הצגת המקור של הדף "מיקרוסקופ מנהור סורק"

{{מפנה|STM|מונח בתקשורת נתונים|Synchronous optical networking}}
[[קובץ:Atomic resolution Au100.JPG|שמאל|ממוזער|250px|תמונה של סידור מחדש של משטח [[זהב]], כפי שהתקבלה במיקרוסקופ מנהור סורק]]
[[File:Pentacene on Ni(111) STM.jpg|thumb|תמונת מיקרוסקופ מנהור סורק של מולקולת פנטצין (pentacene).<ref>{{cite journal|doi=10.1039/C4NR07057G|pmid=25619890|title=Pentacene on Ni(111): Room-temperature molecular packing and temperature-activated conversion to graphene|journal=Nanoscale|volume=7|issue=7|pages=3263–9|year=2015|last1=Dinca|first1=L.E.|last2=De Marchi|first2=F.|last3=MacLeod|first3=J.M.|last4=Lipton-Duffin|first4=J.|last5=Gatti|first5=R.|last6=Ma|first6=D.|last7=Perepichka|first7=D.F.|last8=Rosei|first8=F.|author-link7=Dmitrii Perepichka|bibcode= 2015Nanos...7.3263D}}</ref>]]
'''מיקרוסקופ מנהור סורק''', או '''ממ"ס''' ('''Scanning Tunneling Microscope''' או '''STM''') הוא [[מיקרוסקופ]] אשר בעזרתו ניתן לבחון משטחים ברמה ה[[אטום|אטומית]]. המיקרוסקופ פותח בשנת [[1981]] במעבדות של [[IBM]] ב[[ציריך]] על ידי [[גרד ביניג]] ו[[היינריך רורר]], שקיבלו על המצאתם [[פרס נובל לפיזיקה]] בשנת 1986.
ה[[רזולוציה]] של ממ"ס יכולה להגיע ל-1.1 [[מטר|ננומטר]] במישור האופקי ול-0.01 ננומטר בציר האנכי. 
בניגוד ל[[מיקרוסקופ אלקטרוני]] השימוש בממ"ס אינו מחייב [[ואקום]] או [[טמפרטורה|טמפרטורות]] נמוכות. עם זאת, הסריקה דורשת משטח נקי מאוד וטיפ חד ומדויק.

המיקרוסקופ סורק את המשטח הנבחן בעזרת חוד סורק, והסריקה מתבססת על תופעת ה[[מנהור קוונטי|מנהור]], תופעה [[מכניקת הקוונטים|קוונטית]] של מעבר [[אלקטרון|אלקטרונים]] דרך [[בור פוטנציאל|מחסום פוטנציאל]] - במקרה של המיקרוסקופ, בין קצה החוד למשטח. [[זרם חשמלי|זרם]] המנהור יהיה תלוי מחד במרחק החוד מפני השטח ומאידך בצפיפות [[מצב קוונטי|מצבים קוונטיים]] פנויים על המשטח. שני הגורמים מאפשרים לבחון בעזרת המיקרוסקופ את פני המשטח, וגם להבחין בסוגים שונים של אטומים הנמצאים על המשטח, או לצפות בשינויים אנרגטיים באטומים מאותו סוג.

בנוסף לתפקידו ככלי תצפית, יכול הממ"ס לשמש להזזת אטומים בודדים. יכולת זו התפרסמה כאשר בשנת [[1989]] סידרו החוקרים במרכז מחקר של [[יבמ]] 35 אטומים של [[קסנון]] בצורת האותיות IBM על פני משטח של [[ניקל]], ובכך ייצרו את שלט הפרסום הקטן בעולם, אשר גובהו היה 5 ננומטר בלבד.

==מנהור==
{{ערך מורחב|מנהור קוונטי}}
[[מנהור קוונטי|מנהור]] היא תופעה [[מכניקת הקוונטים|קוונטית]] של מעבר [[חלקיק אלמנטרי|חלקיק]] דרך [[בור פוטנציאל|מחסום פוטנציאל]] אשר ה[[אנרגיה]] שלו גבוהה מ[[אנרגיה קינטית|האנרגיה הקינטית]] של החלקיק. לא ניתן להסביר את התופעה באמצעות [[מכניקה קלאסית]], אשר במסגרת החוקים שלה חפץ אשר נתקע במחסום אותו הוא לא יכול לעבור יוחזר מהמחסום. במסגרת מכניקת הקוונטים ניתן להסביר את התופעה עבור חלקיקים בעלי מסה קטנה במיוחד, כגון ה[[אלקטרון]], אשר התנהגותם כ[[דואליות גל-חלקיק|גל]] משמעותית יותר, ולכן גדלה ההסתברות שיעברו בעד המחסום.

רמות האנרגיה של אלקטרונים ((''ψ''<sub>''n''</sub>(''z'') במימד אחד בנוכחות מחסום פוטנציאל (במקרה שלנו - בין קצה החוד הסורק של המיקרוסקופ לבין פני המשטח הנסרק) מתקבלות מפתרון [[משוואת שרדינגר]]:
::<math>- \frac{\hbar^2}{2m} \frac{\partial^2\psi_n (z)}{\partial z^2} + U(z) \psi_n (z) = E\psi_n (z) </math>,

כאשר ''ħ'' הוא [[קבוע פלאנק|קבוע פלאנק המצומצם]] (שלעיתים נקרא קבוע דיראק), ''m'' הוא [[מסה|מסת]] האלקטרון ו''z'' הוא מיקומו על הציר. כאשר אלקטרון בעל אנרגיה E נופל על מחסום פוטנציאל בעל אנרגיה (''U''(''z'', [[פונקציית גל|פונקציית הגל]] של האלקטרון היא פונקציה של [[גל מתקדם]], אשר משוואתה: 

::<math>\psi_n (z) = \psi_n (0)e^{\pm ikz}</math>,

כאשר

::<math> k=\frac{\sqrt{2m(E-U)}}{\hbar}</math> 

בתנאי ש(''E'' > ''U''(''z'' - למשל, אם האלקטרון נמצא באחד משני צדי המחסום. אם האלקטרון נמצא בתוך המחסום, ניתן לתארו על ידי פונקציית גל קורס:

::<math>\psi_n (z) = \psi_n (0)e^{\pm \kappa z}</math>,

כאשר

::<math> \kappa = \frac{\sqrt{2m(U-E)}}{\hbar}</math>

קובע את קצב קריסת הגל בתוך המחסום. 

כאשר חישבנו את [[פונקציית גל|פונקציית הגל]] של האלקטרון, ניתן לחשב את ההסתברות של הימצאות האלקטרון בכל נקודה בתוך המחסום. כאשר נפעיל [[מתח חשמלי|מתח]] בין צדי המחסום - כלומר בין חוד למשטח - יתחברו שני הקצוות של הגלים הקורסים, וכך נקבל הסתברות סופית כלשהי של הימצאות האלקטרון בצד השני של המחסום. נניח והפעלנו על המחסום ברוחב ''W'' מתח ''V'', כאשר קצהו אחד של המחסום נמצא ב-''z''=0. במקרה כזה ההסתברות של האלקטרון להימצא ב-''z''=''W'' תהיה תלויה ביחס ישר לפונקציית הגל שלו בריבוע:

::<math>P \propto |\psi_n (0)|^2 e^{-2 \kappa W} </math>

אנו רואים כי ההסתברות, ובהתאם אליה זרם המנהור, תלויים ברוחב המחסום, כך שעם הקטנת הרוחב - במקרה של המיקרוסקופ המרווח שבין החוד הסורק למשטח - יגדל הזרם בצורה [[פונקציה מעריכית|אקספוננציאלית]]. 

כאשר המתח ''V'' קטן יחסית, רק אלקטרונים הקרובים ל[[התפלגות פרמי-דיראק|אנרגיית פרמי]], (כלומר למצב הקוונטי המאוכלס האחרון בטמפרטורה 0 [[קלווין]]) ישתתפו במנהור, לכן זרם המנהור תלוי מחד בצפיפות האלקטרונים בטווח אנרגיית ''eV'' מ[[התפלגות פרמי-דיראק|אנרגיית פרמי]] בצידו האחד של המחסום, ומאידך בצפיפות [[מצב קוונטי|מצבים קוונטיים]] פנויים מצידו השני.

== עקרון הפעולה ==
כדי לקבל תמונה במיקרוסקופ מנהור סורק, מקרבים את החוד הסורק למרחק של 4 עד 7 [[אנגסטרם]] מהשטח הנסרק. החוד נשלט על ידי מערכת הנעה [[פיאזואלקטריות|פיאזואלקטרית]], וכאשר נוצר [[זרם חשמלי|זרם]] המנהור, הוא יכול לנוע ב[[מערכת צירים קרטזית|מישור ה-xy]] או לשנות את גובהו. הסריקה יכולה להתבצע בשני אופנים - תוך שמירת הגובה או תוך שמירת הזרם.

במצב הזרם הקבוע, גובה החוד משתנה בהתאם ל[[מתח חשמלי|מתח]] המופעל על מערכת השליטה הפיאזואלקטרית. שינוי הגובה של החוד מאפשר לדמות את תצורת פני השטח של הדגם, והקונטרסט על התמונה יצביע על השינויים ב[[צפיפות מטען]] על פני השטח. 

במצב הגובה הקבוע, המתח על החוד וגובהו נשארים קבועים, והזרם משתנה כך שהמתח יישאר קבוע. התמונה המתקבלת מושפעת משינויי זרם, אשר קשורים ל[[צפיפות מטען]] על פני השטח, וכך ניתן להבחין בין [[אטום|אטומים]] מסוגים שונים או בין מצבים אנרגטיים שונים של האטומים. מצב זה מאפשר סריקה מהירה יותר, כיוון שהמערכת צריכה פחות זמן כדי לאתר שינוי בזרם מאשר כדי לכוון את הגובה בהתאם למתח. 

== מבנה המיקרוסקופ ==
הרכיבים של מיקרוסקופ מנהור סורק כוללים, בין היתר, חוד הסריקה, מערכת שליטה [[פיאזואלקטריות|פיאזואלקטרית]], מערכת בולמת [[תנודה]], ומחשב.

החוד הסורק חייב להיות חד ביותר, כיוון ש[[רזולוציה|כושר ההפרדה]] של המיקרוסקופ תלוי ב[[רדיוס]] העקמומיות של החוד. בנוסף לכך, אם החוד מסתיים בשני קצוות ולא באטום בודד, הקצה השני עלול להשתתף במנהור ולשנות את התמונה המתקבלת. בזמן האחרון משתמשים ב[[ננו-צינורית פחמן|ננו-צינוריות פחמן]] כדי לייצר את קצוות החודים. החוד עצמו עשוי בדרך כלל [[טונגסטן]] או [[פלטינה]]-[[אירידיום]]. 

למערכת בולמת תנודה תפקיד חשוב ביותר, היות שזרם המנהור רגיש מאוד למרחק החוד מהדוגמה. במיקרוסקופ הראשון, שבנו ביניג ורורר, הם השתמשו ב[[ריחוף מגנטי]]; היום, משתמשים בדרך כלל במערכת קפיצים. המיקרוסקופ עצמו מונח על טבעות מתכת המופרדות ביניהן על ידי שכבות ויטון (חומר סינתטי דמוי גומי), כדי למנוע זעזועים מכניים של המערכת. בנוסף לכך, המכשיר כולל מנגנונים להקטנת [[זרמי פוקו]] (זרמים הנוצרים במוליך כתוצאה מ[[שדה מגנטי]] משתנה שפועל עליו), אשר נוצרים במשטח כתוצאה מתזוזת החוד על פניו.

תזוזת החוד יחסית לדגם, סריקה קווית של הדוגמה וקבלת הנתונים נשלטים על ידי המחשב. בנוסף, בעזרת המחשב ניתן לשפר את איכות התמונה ולבצע מדידות כמותיות.

==שימושים נוספים==
בנוסף לשימושו ככלי תצפית, הממ"ס משמש לעיצוב פני השטח בקנה מידה [[אטום|אטומי]], גם בגלל ה[[רזולוציה]] הגבוהה שלו וגם בגלל האפשרות של צפייה מיידית במבנה המתקבל. חוקרי [[יבמ]] פיתחו שיטה של מיקום מדויק של אטומי [[קסנון]] על גבי מצע [[ניקל]]. בשיטה זו, הזזת האטומים נעשית על ידי קירוב החוד לאטום מסוים להגדלת זרם מנהור, גרירה של האטום במהירות של כ-4 אנגסטרם לשנייה והרמה מהירה של החוד כאשר האטום נמצא במקום הרצוי.

לאחרונה גילו חוקרים כי בעזרת ממ"ס ניתן לסובב [[קשר כימי|קשרים]] בודדים ב[[מולקולה|מולקולות]]. היות שה[[התנגדות חשמלית|התנגדות]] של המולקולה תלויה בכיוון הקשר, הדבר מאפשר להפוך את המולקולה ל[[מפסק]]. 

==ראו גם==
*[[מיקרוסקופ כוח אטומי]]

==קישורים חיצוניים==
{{ויקישיתוף בשורה}}
*[https://web.archive.org/web/20060614160950/http://stwww.weizmann.ac.il/g-phys/MEGGY/tehuda/h181/m1181/m1181.htm מאמר בעיתון "תהודה" אודות מיקרוסקופ מנהור סורק]
*[http://www.almaden.ibm.com/vis/stm/gallery.html גלריית תמונות ממ"ס באתר מכון מחקר של יבמ (אנגלית)]
*[http://www.iap.tuwien.ac.at/www/surface/STM_Gallery/ גלריית תמונות ממ"ס באתר של אוניברסיטת וינה (אנגלית)]
*[http://www-03.ibm.com/press/us/en/photo/28500.wss 35 אטומים של קסנון בצורת האותיות IBM]
* {{בריטניקה}}

==הערות שוליים==
{{הערות שוליים|יישור=שמאל}}

{{בקרת זהויות}}

[[קטגוריה:פיזיקה: מתקני ניסוי ותצפית]]
[[קטגוריה:ננוטכנולוגיה]]
[[קטגוריה:מיקרוסקופיה]]
[[קטגוריה:שווייץ: המצאות]]