کمی کوچکتر: میکروسکوپ نشر میدانی و میکروسکوپ میدان یونی

در حالت کلی، تکنیک‌های میکروسکوپی برای تولید تصاویر بزرگنمایی‌شده از سطح مواد به کار می‌روند. این اطلاعات شامل کریستالوگرافی سطح (برای مثال، چگونگی چیدمان اتم‌ها در سطح)، مورفولوژی سطح (برای مثال، شکل و اندازه‌ی ویژگی‌های توپوگرافیک سازنده‌ی سطح)، و ترکیب سطح (شامل عناصر و مواد ترکیبی تشکیل‌دهنده‌ی سطح) می‌باشند. حال به بررسی اجمالی ساختار و چگونگی کشف دو میکروسکوپ نشر میدانی (FEM) و میکروسکوپ میدان یونی (FIM) که به گونه‌ای با علم نانوتکنولوژی در ارتباط هستند، خواهیم پرداخت.

میکروسکوپ نشر میدانی

میکروسکوپی نشر میدانی (FEM)(Field Emission Microscopy) تکنیکی آنالیزی است که برای بررسی سطوح مولکولی ساختارهای سوزنی‌شکل و خصوصیات الکترونیکی آن‌ها، به کمک نشر میدانی الکترون‌ها در میدان الکتریکی قوی استفاده می‌شود.

مقاله مرتبط: ترانزیستور: از خودخواهی تا تحول جهانی

پدیده‌ی نشر میدانی برای اولین بار در سال ۱۸۹۷ کشف شد و تئوری کاملی از آن در سال ۱۹۲۸ توسط فاولر (Fowler) و نوردهیم (Nordheim) بر اساس تونل‌زنی مکانیکی کوانتومی الکترون‌ها از یک مانع سطحی درمعرض میدان‌الکتریکی قوی ارائه شد. اروین مولر (Erwin Muller) اولین کسی بود که توانست چنین میدان الکتریکی قوی را با اعمال چند کیلوولت بر نوکی فلزی به شعاع حدودی ۱۰۰ نانومتر برقرار کند، که این کار وی منجر به اختراع میکروسکوپ نشر میدانی (FEM) با رزولوشن چند نانومتری شد. (این میکروسکوپ به نام میکروسکوپ الکترونی میدانی نیز خوانده می‌شود.) درحقیقت، برای ساخت این میکروسکوپ از پدیده‌ی نشر میدانی برای ایجاد تصویری براساس تفاوت عملکردی صفحات مختلف کریستالوگرافیک موجود در سطح مواد، برروی نمایشگر استفاده شده بود.

یک میکروسکوپ نشر میدانی از یک نمونه‌ی فلزی به فرم نوک تیز و یک صفحه‌ی رسانای فلورسنت قرارداده‌شده در خلا بسیاربالا (UHV) تشکیل شده است. نمونه در پتانسیلی بسیار منفی (۱-۱۰keV) نزدیک به صفحه‌ی فلورسنت قرار داده می‌شود. شعاع انحنای نوک فلزی چیزی حدود ۱۰۰ نانومتر است؛ لذا میدان الکتریکی نزدیک نوک فلز قدرتی حدود ۱۰۱۰ ولت بر متر را خواهد داشت،  که مقداری کافی برای به وقوع پیوستن نشر میدانی الکترون‌ها است. الکترون‌های نشری از نوک فلزی، در طول خط‌های میدانی حرکت کرده و لکه‌های روشن و تیره‌ای برروی صفحه‌ی فلورسنت ایجاد می‌کنند که برابری یک به یک با صفحات کریستالی نشردهنده‌ی کره‌ای است. در این روش، بزرگنمایی‌های خطی به اندازه‌ی تقریبی ۱۰۵ الی ۱۰۶، قابل دستیابی هستند. رزولوشن فضایی این تکنیک در حدود ۲ نانومتر بوده و توسط تکانه الکترون‌های نشری موازی به سطح نوک فلزی محدود می‌شود.

کاربرد FEM محدود به موادی است که قابلیت تولید به شکل نوک‌تیز ، امکان کاربرد در محیط‌های UHV، و تحمل میدان‌های الکترواستاتیک بالا را داشته باشند. به این دلایل،  فلزهایی نظیر W,MO,Pt,Ir با دمای ذوب بالا، گزینه‌های مناسبی برای انجام تحقیقات و بررسی‌های FEM هستند.

میکروسکوپ میدان یونی

امروزه به طور کلی، سه روش میکروسکوپی با رزولوشن اتمی وجود دارد – میکروسکوپ میدان یونی (FIM)، میکروسکوپی الکترونی رزولوشن بالا (HREM) و میکروسکوپ تونلی روبشی (STM)– و این میکروسکوپ‌ها مشاهده‌ی تصاویر با رزولوشن در حد اتمی را به پدیده‌ای عادی در دنیای امروزی تبدیل کرده اند به طوری که امروزه دیگر کسی هنگام ارائه‌ی چنین تصاویری، چه در مجامع علمی و چه در مجامعی با قشر معمول، شگفت‌زده نمی‌شود. اما در زمان‌های نه چندان دور، در حدود ۴۶ سال قبل، اتم‌ها ساختارهایی بسیارکوچک محسوب می‌شدند که دیدن آن‌ها با میکروسکوپ امکان‌پذیر نبود. در چنین زمانی، میکروسکوپ میدان یونی (FIM) اولین میکروسکوپی بود که توانست رزولوشن و کنتراست موردنیاز برای تصاویر اتمی را فراهم کند.

دو مورد از مهم‌ترین جنبه‌های میکروسکوپی با رزولوشن اتمی، تصویربرداری از اتم‌های نمونه و تشخیص شیمیایی اتم‌های خاص در نمونه است و میکروسکوپ میدان یونی اولین میکروسکوپی بود که توانست به هردو جنبه بپردازد. این میکروسکوپ نیز همانند میکروسکوپ نشر میدانی، توسط اروین مولر (Erwin w. Muller) در سال ۱۹۵۱ اختراع شد. در ابتدا تصور بر این بود که تصویر میدان یونی درنتیجه‌ی جذب و نشر متوالی اتم‌های گازی در نوک نمونه ایجاد می‌شوند. درحدود سال ۱۹۵۵، به  صورت تئوری مشخص شد که در این صورت، سردکردن نمونه باید موجب افزایش رزولوشن تصویر شود. با این وجود، تلاش‌های تحقیقاتی اولیه در بدست‌آوردن چنین نتایجی با شکست مواجه شدند. اما با معرفی یک ابزار cold finger توسط مولر، او و دانشجوی فارغ‌التحصیلش باهادور (K. Bahadur) موفق به دست‌یابی به رزولوشن اتمی توسط میکروسکوپ FIM در اکتبر سال ۱۹۵۵ شدند و اولین تجربه‌ی بشریت در مشاهده‌ی اتم‌ها را رقم زدند. پس از آن سال، پیشرفت و توسعه‌ی تکنیکی و کاربردی FIM ادامه یافت.

از جمله مهم‌ترین زمینه‌های کاربرد FIM و پروب اتمی، برای میکروآنالیز نانومواد، به ویژه آلیاژ فلزات است. امروزه تهیه‌ی تصاویر سه‌بعدی و تفکیک‌شده از نظر شیمیایی از ساختارهایی با ابعاد نانو در رزولوشن اتمی و ارتباط‌دادن ساختار، به ویژگی‌های مکانیکی این مواد ممکن است. از کاربردهای دیگر این میکروسکوپ، آنالیز سطح در علوم نانو، و نیز ایجاد منابع گوناگون نشر میدانی، از جمله پنل مسطح نشر میدانی، یونیزاسیون میدانی و منابع یون مایع فلزی است.

بدیهی است که امروزه میکروسکوپ‌های دیگری مانند STM  و TEM نیز توانسته اند به رزولوشن‌‌های اتمی دست یابند. این میکروسکوپ‌ها برتری‌های مشخصی نسبت به FIM دارند. برای مثال، در چنین میکروسکوپ‌هایی دیگر نیاز به وجود میدان الکتریکی UH برای تصویربرداری وجود ندارد، نیاز به فرایند سردکردن نبوده، نمونه‌ها لزوماً نباید به شکل نخی باشند. اما از طرفی مطالعات FIM مستقیماً یا به طور غیرمستقیم در پیرفت سایر میکروسکوپ‌های با رزولوشن اتمی به ویژه STM دخیل بوده اند و یقیناً به یافتن دستاوردهای ارزشمند و خاصی که توسط میکروسکوپ‌های دیگر سخت یا غیرممکن است، ادامه خواهد داد.

منابع

– Recollections of Erwin Mi ller’s laboratory: the development of FIM (1951-1956), Allan J. Melmed, 1996

– Field Ion Microscopy: Historical and Recent Developments, Tien T. Tsong, 2005

-Scanning Probe Microscopy, Nikodem Tomczak, Kuan Eng Johnson Goh, 2011