در بخش اول مقاله با عنوان «میکروسکوپي نیروی کلوین در بررسي خواص نانومواد-بخش اول» مروری بر تاريخچه و اصول میکروسکوپ پروبي نیروی کلوین انجام شد. گفته شد ميكروسكوپ نيروي كلوين شاخه اي از ميكروسكوپ پروبي روبشي است كه تصويربرداري پتانسيل سطحي محدوده وسيعي از مواد را در مقياس نانومتر ممكن مي كند.
در اين روش ، تفاوت پتانسيل تماسي موضعي بين سوزن هادي AFM و سطح نمونه اندازه گيري مي شود. در اين روش نقشه تابع كار يا پتانسيل سطح نمونه با توان تفكيك بالا ترسيم مي شود. ميكروسكوپ نيروي پروب كلوين یک روش منحصر به‌فرد برای تشخیص و شناسایی ویژگی‌های الکتریکی، فلزات و نیمه‌هادی‌ها مي باشد. با اين روش اطلاعات بسيار مهمي درباره توزيع پتانسيل سطحي بدست مي ايد كه در توسعه عملكرد وسايل نوري و الكتريكي بسيار با اهميت است.
این مقاله شامل سرفصل‌های زیر است:
1- مقدمه
2- پروب‌های مورد استفاده در روش KPFM و آماده سازی آنها
3- مقایسه روش KPFM با دیگر سامانه های اندازه گیری پتانسیل سطحی
4- نتایج بدست آمده از میکروسکوپ روبشي کلوین
5- نمونه‌هایی از کاربرد میکروسکوپ روبشي کلوین
1-5- بررسی لايه‌هاي بلاگت- لانگ مویر به‌وسيله میکروسکوپ پروبي روبشی سطح
2-5- ارزیابی قابلیت امتزاج چربی در دو تک‌لایه دو جزئی با استفاده از EFM
3-5-تعیین میزان پتانسیل سطح در مواد سطحی ریه
6- بررسی خواص الکتریکی نانوساختارهای فلزی
7- بررسی انتقال بار در کاتالیست‌های نانوساختار فلزی
8- شبکه آزمایشگاهی فناوری راهبردی
9-نتیجه‌گیری
1- مقدمه
روش میکروسکوپی پروبی نیروی کلوین (KPFM) ابزاری است که امکان تصویربرداری از پتانسیل سطحی طیف گسترده‌ای از مواد را در مقیاس نانومتر فراهم می‌کند. برای دستیابی به بهترین نتیجه در اندازه‌گیری‌های KPFM لازم است جزییات دستگاه و فیزیک اندازه‌گیری این روش به خوبی درک شود. میکروسکوپ پروبی نیروی کلوین در سال 1991 توسط نان نماخر و همکارانش اختراع و به‌عنوان شاخه‌ای از میکروسکوپ نیروی اتمی كه یکی از شناخته شده‌ترین روش‌ها در میکروسکوپ‌های پروبی روبشی است، بنا نهاده شد و به صورت یک روش منحصر به‌فرد برای تشخیص و شناسایی ویژگی‌های الکتریکی، الکترونیکی سطوح فلزی، نیمه‌هادی‌ها و ابزارهای نیمه‌هادی به‌طور گسترده‌ای مورد استفاده قرار گرفته است [1]. همچنین اخیراً از این روش برای مطالعه خواص ابزارها، ترکیبات آلی و نیز ترکیبات بیولوژیکي استفاده شده است. میکروسکوپ پروبی نیروی کلوین، ابزاری است که به‌وسیله آن می‌توان اختلاف پتانسیل تماسی موضعی بین سوزن هادی میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) و نمونه را اندازه‌گيري نموده و از این طریق نقشه تابع کار یا پتانسیل سطحی نمونه را با توان تفکیک بسیار بالا ترسیم نمود. در این روش، تابع کار در مواد هادي، عايق و نیز پتانسیل سطحی در مقیاس نانومتر مورد سنجش قرار می‌گیرد. در این میکروسکوپ، روش کلوین با اصول میکروسکوپ‌های پروبی روبشی تلفیق شده و در نهایت روش کار دستگاه بر مبنای تصویربرداری به‌وسیله روبش سطح و اندازه‌گیری پتانسیل آن بنا نهاده شده است.
2- پروب‌های مورد استفاده در روش KPFM و آماده سازی آنها
به منظور تهیه تصویری با توان تفکیک بسیار بالا، آماده‌سازی سوزن‌های رساناي AFM با نوک حساس در مقیاس اتم، نکته اساسی در تصویربرداری به روش KPFM محسوب میشود. روش‌های مختلفی برای آماده‌سازی این نوع سوزن‌ها وجود داردکه در زیر به برخی از آنها پرداخته میشود:
- رایج‌ترین روش، استفاده از تیرک سيليسيمي آلاييده است که با استفاده از بمباران +Ar روی این تیرک عملیات حرارتی انجام شده و به‌دنبال آن لایه اکسید موضعي و دیگر ناخالصی‌ها از روي سطح سوزن زدوده میشود. این سوزن به‌طور معمول، تصویری با توان تفکیک بالا تولید می‌کند ولی این احتمال نیز وجود دارد که اتم‌های سطحی کنده شده ودر نتیجه تابع کار سوزن تغییر يابد[8-9].
- برخی از سوزن‌های تجاری مانند سوزن تیرک‌های Si با پوشش Pt/Ir نیز می‌توانند تصاویر KPFM را با توان تفکیک زیرنانومتر فراهم آورند. سوزن‌های پوشش‌دار Pt/Ir به آماده‌سازی قابل توجهی نیاز ندارند ولی توان تفکیک فضایی پایین‌تری را فراهم می‌کنند. [7]
- حکاکی مرطوب سوزن‌های Si با HF و بدنبال آن حرارت دادن سوزن در دماي بالا نیز روش موفقی برای دستیابی به تصاویر KPFM با توان تفکیک بسیار بالا است.این روش، جایگزین مناسبی برای بمباران یونی است که به منظور زدودن اکسیدهای موضعي انجام میشود. [41]
- پوشش دادن تیرک‌های Si با لایه بسیار نازک Au یا Cr (معمولاً با ضخامت چند نانومتر) نیز موجب تهیه تصاویری با توان تفکیک بسیار بالایی در KPFM ایجاد میشود. سوزن‌های با پوشش Cr کمتر فعال بوده و بنابراین تابع کار سوزن در آنها پایدارتر است. البته باید توجه داشت برای دستیابی به توان تفکیک فضایی بهتر لازم است ضخامت لایه پوشش بهینه شود. [10]
- تجزیه لایه‌های اکسیدی در سوزن با روش نشر میدانی تحت UHV نیز می‌تواند توان تفکیک زیرنانومتر را به‌وجود آورد. برای این منظور یک رشته سيم تنگستنی در نزدیکی تیرک قرار داده میشود و یک ولتاژ بالا بین سيم تنگستن و سوزن برقرار میشود. تونل‌زنی الکترونی از رشته تنگستن به سوزن باعث زدوده شدن اکسیدهای موضعي میشود [11].
- ساده‌ترین روش برای آماده‌سازی سوزن سیلیسيمي رسانا، تماس ملایم انتهای سوزن با سطح نمونه برای زدودن اکسیدهای موضعي است [42].
3- مقایسه روش KPFM با دیگر سامانه‌های اندازه گیری پتانسیل سطحی
پتانسیل سطحی یا تابع کار نمونه می‌تواند به‌وسیله روش‌های مختلف دیگری مانند روش پروبی کلوین (KP)، طیف سنجی فتوالکترون (PES) و میکروسکوپی روبشی الکترونی (SEM) با جریان القایی پرتو الکترونی (EBIC) مورد بررسی قرار گیرد. روش KP مشابه روش KPFM، CPD را میان پروب و سطح نمونه اندازه گیری می‌کند. اساس کار KP و KPFM مشابه هم است ولی KP یک روش میانی است که در آن مقدار CPD برای کل نمونه اندازه‌گیری شده و نقشه CPD را برای سطح نمونه فراهم نمی‌کند. روش PES نیز انرژی الکترون‌های منتشر شده از سطح نمونه در اثر تحریک فتونی را اندازه‌گیری می‌کند. روش PES با تفکیک بالا و ارزیابی زاویه‌ای می‌تواند برای تعیین ساختار نوار الکترونی نمونه مورد استفاده قرار گیرد. روش SEM نیز می‌تواند ساختار الکترونی موضعی سطح نمونه های نیمه هادی را با استفاده از اندازه‌گیری EBIC مورد تجزیه و تحلیل قرار دهد [43].
در روش EBIC هنگامی که سطح نمونه نیمه‌هادی به‌وسیله الکترون‌های پر انرژی (معمولاً چند KeV) بمباران میشود، زوج‌های الکترون – حفره ایجاد میشود. الکترون‌ها و حفره‌های ایجاد شده می‌توانند آزادانه در نمونه حرکت کنند. در غیاب هرگونه میدان الکتریکی، این الکترون‌ها و حفره‌ها به‌صورت تصادفی حرکت کرده و اغلب به یکدیگر می‌پیوندند. هنگامی که یک میدان الکتریکی موضعي بر روی نمونه نیمه‌هادی برقرار میشود، این میدان الکتریکی محلی می‌تواند حفره‌ها و الکترون‌ها را از یکدیگر جدا کرده و EBIC می‌تواند از میان نمونه جریان پیدا کند. EBIC دارای ارتباط خطی با میدان الکتریکی محلی روی سطح نمونه است.
با پایش سیگنال EBIC (به‌صورت تابعی از میدان الکتریکی موضعي) در طول روبش پرتو الکترونی در سطح نمونه، نقشه پتانسیل سطحی نمونه ترسیم میشود . توان تفکیک فضایی KPFM از روش‌های PES و EBIC بیشتر است. حساسیت روش KPFM در اندازه‌گیری پتانسیل سطحی یا تابع کار با روش PES قابل مقایسه است ولی از روش KP کمتر است. معمولاً از مقیاس آزمایشگاهی PES برای اندازه‌گیری ساختار نوار الکترونی سطح کل نمونه استفاده میشود. توان تفکیک فضایی با بهبود منبع الکترون و آنالیزکننده انرژی الکترون تا 3µm افزایش می‌یابد. هنگامی که از یک منبع تابش سینکروترون برای PES استفاده میشود، دستیابی به توان تفکیک فضایی بالاتر از 100nm امکان‌پذیر میشود [44].
توان تفکیک فضایی روش EBIC می‌تواند تا 70nm باشد. به هرحال، روش EBIC دارای معایبی در اندازه‌گیری پتانسیل سطحی نمونه‌هاست. این روش تنها برای نمونه‌های نیمه‌هادی قابل اجراست، زیرا EBIC جریانی را که از زوج‌های الکترون – حفره بوجود می‌آید، اندازه‌گیری می‌کند. علاوه بر اين، تعیین کمی پتانسیل سطحی مطلق دشوار است و ارتباط بین EBIC و مقدار پتانسیل سطحی به‌صورت فیزیکی تعیین نمی‌شود. در جدول 1، توان تفکیک فضایی و توان تفکیک انرژی روش‌های KPFM، KP، PES و SEM ارائه شده است [45].
در روش EBIC هنگامی که سطح نمونه نیمه‌هادی به‌وسیله الکترون‌های پر انرژی (معمولاً چند KeV) بمباران میشود، زوج‌های الکترون – حفره ایجاد میشود. الکترون‌ها و حفره‌های ایجاد شده می‌توانند آزادانه در نمونه حرکت کنند. در غیاب هرگونه میدان الکتریکی، این الکترون‌ها و حفره‌ها به‌صورت تصادفی حرکت کرده و اغلب به یکدیگر می‌پیوندند. هنگامی که یک میدان الکتریکی موضعي بر روی نمونه نیمه‌هادی برقرار میشود، این میدان الکتریکی محلی می‌تواند حفره‌ها و الکترون‌ها را از یکدیگر جدا کرده و EBIC می‌تواند از میان نمونه جریان پیدا کند. EBIC دارای ارتباط خطی با میدان الکتریکی محلی روی سطح نمونه است.
با پایش سیگنال EBIC (به‌صورت تابعی از میدان الکتریکی موضعي) در طول روبش پرتو الکترونی در سطح نمونه، نقشه پتانسیل سطحی نمونه ترسیم میشود . توان تفکیک فضایی KPFM از روش‌های PES و EBIC بیشتر است. حساسیت روش KPFM در اندازه‌گیری پتانسیل سطحی یا تابع کار با روش PES قابل مقایسه است ولی از روش KP کمتر است. معمولاً از مقیاس آزمایشگاهی PES برای اندازه‌گیری ساختار نوار الکترونی سطح کل نمونه استفاده میشود. توان تفکیک فضایی با بهبود منبع الکترون و آنالیزکننده انرژی الکترون تا 3µm افزایش می‌یابد. هنگامی که از یک منبع تابش سینکروترون برای PES استفاده میشود، دستیابی به توان تفکیک فضایی بالاتر از 100nm امکان‌پذیر میشود [44].
توان تفکیک فضایی روش EBIC می‌تواند تا 70nm باشد. به هرحال، روش EBIC دارای معایبی در اندازه‌گیری پتانسیل سطحی نمونه‌هاست. این روش تنها برای نمونه‌های نیمه‌هادی قابل اجراست، زیرا EBIC جریانی را که از زوج‌های الکترون – حفره بوجود می‌آید، اندازه‌گیری می‌کند. علاوه بر اين، تعیین کمی پتانسیل سطحی مطلق دشوار است و ارتباط بین EBIC و مقدار پتانسیل سطحی به‌صورت فیزیکی تعیین نمی‌شود. در جدول 1، توان تفکیک فضایی و توان تفکیک انرژی روش‌های KPFM، KP، PES و SEM ارائه شده است [45].
جدول 1 : مقایسه روش میکروسکوپی پروبی نیروی کلوین، روش پروبی کلوین، طیف‌سنجی نشر نوری و میکروسکوپی روبشی الکترونی برای اندازه‌گیری پتانسیل سطحی [43-45].
| روش | توضیح | توان تفکیک انرژی | توان تفکیک فضایی |
| KPFM | اندازه‌گیری CPD موضعي در سطح نمونه | 20-5meV | بالاتر از 10nm |
| KP | اندازه‌گیری CPD موضعي برای کل سطح نمونه | 1meV | متوسط کل سطح نمونه |
| PES | اندازه‌گیری طیف سنجی انرژی برای کل سطح نمونه | 20meV | بالاتر از 100nm |
| SEM | اندازه‌گیری پرتو الکترونی القا کننده جریان برای تهیه نقشه پتانسیل سطحی | یک روش کمی نیست | بالاتر از 70nm |
روش KPFM در مقایسه با ساير روش‌ها دارای توان تفکیک فضایی بالاتر همراه با حساسیت انرژی نسبتاً بهتری است، ولی دارای معایبی در اندازه‌گیری پتانسیل سطحی مطلق یا تابع کار نمونه است. نخست این که اندازه‌گیری پتانسیل سطحی مطلق با روش KPFM به اندازه‌گیری تابع کار پروب نیاز دارد. برای این موضوع نیز لازم است پروب KPFM بر روی نمونه‌ای که تابع کارش به خوبی تعیین شده است، کالیبره شود. بنابراین لازم است دو اندازه گیری انجام شود، یکی بر روی سطح نمونه مرجع و دیگری روی سطح نمونه. نیاز به تبادل دو نمونه زیر پروب KPFM، دقت اندازه‌گیری را کاهش می‌دهد. روش‌های PES و SEM به هنگام اندازه‌گیری پتانسیل سطحی یا ظرفیت سطح نمونه، نیازی به کالیبراسیون پروب ندارند [46].
دوم، در مواردی که سطح نمونه نیمه‌هادی، به‌وسيله مواد جاذب پوشیده شده باشد، در این حالت روش KPFM تنها می‌تواند متوسط تغییرات پتانسیل سطحی را در مقیاس مولکولی اندازه‌گیری نمایدو قادر به تشخیص میزان خمش سطحی جاذب و دو قطبی‌های سطحی که به‌وسیله جاذب بر روی سطح نیمه‌هادی بوجود آمده است نمی‌باشد.
روش‌های PES می‌توانند طیف کلی توزیع پتانسیل سطحی را تهیه نموده و امکان تعیین ساختار کامل نوار الکترونی سطح نمونه را فراهم نماید. با مقایسه ساختار نوار الکترونی سطح تمیز با سطح دارای جذب شده که به‌وسیله روش PES اندازه‌گیری شده‌اند، سهم خمیدگی نوار و دوقطبی سطحی می‌تواند به‌صورت مستقل تعیین شود [46-48].
سوم، تغییر ناگهانی در ارتفاع سطح نمونه و توپوگرافی می‌تواند باعث از هم گسیختگی دقت اندازه‌گیری در روش KPFM شود. در روش KPFM لازم است فاصله سوزن – نمونه در طول اندازه‌گیری ثابت نگه داشته شود تا از تداخل گرادیان ظرفیت (معادله Fes رابطه 1) در پتانسیل سطحی (معادله Fω رابطه 5) جلوگیری به‌عمل آید. هنگامی که در طول اندازه‌گیری KPFM یک تغییر ناگهانی در ارتفاع و توپوگرافی روی می‌دهد، عبارت مربوط به گرادیان ظرفیت در معادله مربوط به Fω می‌تواند تغییر کند. تغییر در گرادیان ظرفیت می‌تواند در نیروی الکتریکی بین سوزن و نمونه تداخل کند. بنابراین، مقدار پتانسیل سطحی اندازه‌گیری شده، همیشه معرف پتانسیل سطحی بین سوزن و نمونه نیست. در مقابل، پتانسیل سطحی اندازه‌گیری شده به‌وسیله روش‌های KP، PES و SEM به فاصله سوزن – نمونه وابسته نیستند [1و4و38و49].
چهارم، روش KPFM برای تهیه تصویر از پتانسیل سطحی نمونه، به زمان نسبتاً طولانی نیاز دارد (حدوداً بین یک تا دو ساعت). روش KPFM می‌تواند توپوگرافی سطح و پتانسیل سطحی را با استفاده از سوزن AFM به‌صورت همزمان اندازه‌گیری کند. هنگامی که سوزن سطح نمونه را با سرعت بالا روبش می‌کند، ممکن است تداخل شدیدی بین سیگنال‌های توپوگرافی و پتانسیل سطحی بوجود آید. در نتیجه، برای پرهیز از این تداخل، تنظیمات پهنای نوار توپوگرافی و پتانسیل سطحی محدود میشود. همچنین PES با توان تفکیک بالا بسیار آهسته است . به هر حال، مهمترین مزیت روش KPFM، ارائه نقشه پتانسیل سطح نمونه در ابعاد کوچک است. به‌وسیله این میکروسکوپ تصویرهای زیبایی با توان تفكيك بالا از نمونه ارائه میشود که در مقایسه با سایر روش‌های طيف سنجي کیفیت بالاتری دارند [38].
دوم، در مواردی که سطح نمونه نیمه‌هادی، به‌وسيله مواد جاذب پوشیده شده باشد، در این حالت روش KPFM تنها می‌تواند متوسط تغییرات پتانسیل سطحی را در مقیاس مولکولی اندازه‌گیری نمایدو قادر به تشخیص میزان خمش سطحی جاذب و دو قطبی‌های سطحی که به‌وسیله جاذب بر روی سطح نیمه‌هادی بوجود آمده است نمی‌باشد.
روش‌های PES می‌توانند طیف کلی توزیع پتانسیل سطحی را تهیه نموده و امکان تعیین ساختار کامل نوار الکترونی سطح نمونه را فراهم نماید. با مقایسه ساختار نوار الکترونی سطح تمیز با سطح دارای جذب شده که به‌وسیله روش PES اندازه‌گیری شده‌اند، سهم خمیدگی نوار و دوقطبی سطحی می‌تواند به‌صورت مستقل تعیین شود [46-48].
سوم، تغییر ناگهانی در ارتفاع سطح نمونه و توپوگرافی می‌تواند باعث از هم گسیختگی دقت اندازه‌گیری در روش KPFM شود. در روش KPFM لازم است فاصله سوزن – نمونه در طول اندازه‌گیری ثابت نگه داشته شود تا از تداخل گرادیان ظرفیت (معادله Fes رابطه 1) در پتانسیل سطحی (معادله Fω رابطه 5) جلوگیری به‌عمل آید. هنگامی که در طول اندازه‌گیری KPFM یک تغییر ناگهانی در ارتفاع و توپوگرافی روی می‌دهد، عبارت مربوط به گرادیان ظرفیت در معادله مربوط به Fω می‌تواند تغییر کند. تغییر در گرادیان ظرفیت می‌تواند در نیروی الکتریکی بین سوزن و نمونه تداخل کند. بنابراین، مقدار پتانسیل سطحی اندازه‌گیری شده، همیشه معرف پتانسیل سطحی بین سوزن و نمونه نیست. در مقابل، پتانسیل سطحی اندازه‌گیری شده به‌وسیله روش‌های KP، PES و SEM به فاصله سوزن – نمونه وابسته نیستند [1و4و38و49].
چهارم، روش KPFM برای تهیه تصویر از پتانسیل سطحی نمونه، به زمان نسبتاً طولانی نیاز دارد (حدوداً بین یک تا دو ساعت). روش KPFM می‌تواند توپوگرافی سطح و پتانسیل سطحی را با استفاده از سوزن AFM به‌صورت همزمان اندازه‌گیری کند. هنگامی که سوزن سطح نمونه را با سرعت بالا روبش می‌کند، ممکن است تداخل شدیدی بین سیگنال‌های توپوگرافی و پتانسیل سطحی بوجود آید. در نتیجه، برای پرهیز از این تداخل، تنظیمات پهنای نوار توپوگرافی و پتانسیل سطحی محدود میشود. همچنین PES با توان تفکیک بالا بسیار آهسته است . به هر حال، مهمترین مزیت روش KPFM، ارائه نقشه پتانسیل سطح نمونه در ابعاد کوچک است. به‌وسیله این میکروسکوپ تصویرهای زیبایی با توان تفكيك بالا از نمونه ارائه میشود که در مقایسه با سایر روش‌های طيف سنجي کیفیت بالاتری دارند [38].
4- نتایج بدست آمده از میکروسکوپ روبشي کلوین
خروجی میکروسکوپ نیروی اتمی به کامپیوتر متصل به این دستگاه یک مجموعه از مشخصات کارتزین (x ,y ,z ) است . در میکروسکوپ نیروی کلوین به این مجموعه از اطلاعات پارامتر (V) نیز اضافه میشود و اطلاعات هر نقطه با 4 مؤلفه (x ,y ,z ,V ) بیان میشود. کامپیوتر متصل به دستگاه این مجموعه اطلاعات را پردازش نموده و توپولوژی سطح که تابعی از پتانسیل سطح است، ارائه میشود. شکل 1 نقشه‌ای از سطح مواد را درساختار سطحی ریه نشان می‌دهد. تصویر سمت چپ تصویر AFM و تصویر سمت راست KPFM ریه است كه در آن اختلاف رنگ تصاویر ناشی از اختلاف پتانسیل سطوح است [27].
5- نمونه‌هایی از کاربرد میکروسکوپ روبشي کلوین
از آنجایی که تابع کار و پتانسیل سطحی، به شدت از پدیده‌های فیزیکی و شیمیایی که در سطح ماده روی می‌دهند، تأثیر می‌پذیرند، روش KPFM اطلاعات مهمی را درباره تغییرات فیزیکی و شیمیایی سطح ماده که در درک پدیده‌های شیمیایی و فیزیکی سطح فلز – نیمه هادی و ابزارهای مربوطه ضروری است، فراهم می‌کند.
1-5- بررسی لايه‌هاي بلاگت- لانگ مویر به‌وسيله میکروسکوپ پروبي روبشی سطح
یاگی و همکارانش در این تحقیق نحوه تفکیک فاز و جهت‌گیری مولکول‌ها را در مخلوطی از هیدروکربن‌ها و فلوروکربن‌ها مورد بررسی قرار دادند. برای این منظور از توانمندی‌های دو دستگاه AFM و KPFM بهره گرفتند. در این مطالعه از یون‌های متفاوتی در محلول‌های بافر استفاده شد. نتایج این مطالعه نشان داد كه هنگام استفاده از کاتیون‌های Ca، حوزه‌های تشكيل شده با زماني كه از کاتیون‌های پلیمری استفاده مي‌شود، متفاوت است. در این تحقیق مشخص شد، وقتی مخلوط فقط از هیدروکربن تشکیل شده است، پتانسیل سطح به‌مراتب بالاتر از زمانی است که مخلوط حاوی فلوروکربن‌ها باشد. میزان پتانسیل به نسبت HC:FC کاملاً وابسته است و هرگونه نوسان در این نسبت بر میزان پتانسیل سطح مؤثر است [50].
2-5- ارزیابی قابلیت امتزاج چربی در دو تک‌لایه دو جزئی با استفاده از EFM
گود من و همکارانش قابلیت امتزاج و رفتار فازی تک لایه های دو جزئی L-B را بررسی نمودند. در این آزمایش، میزان پتانسیل سطحی تجربی متیل استئارات با میزان تئوری آن متفاوت بود. دلیل این اختلاف آن است که انتهای اسیدهای چرب بر روی متیل استئارات به‌صورت شیب‌دار قرار می‌گیرند و با توجه به این مهم که دستگاه KPFM فقط دوقطبی‌های راست گوشه را اندازه‌گیری می‌کند، بنابراین بین مقادیر تئوری و عملی اختلاف به‌وجود می‌آید [51].
3-5-تعیین میزان پتانسیل سطح در مواد سطحی ریه
لئوننکو در سال 2006 میزان پتانسیل سطح مواد سطحی ریه را تعیین نمود. در هنگام انقباض ریه مواد فعال سطحی ریه به صورت دولایه‌ای و چندلایه‌ای، مواد مازاد را آزاد می‌کنند. در برخی از موارد مشاهده شده است که در برخی از مناطق ریه این لایه‌های چربی پتانسیل متفاوتی نسبت به لایه اولیه خود دارند. دلیل این اختلاف می‌تواند ناشی از حضور پروتئین‌هایی باشد که با انتهای اسیدهای چرب دوقطبی‌های مولکولی ایجاد کرده‌اند [27].
6- بررسی خواص الکتریکی نانوساختارهای فلزی
در سال‌های اخیر، نانوساختارهای فلزی در ابزارهای جدیدی مانند کاتالیست‌های ناهمگن با کارایی بالا و حسگرهای شیمیایی/ بیولوژیک با حساسیت بالا مورد استفاده قرار گرفته‌اند. در این کاربردها، درک انتقال بار میان نانوساختارهای فلزی و زیرلایه‌ها (در کاتالیست‌های ناهمگن) و بین نانوساختارهای فلزی و لایه میانی مولکول‌های شیمیایی/بیولوژیک (در حسگرهای شیمیایی/ بیولوژیک) بسیار مهم است. انتقال بار به‌طور ذاتی پتانسیل‌های نانوساختارهای فلزی را تنظیم می‌کند. بنابراین، روش KPFM درک و بینش کلی نسبت به فیزیک نانوساختارهای فلزی و کاربرد آنها در ابزارها فراهم می‌آورد [2و52].
در یک مطالعه گریل و همکارانش تابع کار نانوساختارهای طلا و وابستگی آن به اندازه نانوساختار را بررسی کردند. در شکل 2 (a) و (b) توپوگرافی و نقشه تابع کار نانوساختارهای طلا که بر روی سطح InSb(001) در 400K رشد یافته‌اند، نشان داده شده است. طلا عمدتاً در جزایری به شکل مستطیل رشد می‌یابد. ارتفاع نوعی نانوساختار طلا در حد تک لایه ( با ضخامت تقریبی 0/2nm ) است [2و41و53].
رسم نقشه تابع کار، جزئیات بیشتری درباره توپوگرافی سطح در اختیار قرار می‌دهد. اجزاء کوچکی که در تصویر توپوگرافی بدلیل بزرگ بودن تغییرات در توپوگرافی به سختی مشاهده می‌شوند، به کمک سیگنال تابع کار قابل تشخیص هستند. در شکل 2(a) و (b)، اشکال کوچک میان نانوساختارهای طلا به‌وسیله پیکان نشان داده شده‌اند. تابع کار این شکل‌های کوچک همانند نانوساختارهای طلا هستند که نشان می‌دهد ترکیب شیمیایی این طرح‌های کوچک همانند نانوساختارهای طلاست. روش KPFM می‌تواند اطلاعاتی را درباره ترکیب شیمیایی طرح‌هایی با مقیاس نانو در اختیار قرار دهد. گراهام تابع کار اندازه‌گیری شده برای سامانه Au/W(001) را که با پوشش تک‌‌لايه با ضخامت تقریبی 3 نانومتر طلا اشباع شده است، را گزارش نموده که این مقدار به میزان تابع کار توده طلا نزدیک است. واکنش‌های ماده جذب شده – زیرلایه نیز قابل مشاهده هستند. کنتراست بین نانوساختارهای طلا و زیرلایه بعد از عمل حرارتي در دمای بسیار بالا معکوس میشود، زیرا نانوساختارهای طلا بعد از حرارت در دماي بالا، که در پی فرایند ترسیب در 650K به مدت h2 انجام میشود، دارای تابع کار پایین‌تری نسبت به زیرلایه است. این امر نشان می‌دهد که نانوساختار طلا ممکن است با زیرلایه InSb واکنش داده و با اتم‌های In آلیاژ تشکیل دهد که در نتیجه باعث کاهش تابع کار نانوساختار میشود. توجه داشته باشید که پتانسیل سطحی زیرلایه InSb بعد از عمل حرارت دادن، تغییر نمی‌کند [2و53].
در یک مطالعه گریل و همکارانش تابع کار نانوساختارهای طلا و وابستگی آن به اندازه نانوساختار را بررسی کردند. در شکل 2 (a) و (b) توپوگرافی و نقشه تابع کار نانوساختارهای طلا که بر روی سطح InSb(001) در 400K رشد یافته‌اند، نشان داده شده است. طلا عمدتاً در جزایری به شکل مستطیل رشد می‌یابد. ارتفاع نوعی نانوساختار طلا در حد تک لایه ( با ضخامت تقریبی 0/2nm ) است [2و41و53].
رسم نقشه تابع کار، جزئیات بیشتری درباره توپوگرافی سطح در اختیار قرار می‌دهد. اجزاء کوچکی که در تصویر توپوگرافی بدلیل بزرگ بودن تغییرات در توپوگرافی به سختی مشاهده می‌شوند، به کمک سیگنال تابع کار قابل تشخیص هستند. در شکل 2(a) و (b)، اشکال کوچک میان نانوساختارهای طلا به‌وسیله پیکان نشان داده شده‌اند. تابع کار این شکل‌های کوچک همانند نانوساختارهای طلا هستند که نشان می‌دهد ترکیب شیمیایی این طرح‌های کوچک همانند نانوساختارهای طلاست. روش KPFM می‌تواند اطلاعاتی را درباره ترکیب شیمیایی طرح‌هایی با مقیاس نانو در اختیار قرار دهد. گراهام تابع کار اندازه‌گیری شده برای سامانه Au/W(001) را که با پوشش تک‌‌لايه با ضخامت تقریبی 3 نانومتر طلا اشباع شده است، را گزارش نموده که این مقدار به میزان تابع کار توده طلا نزدیک است. واکنش‌های ماده جذب شده – زیرلایه نیز قابل مشاهده هستند. کنتراست بین نانوساختارهای طلا و زیرلایه بعد از عمل حرارتي در دمای بسیار بالا معکوس میشود، زیرا نانوساختارهای طلا بعد از حرارت در دماي بالا، که در پی فرایند ترسیب در 650K به مدت h2 انجام میشود، دارای تابع کار پایین‌تری نسبت به زیرلایه است. این امر نشان می‌دهد که نانوساختار طلا ممکن است با زیرلایه InSb واکنش داده و با اتم‌های In آلیاژ تشکیل دهد که در نتیجه باعث کاهش تابع کار نانوساختار میشود. توجه داشته باشید که پتانسیل سطحی زیرلایه InSb بعد از عمل حرارت دادن، تغییر نمی‌کند [2و53].
7- بررسی انتقال بار در کاتالیست‌های نانوساختار فلزی
نانوساختارهای فلزی که بر روی لایه نازکی از TiO2 یا MgO نشانده میشود، در واکنش‌های اکسیداسیون خواص کاتالیستی فوق‌العاده‌ای نشان می‌دهند. در واکنش‌های کاتالیستی، بررسی انتقال بار میان نانوساختار فلزی و لایه‌های اکسیدی پایه بسیار با اهميت است، زیرا انتقال بار از نانوساختار فلزی به پایه می‌تواند واکنش‌های کاتالیستی را در سطح فلز تحت تأثیر قرار دهد. اخیراً گراس و همکارانش از سامانه AFM/KPFM در حالت غیر تماسی برای بررسی اتم‌های منفرد روی سطح استفاده نموده‌اند. آنها نشان دادند، روش KPFM نه تنها امکان به تصویر کشیده شدن اتم‌های منفرد را فراهم می‌آورد، بلکه می‌تواند برای تشخیص وضعیت بار اتم منفرد در لایه‌های نازک عایق نیز استفاده شود [ 2 و 54 -55].
شکل 3-a اتم‌های طلای نشانده شده بر روی لایه فوق‌العاده نازک NaCl روی Cu(111) نشان داده شده است. در شکل 3-b، جابه‌جایی سیگنال‌های فرکانس در حالت تصویربرداری ارتفاع ثابت ثبت شده است. باردار شدن یک اتم طلا به‌وسیله یک بار الکترون، باعث افزایش نیرو به میزان چند پیکونیوتن در سوزن میشود که نشان می‌دهد در اتم طلا با بار منفی (–Au) نیروی جذبی از اتم خنثی (°Au) بیشتر است. تئوری تابع دانسیته نشان می‌دهد که لایه NaCl با قابلیت پلاریزه شدن یونی بالا مسئول پایداری دو حالت بار مختلف می‌باشد. الکترون اضافی روی اتم طلا به یون –Cl در زیر اتم طلا نیرو وارد کرده و آن را به طرف پایین می‌راند، درحالی که یون‌های +Na مجاور به طرف بالا حرکت می‌کنند. این الگو یک پتانسیل جذبی برای بار اضافی روی اتم طلا بوجود می‌آورد که با افزایش میزان جابه‌جایی مطلق فرکانس مطابقت دارد. این کار حساسیت بسیار بالای آشکارسازی الکترون بار منفرد را نشان می‌دهد. با تصویربرداری در دامنه نوسان بسیار کوچک (معمولاً 40pm) و دمای پایین (K5) می‌توان به این حساسیت فوق‌العاده بالا دست یافت [55].
در شکل 4 (a,b) تصاویر توپو گرافی و پتانسیل سطح نمونه KC l که در محیط فوق خلاء تمیز شده است را به نمایش می گذارد. مشخصه های روشن در تصویر پتانسیل تابع کار به میزان 0/7 الکترون ولت بیشتر از بقیه سطح را نشان می دهد که به نقایص بار نسبت داده می شود. انتقال بار ناشی از نقایص نانو ساختار طلا باعث افزایش تابع کار میشود [56].
در شکل 4 (a,b) تصاویر توپو گرافی و پتانسیل سطح نمونه KC l که در محیط فوق خلاء تمیز شده است را به نمایش می گذارد. مشخصه های روشن در تصویر پتانسیل تابع کار به میزان 0/7 الکترون ولت بیشتر از بقیه سطح را نشان می دهد که به نقایص بار نسبت داده می شود. انتقال بار ناشی از نقایص نانو ساختار طلا باعث افزایش تابع کار میشود [56].
تصاویر aوcوe توپوگرافی بوده و تصاویر bوdوf تصاویر پتانسیل سطح هستند. تصاویر aوb مربوط به سطح KCl خالص هستند ولی تصاویر c وd مربوط به KCl حاوی Au با ضخامت تقریبی 0/04 نانومتر تک لایه در دمای اتاق است و تصاویر eوf KClحاوی Au با ضخامت تقریبی 1/44 نانومتر در دمای 200 درجه سانتیگراد می‌باشد.KCl خالص در دمای 120 درجه سانتیگراد درخلاء فوق بالا تهیه شده است[56].
Pt/TiO2 کاربردهای فراوانی در خالص‌سازی آب و تشخیص گاز (حسگرهای گازی) دارد . با تابش نور uv الکترون‌های تهییج‌شده از TiO2 به درون Pt نانو ساختار نفوذ کرده [56-57] در نتیجه نحوه توزیع بار ترکیب Pt/TiO2 تغییر می‌نماید [13و59].
با استفاده از نگاشت (نقشه برداری) تابع کار با تفکیک بالا می‌توان به تفاوت‌های ساختاری ماده جذب شده بر روی سطوح پی برد به عنوان مثال در مورد Pt جذب شده بر سطح TiO2، تابع کار بین 0/24 تا 0/28 الکترون ولت در نوسان است .در شکل (5) نگاشت تابع کار Pt جذب شده بر سطح TiO2 آورده شده است. شكل 5 a- b به‌ترتیب نشان‌دهنده تصوير توپوگرافی و نقشه تابع کار Pt بر سطح TiO2 هستند. خطوط مبین نفوذ حرارتی ماده جاذب بر روی سطح هستند . با ملاحظه هیستوگرام (c) و توپوگرافی (a) مشخص میشود که نقاط روشن نمایانگر Pt نانوساختار هستند که ارتفاع آنها بین 0/12 تا 0/48 نانومتر (میانگین ارتفاع 0/3 نانومتر) و قطر این نانو ذرات بین 2 تا 4 نانومتر (میانگین 3/2 نانومتر) می‌باشد. مناطق روشن‌تر در (b) مربوط به توابع کار بزرگ‌تر است. تابع کار نانوساختار Pt نسبت به TiO2 کوچکتر است. به‌نظر می‌رسد که تشکیل دوقطبی‌های الکتریکی ناشی از انتقال بار الکترونی بین نانو ساختار Pt و سطح TiO2 است و باعث تفاوت تابع كار بين نانوساختار Pt و سطح TiO2 باشد. قسمت (e) شکل 5 نشان مي‌دهد كه با افزايش حد فاصل بين نانوساختار Pt و سطح TiO2، تابع كار نانوساختار Pt كاهش مي‌يابد. ارتباط خطی تابع کار با منطقه حدفاصل، براي نواحي مختلف تراس و لبه پله‌ها مشابه است. اتم‌هاي اضافه شده Pt وNa باعث انتقال الكترون به سطح TiO2 شده و اتم كلر، الكترون را از سطح TiO2به سمت خود جمع مي‌كند [13].
8- شبکه آزمایشگاهی فناوری راهبردی
این مقاله از مجموعه مقالات فصل نامه شبکه آزمایشگاهی فناوری‌های راهبردی سال 2013، شماره 2 برگرفته شده است. برای دسترسی به مراکز خدمات دهنده SEM بر روی لینک زیر کلیک کنید [60].
| نام دستگاه |
| میکروسکوپ الکترونی روبشی |
9- نتیجه‌گیری
در دهه گذشته، روش KPFM به منظور برقراری ارتباط بین علوم سطح / مواد و صنعت نیمه‌هادي‌ها توسعه و گسترش یافت. روش KPFM نسبت به ویژگی‌های سطح بسیار حساس است . همچنین این روش می‌تواند اطلاعات بسیار مهمی را درباره توزیع پتانسیل سطحی در اختیار بگذارد که در ارتقاء کارایی دستگاه‌های الکترونیکی و نوری کارساز است. به‌دلیل تطبیق‌پذیری روش KPFM در شناسایی خواص الکتریکی – الکترونیکی سطح و ابزارهای در حال کار، به نظر می‌رسد این روش در آینده توسط محققین مورد استفاده قرار گيرد. به هر حال برای کاربرد وسیع‌تر این روش با توان تفکیک اتمی، لازم است اصول فیزیک و به‌ویژه برهم‌کنش‌های الکترواستاتیک بین سوزن و نمونه در مقیاس اتمی بیشتر روشن شده و مورد بررسي قرار گیرد [2].
منابـــع و مراجــــع
۱ – [1] M. Nonnenmacher, M.P. Oboyle, H.K. Wickramasinghe, Appl. Phys. Lett. 58 (1991) 2921.
۲ – 2) W. Melitz, J.Shen, A. C. Kummel, S.b Lee, Surface Science Reports 66 (2011) 1–27.
۳ – 3) www.tut.fi.
۴ – 4) C. Sommerhalter, T. Glatzel, T.W. Matthes, A. Jager-Waldau, M.C. Lux-Steiner, Appl. Surf. Sci. 157 (2000) 263.
۵ – 5) C.Barth , C.R. Henry, Nanotechnology 17 (2006) S155.
۶ – 6) T. Glatzel, S. Sadewasser, R. Shikler, Y. Rosenwaks, M.C. Lux-Steiner, Mat. Sci.Eng. B 102 (2003) 138.
۷ – 7) G.H. Enevoldsen, T. Glatzel, M.C. Christensen, J.V. Lauritsen, F. Besenbacher, Phys. Rev. Lett. 100 (2008) 236104.
۸ – 8) T. Arai, M. Tomitori, Phys. Rev. Lett. 93 (2004) 256101.
۹ – 9) K. Okamoto, K. Yoshimoto, Y. Sugawara, S. Morita, Appl. Surf. Sci. 210 (2003).128.
۱۰ – 10) S. Kitamura, M. Iwatsuki, Appl. Phys. Lett. 72 (1998) 3154.
۱۱ – S. Kitamura, K. Suzuki, M. Iwatsuki, C.B. Mooney, Appl. Surf. Sci. 157 (2000) 222.
۱۲ – K. Okamoto, Y. Sugawara, S. Morita, Appl. Surf.Sci.188 (2002) 381.
۱۳ – A. Sasahara, C.L. Pang, H. Onishi, J. Phys. Chem. B 110 (2006) 17584.
۱۴ – S. Sadewasser, P. Jelinek, C.K. Fang, O. Custance, Y. Yamada, Y. Sugimoto, M. Abe, S. Morita, Phys. Rev. Lett. 103 (2009) 266103.
۱۵ – K. Nakayama, T. Shiota, Surf. Interface Anal. 40 (2008) 885.
۱۶ – Y. Sugawara, T. Uchihashi, M. Abe, S. Morita, Appl. Surf. Sci. 140 (1999) 371.
۱۷ – A. Huijser, J. Vanlaar, T.L. Vanrooy, Surf. Sci. 62 (1977) 472.
۱۸ – T. Miyazaki, K. Kobayashi, K. Ishida, S. Hotta, T. Horiuchi, K. MatsushigeH. Yamada; J.Appl.Phys., 2005, 97, 124503
۱۹ – L. Burgi, H. SirringhausR. H. Friend, Appl.Phys. Lett., 2002, 80, 2913
۲۰ – K. P. Puntambekar, P. V. Pesavento,C. D. Frisbie, Appl. Phys.Lett., 2003, 83, 5539.
۲۱ – V. Palermo, M. Palma, P. Samori, Adv. Mater. 2006, 18, 145.
۲۲ – D. Fichou, J. Mater. Chem. 2000, 10, 571.
۲۳ – D. Byron, A. Mataharu, R. Wilson, G. Wright, Mol. Cryst. Liq. Cryst. 1995, 265, 61.
۲۴ – V. de Cupere, J. Tant, P. Viville, R. Lazzaroni, W. Osikowicz, W. R. Salaneck, Y. H. Geerts, Langmuir, 2006, 22, 7798.
۲۵ – A. Abbadie, G. Hamaide, D. Mariolle, M. Chaupin, F. Brunier, E. Martinez,J. Mähliß .,J. Appl. Phys. 111, 064912 (2012)
۲۶ – Patrick Mesquida, Andreas Stemmer; Microelectronic Engineering 61–62 (2002) 671–674
۲۷ – Z. Leonenko . Langmuir 22:10135-10139
۲۸ – UMUT BOSTANCI;DEVELOPMENT OF ATOMIC FORCE MICROSCOPY SYSTEMKELVIN PROBE MICROSCOPY SYSTEM FOR USE IN SEMICONDUCTOR NANOCRYSTAL CHARACTERIZATION, THESIS, AUGUST 2007
۲۹ – Y. Rosenwaks, R. Shikler, T. Glatzel, S. Sadewasser, Phys. Rev. B 70 (2004) 085320
۳۰ – S. Saraf, Y. Rosenwaks ; Surface Science 574 (2005) L35–L39
۳۱ – S. Belaidi, P. Girard, G. Leveque, J. Appl. Phys. 81 (1997) 1023
۳۲ – T.Takahashi , T. Matsumoto, S. Ono ; Ultramicroscopy109(2009)963–967
۳۳ – W.Richard Bowen,N.Hilal, Atomic Force Microscopy ,Elsevier 1st edition 2009
۳۴ – Principles of the Kelvin Probe Force Microscopy, I.R. Jankov, I.D. Goldman, R.N. Szente, Revista Brasileira de Ensino de Fsica, vol. 22, no. 4, Dezembro, 2000.
۳۵ – Leanna C. Giancarloand George W. Flynn ,Annual Review of Physical Chemistry Vol. 49: 297-336, 1998.
۳۶ – R. Shikler, T. Meoded, N. Fried, B. Mishori, Y. Rosenwaks, J. Appl. Phys. 86 (1999) 107.
۳۷ – S.V. Kalinin, A. Gruverman (Eds.), Scanning Probe Microscopy, Springer, New York, 2007
۳۸ – T. Glatzel, S. Sadewasser, M.C. Lux-Steiner, Appl. Surf. Sci. 210 (2003) 84.
۳۹ – U. Zerweck, C. Loppacher, T. Otto, S. Grafstrom, L.M. Eng, Phys. Rev. B 71 (2005) 125424.
۴۰ – L. Nony, F. Bocquet, C. Loppacher, T. Glatzel, Nanotechnology 20 (2009) 264014.
۴۱ – F. Krok, K. Sajewicz, J. Konior, M. Goryl, P. Piatkowski, M. Szymonski, Phys. Rev. B 77 (2008) 235427.
۴۲ – C. Barth, C.R. Henry, J. Phys. Chem. C 113 (2009) 247.
۴۳ – H.J. Leamy, J. Appl. Phys. 53 (1982) R51.
۴۴ – S. Gunther, B. Kaulich, L. Gregoratti, M. Kiskinova, Prog. Surf. Sci. 70 (2002) 187.
۴۵ – J.C. Gonzalez, K.L. Bunker, P.E. Russell, Appl. Phys. Lett. 79 (2001) 1567.
۴۶ – H. Luth, Solid Surfaces, InterfacesThin Films, 4th ed., Springer, Berlin, 2001.
۴۷ – W. Monch, Semiconductor SurfacesInterfaces, 2nd ed., Springer, Berlin, 1995.
۴۸ – D.P. Woodruff, T.A. Delchar, Modern Techniques of Surface Science, Cambridge University Press, Cambridge, 1986.
۴۹ – S. Sadewasser, C. Leendertz, F. Streicher, M.C. Lux-Steiner, Nanotechnology 20 (2009).
۵۰ – K.Yagi, M. Fujihira , Applied Surface Science 157:405-411
۵۱ – T.Goodman .Langmuir 20:3684:3689.
۵۲ – 52) C.R. Henry, Appl. Surf. Sci. 164 (2000) 252.
۵۳ – M. Goryl, J.J. Kolodziej, F. Krok, P. Piatkowski, B. Such, M. Szymonski, Microelectron. Eng.81 (2005) 394.
۵۴ – H.G. Boyen, et al., Science 297 (2002) 1533.
۵۵ – L. Gross, F. Mohn, P. Liljeroth, J. Repp, F.J. Giessibl, G. Meyer, Science 324
۵۶ – C. Barth, C.R. Henry, Appl. Phys. Lett. 89 (2006) 252119.
۵۷ – M.R. Hoffmann, S.T. Martin, W.Y. Choi, D.W. Bahnemann, Chem. Rev. 95 (1995) 69.
۵۸ – A. L. Linsebigler, G.Q. Lu, J.T. Yates, Chem. Rev. 95 (1995) 735.
۵۹ – A. Sasahara, K.Hiehata, H. Onishi, Catal. Surv. Asia 13 (2009) 9.
۶۰ – فصل نامه شبکه آزمایشگاهی فناوری‌های راهبردی سال 2013 و شماره 2
