونل‌زني روبشی(STS)
3- روش‌های تهیه نمودارهای طیف‌سنجی تونل‌زنی
1-3- تفسير داده‌ها
1- مقدمه
2- طیف‌سنجی تونل‌زني روبشی(STS)
3- روش‌های تهیه نمودارهای طیف‌سنجی تونل‌زنی
1-3- تفسير داده‌ها
1-1-3- مثال‌هایی از نمودارهای طیف‌سنجی تونل‌زنی روبشی
4- محدوديت‌ها
5- نتیجه‌گیری
4- محدوديت‌ها
5- نتیجه‌گیری
1- مقدمه
میکروسکوپ تونل‌زني روبشی اولين نوع از سري ميكروسكوپ‌هاي پروبي روبشي است كه امكان بررسي مستقيم اتم‌ها و مولكول‌ها را براي اولين بار ممكن ساخت(شکل 1). در اين ميكروسكوپ، هنگام روبش سطح يك نمونه هادي، با استفاده از برقراری جريان تونلي بين يك سوزن تيز و سطح نمونه هادي، اطلاعات با ارزشي از سطح نمونه به‌دست مي‌آيد [1].
شکل 1: دو نمونه دستگاه میکروسکوپ STM [1].
هنگامي كه نوک تيز سوزن دستگاه دارای ولتاژ معینی نسبت به سطح نمونه باشد و در فاصله چند نانومتری سطح رسانا حرکت کند، در اثر پديده تونل‌زني الكتروني از فضاي خالي بين سوزن و نمونه جریانی عبور كرده و جريان تونلی برقرار می‌شود. شكل (2) پديده تونل‌زني الكتروني براساس مكانيك كوانتوم را نشان مي‌دهد. هنگام روبش سطح نمونه، تغییرات بسیار اندک جريان ناشی از وجود ناهمواری‌های سطح به تصوير تبدیل مي‌شود. تصویر ایجاد شده، نشان‌دهنده آرایش فضایی نوار هدایت فلز یا نیمه‌هادی است. به کمک این میکروسکوپ می‌توان آرایش اتم‌ها در سطح شبکه را نیز به تصویر کشید. صحت تصویربرداری اين روش وابسته به شرایط محیطی و میزان تیزی سوزن است [1].
با اختراع میکروسکوپ تونل‌زني روبشی، علاوه‌بر امکان تهیه اطلاعات توپوگرافی، تهيه یک سری اطلاعات از حالات الکترونی و طیف انرژی از قابلیت رسانایی (هدایت) دینامیکی موضعی (dI/dV) نيز ميسر است. این روش که حجم زیادی از اطلاعات و جزئیات حالات الکترونیکی در سطوح مختلف را تهیه می‌کند، طیف‌سنجی تونل‌زني روبشی نامیده می‌شود [2].
گراف‌های (V-I) با استفاده از روش (STS) به‌دست می‌‌آیند. بدین منظور با قرار دادن سوزن دستگاه روی یک نقطه از نمونه و خاموش کردن سیستم بازخورد، جریان تونلی به‌صورت تابعی از ولتاژ در محدوده (VSet تا -VSet) اندازه‌گیری می‌شود. برای به‌دست آوردن نتایج تکرارپذیر و قابل قبول، بهتر است که گراف فوق از سطوح صاف تک‌لایه به‌دست آید. در این حالت، جریان تونلی بین اتم‌هاي نوک سوزن و نقطه‌ای از سطح دقیقاً زیر آن اتم، جریان می‌یابد و اثرات شکل سوزن به کمترین مقدار می‌رسد.
اندازه‌گیری باید در زمانی بسیار کوتاه انجام شود تا سوزن معادل با شعاع تک‌مولکول انحراف یابد. در دمای اتاق، میزان سرعت انحراف، (1) نانومتر بر دقیقه تا (0/02) نانومتر بر ثانیه است. انحراف سوزن در اندازه‌گیری‌های I(V) طی زمان (3) الی (5) ثانیه، تقریباً (0/06) تا (0/1) نانومتر خواهد بود [3-5].
گراف‌های (V-I) با استفاده از روش (STS) به‌دست می‌‌آیند. بدین منظور با قرار دادن سوزن دستگاه روی یک نقطه از نمونه و خاموش کردن سیستم بازخورد، جریان تونلی به‌صورت تابعی از ولتاژ در محدوده (VSet تا -VSet) اندازه‌گیری می‌شود. برای به‌دست آوردن نتایج تکرارپذیر و قابل قبول، بهتر است که گراف فوق از سطوح صاف تک‌لایه به‌دست آید. در این حالت، جریان تونلی بین اتم‌هاي نوک سوزن و نقطه‌ای از سطح دقیقاً زیر آن اتم، جریان می‌یابد و اثرات شکل سوزن به کمترین مقدار می‌رسد.
اندازه‌گیری باید در زمانی بسیار کوتاه انجام شود تا سوزن معادل با شعاع تک‌مولکول انحراف یابد. در دمای اتاق، میزان سرعت انحراف، (1) نانومتر بر دقیقه تا (0/02) نانومتر بر ثانیه است. انحراف سوزن در اندازه‌گیری‌های I(V) طی زمان (3) الی (5) ثانیه، تقریباً (0/06) تا (0/1) نانومتر خواهد بود [3-5].
2- طیف‌سنجی تونل‌زني روبشی(STS)
طيف‌سنجي تونل‌زني روبشي يك روش آزمايشگاهي قوي در کاربرد ميكروسكوپ تونل‌زني روبشي است كه بررسي چگالي موضعي ترازهاي الكتروني و گاف نواري سطوح و مواد روي آنها را در مقياس اتمي ممكن مي‌كند. به‌طور كلي (STS)، در حالت جريان ثابت با اعمال باياس سوزن – نمونه، بررسي تغييرات و انجام اندازه‌گيري موضعي جريان تونلي، اندازه‌گيري هدايت تونلي (dI/dV) و غیره را ميسر مي‌كند. از آنجایي‌كه جريان تونلي در ميكروسكوپ تونل‌زني روبشي تنها در ناحيه‌اي با قطر تقريباً Å(5) ایجاد می‌شود، بنابراين روش (STS) در مقايسه با ديگر روش‌هاي طيف‌سنجي كه به‌طور متوسط در ناحيه بزرگ‌تری انجام مي‌شوند، منحصربه‌فرد است.
اولين آزمايش‌ها با طيف‌سنجي تونل‌زني روبشي توسط بینیگ و روهرر انجام شد. آنان با اعمال باياس بين نمونه – سوزن، تغييرات اتم‌های شبكه سيليسيم (111) را در ابعاد (7×7) نانومتر مربع مشاهده كردند.
روش (STS) توانمندی‌های متنوعی به شرح ذیل دارد:
اولين آزمايش‌ها با طيف‌سنجي تونل‌زني روبشي توسط بینیگ و روهرر انجام شد. آنان با اعمال باياس بين نمونه – سوزن، تغييرات اتم‌های شبكه سيليسيم (111) را در ابعاد (7×7) نانومتر مربع مشاهده كردند.
روش (STS) توانمندی‌های متنوعی به شرح ذیل دارد:
- امکان بررسی چگالي موضعي ترازهاي الكتروني و گاف نواري سطوح و مواد روی سطوح در مقياس اتمی؛
- امکان نمايش ساختار الكتروني سطوح؛
- امکان اندازه‌گيري موضعي جريان تونلي برحسب باياس نمونه – سوزن، ترسيم منحني (I-V) و اندازه‌گيري مقدار هدايت تونلي(dI /dV)؛
- امکان بررسی تغيير خواص الکتريکی نانومواد به دليل حساسيت بسيار زياد به تغييرات دانسيته ترازهای نمونه در مقياس اتمی؛
- امكان کاربرد در فشار متغير، دمای متغير، گازهای متناوب و محلول‌ها؛
- امکان توصيف رفتار گوناگون مولکول‌ها و تغيير هدايت مولکول‌ها به روش‌های متفاوت؛
- امکان ارزيابی خواص انتقال بار نانوذرات انفرادی با ابعاد مختلف، طوری که ارتباط مستقيم مشخصه تونلی در محيط شيميايي خاص را با ساختار مولکولی ذرات ميسر کند؛
- تشخيص ترازهای الکترونی نوار ظرفيت از سطح جامد، در حالی که توانايي آن برای تشخيص ترازهای الکترونی پر(در نوار ظرفيت) محدود است [8-6].
3- روش‌های تهیه نمودارهای طیف‌سنجی تونل‌زنی
به‌دست آوردن توپوگراف‌ها‌ي استاندارد (STM) در بسياري از باياس‌هاي نمونه – سوزن و مقايسه نتايج توپوگرافيكي ممكن است ساده‌ترين روش طيف‌سنجي باشد [9]. باياس نمونه – سوزن مي‌تواند در طي يك روبش، خط به خط تغيير كند. اين روش، دو تصوير يك در ميان در باياس‌هاي مختلف ايجاد مي‌كند [7].
توپوگراف‌ها‌ي جريان ثابت، علاوه بر دانسيته ترازهاي الكتروني نمونه و سوزن، به فاصله نمونه و سوزن نيز وابسته است [9]. براي به‌دست آوردن هم‌زمان نمودار (I-V) و تصوير توپوگرافي، لازم است كه ولتاژ اعمال شده بر (z) پيزو، حذف و فاصله سوزن – نمونه ثابت نگه داشته شود و در موقعيت مناسب، اندازه‌گيري (I-V) بدون سامانه بازخورد صورت گيرد. باياس سوزن – نمونه در مقادير معيني جاروب شده و جريان تونلي ثبت مي‌شود. پس از به‌دست آمدن طيف، باياس سوزن – نمونه به مقدار مناسب براي روبش برگردانده شده و روبش آغاز مي‌شود. با استفاده از اين روش می‌توان ساختار الكتروني نيمه‌هادي‌ها در گاف نواري را مورد بررسي قرار داد.
طيف‌سنجي تونل‌زني تصويري جرياني، روشی از (STS) است كه در آن منحني (I-V) در هر نقطه از توپوگراف (STM) ثبت مي‌شود. ممكن است يكي از دو طيف‌سنجي تونل‌زني روبشي فاصله ثابت، يا فاصله متغير براي ثبت منحني‌ها‌ي (I-V) به‌كار برده شود.
در روش طيف‌سنجي تونل‌زني روبشي با فاصله ثابت، سوزن، روبش را در محل دلخواه متوقف مي‌كند تا منحني (I) بر حسب (V) به‌دست آيد. فاصله سوزن – نمونه به‌گونه‌ای تنظيم می‌شود تا به جريان دلخواه برسد که این مقدار می‌تواند متفاوت از جریان تنظیم شده اولیه باشد. با خاموش کردن سیگنال بازخورد پیزو (z) و جلوگیری از تغییر بایاس استفاده شده به پیزو (z) به‌وسیله سیستم بازخورد، فاصله نمونه – سوزن ثابت نگه داشته می‌شود. باياس نمونه – سوزن در مقادير معين جاروب شده و جريان تونلي ثبت مي‌شود [10].
روش طیف‌سنجی تونل‌زني روبشي با فاصله متغير، همانند (CS-STS) به واسطه خاموش شدن اثر بازخورد اتفاق مي‌افتد. زماني‌كه باياس نمونه – سوزن در مقادير معين جاروب شود، فاصله سوزن – نمونه به‌طور پيوسته با كاهش بایاس کم می‌شود.
به‌طوركلي، با تعیین کمترین میزان فاصله سوزن و نمونه در باياس صفر ولت سوزن – نمونه، از شكستن سوزن روي سطح نمونه جلوگيري می‌شود. (VS-STS)، براي اندازه‌گيري رسانايي سيستم‌ها‌يي با گاف‌ها‌ي نواري بزرگ مفيد است. اين قبيل اندازه‌گيري‌ها برای تعیین دقيق كناره‌ها‌ي نوار و بررسی شكاف ترازها مناسب هستند.
هدايت (dI/dV)، مي‌تواند از ديفرانسيل‌گيري (I) نسبت به (V) به‌دست آيد. براي جلوگيري از خزش پيزو يا انحراف حرارتي و حركت ناحيه روبش مورد مطالعه در زمان روبش، تعداد پيكسل‌ها مي‌تواند كاهش يابد. از آنجایي‌كه در برخي روبش‌های طيف‌سنجي تونل‌زني تصويري جرياني (CITS)، به‌عبارت دیگر، روشی از (STS) كه منحني (I-V) در هر نقطه از توپوگراف (STM) ثبت مي‌شود، مي‌تواند بيش از (12) ساعت طول بكشد، وجود انحراف و خزش کوچک قطعي است [11].
توپوگراف‌ها‌ي جريان ثابت، علاوه بر دانسيته ترازهاي الكتروني نمونه و سوزن، به فاصله نمونه و سوزن نيز وابسته است [9]. براي به‌دست آوردن هم‌زمان نمودار (I-V) و تصوير توپوگرافي، لازم است كه ولتاژ اعمال شده بر (z) پيزو، حذف و فاصله سوزن – نمونه ثابت نگه داشته شود و در موقعيت مناسب، اندازه‌گيري (I-V) بدون سامانه بازخورد صورت گيرد. باياس سوزن – نمونه در مقادير معيني جاروب شده و جريان تونلي ثبت مي‌شود. پس از به‌دست آمدن طيف، باياس سوزن – نمونه به مقدار مناسب براي روبش برگردانده شده و روبش آغاز مي‌شود. با استفاده از اين روش می‌توان ساختار الكتروني نيمه‌هادي‌ها در گاف نواري را مورد بررسي قرار داد.
طيف‌سنجي تونل‌زني تصويري جرياني، روشی از (STS) است كه در آن منحني (I-V) در هر نقطه از توپوگراف (STM) ثبت مي‌شود. ممكن است يكي از دو طيف‌سنجي تونل‌زني روبشي فاصله ثابت، يا فاصله متغير براي ثبت منحني‌ها‌ي (I-V) به‌كار برده شود.
در روش طيف‌سنجي تونل‌زني روبشي با فاصله ثابت، سوزن، روبش را در محل دلخواه متوقف مي‌كند تا منحني (I) بر حسب (V) به‌دست آيد. فاصله سوزن – نمونه به‌گونه‌ای تنظيم می‌شود تا به جريان دلخواه برسد که این مقدار می‌تواند متفاوت از جریان تنظیم شده اولیه باشد. با خاموش کردن سیگنال بازخورد پیزو (z) و جلوگیری از تغییر بایاس استفاده شده به پیزو (z) به‌وسیله سیستم بازخورد، فاصله نمونه – سوزن ثابت نگه داشته می‌شود. باياس نمونه – سوزن در مقادير معين جاروب شده و جريان تونلي ثبت مي‌شود [10].
روش طیف‌سنجی تونل‌زني روبشي با فاصله متغير، همانند (CS-STS) به واسطه خاموش شدن اثر بازخورد اتفاق مي‌افتد. زماني‌كه باياس نمونه – سوزن در مقادير معين جاروب شود، فاصله سوزن – نمونه به‌طور پيوسته با كاهش بایاس کم می‌شود.
به‌طوركلي، با تعیین کمترین میزان فاصله سوزن و نمونه در باياس صفر ولت سوزن – نمونه، از شكستن سوزن روي سطح نمونه جلوگيري می‌شود. (VS-STS)، براي اندازه‌گيري رسانايي سيستم‌ها‌يي با گاف‌ها‌ي نواري بزرگ مفيد است. اين قبيل اندازه‌گيري‌ها برای تعیین دقيق كناره‌ها‌ي نوار و بررسی شكاف ترازها مناسب هستند.
هدايت (dI/dV)، مي‌تواند از ديفرانسيل‌گيري (I) نسبت به (V) به‌دست آيد. براي جلوگيري از خزش پيزو يا انحراف حرارتي و حركت ناحيه روبش مورد مطالعه در زمان روبش، تعداد پيكسل‌ها مي‌تواند كاهش يابد. از آنجایي‌كه در برخي روبش‌های طيف‌سنجي تونل‌زني تصويري جرياني (CITS)، به‌عبارت دیگر، روشی از (STS) كه منحني (I-V) در هر نقطه از توپوگراف (STM) ثبت مي‌شود، مي‌تواند بيش از (12) ساعت طول بكشد، وجود انحراف و خزش کوچک قطعي است [11].
1-3- تفسير داده‌ها
از منحني‌ها‌ي (I-V) به‌دست آمده، گاف نواري نمونه در محل اندازه‌گيري (I-V) تعيين مي‌شود. با رسم مقدار (I) در مقیاس لگاریتمی برحسب بایاس نمونه – سوزن، گاف نواری به راحتی تعیین می‌شود. اگرچه تعیین گاف نواری از ترسیم خطی منحنی (I-V) نیز ممکن است، ولی مقیاس لگاریتمی حساسیت را افزایش می‌دهد.
ترسیم هدایت (dI/dV) برحسب بایاس نمونه – سوزن (V)، امکان تعیین موقعیت لبه‌ها‌ی باند و گاف نواری را میسر می‌کند. زماني‌كه باياس نمونه – سوزن كمتر از توابع كار نمونه و سوزن باشد، هدایت به‌عنوان يك تابع از باياس نمونه – سوزن با دانسیته ترازهاي الكتروني سطح مرتبط است. معمولاً تقريب (WKB)در جریان تونلی به‌منظور تفسیر این اندازه‌گیری‌ها در بایاس پایین نمونه – سوزن نسبت به توابع کار نمونه – سوزن استفاده می‌شود. اگر چه عموماً (T) مجهول است ولی در تقريب (WKB) در يك موقعيت ثابت به‌طور يكنواخت با باياس سوزن و نمونه افزايش مي‌يابد.
از آنجایي‌كه جريان تونلي و هدايت به دانسیته ترازهاي الكتروني سوزن و احتمال انتقال تونلي بستگي دارد، به‌دست آوردن اطلاعات درباره دانسیته ترازهاي الكتروني نمونه بسيار مشكل است [13-9].
1-1-3- مثال‌هایی از نمودارهای طیف‌سنجی تونل‌زنی روبشی
طیف‌سنجی (IZ)، برای تهیه اطلاعات در مورد تابع کار میکروسکوپی سطوح و نیز بررسی کیفیت سوزن به‌کار می‌رود. شکل‌های (3) تا (5)، منحنی‌های (IZ) را روی سطوح مختلف كه با استفاده از ميكروسكوپ‌هاي NTMDT و نما تهيه شده را نشان می‌دهند.
از منحني‌ها‌ي (I-V) به‌دست آمده، گاف نواري نمونه در محل اندازه‌گيري (I-V) تعيين مي‌شود. با رسم مقدار (I) در مقیاس لگاریتمی برحسب بایاس نمونه – سوزن، گاف نواری به راحتی تعیین می‌شود. اگرچه تعیین گاف نواری از ترسیم خطی منحنی (I-V) نیز ممکن است، ولی مقیاس لگاریتمی حساسیت را افزایش می‌دهد.
ترسیم هدایت (dI/dV) برحسب بایاس نمونه – سوزن (V)، امکان تعیین موقعیت لبه‌ها‌ی باند و گاف نواری را میسر می‌کند. زماني‌كه باياس نمونه – سوزن كمتر از توابع كار نمونه و سوزن باشد، هدایت به‌عنوان يك تابع از باياس نمونه – سوزن با دانسیته ترازهاي الكتروني سطح مرتبط است. معمولاً تقريب (WKB)در جریان تونلی به‌منظور تفسیر این اندازه‌گیری‌ها در بایاس پایین نمونه – سوزن نسبت به توابع کار نمونه – سوزن استفاده می‌شود. اگر چه عموماً (T) مجهول است ولی در تقريب (WKB) در يك موقعيت ثابت به‌طور يكنواخت با باياس سوزن و نمونه افزايش مي‌يابد.
از آنجایي‌كه جريان تونلي و هدايت به دانسیته ترازهاي الكتروني سوزن و احتمال انتقال تونلي بستگي دارد، به‌دست آوردن اطلاعات درباره دانسیته ترازهاي الكتروني نمونه بسيار مشكل است [13-9].
1-1-3- مثال‌هایی از نمودارهای طیف‌سنجی تونل‌زنی روبشی
طیف‌سنجی (IZ)، برای تهیه اطلاعات در مورد تابع کار میکروسکوپی سطوح و نیز بررسی کیفیت سوزن به‌کار می‌رود. شکل‌های (3) تا (5)، منحنی‌های (IZ) را روی سطوح مختلف كه با استفاده از ميكروسكوپ‌هاي NTMDT و نما تهيه شده را نشان می‌دهند.
برای ترسیم (IV)، ابتدا باید تصویر توپوگرافی در (I0) و (V0) تهیه شود، سپس در هر نقطه از تصویر، مدار بازخورد خاموش و ولتاژ بایاس در مقادیر متفاوت تنظیم شده و شدت جریان‌های متفاوت ثبت شوند. شکل (6)، نشان‌دهنده نمونه‌ای از منحنی (IV) به‌دست آمده روی سطح طلا و شکل (7)، نمونه‌ای از منحنی (IV) به‌دست آمده روی سطحی با هدایت مختلف است.
بوم و همکارانش مولکول‌های دارای ساختار مشابه و با ارتفاع متفاوت نظیر آلکان تیول‌ها را مطالعه کرده و دریافتند که این ترکیبات با ساختار مشابه ولی ارتفاع متفاوت، دارای هدایت الکتریکی مختلف هستند. بررسی طیف هدایت آلکان تیول‌ها به کمک طیف‌سنجی تونل‌زنی روبشی، نشان داد که هدایت این مولکول‌ها به طول زنجیرشان بستگی دارد. همچنین مشخص شد که هدایت مولکول با تغییر جهت‌گیری فیزیکی آن روی سطح تغییر می‌کند. به‌عنوان مثال، مولکول تترا متیل گزیل دی تیول (TMXYL) در دو جهت‌گیری مختلف عمودی و افقی مطالعه شدند (شکل 8).
در ساختار TMXYL افقی، تیول از دو سمت به سطح اتصال یافته است و در ساختار TMXYL عمودی رو به بالا، اتصال یک تیول روی سطح طلا (111) وجود دارد[14].
با تغییر جهت‌گیری این دو ساختار روی سطح، ارتفاع فیزیکی مولکول و گروه‌های انتهایی آن که به سوزن میکروسکوپ متصل می‌شوند، متفاوت خواهند بود. شکل (9)، نتایج (I-V) و (dI/dV) را که روی این دو ساختار با دو جهت‌گیری متفاوت انجام شده، نشان می‌دهد. نمودارهای فوق نشان می‌دهند که مورفولوژي مولکول بر خواص الکتریکی آن اثر دارد.
نتایج (I-V) نشان می‌دهد که در ولتاژهای بایاس کوچک، ساختارهای TMXYL بدون توجه به جهت‌گیری، عایق هستند. هدایت کمتر مولکول TMXYL با جهت‌گیری رو به بالا (حالت 1) نسبت به مولکول TMXYL با جهت‌گیری افقی (حالت 2) به علت افزایش ارتفاع حالت (1) نسبت به حالت (2) است [14].
4- محدوديت‌ها
اگر چه (STS) اطلاعات طیف‌سنجی شگفت‌انگيزي با توان تفکیک سه‌بعدي در اختيار قرار مي‌دهد، اما داراي برخي محدوديت‌ها نيز است. (STM) و (STS) فاقد حساسيت برای تشخیص خواص شیمیایی نمونه هستند. از آنجایي‌كه باياس سوزن – نمونه در آزمایش‌های تونل‌زني به (Ф/e ±) محدود مي‌شود (Ф ارتفاع ظاهري سد است)؛ (STM) و (STS) تنها درگير ترازهاي الكتروني ظرفيت نمونه هستند. ازآنجایی‌که تشكیل پيوند شيميايي، ترازهاي ظرفيت را بسيار آشفته مي‌کند، استخراج اطلاعات ويژه عنصر از طريق آزمون‌های (STS) و (STM) غيرممكن است
هنگام روبش در (STM)، شكل سوزن اهميت زيادي در به‌دست آوردن توان تفکیک سه‌بعدي و اعتبار اطلاعات (STS) دارد. به‌منظور به‌دست آوردن توان تفکیک اتمي يك تصوير توپوگرافي، سوزن باید خيلي تيز باشد. اما متأسفانه سوزن‌هاي بسيار تيز مي‌توانند ساختار الكتروني غيريكنواخت داشته باشند و طيف‌سنجي غيرقابل اعتمادي توليد مي‌كنند. سوزن‌هاي خيلي كند با تهیه توان تفکیک سه‌بعدي ضعيف براي به‌دست آوردن طيف‌سنجي معتبر، مقبول‌تر هستند [9].
فینسترا و همکارانش فرآیند تهیه سوزن را به‌صورت درجا برای ساخت سوزن‌هایی با دانسیته هموارتر ترازها و رفتار الکترون‌های آزاد فلزی توسعه دادند. در این فرآيند از جريان نشر ميداني برای حرارت موضعی انتهای سوزن استفاده می‌شود که به ذوب موضعي و تبلور مجدد منجر شده و سطوحي با سطح انرژي پايين تشكيل مي‌شود. این فرآیند سوزن‌هایی با طیف تونلی تجدیدپذیر تولید می‌کند. از آنجایي‌كه توان تفکيک سه‌بعدي به فاصله سوزن – نمونه بستگي دارد، فواصل کمتر سوزن – نمونه و توان تفکيک بالاتر در توپوگرافي، طرح‌ها و اشكال را در طيف‌ها‌ي تونل‌زني تيره مي‌كند.
با وجود اين محدوديت‌ها، (STS) و (STM) دارای مزایای فراوانی هستند و امكان رديابي ساختار الكتروني موضعي فلزات، نيمه‌رساناها و عايق‌هاي نازك در مقياسي كه با روش‌هاي ديگر طيف‌سنجي غيرممكن است را در اختيار قرار مي‌دهند. همچنین در این روش‌ها، داده‌هاي طيف‌سنجي و توپوگرافي مي‌توانند در يك زمان ثبت شوند [11].
هنگام روبش در (STM)، شكل سوزن اهميت زيادي در به‌دست آوردن توان تفکیک سه‌بعدي و اعتبار اطلاعات (STS) دارد. به‌منظور به‌دست آوردن توان تفکیک اتمي يك تصوير توپوگرافي، سوزن باید خيلي تيز باشد. اما متأسفانه سوزن‌هاي بسيار تيز مي‌توانند ساختار الكتروني غيريكنواخت داشته باشند و طيف‌سنجي غيرقابل اعتمادي توليد مي‌كنند. سوزن‌هاي خيلي كند با تهیه توان تفکیک سه‌بعدي ضعيف براي به‌دست آوردن طيف‌سنجي معتبر، مقبول‌تر هستند [9].
فینسترا و همکارانش فرآیند تهیه سوزن را به‌صورت درجا برای ساخت سوزن‌هایی با دانسیته هموارتر ترازها و رفتار الکترون‌های آزاد فلزی توسعه دادند. در این فرآيند از جريان نشر ميداني برای حرارت موضعی انتهای سوزن استفاده می‌شود که به ذوب موضعي و تبلور مجدد منجر شده و سطوحي با سطح انرژي پايين تشكيل مي‌شود. این فرآیند سوزن‌هایی با طیف تونلی تجدیدپذیر تولید می‌کند. از آنجایي‌كه توان تفکيک سه‌بعدي به فاصله سوزن – نمونه بستگي دارد، فواصل کمتر سوزن – نمونه و توان تفکيک بالاتر در توپوگرافي، طرح‌ها و اشكال را در طيف‌ها‌ي تونل‌زني تيره مي‌كند.
با وجود اين محدوديت‌ها، (STS) و (STM) دارای مزایای فراوانی هستند و امكان رديابي ساختار الكتروني موضعي فلزات، نيمه‌رساناها و عايق‌هاي نازك در مقياسي كه با روش‌هاي ديگر طيف‌سنجي غيرممكن است را در اختيار قرار مي‌دهند. همچنین در این روش‌ها، داده‌هاي طيف‌سنجي و توپوگرافي مي‌توانند در يك زمان ثبت شوند [11].
5- نتیجه‌گیری
دستگاه (STM) ساختار ساده‌ای دارد و به‌صورت تجاری در دسترس است و اگر به دقت با آن کار شود، بررسی نمونه بدون آسیب رسیدن به آن امکان‌پذیر خواهد بود. به کمک این دستگاه، هدایت الکتریکی موادی که روی سطح در مقیاس نانومتر هستند، به‌دست می‌آید و به مواد آلی یا سیستم‌های مولکولی محدود نمی‌شود.
در این دستگاه، زیرپایه هادی یا نیمه هادی مورد نیاز است. برای اندازه‌گیری هدایت و انجام مطالعات طیف‌سنجی با (STM) فقط باید نمونه روی سطح قرار گیرد و آماده‌سازی‌های پیچیده در آن وجود ندارد.
(STS) به تغییر دانسیته ترازهای الکترونی نمونه در مقیاس اتمی و گاف نواري سطوح بسیار حساس است. تغییرات در خواص الکتریکی نمونه‌های مورد مطالعه به سهولت قابل بررسی است که می‌تواند شامل تشخیص بار در یک رخداد شیمیایی باشد. اندازه‌گيري موضعي جريان تونلي برحسب باياس نمونه – سوزن، ترسيم منحني (I-V) و اندازه‌گيري مقدار هدايت تونلي نیز به کمک این روش امکان‌پذیر است. علاوه‌بر این، مطالعات (STM) و (STS) در محیط‌های مختلف از جمله فشارها، دماها و گازهای متفاوت و حتی در محلول‌ها نیز قابل انجام است.
در این دستگاه، زیرپایه هادی یا نیمه هادی مورد نیاز است. برای اندازه‌گیری هدایت و انجام مطالعات طیف‌سنجی با (STM) فقط باید نمونه روی سطح قرار گیرد و آماده‌سازی‌های پیچیده در آن وجود ندارد.
(STS) به تغییر دانسیته ترازهای الکترونی نمونه در مقیاس اتمی و گاف نواري سطوح بسیار حساس است. تغییرات در خواص الکتریکی نمونه‌های مورد مطالعه به سهولت قابل بررسی است که می‌تواند شامل تشخیص بار در یک رخداد شیمیایی باشد. اندازه‌گيري موضعي جريان تونلي برحسب باياس نمونه – سوزن، ترسيم منحني (I-V) و اندازه‌گيري مقدار هدايت تونلي نیز به کمک این روش امکان‌پذیر است. علاوه‌بر این، مطالعات (STM) و (STS) در محیط‌های مختلف از جمله فشارها، دماها و گازهای متفاوت و حتی در محلول‌ها نیز قابل انجام است.
منابـــع و مراجــــع
۱ – صدیقه صادق‌حسنی، كتاب میکروسکوپی تونل‌زنی روبشی و کاربرد آن در شرایط الکتروشیمیایی،1390.
۲ – G.Binning, H.Rohrer, Ch. Gerber,E. Weiber, Phys.Rev.Lett.49, 57 (1982); 50,120 (1983).
۳ – R.S. Becker, J. A. Golovchenko, D. R. Hamann, B. S. Swartzen- truber,Phys. Rev. Lett. 55, 2032 (1985); G.Binning, H.Rohrer, IBM J. Res. Dev. 30,355 (1986); W. J. KaiserR. C. Jakic, ibid. 30,411 (1986).
۴ – R. J. Hamers, R. M. Tromp,J. E. Demuth, Phy. Rev. Lett. 56, 1972 (1986); E. J. van Loenen, J. E. Demuth, R. M. Tromp,R. J. Hamers, ibid. 58,373 (1987). For a very readable review, see R. M. Tromp, R. J. Hares,J. E. Demuth, Science 234, 304 (1986).
۵ – J. A. Stroscio, R. M. Feenstra, J. A. Stroscio, J. Tersoff,A. P. Fein, Phy. Rev. Lett. 57,2579 (1986); R. M. Feenstra, J. A. Stroscio, J. Tersoff,A. P. Fein, ibid. 58, 1192 (1987).
۶ – K. Oura, V. G. Lifshits, A. A. Saranin, A. V. Zotov,M. Katayama, Surface Science: An Introduction, Berlin: Springer-Verlag, 2003.
۷ – R. J. HamersD. F. Padowitz, “Methods of Tunneling Spectroscopy with the STM,” Scanning Probe MicroscopySpectroscopy: Theory, Techniques,Applications, 2nd ed., Ed. by D. A. Bonnell, New York: Wiley-VCH, Inc., 2001.
۸ – N. Li, M. Zinke- AllmangH. Iwasaki, A re-examination of scanning tunneling spectroscopy for its practical application in studies of surface electronic structures, Surface Science 554 (2004) 253-261.
۹ – R. Wiesendanger, Scanning Probe MicroscopySpectroscopy: MethodsApplications, Cambridge, UK: Cambridge University Press, 1994.
۱۰ – R. C. BarrettS. Park, Design considerations for an STM system scanning tunneling microcopy, Ed. By W. J. KaiserJ. A. Stroscio, San Diego: Academic Press, Inc., 1993.
۱۱ – P. MårtenssonR. M. Feenstra, “Geometricelectronic structure of antimony on the GaAs(110) surface studied by scanning tunneling microscopy,” Phys. Rev. B 39, 11 7744-7753 (1989).
۱۲ – M.A.Reed et al., Science 278,252 (1997)
۱۳ – R. J.Hamers, STM on semiconductors, scanning tunneling microscopy I, Spinger series in surface science 20, Ed. By H. J. GuntherodtR. Wiesendanger, Berlin: Springer- Verlag, 1992.
۱۴ – A. P. Labonte, PhD Thesis, Scanning tunneling spectroscopy on organic molecules, Purdue University, 2002.
