المجهر الماسح للمسبار

المجهر الماسح المسباري ( SPM ) هو فرع من فروع المجهر يُستخدم لتصوير الأسطح باستخدام مسبار مادي يمسح العينة. تأسس هذا النوع من المجهر عام ١٩٨١، مع اختراع المجهر النفقي الماسح ، وهو أداة لتصوير الأسطح على المستوى الذري. أجرى جيرد بينيج وهينريش روهرر أول تجربة ناجحة باستخدام المجهر النفقي الماسح . وكان سر نجاحهما استخدام حلقة تغذية راجعة لتنظيم المسافة بين العينة والمسبار. ^{[ ١ ]}

تستطيع العديد من مجاهر المسح المجهري تصوير عدة تفاعلات في آن واحد. وتُسمى طريقة استخدام هذه التفاعلات للحصول على صورة عموماً بالنمط.

تختلف دقة القياس نوعًا ما من تقنية لأخرى، لكن بعض تقنيات التحليل تصل إلى دقة ذرية مذهلة. ^{[ 2 ]} ويعود ذلك في الغالب إلى قدرة المحركات الكهروإجهادية على تنفيذ الحركات بدقة متناهية على المستوى الذري أو أفضل منه، وذلك بأمر إلكتروني. ويمكن تسمية هذه المجموعة من التقنيات بـ"التقنيات الكهروإجهادية". أما القاسم المشترك الآخر فهو أن البيانات تُجمع عادةً على شكل شبكة ثنائية الأبعاد من نقاط البيانات، وتُعرض بألوان زائفة كصورة حاسوبية.

• AFM، المجهر ذو القوة الذرية ^{[ 3 ]}
  • اتصل بـ AFM
  • المجهر الذري بدون تلامس
  • مجهر القوة الذرية ذو التلامس الديناميكي
  • النقر على مجهر القوة الذرية
  • AFM-IR
  • مجهر القوة الكيميائية (CFM)
  • C-AFM، المجهر الذري الموصل ^{[ 4 ]}
  • EFM، مجهر القوة الكهروستاتيكية ^{[ 5 ]}
  • KPFM، مجهر قوة مسبار كلفن ^{[ 6 ]}
  • مجهر معاوقة الميكروويف (MIM)
  • MFM، المجهر المغناطيسي للقوة ^{[ 7 ]}
  • PFM، مجهر قوة الاستجابة الكهروإجهادية ^{[ 8 ]}
  • PTMS، مطيافية المجهر الضوئي الحراري / المجهر
  • SCM، مجهر المسح السعوي ^{[ 9 ]}
  • SGM، مجهر المسح الضوئي ^{[ 10 ]}
  • SQDM، مجهر النقاط الكمومية الماسحة ^{[ 11 ]}
  • SVM، مجهر المسح الضوئي للجهد ^{[ 12 ]}
  • FMM، مجهر تعديل القوة ^{[ 13 ]}
  • TAFM، التصوير المقطعي بالقوة الذرية ^{[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]}
• STM، المجهر النفقي الماسح ^{[ 17 ]}
  • BEEM، مجهر انبعاث الإلكترون الباليستي ^{[ 18 ]}
  • المجهر النفقي الكهروكيميائي الماسح ECSTM ^{[ 19 ]}
  • SHPM، مجهر مسح مسبار هول ^{[ 20 ]}
  • SPSM المجهر النفقي الماسح المستقطب بالدوران ^{[ 21 ]}
  • PSTM، مجهر المسح النفقي الضوئي ^{[ 22 ]}
  • STP، قياس الجهد النفقي الماسح ^{[ 23 ]}
  • SXSTM، مجهر المسح النفقي بالأشعة السينية السنكروترونية ^{[ 24 ]}
• SPE، الكيمياء الكهربائية باستخدام المسبار الماسح
  • المجهر الكهروكيميائي الماسح (SECM)
  • SICM، مجهر التوصيل الأيوني الماسح ^{[ 25 ]}
  • تقنية المسح الضوئي باستخدام الأقطاب الكهربائية المهتزة (SVET)
  • SKP، مسبار كلفن الماسح
  • SECCM، المجهر الكهروكيميائي الماسح ^{[ 26 ]}
• FluidFM، مجهر القوة السائلة ^{[ 27 ]}
• FOSPM، مجهر المسح المجهري الموجه نحو الميزات
• MRFM، مجهر قوة الرنين المغناطيسي ^{[ 28 ]}
• NSOM، المجهر الضوئي الماسح للمجال القريب (أو SNOM، المجهر الضوئي الماسح للمجال القريب) ^{[ 29 ]}
  • تقنية التحليل الطيفي النانوي FTIR، وتقنية التحليل الطيفي النانوي واسع النطاق القائمة على SNOM ^{[ 30 ]}
• SSM، مجهر المسح الضوئي SQUID
• SSRM، مجهر مقاومة الانتشار الماسح ^{[ 31 ]}
• SThM، المجهر الحراري الماسح ^{[ 32 ]}
• مجهر الترانزستور الإلكتروني المفرد الماسح SSET ^{[ 33 ]}
• STIM، المجهر الحراري الأيوني الماسح ^{[ 34 ] [ 35 ]}
• CGM، مجهر تدرج الشحنة ^{[ 36 ] [ 37 ]}
• SRPM، مجهر المسح المقاوم ^{[ 38 ]}

لتكوين الصور، تقوم مجاهر المسح المجهري بمسح سطح المادة باستخدام طرف المسبار. عند نقاط محددة في المسح، تُسجل قيمة (تعتمد هذه القيمة على نوع المجهر وطريقة التشغيل، انظر أدناه). تُعرض هذه القيم المسجلة على شكل خريطة حرارية لإنتاج صور المجهر النفقي الماسح النهائية، عادةً باستخدام مقياس ألوان أبيض وأسود أو برتقالي.

تعتمد طبيعة رأس مسبار المجهر الماسح النفقي (SPM ) كلياً على نوع المجهر المستخدم. ويتكون تصوير المجهر الماسح النفقي من مزيج شكل الرأس وتضاريس العينة. ^{[ 41 ]} ومع ذلك، توجد بعض الخصائص المشتركة بين جميع أنواع المجاهر الماسحة النفقية، أو على الأقل معظمها.

الأهم من ذلك كله، يجب أن يكون للمسبار رأس حاد للغاية. يحدد رأس المسبار دقة المجهر، فكلما كان المسبار أكثر حدة، كانت الدقة أفضل. وللحصول على تصوير بدقة ذرية، يجب أن ينتهي المسبار بذرة واحدة. ^{[ 42 ]}

في العديد من مجاهر المسح النفقي (SPM) القائمة على الناتئ (مثل مجهر القوة الذرية AFM ومجهر القوة المغناطيسية MFM )، يُصنع الناتئ والمسبار المدمج بالكامل باستخدام تقنية الحفر الحمضي ^{[ 43 ]} ، وعادةً ما يكون ذلك من نتريد السيليكون. أما المجسات الموصلة، اللازمة لمجاهر المسح النفقي STM و SCM وغيرها، فتُصنع عادةً من أسلاك البلاتين/الإيريديوم للعمليات في الظروف العادية، أو من التنجستن للعمليات في ظروف الفراغ العالي جدًا (UHV) . تُستخدم مواد أخرى مثل الذهب أحيانًا لأسباب خاصة بالعينات أو عند دمج مجهر المسح النفقي مع تجارب أخرى مثل مطيافية رامان المحسّنة بالسطح (TERS ). تُقطع مجسات البلاتين/الإيريديوم (وغيرها من المجسات المستخدمة في الظروف العادية) عادةً باستخدام قواطع أسلاك حادة، وتتمثل الطريقة المثلى في قطع السلك حتى منتصفه تقريبًا ثم سحبه لقطع الجزء المتبقي منه، مما يزيد من احتمالية إنهاء التوصيل بذرة واحدة. أما أسلاك التنجستن، فتُحفر عادةً كيميائيًا كهربائيًا، وبعد ذلك، يلزم إزالة طبقة الأكسيد بمجرد وضع طرف المسبار في ظروف الفراغ العالي جدًا.

ليس من النادر أن لا تُنتج مجسات المجهر الماسح النفقي (سواءً كانت جاهزة أو مُصنّعة محليًا) صورًا بالدقة المطلوبة. قد يحدث هذا إذا كانت رأس المجس غير حادة أو إذا كان للمجس أكثر من رأس، مما قد يؤدي إلى صور مزدوجة أو صور شبحية. بالنسبة لبعض المجسات، يُمكن تعديل رأس المجس في الموقع ، ويتم ذلك عادةً إما بضرب رأس المجس بالسطح أو بتطبيق مجال كهربائي قوي. يتحقق الأخير بتطبيق جهد انحياز (في حدود 10 فولت) بين رأس المجس والعينة، وبما أن هذه المسافة عادةً ما تكون بين 1 و3 أنغستروم ، يتولد مجال قوي جدًا.

يتيح الربط الإضافي لنقطة كمومية برأس مسبار موصل تصوير الجهد السطحي بدقة جانبية عالية، وهو ما يُعرف بمجهر النقاط الكمومية الماسح .

لا يحدّ حيود الأشعة السينية دقة هذه المجاهر ، بل حجم منطقة التفاعل بين المجس والعينة (أي دالة انتشار النقطة )، والتي قد تصل إلى بضعة بيكومترات . ولذلك، فإن القدرة على قياس الفروق الموضعية الصغيرة في ارتفاع الجسم (مثل تلك التي تبلغ 135 بيكومتر على السيليكون <100>) لا مثيل لها. ويمتد التفاعل بين المجس والعينة جانبيًا عبر ذرة أو ذرات رأس المجس المشاركة في التفاعل فقط.

يمكن استخدام هذا التفاعل لتعديل العينة لإنشاء هياكل صغيرة ( طباعة الليثوغرافيا باستخدام مسبار المسح ).

بخلاف طرق المجهر الإلكتروني، لا تتطلب العينات فراغًا جزئيًا ولكن يمكن ملاحظتها في الهواء عند درجة الحرارة والضغط القياسيين أو أثناء غمرها في وعاء تفاعل سائل.

يصعب أحيانًا تحديد الشكل الدقيق لرأس الماسح الضوئي. ويكون تأثيره على البيانات الناتجة ملحوظًا بشكل خاص إذا كان ارتفاع العينة يختلف اختلافًا كبيرًا على مسافات جانبية تبلغ 10  نانومتر أو أقل.

تتسم تقنيات المسح الضوئي عمومًا ببطء عملية التقاط الصور، نظرًا لطبيعة عملية المسح نفسها. ونتيجةً لذلك، تُبذل جهود حثيثة لتحسين سرعة المسح بشكل كبير. وكما هو الحال في جميع تقنيات المسح الضوئي، فإن تضمين المعلومات المكانية في تسلسل زمني يُؤدي إلى ظهور بعض أوجه عدم اليقين في القياسات، مثل قياس المسافات الجانبية والزوايا، والتي تنشأ بسبب تأثيرات المجال الزمني كالانحراف في العينة، وتذبذبات حلقة التغذية الراجعة، والاهتزازات الميكانيكية.

يكون الحد الأقصى لحجم الصورة أصغر بشكل عام.

غالباً ما يكون المجهر الماسح للمسبار غير مفيد لفحص الواجهات الصلبة-الصلبة أو السائلة-السائلة المدفونة.

يمكن اعتبار مجهر التيار الضوئي الماسح أحد أنواع مجاهر المسح المجهري (SPM). ويكمن الفرق بينه وبين تقنيات SPM الأخرى في أنه يستخدم شعاع ليزر مركز كمصدر إثارة موضعي بدلاً من طرف المسبار. ^{[ 44 ]}

يُعدّ توصيف وتحليل السلوك البصري للمواد، المُقاس مكانيًا، أمرًا بالغ الأهمية في صناعة الإلكترونيات الضوئية. ببساطة، يتضمن ذلك دراسة كيفية تغير خصائص المادة عبر سطحها أو بنيتها الداخلية. توفر التقنيات التي تُمكّن من إجراء قياسات إلكترونية ضوئية مُقاسة مكانيًا رؤى قيّمة لتحسين الأداء البصري. وقد برز المجهر الإلكتروني الماسح الضوئي كتقنية فعّالة لدراسة الخصائص الإلكترونية الضوئية المُقاسة مكانيًا في هياكل أشباه الموصلات النانوية.

مبدأ

في مجهر التيار الضوئي الماسح، يُستخدم شعاع ليزر مُركّز لإثارة المادة شبه الموصلة، مُنتجًا إكسيتونات (أزواج إلكترون-فجوة). تخضع هذه الإكسيتونات لآليات مختلفة، وإذا تمكنت من الوصول إلى الأقطاب الكهربائية المجاورة قبل حدوث إعادة التركيب، يتولد تيار ضوئي. يعتمد هذا التيار الضوئي على الموقع، حيث يقوم بمسح الجهاز بشكل نقطي.

في جميع الحالات، وعلى عكس المجاهر الضوئية، يُعدّ برنامج معالجة الصور ضروريًا لإنتاج الصور. يتم إنتاج هذا البرنامج وتضمينه في الأجهزة من قِبل الشركات المصنعة، كما يتوفر أيضًا كملحق من قِبل مجموعات عمل أو شركات متخصصة.

الحزم الرئيسية المستخدمة هي برامج مجانية: Gwyddion و WSxM (تم تطويرها بواسطة Nanotec) وبرامج تجارية: SPIP (تم تطويرها بواسطة Image Metrology ) و FemtoScan Online (تم تطويرها بواسطة Advanced Technologies Center ) و MountainsMap SPM (تم تطويرها بواسطة Digital Surf ) و TopoStitch (تم تطويرها بواسطة Image Metrology ).

• مجهر المسح المجهري - شرح متحرك لآلية عمله الداخلية WeCanFigureThisOut.org
• مجهر المسح المجهري - شرح متحرك لبلوراته الكهروإجهادية WeCanFigureThisOut.org