فوائد فريدة من الفحص المجهري الماسح
مقدمة:
عندما تطور التاريخ في الثمانينيات، وُلد نوع جديد من أدوات تحليل الأسطح يعتمد على الفيزياء ويدمج مجموعة متنوعة من التقنيات الحديثة، وهو مجهر المسبار الماسح (STM). لا يتمتع STM بدقة مكانية عالية فقط (تصل إلى O.1) نانومتر في الاتجاه العرضي، وأفضل من O.01 نانومتر في الاتجاه الطولي)، وهو قادر على المراقبة المباشرة، فهو لا يتمتع فقط بدقة مكانية عالية (O.1 نانومتر في الأفقي وO.01 نانومتر في الاتجاه الرأسي)، يمكنه ملاحظة التركيب الذري على سطح المادة بشكل مباشر، لكنه يمكنه أيضًا التعامل مع الذرات والجزيئات، وبالتالي ممارسة الإرادة الذاتية للبشر على الطبيعة. ويمكن القول أن المجهر المسبار الماسح هو امتداد لعين الإنسان وأيديه، وهو تبلور الحكمة الإنسانية.
يعتمد مبدأ عمل الفحص المجهري لمسبار المسح على خصائص فيزيائية مختلفة في النطاق المجهري أو المجهري، ويتم الكشف عن التفاعل بينها عن طريق مسبار دقيق للغاية من المسح الخطي الذري فوق سطح المادة قيد الدراسة، وذلك من أجل للحصول على الخصائص السطحية للمادة قيد الدراسة، فإن الاختلاف الرئيسي بين الأنواع المختلفة من SPM يكمن في الاختلافات في خصائص إبرها وطرق تفاعلها المقابلة مع عينات الإبر.
مبدأ التشغيل مشتق من مبدأ النفق في ميكانيكا الكم. يوجد في جوهره طرف يمكنه مسح سطح العينة بجهد متحيز معين بينها وبين العينة، ويكون قطره على المقياس الذري. نظرًا لأن فرصة نفق الإلكترون تظهر علاقة أسية سلبية مع عرض حاجز الجهد V(r)، فعندما تكون المسافة بين طرف الإبرة والعينة قريبة جدًا، يصبح حاجز الجهد بينهما رقيقًا جدًا، ويصبح تتداخل سحب الإلكترونات مع بعضها البعض، ومن خلال تطبيق جهد كهربائي بين طرف الإبرة والعينة، يمكن نقل الإلكترونات من الطرف إلى العينة أو من العينة إلى طرف الإبرة من خلال تأثير النفق لتشكيل نفق حاضِر. من خلال تسجيل التغيرات في تيار النفق بين الطرف والعينة، يمكن الحصول على معلومات حول مورفولوجيا سطح العينة.
يتمتع SPM بمزايا فريدة مقارنة بتقنيات التحليل السطحي الأخرى:
(1) دقة عالية على المستوى الذري، بدقة 0.1 نانومتر في التوازي و0.01 نانومتر في الاتجاه العمودي على سطح العينة، حيث يمكن تحليل الذرات الفردية.
(2) يمكن الحصول على صورة ثلاثية الأبعاد للسطح في الفضاء الحقيقي في الوقت الحقيقي، والتي يمكن استخدامها لدراسة الهياكل السطحية الدورية أو غير الدورية، ويمكن استخدام هذا الأداء الملحوظ لدراسة العمليات الديناميكية مثل الانتشار السطحي.
(3) من الممكن ملاحظة البنية السطحية المحلية لطبقة ذرية واحدة بدلاً من الصورة الفردية أو الطبيعة المتوسطة للسطح بأكمله، وبالتالي من الممكن ملاحظة عيوب السطح بشكل مباشر، وإعادة بناء السطح، وتشكل وموقع تمتز السطح، وإعادة بناء السطح الناجم عن الممتزات.
(4) يمكن أن تعمل في بيئات مختلفة، مثل الفراغ، والغلاف الجوي، ودرجة حرارة الغرفة، وما إلى ذلك، ويمكنها حتى غمر العينة في الماء والمحاليل الأخرى، والتي لا تتطلب تقنيات خاصة لأخذ العينات ولا تلحق الضرر بالعينة أثناء الكشف عملية. هذه الميزات مناسبة بشكل خاص لدراسة العينات البيولوجية وتقييم سطح العينة في ظل ظروف تجريبية مختلفة، مثل الآلية التحفيزية متعددة المراحل، وآلية الموصلية الفائقة، ومراقبة تغيرات سطح القطب الكهربائي أثناء التفاعلات الكهروكيميائية.
(5) بالاشتراك مع التحليل الطيفي النفقي المسحي (STS)، يمكن الحصول على معلومات حول البنية الإلكترونية للسطح، مثل كثافة الحالات عند مستويات مختلفة من السطح، ومصائد الإلكترون السطحية، وتنوع حواجز السطح المحتملة وهيكل فجوة الطاقة.
