موضوع مقاله: میکروسکوپ نیروی اتمی رسانا | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # میکروسکوپ نیروی اتمی رسانا | مقدمه: توپوگرافی با اندازه‌گیری انحراف کانتی‌لیور توسط یک سامانهٔ نوری (لیزر و فوتودیود) به‌دست می‌آید، در حالی که جریان به کمک یک پیش‌تقویت‌کنندهٔ تبدیل جریان به ولتاژ ثبت می‌شود. | ## بخش 1: میکروسکوپ نیروی اتمی رسانا | مزیت مهم CAFM این است که برای توپوگرافی و جریان از دو سامانهٔ آشکارسازی مستقل استفاده می‌کند (سامانهٔ نوری برای توپوگرافی و پیش‌تقویت‌کننده برای جریان). این ویژگی نسبت‌به میکروسکوپ تونلی روبشی (STM) برتری قابل‌توجهی ایجاد می‌کند؛ زیرا در STM، تصویر توپوگرافی عملاً بر اساس جریان عبوری میان نوک و نمونه ساخته می‌شود (فاصلهٔ نوک و سطح از روی مقدار جریان محاسبه می‌شود) و در نتیجه، هنگام اسکن یک ناحیه، تشخیص اینکه نوسانات جریان ناشی از تغییرات توپوگرافی (مثلاً زبری سطح) است یا ناشی از تغییرات رسانایی نمونه (به‌علت ناخالصی)، ممکن نیست. در این حالت، نوک می‌تواند در یک نقطه ثابت نگه داشته شود و سیگنال‌های ولتاژ و جریان در همان نقطه اعمال و خوانده شوند، یا اینکه تحت ولتاژ ثابت روی ناحیه‌ای مشخص از نمونه اسکن شود و نقشه‌های جریان به‌دست آیند. اصل کار رای تبدیل یک AFM معمولی به CAFM، وجود سه جزء اصلی ضروری است: نوک پراب رسانا باشد. پیش‌تقویت‌کننده برای تبدیل سیگنال جریان (آنالوگ) به ولتاژهای قابل‌خواندن (دیجیتال) توسط رایانه. در آزمایش‌های CAFM، نمونه معمولاً با استفاده از نوار یا خمیر رسانا روی نگه‌دارندهٔ نمونه ثابت می‌شود و در این میان رنگ‌های نقره‌ای پرکاربردترین گزینه هستند. با این آرایش، اعمال اختلاف پتانسیل بین نوک و نمونه باعث ایجاد میدان الکتریکی و در نتیجه جریان خالص از نوک به نمونه یا برعکس می‌شود. جریان‌های اندازه‌گیری‌شده توسط CAFM از رابطهٔ زیر پیروی می‌کنند: که در آن I کل جریان عبوری از نانوپیوند نوک/نمونه، J چگالی جریان و Aeff سطح مؤثر گسیل الکترون‌ها است (که از این پس به‌صورت خلاصه آن را سطح مؤثر می‌نامند) یکی از خطاهای رایج در پژوهش‌های CAFM این است که فرض می‌شود سطح مؤثر گسیل (Aeff) با سطح تماس فیزیکی (Ac) برابر است. از نظر فنی این فرض همیشه درست نیست، زیرا در بسیاری از سامانه‌های نوک/نمونه، میدان الکتریکی اعمال‌شده می‌تواند به‌صورت جانبی نیز گسترش یابد. به‌عنوان مثال، هنگامی که نوک CAFM روی یک فلز قرار می‌گیرد، رسانایی جانبی نمونه بسیار زیاد است و در اصل می‌توان کل سطح فلزی نمونه را از نظر الکتریکی متصل فرض کرد (Aeff برابر با سطح پوشش یا الکترود فلزی خواهد بود). سطح مؤثر (Aeff) چنین تعریف شده است:«مجموع همهٔ نقاط مکانی بسیار کوچک روی سطح نمونه که از نظر الکتریکی به نوک CAFM متصل‌اند (به‌گونه‌ای که اختلاف پتانسیل بین آن نقاط ناچیز است). در نتیجه، Aeff یک کمیت مجازی است که تمام اثرهای الکتریکی مهم در سامانهٔ تماس نوک/نمونه را در قالب یک مقدار واحد خلاصه می‌کند و چگالی جریان روی آن ثابت فرض می‌شود.» به این ترتیب، وقتی نوک CAFM روی یک فلز (نمونهٔ فلزی یا پَد فلزی روی عایق) قرار می‌گیرد، رسانایی جانبی فلز بسیار بالاست و می‌توان نوک را به‌صورت جمع‌کنندهٔ جریان در مقیاس نانو در نظر گرفت؛ در مقابل، اگر نوک مستقیماً روی یک عایق قرار گیرد، نقش الکترود نانومقیاس را بازی می‌کند و تفکیک‌پذیری جانبی بسیار بالایی به‌دست می‌آید. رای نمونه، وقتی نوک با پوشش Pt–Ir و شعاع تقریباً ۲۰ نانومتر روی یک لایهٔ عایق SiO₂ قرار می‌گیرد، مقدار معمول Aeff در حدود ۵۰ نانومتر مربع گزارش شده است. این مقدار بسته به شرایط محیطی می‌تواند از حدود ۱ نانومتر مربع در خلأ فوق‌العاده بالا (UHV) تا ۳۰۰ نانومتر مربع در محیط‌های بسیار مرطوب تغییر کند. روی سطوح تک‌بلورِ خوب‌تعریف‌شده و در شرایط UHV حتی نشان داده شده که اندازه‌گیری رسانایی موضعی با تفکیک‌پذیری اتمی نیز امکان‌پذیر است. مشکلات CAFM متعارف از جمله مشکلات رایج در CAFM متعارف می‌توان به کنترل جریان‌های بسیار زیاد و بسیار کم و جلوگیری از آثار ناخواسته‌ای مانند گرمایش ژولی، اثر دوفلزی (bimetallic) و اکسیداسیون موضعی هنگام عبور جریان‌های بالا اشاره کرد. برای دستیابی به اندازه‌گیری‌های دقیق و قابل تکرار، معمولاً لازم است نوک پراب چندین بار تعویض و آرایش آزمایشی مرتباً تنظیم مجدد شود. برای غلبه بر دامنهٔ دینامیکی محدود پیش‌تقویت‌کننده‌های معمول، ماژول‌های پیشرفته‌ای مانند ResiScope توسعه داده شده‌اند. ResiScope امکان اندازه‌گیری مقاومت در دامنه‌ای بسیار گسترده—بیش از ده مرتبهٔ بزرگی—از حدود ۱۰²Ω تا ۱۰¹²Ω را فراهم می‌کند، آن هم بدون کاهش تفکیک‌پذیری فضایی. این قابلیت امکان مطالعهٔ دقیق مواد با رسانایی بسیار کم تا بسیار زیاد را در مقیاس نانو فراهم می‌کند. CAFM در ابتدا در حوزهٔ نانوالکترونیک برای پایش خواص الکتریکی دی‌الکتریک‌های نازک با تفکیک‌پذیری جانبی بسیار زیاد به‌کار گرفته شد. نخستین نسخهٔ CAFM در سال ۱۹۹۳ با هدف مطالعهٔ جریان‌های تونلی موضعی در لایه‌های SiO₂ با ضخامت ۱۲ نانومتر طراحی شد. در سال‌های ۱۹۹۵ و ۱۹۹۶، او’شی‌آ و راسکل تفکیک‌پذیری جانبی این روش را به‌ترتیب به حدود ۱۰ نانومتر و ۸ نانومتر رساندند. در ادامه، پژوهش های اولبریش و ابرزبرگر نشان داد که در لایه‌های SiO₂ نازک‌تر از ۵ نانومتر، جریان تونلی با کاهش ضخامت، به‌صورت نمایی افزایش می‌یابد. | ## بخش 2: میکروسکوپ نیروی اتمی رسانا | بنابراین، نوسان‌هایی در حدِ چند دهم نانومتر در ضخامت لایهٔ SiO₂ می‌تواند نقاط ضعیف الکتریکی ایجاد کند و قابلیت اطمینان کل دی‌الکتریک را کاهش دهد، زیرا شکست دی‌الکتریک (BD) فرایندی تصادفی است. توانایی CAFM در تعیین ضخامت اکسیدهای نازک توسط فراملزبرگر و همکارانش تأیید شد؛ آن‌ها با تحلیل آماری بیش از ۷۲۰۰ منحنی I–V توانستند ضخامت SiO₂ را با حساسیت حدود ۰/۳± نانومتر گزارش کنند. پدیده‌های موضعی دیگری مانند به‌دام‌افتادن بار، تونل‌زنیِ کمک‌شده با تله و جریان نشتی ناشی از تنش (SILC) نیز به‌راحتی با CAFM قابل پایش هستند. به‌طور کلی، CAFM می‌تواند اثر هر فرایندی را که باعث تغییرات موضعی در ساختار دی‌الکتریک می‌شود، دنبال کند؛ از جمله آنیل، تبش‌دهی و تابش، و موارد دیگر. این روش به‌ویژه برای تشخیص اینکه کدام نواحی نمونه باعث وقوع زودهنگام شکست دی‌الکتریک (premature BD) می‌شوند بسیار مفید است و اطلاعات مهمی دربارهٔ قابلیت اطمینان ساختارهای دی‌الکتریک فراهم می‌کند. شدت رویداد BD را می‌توان از طریق اپیتاکسی القاشده توسط شکست دی‌الکتریک بررسی کرد؛ اثری که در تصاویر توپوگرافی پس از اعمال رمپ ولتاژ و با استفاده از CAFM قابل مشاهده است. به‌طور مشابه، بهبود یا بازیابی پس از شکست دی‌الکتریک (سوئیچینگ مقاومتی، RS) نیز به کمک CAFM مطالعه شده است. قابلیت‌های CAFM در مطالعهٔ سوئیچینگ مقاومتی در دی‌الکتریک‌ها در یک مقالهٔ مروری جمع‌بندی شده است. برخلاف AFM معمولی، CAFM می‌تواند برای فوتولیتوگرافی موضعی از طریق اکسیداسیون آندی موضعی تحت اعمال بایاس (LAO) نیز استفاده شود. امروزه این روش به حوزه‌های مختلفی مانند فیزیک، علم مواد، شیمی و مهندسی گسترش یافته و برای مطالعهٔ مواد و ساختارهایی چون نانوذرات، مولکول‌ها، نانوسیم‌ها، نانولوله‌های کربنی ، مواد دوبعدی (2D)، پوشش ها، فوتوالکتریک و پیزوالکتریک به‌کار رفته است. تا ۱۴ ژوئن ۲۰۱۶، از CAFM در ۱۳۲۵ مقالهٔ پژوهشی استفاده شده و این روش به یکی از ابزارهای پرکاربرد در نانوعلوم تبدیل شده است. الکترونیک انعطاف‌پذیر مبتنی بر ترکیبات آلی نیز به‌عنوان مواد الکتریکی نرم محبوبیت فزاینده‌ای پیدا کرده است. در حال حاضر، برای انجام اندازه‌گیری‌های AFM رسانا (C-AFM) روی مواد نرم مانند پلیمرهای رسانا، دو روش اصلی به‌کار می‌رود: حالت سینوسی (Sinusoidal Regime) در روش حالت سینوسی، کانتی‌لیور به‌صورت مکانیکی و در بازهٔ فرکانسی حدود ۱۰۰ تا ۲۰۰۰ هرتز تحریک می‌شود؛ یعنی در بسامدهایی بسیار پایین‌تر از فرکانس تشدید طبیعی آن. نوک کانتی‌لیور در بخش پایینی حرکت سینوسی خود، به‌طور دوره‌ای با زیرلایهٔ نمونه تماس پیدا می‌کند. این روش با کنترل دامنهٔ حرکت نوک، امکان تصویربرداری نسبتاً آسان از نمونه‌های نرم را فراهم می‌کند. با این حال، برخی اندازه‌گیری‌های کمی (مانند اندازه‌گیری‌های دقیق الکتریکی یا حرارتی) به‌دلیل تغییر پیوستهٔ نیروی واردشده از نوک به نمونه به‌خوبی قابل انجام نیستند. در این رویکرد شبه‌ساکن، کانتی‌لیور با سرعت ثابت یک چرخهٔ نزدیک‌شدن و دورشدن نسبت به نمونه را طی می‌کند. برای تعیین نیروی اعمالی از قانون هوک استفاده می‌شود: که در آن F نیروی اعمال‌شده، k ثابت فنری کانتی‌لیور و z میزان انحراف کانتی‌لیور از موقعیت تعادل است. این روش اگرچه امکان کنترل دقیق نیرو را فراهم می‌کند، اما بسیار کند است؛ زمان هر چرخهٔ نزدیک‌شدن–دورشدن حدود ۱ ثانیه است و در نتیجه، ثبت یک تصویر استاندارد ۵۱۲×۵۱۲ پیکسل می‌تواند بیشتر از ۳ روز طول بکشد. رویکرد جدیدی که برای رفع این مشکلات پیشنهاد شده، حالت Soft ResiScope است که در آن تماس‌های نقطه‌ای سریع با نیروی ثابت ترکیب می‌شوند و تلاش می‌شود مزایای هر دو روش پیشین حفظ و معایبشان کاهش یابد. (راست) نانوپراب استاندارد با روکش فلزی برای CAFM که با یک لایه نازک گرافن تک لایه پوشش داده شده است. مشکل اصلی در CAFM این است که پراب‌های رسانا گران‌تر و کم‌عمرتر از نوک‌هایی هستند که در نقشه‌برداری توپوگرافی AFM استفاده می‌شوند. دلیل این موضوع، چگالی‌های جریان بسیار بالا در نانوپیوند نوک/نمونه و نیز اصطکاک جانبی هنگام اسکن است. فرسایش زودهنگام نوک نه‌تنها هزینهٔ آزمایش‌ها را افزایش می‌دهد، بلکه قابلیت اطمینان داده‌های اندازه‌گیری‌شده را نیز کاهش می‌دهد. | ## بخش 3: میکروسکوپ نیروی اتمی رسانا | به همین دلیل، توصیه می‌شود هنگام استفاده از CAFM، هدایت الکتریکی نوک (روی یک نمونهٔ مرجع) پیش و پس از آزمایش اندازه‌گیری شود؛ تنها در صورتی داده‌ها معتبر تلقی می‌شوند که هدایت نوک قبل و بعد از آزمایش تقریباً یکسان باقی مانده باشد. نخستین نسل نانو پراب‌های رسانا که در آزمایش‌های CAFM استفاده شد—و هنوز هم به‌طور گسترده به‌کار می‌رود—شامل نانو پراب‌های سیلیکونی استاندارد (مشابه نوک‌های AFM توپوگرافی) است که با لایه‌های نازک فلزی مانند پلاتین (Pt)، طلا (Au), روتنیوم (Ru), تیتانیم (Ti) و کروم (Cr) پوشش داده می‌شوند. وشش فلزی باید آن‌قدر ضخیم باشد که بتواند چگالی‌های جریان بالا و اصطکاک مکانیکی را تحمل کند و در عین حال آن‌قدر نازک باشد که شعاع نوک به‌شدت افزایش پیدا نکند؛ به‌طوری‌که تیزی نوک حفظ شود و تفکیک‌پذیری جانبی روش کاهش نیابد. همان‌طور که گفته شد، طول عمر این نوک‌های با پوشش فلزی در CAFM از سایر حالت‌های AFM بسیار کمتر است؛ عمدتاً به دلیل ذوب شدن پوشش فلزی و کاهش جرم نوک در حین اسکن. برای کاهش این مشکل، نوک‌های سیلیکونیِ پوشش‌داده‌شده با مواد بسیار سخت مانند الماسِ دوپ‌شده با فسفر معرفی شده‌اند. ا این حال، این نوک‌ها دو عیب اصلی دارند: قیمت بسیار بالا سختی زیاد که می‌تواند منجر به خراش یا آسیب سطح نمونه شود. گزینهٔ دیگر، استفاده از سیم‌های فلزی تیزشده به‌عنوان نوک است؛ اما فرایندهای تیزکاری دقیق، هزینهٔ ساخت را بالا می‌برد و این نوک‌ها معمولاً گران‌تر از نوک‌های سیلیکونی با پوشش فلزی هستند. علاوه بر این، آن‌ها نیز می‌توانند به‌علت چسبیدن ذرات به نوک، رسانایی خود را از دست بدهند. روش نسبتاً کم‌هزینه و مؤثری که برای افزایش عمر نوک‌های CAFM پیشنهاد شده، پوشش‌دادن آن‌ها با گرافن است. گرافن می‌تواند چگالی‌های جریان بسیار بالا و اصطکاک مکانیکی را به‌خوبی تحمل کند، از نظر شیمیایی خنثی (inert) است و چسبیدن ذرات به نوک را کاهش می‌دهد؛ در نتیجه، به افزایش عمر و پایداری عملکرد نوک کمک می‌کند. سیگنال‌های جریان آنالوگ که از نانوپیوند نوک/نمونه عبور می‌کنند، به پیش‌تقویت‌کننده فرستاده می‌شوند تا به ولتاژهای دیجیتال قابل‌خواندن توسط کارت جمع‌آوری داده (DAQ) رایانه تبدیل شوند. بسیاری از سازندگان، پیش‌تقویت‌کننده را در ماژولی به نام «ماژول کاربردی CAFM» ادغام می‌کنند؛ این ماژول قطعه‌ای جداشدنی است که معمولاً در نزدیکی نوک AFM نصب می‌شود تا نویز الکتریکی کمینه شود و اندازه‌گیری رسانایی با دقت بالاتری انجام گیرد. به‌طور مشابه، ماژول‌های دیگری نیز وجود دارند که امکان روش‌هایی مانند میکروسکوپ ظرفیت روبشی (SCM) و میکروسکوپ مقاومت پخش‌شوندهٔ روبشی (SSRM) را فراهم می‌کنند. در بیشتر آزمایش‌های CAFM، جریان‌های اندازه‌گیری‌شده معمولاً از چند پیکوآمپر تا چند صد میکروآمپر متغیر هستند، در حالی که ولتاژ قابل‌خواندن برای کارت DAQ معمولاً بین ۳− تا ۳+ ولت قرار دارد. بنابراین، پیش‌تقویت‌کننده باید هم نویز بسیار کم و هم تقویت‌کننده امپدانس‌انتقالی (Gain) بالا داشته باشد. یک پیش‌تقویت‌کنندهٔ کم‌نویز متداول برای CAFM را می‌توان با عناصر زیر توصیف کرد: در این مدار، چند عنصر اصلی قابل شناسایی اند: تقویت‌کنندهٔ عملیاتی با امپدانس ورودی بالا؛ مقاومت فیدبک (Rf) به همراه خازن انگلی (Cs) و نویز جانسون (et) وابسته به آن منبع نویز ولتاژ (en) وابسته به تقویت‌کنندهٔ عملیاتی خازن ورودی اتصالات (Ci). انتخاب صحیح این مؤلفه‌ها برای دستیابی به داده‌های دقیق و قابل‌اعتماد CAFM حیاتی است. برای مثال، تعیین مقدار مناسب Rf موضوع مهمی است: مقادیر بسیار بزرگ مقاومت بازخورد (Rf)، نسبت سیگنال به نویز را بهبود می‌دهند؛ اما در مقابل، پهنای‌باند پیش‌تقویت‌کننده را محدود می‌کنند. از این‌رو، مقدار Rf باید به‌گونه‌ای انتخاب شود که میان تأمین پهنای‌باند کافی و نگه‌داشتن سطح نویز پایین‌تر از جریان‌های مورد اندازه‌گیری، تعادل مناسبی برقرار شود. پارامتر en را می‌توان با استفاده از تقویت‌کننده‌های عملیاتی کم‌نویز تجاری کاهش داد. Ci نیز با قرار دادن پیش‌تقویت‌کننده در نزدیک‌ترین فاصلهٔ ممکن نسبت به نوک رسانا کمینه می‌شود.[۵، ۶] شرکت‌هایی مانند FEMTO پیش‌تقویت‌کننده‌هایی با نویز الکتریکی در حد ۳ فمتوآمپر و Gain تا حدود ۱۰¹³ V/A عرضه کرده‌اند. با وجود این پیشرفت‌ها، محدودیت اصلی پیش‌تقویت‌کننده‌های CAFM همچنان دامنهٔ دینامیکی باریک جریان است؛ به‌گونه‌ای که اغلب تنها می‌توان سیگنال‌هایی را در بازه‌ای حدود سه تا چهار مرتبهٔ بزرگی (یا کمتر) ثبت کرد. برای کاهش این محدودیت، می‌توان از پیش‌تقویت‌کننده‌های با Gain قابل‌تنظیم استفاده کرد تا تمرکز روی بازه‌های خاص جریان ممکن شود. | ## جمع‌بندی | رراه‌حل‌های پیشرفته‌تر شامل ترکیب CAFM با سورس‌متر، آنالیزور پارامترهای نیمه‌رسانا یا استفاده از پیش‌تقویت‌کنندهٔ لگاریتمی است؛ این ترکیبات امکان ثبت جریان‌های عبوری از سامانهٔ نوک/نمونه را در گسترهٔ وسیع‌تری از مقادیر و با تفکیک‌پذیری بالا فراهم می‌کنند.