מיקרוסקופ מנהור סורק

מיקרוסקופ מנהור סורק, או ממ"ס (Scanning Tunneling Microscope או STM) הוא מיקרוסקופ אשר בעזרתו ניתן לבחון משטחים ברמה האטומית. המיקרוסקופ פותח בשנת 1981 במעבדות של IBM בציריך על ידי גרד ביניג והיינריך רורר, שקיבלו על המצאתם פרס נובל לפיזיקה בשנת 1986.
הרזולוציה של ממ"ס יכולה להגיע ל-1.1 ננומטר במישור האופקי ול-0.01 ננומטר בציר האנכי. 
בניגוד למיקרוסקופ אלקטרוני השימוש בממ"ס אינו מחייב ואקום או טמפרטורות נמוכות. עם זאת, הסריקה דורשת משטח נקי מאוד וטיפ חד ומדויק.

המיקרוסקופ סורק את המשטח הנבחן בעזרת חוד סורק, והסריקה מתבססת על תופעת המנהור, תופעה קוונטית של מעבר אלקטרונים דרך מחסום פוטנציאל - במקרה של המיקרוסקופ, בין קצה החוד למשטח. זרם המנהור יהיה תלוי מחד במרחק החוד מפני השטח ומאידך בצפיפות מצבים קוונטיים פנויים על המשטח. שני הגורמים מאפשרים לבחון בעזרת המיקרוסקופ את פני המשטח, וגם להבחין בסוגים שונים של אטומים הנמצאים על המשטח, או לצפות בשינויים אנרגטיים באטומים מאותו סוג.

בנוסף לתפקידו ככלי תצפית, יכול הממ"ס לשמש להזזת אטומים בודדים. יכולת זו התפרסמה כאשר בשנת 1989 סידרו החוקרים במרכז מחקר של יבמ 35 אטומים של קסנון בצורת האותיות IBM על פני משטח של ניקל, ובכך ייצרו את שלט הפרסום הקטן בעולם, אשר גובהו היה 5 ננומטר בלבד.

מנהור

מנהור היא תופעה קוונטית של מעבר חלקיק דרך מחסום פוטנציאל אשר האנרגיה שלו גבוהה מהאנרגיה הקינטית של החלקיק. לא ניתן להסביר את התופעה באמצעות מכניקה קלאסית, אשר במסגרת החוקים שלה חפץ אשר נתקע במחסום אותו הוא לא יכול לעבור יוחזר מהמחסום. במסגרת מכניקת הקוונטים ניתן להסביר את התופעה עבור חלקיקים בעלי מסה קטנה במיוחד, כגון האלקטרון, אשר התנהגותם כגל משמעותית יותר, ולכן גדלה ההסתברות שיעברו בעד המחסום.

רמות האנרגיה של אלקטרונים ((ψn(z) במימד אחד בנוכחות מחסום פוטנציאל (במקרה שלנו - בין קצה החוד הסורק של המיקרוסקופ לבין פני המשטח הנסרק) מתקבלות מפתרון משוואת שרדינגר:
,

כאשר ħ הוא קבוע פלאנק המצומצם (שלעיתים נקרא קבוע דיראק), m הוא מסת האלקטרון וz הוא מיקומו על הציר. כאשר אלקטרון בעל אנרגיה E נופל על מחסום פוטנציאל בעל אנרגיה (U(z, פונקציית הגל של האלקטרון היא פונקציה של גל מתקדם, אשר משוואתה: 

,

כאשר

 

בתנאי ש(E > U(z - למשל, אם האלקטרון נמצא באחד משני צדי המחסום. אם האלקטרון נמצא בתוך המחסום, ניתן לתארו על ידי פונקציית גל קורס:

,

כאשר

קובע את קצב קריסת הגל בתוך המחסום. 

כאשר חישבנו את פונקציית הגל של האלקטרון, ניתן לחשב את ההסתברות של הימצאות האלקטרון בכל נקודה בתוך המחסום. כאשר נפעיל מתח בין צדי המחסום - כלומר בין חוד למשטח - יתחברו שני הקצוות של הגלים הקורסים, וכך נקבל הסתברות סופית כלשהי של הימצאות האלקטרון בצד השני של המחסום. נניח והפעלנו על המחסום ברוחב W מתח V, כאשר קצהו אחד של המחסום נמצא ב-z=0. במקרה כזה ההסתברות של האלקטרון להימצא ב-z=W תהיה תלויה ביחס ישר לפונקציית הגל שלו בריבוע:

אנו רואים כי ההסתברות, ובהתאם אליה זרם המנהור, תלויים ברוחב המחסום, כך שעם הקטנת הרוחב - במקרה של המיקרוסקופ המרווח שבין החוד הסורק למשטח - יגדל הזרם בצורה אקספוננציאלית. 

כאשר המתח V קטן יחסית, רק אלקטרונים הקרובים לאנרגיית פרמי, (כלומר למצב הקוונטי המאוכלס האחרון בטמפרטורה 0 קלווין) ישתתפו במנהור, לכן זרם המנהור תלוי מחד בצפיפות האלקטרונים בטווח אנרגיית eV מאנרגיית פרמי בצידו האחד של המחסום, ומאידך בצפיפות מצבים קוונטיים פנויים מצידו השני.

עקרון הפעולה 
כדי לקבל תמונה במיקרוסקופ מנהור סורק, מקרבים את החוד הסורק למרחק של 4 עד 7 אנגסטרם מהשטח הנסרק. החוד נשלט על ידי מערכת הנעה פיאזואלקטרית, וכאשר נוצר זרם המנהור, הוא יכול לנוע במישור ה-xy או לשנות את גובהו. הסריקה יכולה להתבצע בשני אופנים - תוך שמירת הגובה או תוך שמירת הזרם.

במצב הזרם הקבוע, גובה החוד משתנה בהתאם למתח המופעל על מערכת השליטה הפיאזואלקטרית. שינוי הגובה של החוד מאפשר לדמות את תצורת פני השטח של הדגם, והקונטרסט על התמונה יצביע על השינויים בצפיפות מטען על פני השטח. 

במצב הגובה הקבוע, המתח על החוד וגובהו נשארים קבועים, והזרם משתנה כך שהמתח יישאר קבוע. התמונה המתקבלת מושפעת משינויי זרם, אשר קשורים לצפיפות מטען על פני השטח, וכך ניתן להבחין בין אטומים מסוגים שונים או בין מצבים אנרגטיים שונים של האטומים. מצב זה מאפשר סריקה מהירה יותר, כיוון שהמערכת צריכה פחות זמן כדי לאתר שינוי בזרם מאשר כדי לכוון את הגובה בהתאם למתח.

מבנה המיקרוסקופ 
הרכיבים של מיקרוסקופ מנהור סורק כוללים, בין היתר, חוד הסריקה, מערכת שליטה פיאזואלקטרית, מערכת בולמת תנודה, ומחשב.

החוד הסורק חייב להיות חד ביותר, כיוון שכושר ההפרדה של המיקרוסקופ תלוי ברדיוס העקמומיות של החוד. בנוסף לכך, אם החוד מסתיים בשני קצוות ולא באטום בודד, הקצה השני עלול להשתתף במנהור ולשנות את התמונה המתקבלת. בזמן האחרון משתמשים בננו-צינוריות פחמן כדי לייצר את קצוות החודים. החוד עצמו עשוי בדרך כלל טונגסטן או פלטינה-אירידיום. 

למערכת בולמת תנודה תפקיד חשוב ביותר, היות שזרם המנהור רגיש מאוד למרחק החוד מהדוגמה. במיקרוסקופ הראשון, שבנו ביניג ורורר, הם השתמשו בריחוף מגנטי; היום, משתמשים בדרך כלל במערכת קפיצים. המיקרוסקופ עצמו מונח על טבעות מתכת המופרדות ביניהן על ידי שכבות ויטון (חומר סינתטי דמוי גומי), כדי למנוע זעזועים מכניים של המערכת. בנוסף לכך, המכשיר כולל מנגנונים להקטנת זרמי פוקו (זרמים הנוצרים במוליך כתוצאה משדה מגנטי משתנה שפועל עליו), אשר נוצרים במשטח כתוצאה מתזוזת החוד על פניו.

תזוזת החוד יחסית לדגם, סריקה קווית של הדוגמה וקבלת הנתונים נשלטים על ידי המחשב. בנוסף, בעזרת המחשב ניתן לשפר את איכות התמונה ולבצע מדידות כמותיות.

שימושים נוספים
בנוסף לשימושו ככלי תצפית, הממ"ס משמש לעיצוב פני השטח בקנה מידה אטומי, גם בגלל הרזולוציה הגבוהה שלו וגם בגלל האפשרות של צפייה מיידית במבנה המתקבל. חוקרי יבמ פיתחו שיטה של מיקום מדויק של אטומי קסנון על גבי מצע ניקל. בשיטה זו, הזזת האטומים נעשית על ידי קירוב החוד לאטום מסוים להגדלת זרם מנהור, גרירה של האטום במהירות של כ-4 אנגסטרם לשנייה והרמה מהירה של החוד כאשר האטום נמצא במקום הרצוי.

לאחרונה גילו חוקרים כי בעזרת ממ"ס ניתן לסובב קשרים בודדים במולקולות. היות שההתנגדות של המולקולה תלויה בכיוון הקשר, הדבר מאפשר להפוך את המולקולה למפסק.

ראו גם
מיקרוסקופ כוח אטומי

קישורים חיצוניים

מאמר בעיתון "תהודה" אודות מיקרוסקופ מנהור סורק
גלריית תמונות ממ"ס באתר מכון מחקר של יבמ (אנגלית)
גלריית תמונות ממ"ס באתר של אוניברסיטת וינה (אנגלית)
35 אטומים של קסנון בצורת האותיות IBM

הערות שוליים

פיזיקה: מתקני ניסוי ותצפית
ננוטכנולוגיה
מיקרוסקופיה
שווייץ: המצאות