ההמצאה של המיקרוסקופ המנהור הסורק

ההמצאה של המיקרוסקופ המנהור הסורק

 היכן נמצאת הארץ הלא נודעת הזו? על כוכב אחר?…

Cr impurities in the Fe(001) surface

לא ולא. היא בסך הכל בגודל של 35 על 35 ננומטר בגודל.

והנוף הזה מהיכן הוא?

Cs atoms on the GaAs(110) surface

הוא מראה נוף מארצות נידחות ואף קטנות יותר בגדול של 7 על 7 ננומטר.

טופוגראפיות אלה הן דימות ננומטרית של פני שטח אטומי (תוך שימוש בצבעים מדומים) והן מופקות על ידי המיקרוסקופ המנהור הסורק (הממ”ס).

בדצמבר 1978 שני חוקרים מיב”ם רושליקון אשר ליד ציריך בשוויץ הגישו בקשת פטנט על Raster-Tunnelmikroskop או מיקרוסקופ מנהור סורק (ממ”ס) בשוויץ וגם בארה”ב ב-12 לספטמבר, 1980. הפטנט אושר רק ב-1982 רק לאחר שמשרד הפטנטים וידא שהמכשיר המוזר הזה פועל…

IBM by you.
שלט הכניסה ליב”ם ברושליקון.
 

אריק קורטנס, אז סגן מנהל מחלקת הפיזיקה שבה עבדו השניים במעבדת יב”ם רושליקון, דחף את בקשת הפטנט וקדמה לאפליקציית פטנט כאשר הוא חוזה עתיד של אלפי מיקרוסקופי מנהור סורקים פועלים. הוא היה המאמין הראשון במכשיר המוזר. והוא צדק. עידן הננוטכנולוגיה נשען רבות על מכשיר מדידה זה ועל אלה שצמחו ממנו.

ב-1978 שני חוקרים בשם הינריך רוהר והפוסט דוקטורט שלו ג’רד ביניג ממעבדת המחקר של יב”ם ברושליקון חקרו את הבעיה של צמתי ג’וזפסון בהקשר לאחד מהפרויקטים המסחריים של יב”ם באותם הזמנים. צומת ג’זפסון מורכבת מהסידור של שני על-מוליכים שמופרדים ביניהם בקרום תחמוצת מאוד דק. ביניג ורוהר שאפו לתרום במשהו מהידע שלהם להבנה טובה יותר של חוסר ההומוגניות ברמת הננו על פני משטחים של קרומי תחמוצת דקים של צמתי ג’וזפסון, ובייחוד הממשק שלהם תוך ניסיון להגיע למנהור קוונטי. ההמצאה של מיקרוסקופ חדש לא עלתה בכלל על הפרק. המצאה זו קרתה לגמר במקרה תוך כדי העבודה הזו.

צומת ג’וזפסון: צומת ג’וזפסון היא סוג של מעגל חשמלי שמסוגל לבצע מיתוג במהירות מאוד גבוהה כאשר הוא פועל בטמפרטורות שהן קרובות לאפס המוחלט. הוא קרוי על שם הפיזיקאי הבריטי שתכנן אותו. צומת ג’וזפסון מנצלת את תופעת העל-מוליכות, היכולת של חומרים מסוימים להוליך זרם חשמלי למעשה באפס התנגדות. צומת ג’וזפסון מורכבת משני על-מוליכים, שמופרדים ביניהם על ידי שכבה שהיא לא על-מוליכה והיא כל כך דקה שהאלקטרונים יכולים לעבור דרך המחסום המבודד. זרימת הזרם בין העל-מוליכים בהעדר המתח המיושם קרוי זרם ג’וזפסון, והתנועה של האלקטרונים על פני המחסום ידועה בשם מנהור ג’וזפסון. שתי צמתים ויותר שמחוברות על ידי נתיבים על-מוליכים יוצרות את מה שקרוי אינטרפרומטר ג’וזפסון.

כיצד הומצא צומת ג’וזפסון? בעוד הוא חקר על-מוליכות, בריאן דיויד ג’וזפסון חקר את התכונות של הצומת בין שני על-מוליכים. בעקבות עבודה קודמת של לאו אסקי ואיבר גאיבר, ג’וזפסון הדגים שבמצב שבו יש זרימת אלקטרונים בין שני על-מוליכים דרך שכבה מודדת (בהעדר מתח מיושם), וכאשר מתח מיושם, הזרם פוסק לזרום ומתנודד בתדירות גבוהה. תוצא ג’וזפסון מושפע משדות מגנטיים בסביבה, יכולת שמאפשרת להשתמש בצומת ג’וזפסון במכשירים שמודדים שדות מגנטיים מאוד חלשים, כמו מכשירי התאבכות קוונטיים על-מוליכים. עבור מאמציהם, ג’וזפסון, אסקי וגאיבר חלקו את פרס נובל בפיזיקה לשנת 1973.

השימוש במנהור ואקום לצורך חקירת קרומי תחמוצת עלתה בסתיו 1978 בשיחות שהיו לחוקרים זמן קצר לפני שג’רד ביניג הצטרף למעבדה בנובמבר של אותה שנה כחבר צוות חדש. השיחות נסבו סביב הבעיה, כיצד יש לחקור את הקרומים לוקאלית, וביניג ורוהר הרגישו שחסר להם מכשיר מתאים כאן. לקח לשני החוקרים הנמרצים שבועיים להבין (ברמה התיאורטית בשלב זה) שבעזרת יחידת מנהור ואקום, לא רק שיהיה להם מכשיר בדיקה ספקטרוסקופי לוקאלי, אלא בנוסף סריקה תניב “דמויות טופוגראפיות” של חוסר ההומוגניות. זה כנראה מאוד ריגש את שני החוקרים שהבחינו שאוסף צפוף של סריקות קוויות שנוצרות במישור הדו-ממדי (x, y) – כפונקציה של z – יציג דמויות מסוימות, שניתן יהיה לפרשן כדמויות של חוסר ההומגניות.

בראיון שנערך שנים אחר כך, רוהר הסביר “מרבית הדברים הם חדשים רק בגלל שמרבית האנשים חושבים שזה טעות או בלתי אפשרי. זו הסיבה מדוע דברים יכולים להופיע כחידוש. המקרה שלנו הוא לא יוצא דופן – זה קורה להרבה אנשים”.

וכך ביניג ורוהר הבינו שיכולת הדימות החדשה שאותה הם גילו יכולה להוביל למיקרוסקופ חדש. בפטנט שאותו הגישו ביניג ורוהר, הם כתבו:

“מה שאנו טוענים כחדש, ושואפים להבטיח בכתבי הפטנט הוא:

1.     מכשיר לחקירת מבני פני המשטח שעושה שימוש באפקט מנהור ואקום והוא כולל: תא ואקום אולטרא-גבוה שניתן לקררו לטמפרטורה קרובה לאפס המוחלט; מחט מוליכה דקה ומשטח דוגמית; אמצעי לסריקת המחט הנדונה על פני המשטח… אמצעי לתצוגה גראפית של הקואורדינאטות המרחביות של המחט הנדונה כדי ליצור מפה טופוגראפית של המשטח הנדון”.

הם ציינו שההמצאה שלהם:

“קשורה למכשיר לחקירת מבני משטח תוך שימוש באפקט מנהור הואקום. תא ואקום אולטרא גבוה מקורר לטמפרטורות מקפיאות בסביבת האפס המוחלט. דוגמית מוליכה ממוקמת בתא זה ומשרתת כאלקטרודה בסיסית ביחס למחט מוליכה דקה שמשרתת כאלקטרודה סורקת. האלקטרודה הסורקת ממוקמת מעל לאלקטרודת הבסיס במרחק של רק כמה אנגסטרומים”.

המיקרוסקופ מורכב מיחידת מנהור בעלת שתי אלקטרודות, האחת היא מחט המיקרוסקופ בעלת קצה מאוד דק בעובי רצוי של אטום בודד והשנייה היא שטח הדוגמית. הדוגמית פועלת כאלקטרודה שמעליה המחט ממוקמת במרחק זעום, כאשר היא באינטראקציה עם הדוגמית על ידי אפקט המנהור. הדוגמית והמחט יכולות לנוע בשלושה ממדים זו ביחס לזו. לכל אלקטרודה – המחט כמו גם הדוגמית – יש מסועים מחומר פיזואלקטרי, שפועלים בכיוונים צדדיים (ליטראליים) x ו-y. מסוע הפיזו יכול לפעול על הדוגמית ולהניע אותה יחסית למחט. לחילופין, הדוגמית יכולה להיות קבועה, והמסוע יכול לפעול על המחט. כדי שיפעל בצורה נאותה, על המסוע להיות מבודד ויש לדכא את כל הויברציות (הזעזועים). מסיבה זו ביניג ורוהר הציעו בניית מערכת רחיפה על-מוליכה בתוך תא ואקום אולטרא גבוה. את מסוע הפיזו שמחזיק את המחט המציא ג’רד ביניג יחד עם הטכנאי שלו כריסטופר גרבר ב-1979 בעודם עובדים במסגרת פרויקט ג’וזפסון. הם פרסמו את המצאתם בכתב עת פנימי של חברת יב”ם.

מסועי הפיזו שיוצרים את התנועה בין המחט לדוגמית מחוברים למכשיר מדידה, שהוא מחובר לאמצעי בדיקה, והוא מחובר למסך מחשב (כאשר המיקרוסקופ הומצא ומחשבים אישיים עדיין לא נכסו לשימוש, המיקרוסקופ חובר למדפסת שהפיקה שרטוטים מדויקים שקרויה פלוטר). הממדים המכנים של האלקטרודות, דוגמית ומחט, כמו גם הטווחים האפשריים שלהם והכיוון שלהם הם זעירים לאין שעור בגלל הטבע הרגיש של אפקט המנהור הקוונטי. ולכן המפתח להצלחה של ביניג ורוהר היה האסטרטגיה שאותה הם אמצו: בדיקת משטחים לוקאלית ברמה האטומית הזעומה ביותר. הם ויתרו על המנהג הרגיל של מדידת התפלגויות ממוצעות של מצבורי אטומים, והם  בחרו במדידות לוקאליות. זה הייה צעד הכרחי לעבר דימות של מבנים אטומיים והזניק את עולם הננוטכנולוגיה.

המכשיר נועד לבצע תנועות סריקות בקווים מלבניים כמו בטלוויזיה דאז, מה שקרוי סריקת raster. כלומר משטח הדוגמית נחקר בקווי סריקה אחד אחרי השני, והדמות כולה מורכבת מקווי הסריקה של המכשיר הבודק. המכשיר יכול ליצור דמויות במידה רבה כמו מיקרוסקופ אלקטרוני הסורק שהיה קיים כבר בשוק. ולכן ביניג ורוהר קראו למכשיר שלהם “מיקרוסקופ מנהור סורק”. רוהר סיפר לי לפני שנתיים שהשניים קראו למכשיר בשם “מיקרוסקופ מנהור סורק כבר בסוף 1978.

אנליזת הנתונים מבוצעת ביחס לייצוג תלת-ממדי. שני הממדים הליטראליים x ו-y יכולים להיות מיוצגים כאמור על ידי תצוגת מחשב ובזמנם של ביניג ורוהר השתמשו בפלוטר. הם לכן בהתחלה יצגו את ערכי המדידה של המיקרוסקופ שלהם כקבוצת עקומות: קווי סריקה על גבי גרף של x-y. כאשר השתמשו בפלוטר, לגבי הממד השלישי z, הם חיפשו ייצוג מתאים. אפשרות אחת הייתה להראות את ערכי ה-z כשלבי בהירות בנקודה (x, y). מעבר מאוחר יותר ממיקרוגרפים לדמויות בגווני אפור, ואחר כך המעבר לדימות בגווני אפור ולדימות בצבעים מדומים שיקף את הבחירה הזו. לבסוף, יב”ם הוציאה את המחשב האישי הראשון ואלה חוברו למערכות המיקרוסקופ המנהור הסורק. זה אפשר לביניג ורוהר לייצג את ערכי ה-z – הם אז הפיקו תמונות ממ”ס תלת-ממדיות בזמן-אמת.

אחרי שביניג ורוהר פרשו את הרעיון המרכזי באפליקציות הפטנטים, הבניה הייתה מסובכת. את אב הטיפוס העובד הראשון של המיקרוסקופ המנהור הסורק ביניג ורוהר בנו החל מ-1980 והבניה לקחה שנה עד 1981. ואז החלו הבעיות הטכניות. ראשית המכשור הסורק לא היה עדיין מפותח דיו. הייתה בעיה עם המערכת לבידוד ויברציות. ובכך לא הסתיימו הבעיות. ראוי לזכור שלתכנון הייתה פונקציונאליות כפולה: המכשיר תפקד גם כמיקרוסקופ מנהור מקומי וגם כספקטרוסקופ מנהור מקומי. לכן המכשיר הראשון שאותו ביניג ורוהר בנו בכלל היה יחידת מנהור ואקום והם עדיין לא קראו לו מיקרוסקופ מנהור סורק. המכשיר עדיין לא עבד לגמרי כמיקרוסקופ בשלב זה. רק שנה אחר כך, כאשר ביניג ורוהר הצליחו לתקן כמה אלמנטים במכונה, זה אפשר למכונה לעבוד כמיקרוסקופ, ואז הם קראו לה בכתבי העת “מיקרוסקופ מנהור סורק”.  

אם כן, ב-1980 ביניג ורוהר ביקשו מכריסטופר גרבר,  הטכנאי שעבד 15 שנה קודם לכן עם רוהר וגילה את מסוע הפיזו עם ביניג, להצטרף לפרויקט כאסיסטנט טכני. היום גרבר הוא פרופסור ביב”ם. כשנה אחר כך הצטרף עוזר טכני נוסף בשם אדי ווייבל לפרויקט. יחד עם שני הטכנאים, ביניג ורוהר יצרו קבוצה קטנה, שמאוחר יותר כינו אותה בשם “קבוצת ציריך” וכינו את המכשיר שעליו הם עבדו בשם “צומת מנהור ואקום ציריך”.

המכשיר הורכב מיחידת מנהור שהייתה מבודדת על ידי מערכת רחיפה על-מוליכה. זו הייתה ממוקמת על בסיס במכשור בטמפרטורה מאוד נמוכה. ביניג ורוהר השתמשו בגרסה פרימיטיבית של רחיפה על-מגנטית שהוחזקה בעזרת סקוץ’ טייפ והיא בזבזה בערך 20 ליטרים של הליום נוזלי לשעה. היו בעיות נוספות בנוסף למערכת הרחיפה העל-מגנטית. תא הואקום הגבוה שהכיל אמצעים ליצירת ואקום גבוה היה צריך לפעול בואקום גבוה של יותר מ-10-10 טור.

אבל במעשה המבנה אפשר רק ואקום הרבה יותר נמוך מזה של 10-6 טור.

התוצאה הייתה שבסוף המבנה של ביניג ורוהר לא יכל להניב דמויות נאותות של פני משטח הדוגמית.

הבנייה והבדיקות בטמפרטורה מאוד נמוכה כמו גם הניסיונות בתא ואקום גבוה נמשכו כאמור במשך שנה שלמה מ-1980 ועד 1981. בהתחלה הקבוצה ניסתה לבנות את המכשיר כפי שהוא תואר בהגשת הפטנט המקורי. אולם הם נתקלו בקשיים והמכשיר שהם למעשה בנו לבסוף ב-1981 היה צומת מנהור ואקום, שהכיל לוח פלטינה ומחט טונגסטן בקוטר של בערך מילימטר אחד. ניתן היה להניע את המחט החדה בעזרת מסועי פיזו לעבר המישור עד מגע תוך יישום המכשיר שביניג וגרבר המציאו כבר ב-1979: מסוע הפיזו שמחזיק את המחט. בקרה עדינה של המרחק בין האלקטרודות בכיוון ה-z ויחסית למיקום ה-x-y הושגה על ידי מסוע הפיזו, שאליו היה מחובר לוח הפלטינה. המחט הייתה רכובה על תומך, שמכניזם ההנעה שלו היה מורכב מלוח פיזואלקטרי, והוא היה מונח עם שלוש רגליים על לוח ממתכת, כאשר הכל בודד זה מזה על יד חומר דיאלקטרי. הרגליים יכלו לגלוש בחופשיות על המבודד הדיאלקטרי, או להיות מהודקות במקום על ידי יישום מתח בין הרגליים ולוח המתכת. התארכות והתכווצות באמצעות רצף של הידוקים מתאים של הרגליים אפשר תנועות של התומך בכל כיוון בצעדים של עד למאה אנגסטרום. מכניזם זה עמד על פלטפורמה מזכוכית והוא נקרא “כינה”. למעשה המכשיר כולו נראה כמו קדירה מזכוכית. קדירה שהיא אולי לא הייתה ממש מיקרוסקופ מנהור סורק עדיין, אבל היא תפקדה היטב כצומת מנהור ואקום כפי שנראה עתה.

DSC03068 by you.
המכשיר הראשון
 

ב-16 למרץ, 1981 הקבוצה בציריך הצליחה לקבל בעזרת הקדירה מזכוכית הזו שהם בנו תלות אקספוננציאלית (מעריכית) ברורה של התנגדות המנהור כפונקציה של המרווח שבין המחט לדוגמית; וזאת לגמרי בהתאם לתיאוריה של מנהור הואקום כפי שפותחה במכניקת הקוואנטים. הקבוצה כולה פרסמה את הגרפים כדי להדגים שאכן המכשיר שלהם היה “צומת מנהור ואקום“. הם הציגו את המכשיר שלהם כיחידת מנהור מוגנת מויברציות על ידי יחידת רחיפה על-מוליכה בתוך תא ואקום אולטרא גבוה. חברי קבוצת ציריך פרסמו שני מאמרים שמסבירים כיצד המכשיר החדש שלהם יכול לשמש כדי לחקור את תכונות המשטח של אלקטרודות המנהור של צמתי מנהור על מוליכות.

ביניג ורוהר עדיין לא חשבו במונחים של פיזיקה של חקר פני שטח ברמה האטומית ומבחינת דימות האטומים. הם הדגימו מנהור ואקום בקונפיגורציה של ממ”ס: מחט ודוגמית שיכלו לנוע סביב. נכון, הקונפיגורציה הייתה דומה לזו של המיקרוסקופ שהם בנו אחר כך, ואז הוא יכל כבר להפיק דמויות וטופוגראפיות, ובשלב זה הם גם החלו להתעניין בפיזיקה של פני משטחים ברמה האטומית.

בעקבות ההדגמה המוצלחת של מנהור ואקום בעזרת המכונה החדשה, חלפו כמה חודשים והצוות קיבל את הדמויות הראשונות שלו של גביש הסידן-אירידיום-פח (CaIrSn4). אבל הם עדין לא פרסמו את התוצאות בכתבי עת. הם התרגשו מאוד מהתוצאות ומיד רצו להגיש הצעה להרצאה לכנס שבדיוק התעתד להתקיים באותה תקופה בלוס אנג’לס. הם היו בטוחים שכבר יהיו להם דמויות טופוגראפיות מהממ”ס עד לכנס ואכן היו להם הדמות הזו. הם כבר ארגנו סיור מורחב עבור ג’רד ביניג בארה”ב, כך שיסביר את הממצאים. אבל בערך שלושה שבועות לפני שהוא היה אמור לטוס, חבר הזהיר את ביניג, שברגע שהחדשות המרעישות יגיעו לציבור, מאות מדענים מקהילת הפיזיקאים של חקר פני שטח מיד יעוטו על עגלת הממ”ס. הם אכן עטו עליה כמה שנים אחר כך ולכן ביניג ביטל את הצגת הדמויות של הממ”ס בכנס בארה”ב. בכנס בארה”ב הוא רק הציג את “צומת מנהור הואקום” ואת גרפים הפונקציות שהקבוצה קבלה במרץ 1981 והוא לא אמר אף מילה על דמויות הממ”ס החדשות שאותם הם קבלו. הקבוצה קודם רצתה לקבל ממצאים יותר בטוחים ובעיקר מדויקים ולבנות מכשיר נוסף שפועל היטב… כנראה שהקבוצה בציריך בנתה בשלב זה מכשירים נוספים לא כל כך מוצלחים שפעלו בצורה סבירה, והיא לא רצתה לדווח עליהם. סביר שבעזרת מכשירים אלה הקבוצה קבלה את הדמויות של גביש הסידן-אירידיום-פח (CaIrSn4).

ראוי לציין שבהתחלה איכות הסריקה של המכשיר הייתה כה עלובה שביניג ורוהר היו צריכים לשרבב ולצייר קווים בין קווי הסריקה כדי להדגיש את הראות של התמונה שנתקבלה. ולכן הדמויות שהתקבלו לא היו משכנעות מספיק. אילו ביניג היה מציג תמונות כאלה בכנס בלוס אנג’לס, קהילת המדענים הייתה מגיבה בכך שמכשור קודם לממ”ס של ביניג ורוהר יכול היה להפיק ממצאים טובים יותר. לכן ביניג ורוהר החליטו ללכת על בטוח וקודם כל לשפר את הדגם הראשוני של המכונה שלהם בטרם הם יציגו תוצאות בפני קהילת המדענים של קהילת חקר פני שטח. וכך אכן היה. לקראת 1982 הם שפרו את המכשיר והציגו את הדוגמא הזוהרת שלהם, דמות פני השטח של הסיליקון, שבה ניתן היה לראות את הטופוגרפיה של המשטח באטומים ברזולוציה מאוד גבוהה.  ואז ההתלהבות הייתה גבוהה מאוד.

הקבוצה בציריך הגיעה למסקנה שמערכת הרחיפה העל מוליכה היא בסופו של דבר מיותרת. הממציאים שינו את התוכנית המקורית של הרחיפה העל מוליכה למגן פשוט יותר, מערכת של שני קפיצים מלופפים בעלת מתקן לבלימת תנועה בעזרת זרמי מערבולת – שאז הוכנסה אל תוך תא ואקום אולטרא גבוה. המערכת לבלימת זעזועים פעלה כך: המיקרוסקופ נתלה על מערכת מורכבת של שני קפיצים ומוטות מזכוכית, והותקנה מערכת של לוחות נחושת בין הקטבים של מגנטים. התנועה של לוחות הנחושת בשדה המגנטי גרמה להופעת זרמי מערבולת חשמליים בתוכם ואלה בלמו את התנועה.

DSC03076 by you.

המכשיר השני

 

יחידת המנהור של המכשיר הייתה מורכבת מחצובה בעלת שלושה זרועות x-y-z שהניעה את המחט וביצעה את תנועת הסריקה בצורה מכנית. בנוסף, הוכנס רכיב נוסף, ה”כינה”, שהיה אחראי לגישה הרגישה של המחט אל עבר הדוגמית. ה”כינה” הייתה ממוקמת על גבי מכניזם מניע שהיה מונח על גבי שלוש רגליים ממתכת והן הניעו את המחט במכשיר הראשון. המיקרוסקופ החדש היה קומפקטי לעומת המכונה של 1981 והעיקר הוא היה מסוגל לבצע תנועות סריקות קוויות נאותות. סוף-סוף הקבוצה של הממ”ס בנתה מיקרוסקופ עובד ובפרסום שלהם מה-30 לאפריל, 1982 הם אכן כינו את המכונה בשם “מיקרוסקופ מנהור סורק”. להלן:

תרשים של יחידת הסריקה מהמכשיר השני – כפי שהופיע בפרסומים של ביניג ורוהר.

ביניג ורוהר עתה פרסמו את המיקרוגרפים שאותם הם קבלו של גביש הסידן-אירידיום-פח (CaIrSn4) :

בנוסף הם הוסיפו בפרסום מיקרוגרפים של זהב וסיליקון, שאותם הם הפיקו כבר בעזרת המכשיר החדש:

חקירות פני שטח חדשות אלה כבר לא היו כלל קשורות לפרויקט ג’וזפסון. ביניג ורוהר פתרו בעזרת המיקרוסקופ מנהור הסורק החדש שלהם בעיות ישנות נושנות בתחום מדע חקר פני שטח, כמו למשל את בעיית המבנה האטומי המדויק של משטח ה-Si7x7(111). הרקונסטרוקציה של הסיליקון נחשבה לחידה הגדולה ביותר במדע המשטחים. היא נצפתה לראשונה בשנת 1959 באמצעות דיפרקציית אלקטרונים באנרגיה נמוכה (LEED) – טכניקה שמשמשת כדי לאפיין את המבנים של המשטחים. הניסויים ב-LEED חשפו את הסידור הכללי של האטומים, אבל עדיין הם לא היו מסוגלים להבחין בפרטי הפרטים של הסידור של האטומים האלה עקב האופי הממצע של ה-LEED. המידע החסר התמלא במהלך שנות הששים והשבעים על ידי תיאורטיקנים שהציעו מודלים והסברים רבים, שאף אחד מהם לא יכל להיבדק מבחינה ניסויית בצורה החלטית. בעיה זו נותרה בעינה בלתי פתורה למרות רמזים אין ספור במספר הולך וגובר של טכניקות משטח. הממ”ס פתר את הבעיה.

[לסיליקון יש מבנה גבישי והסימון (111) Si מתייחס לקבוצת מישורים אטומיים במבנה. כאשר מחממים את משטח ה-(111) של הסילקון לטמפרטורה מספיק גבוהה תחת תא ואקום אולטרא גבוה, אטומי פני השטח מסתדרים מחדש לקונפיגורציה יציבה מבחינה אנרגטית שקרויה רקונסטרוקציה 7×7].

התמונה מודל של קוי סריקה מנייר שאותו קבלו ביניג ורוהר:

תצלום של המודל המקורי:

13 by you.

התמונות של הסילקון והזהב עוררו עניין רב בקרב קהילת המדענים. החל מבערך 1984 ואילך, טכניקות המיקרוסקופיה המנהור הסורק התקדמו ומעבדות אחרות החלו לפתח דגמים מתחרים. ביניג ורוהר החלו לחשוב עתה על שילוב של מכשירים לחקירת משטחים נוספים יחד עם המיקרוסקופ המנהור הסורק. וכך הם בנו שני דגמים נוספים של הממ”ס. בדגם השלישי, שהוא היה מסורבל למדי וגדול יחסית הם שילבו במיקרוסקופ המנהור הסורק מיקרוסקופים מסורתיים אחרים. מסיבה זו המכשיר נראה כמו מעין מגדל שבנוי כולו מקוורץ. לא הוכנסו כל שינויים ליחידת המנהור הסורקת ולמדכא הויברציות. אבל למיקרוסקופ המנהור הסורק הזה הייתה מערכת בידוד ויברציות מאוד גדולה, מסובכת ומסיבית. אכן, כדי להשתמש במיקרוסקופ המנהור הסורק יחד עם מכשירי משטח אנליטיים אחרים זה דרש מערכות ואקום אולטרא גבוהות מאוד גדולות. מסיבה זו, מדענים מסוימים חשבו שהסיבוכיות של המכשיר הראשון של קבוצת ציריך מ-1981 לפתע שבה בדמות המכשיר החדש הזה. ולכן הם כינו אותו “מגדל הקוורץ”:

12 by you.

הינריך רוהר ספר לי לפני שנתיים שדגם זה של המיקרוסקופ המנהור הסורק היה “מפלצת של מכשיר, פיגום זכוכית בכדי שהדוגמית תעבור חקירת LEED נוספת שמורדת היטב ממגנטים לבלימת זרמי מערבולות”.

7 by you.
 
מבט על:
10 by you.

ב-1985 קבוצת ציריך הבינה שאם הם רוצים להכיל את המיקרוסקופ יחד עם מיקרוסקופ אלקטרוני סורק או לשלבו יחד עם מכשירים אנליטיים אחרים בואקום אולטרא גבוה, על הממ”ס עצמו להיות יותר קטן. שילוב כזה גם יבצע שימוש ברזולוציה המאוד גבוהה וברב צדדיות של המיקרוסקופ המנהור סורק וגם ביתרונות המבוססים כבר של המיקרוסקופ האלקטרוני הסורק. זה יאפשר לאותה דוגמית משטח להדמות על ידי שני המיקרוסקופים. וזו הייתה המוטיבציה העיקרית לפיתוח המיקרוסקופ המנהור הסורק מדגם כיס. הקבוצה מציריך גילתה שהחלפת הקפיצים המלופפים במוטות לא ערערה בצורה דרמטית את תכונות הבידוד מויברציות. יחד עם עוד חוקרים מציריך בשם מרטי ופוקס, חברי הקבוצה מציריך בנו את הדגם הרביעי של הממ”ס. מערכת הבידוד נגד ויברציות הייתה מורכבת מערימה של לוחות מתכת אל-חלד שהיו מופרדות ביניהן בחתיכות גומי תואמות ואקום אולטרא גבוה: שלוש או יותר מדכאי “ויטון” שהיו מונחים בין כל זוג של לוח אל-חלד. מעל הקצה של לוח המתכת העליון הייתה יחידת המנהור הסורק. מיקרוסקופ מנהור סורק כיס זה היה מוכל בתוך ואקום אולטרא גבוה של מיקרוסקופ אלקטרוני סורק. המיקרוסקופ מנהור הסורק הפך ככה לאט-לאט למכשיר מדף חסכוני וקומפקטי. זה היה הצעד הראשון בפישוט המכשיר ופתח את הדרך למסחורו.

11 by you.
המכשיר הרביעי: ממ”ס הכיס.

רוהר סיפר לי לפני שנתיים שהמכשיר הזה התקדם לעבר “מכשירים קומפקטיים לשימוש גמיש יותר עם פחות חלל זמין”:

2 by you.
ממ”ס הכיס.

 

המיקרוסקופ המנהור הסורק הוצג לקהל הרחב ב-1985 במאמר מערכת שאותו כתבו ביניג ורוהר ופורסם בכתב העת הידוע Scientific American. במאמר זה ביניג ורוהר הציגו את התמונה וההצלחה שלהם – הדימות של המשטח Si(111) 7×7. הם בנוסף תארו את יכולות הדימות הפנטסטיות של המכשיר. ביניג ורוהר העירו בגאווה ש”המכשיר שלנו מאפשר למישהו ‘לראות’ משטחים אטום אחר אטום”. אולם במאמריהם הטכניים הם הדגישו שוב ושוב שהמיקרוסקופ המנהור הסורק מרגיש קונפיגורציות של משטחים אלקטרוניים במקום מיקומים אטומיים. וזו ההגדרה המדעית יותר.

הסדנה הראשונה אודות המיקרוסקופ המנהור הסורק התקיימה באוברלך אשר באוסטריה בין ה-1 ל-5 ביולי, 1985 והיא התנהלה בחסות של מכון יב”ם אירופה. מדענים ממעבדות שונות הציגו את השיפורים שלהם, התכנונים והחידושים האחרונים והמילה האחרונה בתחום, טכניקות של דימות אחרונות ויישומים רחבים יותר למיקרוסקופית המנהור הסורק לתחומי דעת שונים. הסדנה שקפה את העניין הגובר והולך במכשיר. ביניג ורוהר העבירו הרצאה ודברו על המכישרים שהם בנו במהלך השנים ותארו את המכשירים שתוארו כאן.

ב-1986 נערך בספרד הכנס הבינלאומי הראשון על המיקרוסקופ המנהור הסורק (STM’86). זה היה הכנס הבינלאומי הפתוח הראשון על המיקרוסקופ לאחר הסדנה הראשונה שאותה ערך יב”ם באוברלך ב-1985. לא היה ברור עדיין האם טכניקת הממ”ס בשלה מספיק והתפשטה דיו כדי לארגן ממש כנס בינלאומי פתוח לכל קהילת המדענים שעסקו בתחום. אולם מעל 200 משתתפים ויותר מ-60 הרצאות הראו בבירור שהמיקרוסקופ המנהור הסורק תקע יתדות עמוק בקהילת הפיזיקאים.

באוירת הצלחה זו, ועדת פרס נובל החליטה להעניק את פרס נובל של 1986 בפיזיקה לממציאי המיקרוסקופ המנהור הסורק, ג’רד ביניג והינריך רוהר, כאשר הם חלקו את הפרס יחד עם ארנסט רסקה על המצאתו, המיקרוסקופ האלקטרוני. בהרצאת הנובל שלהם ביניג ורוהר תארו את ההיסטוריה של המצאתם. בראיון לעיתון גרמני בשנת 2004 ביניג ציין, “המיקרוסקופ המנהור הסורק התפתח… מבלי שהתכוונו להמציאו”. ואז ביניג נשאל: אם כך אתם חייבים את פרס הנובל למקריות?” וביניג השיב: “במובן מסוים, כן”.  והרי בהמצאות זה הרבה פעמים קורה כך…

מיקרוסקופ מנהור סורק מודרני במעבדת יב”ם ברושליקון, ציריך:

בולם הזעזועים והבידוד:

3 by you.
 
גוף המיקרוסקופ הוא בתוך תא ואקום אולטרא גבוה:
4 by you.
 
מערכת הקפיצים ומתקן לבלימת תנועה בעזרת זרמי מערבולת בתוך התא:
5 by you.
 
אמצעי פלט וממירים סיגנלים מאנלוגי לדיגיטלי:

6 by you.

 

ב-1989 התחילו להשתמש בממ”ס כדי להזיז אטומים – מניפולציה של אטומים וכך יצרו את התמונה הבאה מאטומים:

ניתן להשתמש בממ”ס לא רק כדי לדמות אטומים אלא גם כדי להזיזם. את העובדה הזו הדגים לראשונה דון אייגלר ב-1989 ונחשו היכן הוא עבד?

אתם רואים למעלה מתוך התמונה של סידור 35 האטומים של הקסנון שמסודרים על פני השטח של הניקל.

Xenon atoms spelling out "IBM" on a Nickel surface

Increasing the current creates a bond between the tip and the atom.

הממ”ס:

STM animation

Advertisements

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s