في البداية يطبق فرق جهد على المجس الماسح؛ ليتحرك عموديا في اتجاه سطح العينة، وعندما يصبح على بعد مسافة صغيرة جدًّا من سطح العينة يتوقف المجسّ. ثم تبدأ بعد ذلك مرحلة التحكم الدقيق في حركة المجس في الأبعاد الثلاثة، وذلك بالقرب من العينة ويستخدم بيزو إلكترك؛ للحفاظ على ثبات المسافة بين المجسّ والعينة، وذلك في حدود 4 إلى 7 إنجسترومات. وفي هذه الحالة يعمل فرق الجهد على دفع الإلكترونات إلى التحرك النفقي بين رأس المجسّ والعينة (انظر: الشكل رقم 25)؛ فينتج عنه تيار نفقي يمكن قياسه. وعندما يبدأ التيار النفقي بالسريان، يمكن أن يتغير موضع رأس المجس لسطح العينة، ثمّ ترصد التغيرات في التيار النفقي الناتج فإذا تحرك رأس المجس عبر العينة في المستوى x-y، فإنّ التغيرات التي في ارتفاع السطح وكثافته تحدث تغيرات في التيار النفقي، وهذه التغيرات ترصد ثمّ ترسم على شكل صورة. ويمكن أن تتم عملية رسم الصورة، إما بقياس التغيرات في التيار النفقي لسطح العينة عند ارتفاع ثابت بين رأس المجسّ والعينة وإما أن تتم برصد التغير في ارتفاع Z عند جعل التيار النفقي ثابتاً عبر تغير ارتفاع رأس المجس لسطح العينة. وهذان النمطان من أنماط التشغيل يعرفان باسم نمط الارتفاع الثابت (constant height mode)، أو نمط التيار النفقي الثابت.

ويلحظ في نمط التيار الثابت إعادة ضبط أجهزة التغذية العكسية الإلكترونية ارتفاع رأس المجس بتعديل قيمة الجهد على البيزروالكتريك الذي يتحكم في الارتفاع. وهذا يؤدي إلى الحصول على تغيرات في الارتفاع. والصورة التي نحصل عليها من رأس المجس تمثل صورة تضاريس سطح العينة، وتعطي كثافة شحنة سطحية ثابتة ومن ثم فإنّ التباين في الصورة ناجم عن التغيرات في كثافة الشحنة وكذلك في نمط الارتفاع الثابت يثبت فرق الجهد والارتفاع، في حين تقاس التغيرات في التيار النفقي أثناء مسح رأس المجس سطح العينة؛ وهذا يؤدي إلى الحصول على صورة التغيرات في التيار النفقي على السطح، والتي ترتبط بكثافة الشحنة.

وكل الصور التي نحصل عليها عن طريق جهاز المسح النفقي تمثل صورًا بتدرجات رمادية. وللحصول على صورة ملونة لا بد من استخدام برامج حاسوبية؛ لإبراز الميزات المهمة المراد إظهارها في الصورة.

شكل رقم (25) مسح المجس سطح العينة على المستوى الذري في جهاز (STM) (24).

ومما يجد ذكره في عملية مسح سطح العينة، أن المعلومات التي ترصد بواسطة الأجهزة الإلكترونية تكون دالة على موضع سطح العينة، وعند كل موضع من مواضع سطح العينة يحدث تغير في الجهد الكهربي، ثم يتبعه تغير في التيار. وهذه القياسات تعرف باسم طيف المسح النفقي (scanning tunneling spectroscopy)، كما تعرف اختصارًا بـ (STS)، وتنتج عنها مخططات توضح كثافة المستويات، وتكون دالة على الطاقة داخل العينة. وتتميز تقنية (STM) عن أجهزة قياس كثافة المستويات الأولى في قدرتها على أخذ قياسات موضعية على نحو دقيق، فعلى سبيل المثال لا الحصر: يمكن قياس كثافة المستويات في موضع توجد فيه شوائب في العينة، ومن ثم مقارنتها بموضع آخر لا توجد فيه شوائب على سطح العينة نفسه.

شكل (26) صورة لسطح من الذهب مأخوذة بواسطة المجهر الإلكتروني الماسح (STM) توضح كيفية التفاف الذرات الفردية مكونة السطح (92).

_____________________________________________

هوامش

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

(92) www.ShutterStock.com