مفهوم، اصل، ساختار و خصوصیات میکروسکوپ پروب اسکن

مفهوم، اصل، ساختار و خصوصیات میکروسکوپ پروب اسکن

میکروسکوپ کاوشگر روبشی یک اصطلاح کلی برای میکروسکوپ های پروبی مختلف است (میکروسکوپ نیروی اتمی، میکروسکوپ نیروی الکترواستاتیک، میکروسکوپ نیروی مغناطیسی، میکروسکوپ رسانایی یونی روبشی، میکروسکوپ الکتروشیمیایی روبشی، و غیره) که بر اساس میکروسکوپ تونلی روبشی ساخته شده اند. ابزارهای تجزیه و تحلیل سطح توسعه یافته است.

اصل و ساختار میکروسکوپ پروب روبشی
اصل کار میکروسکوپ کاوشگر روبشی استفاده از برهمکنش بین کاوشگر و اتم‌های سطحی و مولکول‌های نمونه است، یعنی میدان‌های فیزیکی برهمکنش‌های مختلف زمانی که پروب و سطح نمونه نزدیک به مقیاس نانو هستند، تشکیل می‌شوند. و با تشخیص کمیت های فیزیکی مربوطه مورفولوژی سطح نمونه به دست می آید. میکروسکوپ کاوشگر روبشی عمدتاً از پنج بخش تشکیل شده است: کاوشگر، اسکنر، سنسور جابجایی، کنترل کننده، سیستم تشخیص و سیستم تصویر.

کنترل کننده نمونه را در جهت عمودی از طریق اسکنر حرکت می دهد تا فاصله بین پروب و نمونه (یا کمیت فیزیکی تعامل) در یک مقدار ثابت تثبیت شود. در همان زمان، نمونه در صفحه افقی xy جابجا می شود تا پروب روند اسکن را دنبال کند. مسیر سطح نمونه را اسکن می کند. در میکروسکوپ پروب روبشی، زمانی که فاصله بین پروب و نمونه پایدار باشد، سیستم تشخیص سیگنال کمیت فیزیکی مربوطه از تعامل بین پروب و نمونه را تشخیص می‌دهد. هنگامی که کمیت فیزیکی برهمکنش پایدار است، توسط حسگر جابجایی از طریق جهت عمودی فاصله بین پروب و نمونه تشخیص داده می شود. سیستم تصویر پردازش تصویر مانند تصویربرداری از سطح نمونه را با توجه به سیگنال تشخیص (یا فاصله بین پروب و نمونه) انجام می دهد.

میکروسکوپ های پروب روبشی با توجه به میدان های فیزیکی مختلف برهمکنش بین پروب و نمونه به سری های مختلفی از میکروسکوپ ها تقسیم می شوند. از این میان، میکروسکوپ تونلی روبشی (STM) و میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) دو نوع میکروسکوپ کاوشگر روبشی هستند که بیشتر مورد استفاده قرار می گیرند. میکروسکوپ تونل زنی روبشی ساختار سطح نمونه را با تشخیص اندازه جریان تونل بین پروب و نمونه مورد آزمایش تشخیص می دهد. میکروسکوپ نیروی اتمی سطح نمونه را با تشخیص تغییر شکل ریز کنسول ناشی از نیروی برهمکنش بین نوک و نمونه (که ممکن است جذاب یا دافعه باشد) توسط حسگر جابجایی فوتوالکتریک تشخیص می دهد.

ویژگی های میکروسکوپ های کاوشگر اسکن
میکروسکوپ کاوشگر روبشی سومین میکروسکوپ برای مشاهده ساختار ماده در مقیاس اتمی پس از میکروسکوپ یون میدانی و میکروسکوپ الکترونی عبوری با وضوح بالا است. با در نظر گرفتن میکروسکوپ تونل زنی روبشی (STM)، وضوح جانبی آن 0.1~{3}}.2nm و وضوح عمق عمودی آن 0.01nm است. چنین وضوحی می تواند به وضوح اتم ها یا مولکول های منفرد را که روی سطح نمونه توزیع شده اند مشاهده کند. در عین حال، میکروسکوپ کاوشگر روبشی همچنین می‌تواند تحقیقات مشاهده‌ای را در هوا، سایر گازها یا محیط‌های مایع انجام دهد.

میکروسکوپ های کاوشگر روبشی دارای ویژگی های تفکیک اتمی، انتقال اتمی و ریزپردازش نانو هستند. با این حال، با توجه به اصول کار متفاوت میکروسکوپ های روبشی مختلف در جزئیات، اطلاعات روی سطح نمونه که توسط نتایج به دست آمده توسط آنها منعکس می شود بسیار متفاوت است. میکروسکوپ تونل زنی روبشی اطلاعات توزیع ایستگاه های الکترونی روی سطح نمونه را اندازه گیری می کند که وضوح سطح اتمی دارد اما هنوز نمی تواند ساختار واقعی نمونه را بدست آورد. میکروسکوپ اتمی اطلاعات برهمکنش بین اتم ها را تشخیص می دهد، بنابراین اطلاعات آرایش توزیع اتمی روی سطح نمونه را می توان به دست آورد، یعنی ساختار واقعی نمونه. اما از سوی دیگر، میکروسکوپ نیروی اتمی نمی تواند اطلاعات حالت الکترونیکی را که می توان با تئوری مقایسه کرد، اندازه گیری کرد، بنابراین این دو مزایا و معایب خاص خود را دارند.