في عام 1981 م اخترع العالمان جيرد بينج وهنريك ردهر المجهر النفقي الماسح (انظر الشكل رقم 23)، الذي يصوّر الأجسام بحجم النانو، ومنذ ذلك التاريخ ازدادت الاهتمامات البحثية المتعلقة بتصنيع ودراسة التركيبات النانوية للمواد. فعندما نتحدث عن الميكروسكوب فإن أول ما نفكر فيه هو جهاز الميكروسكوب الذي نعرفه في مختبرات المدارس، والذي يكوّن صورة ضوئية عن العينة المراد النظر إليها وهي مكبرة. ومع تقدم العلم وتطوره أصبح بالإمكان أن نحصل على تكبير يفوق أي توقع. وفي بدايات القرن العشرين، وتزامنًا مع اكتشاف الفيزياء الحديثة والخاصية المزدوجة للإشعاع الكهرومغناطيسي، والجسيمات المادية، ونظرية ميكانيكا الكم التي تدرس الأجسام على المستوى الذري الدقيق، أصبح بالإمكان تصميم ميكروسكوب يكبر العينة بدرجة عالية جدا قد تصل إلى مئات الآلاف من المرات، وهي تعتمد على استخدام موجة الإلكترون. وقد تحدثنا عن الميكروسكوب الإلكتروني الماسح (SEM)، والميكروسكوب الإلكتروني النفاذ (TEM).

ثم توالت الاكتشافات حتى ظهر لنا في عام 1981 م ميكروسكوب جديد من حيث فكرة عمله، وإمكاناته وقدراته واستخداماته المتنوعة، ويعرف هذا الميكروسكوب باسم الميكروسكوب النفقي الماسح. ويعد جهاز الميكروسكوب النفقي الماسح من الأجهزة الأساسية في علم تقنية النانو، حيث ساعد في دراسة المواد على المستوى الذري، وفي بناء التراكيب النانوية وفحصها. وتعتمد فكرة عمله على مبدأ النفق الكمي (quantum tunneling)، فعندما يقترب طرف المجس الموصل للكهرباء من السطح المراد فحصه يطبق فرق جهد بين السطح وطرف المجس، بحيث يسمح بمرور الإلكترونات عبر نفق بينهما يعرف باسم التيار النفقي. Tunneling current)) ويعتمد التيار النفقي على موضع المجس للسطح، كما يعتمد على فرق الجهد المطبق، والكثافة الإلكترونية الموضعية للعينة.

وسنشرح في السطور التالية فكرة عمل جهاز الميكروسكوب النفقي (STM)، وأنماط تشغيله ⁽²⁴⁾.

شكل رقم (23) المجهر النفقي الماسح (STM) (24).

إن المجهر النفقي الماسح الذي يعرف اختصارًا بـ (STM) أداة قوية؛ للحصول على صور خاصة بأسطح المواد على المستوى الذري.

وقد اخترع هذا الجهاز في عام 1981 م على يدي العالمان جرد بينج (Binnig Gerd) وهينرش روهر Heinrich Rohrer)) في شركة IBM)) ، وحصلا على جائزة نوبل في عام  1986م؛ لاختراعهما هذا الجهاز الذي سمح لأول مرة برؤية الذرة في أبعادها الثلاثة. ويتمتع جهاز (STM) بقدرة تحليلية عالية تصل إلى 0.1 نانومتر وعمق يصل إلى 0.01 نانومتر، وبهذه القدرة التحليلية العالية يمكن أن نحصل على صور الذرات على أسطح المواد، بالإضافة إلى التحكم في الذرات، وتحريكها. كما أن المعلومات التي نحصل عليها من جهاز (STM) ناتجة عن مراقبة التغير في التيار النفقي عند مسح سطح العينة بالمجس، ومن ثمّ عرض البيانات في شكل صورة. ويتطلب تشغيل جهاز (STM) درجة عالية من نظافة سطح المادة واستقرارها؛ ولهذا يشغل الميكروسكوب في غرفة مفرغة من الهواء (vacuum chamber)، ويكون المجس حادًا جدًّا، بحيث يكون طرفه بسمك ذرة، أو ذرتين، ويتصل المجسّ بأجهزة تحكم دقيقة؛ لتحريكه في الأبعاد الثلاثة للعينة، وتستخدم أيضًا إلكترونيات متطورة؛ لرصد التيار، وتحويل التغيرات فيه إلى صورة.

ويوضح الشكل التخطيطي رقم (24) كيفية عمل جهاز (STM). وتعتمد القدرة التحليلية للجهاز على نصف قطر تحدب المجس الماسح، حيث للمجسّ الماسح دور أساس في الحصول على صورة نقية، وتبلغ دقة المجسّ الماسح درجة متقدمة؛ وذلك حين احتواء نهايته على ذرة واحدة فقط.

ويصنع المجس الماسح من مادة التنجستن أو من البلاتينيوم، والأريديوم، أو الذهب. وتستخدم طريقة النحت الكهروكيميائي (electrochemical etching) في حالة مجسات التنجستن، في حين تستخدم طرق ميكانيكية في حالة المجسات المصنوعة من البلاتينيوم، والأريديوم.

ونظرا لحساسية التيار النفقي المتغيرة؛ للتغير في الارتفاع، توجب عزل المجس عن الاهتزازات، أو تثبيت الجهاز على قاعدة صلبة؛ للحصول على نتائج مفيدة. وقد استخدمت في أول جهاز نفقي صممه العالمان بينج وروهر رافعة مغناطيسية؛ للحفاظ على الجهاز، وإبعاده عن أي اهتزازات. وتستخدم حاليا زنبركات ميكانيكية، أو زنبركات غازية. كما تستخدم أيضًا وسائل أخرى؛ للتقليل من التيارات الدوامية (Eddy currents)، ومن ثمّ الحفاظ على موضع المجسّ للعينة، والتحكم في عملية مسح سطح العينة. وللحصول على البيانات تستخدم حاسبات دقيقة. كما أنّ الحاسبات تستخدم؛ لتحسين الصورة الملتقطة بالجهاز عن طريق برامج معالجة الصور، والقيام بالقياسات الكمية على العينة.

شكل رقم (24) رسم توضيحي للمجهر النفقي الماسح (STM) (24).

_________________________________________________

هوامش

(24) الاسكندراني؛ محمد شريف. تكنولوجيا النانو من اجل غد أفضل. الكويت: عالم المعرفة (ابريل 2010 م).