المجهر الكمومي الماسح

📅 آخر تحديث: ٣١ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٣١ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 19 صور
الموسوعة الحرة

يُعدّ مجهر النقاط الكمومية الماسح (SQDM) أحد أنواع مجاهر المسح المجهري (SPM) المستخدمة لتصوير توزيعات الجهد الكهربائي على المستوى النانوي على الأسطح. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] تعتمد هذه الطريقة على قياس تغيرات جهد السطح من خلال تأثيرها على جهد نقطة كمومية (QD) متصلة برأس المسبار الممسوح. يُتيح SQDM، على سبيل المثال، قياس ثنائيات الأقطاب السطحية الناتجة عن الذرات الممتزة ، أو الجزيئات ، أو البنى النانوية . يُوفّر هذا فهمًا أعمق لآليات السطح والواجهة، مثل إعادة البناء أو الاسترخاء، والتشوه الميكانيكي، وانتقال الشحنة ، والتفاعل الكيميائي . كما يُعدّ قياس توزيعات الجهد الكهربائي ذا أهمية بالغة في توصيف أجهزة أشباه الموصلات العضوية وغير العضوية التي تحتوي على طبقات ثنائية الأقطاب الكهربائية عند الواجهات ذات الصلة . تتراوح المسافة بين المجس والسطح في تقنية SQDM من 2  نانومتر [ 1 ] [ 3 ] إلى 10  نانومتر [ 2 ] ، مما يسمح بالتصوير على الأسطح غير المستوية، أو على سبيل المثال، للجزيئات الحيوية ذات البنية ثلاثية الأبعاد المميزة. ومن تقنيات التصوير ذات الصلة مجهر قوة مجس كلفن (KPFM) ومجهر القوة الكهروستاتيكية (EFM).

مبدأ العمل

في SQDM، تُوصف العلاقة بين الجهد عند النقطة الكمومية والجهد السطحي (الكمية محل الاهتمام) بمسألة قيمة حدية في الكهروستاتيكا.S{\displaystyle {\mathcal {S}}}يُعطى الجهد بواسطة سطحي العينة والمسبار المفترض اتصالهما عند اللانهاية. عندئذٍ، يكون الجهدΦكيو دي=Φ(ر){\displaystyle \Phi _{\text{QD}}=\Phi (\mathbf {r} )}من نقطة كمومية عندر{\displaystyle \mathbf {r} }يمكن التعبير عنها باستخدام صيغة دالة غرين كمجموع على تكاملات الحجم والسطح، [ 5 ] حيثV{\displaystyle {\mathcal {V}}}يشير إلى الحجم المحصور بواسطةS{\displaystyle {\mathcal {S}}}ون′{\displaystyle \mathbf {n} '}هو العمودي على السطح.

Φكيو دي=Φ(ر)=∭Vجي(ر،ر′)ρ(ر′)هـد3ر′+ϵ0هـ∮S[جي(ر،ر′)∂Φ(ر′)∂ن′-Φ(ر′)∂جي(ر،ر′)∂ن′]د2ر′.{\displaystyle \Phi _{\text{QD}}=\Phi (\mathbf {r} )=\iiint \limits _{\mathcal {V}}G(\mathbf {r} ,\mathbf {r} '){\frac {\rho (\mathbf {r} ')}{e}}d^{3}\mathbf {r} '+{\frac {\epsilon _ {0}}{e}}\oint \limits _{\mathcal {S}}{\bigg [}G(\mathbf {r} ,\mathbf {r} '){\frac {\partial \Phi (\mathbf {r} ')}{\partial \mathbf {n} '}}-\Phi (\mathbf {r} '){\frac {\جزئي G(\mathbf {ص} ,\mathbf {r} ')}{\partial \mathbf {n} '}}{\bigg ]}d^{2}\mathbf {r} '.}

في هذا التعبير،Φكيو دي{\displaystyle \Phi _{\text{QD}}}يعتمد على كثافة الشحنةρ{\displaystyle \rho }داخلV{\displaystyle {\mathcal {V}}}وعلى الإمكاناتΦ{\displaystyle \Phi }علىS{\displaystyle {\mathcal {S}}}مرجحة بواسطة دالة غرين

يتم وصف العلاقة بين جهد النقطة الكمومية عند r وجهد السطح عند r' بواسطة مسألة القيمة الحدية للإلكتروستاتيكا.

جي(ر،ر′)=هـ4πϵ0|ر-ر′|+F(ر،ر′)،{\displaystyle G(\mathbf {r} ,\mathbf {r} ')={\frac {e}{4\pi \epsilon _{0}|\mathbf {r} -\mathbf {r} '|}}+F(\mathbf {r} ,\mathbf {r} '),}

أينF{\displaystyle F}يحقق معادلة لابلاس .

عن طريق التحديدF{\displaystyle F}وبالتالي، من خلال تحديد الشروط الحدية ، يمكن استخدام هذه المعادلات للحصول على العلاقة بينΦكيو دي{\displaystyle \Phi _{\text{QD}}}والجهد السطحيΦs(ر′)،ر′∈S{\displaystyle \Phi _{\text{s}}(\mathbf {r} '),\quad \mathbf {r} '\in {\mathcal {S}}}لحالات قياس أكثر تحديدًا. تم وصف الجمع بين مسبار موصل وسطح موصل، وهي حالة تتميز بشروط حدودية من نوع ديريشليه ، بالتفصيل. [ 4 ]

من الناحية المفاهيمية، العلاقة بينΦكيو دي(ر){\displaystyle \Phi _{\text{QD}}(\mathbf {r} )}وΦs(ر′){\displaystyle \Phi _{\text{s}}(\mathbf {r} ')}تربط هذه التقنية البيانات الموجودة في مستوى التصوير، والتي يتم الحصول عليها عن طريق قراءة جهد النقطة الكمومية، بالبيانات الموجودة على سطح الجسم - جهد السطح. إذا تم تقريب سطح العينة على أنه مسطح محليًا، فإن العلاقة بينΦكيو دي(ر){\displaystyle \Phi _{\text{QD}}(\mathbf {r} )}وΦs(ر′){\displaystyle \Phi _{\text{s}}(\mathbf {r} ')}وبالتالي، وبما أن هذه الطريقة ثابتة تحت الإزاحة، فإن استعادة معلومات سطح الجسم من معلومات مستوى التصوير هي عملية فك التفاف باستخدام دالة انتشار نقطية تُحدد بواسطة مسألة القيمة الحدية. في حالة الحدود الموصلة، يؤدي الحجب المتبادل لجهود السطح بواسطة رأس المجس والسطح إلى انخفاض أُسّي في دالة الانتشار النقطية. [ 4 ] [ 6 ] وهذا ما يُفسر الدقة الجانبية العالية للغاية لتقنية SQDM عند المسافات الكبيرة بين رأس المجس والسطح، مقارنةً، على سبيل المثال، بتقنية KPFM. [ 3 ]

التطبيق العملي

تم الإبلاغ عن طريقتين للحصول على معلومات مستوى التصوير، أي التغيرات في جهد النقاط الكموميةΦكيو دي(ر){\displaystyle \Phi _{\text{QD}}(\mathbf {r} )}أثناء مسح السطح بالمسبار. في تقنية التعويض،Φكيو دي{\displaystyle \Phi _{\text{QD}}}يتم تثبيتها عند قيمة ثابتةΦكيو دي0{\displaystyle \Phi _{\text{QD}}^{0}}تأثير تغيرات الجهد السطحي الجانبية علىΦكيو دي{\displaystyle \Phi _{\text{QD}}}يتم تعويض ذلك بشكل فعال عن طريق ضبط جهد العينة العالمي باستمرار عبر جهد انحياز خارجيVب{\displaystyle V_{\text{b}}}[ 1 ] [ 7 ]​Φكيو دي0{\displaystyle \Phi _{\text{QD}}^{0}}يتم اختيارها بحيث تتطابق مع انتقال منفصل لحالة شحنة QD ويتم استخدام التغيير المقابل في قوة المسبار والعينة في مجهر القوة الذرية غير التلامسي [ 8 ] [ 9 ] للتحقق من التعويض الصحيح.

في طريقة بديلة، يتم تحديد المركبة الرأسية للمجال الكهربائي عند موضع النقطة الكمومية عن طريق قياس انزياح الطاقة لانتقال بصري محدد في النقطة الكمومية [ 2 ] [ 10 ] ، والذي يحدث نتيجة لتأثير ستارك . تتطلب هذه الطريقة إعدادًا بصريًا إضافيًا إلى جانب إعداد مجهر المسح النفقي.

صورة مستوى الجسمΦs(ر′){\displaystyle \Phi _{\text{s}}(\mathbf {r} ')}يمكن تفسير ذلك على أنه تغير في دالة الشغل ، أو جهد السطح، أو كثافة ثنائي القطب السطحي. وتُعطى معادلة هيلمهولتز تكافؤ هذه الكميات . وفي إطار تفسير كثافة ثنائي القطب السطحي، يمكن الحصول على ثنائيات الأقطاب السطحية للبنى النانوية الفردية عن طريق التكامل على مساحة سطح كبيرة بما فيه الكفاية.

معلومات طبوغرافية من SQDM

في تقنية التعويض، تأثير جهد العينة العالميVب{\displaystyle V_{\text{b}}}علىΦكيو دي{\displaystyle \Phi _{\text{QD}}}يعتمد ذلك على شكل سطح العينة بطريقة تحددها مسألة القيمة الحدية المقابلة. على سطح غير مستوٍ، تحدث تغيرات فيΦكيو دي{\displaystyle \Phi _{\text{QD}}}وبالتالي لا يمكن إسنادها بشكل فريد إما إلى تغير في جهد السطح أو في تضاريس السطحتد{\displaystyle t_{\text{d}}}إذا تم تتبع انتقال حالة شحنة واحدة فقط. على سبيل المثال، يؤثر بروز في السطح على جهد النقطة الكمومية نظرًا للبوابة بواسطةVب{\displaystyle V_{\text{b}}}يعمل بشكل أكثر كفاءة إذا وُضعت النقطة الكمومية فوق النتوء. إذا استُخدمت انتقالاتان في تقنية التعويض، فإن مساهمات تضاريس السطحتد{\displaystyle t_{\text{d}}}والإمكاناتΦs{\displaystyle \Phi _{\text{s}}}يمكن فصل الكميتين والحصول عليهما بشكل قاطع. المعلومات الطبوغرافية التي يتم الحصول عليها عبر تقنية التعويض هي طبوغرافيا عازلة فعالة ذات طبيعة معدنية، تُحدد من خلال الطبوغرافيا الهندسية والخصائص العازلة لسطح العينة أو البنية النانوية.

مراجع

  1. 1 2 3 فاغنر، كريستيان؛ غرين، ماثيو إف بي؛ لاينن، فيليب؛ ديلمان، ثورستن؛ كروغر، بيتر؛ رولفينغ، مايكل؛ تيميروف، روسلان؛ تاوتز، إف. ستيفان (2015-07-06). "مجهر النقاط الكمومية الماسح". رسائل المراجعة الفيزيائية . 115 (2) 026101. arXiv : 1503.07738 . Bibcode : 2015PhRvL.115b6101W . doi : 10.1103/ PhysRevLett.115.026101 . ISSN 0031-9007 . PMID 26207484. S2CID 1720328 .   
  2. 1 2 3 كاديدو، د.؛ مونش، م.؛ روسي، ن.؛ جيرار، ج.-م.؛ كلودون، ج.؛ واربورتون، ر.ج.؛ بوجيو، م. (29-09-2017). "استشعار المجال الكهربائي باستخدام نقطة كمومية ماسحة ضوئية موصولة بألياف". مجلة Physical Review Applied . 8 (3) 031002. arXiv : 1705.03358 . Bibcode : 2017PhRvP...8c1002C . doi : 10.1103/PhysRevApplied.8.031002 . ISSN 2331-7019 . S2CID 55186378 .  
  3. 1 2 3 فاغنر، كريستيان؛ غرين، ماثيو. إف بي؛ مايورم، مايكل؛ لاينن، فيليب؛ إيسات، تانر؛ فيري، نيكولا؛ فريدريش، نيكلاس؛ فينديزن، رولف؛ تكاتشينكو، ألكسندر؛ تيميروف، روسلان؛ تاوتز، إف. ستيفان (أغسطس 2019). "التصوير الكمي لجهود السطح الكهربائية بحساسية الذرة المفردة" . نيتشر ماتيريالز . 18 (8): 853-859 . Bibcode : 2019NatMa..18..853W . doi : 10.1038/ s41563-019-0382-8 . ISSN 1476-1122 . PMC 6656579. PMID 31182779 .   
  4. 1 2 3 فاغنر، كريستيان؛ تاوتز، ف. ستيفان (27-11-2019). "نظرية مجهر النقاط الكمومية الماسحة". مجلة الفيزياء: المادة المكثفة . 31 (47): 475901. arXiv : 1905.06153 . Bibcode : 2019JPCM...31U5901W . doi : 10.1088/1361-648X/ab2d09 . ISSN: 0953-8984 . PMID: 31242473. S2CID : 155093213 .   
  5. ↑ جاكسون، جون ديفيد (1999). الديناميكا الكهربائية الكلاسيكية . نيويورك: وايلي. ISBN 978-0-471-30932-1.
  6. ↑ بامبلين، جون (يوليو 1969). "تطبيق تحويل سومرفيلد-واتسون على مسألة في الكهروستاتيكا". المجلة الأمريكية للفيزياء . 37 (7): 737-739 . Bibcode : 1969AmJPh..37..737P . doi : 10.1119 /1.1975793 . ISSN 0002-9505 . OSTI 1444624. S2CID 16826555 .   
  7. ↑ مايورم، مايكل؛ فاغنر، كريستيان؛ تيميروف، روسلان؛ تاوتز، ف. ستيفان؛ فينديزن، رولف (يونيو 2018). "التحكم بدرجتي حرية يجمع بين التعلم الآلي والبحث عن القيم القصوى من أجل مجهر النقاط الكمومية سريع المسح". المؤتمر الأمريكي السنوي للتحكم 2018 (ACC) . ميلووكي، ويسكونسن، الولايات المتحدة الأمريكية: IEEE. الصفحات 4360-4366 . doi : 10.23919/ACC.2018.8431022 . ISBN  978-1-5386-5428-6. S2CID 52022668 . 
  8. ↑ وودسايد، مونتانا (10 مايو 2002). "التصوير المجهري لحالات شحنة الإلكترون المفرد في النقاط الكمومية للأنابيب النانوية". مجلة ساينس . 296 (5570): 1098-1101 . رمز Bibcode : 2002Sci...296.1098W . doi : 10.1126/science.1069923 . PMID: 12004123. S2CID : 15349675 .  
  9. ↑ ستومب، رومان؛ مياهارا، يويتشي؛ شير، ساشا؛ صن، تشينغفنغ؛ غو، هونغ؛ غروتر، بيتر؛ ستودينيكين، سيرجي؛ بول، فيليب؛ ساشراجدا، آندي (8 فبراير 2005). "الكشف عن شحن الإلكترون المفرد في نقطة كمومية فردية من إنديوم أرسينيد باستخدام مجهر القوة الذرية غير التلامسي". رسائل المراجعة الفيزيائية . 94 (5) 056802. arXiv : cond-mat/0501272 . Bibcode : 2005PhRvL..94e6802S . doi : 10.1103/PhysRevLett.94.056802 . ISSN 0031-9007 . PMID 15783674 . S2CID 207182 .   
  10. ↑ لي، جون هي؛ تالاريدا، نيكولاس؛ تشين، شينغ؛ جنسن، لاس؛ أبكاريان، ف. آرا (يونيو 2018). "المجهر باستخدام مقياس كهربائي ماسح أحادي الجزيء" . مجلة ساينس أدفانسز . 4 (6) eaat5472. رمز Bibcode : 2018SciA....4.5472L . doi : 10.1126 / sciadv.aat5472 . ISSN 2375-2548 . PMC 6025905. PMID 29963637 .