آشنایی با تجهیزات شناسایی - فناوری نانو

[P O U R I A]

فهرست مطالب تاپیک :


روشهای کسب اطلاعات در ابعاد نانو
میکروسکوپ الکترونی عبوری
نور یا الکترون، کدام‏یک مناسب است؟
چگونه یک باریکه‏ ی الکترونی ایجاد می‏شود؟
میکروسکوپ الکترونی روبشی
میکروسکوپ پیمایشگر روبشی
آشنایی با عملکرد میکروسکوپ نیروی اتمی
میکروسکوپ نیروی اتمی
پراش اشعه X
XRR

 

[P O U R I A]

روشهای کسب اطلاعات در ابعاد نانو

روشهای کسب اطلاعات در ابعاد نانو

اتم های مختلف، با قرارگیری به اشکال گوناگون در کنار یکدیگر و ایجاد نیرو، مواد مختلف را تشکیل می دهند. نیروی جاذبه ی بین الکترون ها و پروتون ها (هسته )ی اتم ها، نیرویی را ایجاد می کند که می تواند مولکول ها را در یک ماده در کنار هم حفظ کند. نوع پیوندهای بین مولکول ها در مواد، تعیین کننده ی بسیاری از خواص ماده مثل حالت ماده، رسانایی و ..... می باشد و گاهی باعث تفاوتهای عظیم در دو نوع ماده ی تشکیل شده از یک عنصر می گردد. تفاوتهای خواص فیزیکی و شیمیایی گرافیت و الماس به عنوان دگرشکل های عنصر کربن از این جمله اند.

 

[P O U R I A]

مقدمه
بخشی از فناوری نانو، دنیایی را که هر روز در جریان است مطالعه می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کند؛ فقط کمی عمیق تر و کمی پایین‌‌‌‌‌‌‌‌‌تر؛ آنجاهایی که ما با چشم‌‌‌‌‌‌‌‌‌هایمان نمی‌‌‌‌‌‌‌‌‌توانیم مشاهده کنیم. پس برای ورود به این بخش از فضای نانو لازم است کمی به سراغ مطالب پایه فیزیک و شیمی برویم و مفاهیم اولیه را مرور کنیم؛ در این نوشتار ابتدا مروری بر مفاهیم پایه و اجزای ساختاری ماده صحبت خواهیم کرد؛ سپس سراغ لوازم و ابزار و وسایلی می‌‌‌‌‌‌‌‌‌رویم که دنیایی را که در پایین وجود دارد، برای ما نمایان می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کند. انشاالله در مقالات بعدی هر کدام از این ابزارها را بطور کامل شرح خواهیم داد.


اجزای سازنده مواد و نیروی بین آنها
برای درک اجزای طبیعت ، باید به این نکته توجه کرد که اتمها ، بلوک‌‌‌‌‌‌‌‌‌های سازنده مواد هستند و هر ماده از اتمهای خاص تشکیل شده که وقتی در کنار یکدیگر قرار می‌‌‌‌‌‌‌‌‌گیرند مولکولها را شکل می‌‌‌‌‌‌‌‌‌دهند. تعداد این اتم‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها محدود است (بیش از صد نوع اتم) ولی وقتی کنار هم قرار میگیرند صدها هزار مولکول که هر کدام خواص متفاوتی دارند را تشکیل می‌‌‌‌‌‌‌‌‌دهند.
چیزی که اتم‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها را در یک مولکول و مولکولها را در یک ماده کنار هم حفظ می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کند نیروهایی است که مانند جاذبه و دافعه دو آهنربا عمل می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنند. این نیروها بین الکترونها و هسته اتمها وجود دارند و در نوع خود بسیار قوی هستند.
شنیده‌‌‌‌‌‌‌‌‌اید که یک مورچه می‌‌‌‌‌‌‌‌‌تواند چند برابر وزن خودش را حمل کند! آیا شما می‌‌‌‌‌‌‌‌‌توانید دوبرابر وزن خود را حمل کنید؟ با این حساب مورچه قوی‌‌‌‌‌‌‌‌‌تر است یا شما؟ اینکه می‌‌‌‌‌‌‌‌‌گوییم پیوند بین اتم‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها در نوع خود خیلی قوی و مستحکم است؛ دقیقاً مانند همین مثال قدرت مورچه‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها است.
گفتیم که از اتصال مولکول‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها ماده ساخته می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود، در واقع شدت پیوند بین مولکولی و نیروی بین مولکولها سبب می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود تا ماده به شکل مایع، جامد یا گاز باشد. البته نوع پیوندها نیز در رفتار ماده تاثیر زیادی دارند. برای مثال بعضی پیوندها که به پیوند یونی معروف هستند، باعث می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شوند ماده رسانای جریان برق باشد. تعداد و جهت و زاویه متفاوت یک نوع پیوند نیز سبب بروز خواص متفاوت می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود. برای مثال الماس و گرافیت هر دو از اتمهای یک عنصر یعنی کربن تشکیل شده‌‌‌‌‌‌‌‌‌اند، ولی از آنجایی که تعداد و نحوه قرارگیری پیوندها بین اتمهایِ آن متفاوت است، الماس بسیار مستحکم است و گرافیت بسیار نرم.

مشاهده مولکول‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها با استفاده از میکروسکوپ
میکروسکوپی که شما در مدرسه از آن استفاده می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنید تا سلولهای موجودات زنده را مشاهده کنید بسیار ساده است و برای مشاهده دنیای نانو کارآمد نیست. امروزه انواع گوناگونی میکروسکوپ وجود دارد که قادر است اطلاعات مفیدی از ابعاد نانو به ما بدهد. هر کدام از این دستگاه‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها، پیچیدگی خود را دارند و از ترفندهای مختلفی بهره می‌‌‌‌‌‌‌‌‌گیرند تا از ابعاد ریز و در حد و اندازه مولکولها به ما اطلاعات بدهند.
علاوه بر پیچیدگی و پر رمز و راز بودن این میکروسکوپ‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها، تفاوت اصلی آنها با میکروسکوپ‌‌‌‌‌‌‌‌‌های ساده و نوری مدرسه این است که آنها بصورت غیر مستقیم از دنیای نانو به کسب اطلاعات می‌‌‌‌‌‌‌‌‌پردازند. درست مانند اقیانوس شناسان که بدون رفتن به زیر آب اقیانوس‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها و قدم زدن در کف آن، نقشه پستی‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها و بلندی‌‌‌‌‌‌‌‌‌های کف اقیانوس را ترسیم می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنند یا فضا نوردان که بدون سفر به تمام نقاط کره ماه یا هر سیاره و ستاره‌‌‌‌‌‌‌‌‌ای، ارتفاعات و کوه‌‌‌‌‌‌‌‌‌های آن سیاره را شناسایی می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنند.
شبیه‌سازی کف دریا که با استفاده از پردازش داده‌ها صورت می‌گیرد، مدت‌هاست که در تحقیقات و مطالعات اقیانوس‌شناسی به کار می‌رود. اقیانوس‌شناسانِ اولیه به انتهای کابل‌های بلند وزنه‌هایی می‌آویختند و ته دریا می‌‌فرستادند. این وزنه‌ها کف دریا را می‌پیمودند و ناهمواری‌ها و شیارهای آن را از طریق کابل‌ها روی کاغذهای شطرنجی نقش می‌کردند.
اقیانوس‌شناسان جدید، کابل و وزنه را به کناری نهاده‌اند و فناوری رادار را به خدمت گرفته‌اند. آنها امواج صوتی را از یک کشتی اقیانوس‌پیما به کف دریا گسیل می‌کنند و با ثبت فاصلة کف با منبع گسیل‌کننده، ناهمواری‌های کف را ترسیم می‌نمایند.
ماهواره‌ها هم به همین روش می‌توانند امواجی را به اعماق ناشناختة فضا بفرستند و با محاسبة زمان رفت و برگشت، فواصل را اندازه بگیرند.
اساس کار میکروسکوپهای پیشرفته نیز مانند ماهواره‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها و رادارها، کسب اطلاعات به صورت غیر مستقیم است.


میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM)
این نوع میکروسکوپ نیروی اتمی شباهت زیادی به کابل‌‌‌‌‌‌‌‌‌های اقیانوس‌‌‌‌‌‌‌‌‌شناسان قدیمی و کهنه کار دارد. همچنین مانند دستگاه گرامافون، از یک سوزن بسیار نوک تیز تشکیل شده که این سوزن روی سطح لوح در شیار‌‌‌‌‌‌‌‌‌های آن حرکت می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کند و پستی - بلندی های سطح را به صدا تبدیل می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کند.

و اما وظیفه میکروسکوپ نیروی اتمی چیست؟
می‌دانیم که تمامی اجسام، هراندازه هم که به ظاهر صاف و صیقلی باشند، باز هم در سطح خود دارای پستی و بلندی و ناصافی‌هایی هستند. به عنوان مثال سطح شیشه بسیار بسیار صاف و صیقلی به نظر می‌رسد، اما اگر در مقیاس خیلی کوچک به آن نگاه کنیم، خواهیم دید که سطح شیشه پر از ناصافی‌ و یا به عبارتی "دست انداز" است. کار میکروسکوپ نیروی اتمی نشان‌دادن این ناصافی‌ها و اندازه‌گیری عمق آنهاست. ثبت چگونگی قرارگیری و نشان دادن عمق و ارتفاعِ پستی و بلندی‌ها در یک سطح خاص از ماده را "توپوگرافی" می‌نامند.
همانطور که می‌‌‌‌‌‌‌‌‌دانید نیروهای بسیار کوچکی بصورت جاذبه و دافعه بین اتمهای باردار وجود دارند. (درست مثل دو سر آهنربا که باعث دفع و جذب می شوند.) چنین نیروهایی بین نوک میکروسکوپ و اتمهای سطح ایجاد می‌‌‌‌‌‌‌‌‌گردد. با اندازه گیری نیروی بین اتمها در نقاط مختلف سطح، می‌‌‌‌‌‌‌‌‌توان محل اتمها روی آن را، مشخص کرد.
برای آشنایی بیشتر با میکروسکوپ نیروی اتمی به مقاله‌‌‌‌‌‌‌‌‌ای که در این مورد در باشگاه نانو نوشته شده است، مراجعه کنید.

میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)
در میکروسکوپ نیروی اتمی ، یک انبرک با نوک بسیار حساس ، روی سطح حرکت می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کرد و اطلاعات مورد نیاز را از ابعاد نانومتری به ما می‌‌‌‌‌‌‌‌‌داد. حال اگر به جای نوک و انبرک از الکترون استفاده کنیم میکروسکوپ الکترونی روبشی ساخته‌‌‌‌‌‌‌‌‌ایم.
این دسته میکروسکوپ‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها پروتویی از الکترونها را به هر آنچه که می‌‌‌‌‌‌‌‌‌خواهند بررسی و مطالعه کنند، شلیک می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنند. به این ترتیب انرژی الکترون‌‌‌‌‌‌‌‌‌های شلیک شده به سطح نمونهِ موردِ مطالعه منتقل می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود. الکترونهای پرتو (که الکترونهای اولیه نامیده می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شوند)، الکترونهای نمونه را جدا می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنند. این الکترونهای جدا شده (که الکترونهای ثانویه نامیده می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شوند) به سمت صفحه‌‌‌‌‌‌‌‌‌ای که دارای بار مثبت است کشیده می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شوند و در آنجا تبدیل به "سیگنال" می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شوند. این سیگنالها توسط رایانه، به تصاویر قابل مشاهده تبدیل می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شوند.
میکروسکوپ الکترونی روبشی علاوه بر اطلاعات توپوگرافی، شکل، اندازه و نحوه قرار گیری ذرات در سطح جسم را که به مورفولوژی جسم معروف است به ما می‌‌‌‌‌‌‌‌‌دهد. انواع پیشرفته تر این دستگاه قادرند ترکیب اجزایی که نمونه را می‌‌‌‌‌‌‌‌‌سازد را نیز مشخص کنند.
این میکروسکوپ برای مشاهده نمونه‌‌‌‌‌‌‌‌‌هایی که از خود بخار آزاد می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنند، مناسب نیست؛ چرا که بخارات تولید شده با الکترونهای شلیک شده به سوی نمونه برهم‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنش پیدا می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنند. برای رفع این عیب، میکروسکوپهایی به بازار آمده که قادرند در دمای بسیار پایین و از نمونه منجمد تصویر برداری کنند.


میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM)
در میکروسکوپِ SEM الکترون اولیه پس از شلیک به سطح نمونه برخورد می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کرد و الکترون ثانویه از همان سطح نمونه خارج می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شد و به سمت صفحه مثبت می‌‌‌‌‌‌‌‌‌رفت و تبدیل به سیگنال می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شد. در واقع در آن میکروسکوپ، نمونه مانند یک آینه عمل می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کرد که الکترون‌‌‌‌‌‌‌‌‌های ثانویه از همان سطحی خارج می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شدند که الکترون‌‌‌‌‌‌‌‌‌های اولیه وارد شده بودند (فقط با زاویه متفاوت).
میکروسکوپهای TEM نیز همانند SEM از تکنیک شلیک الکترون‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها به نمونه بهره می‌‌‌‌‌‌‌‌‌برند؛ با این تفاوت که در میکروسکوپ الکترونی عبوری(TEM) ، پروتو الکترون‌‌‌‌‌‌‌‌‌هایی که به نمونه شلیک می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شوند، از نمونه عبور می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنند و به یک پرده فسفریِ آشکارساز می‌‌‌‌‌‌‌‌‌خورند تا یک طرح از ساختار نمونه به ما ارایه دهند. به عبارت ساده‌‌‌‌‌‌‌‌‌تر TEM یک نوع پروژکتور نمایش اسلاید، در مقیاس نانو است.
وضوح و دقت تصاویر گرفته شده توسط میکروسکوپ الکترونی عبوری ، از پیمایشگر الکترونی بهتر است؛ اما به سبب گران بودن آن و همچنین سخت‌‌‌‌‌‌‌‌‌تر بودن مراحل آماده سازی نمونه برای قرار گرفتن در زیر میکروسکوپ الکترونی عبوری، بیشتر از SEM استفاده می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود و فقط در مواردی که ساختار بلوری (نحوه قرار گیری اتمها در شبکه بلور) مهم باشد، از میکروسکوپ TEM استفاده می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود.



میکروسکوپ پیمایشگر روبشی (STM)
اگر بخواهید از سطح صلبی تصویر برداری کنید که الکتریسیته را عبور می‌‌‌‌‌‌‌‌‌دهد، لازم است تا از میکروسکوپ پیمایشگر روبشی استفاده کنید. این میکروسکوپ‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها شباهت زیادی به میکروسکوپ‌‌‌‌‌‌‌‌‌های نیروی اتمی (AFM) دارند. در این میکروسکوپ‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها از نوعی جریان الکتریسته استفاده می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود که زمانی‌‌‌‌‌‌‌‌‌که نوک در مجاورت سطح رسانا و در فاصله یک نانومتری از آن حرکت می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کند، برقرار می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود. در این زمان، جریان، شروع به انتقال از سطح به نوک می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کند. توجه داشته باشید که بین نوک و سطح فاصله وجود دارد و الکترونها از یک سد انرژی عبور می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنند (به این فرآیند اصطلاحاً تونل زنی گفته می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود) در حین تونل زنی اگر جریان ثابت باشد، تغییرات فاصله نوک تا نمونه، اطلاعات سطح را به ما می‌‌‌‌‌‌‌‌‌دهد. اگر هم فاصله نوک و نمونه را ثابت نگه داریم، تغییرات جریان تونل زنی اطلاعات سطح را به ما خواهد داد. اینکه از کدام مد یا حالت استفاده کنیم، به شرایط نمونه و خواسته‌‌‌‌‌‌‌‌‌های ما بستگی دارد. معمولاً در حالتی که سطح نمونه نامنظم باشد، از مد جریان ثابت استفاده می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود و زمان بیشتری را به نسبت مد ارتفاع ثابت لازم دارد.

میکروسکوپ‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها و جایزه نوبل
نخستین میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) در سال 1942 میلادی عرضه شدند و شکل امروزی آن اولین بار در سال 1965 میلادی وارد بازار شدند. میکروسکوپ پیمایشگر روبشی نیز در سال 1981 در آزمایشگاه تحقیقاتی شرکت IBM اختراع شد و مخترعان STM در سال 1986 همراه با ارنست روسکا،که از جوانی روی میکروسکوپهای الکترونی کار می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کرد، برنده جایزه نوبل فیزیک شدند.

تلاش‌‌‌‌‌‌‌‌‌های آنزمان دانشمندان برای دسترسی به فضای ریز و مقیاس نانو باعث شد تا امروزه فناوری نانو به عنوان یک فناوری مهم و تاثیر گذار مورد توجه قرار گیرد.

 

[P O U R I A]

میکروسکوپ الکترونی عبوری

میکروسکوپ الکترونی عبوری

TEM (میکروسکوپ الکترونی عبوری)، یکی از ابزارهای مورد استفاده در فناوری ها و علوم مختلف از جمله نانو فناوری می باشد.اساس کار آن شبیه میکروسکوپ نوری است اما در آن به جای پرتو های نور از پرتوهای الکترون استفاده می شود. با این نوع میکروسکوپ می توان اتم ها را مشاهده نمود ، چرا که وضوحی در حدود 0/2 نانومتر دارد. استفاده از این میکروسکوپ و آماده کردن نمونه برای مطالعه توسط این میکروسکوپ، نیازمند توانایی و دانش در زمینه ی استفاده از این ابزار می باشد.

 

[P O U R I A]

TEM
اساس عملکرد میکروسکوپ الکترونی عبوری (Transmission Electron Microscope) که به اختصار به آن TEM گویند، مشابه میکروسکوپ های نوری است با این تفاوت که به جای پرتوی نور در آن از پرتوی الکترون استفاده می شود. آنچه که می توان با کمک میکروسکوپ نوری مشاهده کرده بسیار محدود است در حالی که با استفاده از الکترونها بجای نور، این محدودیت از بین می‌رود. وضوح تصویر در TEM هزار برابر بیشتر از یک میکروسکوپ نوری است.
با استفاده از TEM می توان جسمی به اندازه چند آنگستروم ([SUP]10-[/SUP] 10 متر) را مشاهده کرد. برای مثال می‌توانید اجزای موجود در یک سلول یا مواد مختلف در ابعادی نزدیک به اتم را مشاهده کنید. برای بزرگنمایی، TEM ابزار مناسبی است که هم در تحقیقات پزشکی، زیست شناسی و هم در تحقیقات مرتبط با مواد قابل استفاده است.
در واقع TEM نوعی پروژکتور نمایش اسلاید در مقیاس نانو است که در آن پرتویی از الکترون ها از تصویر عبور داده می شود. الکترون هایی که از جسم عبور می کنند به پرده فسفرسانس برخورد کرده سبب ایجاد تصویر از جسم بر روی پرده می شوند. قسمت های تاریک تر بیانگر این امر هستند که الکترون های کمتری از این قسمت جسم عبور کرده اند (این بخش از نمونه چگالی بیشتری دارد) و نواحی روشن تر مکانهایی هستند که الکترون بیشتری از آنها عبور کرده است (بخش های کم چگال تر.)
وضوح این میکروسکوپ 0/2 نانومتر است که در حد اتم است (بیشتر اتم ها ابعادی تقریبا برابر 0/2 نانومتر دارند). با این نوع میکروسکوپ حتی می توان نحوه قرار گرفتن اتمها در یک ماده را بررسی کرد.
استفاده از این میکروسکوپ گران و وقت گیر است چرا که نمونه باید در ابتدا به شیوه ای خاص آماده شود؛ لذا تنها در مواردی خاص از میکروسکوپ الکترونی عبوری استفاده می نمایند. از این میکروسکوپ جهت تحلیل و آنالیز ریخت شناسی، ساختار بلوری (نحوه قرارگیری اتمها در شبکه بلوری) و ترکیب نمونه ها استفاده می شود.

عملکرد میکروسکوپ
با کمک یک منبع نور در بالای میکروسکوپ ، الکترون ها گسیل و منتشر می شوند. الکترون ها از تیوب خلاء میکروسکوپ عبور می کنند. در میکروسکوپ های نوری از عدسی های شیشه ای برای متمرکز کردن نور استفاده می شود در حالی که در TEM از عدسی های الکترومغناطیسی استفاده می شود تا الکترون های را جمع و متمرکز ساخته به صورت یک پرتوی باریک گسیل نماید. این پرتوی الکترونی از نمونه عبور داده می شود. بسته به چگالی مواد، الکترون ها ممکن است از بخش هایی از جسم بگذرند و به صفحه فلورسانس برخورد نمایند و تصویر سایه مانندی از نمونه ایجاد کنند که میزان تیرگی بخش های مختلف جسم به چگالی مواد در ان بخش ها وابسته است. هر چه جسم چگال تر باشد، تصویر تیره تر خواهد بود. این تصویر ،می تواند مستقیما توسط اوپراتور مطالعه شود و یا با کمک یک دوربین تصویر برداری شود.

آماده سازی نمونه
همانطور که در بالا اشاره شد، آماده کردن نمونه نیز به دقت خاصی دارد که در ادامه به نحوه آماده سازی نمونه برای مطالعه آن با TEM اشاره می شود.
درTEM، نمونه ای که می خواهید بررسی کنید باید چگالی آن به حدی باشد که اجازه دهد تا الکترونها تا حدی از آن عبور کنند. راه های مختلفی برای تهیه این نوع نمونه وجود دارد. می توانید برش های بسیار نازک از نمونه مدنظر تهیه کنید و آن را در یک پلاستیک فیکس و ثابت نمایید یا اینکه آنرا منجمد کنید. روش دیگر تهیه نمونه ایزوله کردن نمونه و مطالعه محلولی از مولکول ها یا ویروس های مورد نظر با کمک TEM است.
همچنین می توان نمونه را با روش های مختلف رنگ کرد و با استفاده از نشانه گذاری آنرا مطالعه کرد. برای مثال، فلزات سنگین رنگ شده مانند اورانیوم و سرب ، الکترون ها را به خوبی متفرق می کنند و کنتراست نمونه را در زیر میکروسکوپ بهبود می بخشند. در ادامه روش تهیه دو نمونه برای مطالعه آنها با TEM آورده شده است:

1- تهیه برش با کمک مواد در برگیرنده: مواد زیستی شامل مقادیری آب می باشند. به همین علت برای استفاده از TEM ،باید کار در خلاء انجام شود. لازم است تا آب به گونه ای تبخیر و یا جداسازی شود (با کمک الکل یا استون) و در نهایت نمونه فیکس و ثابت می شود. حال نمونه در پلاستیکی محصور می شود (به شکل یک بلوک پلاستیکی سخت) و سپس برشهای نازکی از آن به کمک چاقوی الماس مربوط به دستگاه اولترامیکروتوم (برای ایجاد برش های بسیار ظریف) تهیه می شود که تنها 50-100 نانومتر ضخامت دارند. برش های تهیه شده روی یک توری مسی قرار داده می شوند و با کمک فلزات سنگین رنگ می شوند. حال نمونه بافت، آماده مطالعه با کمک پرتوی الکترونی TEM می باشد.

2- تهیه نمونه به روش رنگ کردن: در این روش از مواد ایزوله (که می توانند برای مطالعه باکتری ها و یا مولکول های ایزوله استفاده شوند) استفاده می شود ؛به این طریق که ابتدا محلول محتوای باکتری روی توری ریخته و با پلاستیک پوشانده می شود.سپس محلول نمکی یک فلز سنگین (مانند اورانیوم یا سرب) به آنها اضافه می شود. محلول نمکی فلز با مواد ترکیب نمی شود اما هاله ای را اطراف آن بر روی توری تشکیل می دهد. نمونه به صورت یک تصویر منفی در هنگامی که با کمک TEM مورد مطالعه قرار می گیرد نمایان می شود.

 

[P O U R I A]

نور یا الکترون، کدام‏یک مناسب است؟

نور یا الکترون، کدام‏یک مناسب است؟

استفاده از پرتوهای الکترونی در میکروسکوپ ها به جای پرتوهای نور، به روشی رایج برای افزایش رزولوشن (قدرت تفکیک) و بزرگنمایی میکروسکوپ ها تبدیل شده است. پرتوهای نور به علت طول موج زیاد، مطالعه ی دقیق نمونه ها را ممکن نمی سازد ؛ این مشکل با استفاده ازپرتوهای نوترونی و الکترونی در TEM و ... تا حدود زیادی برطرف شده است و راه را برای پیشرفت هرچه بیشتر علوم فراهم ساخته است.

 

[P O U R I A]

مقدمه
دانشمندان از روش‏های مختلفی برای بررسی ماده بهره می‏برند. دسته‏ای از این روش‏ها شامل روش‏های مبتنی بر استفاده از پرتوهای الکترومغناطیسی، پرتوهای الکترونی و پرتوهای نوترونی می‏باشد. در دسته‏ای دیگر از این روش‏ها، با اعمال شرایط ویژه، نوع رفتار ماده در پاسخ به این شرایط اعمالی سنجیده می‏شود. در حالت بسیار ساده، می‏توان به اندازه‏گیری میزان مقاومت الکتریکی یک ماده، که با دانش دبیرستانی از فیزیک قابل درک و طرح ‏ریزی است، اشاره کرد.
در این دسته از مقالات به روش بسیار بدیعی از بررسی ساختار و خواص ماده می‏ پردازیم که با وجود سابقه ‏ی بسیار زیاد آن در علوم مختلف، در فناوری‌نانو اهمیت بسیاری دارد. میکروسکوپ الکترون عبور کننده، دستگاهی است که با استفاده از باریکه ‏ای از پرتوهای الکترونی، نگاه پرسش‏گر انسان را به اعماق ساختار ماده برده و پرده از گوشه‏ای از اسرار آفرینش برمی‏دارد.

چرا از الکترون‏ها استفاده می‏کنیم؟
همان‏گونه که احتمالا می‏دانید، استفاده از باریکه‏ های الکترون به عنوان جای‏گزینی برای پرتوهای نوری بسیار متداول است. استفاده از پرتوهای نوری در بررسی مواد زیستی و مهندسی سابقه‏ ی بسیار طولانی در علوم دارد. از نظر تاریخی، دلیل روی آوردن به استفاده از الکترون‏ها را باید در محدودیت «حد تفکیک» یا «رزولوشن» تصاویر در میکروسکوپ‏های نوری دانست. این محدودیت به دلیل اندازه ی طول موج پرتوهای نور مرئی ایجاد می‏شود. گرچه پس از این‏که میکروسکوپ‏های الکترونی توسعه یافتند، دلایل بیشتری برای استفاده از الکترون‏ها به جای پرتوهای نور به دست آمد. برخی قابلیت‏های میکروسکوپ‏های TEM کنونی، مرهون این ویژگی‏ های متمایز الکترون‏ ها است.

پرسش 1: آیا می‏توانید ویژگی‏های ممتاز الکترون‏ها در برابر نور مرئی را نام ببرید؟


مختصری از تاریخچه ‏ی TEM
همان‏طور که در کتاب شیمی سال دوم دبیرستان اشاره شده است، در سال 1925 دانشمندی به نام لویی دوبروی به الکترون که ذره‏ای بودن آن قبلا به اثبات رسیده بود، طول موجی نسبت داد. این طول موج مقدار بسیار کمتری از طول موج نور مرئی دارد.

پرسش 2: در کتاب شیمی سال دوم دبیرستان، از نسبت دادن رفتار دوگانه‏ ی موج-ذره به ماده گفته شده است. آیا شما نیز رفتار موجی دارید؟ اگر چنین است، طول موج شما چقدر است؟

در سال 1927، دانشمندانی از دو گروه تحقیقاتی به اطلاعاتی از پدیده‏ای مشهور به تفرق الکترونی دست یافتند. این پدیده رفتار موجی الکترون‏ها را تایید نمود. دیری نگذشت که ایده‏ی طراحی یک میکروسکوپ الکترونی شکل گرفت. اصطلاح میکروسکوپ الکترونی برای اولین بار در مقاله‏ای که آقایان نول و روشکا در سال 1932 به چاپ رساندند، به کار رفت. در این مقاله ایشان موفقیت خود را در زمینه‏ ی لنزهای الکترونی توضیح دادند و هم‏چنین تصاویری را که توسط میکروسکوپ ابداعی خود تهیه کرده بودند، به نمایش گذاشتند (شکل 1).

شکل 1- میکروسکوپ الکترونی ساخته شده توسط روشکا (با لباس آزمایشگاه) و نول در برلین

این کار قدم بزرگی بود که منجر شد روشکا دو سال قبل از وفات، به دریافت جایزه‏ی نوبل در سال 1986 مفتخر گردد.

پرسش 3: در مورد پدیده‏ ی تفرق یا پراش الکترونی چه می‏دانید؟ آیا این پدیده تنها در مورد الکترون‏ها رخ می‏دهد؟ چرا مشاهده ‏ی پدیده‏ ی تفرق، موجب اثبات ماهیت موجی الکترون‏ها شد؟

پس از آن اولین نمونه‏ ی تجاری این دستگاه در سال 1936 به بازار ارائه شد. این دستگاه ایرادات بسیاری داشت و اولین نمونه‏ ی مورد قبول از TEM در سال 1939 عرضه شد. در اواسط دهه‏ ی 1950 دانشمندانی به نام بولمن در سوئیس و هیرش در انگلستان به روش‏هایی برای نازک کردن نمونه‏ های فلزی دست یافتند. این نمونه‏ ها به گونه ‏ای بودند که عبور باریکه‏ ی الکترونی از آن‏ها به راحتی امکان‏پذیر بود. این رویداد برای محققین حوزه‏ ی مهندسی و علم مواد بسیار حائز اهمیت بود.

پرسش 4: اگر از شما پرسیده شود که «میکروسکوپ چیست؟»، چه می‏گویید؟

میکروسکوپی و مفهوم حد تفکیک
بسیاری از مردم خواهند گفت که میکروسکوپ ابزاری است که می‏تواند اشیای بسیار ریز را که با چشم غیرمسلح دیده نمی‏شوند، بزرگ کند. البته ممکن است در برخی موارد به میکروسکوپ نوری نیز اشاره نمایند. در این‏جا تعریفی جدید از میکروسکوپ را ارائه می‏دهیم که بر مبنای یکی از مهم‏ترین مفاهیم میکروسکوپی بنا شده است.
چشم انسان می‏تواند بین نقاطی که حداقل فاصله‏شان در حدود 0/2-0/1 mm باشد، تفکیک قائل شود و آن‏ها را از هم تشخیص دهد. البته این عدد در بهترین حالت به دست می‏آید. طبق تعریف، به این عدد «حد تفکیک» یا در اصطلاح متداول انگلیسی آن، «رزولوشن» می‏گوییم. بنابراین هر ابزاری که بتواند تصویری را به ما ارائه دهد که در آن جزئیات ظریف‏تر از0/1mm را نمایان ساخته باشد، با عنوان میکروسکوپ توصیف می‏شود. بیشترین بزرگ‏نمایی مجاز و قابل استفاده‏ی هر میکروسکوپ نیز بسته به حد تفکیک آن است. این موضوع در ادامه در مقالات بعدی توضیح داده خواهد شد.
میکروسکوپ TEM جذابیت‏های بسیاری در نظر محققین دارد. با توجه به این‏که اندازه‏ی الکترون‏ها بسیار کوچک‏تر از اندازه‏ی اتم‏هاست، حداقل از دیدگاه نظری می‏توان میکروسکوپی ساخت که بتوان جزئیاتی پایین‏تر از سطوح اتمی را با آن مشاهده کرد. این نکته‏ی کلیدی انگیزه‏های بسیاری را برای توسعه‏ی سریع میکروسکوپ‏های TEMایجاد نمود.


حد تفکیک چگونه به دست می‏آید؟
از نظر یک متخصص، حد تفکیک TEM وابسته به عوامل متعددی است. در اینجا برای سادگی می‏توانیم از معیار کلاسیک ریلی (Rayleigh) که برای میکروسکوپ ‏های نوری ارائه شده است، استفاده نماییم. طبق این رابطه، کم‏ترین فاصله ‏ای که می‏توان بین دو نقطه تشخیص داد، r، به طور تقریبی از رابطه‏ ی زیر به دست می‏آید:

در این رابطه،λ طول موج پرتو مورد استفاده،μ ضریب شکست محیط، و β برابر با نصف زاویه‏ ی همگرایی لنز مورد استفاده می‏باشد. برای سادگی درک این رابطه می‏توان مقدارμsinβ را برابر با یک در نظر گرفت. در این حالت مقدار حد تفکیک تقریبا برابر با نصف طول موج مورد استفاده خواهد بود. در صورت استفاده از این ساده‏ سازی، مقدار حد تفکیک برای نور سبز که با طول موج حدود nm 550 درمیانه‏ی طیف نور مرئی قرار دارد، برابر با nm 300 خواهد بود. با وجود این‏که این عدد بسیار کوچک است و دستیابی به آن در میکروسکوپ‏ های نوری یک موفقیت بزرگ محسوب می‏شود، اما این اندازه تقریبا برابر با اندازه‏ی 1000 اتم در کنار هم می‏باشد. بنابراین برای مشاهده ‏ی جزئیات مهم در نانوفناوری و بسیاری از کاربردهای دیگر مناسب نیست.
در TEM با استفاده از رابطه‏ ای مشابه رابطه ‏ی ریلی، می‏توان به حد تفکیک‏ های بسیار کوچک‏تری دست یافت. بنابراین رابطه:

بنابراین دیده می‏شود که استفاده از پرتوهای الکترونی با طول موج‏های بسیار کوچک و از مرتبه‏ ی هزارم و ده هزارم نانومتر می‏تواند در دست‏یابی به حد تفکیک‏ های زیر اتمی مفید باشد.

 

[P O U R I A]

چگونه یک باریکه‏ ی الکترونی ایجاد می‏شود؟

چگونه یک باریکه‏ ی الکترونی ایجاد می‏شود؟

برای استفاده از الکترون ها در TEM، نخست باید آنها را به بهترین روش ممکن تولید کرد. دو دسته از منابع رایج الکترون در TEM، عبارتند از منابع گرمایونی و منابع نشر میدانی. منابع الکترونی در TEM در تفنگ الکترونی قرار دارند.

 

[P O U R I A]

همان‏گونه که در مقاله‏ ی قبلی دیدیم، به دلیل ویژگی‏ های منحصر به فرد الکترون‏ ها، برای بررسی دقیق‏ تر ساختار ماده از میکروسکوپ‏ های الکترونی استفاده می‏ نماییم. اما شاید این سوال پیش آید که این الکترون‏ ها چگونه تهیه می‏ شوند؟ مگر آن‏ها اجزایی از ساختار اتم‏ ها نیستند؟ پس چگونه می‏ توانیم آن‏ها را جدا کرده و در دسته‏ های پر انرژی به ماده بتابانیم؟ در این مقاله به روش‏ های تولید پرتوهای الکترونی می‏ پردازیم.

تفنگ الکترونی
وجود یک منبع قابل اعتماد برای تولید باریکه‏ های الکترونی، یکی از مسائل مهم در میکروسکوپی TEM است. خوشبختانه منابع زیادی برای تولید الکترون وجود دارند. اما بایداز این میان، بهترین انتخاب ممکن را برای دست‏یابی به بهترین حالت تصویربرداری برگزید. یک باریکه‏ ی الکترونی مناسب برایTEM ، دارای مشخصاتی است که تنها با استفاده از دو دسته از منابع الکترونی می‏ توان آن‏ها را فراهم آورد. این منابع عبارتند از منابع گرمایونی و منابع نشر میدانی. هر یک از این منابع ویژگی‏ های خاص خود را دارا بوده و بر اساس ساز و کار ویژه‏ای باریکه‏ های الکترونی را ایجاد می‏ کنند. منبع الکترونی در مجموعه‏ ای از قسمت‏ های یک TEM قرار دارد که به آن به اصطلاح «تفنگ الکترونی» می‏ گوییم.

منابع گرمایونی
همان‏گونه که از نام این دسته از منابع برمی‏ آید، آن‏ها با گرم شدن، شروع به تولید الکترون می‏ کنند. مواد مورد استفاده در این نوع منبع ،در گذشته بیشتر از فیلمان‏ های تنگستن و امروزه بیشتر از بلورهای لانتانیوم هگزابوراید (LaB6) می باشد.

پرسش 1: قبل از مطالعه‏ ی ادامه‏ ی مقاله، آیا می‏ توانید دلایل استفاده از این دو نوع کاتد را برای نشر گرمایونی بیان کنید؟

برای این‏که بتوانیم الکترونی را از ماده جدا کنیم، باید به آن به قدری انرژی بدهیم تا بتواند از سطح ماده خارج شود. این مقدار انرژی که به عنوان یک سد برای خروج الکترون شناخته می‏ شود، تابع کار نام دارد و غالبا آن را با حرف یونانی فی (Φ) نمایش می‏ دهیم. این مقدار برای مواد مختلف غالبا در حدود چند الکترون ولت است.

الکترون ولت (eV) واحدی است که برای بیان انرژی یک الکترون استفاده می‏ شود. یک الکترون ولت برابر است با مقدار انرژی یک الکترون، هنگامی‏که در میدان پتانسیل الکتریکی برابر با یک ولت قرار گرفته باشد. این مقدار برابر با J 1.6.02*10[SUP]-19[/SUP]می‏ باشد.

هنگامی‏که به یک ماده انرژی حرارتی وارد می‏ کنیم و دمای آن به حد کافی بالا می‏ رود، الکترون‏ ها به مقدار کافی انرژی دریافت می‏ کنند تا بر این سد انرژی (تابع کار) فائق آیند. در این صورت الکترون‏ ها از ماده بیرون آمده و برای تشکیل یک باریکه‏ ی الکترونی آماده هستند. اما یک مشکلی وجود دارد! هنگامی‏که ماده را تا چند الکترون ولت گرما می‏ دهیم، ماده ذوب و یا بخار می ‏شود. بنابراین، تنها منابع در دسترس برای نشر گرمایونی الکترون‏ ها، مواد دیرگداز (موادی که دمای ذوب بالایی دارند) و یا مواد دارای تابع کار بسیار کم می‏ باشند. ماده‏ ای که سال‏ های طولانی برای TEMها و امروزه برای SEMها به عنوان کاتد استفاده می‏ شود، تنگستن با دمای ذوب در حدود 3660 کلوین می‏ باشد. هم‏چنین تنها ماده‏ای که امروزه برای TEMها به کار می‏ رود، LaB6 است که تابع کار بسیار پایینی (2.4eV) دارد. برخی مشخصه‏ های این کاتدها در جدولی در انتهای این مقاله درج شده‏ اند. می‏ توانید آن‏ها را با مشخصات دیگر منابع نیز مقایسه نمایید.

منابع نشر میدانی
یک منبع نشر میدانی یا به اختصار FEG (مخفف Field Emission Gun)، ابزاری است که با برقرار شدن یک پتانسیل الکتریکی بزرگ بین آن و یک آند، شروع به تولید الکترون می‏ نماید. ساخت این نوع منبع با استفاده از سوزن‏ های بسیار ظریف تنگستن امکان‏ پذیر است. الکترون‏های تولید شده توسط منابع نشر میدانی، نسبت به الکترون‏ های حاصل از منابع گرمایونی ، انرژی‏ های بسیار نزدیک‏تری به هم دارند. بنابراین به اصطلاح می‏ توانیم باریکه‏ ی الکترونی تک‏فام‏ تری داشته باشیم. اصطلاح تک‏فام (یا تک‏رنگ)، برای باریکه‏ هایی از نور مرئی و یا پرتوهای X به کار می‏ رود که تمام طول موج‏ های موجود در آن تقریبا با هم برابر باشند. در این‏جا با توجه به این‏که الکترون رفتار موجی نیز دارد، این اصطلاح به کار می‏ رود. گرچه با توجه به این‏که طول موج مربوط به یک الکترون با انرژی (یا سرعت) آن رابطه دارد، از یکسان بودن انرژی الکترون‏ ها می‏ توان یکسان بودن طول‏ موج آن‏ها را نتیجه گرفت.
اساس کار FEGها کاملا با منابع گرمایونی متفاوت است. همان‏گونه که می‏ دانید، قدرت یک میدان الکتریکی در نقاط تیز بسیار شدید است. هنگامی‏ که اختلاف پتانسیل V به یک نقطه‏ ی تیز (قسمتی از دایره به شعاع(r اعمال شود، آن‏گاه مقدار میدان برابر با :

E=V/r

خواهد بود. مشاهده می‏ کنید که با تیز شدن نقطه‏ ی مورد نظر (کاهش(r، مقدار میدان به شدت افزیش خواهد یافت. یکی از موادی که به راحتی می‏ توان از آن یک سوزن نوک تیز ساخت، تنگستن است. اگر به یک نوک تیز تنگستن با شعاع نوک کمتر از0/1μm اختلاف پتانسیلی برابر با 1kV اعمال نماییم، مقدار E برابر با 10[SUP]10[/SUP] V/m به دست خواهد آمد. این مقدار بزرگ میدان، به راحتیسد انرژی (تابع کار) را از میان برمی‏ دارد و الکترون‏ ها می‏ توانند از ماده خارج شوند. اما چنین میدان‏ های خارجی اعمالی بر ماده، موجب ایجاد فشار زیادی بر آن می‏ شود. بنابراین ماده‏ ی مورد نظر باید استحکام بسیار بالایی داشته باشد تا سالم بماند. برای رخ دادن پدیده‏ ی نشر میدانی، سطح نوک سوزن باید کاملا عاری از هرگونه آلودگی و اکسید باشد. برای رسیدن به این شرایط، می‏ توان از خلاءهای بسیار قوی (در حدود(Pa استفاده کرد. در این صورت می‏ توان دمای کاری منبع را تا حدود دمای اتاق پایین آورد. به این فرآیند، نشر میدانی سرد (Cold-FE) می‏ گوییم.

پرسش 2: به نظر شما استفاده از خلاءهای بسیار قوی چگونه می‏ تواند موجب رفع مشکل آلودگی‏ ها و اکسیدهای سطحی احتمالی موجود بر روی نوک سوزن تنگستنی شود؟ آیا می‏ دانید تکنیک استفاده از خلاء برای از بین بردن اکسیدهای سطحی و آلودگی‏ ها در چه مواردی کاربرد دارد؟

منابع شاتکی
در این دسته از منابع، ساز و کار حاکم بر تولید الکترون، تلفیقی از گرمایونی و نشر میدانی می‏ باشد.


جدول 1- برخی ویژگی‏ های منابع الکترونی مختلف

پرسش 3: با توجه به جدول بالا مشاهده می‏ شود که فیلمان تنگستنی مورد استفاده در روش گرمایونی طول عمر بسیار کوتاه‏تری نسبت به سوزن تنگستنی مورد استفاده در روش نشر میدانی دارد. آیا می‏ توانید دلایل این موضوع را بیان نمایید؟

 

[P O U R I A]

میکروسکوپ الکترونی روبشی

میکروسکوپ الکترونی روبشی

یکی از ابزارهای بزرگنمایی که در آنها به جای پرتوهای نور،از الکترون استفاده می شود،SEM است.SEM (میکروسکوپ الکترونی روبشی) از ابزارهای مطالعه در نانوفناوری می باشد که می تواند به شیوه ی بمباران الکترونی، تصاویری از اجسامی به کوچکی 10nm تهیه کند. استفاده از این ابزار ، آماده سازی نمونه برای مطالعه و ... ، نیازمند اطلاعاتی درباره ی امکانات، ساز و کار ، اجزا و چگونگی عملکرد آن می باشد.

 

[P O U R I A]

میکروسکوپ الکترونی روبشی که به آن Scanning Elecron Microscope ، یا به اختصار SEM گویند یکی از ابزارهای مورد استفاده در فناوری نانو است که با کمک بمباران الکترونی تصاویر اجسامی به کوچکی 10 نانومتر را برای مطالعه تهیه می کند. ساخت SEM سبب شد تا محققان بتوانند نمونه های بزرگتر را به سادگی و با وضوح بیشتر مطالعه کنند. بمباران نمونه سبب می شود تا الکترونهایی از نمونه به سمت صفحه دارای بار مثبت رها شود که این الکترون ها در آنجا تبدیل به سیگنال می شوند. حرکت پرتو بر روی نمونه، مجموعه ای از سیگنال ها را فراهم می کند که بر این اساس میکروسکوپ می تواند تصویری از سطح نمونه را بر صفحه کامپیوتر نمایش دهد.SEM،اطلاعات زیر را در خصوص نمونه در اختیار میگذارد:

- توپوگرافی نمونه: خصوصیات سطوح
- مورفولوژی: شکل ، اندازه و نحوه قرارگیری ذرات در سطح جسم
- ترکیب: اجزایی که نمونه را می سازند

SEM چگونه کار می کند؟
SEM وسیله ای است که به کمک آن می توان تصویر بزرگتر از نمونه را با کمک الکترون های (به جای نور) خلق کرد. پرتویی از الکترون ها با کمک تفنگ الکترونی میکروسکوپ تولید می شود.

پرتوی الکترونی در خلاء به صورت عمودی از میکروسکوپ عبور می کند. سپس با عبور از میدان های الکترومغناطیسی و لنزهای ویژه به صورت متمرکز به نمونه تابانده می شوند. به محض برخورد پرتو با نمونه، الکترون ها و اشعه های ایکس از نمونه خارج می شوند.

سپس آشکارسازهای پرتوهای ایکس، الکترونهای اولیه و الکترونهای ناشی از برخورد الکترونهای اولیه با جسم را جمع آوری می کنند و آنها را به سیگنال تبدیل کرده و به صفحه نمایش (مانند صفحه تلویزیون) منتقل می کنند و به این طریق تصویر نهایی تهیه می شود.

آماده سازی نمونه
قبل از هر کار ، باید آب از نمونه جدا شود چرا که آب در خلاء تبخیر می شود. تمامی فلزات رسانا هستند؛ لذا نیازی به آماده سازی آنها برای تهیه تصویر با SEM نیست. موادی که جزء دسته فلزات نیستند، باید به وسیله یک لایه نازک رسانا پوشانده شوند. این کار به کمک ابزاری به نام پوشش دهنده انجام می شود وده این منظور از میدان الکتریکی و گاز آرگون استفاده می شود؛به طوری که نمونه در یک محفظه ی خلاء ، قرار داده می شود و گاز آرگون و میدان مغناطیسی سبب جدا شدن الکترون از آرگون و مثبت شدن بار الکتریکی اتم ها می شوند. یونهای آرگون توسط فویل طلای دارای بار منفی جذب میشوند. یونهای آرگون ، به اتمهای طلا ی سطح فویل طلا برخورد می کنند. این اتمهای طلا، روی سطح نمونه قرار می گیرند و سبب ایجاد یک پوشش رسانا از طلا بر سطح نمونه می شوند.

 

[P O U R I A]

میکروسکوپ پیمایشگر روبشی

میکروسکوپ پیمایشگر روبشی

میکروسکوپ پیمایشگر روبشی(STM )، میکروسکوپی است که در آن ازجریان تونلی الکتریسیته استفاده می شود. این میکروسکوپ برای بررسی و تصویربرداری از سطوح صلب و فلزی که رسانای الکتریسیته هستند، مورد استفاده قرار می گیرد. مهمترین مزیت استفاده ازاین میکروسکوپ ، نیازمند نبودن به ایجاد شرایط خلاء می باشد.

 

[P O U R I A]

در امر فناوری نانو، ابزار و تجهیزات نقش مهمی را ایفا می کنند؛ چرا که بدون ابزار مسلما فعالیت در حوزه نانو امری غیرممکن است. در گذشته ، به علت ضعف فناوری و نیز نبودن وسایل اندازه گیری و آنالیز، بسیاری از محققان حتی نمی دانستند که تحقیقی که انجام می دهند در حوزه فناوری نانو است. مثالی از این مورد را می توان در شیشه های رنگی کلیسا ها پیدا کرد که مربوط به چند صد سال قبل است و امروزه محققان با کمک ابزارهای بررسی و آنالیز به این امر پی برده اند که در ساخت این شیشه ها، فناوری نانو بکار رفته است.
در این سری از مقالات سعی می شود تا تجهیزات و ابزارهای مورد استفاده در این فناوری برای محققان و علاقمندان به تحقیق در این حوزه معرفی شود. در این مقاله به معرفی میکروسکوپ پیمایشگر تونلی می‌پردازیم که به تازگی توسط آقای دکتر صابر در مرکز تحقیقات علوم و تکنولوژی در پزشکی ساخته و ارائه شده است.

شکل(1)- نمایی از NAMA-STM ساخته شود توسط محقق ایرانی

میکروسکوپ پیمایشگر روبشی (Scanning Tunneling Microscopy) که به طور اختصار به آن STM گفته می شود ،برای بررسی و تصویربرداری از سطوح صلب و فلزی که الکتریسیته را عبور می دهند بکار می رود. این میکروسکوپ ، نتیجه تحقیقات Russell Young و همکارانش در فاصله 1965-1971 در مرکز تحقیقات ملی است.
در این میکروسکوپ از نوعی جریان الکتریسیته (جریان تونلی) استفاده می شود که علت نامگذاری آن است. زمانی که نوک میکروسکوپ در مجاورت سطح رسانا و در فاصله یک نانومتری آن حرکت می‌کند جریان برقرار می شود (شکل 2).

شکل (2)- نوک قلم STM آنقدر تیز و باریک است که به راحتی در بین اتم ها بالا و پایین می رود

نوک قلم ، بر روی یک تیوب فیزوالکتریک قرار دارد. زمانی که ولتاژ به الکترودهای متصل به این تیوب داده می شود با اندک تنظیماتی می توان جریان ثابت تونلی ایجاد کرد و در هنگام اسکن، نوک را در فاصله ثابتی از سطح نمونه قرار داد. حرکت تیوب فیزوالکتریک ثبت می شود و به صورت یک تصویر به نمایش در می آید. با استفاده از میکروسکوپ پیمایشگر تونلی می توان اتم های منفرد روی سطح نمونه را به صورت سه بعدی مشاهده کرد. از این تکنیک برای اجسامی مانند مواد رسانا و مولکول های DNA استفاده می شود (شکل3).

شکل(3) - نمای شماتیک از نحوه کارکرد STM

مزیت این نوع تصویربرداری این است که نیاز نیست کار در خلاء انجام شود (در اکثر موارد از خلاء برای جلوگیری از آلوده شده نمونه استفاده می شود) بلکه می توان از آن برای آنالیز اجسام در هوا یا مایعات نیز استفاده کرد. شکل 4 نمایی از سطح فلز مس را نشان می دهد که توسط M. F. Crommie, C. P. Lutz, and D. M. Eiglerدر مرکز تحقیقات IBM گرفته شده است. این محققان توانستند با وضعیت دهی به اتمها از نمونه تصویربرداری کنند.

شکل (4)- تصویر گرفته شده از سطح نمونه مس در IBM

 

[P O U R I A]

آشنایی با عملکرد میکروسکوپ نیروی اتمی

آشنایی با عملکرد میکروسکوپ نیروی اتمی

میکروسکوپ نیروی اتمی(AFM)، دستگاهی است که برای مطالعه ی غیرمستقیم سطح اتم ها کاربرد دارد. این میکروسکوپ، با حرکت دادن یک پیمایشگر (probe) بر روی سطح ماده ، نیروی مکانیکی بین کاوشگر و ماده را محاسبه می کند و از این داده ها برای نشان دادن تصویر سطح اتم در رایانه استفاده می کند.

 

[P O U R I A]

تلاش برای دیدنِ سطوح بسیار نازک‌، از مهم‌ترین فعالیت‌های علمیِ آزمایشگاه‌های جهان است. این کار، بسیار مشکل و معمولاً غیراقتصادی است. کدام کار؟ دیدنِ مستقیم سطوح بسیار نازک مانند سطح کف دریا یا سطح اتم. روش معمول برای دیدن چنین سطوحی غیرمستقیم است؛ یعنی جمع‌آوری داده‌های دقیق و پردازش آنها توسط رایانه‌ها و تبدیلشان به تصاویرِ دیدنی. در مقاله‌ای که می‌خوانید، شما را با چگونگی کسب اطلاعات از سطوح نادیدنی و تبدیل آنها به مدل‌های دوبُعدی و سه‌بُعدی آشنا می‌کنیم. این همان کاری است کهمیکروسکوپ نیروی اتمیانجام می‌دهد.
شبیه‌سازی کف دریا که با استفاده از داده‌ها صورت می‌گیرد، مدت‌هاست که در تحقیقات و مطالعات اقیانوس‌شناسی به کار می‌رود. اقیانوس‌شناسانِ اولیه به انتهای کابل‌های بلند وزنه‌هایی می‌آویختند و ته دریا می‌‌فرستادند. این وزنه‌ها کف دریا را می‌پیمودند و ناهمواری‌ها و شیارهای آن را از طریق کابل‌ها روی کاغذهای شطرنجی نقش می‌کردند.
امروزه در فارسی ، به این قبیل وسایل که می‌توانند اطلاعاتی را از سطوح نادیدنی به ما برسانند، ‌«پیمایشگر‌» می‌گویند. این عنوان معادل واژه ی probe در انگلیسی است.
اقیانوس‌شناسان جدید، کابل و وزنه را به کناری نهاده‌اند و فناوری رادار را به خدمت گرفته‌اند. آنها امواج صوتی را از یک کشتی اقیانوس‌پیما به کف دریا گسیل می‌کنند و با ثبت فاصلة کف با منبع گسیل‌کننده، ناهمواری‌های کف را ترسیم می‌نمایند.
ماهواره‌ها هم به همین روش می‌توانند امواجی را به اعماق ناشناختة فضا بفرستند و با محاسبة زمان رفت و برگشت، فواصل را اندازه بگیرند.
در میکروسکوپ نیروی اتمی نیز از این روشِ دیدن استفاده می‌شود.AFM ،پیمایشگری را روی سطح ماده حرکت می‌دهد. همزمان با حرکت این پیمایشگر بر سطح ماده، نیروی مکانیکی بین کاوشگر و ماده محاسبه می‌شود. این داده‌ها برای به تصویر کشیدن سطح اتم در رایانه مورد استفاده قرار می‌گیرند.

در اینجا آزمایشی را به شما معرفی می‌کنیم که شما را با رفتار یک میکروسکوپ نیروی اتمی آشنا می‌کند. با این آزمایش می‌توانید بدون دیدنِ مستقیم، داده‌هایی را از درون یک جعبة دربسته استخراج کنید و با استفاده از آنها تصاویری دو و سه‌بُعدی از سطح درونی آن ترسیم نمایید.

یک جعبه کفشِ خالی را بردارید و از دوستتان بخواهید که یک وسیلة مجهول درون جعبه درست وسط آن بچسباند و در آن را هم محکم ببندد. حالا کاغذی شطرنجی، مانند تصویر زیر، روی آن بچسبانید. (اگر چاپگر دارید، روی تصویر کلیک کنید و نسخة با کیفیت بالاتر را دانلود کنید و از آن پرینت بگیرید.)

سپس با یک میل بافتنی صفحه را سوراخ سوراخ کنید و با کمک همان میل بافتنی ارتفاع شیء مجهول از کفِ جعبه را در نقاط مختلف اندازه بگیرید. حواستان را جمع کنید که فقط ارتفاع میلة بافتنیِ فرورفته داخل جعبه را اندازه نگیرید، بلکه ارتفاع جعبه را هم محاسبه کنید. مثلاً اگر ارتفاع جعبه 14 سانتی‌متر است و میل بافتنی در آن نقطه 7.5 سانتیمتر فرو رفته است. باید 7.5 را از 14 کم کنید تا ارتفاع شیء مجهول از کف جعبه به دست آید.

پس از اینکه ارتفاع‌های نقاط مختلف را اندازه گرفتید، کافی است تااین فایلرا دانلود کنید و به کمک آن حدس بزنید داخل جعبه چه چیزی وجود دارد. خوب، چطور این حدس را زدید؟ درست است: به کمک شکلی که از سطح شیء مجهول به دست آورده ‌اید.
فایلی که برای این کار در اختیار شما قرار داده شده، یک صفحة گسترده است که توسط نرم‌افزار Excel طراحی شده است و شما هم می‌توانید مشابه آن را تولید کنید.

شکل بالا نتیجه انجام آزمایش جعبه دربسته برای یک جسم هرم مانند است.
جدول 15×15 بالای صفحه در واقع همان کاغذ مشبکی است که شما روی جعبه چسبانده‌اید. حالا کافی است که ارتفاع شیء مجهول را در هر نقطه به کمک میل بافتنی اندازه بگیرید و آن را در خانة متناظر آن در فایل Excel ذخیره کنید. همانطور که اعداد وارد برنامه می‌شوند، نقشة سطحِ شیء مجهول که اصطلاحاً به آن «نقشة توپوگرافی» می‌گویند، کامل‌تر می شود.

 

[P O U R I A]

میکروسکوپ نیروی اتمی

میکروسکوپ نیروی اتمی

برای مشاهده ی اجسام و نمونه های با ابعاد بسیار ریز در حد مولکول های کوچک و اتم ها ، نمی توان از میکروسکوپ های معمولی استفاده کرد ؛ چرا که این نمونه ها ، ابعاد نانویی دارند و میکروسکوپ های معمولی ، قادر به نشان دادن ابعاد نانویی نیستند و تا حد میکرومتر را نشان می دهند. بنابراین برای دیدن نمونه های نانویی ، باید از ابزارهای دقیق تر و پیشرفته تر استفاده شود. یکی از این ابزارها، میکروسکوپ نیروی اتمی(AFM) می باشد.این میکروسکوپ ، با استفاده از انبرک و نوکی که از یک تک اتم الماس ساخته شده است، اطلاعاتی از نمونه ها به شیوه ی غیر مستقیم ، به دست میدهد. این میکروسکوپ ها ، نقش به سزایی در پیشرفت علوم مختلف از جمله الکترونیک،فضانوردی، انرژی ، نانوفناوری و ... ایفا می کنند.

 

[P O U R I A]

تاریخچه
نانومتر واحد بسیار بسیار کوچکی برای اندازه‌گیری طول است که در ابعاد اتمی و مولکولی کاربرد دارد. 1 نانومتر فاصلة بسیار کوچکی است و به عنوان مثال مولکول آب با آن سنجیده می‌شود. برای درک میزان کوچکی این واحد طول خوب است بدانیم که تار موی انسان حدوداً 80 هزار نانومتر قطر دارد، بنابراین برای مشاهده پدیده‌ها و درک اثراتی که در این اندازه بسیار کوچک وجود دارد ، نه‌تنها به چشم غیرمسلح نمی‌توان تکیه کرد، بلکه حتی از میکروسکوپ‌های معمولی که در آزمایشگاه‌ها وجود دارند نیز، نمی‌توان استفاده کرد؛ چراکه با این میکروسکوپ‌ها فقط تا ابعاد "میکرومتر" را می‌توان دید.
به همین دلیل دانشمندان با پیشرفت علم و فنون به فکر ساختن وسایلی افتادند که بتوانند ابعاد اتمی را هم اندازه‌گیری کنند.
وسایل زیادی با روش‌های مختلف برای این منظور ساخته شده است که خیلی از آنها کامل شده نمونه‌های قبلی است. اما میکروسکوپ نیروی اتمی جزو جدیدترین دستاوردهای دانشمندان در زمینه اندازه‌گیری در ابعاد و مقیاس نانو است که در پاییز سال هزار و سیصد و شصت و سه یعنی حدود بیست سال پیش توسط جرد بینینگ، کریستوف جربر و کوایت ساخته شد.
دستگاهی که بینینگ و همکارانش ساخته بودند، از نظر عملکرد کاملاً مشابه میکروسکوپ‌های نیروی اتمی امروزی بود و در طی این بیست سال ، تنها دقت و روش فهم نهایی اندازه‌ها پیشرفت کرده است. با این دستگاه می‌شد طولهایی تا حدود "سیصد آنگستروم" یا "سی نانومتر" را اندازه گرفت. با گذشت زمان این دستگاه کاملتر شد و امروزه می‌توان با دقتی بیش از پانصد برابر دقت میکروسکوپ بینینگ، سطوح مواد را مشاهده نمود.

• روش کار
می‌دانیم که تمامی اجسام هراندازه هم که به ظاهر صاف و صیقلی باشند، باز هم در سطح خود دارای پستی و بلندی و ناصافی‌هایی هستند. به عنوان مثال سطح شیشه بسیار بسیار صاف و صیقلی به نظر می‌رسد، اما اگر در مقیاس خیلی کوچک به آن نگاه کنیم، خواهیم دید که سطح شیشه پر از ناصافی‌ها یا به عبارتی "دست انداز" است. کار میکروسکوپ نیروی اتمی نشان‌دادن این ناصافی‌ها و اندازه‌گیری عمق آنهاست. ثبت چگونگی قرارگیری و نشان دادن عمق و ارتفاعِ پستی و بلندی‌ها در یک سطح خاص از ماده را "توپوگرافی" می‌نامند.
می دانیم که نیروهای بسیار کوچکی بصورت جاذبه و دافعه بین اتمهای باردار وجود دارند، (درست مثل دو سر آهنربا که باعث دفع و جذب می شوند.) چنین نیروهایی بین نوک میکروسکوپ و اتمهای سطح ایجاد می گردد. با اندازه گیری نیروی بین اتمها در نقاط مختلف سطح، می توان محل اتمها روی آن را مشخص کرد.

​

​

​

میکروسکوپ نیروی اتمی از اجزاء و قطعات مختلفی تشکیل شده است که مهم‌ترین بخش آن مجموعه "انبرک و نوک" می‌باشد و در واقع قسمت اصلی برای شناخت سطوح به شمار می‌آید. جنس انبرک معمولاً از سیلیسیم و نوک از یک تک اتم (معمولا اتم الماس) تشکیل شده است. برای اینکه میکروسکوپ نیروی اتمی بتواند برجستگی ها و فرورفتگی ها را در ابعاد نانومتر حس کند ، لازم است نوک تیز انبرک ظرافت اتمی داشته باشد؛ همان طور که ما با دستکش کار نمی توانیم زبری یا نرمی یک سطح را حس کنیم. ازآنجا که تصاویر مربوط به اندازه‌های اتمی روی یک سطح با چشم غیرمسلح ، یا حتی مسلح به قوی‌ترین عدسی‌ها قابل مشاهده نیست، به کمک ابزارهای پیشرفته، حرکات عرضی لمس شده توسط انبرک و نوک ویژه میکروسکوپ را به تصاویر ویدئویی تبدیل می‌‌‌‌کنند ، تا امکان مشاهده آرایش اتم‌های سطح، در صفحة رایانه امکانپذیر باشد.
درواقع کل فرآیند "جاروکردن سطح" ، به وسیله همان انبرک نوک‌دار صورت می‌گیرد. انبرک به راحتی در پستی و بلندی‌‌‌‌ها بالا و پایین می‌رود و انتهای آن هم به قسمتی متصل است که به جابجایی عرض انبرک بسیار حساس است و این تغییر فاصله‌ها را ثبت کرده و به علائمی تبدیل می‌کند که برای رایانه قابل فهم باشد. علائم گفته شده که "سیگنال" نام دارد، توسط رایانه پردازش می‌‌‌‌شود تا نحوه قرار گیری اتم‌ها در کنارهم، بر روی صفحه نمایشگر، نشان داده ‌شود.


دو روش کلی برای جاروکردن سطح وجود دارد که عبارتند از روش تماسی و روش غیرتماسی.
در روش تماسی که برای بیشتر سطوح کارایی دارد، نوک انبرک در فاصله‌ای بسیار بسیار کم از سطح قرار می‌گیرد و به محض رسیدن به پستی یا بلندی، به دلیل جابجایی که در انبرک ایجاد می‌شود، امکان نمایش توپوگرافی برای رایانه فراهم می‌گردد. درواقع نیرویی که بین سطح و نوک انبرک وجود دارد، با نزدیک‌شدن این دو به هم زیاد شده و با دورشدنشان از هم، کم می‌شود؛ این مسئله باعث مشاهده غیرمستقیم آرایش اتم‌ها می‌گردد.

​

​

روش غیرتماسی بیشتر برای سطوح کثیف و آلوده مورد استفاده قرار می‌گیرد؛ در این شیوه ابتدا انبرک را با نوسانی دقیق به تحرک درمی‌آوریم و آن را روی سطح هدایت می‌کنیم. انبرک خاصیت ارتجاعی و فنری دارد و به راحتی در عرض ، بالا و پایین می‌شود. در این حالت، نیرویی که بین سطح و نوک انبرک وجود دارد، در نوسان انبرک تأثیر می‌گذارد و به این وسیله آرایش اتمی سطح مشخص می‌شود.
البته اندازه‌گیری ساختارهای بسیار ریز که موجب جابجایی بسیار کوچکی در انبرک می‌‌‌‌شود، خود بحث مفصلی است . این مورد، امروزه به وسیلة تغییر جهت انعکاس نوری که از یک منبع بالای انبرک روی آن می‌تابانند، مشاهده می‌شود(شکل 3).

​

​

شکل 3
​

​

به این معنی که سطح انبرک به گونه‌ای صیقل داده می‌شود که توانایی بازتابش نور را به خوبی داشته باشد. منبع نوری، اشعة مرئی را به قسمت صیقل‌داده شده می‌تاباند و گیرنده آن را دریافت می‌کند. به محض جابجایی عرضی انبرک، اشعه کمی منحرف می‌شود که باتوجه به میزان انحراف ثبت‌شده در دستگاه، دانشمندان نقشه پستی و بلندی(توپوگرافی) را دقیقتر ترسیم می‌‌‌‌کنند(شکل 4).

​

​

شکل 4
​

​

نکتة دیگری که در مورد کارکرد میکروسکوپ نیروی اتمی باید بدانیم، آن است که پستی‌ها و بلندی‌ها در هر سه محور طول و عرض و ارتفاع توسط این دستگاه گزارش می‌شود. در نمونه‌های ابتدایی، چون امکان نشان‌دادن بعد ارتفاع در رایانه نبود، این کار با رنگ‌ها انجام می‌شد. به این صورت که رنگ‌های تیره برای عمق‌های کم و رنگ‌های روشن برای عمق‌های زیاد به کار می‌رفتند. اما امروزه با استفاده از نرم‌افزارهای سه‌بعدی دیداری، می‌توان توپوگرافی سطح را در هر سه بعد نشان داد.

• نتیجه
پس از معرفی میکروسکوپ نیروی اتمی و روش کار آن، خوب است بدانیم که بشر با اختراع این وسیله ، پیشرفت‌های بسیاری در علم مواد و شناخت سطوح پیدا کرده است که در بسیاری از صنایع از جمله الکترونیک، ارتباطات، خودرو، فضانوردی و انرژی تأثیرگذار بوده‌اند. درواقع اختراع میکروسکوپ نیروی اتمی فصل جدیدی در پیشرفت فناوری نانو و کاربردهای صنعتی آن می‌باشد.

نمونه هایی از انبرک و نوک میکروسکوپ نیروی اتمی:

​

​

برای آشنایی بیشتر با چگونگی عملکرد این نوع میکروسکوپها میتوانید فایل ویدئویی ذیل را مشاهده نمایید:

​

​

فیلم شبیه سازی میکروسکوپ نیروی اتمی​

​

​

شبیه سازیهای زیر، اطلاعات جالبی درباره میکروسکوپ نیروی اتمی و نحوه کارکردن آن در اختیار می گذارد. برای استفاده، فایل زیر را دانلود (Download) کنید و پس از خارج کردن آن از حالت فشرده، آن را روی رایانه خود نصب نمایید:

دانلود شبیه ساز انبرک میکروسکوپ اتمی و مدل سازی کار میکروسکوپ اتمی​

​