از زمان ابداع اولین میکروسکوپ تاکنون، محققان و دانشمندان زیادی در سراسر جهان به دنبال کشف روش‌های جدید برای توسعه‌ی دانسته‌هایشان از دنیای میکروسکوپی بوده اند. در سال ۱۹۸۱، دو محقق از IBM به نام‌های گرد بینینگ (Gerd Binnig) و هاینریش روهرر (Heinrich Rohrer) با اختراع خود دریچه‌ای جدید به سوی دنیای ناشناخته‌های میکروسکوپی باز کردند. این اختراع چیزی نبود جز میکروسکوپ تونلی روبشی (scanning tunneling microscope)(STM).
ابداع روهرر و بینینگ برخلاف تمامی میکروسکوپ‌های قدیمی، به دانشمندان این توانایی را می‌داد تا جهان را با تمام جزئیات اتمی و مولکولی آن مشاهده کنند. میکروسکوپ تونلی روبشی (STM) برنده‌ی جایزه‌ی نوبل سال ۱۹۸۶ در رشته‌ی فیزیک شد و از آن به عنوان دستگاهی یاد می‌شود که درها را به سوی رشته‌ی نانوتکنولوژی و تکنولوژی‌های شگفت‌انگیز و متفاوت دیگر از جمله الکتروشیمی، علم مواد نیمه‌هادی، و بیولوژی مولکولی باز کرد.
میکروسکوپ تونلی روبشی حاصل همکاری بین دو دانشمندی بود که قصد در به چالش‌کشیدن موانع کشف دنیای جدید داشتند. این دو دانشمند که در لابراتوار تحقیقاتی IBM در زوریخ با هم کار می‌کردند، زمینه‌ی فعالیت در حوزه‌ی ابررسانایی را داشته و علاقه‌ی زیادی به مطالعه‌ی سطوح اتمی از خود نشان می‌دادند؛ موضوع بسیار پیچیده‌ای که به دلیل ویژگی‌های متمایز سطوح مختلف باعث بهت و سردرگمی دانشمندان بود. اما مشکل اصلی آن‌ها محدودیت ابزار موجود برای اکتشافات بود؛ زیرا هیچ تکنولوژی موجودی در آن زمان، امکان بررسی مستقیم ساختار الکترونیکی سطوح و ناهمواری آن‌ها را فراهم نمی‌کرد.
یک میکروسکوپ نوری معمولی، قابلیت بررسی اشیایی با اندازه‌ای کوچکتر از طول موج نور را دارا بود و میکروسکوپ الکترونی نیز می‌توانست اشیای کوچکتری را با کیفیتی بهتر از میکروسکوپ نوری نمایان کند؛ اما هیچ یک قابلیت نمایش اتم‌های منفرد را نداشتند.
لذا بینینگ و روهرر تصمیم گرفتند تا ابزاری با چنین ویژگی‌هایی بسازند- دستگاهی جدید که امکان مشاهده و دستکاری اتم‌ها در مقیاس نانو را فراهم آورد. برای این کار، آن‌ها فعالیت خود را با انجام تحقیقات و آزمایش روی پدیده‌ی تونل‌زنی پرداختند؛ پدیده‌ای کوانتومی که در آن اتم‌ها از سطح یک ماده‌ی جامد جدا شده و نوعی ابر شناور در بالای سطح ماده تشکیل می‌دهند. با نزدیک‌شدن یک سطح دیگر این ابر اتمی روی سطح جدید همپوشانی یافته و تبادل اتمی رخ می‌دهد.
روهرر و بینینگ با حرکت‌دادن یک نوک تیز فلزی رسانا برروی سطح نمونه‌ای در فاصله‌ی بسیار نزدیک، دریافتند که مقدار جریان الکتریکی بین نوک فلزی و سطح نمونه، قابل اندازه‌گیری است. تغییرات این جریان می توانست اطلاعاتی از ساختار درونی و نیز پستی-بلندی‌های سطح نمونه را آشکار کند؛ و در دست داشتن چنین اطلاعاتی امکان طراحی نقشه‌ای سه‌بعدی از سطح مواد در مقیاس نانو را فراهم می‌کرد.
مقاله مرتبط: کمی کوچکتر: میکروسکوپ نشر میدانی و میکروسکوپ میدان یونی
این دو دانشمند در طول ماه‌های اول از فعالیت خود برای ساخت میکروسکوپ STM، تغییراتی را به منظور افزایش دقت اندازه‌گیری در چنین مقیاس کوچکی، در نسخه‌ی اورجینال طراحی خود اعمال کردند. این تغییرات نهایاتاً به کاهش لرزه و پارازیت، کنترل دقیق‌تر حرکت و محل نوک روبشی، و تیزی نوک پروب منجر شد.
اولین تصویر تهیه‌شده توسط این میکروسکوپ مربوط به ساختار سطح یک کریستال طلا بود. این تصویر نشان‌دهنده‌ی صفحه‌هایی از اتم‌ها با ردیف‌های بسیار منظمی از اتم‌های قرارگرفته در کنار هم، و تراس‌های وسیع بود که با ارتفاع یک اتم از هم جدا شده بودند. تصویری که گویای وجود دنیایی جدید در پایین دست بود.
اعمال اصلاحات بعدی در ساختار و طراحی مکانیکی میکروسکوپ، دقت آن را بیش از پیش افزایش داد که نتیجه‌ی آن دستیابی به تصاویری با کیفیتی بیشتر بود. دیری نگذشت که آوازه‌ی اختراع بینینگ و روهرر به دانشمندان و محققان سراسر جهان، که برای اولین بار توانسته بودند به دنیای نانومقیاس اتم‌ها و مولکول‌ها دست پیدا کنند، رسید.
از آنجایی که میکروسکوپ STM قابلیت جابجایی و تغییر مکان اتم‌های منفرد را داشت، توانست اولین سابقه‌ی ساخت اشیای بسیار ریز در حد اتم‌ها را به خود اختصاص دهد. و بدین‌گونه اختراع روهرر و بینینگ، عرصه‌ی کاملاً جدیدی از علم را برای مطالعه‌ی ساختار مواد ایجاد کرد.
اختراع میکروسکوپ تونلی روبشی توسط بینینگ و روهرر، نقطه عطفی در علم نانوتکنولوژی بود که زمینه‌ی انجام تحقیقات در این رشته را ایجاد کرد. STM همچنین به علت رزولوشن بالای تصاویر و کاربردهای گسترده‌ی آن در زمینه‌ی علوم فیزیک، شیمی، مهندسی و علم مواد نیز محبوبیت زیادی یافت.
میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) که در سال ۱۹۸۶ توسط بینینگ اختراع شد نیز، از نوادگان نسل STM محسوب می‌شود که امکان تصویربرداری از مواد نارسانا را فراهم کرد. در بخش‌های آتی به طور مفصل به بررسی این میکروسکوپ نیز خواهیم پرداخت. بدین‌گونه میکروسکوپ تونلی روبشی باعث ظهور نسل جدیدی از میکروسکوپ‌ها شد که تحولی عظیم در توانایی مشاهده، بررسی و ساخت سطوح و مواد در مقیاس نانو ایجاد کردند.
نحوه‌ی عملکرد میکروسکوپ تونلی روبشی چگونه است؟
همانطور که قلا نیز اشاره شد، میکروسکوپ تونلی روبشی با اسکن یک سطح توسط یک نوک بسیار تیز فلزی، تصویر آن را تهیه می‌کند. با نزدیک‌کردن خیلی زیاد نوک پروب به سطح نمونه و اعمال ولتاژ الکتریکی به نوک پروب یا نمونه، میکروسکوپ قادر به تهیه‌ی تصاویر سطوحی با مقیاس بسیار کوچک در حد اتم‌ها خواهد داشت.
میکروسکوپ STM برپایه‌ی چند قانون بنا شده است. یکی از این قوانین اثری از مکانیک کوانتوم به نام تونل زنی است که امکان «مشاهده» سطح را فراهم می‌کند. قانون دیگر، اثر پیزوالکتریک است. این اثر، اسکن بسیار دقیق سطح نمونه با دقت و کنترلی در حد آنگستروم را ممکن می‌سازد. و در آخر، میکروسکوپ تونلی روبشی برای کسب عملکرد نیاز به یک واحد تنظیمی دارد تا میزان جریان تونل‌زنی را ثبت، و چگونگی حرکت پروب را تنظیم کند. تمامی این موارد در تصویر مقابل به صورت شماتیک قابل مشاهده هستند.
تونل‌زنی
تونل‌زنی از جمله اثرات مکانیک کوانتوم است. یک جریان تونلی زمانی ایجاد می‌شود که الکترونها از موانعی رد شوند که در حالت عادی امکان ردشدنشان از آن‌ها وجود ندارد. به عبارتی دیگر، طبق قوانین فیزیک کلاسیک، اگر یک ذره انرژی کافی برای «عبور» از یک مانع را نداشته باشد، از آن عبور نخواهد کرد. با این وجود، در دنیای مکانیک کوانتوم، الکترونها دارای خواص موجی هستند. این امواج هنگام مواجهه با موانع، به طور ناگهانی متوقف نمی‌شوند، بلکه تضعیف و باریک خواهند شد؛ و اگر مانع به اندازه‌ی کافی نازک باشد، احتمال عبور موج از مانع و انتقال عملکرد آن به بخش دیگر ممکن خواهد بود!
به دلیل احتمال بسیار پایین وقوع چنین اتفاقی، درصورت وجود تعداد کافی از الکترونها، مطمئنا تعدادی از آن‌ها از مانع عبور کرده و در طرف دیگر آن ظاهر خواهند شد. این پدیده تونل‌زنی نامیده می‌شود. بر اساس یافته‌های مکانیک کوانتوم، الکترونها دارای خواص دوگانه‌ی موجی-ذره‌ای هستند، که پدیده‌ی تونل‌زنی ناشی از خاصیت موجی آن‌هاست.
پس همانطور که مشخص شد، عملکرد میکروسکوپ و نیز میزان عبور الکترونها از مانع، دارای رابطه‌ی معکوس با ضخامت مانع است. به عبارتی با کاهش ضخامت مانع، تعداد الکترون‌های عبوری افزایش می‌یابد. در صورت تعمیم این پدیده به میکروسکوپ STM، می‌توان گفت که نقطه‌ی شروع حرکت الکترونها بسته به تنظیمات دستگاه، نوک پروب و یا سطح نمونه خواهد بود. همچنین مانع مقابل الکترونها نیز فضای موجود بین این دو سطح (هوا، خلا، یا مایع) می‌باشد. در چنین شرایطی، ثبت جریان عبوری از مانع و بررسی آن امکان کنترل بسیار دقیق فاصله‌ی نمونه و نوک دروب را فراهم می‌کند.
اثر پیزوالکتریک
اثر پیزوالکتریک در سال ۱۸۸۰ و توسط پیرکوری کشف شد. این اثر با اعمال فشار بر وجوه کریستال‌های معین نظیر کوارتز یا باریوم تیتانات ایجاد می‌شود؛ که نتیجه‌ی آن تشکیل بارهای مخالف در وجوه کریستال است. البته امکان معکوس‌سازی این پدیده نیز وجود دارد. بدین معنا که اعمال ولتاژ معین بر یک کریستال پیزوالکتریک، باعث انبساط یا انقباض آن می‌شود.
مقاله مرتبط: دستاوردهای عظیم (۳۷): اثر پیزوالکتریک
از مواد پیزوالکتریک برای اسکن نوک پروب در میکروسکوپ تونلی روبشی و بسیاری دیگر از تکنیک‌های تونلی روبشی استفاده می‌شود. ماده‌ی پیزوالکتریک معمول مورد استفاده در میکروسکوپ تونلی روبشی، PZT (تیتانات زیرکونات سرب) می‌باشد.
واحد تنظیم فاصله و روبش
میکرسکوپ تونلی روبشی برای اندازه‌گیری جریان، اسکن نوک پروب، و ترجمه‌ی این اطلاعات به فرم قابل استفاده در تصویرسازی، نیاز به ابزرا الکترونیکی دارد. واحد تنظیم فاصله و روبش، همان بخشی است که به طور مداوم جریان تونل‌زنی را زیرنظر داشته و برای ثابت نگه‌داشتن آن، تغییراتی را در نوک پروب اعمال می‌کند. این تغییرات توسط کامپیوتر ثبت شده و توسط نرم‌افزار STM تبدیل به تصاویر می‌شوند. چنین حالتی برای تصویربرداری STM را «حالت جریان ثابت» می‌نامند. علاوه بر این وضعیت، تنظیمات دومی به نام «حالت ارتفاع ثابت» برای تصویربرداری STM وجود دارد که از آن برای تهیه‌ی تصویر از سطوح بسیار صاف استفاده می‌شود و واحد تنظیم فاصله و روبش طی آن خاموش است.
منابع
-Binnig, G.; Rohrer, H. (1986). “Scanning tunneling microscopy”. IBM Journal of Research and Development. 30 (4): 355–۶۹.
– Press release for the 1986 Nobel Prize in physics
-C. Julian Chen (1993). Introduction to Scanning Tunneling Microscopy (PDF). Oxford University Press. ISBN 0-19-507150-6.
-K. Oura; V. G. Lifshits; A. A. Saranin; A. V. Zotov & M. Katayama (2003). Surface science: an introduction. Berlin: Springer-Verlag. ISBN 3-540-00545-5.
– https://www.nanoscience.com/techniques/scanning-tunneling-microscopy/
– http://www-03.ibm.com/ibm/history/ibm100/us/en/icons/microscope/
