روشهای کسب اطلاعات در ابعاد نانو

[pesare baba 2250]

مقدمه

بخشی از فناوری نانو دنيایی را که هر روز در جريان است مطالعه می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کند، فقط کمی عمیق تر و کمی پايين‌‌‌‌‌‌‌‌‌تر آنجاهايي که ما با چشم‌‌‌‌‌‌‌‌‌هايمان نمی‌‌‌‌‌‌‌‌‌توانيم مشاهده کنیم. پس برای ورود به این بخش از فضای نانو لازم است کمی به سراغ مطالب پایه فيزيک و شيمی برويم و مفاهيم اوليه را مرور کنيم؛ در این نوشتار ابتدا مروری بر مفاهیم پايه و اجزای ساختاری ماده صحبت خواهیم کرد سپس سراغ لوازم و ابزار و وسايلی می‌‌‌‌‌‌‌‌‌رويم که دنيایی را که در پايين وجود دارد، برای ما نمايان می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کند. انشاالله در مقالات بعدی هر کدام از اين ابزارها را بطور کامل شرح خواهيم داد.

 

اجزای سازنده مواد و نيروی بين آنها

برای درک از اجزای طبيعت باید به این نکته توجه کرد که اتمها بلوک‌‌‌‌‌‌‌‌‌های سازنده مواد هستند و هر ماده از اتمهای خاص تشکيل شده که وقتی در کنار يکديگر قرار می‌‌‌‌‌‌‌‌‌گيرند مولکولها را شکل می‌‌‌‌‌‌‌‌‌دهند، تعداد اين اتم‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها محدود است (بيش از صد نوع اتم) ولی وقتی کنار هم قرار میگيرند صدها هزار مولکول که هر کدام خواص متفاوتی دارند را تشکيل می‌‌‌‌‌‌‌‌‌دهند.

چيزي که اتم‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها را در يک مولکول و مولکولها را در يک ماده کنار هم حفظ می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کند نيروهايي است که مانند جاذبه و دافعه دو آهنربا عمل می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنند. اين نيروها بين الکترونها و هسته اتمها وجود دارند و در نوع خود بسيار قوی هستند.

شنيده‌‌‌‌‌‌‌‌‌ايد که يک مورچه می‌‌‌‌‌‌‌‌‌تواند چند برابر وزن خودش را حمل کند! آيا شما مي‌‌‌‌‌‌‌‌‌توانيد دوبرابر وزن خود را حکل کنید؟ با اين حساب مورچه قوی‌‌‌‌‌‌‌‌‌تر است یا شما؟ اينکه می‌‌‌‌‌‌‌‌‌گوييم پيوند بين اتم‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها در نوع خود خيلی قوی و مستحکم است دقيقاً مانند همین مثال قدرت مورچه‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها است.

گفتيم که از اتصال مولکول‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها ماده ساخته می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود، در واقع شدت پيوند بين مولکولی و نيروی بين مولکولها سبب می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود تا ماده به شکل مايع، جامد يا گاز باشد. البته نوع پيوندها نيز در رفتار ماده تاثير زيادی دارند، برای مثال بعضی پيوندها که به پيوند يونی معروف هستند باعث می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شوند ماده رسانای جريان برق باشد. تعداد و جهت و زاويه متفاوت يک نوع پيوند نيز سبب بروز خواص متفاوت می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود. برای مثال الماس و گرافيت هر دو از اتمهای يک عنصر يعنی کربن تشکيل شده‌‌‌‌‌‌‌‌‌اند، ولي از آنجايي که تعداد و نحوه قرارگيری پيوندها بين اتمهایِ آن متفاوت است، الماس بسيار مستحکم است و گرافيت بسيار نرم.

مشاهده مولکول‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها با استفاده از ميکروسکوپ

ميکروسکوپی که شما در مدرسه از آن استفاده می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنيد تا سلولهای موجودات زنده را مشاهده کنيد بسيار ساده است و برای مشاهده دنيای نانو کارآمد نيست. امروزه انواع گوناگونی ميکروسکوپ وجود دارد که قادر است اطلاعات مفيدی از ابعاد نانو به ما بدهد. هر کدام از اين دستگاه‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها پيچيدگی خود را دارند و از ترفندهای مختلفی بهره می‌‌‌‌‌‌‌‌‌گيرند تا از ابعاد ريز و در حد و اندازه مولکولها به ما اطلاعات بدهند.

علاوه بر پيچيدگی و پر رمز و راز بودن اين ميکروسکوپ‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها تفاوت اصلی آنها با ميکروسکوپ‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها� � ساده و نوري مدرسه این است که آنها بصورت غير مستقيم از دنيای نانو به کسب اطلاعات می‌‌‌‌‌‌‌‌‌پردازند. درست مانند اقيانوس شناسان که بدون رفتن به زير آب اقيانوس‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها و قدم زدن در کف آن، نقشه پستی‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها و بلندی‌‌‌‌‌‌‌‌‌های کف اقيانوس را ترسيم می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنند يا فضا نوردان که بدون سفر به تمام نقاط کره ماه یا هر سياره و ستاره‌‌‌‌‌‌‌‌‌ای ارتفاعات و کوه‌‌‌‌‌‌‌‌‌های آن سياره را شناسايي می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنند.

شبيه‌سازي كف دريا كه با استفاده از پردازش داده‌ها صورت مي‌گيرد، مدت‌هاست که در تحقيقات و مطالعات اقيانوس‌شناسي به كار مي‌رود. اقيانوس‌شناسانِ اوليه به انتهاي كابل‌هاي بلند وزنه‌هايي مي‌آويختند و ته دريا مي‌‌فرستادند. اين وزنه‌ها كف دريا را مي‌پيمودند و ناهمواري‌ها و شيارهاي آن را از طريق كابل‌ها روي كاغذهاي شطرنجي نقش مي‌كردند.

اقيانوس‌شناسان جديد، كابل و وزنه را به كناري نهاده‌اند و فناوري رادار را به خدمت گرفته‌اند. آنها امواج صوتي را از يك كشتي اقيانوس‌پيما به كف دريا گسيل مي‌كنند و با ثبت فاصلة كف با منبع گسيل‌كننده ناهمواري‌هاي كف را ترسيم مي‌نمايند.

ماهواره‌ها هم به همين روش مي‌توانند امواجي را به اعماق ناشناختة فضا بفرستند و با محاسبة زمان رفت و برگشت، فواصل را اندازه بگيرند.

اساس کار ميکروسکوپهای پيشرفته نيز مانند ماهواره‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها و رادارها، کسب اطلاعات به صورت غير مستقيم است.

 

ميکروسکوپ نيروی اتمی AFM :

اين نوع ميکروسکوپ نيروی اتمی شباهت زيادی به کابل‌‌‌‌‌‌‌‌‌های اقيانوس‌‌‌‌‌‌‌‌‌شناس� ��‌‌‌‌‌‌‌‌های قديمی و کهنه کار دارد. یک جورهايي نيز شبیه دستگاه گرامافون از يک سوزن بسيار نوک تيز تشکيل شده که اين سوزن روی سطح لوح در شيار‌‌‌‌‌‌‌‌‌های آن حرکت می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کند و پستی - بلندی های سطح را به صدا تبديل مي‌‌‌‌‌‌‌‌‌کند.

و اما وظيفه ميکروسکوپ نيروی اتمی چيست؟

مي‌دانيم كه تمامي اجسام هراندازه هم كه به ظاهر صاف و صيقلي باشند، باز هم در سطح خود داراي پستي و بلندي و ناصافي‌هايي هستند. به عنوان مثال سطح شيشه بسيار بسيار صاف و صيقلي به نظر مي‌رسد، اما اگر در مقياس خيلي کوچک به آن نگاه کنيم، خواهيم ديد که سطح شيشه پر از ناصافي‌ها يا به عبارتي "دست انداز" است. كار ميكروسكوپ نيروي اتمي نشان‌دادن اين ناصافي‌ها و اندازه‌گيري عمق آنهاست. ثبت چگونگي قرارگيري و نشان دادن عمق و ارتفاعِ پستي و بلندي‌ها در يك سطح خاص از ماده را "توپوگرافي" مي‌نامند.

همانطور که می‌‌‌‌‌‌‌‌‌دانيد نيروهاي بسيار کوچکي بصورت جاذبه و دافعه بين اتمهاي باردار وجود دارند، (درست مثل دو سر ناهمنام آهنربا که باعث دفع و جذب مي شوند.) چنين نيروهايي بين نوک ميکروسکوپ و اتمهاي سطح ايجاد مي‌‌‌‌‌‌‌‌‌گردد. با اندازه گيري نيروي بين اتمها در نقاط مختلف سطح، مي‌‌‌‌‌‌‌‌‌توان محل اتمها روي آن را مشخص کرد.

برای آشنايي بيشتر با ميکروسکوپ نيروی اتمی به مقاله‌‌‌‌‌‌‌‌‌ای که در اين مورد در باشگاه نانو نوشته شده مراجعه کنيد

 

ميکروسکوپ پيمايشگر الکترونی SEM :

در ميکروسکوپ نيروی اتمی يک انبرک با نوک بسيار حساس روی سطح حرکت می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کرد و اطلاعات مورد نياز را از ابعاد نانومتری به ما می‌‌‌‌‌‌‌‌‌داد. حال اگر به جای نوک و انبرک از الکترون استفاده کنيم ميکروسکوپ پيمايشگر الکترونی ساخته‌‌‌‌‌‌‌‌‌ايم.

اين دسته میکروسکوپ‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها پروتويي از الکترونها را به هر آنچه که مي‌‌‌‌‌‌‌‌‌خواهند بررسی و مطالعه کنند، شليک می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنند، به این ترتيب انرژی الکترون‌‌‌‌‌‌‌‌‌های شليک شده به سطح مورد نمونهِ موردِ مطالعه منتقل می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود. الکترونهای پرتو (که الکترونهای اوليه ناميده می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شوند) الکترونهای نمونه را جدا می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنند. اين الکترونهای جدا شده (که الکترونهای ثانويه ناميده می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شوند) به سمت صفحه‌‌‌‌‌‌‌‌‌ای که دارای بار مثبت است کشيده می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شوند و در آنجا تبديل به "سيگنال" می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شوند. اين سيگنالها توسط رايانه به تصاوير قابل مشاهده تبديل می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شوند.

ميکروسکوپ پيمايشگر الکترونی علاوه بر اطلاعات توپوگرافی؛ شکل، اندازه و نحوه قرار گيری ذرات در سطح جسم را که به مورفولوژی جسم معروف است به ما مي‌‌‌‌‌‌‌‌‌دهد. نوع های پيشرفته تر اين دستگاه قادر هستند که ترکيب اجزایی که نمونه را می‌‌‌‌‌‌‌‌‌سازد را نيز مشخص کنند.

اين ميکروسکوپ برای مشاهده نمونه‌‌‌‌‌‌‌‌‌هايي که از خود بخار آزاد می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنند، مناسب نيست چرا که بخارات توليد شده با الکترونهای شليک شده به نمونه برهم‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنش پيدا می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنند. برای رفع اين عيب ميکروسکوپهايي به بازار آمده که قادرند در دمای بسيار پايين و از نمونه منجمد تصوير برداری کنند.

 

ميکروسکوپ انتقال الکترونی TEM :

در ميکروسکوپِ SEM الکترون اوليه پس از شليک به سطح نمونه برخورد می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کرد و الکترون ثانويه از همان سطح نمونه خارج می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شد و به سمت صفحه مثبت می‌‌‌‌‌‌‌‌‌رفت و تبديل به سيگنال می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شد. در واقع در آن ميکروسکوپ، نمونه مانند یک آينه عمل می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کرد که الکترون‌‌‌‌‌‌‌‌‌های ثانويه از همان سطحی خارج می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شد که الکترون‌‌‌‌‌‌‌‌‌های اوليه وارد شده بودند (فقط با زاويه متفاوت).

ميکروسکوپهای TEM نيز همانند SEM از تکنيک شليک الکترون‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها به نمونه بهره می‌‌‌‌‌‌‌‌‌برند با اين تفاوت که در ميکروسکوپ انتقال الکترونی (TEM) پروتو الکترون‌‌‌‌‌‌‌‌‌هایی که به نمونه شليک می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شوند، از نمونه عبور می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنند و به یک پرده فسفریِ آشکارساز می‌‌‌‌‌‌‌‌‌خورند تا يک طرح از ساختار نمونه به ما ارايه دهند. به عبارت ساده‌‌‌‌‌‌‌‌‌تر TEM يک نوع پروژکتور نمايش اسلايد در مقياس نانو است.

وضوح و دقت تصاوير گرفته شده توسط ميکروسکوپ انتقال الکترونی از پيمايشگر الکترونی بهتر است اما به سبب گران بودن آن و همچنین سخت‌‌‌‌‌‌‌‌‌تر بودن مراحل آماده سازی نمونه برای قرار گرفتن در زير ميکروسکوپ انتقال الکترونی، بيشتر از SEM استفاده می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود و فقط در مواردی که ساختار بلوری(نحوه قرار گيری اتمها در شبکه بلور) مهم باشد از ميکروسکوپ TEM استفاده می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود.

 

ميکروسکوپ پيمايشگر تونلی STM :

اگر بخواهید از سطح صلبی تصوير برداری کنید که الکتريسيته را عبور می‌‌‌‌‌‌‌‌‌دهد لازم است تا از ميکروسکوپ پيمايشگر تونلی استفاده کنید. اين ميکروسکوپ‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها شباهت زيادی به ميکروسکوپ‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها� � نيروی اتمی (AFM) دارند در اين ميکروسکوپ‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها از نوعی جريان الکتريسته استفاده می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود که زمانی‌‌‌‌‌‌‌‌‌که نوک در مجاورت سطح رسانا و در فاصله یک نانومتری از آن حرکت می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کند، برقرار می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود. در اين زمان جريان شروع به انتقال از سطح به نوک می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کند. توجه داشته باشيد که بين نوک و سطح فاصله وجود دارد و الکترونها از يک سد انرژی عبور می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کنند (به اين فرآيند اصطلاحاً تونل زنی گفته می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود) در حين تونل زنی اگر جريان ثابت باشد تغييرات فاصله نوک تا نمونه اطلاعات سطح را به ما می‌‌‌‌‌‌‌‌‌دهد. اگر هم فاصله نوک و نمونه را ثابت نگه داريم تغييرات جريان تونل زنی اطلاعات سطح را به ما خواهد داد. اينکه از کدم مد يا حالت استفاده کنيم به شرايط نمونه و خواسته‌‌‌‌‌‌‌‌‌های ما ربط دارد. معمولاً در حالتی که سطح نمونه نامنظم باشد از مد جريان ثابت استفاده می‌‌‌‌‌‌‌‌‌شود و زمان بيشتری را به نسبت مد ارتفاع ثابت لازم دارد.

 

ميکروسکوپ‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها و جايزه نوبل

نخستين ميکروسکوپ پيمايشگر الکترونی (SEM) در سال 1942 ميلادی عرضه شدند و شکل امروزی آن اولين بار در سال 1965 ميلادی وارد بازار شدند. ميکروسکوپ پيمايشگر تونلی نيز در سال 1981 در آزمايشگاه تحقيقاتی شرکت IBM اختراع شد و مخترعان STM در سال 1986 همراه با ارنست روسکا که از جوانی روی ميکروسکوپهای الکترونی کار می‌‌‌‌‌‌‌‌‌کرد برنده جايزه نوبل فيزيک شدند.

تلاش‌‌‌‌‌‌‌‌‌های آنزمان دانشمندان برای دسترسی به فضای ريز و مقياس نانو باعث شد تا امروزه فناوری نانو به عنوان يک فناوری مهم و تاثير گذار مورد توجه قرار گيرد.