المجهر النفقي الماسح

مقدمة

المجهر النفقي الماسح (Scanning Tunneling Microscope, STM) هو تقنية متقدمة تُستخدم لدراسة سطح المواد على مستوى النانو. تم تطوير هذه التقنية في عام 1981 بواسطة العالمين جيرارد بوندر وهنري كوفل، وتعتبر واحدة من أكثر الأدوات دقة في قياس الهياكل الذرية.

يعتبر المجهر النفقي الماسح (STM) أداة قوية للغاية لدراسة الهياكل على النطاق الذري، حيث يوفر معلومات دقيقة حول الخصائص السطحية والخصائص الإلكترونية للمواد. بفضل دقته العالية وتطبيقاته المتعددة، يلعب STM دورًا محوريًا في مجالات البحث العلمي والتطبيقات الصناعية.

تتيح تقنية STM فحص مجموعة واسعة من العينات، بدءًا من المعادن وأشباه الموصلات وصولاً إلى المواد الحيوية والمركبات النانوية. يعد هذا التنوع في العينات أحد الأسباب التي تجعل STM أداة قوية في البحث العلمي والتطبيقات الصناعية.

التعريف بالقياس

يعتمد STM على مبدأ "النفق الكمومي"، حيث يقوم المسبار (الإبرة) بالتحرك فوق سطح العينة بارتفاع قريب جداً من الذرات. عندما يقترب المسبار من سطح العينة، يحدث تدفق للتيار الكهربائي بين المسبار والعينة بسبب النفق الكمومي. يتم قياس هذا التيار، والذي يتناسب مع المسافة بين المسبار وسطح العينة، مما يسمح بتكوين صورة ثلاثية الأبعاد دقيقية لسطح المادة.

دقة عالية: يمكن أن يصل STM إلى دقة تصل إلى 0.1 نانومتر، مما يجعله مناسبًا لدراسة الهياكل الذرية.

معلومات عن الخصائص الإلكترونية: يمكن استخدام STM لدراسة الخصائص الإلكترونية للمواد، مثل توزيع الكثافة الإلكترونية.

تحليل في الوقت الحقيقي: يمكن إجراء القياسات في الوقت الحقيقي، مما يسمح بمراقبة التغيرات الديناميكية على السطح.

الفائدة من القياس

علم المواد: لدراسة الخصائص السطحية للمعادن، أشباه الموصلات، والبوليمرات.

الكيمياء: لفحص التفاعلات الكيميائية على السطح ودراسة المركبات النانوية.

الفيزياء: لدراسة الخصائص الكمية للمواد وتحليل الأنظمة المعقدة.

علم الأحياء: لدراسة الهياكل البيولوجية مثل البروتينات والأغشية.

أنواع العينات القابلة للقياس

1. المعادن:

• السبائك: مثل الألومنيوم والنحاس والحديد، لدراسة الخصائص السطحية والتفاعلات.

• المعادن الثمينة: مثل الذهب والفضة، لفحص الخصائص الإلكترونية والسلوك السطحي.

2. أشباه الموصلات:

• السيليكون: لدراسة الهياكل الذرية والتفاعلات الإلكترونية.

• الجاليوم أرسينيد (GaAs): لفحص الخصائص الكهربائية والميكانيكية.

3. المواد النانوية:

• الجسيمات النانوية: لدراسة الخصائص البصرية والكيميائية.

• الأفلام الرقيقة: مثل الأفلام الرقيقة من البوليمرات أو المواد الفوتونية لتحليل التفاعلات السطحية.

4. المركبات الكيميائية:

• المواد العضوية: مثل الأصباغ والمركبات العضوية ذات الأهمية البيولوجية.

• المواد الكيميائية: مثل الأحماض والقواعد، لدراسة التفاعلات السطحية.

5. المواد الحيوية:

• الخلايا والأنسجة: لدراسة التركيب الخلوي والتفاعلات البيولوجية.

• البروتينات: لدراسة الهياكل ثلاثية الأبعاد والتفاعلات السطحية.

6. المواد البوليمرية:

البوليمرات: لدراسة الخصائص الفيزيائية والكيميائية والتفاعلات مع العوامل البيئية.

شروط القياس

يجب أن تكون العينة نظيفة وأسطحها مُعالجة بشكل جيد. يُفضل أن تكون السطح مستوية وخالية من الشوائب.

تحليل النتائج

تُستخدم برامج متخصصة لمعالجة البيانات وتحليلها، بما في ذلك تحسين الصور وتقليل الضوضاء.

يتم تفسير البيانات بناءً على الخصائص السطحية والذرية المستخلصة، ويمكن القيام بذلك بمقارنة النتائج مع البيانات السابقة أو النماذج النظرية.

من المهم أن يكون المحلل على دراية بكيفية تفسير النتائج والتعامل مع أي تباينات أو انحرافات قد تظهر، يمكن الحصول على معلومات أخرى قيِّمة تؤدي إلى تقدم في مجالات البحث والتطوير من خلال التواصل مع خبراء مركز فوتون.