مبنای تشکیل تصویر در میکروسکوپ تونلی روبشی، جریان الکتریکی ایجاد شده بین سوزن و سطح نمونه است و بنابراین نمونه و سوزن باید هادی الکتریسیته باشند. این میکروسکوپ بر مبنای پدیده‌ای در فیزیک کار می‌کند به نام اثر تونل‌زنی الکترونی؛ که عبارت است از انتقال الکترون از فضای خلأ هنگامی که دو سطح به یکدیگر بسیار نزدیک باشند. با توجه به جریان الکتریکی ایجاد شده، دو حالت کاری برای این میکروسکوپ وجود دارد: حالت کاری ارتفاع ثابت و حالت کاری جریان ثابت. همچنین با استفاده از میکروسکوپ تونلی روبشی می‌توان دستکاری در مقیاس اتمی نیز انجام داد که فواید بسیاری دارد.
این مقاله شامل سرفصل‌های زیر است:
1-حالت ارتفاع ثابت
2-حالت جریان ثابت
3-دستکاری اتمی با استفاده از میکروسکوپ پروبی روبشی
این مقاله شامل سرفصل‌های زیر است:
1-حالت ارتفاع ثابت
2-حالت جریان ثابت
3-دستکاری اتمی با استفاده از میکروسکوپ پروبی روبشی
مبنای تشکیل تصویر در این میکروسکوپ، جریان الکتریکی ایجاد شده بین سطح و سوزن است، بنابراین از آن تنها برای تصویربرداری از نمونه‌های دارای هدایت الکتریکی استفاده می‌شود. در این نوع میکروسکوپ از یک سوزن هادی الکتریسیسته برای انتقال جریان بین نمونه و سوزن استفاده می‌شود. سوزن به سطح نمونه نمی‌چسبد اما در فواصل بسیار نزدیک از سطح نمونه قرار دارد. زمانی که فاصله سوزن و نمونه کمتر از 1 نانومتر می‌شود، با اعمال ولتاژی بین 5 تا 5- ولت، بین نوک سوزن و سطح نمونه، الکترون‌ها از فضای بین نمونه و سوزن جریان پیدا می‌کنند. بر حسب ولتاژ اعمالی این جریان می‌تواند از سوزن به نمونه یا بر عکس انتقال یابد.
همان‌طور که قبلاً هم گفته شد، سوزن با سطح نمونه تماسی ندارد، زیرا در این صورت اختلاف پتانسیل بین سوزن و سطح از بین رفته و جریانی ایجاد نمی‌شود. این عدم تماس مانند حالتی بوده که در آن یک سیم حامل جریان، بریده شده و به دو قسمت تقسیم شود. در صورت این اتفاق، مسلماً جریان قطع خواهد شد. پدیده‌ای در فیزیک وجود دارد که به آن اثر تونل‌زنی الکترونی (Electron Tunneling Effect) گفته می‌شود. این اثر توجیه‌کننده ایجاد جریان در این میکروسکوپ با وجود عدم تماس بین سوزن و سطح است. اثر تونل‌زنی بیان می‌کند که به دلیل این که سوزن و سطح بسیار نزدیک به یکدیگر هستند، این احتمال وجود دارد که بعضی از الکترون‌ها بر این مانع بزرگ (فضای بین سطح و سوزن) غلبه کرده و جریان الکتریکی به وجود آید. به جریان ایجاد شده اصطلاحاً جریان تونلی گفته می‌شود. جریان تونلی به‌وجود آمده، با تغییر فاصله بین نمونه و سوزن تغییر می‌کند. هرچه این فاصله کمتر باشد، شدت جریان تونلی بیشتر می‌شود. از همین خاصیت برای تصویربرداری در میکروسکوپ‌های تونلی روبشی استفاده می‌شود.
همان‌طور که قبلاً هم گفته شد، سوزن با سطح نمونه تماسی ندارد، زیرا در این صورت اختلاف پتانسیل بین سوزن و سطح از بین رفته و جریانی ایجاد نمی‌شود. این عدم تماس مانند حالتی بوده که در آن یک سیم حامل جریان، بریده شده و به دو قسمت تقسیم شود. در صورت این اتفاق، مسلماً جریان قطع خواهد شد. پدیده‌ای در فیزیک وجود دارد که به آن اثر تونل‌زنی الکترونی (Electron Tunneling Effect) گفته می‌شود. این اثر توجیه‌کننده ایجاد جریان در این میکروسکوپ با وجود عدم تماس بین سوزن و سطح است. اثر تونل‌زنی بیان می‌کند که به دلیل این که سوزن و سطح بسیار نزدیک به یکدیگر هستند، این احتمال وجود دارد که بعضی از الکترون‌ها بر این مانع بزرگ (فضای بین سطح و سوزن) غلبه کرده و جریان الکتریکی به وجود آید. به جریان ایجاد شده اصطلاحاً جریان تونلی گفته می‌شود. جریان تونلی به‌وجود آمده، با تغییر فاصله بین نمونه و سوزن تغییر می‌کند. هرچه این فاصله کمتر باشد، شدت جریان تونلی بیشتر می‌شود. از همین خاصیت برای تصویربرداری در میکروسکوپ‌های تونلی روبشی استفاده می‌شود.
برای تونل‌زنی هم نمونه و هم سوزن باید رسانا باشند. بر خلاف میکروسکوپ نیروی اتمی، از این میکروسکوپ برای بررسی سطح عایق نمی‌توان بهره برد. شکل 1 طرح کلی این نوع میکروسکوپ را نشان می‌دهد.
برای تهیه تصویر در میکروسکوپ تونلی روبشی از دو حالت ارتفاع ثابت و جریان ثابت استفاده می‌شود. این دو حالت تصویربرداری به صورت طرح‌وار در شکل 2 نشان داده شده است.
حالت ارتفاع ثابت
در این حالت، سوزن در یک صفحه صاف بالای سطح نمونه حرکت کرده و نمونه را روبش می‌کند. بر حسب تغییر پستی و بلندی‌های روی سطح نمونه، فاصله سوزن از نمونه تغییر کرده و متناسب با آن جریان تونلی تغییر می‌کند. جریان تونلی اندازه‌گیری شده در هر نقطه از سطح نمونه، در ایجاد تصویر کمک می‌کند. از این حالت بیشتر در تصویربرداری از سطح صاف‌تر استفاده می‌شود و مزیت این روش سرعت بالای روبش سطح است؛ زیرا دستگاه مجبور به تغییر ارتفاع سوزن نسبت به پستی‌بلندی‌های سطح نیست.
حالت جریان ثابت
در این حالت مکان سوزن منوط به پستی‌بلندی‌های سطح نمونه، بالا و پایین می‌رود؛ زیرا برای ثابت ماندن جریان تونلی فاصله سوزن و نمونه در هر نقطه از نمونه باید ثابت نگه‌داشته شود. این کار توسط مدار بازخورد (feedback) در دستگاه انجام می‌شود. برای مثال زمانی‌که دستگاه افزایش جریان تونلی را حس می‌کند، به معنای کم شدن فاصله سوزن و نمونه است، پس مدار بازخورد دستور افزایش ارتفاع سوزن را صادر می‌کند. این روش قادر به روبش سطوح غیرصاف با دقت بالایی است، ولی زمان روبش طولانی است.
شکل 3 برخی تصاویر تهیه شده توسط این میکروسکوپ در مقیاس اتمی را نشان می‌دهد. همان‌طور که ذکر شد از دیگر قابلیت‌های میکروسکوپ‌های پروبی روبشی، بررسی خواص الکتریکی سطح است. شکل 4 میکروسکوپ تونلی رویش را هنگام بررسی رسانایی الکتریکی نانوسیم‌های فلزی نشان می‌دهد.
دستکاری اتمی با استفاده از میکروسکوپ پروبی روبشی
از میکروسکوپ تونلی روبشی و نیروی اتمی می‌توان برای ساخت اتم به اتم اشیاء (دستکاری) استفاده کرد. برای این منظور از سوزن‌های بسیار تیز استفاده می‌شود. میکروسکوپ تونلی روبشی با تنظیم ارتفاع سوزن با اتم مورد نظر و کنترل جریان تونلی، می‌تواند اتم را از سطح نمونه جدا کرده و به مکان مورد نظر انتقال دهد یا آن را روی سطح نمونه جابه‌جا کند. در حالت جابه‌جایی سطحی، اتم جذب شده به نوک سوزن از سطح جدا نشده و فقط در سطح نمونه به صورت افقی حرکت داده می‌شود. میکروسکوپ نیروی اتمی نیز می‌تواند در دو حالت کاری تماسی و ضربه‌ای، اتم‌ها را دستکاری کند. نمونه‌هایی از دستکاری اتمی با استفاده از میکروسکوپ‌های پروبی روبشی در شکل 5 نشان داده شده است.
تصاویر نشان داده شده در شکل 5، در علم فیزیک تصاویر معروفی هستند، زیرا توانستند ماهیت موجی الکترون در نظریه دوبروی را نشان دهند. موج‌های نشان داده شده در تصویر همان موج‌های همراه الکترون هستند که طول موج و سرعت آن‌ها نسبت عکس دارند.
جدول 1 میکروسکوپ تونلی روبشی و نیروی اتمی را با یکدیگر مقایسه کرده است.
جدول 1. مقایسه بین میکروسکوپ‌های تونلی روبشی و نیروی اتمی
| میکروسکوپ تونلی روبشی | میکروسکوپ نیروی اتمی | |
| بهترین قدرت تفکیک | زیر آنگستروم | آنگستروم |
| عملکرد | جریان تونلی | نیروهای بین اتمی |
| محدودیت نمونه | رسانا | بدون محدودیت |
| محیط | خلأ،هوا،مایع | خلا، هوا، مایع |
| فاصله سوزن و نمونه | عدم تماس(کمتر از 1 نانومتر) | تماس و عدم تماس |
منابـــع و مراجــــع
۱ – کتاب آشنایی با علوم و فناوری نانو 1
