میکروسکوپ تونلی روبشی (STM)
میکروسکوپ تونلی روبشی (STM) از اولین میکروسکوپ‌هایی است که توانست تصاویری با دقت اتمی از سطوح مواد تهیه نماید و سازندگان آن به واسطه این اختراع جایزه نوبل را دریافت کردند. اساس تشکیل تصویر از سطح نمونه در میکروسکوپ تونلی روبشی مبتنی بر برقراری جریان تونلی بین نوک پروب میکروسکوپ و سطح نمونه می باشد. با برقراری جریان تونلی بین نوک پروب میکروسکوپ و سطح نمونه و تغییرات جریان تونلی تصویری از توپوگرافی اتم‌ها در سطح نمونه بدست می‌آید. همچنین امکان بررسی برخی از خواص سطح نمونه نظیر خواص مغناطیسی، ابررسانایی و جذب مولکولی و همچنین جداسازی یا جابجایی اتم‌ها در این میکروسکوپ وجود دارد.
سیستم دستگاهی میکروسکوپ تونلی روبشی
بطور کلی لوازم دستگاهی در STM، شامل موارد زیر می‌شوند:
- نگهدارنده نمونه
- پروب و مجموعه مرتبط با آن
- کنترل‌کننده الکترونیکی
- رایانه جهت کنترل‌کننده الکترونیکی
- نرم افزار جهت پردازش تصویر
تفاوت AFM و STM در سیگنال‌های ورودی ارسال شده به مدار فیدبک است. برخلاف AFM که سیگنال‌های ورودی مبتنی بر حرکات کانتیلور (cantilever) و ثبت آن توسط تغییرات محل برخورد پرتو لیزر بر آرایه‌ای از دیودهای حساس به نور است، در STM سیگنال‌های ورودی مبتنی بر جریان تونل‌زنی الکترون از فضای بین نوک پروب و سطح نمونه است. تونل‌زنی الکترون پدیده‌ای در مکانیک کوانتوم است که می‌گوید وقتی دو سطح رسانا به فاصله مقیاس‌های اتمی از یکدیگر برسند، اعمال یک اختلاف پتانسیل جزیی معمولا بین mV1 تا V4 (سبب شارش جریانی به بزرگی pA10 تا nA10) می‌گردد. از آنجا که جریان عبور کرده (طبق قوانین مکانیک کوانتوم) به صورت توانی تابعی از فاصله بین نوک پروب و سطح نمونه است، می‌تواند به عنوان سیگنال ورودی، نشانگر خوبی برای موقعیت ابتدایی پروب نسبت به سطح باشد.
در STM، چهار مد تصویربرداری به نام‌های جریان‌ثابت، ارتفاع‌ثابت، اسپکتروسکوپی و منی‌پیولاسیون معرفی شده است که رایج‌ترین آن، جریان ثابت است. در مد جریان ثابت، مدار فیدبک سعی می‌کند با ارسال فرامین اصلاحی (به عنوان سیگنال خروجی) به بازوهای محرک پیزوالکتریک، موقعیت پروب نسبت به سطح مورد آزمایش را همواره طوری تطبیق دهد که جریان تونل‌زنی الکترون همواره ثابت بماند. سیگنال‌های خروجی مدار فیدبک هنگامی که توسط کامپیوتر ترجمه می‌شوند، تصویری ایجاد می‌کنند که در واقع نقشه‌ای از LDOS (پارامتری تعریف شده در مکانیک کوانتوم) سطح نمونه است. با این حال، چون LDOS بسیار حساس به موقعیت اتم‌ها است، تصویر نهایی در مد جریان ثابت میکروسکوپ STM، به صورت قابل قبولی بیانگر توپوگرافی سطح نمونه است. لازم به ذکر است بزرگترین محدودیت میکروسکوپ‌های STM، در همان مکانیزم آن نهفته است، یعنی سطح نمونه باید هادی جریان الکتریکی باشد تا توانایی عبور جریان تونل‌زنی الکترون را داشته باشد.
