اسکیننگ ٹنلنگ الیکٹران مائکروسکوپی کا تعارف
تعارف
ٹرانسمیشن الیکٹران مائکروسکوپ مادہ کی مجموعی ساخت کا مشاہدہ کرنے میں بہت مفید ہے، لیکن سطح کی ساخت کے تجزیہ میں یہ زیادہ مشکل ہے، کیونکہ ٹرانسمیشن الیکٹران مائکروسکوپ نمونے کے ذریعے اعلی توانائی والی بجلی کے ذریعے معلومات حاصل کرتی ہے، جو نمونے کے مادے کی عکاسی کرتی ہے۔ . اندرونی معلومات. اگرچہ اسکیننگ الیکٹران مائکروسکوپی (SEM) سطح کے بعض حالات کو ظاہر کر سکتی ہے، چونکہ واقعہ الیکٹران میں ہمیشہ ایک خاص توانائی ہوتی ہے اور وہ نمونے میں گھس جاتے ہیں، نام نہاد "سطح" کا تجزیہ ہمیشہ ایک خاص گہرائی میں ہوتا ہے، اور تقسیم کی شرح بھی ہوتی ہے۔ بہت متاثر. حد اگرچہ فیلڈ ایمیشن الیکٹران مائیکروسکوپ (ایف ای ایم) اور فیلڈ آئن مائیکروسکوپ (ایف آئی ایم) کو سطحی تحقیق کے لیے اچھی طرح استعمال کیا جا سکتا ہے، لیکن نمونے کو خاص طور پر تیار کیا جانا چاہیے اور اسے صرف ایک بہت ہی پتلی سوئی کی نوک پر رکھا جا سکتا ہے، اور نمونہ کو برداشت کرنے کے قابل بھی ہونا چاہیے۔ اعلی شدت والے برقی فیلڈز، تاکہ یہ اس کے اطلاق کے دائرہ کار کو محدود کرے۔
اسکیننگ ٹنلنگ الیکٹران مائیکروسکوپ (STM) بالکل مختلف اصول پر کام کرتی ہے، یہ الیکٹران بیم (جیسے ٹرانسمیشن اور اسکیننگ الیکٹران مائیکروسکوپ) کے ساتھ نمونے پر عمل کرکے نمونے کے مادے کے بارے میں معلومات حاصل نہیں کرتی ہے، اور نہ ہی یہ اعلی درجے کی مائکروسکوپ کا استعمال کرتی ہے۔ نمونے میں الیکٹرانوں کو باہر آنے سے زیادہ حاصل کرنے کے لیے الیکٹرک فیلڈ کام کی توانائی سے بننے والی ایمیشن کرنٹ امیجنگ (جیسے فیلڈ ایمیشن الیکٹران مائکروسکوپ) کو نمونے کے مواد کا مطالعہ کرنے کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے۔ نمونے کی سطح پر ٹنل کرنٹ کا پتہ لگا کر اس کی تصویر کشی کی جاتی ہے، تاکہ نمونے کی سطح کا مطالعہ کیا جا سکے۔
اصول
کوانٹم میکانکس میں ٹنلنگ اثر کے اصول کے مطابق ٹھوس سطح پر ایٹموں میں الیکٹرانوں کے ٹنلنگ کرنٹ کا پتہ لگا کر ٹھوس کی سطح کی شکل کو الگ کرنے کے لیے اسکیننگ ٹنلنگ مائکروسکوپ ایک نئی قسم کا خوردبینی آلہ ہے۔
الیکٹرانوں کے سرنگوں کے اثر کی وجہ سے، دھات میں الیکٹران مکمل طور پر سطح کی حد کے اندر محدود نہیں ہیں، یعنی، الیکٹران کی کثافت اچانک سطح کی حد پر صفر تک نہیں گرتی، بلکہ سطح سے باہر تیزی سے زوال پذیر ہوتی ہے۔ کشی کی لمبائی تقریباً 1nm ہے، جو الیکٹرانوں کے فرار ہونے میں سطح کی رکاوٹ کا ایک پیمانہ ہے۔ اگر دو دھاتیں ایک دوسرے کے بہت قریب ہیں، تو ان کے الیکٹران کے بادل اوورلیپ ہو سکتے ہیں۔ اگر دو دھاتوں کے درمیان ایک چھوٹا سا وولٹیج لگایا جاتا ہے، تو ان کے درمیان ایک برقی کرنٹ (جسے ٹنلنگ کرنٹ کہتے ہیں) دیکھا جا سکتا ہے۔
کام کرنے کا طریقہ
اگرچہ اسکیننگ ٹنلنگ الیکٹران خوردبین کی ترتیب مختلف ہیں، لیکن ان سب میں مندرجہ ذیل تین اہم حصے شامل ہیں: ایک مکینیکل سسٹم (آئینے کا باڈی) جو جانچ کو چلاتا ہے تاکہ کنڈکٹیو نمونے کی سطح کی نسبت تین جہتی حرکت کرے، اور اس کا استعمال تحقیقات کو کنٹرول اور مانیٹر کریں۔ نمونے سے فاصلے کے لیے الیکٹرانک نظام اور ناپے گئے ڈیٹا کو تصویروں میں تبدیل کرنے کے لیے ڈسپلے کا نظام۔ اس کے کام کرنے کے دو طریقے ہیں: مستقل کرنٹ موڈ اور مستقل ہائی موڈ۔
مستقل کرنٹ موڈ
ٹنلنگ کرنٹ کو الیکٹرانک فیڈ بیک سرکٹ کے ذریعے کنٹرول کیا جاتا ہے اور اسے مستقل رکھا جاتا ہے۔ پھر کمپیوٹر سسٹم نمونے کی سطح پر اسکین کرنے کے لیے سوئی کی نوک کو کنٹرول کرتا ہے، یعنی سوئی کی نوک کو x اور y سمتوں کے ساتھ دو جہتی حرکت دینا۔ چونکہ ٹنل کرنٹ کو مستقل رہنے کے لیے کنٹرول کرنے کی ضرورت ہے، اس لیے سوئی کی نوک اور نمونے کی سطح کے درمیان مقامی اونچائی بھی مستقل رہے گی، اس لیے سوئی کی نوک نمونے کی سطح کے اتار چڑھاؤ کے ساتھ وہی اتار چڑھاؤ انجام دے گی، اور اس کے مطابق اونچائی کی معلومات کی عکاسی کی جائے گی۔ باہر او. کہنے کا مطلب یہ ہے کہ سکیننگ ٹنلنگ الیکٹران مائکروسکوپ نمونے کی سطح کی تین جہتی معلومات حاصل کرتی ہے۔ یہ کام کرنے کا طریقہ جامع تصویری معلومات، اعلیٰ معیار کی خوردبین تصاویر حاصل کرتا ہے اور بڑے پیمانے پر استعمال ہوتا ہے۔
مسلسل اونچائی موڈ
نمونے کی اسکیننگ کے عمل کے دوران سوئی کی نوک کی مطلق اونچائی کو مستقل رکھیں؛ پھر سوئی کی نوک اور نمونے کی سطح کے درمیان مقامی فاصلہ بدل جائے گا، اور سرنگ کے کرنٹ I کا سائز بھی اسی کے مطابق بدل جائے گا۔ ٹنل کرنٹ I کی تبدیلی کو کمپیوٹر کے ذریعے ریکارڈ کیا جاتا ہے اور اس میں تبدیل ہونے پر امیج سگنل ظاہر ہوتا ہے، یعنی ایک سکیننگ ٹنلنگ الیکٹران مائیکروسکوپ مائیکرو گراف حاصل کیا جاتا ہے۔ کام کرنے کا یہ طریقہ صرف نسبتاً فلیٹ سطحوں اور واحد اجزاء والے نمونوں کے لیے موزوں ہے۔
درخواست
ٹنلنگ خوردبین کا اصول چالاکی کے ساتھ فزیکل ٹنلنگ اثر اور ٹنلنگ کرنٹ کو استعمال کرنا ہے۔ دھاتی جسم میں "مفت" الیکٹرانوں کی ایک بڑی تعداد موجود ہے، اور دھاتی جسم میں ان "مفت" الیکٹرانوں کی توانائی کی تقسیم فرمی سطح کے قریب مرکوز ہے، اور فرمی سطح سے زیادہ توانائی کے ساتھ ایک ممکنہ رکاوٹ موجود ہے۔ دھات کی حد. لہذا، کلاسیکی طبیعیات کے نقطہ نظر سے، دھات میں "آزاد" الیکٹران، صرف وہی الیکٹران جن کی توانائی باؤنڈری بیریئر سے زیادہ ہے، دھات کے اندر سے باہر کی طرف فرار ہو سکتے ہیں۔ تاہم، کوانٹم میکانکس کے اصولوں کے مطابق، دھاتوں میں آزاد الیکٹران بھی لہر کی خصوصیات رکھتے ہیں، اور جب یہ الیکٹران لہر دھات کی حد تک پھیلتی ہے اور سطح کی رکاوٹ کا سامنا کرتی ہے، تو اس کا کچھ حصہ منتقل ہو جاتا ہے۔ کہنے کا مطلب یہ ہے کہ سطح کے ممکنہ رکاوٹ سے کم توانائی والے کچھ الیکٹران دھات کی سطح کے ممکنہ رکاوٹ کو گھس سکتے ہیں اور دھات کی سطح پر ایک "الیکٹران کلاؤڈ" بنا سکتے ہیں۔ اس اثر کو ٹنلنگ کہتے ہیں۔ لہذا، جب دو دھاتیں ایک دوسرے کے قریب ہوں گی (چند نینو میٹر سے کم)، دونوں دھاتوں کے الیکٹران بادل ایک دوسرے میں گھس جائیں گے۔ جب ایک مناسب وولٹیج لاگو کیا جاتا ہے، یہاں تک کہ اگر دو دھاتیں واقعی آپس میں نہیں ہیں، ایک کرنٹ ایک دھات سے دوسری دھات میں بہے گا۔ اس کرنٹ کو ٹنل کرنٹ کہتے ہیں۔
ٹنل کرنٹ اور ٹنل ریزسٹنس ٹنل گیپ میں ہونے والی تبدیلیوں کے لیے بہت حساس ہیں۔ یہاں تک کہ ٹنل گیپ میں 0.01nm کی تبدیلی بھی ٹنل کرنٹ میں اہم تبدیلیوں کا سبب بن سکتی ہے۔
اگر ہموار نمونے کی سطح سے نینو میٹر کے چند دسویں حصے کی اونچائی پر x اور y سمتوں میں سطح کے متوازی اسکین کرنے کے لیے ایک بہت تیز پروب (جیسے ٹنگسٹن سوئی) کا استعمال کیا جاتا ہے، کیونکہ ہر ایٹم کا ایک خاص سائز ہوتا ہے، درمیانی سرنگ کا فاصلہ x اور y کے ساتھ مختلف ہوگا، اور سرنگ کا کرنٹ بھی مختلف ہوگا۔ یہاں تک کہ نینو میٹر کے چند سوویں حصے کی اونچائی کی مختلف حالتوں کو بھی ٹنلنگ کرنٹ میں جھلکایا جا سکتا ہے۔ سکیننگ پروب کے ساتھ مطابقت پذیر ریکارڈر کا استعمال ٹنلنگ کرنٹ کی تبدیلیوں کو ریکارڈ کرنے کے لیے کیا جاتا ہے، اور ایک سکیننگ ٹنلنگ الیکٹران مائیکروسکوپ امیج حاصل کی جا سکتی ہے جس کی ریزولوشن نینو میٹر کے چند سوویں حصے کے ساتھ ہو۔
