میکروسکوپ تونل‌زنی روبشی دمای پائین

میکروسکوپ تونل‌زنی روبشی دمای پایین یکی از انواع میکروسکوپ‌های تونل‌زنی روبشی است که برای انجام آزمایش ‌در مقیاس اتمی، شرايط خلاء بالا و دمای کمتر از 5 کلوین طراحی شده‌است. از مزایای این میکروسکوپ، کم‌ترین انحراف حرارتی و بالاترین پایداری، امکان انجام آزمایش در دمای متغیر، تعویض سریع و ایمن نمونه و سوزن، اندازه‌گیری‌های هم‌زمان STM و AFM، مصرف کم نیتروژن و هلیوم مایع در دمای پائین، دستکاری اتمی / مولکولی در سطوح است. این دستگاه برای انجام مطالعات مختلف در زمینه فوق ‌رساناهای دمای بالا، نانولوله‌های کربنی، سطوح فلزات نجیب و ناخالصی در نیمه‌هادی‌ها به‌کار می‌رود. همچنین به‌‌عنوان روش تصویربرداری قدرتمند در دینامیک سیالات استفاده می‌شود.

این مقاله شامل سرفصل‌های زیر است:
1- مقدمه
2- میکروسکوپ تونل‌زنی روبشی
3- روش LT-STM
4- دسترسی نوری و تبخیر درجا
5- مثال‌هایی از میکروسکوپ تونل‌زنی روبشی دمای پائین
6- کاربرد LTSTM
نتیجه‌گیری

میکروسکوپ تونل‌زنی روبشی دمای پایین یکی از انواع میکروسکوپ‌های تونل‌زنی روبشی است که عموماً برای انجام پژوهش‌ در مقیاس اتمی، شرايط خلاء بالا و دمای اتاق تا کمتر از 5 کلوین طراحی شده و مورد استفاده قرار می‌گیرد. شکل (1) دو مدل از این دستگاه را نشان می‌دهد.

این نوع میکروسکوپ حرکت بیشتر گونه‌های جذب ‌شده‌ را که می‌توانند روی سطح نمونه، درون و یا بیرون STM تبخیر شوند، منجمد و متوقف می‌کند. حفاظی که دستگاه را خنک نگه می‌دارد، مانع از هرگونه نزول کیفیت نمونه شده و بررسی نمونه‌های جذب شده روی سطوح را برای هفته‌ها ممكن می‌کند؛ علاوه‌بر آن، تونل‌زنی به علت نفوذ کم‌تر در سوزن، پایدارتر است. LTSTM کاهش تحرک در دمای پایین، شناسایی جزییات رفتار نفوذ و برهم‌کنش گونه‌های انفرادی روی سطح را ممكن می‌سازد [1]. همچنین به دلیل کاهش و حتی توقف حرکت چرخشی یا جانبی، قابلیت بررسی و مطالعه ساختار داخلی مولکول به‌وسیله این دستگاه وجود دارد. لازم به ذکر است همانند سایر تجهیزات شناسایی، لازم است که LTSTM کالیبره شود. برای کالیبراسیون می‌توان از نمونه گرافیتی و لایه‌های نازک طلا استفاده نمود [2].
قسمت روبش به‌‌صورت دیجیتالی کنترل شده و بر هر نقطه از سطح نمونه و عوامل جریان تونلی، كنترلي دقيق اعمال می‌شود؛ بنابراین LT-STM را می‌توان برای انجام اندازه‌گیری‌های طیف‌سنجی (به‌عنوان مثال، I(V),I(Z))، تعیین خواص الکترونی یا ارتعاشی نمونه، برهم‌کنش بین سوزن و نمونه و انواع دست‌کاری اتمی استفاده كرد. ثبت تمام اطلاعات (I(t)، U(t)،  XYZ(t)، dI/dU و غیره) طی دست‌کاری اتمی – مولکولی با استفاده از میکروسکوپ تونل‌زنی دمای پایین ممكن است.

مزایای استفاده از میکروسکوپ تونل‌‌‌‌‌‌‌ زنی دمای پایین به شرح زیر است:
– کار در دمای پایین (کمتر از 5 کلوین)؛
– کم‌ترین انحراف حرارتی و بالاترین پایداری؛
– امکان انجام آزمایش در دمای متغیر؛
– تعویض سریع و ایمن نمونه و سوزن [3 و 1]؛
– اندازه‌گیری‌های هم‌زمان STM و AFM؛
– مصرف کم نیتروژن و هلیوم مایع در دمای پائین LN₂ و LHe؛
– انتقال نمونه سرد؛
– دستکاری مولکولی؛
– فوق‌العاده پایدار در دمای پایین؛
– ترکیب آماده‌سازی و آنالیز؛
– قابلیت حمل آسان نرم‌افزار و سخت‌افزار.

برای اندازه‌گیری دما در LTSTM، از یک المنت گرمایی و یک دیود سیلیسیوم استفاده می‌شود. سامانه گرمایی موجود در آن، قابلیت تغییرات دمایی سریع بین 5 تا 60 کلوین (در حالت هلیوم دمای پایین) و 78 تا 250 کلوین (در حالت LN₂) را فراهم می‌نماید. بر مبنای سيم‌پيچي که در قسمت پشت صفحه نمونه قرار گرفته، میدان‌های مغناطیسی عمودی در LTSTM تولید می‌شوند. در هنگام کار، استفاده از سیم‌های ابررسانا از تولید گرما جلوگیری می‌نمایند. کویل‌های مغناطیسی برای جریان‌های متناوب یا مستقیم در دسترس هستند [5 و 4].

ساخت دستگاه STM توسط گرد بینیگ و هاینریش روهرر در سال 1981، تلاش بشر را برای دیدن اتم‌ها میسر ساخت [7 و 6]. اصول كلي كار STM بدين صورت است كه اين ميکروسکوپ از نوعي جريان الکتريسيته با عنوان جريان تونلي استفاده مي‌كند. معمولاً سوزن بسيار ظريف و نوك ‌تيز دستگاه در محدوده 7-4 آنگسترومي از سطح نمونه، كه موقعيتي تعادلي بين حالت جاذبه (3 تا 10 آنگستروم) وحالت دافعه (کم‌تر از 3 آنگستروم) است، نگه داشته مي‌شود. با اعمال ولتاژ باياس در اين موقعيت، الكترون‌ها بين سوزن و نمونه تونل مي‌زنند و جرياني ايجاد مي‌شود كه قابل اندازه‌گيري است. جهت اين جريان تونلي نيز، بسته به علامت ولتاژ باياس، متفاوت و از نمونه به سوزن و يا برعكس است. اگر ولتاژ باياس بزرگ‌تر از صفر باشد، الكترون‌ها از تراز اشغال ‌شده اتم سوزن به تراز خالي اتم نمونه و اگر ولتاژ باياس كوچك‌تر از صفر باشد، الكترون‌ها از تراز اشغال ‌شده اتم نمونه به تراز خالي اتم سوزن تونل مي‌زنند. جريان تونلي حاصل، تابعي از موقعيت سوزن، ولتاژ اعمال شده و چگالي موضعي ترازهاي نمونه است [8].
تصاویر STM در واقع اندازه‌ای از شدت الکترون بالای سطح نمونه است. رنگ‌های روشن بیشترین و رنگ‌های تیره کمترین مقدار را نشان می‌دهند.
معمولاً تصویر سطح نمونه به‌وسیله STM در جریان تونلی ثابت و در فاصله چند آنگسترومی سطح – سوزن تهیه می‌شود.کاهش فاصله سوزن تا سطح نمونه و روبش سطح با سوزن، حرکت تک اتم‌ها و تک مولکول‌ها را در طول سطح به‌وسیله نيروهاي کوتاه برد، ميسر می‌سازد. روی سطوح فلزی، به‌طور معمول از این نیروها برای حرکت مواد جذب‌شده‌ سطحی استفاده شده و ساختارهای مصنوعی مونتاژ می‌شوند. به‌طور کلی فرآیندهای متفاوت نظیر برهم‌کنش نیرو، تهييج غیرالاستیک الکترون‌های تونل‌زن و میدان الکتریکی تولید شده سوزن می‌تواند قابلیت جابجایی کنترل ‌شده مواد جذب‌شده‌های سطحی را ایجاد کند (شکل 2). به‌عنوان مثال، در دست‌کاری عمودی مواد جذب‌شده‌ سطحی روی سطوح نیمه‌رسانا، انتقال برگشت‌پذیر جذب‌شده‌ها بین سوزن STM و سطح دارای اهمیت است.

استفاده از دماهای بسیار پائین برای دست‌کاری اتمی نیازی اساسی است که به دو دلیل مورد توجه است:
– انتشار یخ‌زدگی سطح؛
– رسیدن به پایداری لغزشی کافی برای انجام دست‌کاری با دقت اتمی [4].

برای تهیه تصاویر با تفکیک بالا در مواردی که در اثر افزایش درجه حرارت ممکن است مورد تخریب قرار گیرند(مانند مواد ارگانیک، رسوبات و غیره) از میکروسکوپ‌های الکترونی روبشی درجه حرارت پایین استفاده می‌شود [9]. میکروسکوپ تونل‌زنی روبشی که تحت خلاء بسیار زیاد و در دمای حدود 4 درجه کلوین کار می‌کند، به‌منظور جابجایی و دست‌کاری اتم‌ها کاربرد دارد. بدین منظور تلفیق با ابزارهای استاندارد بررسی علمی سطح مانند اوژه و اسپکتروسکوپی پراش الکترون با انرژی پایین و همچنین منابع تبخیر برای رشد مقطع نازک نیازمند است. سامانه طوری طراحی شده که امکان دست‌کاری نمونه‌ بین بخش‌های مختلف محفظه، تعیین مشخصات و اندازه‌گیری نمونه وجود دارد. نمونه می‌تواند از محفظه میکروسکوپ به محل نگهداری نمونه در میکروسکوپ تونل‌زنی روبشی، یعنی محل اندازه‌گیری، منتقل شود [10]. محل نگهداری نمونه در LTSTM طوری طراحی شده‌است که بهترین عملکرد برای STM و AFM به‌دست آید (شکل3). طراحی بسیار محکم روبشگر، بررسی دقیق ارتعاشات با پایداری در محدوده پیکومتر را تضمین می‌کند.

محدوده دمایی قابل استفاده در روبشگر STM، _ا5 تا 150 کلوین، متنوع است. همچنین در دمای پائین و در تعادل حرارتی، میزان انحراف کم (کوچکتر از 2 آنگستروم بر ساعت) است. استفاده از LTSTM به‌منظور ایجاد قابلیت‌های بیشتر در حال بهبود است.
مطالعه در دماهای پائین یا بالا، امکان بررسی نمونه را با فلزات مختلف و اتم‌های گوناگون گاز ممکن می‌سازد. این دستگاه برای انجام مطالعات مختلف در زمینه فوق‌رساناها، نانولوله‌های کربنی، سطوح فلزات نجیب (مطالعات کاندو) و ناخالصی در نیمه‌هادی‌ها به‌کار می‌رود. شکل (4) نمای دستگاه LTSTM را نشان می‌دهد [11].

LTSTM قابلیت تبخیر درجا با استفاده از دو تبخیرگر در زمان عملکرد STM را دارد. با نمونه رو به پائین، رسوب مواد از زیر امکان‌پذیر است. علاوه‌‌بر این، در محدوده وسیعی در راستاي Z (10mm) برای موقعیت سوزن، امکان خروج سوزن از منطقه تبخیر وجود دارد. کارکرد سپر حرارتی (شامل دو جفت سپر حرارتی خصوصاً برای نیتروژن و هلیوم مایع) آسان است. میکروسکوپ در شرایط کمتر از 5 درجه کلوین کار می‌کند و برای به حداقل رساندن اثر گرما، محافظ دارای سه دسته متحرک انتخابی و قابل تنظیم است. شکل (5) دسترسی نوری و تبخیر درجا در LTSTM را نشان می‌دهد [12].

چهار مجرای نوری (OA) همیشه باز هستند، درحالی‌که پنجره‌های کوارتز قابل تعویض ضد مادون قرمز بوده و از تأثیرگرما جلوگیری می‌کنند.

در مطالعات LTSTM، تغییرات چگالی حالت‌های فرومغناطیسی لایه‌های نازک مانگانیت به‌صورت تابعی از دما موضوع بسیار جذابی است. طیف‌سنجی تونل‌زنی و به‌دست آوردن تصویر سطح از طریق میکروسکوپ تونل‌‌زنی روبشی، روش مناسبي برای مطالعه چنین قابلیت‌هایی است و استفاده از میکروسکوپ تونل‌زنی روبشی در دمای پائین را ترویج می‌کند. در مانگانیت‌هايي نظیر LaPrCaMnO₃، در دمای بحرانی (دمای کوری)،كه بخش‌های مجزای میدان‌های فرومغناطیسی شروع به ادغام شدن می‌کنند، کاهش شدید مقاومت مشاهده می‌شود [13]. مطالعه رفتار این میدان‌ها، تابع دمای مورد استفاده در LTSTM است. یک مانگانیت در دمای اتاق به‌صورت جامد عایق است. با کاهش دما تا دمای کوری، پیک‌های مقاومت مواد (در موقعیت کاهش شیب مقاومت در حالت فلزی) ظاهر می‌شوند. انتقال از حالت نارسانا به حالت فلزی با استفاده از رفتار میدان‌های مغناطیسی در طول مانگانیت مشخص می‌شوند. هنگامی‌که میدان حدود 10 تسلا است، افت بزرگی در مقاومت ایجاد می‌شود که این پدیده مقاومت مانگانیتی بسیار بزرگ است [14] (قابلیتی است که در بعضی از فلزات وجود دارد؛ به‌طوری‌که بیشتر منگنزهای بر پایه اکسیدهای پروسکیت، مقاومت الکتریکی‌شان با حضور میدان مغناطیسی تغییر می‌کنند). این میدان‌ها ابتدا در نواحی مجزا ایجاد و سپس زمانی‌که به حد اشباع مغناطیسی برسند، گسترده خواهند شد و بنا به ترکیب شیمیایی مانگانیت، ماهیت اشباع میدان مغناطیسی تغییر خواهد نمود. استفاده از مقیاس آنگستروم به‌وسیله LTSTM در این مورد بسیار کاربردی است و امکان آنالیز و بررسی انتقالات فاز را در زمان واقعی میسر می‌نماید.در این خصوص، هدف تصویربرداری از این انتقالات با استفاده از این میکروسکوپ در دمایی حدود 10 کلوین در میدان‌های 9 تسلا است. نظریه‌های انرژی جفت شدگی هاند، و اثر جان – تلر در توضیح سازوکار رفتار مانگانیت، بسیار ضعیف هستند. تمام اندازه‌گیری‌هایی که ممکن است این تئوری‌ها را تایید یا رد کند تاثیر شگرفی در فهم رفتار مانگانیت‌ها دارد. مطالعات LTSTM روش تجربی مناسبی برای این اندازه‌گیری‌ها محسوب می‌شود [15].
LTSTM بر خلاف STM در شرایط درجه حرارت بسیار پایین و میدان مغناطیسی قوی استفاده می‌شود. لذا باید از مواد مناسب برای ساخت آن‌ استفاده شود. استفاده از ماكور، به‌عنوان ساختار اصلی بدین منظور مناسب است. ماکور یک سرامیک شیشه‌ای قابل تراش، با ضریب انبساط C° 93×10^-7 كه با اشكال مختلف در دسترس است. اين ماده داراي قدرت دي‌الكتريك بالا، استحكام در خلاء، پايداري قدرتي و ابعادي، مقاومت شيميايي بوده و قابل استفاده در دماهاي تا  C° 1000 است و در دمای پائین تغییر شکل نمی‌دهد.
شکل (6) ساختار ماكور را که در LTSTM استفاده می‌شود، نشان می‌دهد. مواد دیگری نظیر مس و فولاد ضدزنگ نیز به ترتیب برای افزایش هدایت و مقاومت در ساخت  LTSTMبه‌کار می‌روند. پروب LTSTM نیز از فولاد زنگ‌نزن ساخته می‌شود.

سامانه ضد لرزش LTSTM از سه مخزن نیتروژن که روی یک سه پایه قرار گرفته، تشکیل شده‌است. محفظه عایق حرارتی، LTSTM را سرد می‌کند و میدان‌های مغناطیسی قوی که در اطراف صفحه آلومینیومی ایجاد شده‌است روی بالشتکی از هوا متوقف می‌شوند. همچنين براي كاهش نوسانات، سرب به صفحه اضافه شده تا با افزایش وزن کل سامانه، نوسانات کاهش يابد. در شکل (7) سامانه ضد لرزش در LTSTM نشان داده ‌شده‌است [13].

تصویربرداری و طیف‌سنجی مولکول‌ها، نیمه‌هادی‌ها، فوق‌رساناها و دست‌کاری اتم‌ها، مثال‌هایی هستند که در آن پایین بودن دما، نقش مهمی دارد.کاهش تحرک گونه‌های جذب‌شده سطحی در دمای پائین، اجازه تجزیه و تحلیل دقیق رفتار، سازوکار انتشار و برهم‌کنش بین گونه‌های منفرد روی سطح را میسر می‌نماید.
LTSTM به لحاظ حرارتی عایق‌بندی شده و دارای قابلیت تغییر دما در محدوده 5 تا 300 کلوین است. STM دمای پائین، حرکت بیشتر گونه‌های جذب‌شده‌‌‌ای را که می‌توانند روی سطح نمونه، داخل یا خارج STM تبخیر شوند، منجمد می‌کند.
سطح یا گونه‌های مواد جذب شده سطحی می‌توانند هفته‌ها بررسی شوند و طی زمان طولانی در دمای حدود 4 کلوین و در حالی که STM سرد باقی‌مانده است، هیچ‌گونه تخریب نمونه، مشاهده نمی‌شود. در طراحی کریواستات، زمانی‌که STM در پایین‌ترین دماست، مصرف هلیوم مایع بسیار پایین (4 لیتر در هر 48 ساعت) است. کمترین جریان تونلی مورد استفاده 2 پیکوآمپر است. سامانه دسترسی نوری روی نمونه، از یک تلسکوپ برای کنترل محل دقیق سوزن استفاده می‌کند، انتقال نمونه می‌تواند در دمای پایین صورت گیرد. هلیوم سرد شده به‌عنوان بازوی مکانیکی، امکان آماده‌سازی، آنالیز و انتقال نمونه‌ها در دمای بسیار پایین را مهیا می‌نماید. در LTSTM امکان کنترل این مراحل با استفاده از یک نرم‌افزار قوی وجود دارد [15].

ميکروسکوپ تونل‌زني روبشي، علاوه‌بر تصويربرداري، براي جابه‌جايي و دست‌کاري اتم‌ها نيز استفاده مي‌شود [16]. جابه‌جا کردن اتم‌ها اهميتي ويژه‌ دارد ‌به طوري‌ که ساخت قطعات الکترونيکي در ابعاد اتم از جمله اهداف بسيار مهم دست‌کاري اتم‌هاي مواد است. لازم به ذکر است که نرم‌افزار مورد استفاده، این قابلیت را میسر می‌نماید.
دست‌کاري سطح نمونه با سوزن، براي تغيير توپوگرافي نمونه و ايجاد ساختار جديد، از دو نظر جالب توجه است: STM داراي سامانه كنترل دقيق موقعيت به‌ شكل اتمي است که دست‌کاري بسيار دقيق در مقياس اتمي را ممكن مي‌سازد و پس از اصلاح سطح با سوزن، تصويربرداری با همان سوزن انجام مي‌شود و به دستگاه ديگری نياز نيست. انواع روش‌های دست‌کاری اتمی – مولکولی و آنالیز ساختار سطحی به ترتیب در شکل‌های (8) و (9) نشان داده شده‌اند [1].

LTSTM به‌منظور انجام پژوهش‌های طیف‌سنجی مولکولی، کربن، ابررساناها، گازهای روی فلزات، مغناطیس‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد [1]. این دستگاه برای انجام طیف‌سنجی در مقیاس اتمی نیز به کار می‌رود. همچنین در مطالعه امواج چگالی بار الکتریکی و به‌عنوان روش تصویربرداری قدرتمند در دینامیک سیالات استفاده می‌شود [18].

LTSEM ابتدا به‌طور گسترده برای تصویربرداری و دست‌کاری انفرادی اتم‌ها و مولکول‌های روی سطوح مورد استفاده قرار گرفته است، همچنین به‌منظور پژوهش در سطح مولکولی مانند تعویض پیکربندی و ساز وکار انتشار در مقیاس اتمی به‌کار گرفته می‌شود. نسل دوم LTSTM به همراه هلیوم و نیتروژن درجه حرارت پایین با پایداری بالا و قدرت عملکرد در 5 کلوین به‌منظور پژوهش، برای آزمایش‌های پیچیده با اندازه‌گیری‌های طولانی ‌مدت گسترش یافته است [12].