Transcript به نام خدا انواع پروب های روبشی و کاربردهای آنها دانشکده مهندسی برق سعید صفرزاده کامو استاد راهنما : دکتر محمدنژاد 1 • مقدمه در سال 1959 دانشمندي به نام ريچارد.

‫به نام خدا‬
‫انواع پروب های‬
‫روبشی و کاربردهای‬
‫آنها‬
‫دانشکده مهندسی برق‬
‫سعید صفرزاده کامو‬
‫استاد راهنما‪ :‬دکتر محمدنژاد‬
‫‪1‬‬
‫• مقدمه‬
‫در سال ‪1959‬دانشمندي به نام ريچارد فينمن‪،‬‬
‫در يك سخنراني گفت كه مي توان ‪ 25‬هزار صفحه‬
‫دايره المعارف را در ابعاد يک سر سوزن جا‬
‫داد به شرطي مي توان به اين هدف دست پيدا‬
‫كرد كه كارها در مقياس اتم و مولكول انجام‬
‫شود و اتم ها را طوري كه خودمان مي خواهيم‬
‫يكي يكي بچينيم‪.‬‬
‫تنها كافي است كه مواد پايه اي جهان ماده كه‬
‫‪2‬‬
‫‪ )1‬ميكروسكوپ نيروي اتمي )‪(AFM‬‬
‫‪ AFM‬دستگاهي است كه براي بررسي خواص و ساختار سطحي‬
‫مواد در ابعاد نانومتر به كار مي رود‪.‬‬
‫‪-‬‬
‫محيط های قابل کارکرد ‪AFM‬‬
‫ داشتن محدوديت کمتر نسبت به ساير پروب ها‬‫ امكان بررسي انواع سطوح‬‫‪ -‬خواص قابل اندازه گيری زياد‬
‫ استفاده از اين قابليت ها برای بررسی سطوح‬‫چند نوع سوزن در ‪AFM‬‬
‫‪3‬‬
‫• اجزای دستگاه‬
‫‪AFM‬‬
‫‪-‬‬
‫يك سوزن بسيار تيز و ظريف‬
‫‪-‬‬
‫تيرک )‪(cantilever‬‬
‫‪-‬‬
‫بازوي پيزو الکتريک‬
‫‪-‬‬
‫روکش پشت لرزانک‬
‫• نحوه عملکرد ‪AFM‬‬
‫‪-‬‬
‫‬‫‪-‬‬
‫به هنگام مجاورت سوزن با‬
‫سطح نمونه‪ ،‬نيرويي به‬
‫سوزن وارد مي شود‪.‬‬
‫نيروي ناشي از سطح باعث‬
‫خم شدن تيرك مي شود‪.‬‬
‫با آگاهي از ميزان خميدگي‬
‫تيرك توسط ديودهاي نوري و‬
‫‪4‬‬
‫ بر اساس محدوده عملکرد سوزن مدهای‬‫‪ AFM‬به سه دسته تقسیم می شوند‪:‬‬
‫‪ .1‬تماسی‬
‫ مطابق تعريف به ناحیه اي ناحیة‬‫تماس مي گويند كه نیروي بین سوزن و‬
‫سطح دافعه باشد‪.‬‬
‫‪ .2‬شبه تماسی‬
‫ به ناحیة بین ناحیة تماسي و غیر‬‫تماسي به عالوة بخش كوچكي از ناحیة‬
‫تماسي (حدود ‪ 4‬آنگستروم تا ‪30‬‬
‫آنگستروم) ناحیة شبه تماسي گويند‪.‬‬
‫‪ .3‬غیر تماسی‬
‫ در اين ناحیه نیروی بین نوک و‬‫سطح از نوع جاذبه می باشد‪.‬‬
‫نمونه ای از تصویر کروموزمهای انسانی تهیه‬
‫شده توسط ‪AFM‬‬
‫دو مد تماسی و غیر تماسی‬
‫‪5‬‬
‫• كاربردها‬
‫ دقت باال‪ ،‬عدم محدوديت در بررسي اغلب سطوح در شرايط‬‫محيطي مختلف‪ ،‬عدم نياز به آماده سازي نمونه در‬
‫اغلب موارد‪ ،‬سرعت باالي اندازه گيري‪ ،‬تهيه تصاوير‬
‫سه بعدي و توانايي بررسي انواع خواص سطحي‬
‫ استفاده از ‪ AFM‬در الكترونيك ‪ ،‬هوا فضا ‪،‬‬‫خودروسازي‪ ،‬علم مواد‪ ،‬بيولوژي‪ ،‬ارتباطات از راه‬
‫دور‪ ،‬انرژي ‪ ،‬داروسازي‪...،‬‬
‫‪ -‬دليل استفاده از ‪AFM‬در حوزه هاي مختلف تكنولوژي‬
‫عبارت است از‪:‬‬
‫‪6‬‬
‫‪ )2‬ميكروسكوپ روبشي تونلي )‪(STM‬‬
‫اين دستگاه براي بررسي ساختار و برخي از خواص سطوح‬
‫مواد رسانا‪ ،‬بيولوژيك كه تا حدي رسانا هستند و‬
‫همچنين‬
‫اليه هاي نازك نارسانا كه روي زيراليه رسانا اليه نشاني‬
‫شده اند‪ ،‬در حد ابعاد زير نانومتر‪ ،‬به كار مي رود‪.‬‬
‫مبناي اندازه گيري هندسه و خواص سطحي در اين دستگاه‬
‫جريان الكتريكي بوجود آمده بين سوزن و سطح است‪.‬‬
‫در تعيين خواص نقاط مختلف سطح از ‪ STM‬به دو صورت‬
‫‪7‬‬
‫• نحوه عملکرد دستگاه ‪STM‬‬
‫ اتصال سوزن بسیار ظريف‬‫و نوك تیز رسانا به يك‬
‫بازوي پیزوالكتريك‬
‫ تنظیم مكان سوزن نسبت‬‫به سطح نمونه‬
‫‪ -‬اعمال اختالف ولتاژ بین‬
‫سطح نمونه و سوزن‬
‫ تنظیم ارتفاع سوزن در‬‫محدوده مناسب‬
‫‪8‬‬
9
‫‪ )3‬ميكروسكوپ نوري ميدان‬
‫نزديك روبشي )‪(SNOM‬‬
‫اساس كار دستگاه هاي ميكروسكوپي‬
‫نوري ميدان نزديك روبشي در سال ‪1972‬‬
‫توسط ‪ Ash‬و ‪ Nicholls‬كشف شد‪.‬‬
‫اين دستگاه در حقيقت بسيار شبيه‬
‫دستگاه ميكروسكوپ نيروي اتمي )‪(AFM‬‬
‫می باشد تا ميكروسكوپ هاي نوري‪.‬‬
‫دستگاه ‪ SNOM‬تصوير بسيار خوبي از‬
‫توپوگرافي نمونه با قدرت تفكيك‬
‫عمودي خوبي ميدهد‪.‬‬
‫تفاوت دستگاه ‪ AFM‬و ‪ SNOM‬در پروب‬
‫آنها براي روبش سطح مي باشد‪.‬‬
‫مقایسه ای از ‪ AFM‬و ‪SNOM‬‬
‫‪10‬‬
‫• نحوه عملکرد دستگاه ‪SNOM‬‬
‫عملکرد يك دستگاه ‪ SNOM‬همانند دستگاه ‪ AFM‬می باشد‪.‬‬
‫ولی در اينجا به نمونه توسط فيبر نوري‪ ،‬نور تابيده مي‬
‫شود‪.‬‬
‫نور بازگشت شده از نمونه توسط يك فيبر ديگر جمع مي‬
‫شود‪.‬‬
‫‪11‬‬
‫• كاربردها‬
‫ بدست آوردن قابليت بازتاب يا فتولومينسانس‬‫ اندازه گيري انتشار نور از کريستال های فوتونيک‬‫ هدايت امواج در ساختارهاي ليزري‬‫ تهيه تصاوير با قدرت تفكيك باال از سلول ها‬‫ بررسي ساختار فازها در پليمرهاي اليه اي‬‫ بررسي ساختار داخلي ژل هاي پليمري‬‫‪ -‬شكل دهي پليمر توسط ميكروسكوپ نوري ميدان – نزديك‬
‫ اسپكتروسكوپي تك مولكول ها توسط ‪SNOM‬‬‫‪12‬‬
‫‪ )4‬میكروسكوپ الكتروني روبشي ‪SEM‬‬
‫در میكروسكوپ الكتروني روبشي ‪ SEM‬نیز مانند ‪ TEM‬يك‬
‫نمونه مي تابد‪.‬‬
‫به‬
‫تفنگ‬
‫الكتروني (‬
‫پرتو الكتروني‬
‫منبع‬
‫الكتروني) معموالً از نوع‬
‫انتشار ترمويونیكي‬
‫فیالمان يا رشته تنگستني‬
‫است‪ .‬اما استفاده از‬
‫منابع گسیل میدان براي‬
‫قدرت تفكیك باالتر‪،‬‬
‫افزايش يافته است‪.‬‬
‫معموالً الكترون ها‬
‫تصويری از دستگاه ‪ SEM‬و‪13‬اجزای آ‬
‫• نحوه کار ‪SEM‬‬
‫معموال با اليه نازكي از كربن‪ ،‬طال يا آلياژ‬
‫ً‬
‫مواد غيرهادي‬
‫طال پوشش داده مي شوند‪.‬‬
‫نمونه ها بايد عاري از مايعاتي با فشار بخار باال باشند‪.‬‬
‫معموال نمونه هايي به بزرگي ‪ 15‬تا ‪ 20‬سانتي متر را مي‬
‫ً‬
‫توان در ميكروسكوپ قرار داد‪.‬‬
‫• کاربرد های ‪SEM‬‬
‫ تصويرگرفتن از سطوح در بزرگنمايي ‪ 10‬تا ‪ 105‬برابر با‬‫قدرت تفكيك در حد ‪ 3‬تا ‪ 100‬نانومتر‬
‫ كنترل كيفيت و بررسي عيوب قطعات نيمه هادي‬‫‪ -‬بررسي نمونه هاي متالوگرافي‪ ،‬در بزرگنمايي بسيار‬
‫بيشتر از ميكروسكوپ نوري‬
‫‪14‬‬
‫‪ )5‬ميكروسكوپ الكتروني محيطي ‪ESEM‬‬
‫به دليل برخی محدوديت های ‪ SEM‬از ميکروسکوپ الکترونی محيطی‬
‫استفاده‬
‫می شود‪.‬‬
‫ميكروسكوپ الكتروني محيطي نيز مانند تمامي انواع ميكروسكوپ‬
‫هاي الكتروني‬
‫داراي يك منطقه خأل براي توليد و متمركز كردن پرتو الكتروني‬
‫مي باشد که‬
‫هميشه در فشار پايين قرار دارد‪.‬‬
‫به عالوه‬
‫يك منطقه با فشار باال (بيش از ‪ )60 kpa‬مورد نياز است‪.‬‬
‫‪15‬‬
‫• اجزا و نحوه عملکرد‬
‫حداقل دو دريچه براي‬
‫محدودكردن مؤثر فشار ايجاد‬
‫شده در ستون الكترون اپتيكي‬
‫مورد نياز مي باشد‪.‬‬
‫جريان گاز از ميان ‪ PLA1‬از‬
‫طريق سيستمي از لوله ها و پمپ‬
‫ها به بيرون پمپ مي شود و فقط‬
‫بخش كوچكي از گاز از طريق ‪PLA2‬‬
‫نشت ميكند‪ .‬بقيه پمپ ها و‬
‫سوپاپ ها براي نگه داشتن فشار‬
‫مورد نياز در محفظه نمونه و‬
‫همچنين براي تسهيل انتقال‬
‫نمونه به داخل و خارج از‬
‫‪16‬‬
‫‪ .6‬میکروسکوپ الکترونی عبوری )‪(TEM‬‬
‫میكروسكوپ الكتروني عبوري يكي از مهم ترين و پركاربرد ترين‬
‫دستگاه ها است‪.‬‬
‫اين روش اندازه و شكل ذرات را با دقت حدود چند دهم نانومتر به‬
‫دست‬
‫مي دهد كه به نوع ماده و دستگاه مورد استفاده بستگي دارد‪.‬‬
‫عالوه بر تعیین شكل و اندازة ذرات به وسیلة میكروسكوپ الكتروني‬
‫عبوري‬
‫برخي ويژگي هاي ديگر مواد نانوساختاري مانند ساختار بلوري و‬
‫تركیب‬
‫شیمیايی را نیز مي توان بدست آورد‪.‬‬
‫در اين روش از گسیل پرتو الکترونی برای تعیین ويژگی های ماده‬
‫‪17‬‬
‫‪ .7‬طیف سنجی الکترون اوژه‬
‫طیف سنجي الكترون اوژه يك روش آنالیز استاندارد در فیزيك سطح‬
‫و فصل مشترك ها است‪.‬‬
‫اتمي بودن سطح نمونة مورد مطالعه و خالء فوق باال از ضروريات‬
‫اين روش مي باشد‪.‬‬
‫ساير زمینه هاي مهم استفاده از اين روش عبارتند از مطالعة روند‬
‫رشد اليه و تركیب شیمیايي سطح (تحلیل الكتروني) و همچنین آنالیز‬
‫در راستاي عمق نمونه‪.‬‬
‫در فرآيند طیف سنجي ‪ AES‬تحريك الكترون ها توسط باريكه اي از‬
‫الكترون هاي فرودي كه از يك تفنگ الكتروني بیرون مي آيند انجام‬
‫مي شود‪.‬‬
‫در نتیجة فرآيند اوژه‪ ،‬الكترون هاي ثانويه اي با توزيع انرژي‬
‫ً تیز بدست مي آيند‪.‬‬
‫نسبتا‬
‫به دلیل محدوديت درعمق فرار الكترون هاي اوژه‪ ،‬اين روش‪ ،‬يك روش‬
‫آنالیز حساس به سطح است‪.‬‬
‫با‬
‫اصول کار به اين صورت است که يک باريكه الكترون فرودي اولیه‬
‫‪18‬‬
‫‪ .8‬باريکه يونی متمرکز )‪(FIB‬‬
‫اين دستگاه بیشتر شبیه دستگاه میكروسكوپي الكتروني روبشی عمل می‬
‫کند‪.‬‬
‫با اين تفاوت که در دستگاه های ‪ FIB‬به جاي اشعه الكتروني از اشعه‬
‫يون هاي گالیم استفاده مي شود‪.‬‬
‫با برخورد اشعه به سطح نمونه اتم های سطحی به صورت يون های مثبت‬
‫و منفی يا به صورت اتم های خنثی از سطح جدا می شوند‪.‬‬
‫از سیگنال هاي ناشي از يون هاي خارج شده از سطح و يا الكترون هاي‬
‫ثانويه براي تصوير برداري استفاده مي شود‪.‬‬
‫همچنین در نمونه های نارسانا از يک تفنگ الکترونی کم انرژی‬
‫استفاده می شود‪.‬‬
‫تا به امروز بیشترين كاربرد دستگاه ‪FIB‬در صنعت نیمه هادي بوده‪ 19‬است‪.‬‬
‫قابليت هاي دستگاه ‪ FIB‬در نيمه هادي ها و مهن‬
‫‪ -1‬زدايش به كمك گازهاي ‪ XeF‬و ‪XeCl‬‬
‫‪ -2‬رسوب دهي فلزات‬
‫‪ -3‬ماشين كاري مواد تا قدرت تفكيك چند ده نانومتر‬
‫‪ -4‬تصويرگيري از سطوح با استفاده از الكترون ها و‬
‫يون هاي ثانويه‬
‫‪ -5‬تصويرگيري از كنتراست دانه ها بدون زدايش ماده‬
‫‪ -6‬بررسي وضعيت شيميايي سطوح به خصوص در‬
‫مطالعات خوردگي‬
‫‪ -7‬مقطع زني و تصوير برداري از سطوح‬
‫‪20‬‬
‫جدول مقايسه برخی پروب‬
‫های روبشی‬
‫‪21‬‬
‫با تشکر از توجه شما‬
‫‪22‬‬