Sərbəst iş №1 Nanotexnologiya və onun inkişaf prespektivləri

Sərbəst iş №5
Skanedici tunel mikroskopu
Skanedici zond mikroskopiyası bərk cisimlərin səthinin atom quruluşunu, lokal xassələrini öyrənmək üçün ən effektiv üsullardan biridir. Zond mikroskopiyası dedikdə iti uclu zondun köməyilə materialın emalı; hazırlanması; ayrı–ayrı atomlar, molekullar və nanometr ölçülü elementlər səviyyəsində xassələrinin və formasının dəyişdirilməsi nəzərdə tutulur. Bu zaman həmçinin prosesi vizual olaraq izləmək və onu idarə etmək imkanı da yaradılır.
Nanotexnologiyanın skanedici zond mikroskopiyası üsulları skanedici mikroskoplardan istifadə edilməsinə əsaslanır. Müasir zond mikroskopları 50–dən artıq müxtəlif üsullarla nanoobyektləri tədqiq etmək və texnoloji əməliyyatları həyata keçirməyə imkan verir. Bu mikroskoplar vasitəsilə səthin mikrorelyefini və onun lokal xassələrini tədqiq etmək üçün xüsusi hazırlanmış iti uclu zondlardan istifadə edilir. Zondun işçi – yəni uc hissəsinin diametri on nanometr tərtibində, zond ilə səth arasındakı məsafə (0,1÷10) nm arasında olur. Bütün mikroskoplarda zond ilə səth arasında müxtəlif üsullarla: tunel cərəyanı, istilik mübadiləsi, atomlararası, elektrik və ya maqnit qüvvələri vasitəsilə qarşılıqlı təsir yaranır. Belə qarşılıqlı təsir xarakterindən asılı olaraq SZM–rı tunel mikroskopu, atom qüvvə mikroskopu, maqnit qüvvə mikroskopu və elektrik qüvvə mikroskopu kimi qruplara ayrılır.
Hər bir halda hərəkət edən zond ilə səth arasında lokal qarşılıqlı təsir spesifik siqnalın yaranması ilə müşayiət olunur. Səthin skanedilməsi zamanı yaranan siqnallar toplusuna əsasən səthin təsviri yaranır; eyni zamanda tədqiq olunan kəmiyyətin, məsələn maqnitlənmənin, elektrikkeçiriciliyinin, temperaturun, elektrik və ya maqnit sahələrinin səth boyunca paylanması təyin edilə bilər. SZM üsulları yüksək ayırdetmə qabiliyyətinə malikdir.
Zond mikroskoplarının hamısı üçün ümumi olan cəhətlərə baxaq. Fərz edək ki, zond ilə səth arasında qarşılıqlı təsir hər hansı P parametri ilə xarakterizə edilir. Əgər həmin P parametri zond ilə səth arasındakı z məsafəsindən birqiymətli asılıdırsa P=P(z), onda bu parametr əks əlaqə təşkil etmək üçün istifadə edilə bilər və belə əks əlaqə zond ilə səth arasındakı məsafəyə nəzarət etmək imkanı verər. Şəkildə skanedici zond mikroskopunda əks əlaqənin ümumi prinsipi göstərilmişdir.

Əks əlaqə sistemi P parametrinin sabit – P0 qiymətini saxlayır. Əgər zond ilə səth arasındakı məsafə dəyişərsə, məsələn artarsa, P parametrinin qiyməti də dəyişəcək. Bu zaman ƏƏ sistemində ΔP=P – P0 fərqi ilə mütənasib olan siqnal yaranır; bu siqnal gücləndirilir və İE icraedici elementə verilir. İE həmin siqnalı qəbul edir və zondu səthə yaxınlaşdırır. Bu yaxınlaşma ΔP siqnalı sıfra bərabər olana, yəni zond ilə səth arasındakı məsafə başlanğıc qiymətini alana qədər davam edir. Beləliklə zond
ilə səth arasında məsafə yüksək dəqiqliklə sabit saxlanılır. Mövcud mikroskoplarda zond–səth məsafəsi 0,001nm dəqiqliklə sabit saxlanılır. Aydındır ki, zond səth boyunca hərəkət etdikdə səthin relyefindən asılı olaraq P qarşılıqlı təsir parametri dəyişir. ƏƏ sistemi bu dəyişiklikləri qeyd edir. Nəticədə zond XY müstəvisində hərəkət etdikdə İE–də yaranan siqnal səthin relyefinə uyğun olaraq dəyişir.
Skanedici zond mikroskopiya üsulları ilə təsvir almaq üçün nümunənin xüsusi təşkil
olunmuş skan edilməsi prosesi aparılır. Skan edilmə zamanı zond əvvəlcə nümunənin səthində müəyyən xətt üzrə yerini dəyişir; bu zaman İE–də səthin relyefinə uyğun olan siqnalın qiyməti kompüterin yaddaşına yazılır. Sonra zond başlanğıc nöqtəyə qayıdır, skanedilən növbəti sətrə keçir və proses təkrar olunur. Bu qaydada skanetmə nəticəsində yazılan ƏƏ siqnalı kompüter vasitəsilə emal olunur, sonra kompüter qrafikası üsulları ilə səthin Z=F(x,y) relyefinin təsviri qurulur. Zond mikroskopları səthin relyefini tədqiq etməklə bərabər həm də səthin müxtəlif xassələrini: mexaniki, elektrik, maqnit, optik və digər xassələrini öyrənməyə imkan verir.
Zond mikroskopları ailəsində ilk olaraq skanedici tunel mikroskopu yaradılmışdır. STM-in iş prinsipi elektronların zond ilə səth arasında yaranan ensiz potensial çəpərdən tunel keçidlərinə əsaslanır. STM–da zond nümunənin səthinə bir neçə anqstrem qədər yaxınlaşdırılır. Bu zaman potensial çəpər yaranır, onun hündürlüyü elektronların zondun materialından və nümunədən çıxış işlərinin (uyğun olaraq φP və φs) fərqi ilə təyin edilir. ilk yaxınlaşmada bu potensial çəpəri effektiv hündürlüyü materialların orta çıxış işinə bərabər olan düzbucaqlı şəklində təsvir etmək olar:
φ*=(1/2)(φp+φs)
Elektrik keçirən nümunənin səthinə uc hissəsində bir atom yerləşdirilmiş zond yaxınlaşdırılır. Bunlar arasındakı məsafə atomlararası məsafəyə bərabər olarsa, onda zondun atomuna aid olan elektronların dalğa funksiyası səthə aid olan atomların elektronlarının dalğa funksiyaları ılə kəsişir və bu aralıqdan elektronun keçməsi üçün imkan yaranır. Belə keçidə tunel keçidi deyilir. Tunel keçidinin ehtimalı aşağıdakı ifadə ilə verilir:
W≈-exp{- 2/ћ z√2me(U-V)}
burada ћ-gətirilmiş Plank sabiti, m- elektronun kütləsi, e- elektronun yükü, U- zond və nümunənin səthi arasında potensial çəpəri xarakterizə edən elektrik potensialı V-tətbiq olunan gərginlikdir.
STM–da iynə şəkilli iti uclu zond üç koordinatlı skanerə bərkidilir. Elektrik potensialı tətbiq edilmiş zond səthə perpendikulyar istiqamətdə yönəldilir və tunel cərəyanının yarana biləcəyi məsafəyə qədər səthə yaxınlaşdırılır. Tunel cərəyanı elektronun potensial çəpərdən keçmə ehtimalı ilə mütənasibdir. Deməli, tunel cərəyanı zondun ucu ilə səth arasındakı məsafədən asılıdır və bu asılılıq eksponensial xarakterlidir. Bundan başqa tunel cərəyanı zonda tətbiq edilmiş potensialın qiymətindən də asılıdır. Ona görə də, səth boyunca zondun yerini dəyişərək keçən tunel cərəyanına nəzarət etmək və bununla da səthin topologiyasını atom səviyyəsində analiz etmək mümkündür. Bu ideya tunel mikroskopunda aşağıdakı kimi həyata keçirilir.

Volframdan hazırlanmış zondun vəziyyəti idarəedici gərginlik tətbiq olunmuş pyezoelementlər vasitəsilə tənzimlənir. Zond nümunənin səthinə tunel cərəyanının yaranması üçün lazım olan minimal məsafəyə qədər yaxınlaşdırırlar. ƏƏ dövrəsinin köməyilə tunel cərəyanı sabit saxlanılarsa, səthin relyefi barədə məlumat almaq mümkün olar. Bu üsul sabit cərəyan üsulu adlanır.
Tətbiq olunan V gərginliyini dəyişməklə əks əlaqə sistemi vasitəsilə çəpərdən axan tunel cərəyanı sabit saxlanılır. Əgər səthin elektron xassələri (çıxış işi)
bircinsdirsə, V(x,y) asılılığı səthin atom relyefini təsvir edir. Çıxış işinin lokal dəyişməsi müxtəlif xassəli atomlardan təşkil olunmuş nümunələr üçün xarakterik olduğundan, bunu nəzərə almaq üçün zond və səth arası məsafənin əlavə kiçik modulyasiyasından istifadə edirlər. Beləliklə, atomları səthdə nəinki “görmək”, hətta müxtəlif kimyəvi tərkibə malik olan hissələri ayırd etmək mümkün olur. Bu zaman şaquli istiqamətdə ayırdetmə 0,01-0,05 nm, horizontal istiqamətdə isə 0,3 nm olur. Analiz olunan səthin ölçüsü 100 mkm-lərlə ola bilər. STM-in əsas məhdudiyyəti ondan ibarətdir ki, tunel cərəyanının qeyd olunması üçün tədqiq olunan material yüksək elektrik keçiriciliyinə malik olmalıdır.
Skanedici tunel mikroskopunda zond nümunənin səthinə bir neçə anqstremə qədər yaxınlaşdırılır. Bu zaman şəffaf tunel çəpəri əmələ gəlir. Onun ədədi qiyməti əsasən zond materialından və nümunədən elektronların çıxış işlərilə müəyyən olunur ( φr və φs). Məsələnin həllinə keyfiyyətcə baxmış olsaq, çəpəri materilların orta çıxış işinə bərabər, effektiv hündürlüklü düzbucaqlı hesab etmək olar.

φ*= 1/2(φr+ φs)