كيف يعمل المجهر الانبوبي الماسح؟

يعتبر المجهر الأنبوبي الماسح من الأجهزة الأساسية الذي ساعد في دراسة المواد على المستوى الذري، وفي بناء وفحص التراكيب النانونية، لكن كيف يعمل المجهر الأنبوبي الماسح؟

يعتمد مبدأ تشغيل المجهر الأنبوبي الماسح على الظاهرة الميكانيكية الكمومية والتي تعرف باسم النفقية، لهذا السبب يطلق عليه اسم المجهر الماسح النفقي، وله خصائص تسمح للإكترونات بالقفز خارج سطح المادة الصلبة إلى الفضاء ضمن مناطق غير قادرة للوصول إليها وفق قواعد فيزيائية بدائية.

تم اختراع هذا المجهر في عام 1981 من قبل ثلاثة علماء من سويسرا عندما قاموا بعرض صورة لسطح الذهب على شاشة التلفزيون فشاهدوا صفوفًا من الذرات المختلفة الدقيقة، وحينها صنعوا جهاز الماسح الأنبوبي لإعطائهم صورة مباشرة للهيكل الذري للأسطح، وتم منحهم جائزة نوبل للفيزياء عام 1986 بسبب هذا الإنجاز.

يتألّف المجهر الأنبوبي الماسح أو المجهر النّفقي الماسح ( Scanning Tunneling Microscope-STM) من مسبار صغير ينتهي بذروة متناهية الصّغر (تقيس بالنانو متر). تتحرّك هذه الذروة بالقرب من العيّنة المراد دراستها بشكل خطي ذهاباً وإيابًا حتى يتم مسحها بشكل كامل. خلال هذه الأثناء، يمرَّر تيار كهربائي من المسبار باتجاه العيّنة بحيث تعتمد شدّة هذا التيّار على المسافة بين المسبار والعيّنة.

تتحرّك الإلكترونات بين ذروة المسبار وسطح العيّنة بشكل مستمر بما يشبه الأنبوب ويعرف ذلك بالتأثير الأنبوبي، كما ينتج عن هذه الحركة المستمرّة طاقة تعرف فيزيائيًّا بتأثير الأنبوب الكمومي. يتم التقاط هذه الطّاقة عبر أسلاك وتمريرها ضمن مضخّمات لتصبح قابلة للقياس. ثمّ تعرض النّتائج على شاشة تترجم هذه البيانات على شكل صورة.

ويحتوي على سلسلة من الألواح ذات الشحنة الموجبة الموضوعة على بعد بضعة سنتيمترات من الطرف الموصل بدائرة القياس والتي واحدتها نانومتر، ويوجد حاجز يفصل الألواح عن الالكترونات الموجودة في الطرف، ولكن مع وجود الشحنة الموجبة تصبح هناك قوة كافية لجذب الالكترونات من سطح المعدن مخترقة الحاجز إلى فراغ على أنها جسيمات حرة الحركة، وتشكل الفتحات التي توجد في الصفائح عدسة إلكترونية تحول الشعاع إلى سطح العينة.

كما تتحرك الإلكترونات من ذرة لأخرى عبر الأنفاق من خلال الحاجز الموجود بين مكانين ذريين، وعندما تتباعد الذرات بمقدار 5 أنغستروم يكون هناك احتمال محدود لاختراق الإلكترون للحاجز والإنتقال للذرة المجاورة.

ويُستخدم بشكل رئيسي لدراسة ترتيب الذرات الفردية على العديد من الأسطح المعدنية كالذهب و البلاتين والنيكل بدقة.

توصل ذروة المجهر بأنبوب كهروضغطي؛ وظيفة هذا الأنبوب هي الحفاظ على مسافة ثابتة بين الذروة والعيّنة عبر تبدّل الضغط المتبق في الفراغ بينهما، تسمح التغييرات في الضغط الطبّق بتكوين صورة ثلاثية الأبعاد لسطح المادة أثناء مسح العيّنة.

بفضل خاصّية التصوير ثلاثيّة الأبعاد هذه؛ يعتبر المجهر الأنبوبي المتقطع مفيد جدًا لتوصيف خشونة سطح العيّنة، ضبط عيوب السّطح مهما صغرت، تحديد حجم وبنية الجزيئات المفحوصة بالإضافة إلى توصيف شكل تجمعها على السطح بدقّة. تفيد المعلومات التي يقدّمها المجهر على نطاق واسع في مجال الصّناعات المتنوّعة وخاصّة لاختبار العيّنات المعدنيّة في صناعة الحديد مثلًا وغيرها…

تتيح لك الكثيرٌ من المجاهر رؤية أدقّ التفاصيل والأجسام مثل: البكتيريا، والجزيئات، الفيروسات حتى أن بعض المجاهر تتيح رؤية ذرات البلور. وبالتأكيد، إن هذه المجاهر ليست كتلك التي شاهدناها في سنين الدراسة المدرسية؛ حيث تتيح هذه المجاهر رؤية الأجسام التي تكون أبعادها من رتبة النانومتر. كما تعتمد هذه المجاهر في عملها على تيارٍ من الالكترونات بدلًا من شعاع الضوء. ومن هذه المجاهر، هو “المجهر الانبوبي الماسح” أو الذي يعرف بالإنجليزية “Scanning tunneling microscopes (STMs)” والذي تمَّ اختراعه في عام 1981 من قبل “Gerd Binnig” و”Heinrich Rohrer”.

يتميز هذا المجهر بأسلوب عملٍ مختلفٍ عن غيره من المجاهر الأخرى. حيث يحتوي المجهر على مسبارٍ معدنيٍ، يجري عملية المسح عبر سطح العينة ذهابًا وإيابًا. تحاول الالكترونات خلال هذه العملية القفز من العينة إلى المسبار المعدني وفق ما يعرف بظاهرة ال tunneling، وكلما كان المسبار أقرب إلى سطح العينة كلما سهّل على الالكترونات القفز إليه.

مع تكرار هذه العملية، يقوم المجهر بقياس قمم وتضاريس العينة بدقةٍ عاليةٍ وفقًا لحركة المسبار. يتم ربط المجهر بالحاسب، الذي يقوم بترجمة الإشارات الواردة من المجهر وتفسيرها إلى رسمٍ يُوضّح التفصيل الجزيئيّ للعينة. على عكس باقي المجاهر الالكترونية التي تنتج صورًا مشوهةً للعينة، بسبب الطاقة العالية فإن المجهر الانبوبي الماسح، يتجنب حدوث ذلك باستخدام طاقة إلكتروناتٍ أقل.

ويعتمد الجهاز في عمله على العديد من المبادئ الرئيسية، ومن أهمها التأثير الميكانيكي الكمومي النفقي الذي يسمح برؤية التفاصيل الدقيقة جدًا على سطح العينة المدروسة، وللتأثير الكهروضغطي أيضًا أهمية كبيرة في عمل المجهر، وهو التأثير الذي يسمح لنا بالتحكم بالطرف الحاد للسلك المعدني بدقة هائلة، كما يجب توفر حلقة تغذية راجعة (feedback loop) مهمتها مراقبة سير التيار في الانبوب وشدته بالإضافة إلى موقع الطرف الحاد ضمن المجهر.

توضح الصورة التالية آلية عمل المجهر بشكل دقيق، فكل تأثير من التأثيرات السابقة يقوم بعمله بشكل دقيق بينما يُوكل إلى دارة التغذية الراجعة مهمة الحفاظ على التيار ثابتًا بهدف خلق صورة ثلاثية الأبعاد للتضاريس التي يتم إظهارها بطريقة الإلكترونية.