Sərbəst İş Fənn : Nanotexnologiya Müəllim

SETM və AGSEM aparatlarının istifadə edilməsi nanoquruluşların sintezi

Skanedici tunel mikroskopunun (SETM) işi tunel effektinə əsaslanır, daha doğrusu qeyrimüəyyənlik, gizli olmayan prinsipə əsaslanır ki, burada mikrohissəciklər dəqiq ölçülərə malik deyillər. Məsələn, atom üçün onun ölçüsü elektron buludu ilə təyin edilir. Elə dəqiq sərhəd mövcud deyil ki, bütün elektronların xaricdə deyil, məhz daxildə yerləşdiyini demək olsun. Ancaq hər halda, nüvə ətrafında ehtimal ki, elektron tapmaq olar və nüvədən ayrıldıqda isə bu ehtimal tez bir zamanda təqribən aşağıdakı qanun formasına düşür.

urada, r – nüvədən olan məsafə; m – elektronun kütləsi; V – elektronun rabitə enerjisi;  - Plank sabitidir.
Elektronların paylanması çox uzağa istiqamətlənməməlidir, V=10 eV olduqda elektronların sıxlığı 10 dəfə, mərkəzdən 1 0 A (110 – 10 m) dəfə azalır. Faktiki olaraq elektron özü-özünə heç hara getmir, ancaq atom elektrik sahəsində E yerləşdirilsə, onda elektron atomdan gedə bilər (bax şək 2.1, a və b).
Bu sahənin kəmiyyətini qiymətləndirmək çətin deyil. Sahə uzunluğunda onun vəziyyətinin dəyişməsində onu elektronun enerjisinə eEx əlavə etmək olur (şəkil 2.1. b). Ona görə də, əgər elektron nüvədən uzaq məsafədə olarsa, təkcə miqdar
X0  V/eE (2.2)
deyil, həm də energetik olaraq onun atomdan ayrılması səmərəli olur, daha doğrusu, potensial səddən keçməklə tunelləşdirmə baş verir. Bu hadisənin həyata keçirilməsi üçün x0-ın qiymətinin çox böyük olmamağı zəruridir. Xarakterik ölçü (2.1) ifadəsində aşağıdakı halda eksponentin göstəricisi ilə bağlıdır
AGSEM – də həmçinin səthin morfologiyasını skanetmək üçün iynənin iti təpəsindən istifadə edirlər, ancaq bu halda əks rabitənin mexanizmi iti təpə və nümunənin istifadə olunmamış tunel cərəyanı arasındakı gücü ölçür. AGSEM-dən keçiriciliyi olmayan nümunələrdən səth şəkilinin alınması üçün istifadə edilə bilər. Çox zəif qüvvələri ölçmək (10-9 N) mümkünlüyünü əldə etməkdən ötürü itilənmiş təpənin ucuna aşağı elastik əmsallı (1 N/m) mikromexaniki kantilevr (200 nm uzunluğunda) quraşdırılır. AGSEM istifadəsində iti ucun təpəsi və nümunə bir-biri ilə toxunmurlar və kontakta girmirlər, ancaq əks əlaqə sistemi skanedilmə müddətində AGSEM-in təpəsi ilə nümunə səthi arasında sabit qüvvəni saxlayır. Belə vəziyyət kantilevrə arası kəsilməyən kənara çıxmaları qeyd etməyi təmin edir. Əksəriyyət kommersiya AGSEM-də arası kəsilmədən kənara çıxmalara kantilevrin əks etdirici səthində lazer şüalarını fokuslandırması yolu ilə və fotodiod siqnalının istifadəsi ilə əks etdirmə intensivliyini dəyişməklə nail olunur. Skanetmə müddətində kantilevr hərəkət edir və bununla fotodiod siqnalından keçməklə və əks rabitə zənciri ilə təyin edilir. İti təpə ilə tədqiq olunan nümunənin səthi arasındakı sabit rabitə qüvvəsini qeyd edir.
AGSEM – də həmçinin səthin morfologiyasını skanetmək üçün iynənin iti təpəsindən istifadə edirlər, ancaq bu halda əks rabitənin mexanizmi iti təpə və nümunənin istifadə olunmamış tunel cərəyanı arasındakı gücü ölçür. AGSEM-dən keçiriciliyi olmayan nümunələrdən səth şəkilinin alınması üçün istifadə edilə bilər. Çox zəif qüvvələri ölçmək (10-9 N) mümkünlüyünü əldə etməkdən ötürü itilənmiş təpənin ucuna aşağı elastik əmsallı (1 N/m) mikromexaniki kantilevr (200 nm uzunluğunda) quraşdırılır. AGSEM istifadəsində iti ucun təpəsi və nümunə bir-biri ilə toxunmurlar və kontakta girmirlər, ancaq əks əlaqə sistemi skanedilmə müddətində AGSEM-in təpəsi ilə nümunə səthi arasında sabit qüvvəni saxlayır. Belə vəziyyət kantilevrə arası kəsilməyən kənara çıxmaları qeyd etməyi təmin edir. Əksəriyyət kommersiya AGSEM-də arası kəsilmədən kənara çıxmalara kantilevrin əks etdirici səthində lazer şüalarını fokuslandırması yolu ilə və fotodiod siqnalının istifadəsi ilə əks etdirmə intensivliyini dəyişməklə nail olunur. Skanetmə müddətində kantilevr hərəkət edir və bununla fotodiod siqnalından keçməklə və əks rabitə zənciri ilə təyin edilir. İti təpə ilə tədqiq olunan nümunənin səthi arasındakı sabit rabitə qüvvəsini qeyd edir.
Uzun zaman təsir edən qüvvənin qeyd edilməsi üçün kantilevrin skanetmə prosesində (50 – 500) kHs tezlikli titrəyiş rezonansı yaradır. Kontaktsız AGSEM-də kontilevr heç vaxt nümunə səthi ilə toxunmurlar, ancaq uzunluğa təsir edən qüvvə istifadə edilir. Bu zaman nisbi ―yumşaq‖ kantilevr rezonans tezliyinin yerdəyişməsi yolu ilə müəyyən edilə bilər, ancaq belə ölçməni ultrayüksək vakuumda (P10 – 9 torr) aparmaq lazımdır ki, adsorbsiya olunmuş nanodamcı sudan mensk qüvvəsi kənarlaşdırılsın və nümunə səthi ilə iti ucun təpəsində ―kontakt sıçrayışına‖ səbəb ola bilsin.
SETM və AGSEM-in köməyi ilə alınmış səth şəkilləri iyrimi il əvvəl meydana gəlmişdir. Tezliklə aydınlaşdı ki, bu aparat atom ölçülərinədək həllolma ilə bərk cisimlərin səth strukturunun öyrənilməsi, həmçinin nano- və mikroelektronikada istifadə edilə bilən nanomiqyasda strukturun yaradılması üçün istifadə edilə bilər. Sonuncu problem daha çox aktualdır, əgər nəzərə alınsa ki, kritik ölçüdə elektron qurğuya – 22 nm-ə 2016-cı ildə nail oluna bilər. Ona görə də, nanoquruluşun yaradılması tədqiqatın texnoloji vacib sahəsi oldu. Burada da biz SETM və AGSEM-in nanolitoqrafiyada istifadə edilməsinin mümkünlüyünü müzakirəsinə, həmçinin karbon nanoboru əsasında səhra tranzistoru və yaddaş saxlamaları üçün maqnit nanonöqtələrinin yaradılmasına rast gəlir. SETM texnikasında əsas alət təpə radiusu  1 nm-də tamamlanmış metal iynədir. Bu itilənmiş təpə ilə nümunə səthinin arasına gərginlik əlavə edildikdə, nümunə səthindən keçiriciliyi təmin edir. İti iynə təpəsi və nümunə səthi arasında keçiricilik yarıqdan keçməklə elektronların kvant-mexaniki tunelləşdirmə yolu ilə həyata keçirilir ki, bu da 10 pA-dən 10 nA-dək qiymətində tunel cərəyanı kimi qeyd edilir. Bu cərəyan itilənmiş təpə və nümunə səthi arasında məsafədən eksponensial asılılığa malikdir və atom məsafəsini ölçməyə imkan verir. Şəkilin görünüş səthini yaratmaq üçün iti iynənin təpəsi Z oxuna görə məsafənin dəyişməsində sabit cərəyanı təmin etməklə səthi X-, Y-pyezoelektrik elementinin köməyi ilə skan edir. Nəticədə iti iynə təpəsi və nümunə səthi arasında məsafədən asılılıqda cərəyan dəyişməsi qeyd edilir. Verilmiş siqnal displeydə SETM nəticəsi şəkilini yaradır ki, bu da topoqrafik və elektron informasiyası kimi təqdim edir.