مسبار ذري

المجهر الأيوني الميداني هو تعديل للمجهر الانبعاثي الميداني، حيث ينبعث تيار من الإلكترونات النفقية من قمة مهبط حاد يشبه الإبرة عند تعريضه لمجال كهربائي عالٍ بما يكفي (حوالي 3-6  فولت/نانومتر). ^{[ 6 ]} تُوجَّه الإبرة نحو شاشة فسفورية لتكوين صورة مُسقطة لدالة الشغل عند قمة المهبط. تقتصر دقة الصورة على (2-2.5  نانومتر) بسبب التأثيرات الكمومية والاختلافات الجانبية في سرعة الإلكترون. ^{[ 7 ]}

في مجهر الأيونات الحقلية، تُبرَّد رأس المسبار بواسطة مادة مبردة، وتُعكس قطبيتها. عند إدخال غاز التصوير (عادةً الهيدروجين أو الهيليوم) بضغوط منخفضة (< 0.1 باسكال)، تتأين أيونات الغاز في المجال الكهربائي العالي عند قمة المسبار ، مما يُنتج صورة مُسقطة للذرات البارزة عند قمة المسبار. تتحدد دقة الصورة بشكل أساسي بدرجة حرارة المسبار، ولكن حتى عند 78 كلفن، يُمكن تحقيق دقة ذرية. ^{[ 8 ]}

كان مسبار الذرات ذو العشرة سنتيمترات ، الذي اخترعه جيه إيه بانيتز عام 1973 ^{[ 9 ]} ، "مسبارًا ذريًا جديدًا وبسيطًا يسمح بتحديد الأنواع بسرعة ودقة، أو التحليل الذري المعتاد الذي توفره المسبارات السابقة... في جهاز لا يتجاوز حجمه لترين، حيث لا حاجة لحركة رأس المسبار، كما تم التغلب على مشكلات استقرار نبضة التبخر والمحاذاة الشائعة في التصاميم السابقة". وقد تحقق ذلك من خلال دمج مطياف الكتلة ذي زمن الطيران (TOF) مع كاشف لوحة ثنائي القنوات ذي تركيز تقاربي،  ومنطقة انجراف بطول 11.8 سنتيمتر، ومجال رؤية بزاوية 38 درجة. ويمكن الحصول على صورة FIM أو صورة امتزاز للذرات المُزالة من قمة رأس باعث المجال. ويُطلق على مسبار الذرات ذو العشرة سنتيمترات اسم " السلف " لمسبارات الذرات اللاحقة، بما في ذلك الأجهزة التجارية. ^{[ 10 ]}

طُوِّر جهاز التصوير الذري (IAP) عام 1974 على يد جيه إيه بانيتز . وقد جمع بين خصائص جهاز التصوير الذري ذي العشرة سنتيمترات، ولكنه "يختلف تمامًا عن فلسفة أجهزة التصوير الذري السابقة. فبدلًا من محاولة تحديد هوية نوع سطحي يُنتج بقعة صورة أيونية مُحددة مسبقًا، نسعى إلى تحديد التوزيع البلوري الكامل لنوع سطحي ذي نسبة كتلة إلى شحنة مُحددة مسبقًا. لنفترض الآن أنه بدلًا من تشغيل الكاشف باستمرار، يتم تشغيله لفترة وجيزة بالتزامن مع وصول نوع مُحدد مسبقًا من خلال تطبيق نبضة بوابة بعد مرور زمن T من وصول نبضة التبخر إلى العينة. إذا كانت مدة نبضة البوابة أقصر من زمن انتقال الأنواع المتجاورة، فسيتم الكشف فقط عن ذلك النوع السطحي ذي زمن الانتقال الفريد T، وسيتم عرض توزيعه البلوري الكامل." ^{[ 11 ]} وقد سُجِّلَت براءة اختراعه عام 1975 تحت اسم مطياف امتزاز المجال . ^{[ 12 ]} صاغ إيه جيه وو مصطلح "مسبار التصوير الذري" عام 1978، ووصف جيه إيه بانيتز الجهاز بالتفصيل في العام نفسه. ^{[ 13 ] [ 14 ]}

تستخدم تقنية التصوير المقطعي الذري الحديثة كاشفًا حساسًا للموقع، يُعرف أيضًا باسم FIM، داخل صندوق لتحديد الموقع الجانبي للذرات. استُلهمت فكرة التصوير المقطعي الذري من براءة اختراع مطياف الامتزاز الميداني لـ JA Panitz ، وطُوِّرت على يد مايك ميلر بدءًا من عام 1983، وتُوِّجت بأول نموذج أولي عام 1986. ^{[ 4 ]} أُجريت تحسينات عديدة على الجهاز، بما في ذلك استخدام كاشف حساس للموقع (PoS) من قِبل ألفريد سيريزو، وتيرينس جودفري، وجورج د. و. سميث في جامعة أكسفورد عام 1988. أما مسبار التصوير المقطعي الذري (TAP)، الذي طوّره باحثون في جامعة روان بفرنسا عام 1993، فقد قدّم نظام توقيت متعدد القنوات ومصفوفة متعددة الأنودات. وقد سوّقت شركتا Oxford Nanoscience و CAMECA كلا الجهازين (PoSAP وTAP) على التوالي. ومنذ ذلك الحين، أُجريت تحسينات كثيرة لزيادة مجال الرؤية، ودقة قياس الكتلة والموقع، ومعدل جمع البيانات للجهاز. طُرح مسبار الذرات ذو القطب المحلي لأول مرة عام 2003 من قِبل شركة إيماجو للأجهزة العلمية. وفي عام 2005، أدى تسويق مسبار الذرات بالليزر النبضي (PLAP) إلى توسيع نطاق البحث من المواد عالية التوصيل (المعادن) إلى المواد ضعيفة التوصيل (أشباه الموصلات مثل السيليكون) وحتى المواد العازلة. ^{[ 15 ]} استحوذت شركة أميتك على شركة كاميكا عام 2007، وعلى شركة إيماجو للأجهزة العلمية (ماديسون، ويسكونسن) عام 2010، لتصبح بذلك المطور التجاري الوحيد لمسبارات الذرات، مع أكثر من 110 أجهزة مثبتة حول العالم عام 2019.

ركزت العقود الأولى من العمل بتقنية التصوير الذري المقطعي (APT) على المعادن. ومع ذلك، مع ظهور أنظمة مسبار الذرات النبضي الليزري، توسعت التطبيقات لتشمل أشباه الموصلات والسيراميك والمواد الجيولوجية، بالإضافة إلى بعض الدراسات على المواد الحيوية. ^{[ 16 ]} وشملت الدراسة الأكثر تقدمًا للمواد البيولوجية حتى الآن باستخدام تقنية APT ^{[ 16 ]} تحليل التركيب الكيميائي لأسنان رادولا الكيتون Chaetopleura apiculata . ^{[ 17 ]} في هذه الدراسة، أظهر استخدام تقنية APT خرائط كيميائية للألياف العضوية في الماغنيتيت النانوي البلوري المحيط بأسنان الكيتون، وهي ألياف غالبًا ما تتواجد مع الصوديوم أو المغنيسيوم . ^{[ 17 ]} وقد تم توسيع نطاق هذه الدراسة لتشمل أنياب الفيلة ، والعاج ^{[ 18 ]} ، ومينا الأسنان البشرية . ^{[ 19 ]}

التبخر الميداني هو تأثير يحدث عندما تتعرض ذرة مرتبطة بسطح مادة ما لمجال كهربائي قوي وموجه بشكل مناسب، حيث يمثل المجال الكهربائي فرق الجهد الكهربائي (الفولتية) بالنسبة للمسافة. بمجرد تحقق هذا الشرط، يكفي أن يكون المجال قادرًا على التغلب على الروابط الموضعية على سطح العينة، مما يسمح بتبخر الذرة من السطح الذي كانت مرتبطة به. ^{[ 20 ]}

سواء تبخرت من المادة نفسها، أو تأينت من الغاز، فإن الأيونات التي تتبخر تتسارع بفعل القوة الكهروستاتيكية، وتكتسب معظم طاقتها في نطاق بضعة أنصاف أقطار طرفية من العينة.

وبالتالي، يتم التحكم في قوة التسارع على أي أيون معين بواسطة المعادلة الكهروستاتيكية، حيث n هي حالة تأين الأيون، و e هي الشحنة الكهربائية الأساسية.

${\displaystyle F=ne\nabla \phi }$

يمكن مساواة ذلك بكتلة الأيون، m ، عبر قانون نيوتن (F=ma):

${\displaystyle ma=q\nabla \phi }$

${\displaystyle a={\frac {q}{m}}\nabla \phi }$

عادة ما يتم تجاهل التأثيرات النسبية في رحلة الأيونات، لأن سرعات الأيونات التي يمكن تحقيقها لا تمثل سوى جزء صغير جدًا من سرعة الضوء.

بافتراض تسارع الأيون خلال فترة قصيرة جدًا، يمكن افتراض أنه يتحرك بسرعة ثابتة. وبما أن الأيون سينتقل من طرف المسبار عند الجهد V1 _إلى جهد أرضي اسمي، يمكن تقدير سرعته من خلال الطاقة المنتقلة إليه أثناء التأين (أو بالقرب منه). لذا، يمكن حساب سرعة الأيون باستخدام المعادلة التالية، التي تربط الطاقة الحركية بالطاقة المكتسبة بفعل المجال الكهربائي، حيث ينشأ السالب من فقدان الإلكترونات مكونًا شحنة موجبة صافية. ^{[ 21 ]}

${\displaystyle E={\frac {1}{2}}mU_{\mathrm {أيون} }^{2}=-neV_{1}}$

حيث U هي سرعة الأيون. وبحل المعادلة لإيجاد قيمة U ، نحصل على العلاقة التالية:

${\displaystyle U={\sqrt {\frac {2neV_{1}}{m}}}}$

لنفترض أنه عند جهد تأين معين، يكتسب أيون الهيدروجين أحادي الشحنة سرعةً مقدارها 1.4 × 10⁶  م/ث ^عند 10 كيلو فولت. في ظل ظروف العينة، يكتسب أيون الديوتيريوم أحادي الشحنة سرعةً تقريبيةً مقدارها 1.4 × 10⁶ / 1.41  م/ث ^. إذا وُضع كاشف على بُعد  متر واحد، فإن أزمنة طيران الأيون ستكون 1 / 1.4 × 10⁶ و 1.41 / 1.4 × 10⁶  ثانية. بالتالي، يمكن استخدام زمن وصول الأيون لتحديد نوعه، إذا عُرف زمن التبخر.

من المعادلة أعلاه، يمكن إعادة ترتيبها لإظهار أن

${\displaystyle {\frac {m}{n}}=-{\frac {2eV_{1}}{U^{2}}}}$

بمعلومية مسافة الطيران F للأيون، وزمن الطيران t،

${\displaystyle U={\frac {f}{t}}}$

وبالتالي يمكن استبدال هذه القيم للحصول على نسبة الكتلة إلى الشحنة للأيون.

${\displaystyle {\frac {m}{n}}=-2eV_{1}\left({\frac {t}{f}}\right)^{2}}$

وبالتالي، بالنسبة لأيون يقطع  مسار طيران بطول متر واحد، خلال فترة زمنية قدرها 2000  نانوثانية، مع جهد تسريع ابتدائي قدره 5000  فولت (الفولت في وحدات السيليكون هو كجم.م².ث⁻³.أمبير⁻¹)، ومع العلم أن وحدة الكتلة الذرية الواحدة تساوي 1×10⁻²⁷ ^كجم  ، فإن نسبة الكتلة إلى الشحنة (أو بالأحرى نسبة الكتلة إلى قيمة التأين) تصبح حوالي 3.86 وحدة كتلة ذرية/شحنة. عدد الإلكترونات المُزالة، وبالتالي صافي الشحنة الموجبة على الأيون، غير معروف بشكل مباشر، ولكن يمكن استنتاجه من الرسم البياني (الطيف) للأيونات المرصودة.

ينتج التكبير في الذرة عن قذف الأيونات شعاعيًا بعيدًا عن الطرف الصغير الحاد. ونتيجة لذلك، في المجال البعيد، تكبر الأيونات بشكل كبير. هذا التكبير كافٍ لملاحظة تغيرات المجال الناتجة عن الذرات الفردية، مما يسمح باستخدام نمطي تصوير الأيونات في المجال وتبخر الأيونات في المجال لتصوير الذرات المفردة.

يعتمد نموذج الإسقاط القياسي لمسبار الذرة على هندسة باعثة تستند إلى دوران مقطع مخروطي ، مثل الكرة أو القطع الزائد أو القطع المكافئ . بالنسبة لهذه النماذج الطرفية، يمكن تقريب حلول المجال أو الحصول عليها تحليليًا. يتناسب التكبير لباعث كروي عكسيًا مع نصف قطر الطرف، وعند الإسقاط مباشرة على شاشة كروية، يمكن الحصول على المعادلة التالية هندسيًا.

${\displaystyle M={\frac {r_{screen}}{r_{tip}}}.}$

حيث يمثل r _screen نصف قطر شاشة الكشف من مركز رأس المجس، و r _tip نصف قطر رأس المجس. قد تتراوح المسافات العملية بين رأس المجس والشاشة من بضعة سنتيمترات إلى عدة أمتار، مع زيادة مساحة الكاشف المطلوبة لتغطية نفس مجال الرؤية .

من الناحية العملية، ستكون القدرة على التكبير قابلة للاستخدام محدودة بسبب عدة تأثيرات، مثل الاهتزاز الجانبي للذرات قبل التبخر.

على الرغم من أن تكبير كل من مجاهر أيون المجال ومجاهر مسبار الذرة مرتفع للغاية، إلا أن التكبير الدقيق يعتمد على الظروف الخاصة بالعينة التي يتم فحصها، لذلك على عكس المجاهر الإلكترونية التقليدية ، غالبًا ما يكون هناك تحكم مباشر ضئيل في التكبير، وعلاوة على ذلك، قد يكون للصور التي تم الحصول عليها تكبيرات متغيرة بشدة بسبب التقلبات في شكل المجال الكهربائي على السطح.

تُعرف عملية التحويل الحسابي لبيانات تسلسل الأيونات، المُستقاة من كاشف حساس للموقع، إلى تمثيل ثلاثي الأبعاد لأنواع الذرات، باسم "إعادة البناء". تعتمد خوارزميات إعادة البناء عادةً على أسس هندسية، ولها عدة صيغ منشورة. تفترض معظم نماذج إعادة البناء أن رأس الكاشف كروي الشكل، وتستخدم تصحيحات تجريبية للإسقاط المجسم لتحويل مواقع الكاشف إلى سطح ثنائي الأبعاد مُضمن في فضاء ثلاثي الأبعاد، R³ ^. من خلال مسح هذا السطح عبر R³ ^كدالة لبيانات إدخال تسلسل الأيونات، كما هو الحال عند ترتيب الأيونات، يتم إنشاء حجم يمكن حساب مواقع الكاشف ثنائية الأبعاد عليه ووضعها في الفضاء ثلاثي الأبعاد.

عادةً ما تتخذ عملية المسح شكلاً بسيطاً يتمثل في تقدم السطح، بحيث يتمدد السطح بشكل متناظر حول محور تقدمه، ويُحدد معدل التقدم بحجم يُنسب إلى كل أيون يتم اكتشافه وتحديده. يؤدي هذا إلى أن يتخذ الحجم المُعاد بناؤه شكلاً مخروطياً مستديراً، يشبه كرة الريشة . وهكذا، تُصبح الأحداث المكتشفة بيانات سحابة نقاط مع قيم مُقاسة تجريبياً، مثل زمن طيران الأيون أو كميات مُستمدة تجريبياً، مثل زمن الطيران أو بيانات الكاشف.

يسمح هذا الشكل من معالجة البيانات بالتصور والتحليل السريع بواسطة الكمبيوتر، حيث يتم عرض البيانات كبيانات سحابة نقطية مع معلومات إضافية، مثل كتلة كل أيون إلى شحنته (كما تم حسابها من معادلة السرعة أعلاه)، أو الجهد أو أي كمية مساعدة أخرى مقاسة أو حسابية منها.

تتميز بيانات مسبار الذرات بدقة مكانية عالية في اتجاه المادة، ويعزى ذلك إلى تسلسل تبخر منظم. وبذلك، يمكن لهذه البيانات تصوير واجهات مدفونة حادة على المستوى الذري تقريبًا، مع المعلومات الكيميائية المرتبطة بها.

مع ذلك، لا تخلو البيانات المُستقاة من عملية التبخير من شوائب ناتجة عن عملية التبخير أو التأين الفيزيائية. ومن السمات الرئيسية لصور التبخير أو صور أيونات المجال عدم تجانس كثافة البيانات بشكل كبير، نتيجةً لتموج سطح العينة على المستوى الذري. يُؤدي هذا التموج إلى تدرجات قوية في المجال الكهربائي في المنطقة القريبة من طرف العينة (في حدود نصف قطر ذري أو أقل من الطرف)، مما يُؤدي أثناء التأين إلى انحراف الأيونات بعيدًا عن العمودي على المجال الكهربائي.

يؤدي الانحراف الناتج إلى إخفاء المدرجات الذرية في هذه المناطق ذات الانحناء العالي، وذلك بسبب تباين قوي في كثافة الكشف. ويُشار عادةً إلى المنطقة التي يحدث فيها هذا التباين نتيجة وجود عدد قليل من الذرات على السطح باسم "القطب"، حيث تتطابق هذه الذرات مع المحاور البلورية للعينة ( FCC ، BCC ، HCP، إلخ). وعندما تتسبب حواف المدرج الذري في حدوث انحراف، يتشكل خط منخفض الكثافة يُسمى "خط المنطقة".

تُعد هذه الأقطاب وخطوط المناطق، على الرغم من أنها تُحدث تقلبات في كثافة البيانات في مجموعات البيانات المعاد بناؤها، والتي يمكن أن تُسبب مشاكل أثناء التحليل اللاحق، بالغة الأهمية لتحديد معلومات مثل التكبير الزاوي، حيث أن العلاقات البلورية بين الميزات معروفة جيدًا عادةً.

عند إعادة بناء البيانات، وبسبب تبخر طبقات متتالية من المادة من العينة، تكون قيم إعادة البناء الجانبية والعميقة شديدة التباين. لذا، فإن تحديد الدقة الدقيقة للجهاز محدود الفائدة، لأن دقة الجهاز تتحدد بالخصائص الفيزيائية للمادة قيد التحليل.

كحد أدنى، سيتكون مسبار الذرات من عدة قطع أساسية من المعدات.

• نظام فراغ للحفاظ على الضغوط المنخفضة (~10 ⁻⁸ إلى 10 ⁻¹⁰  باسكال) المطلوبة، وعادة ما يكون تصميمًا كلاسيكيًا من 3 حجرات UHV.
• نظام لمعالجة العينات داخل الفراغ، بما في ذلك أنظمة عرض العينات.
• نظام تبريد لتقليل الحركة الذرية، مثل دائرة تبريد الهيليوم - مما يوفر درجات حرارة للعينات تصل إلى 15 كلفن.
• نظام جهد عالي لرفع جهد العينة الثابت بالقرب من عتبة التبخر الميداني.
• نظام نبضي عالي الجهد، يُستخدم لإنشاء أحداث تبخر حقلية موقوتة
• قطب مضاد قد يكون على شكل قرص بسيط (مثل مجسات الذرات من الجيل السابق)، أو قطب موضعي مخروطي الشكل. عادةً ما يتم تطبيق نبضة الجهد (السالبة) على القطب المضاد.
• نظام كشف للأيونات النشطة المفردة يتضمن معلومات عن موضع XY ووقت الطيران.

يمكن أن يشتمل مسبار الذرات، اختيارياً، على أنظمة ليزرية بصرية لتوجيه شعاع الليزر ونبضه، في حال استخدام طرق التبخير بالليزر. كما يمكن استخدام أنظمة التفاعل الموضعي، أو السخانات، أو معالجة البلازما في بعض الدراسات، بالإضافة إلى إدخال غاز نبيل نقي في تقنية FIM.

كانت أحجام الأيونات القابلة للجمع محدودة سابقًا ببضعة آلاف أو عشرات الآلاف من الأحداث الأيونية. وقد أدى التطور اللاحق في الإلكترونيات والأجهزة إلى زيادة معدل تراكم البيانات، حيث وصلت مجموعات البيانات إلى مئات الملايين من الذرات (أحجام مجموعات البيانات 10⁷ ^{نانومتر}  مكعب ⁾ . وتختلف أوقات جمع البيانات اختلافًا كبيرًا تبعًا للظروف التجريبية وعدد الأيونات المجمعة. وتستغرق التجارب من بضع دقائق إلى عدة ساعات لإتمامها.

يُستخدم مسبار الذرات عادةً في التحليل الكيميائي لأنظمة السبائك على المستوى الذري. وقد نشأ هذا الاستخدام نتيجةً لقدرة مسابير الذرات النبضية على توفير معلومات كيميائية دقيقة ومعلومات مكانية كافية لهذه المواد. ويمكن تصنيع عينات معدنية من سبائك ذات حبيبات كبيرة بسهولة، لا سيما من عينات الأسلاك، حيث تُعطي تقنيات التلميع الكهربائي اليدوي نتائج جيدة.

وفي وقت لاحق، تم استخدام مسبار الذرات في تحليل التركيب الكيميائي لمجموعة واسعة من السبائك.

تُعدّ هذه البيانات بالغة الأهمية لتحديد تأثير مكونات السبيكة في المادة الصلبة، وتحديد خصائص تفاعلات الحالة الصلبة، مثل رواسب الطور الصلب. وقد لا يكون من الممكن تحليل هذه المعلومات بوسائل أخرى (مثل المجهر الإلكتروني النافذ ) نظرًا لصعوبة إنشاء مجموعة بيانات ثلاثية الأبعاد تتضمن التركيب.

غالباً ما تكون المواد شبه الموصلة قابلة للتحليل في مسبار الذرات، ومع ذلك قد يكون تحضير العينة أكثر صعوبة، وقد يكون تفسير النتائج أكثر تعقيداً، خاصة إذا كان شبه الموصل يحتوي على أطوار تتبخر عند شدة المجال الكهربائي المختلفة.

يمكن استخدام تطبيقات مثل زرع الأيونات لتحديد توزيع الشوائب داخل مادة شبه موصلة، وهو أمر بالغ الأهمية بشكل متزايد في التصميم الصحيح للإلكترونيات الحديثة على مقياس النانومتر.