אז מה עושים שם באוניברסיטה? פרק 15: קצת כמו למשש אטומים, על מיקרוסקופית מנהור אלקטרונים

נפגשתי עם דניאל רוזנבלט כדי לשאול אותו מה עושים שם באוניברסיטה.

דניאל השלים תואר שני בפיזיקה באוניברסיטת תל-אביב, וכיום הוא בעיצומה של עבודת הדוקטורט במכון מקס-פלנק לחקר המצב המוצק בשטוטגרט, גרמניה. הוא עובד במעבדתו של פרופ’ קלאוס קרן (Kern), ועיקר עניינו הוא מיקרוסקופית מינהור אלקטרונים. בזמנו הפנוי עוסק דניאל בטיפוס ספורטיבי על קירות ובהחלקה על רולר-בליידס.

דניאל, אז מה אתם עושים שם?

המעבדה עוסקת בתחום רחב של נושאי מחקר בתחום ננוטכנולוגיה, פיזיקה, כימיה ומדע החומרים. המומחיות הגדולה של המעבדה היא במיקרוסקופיית מנהור אלקטרונים (scanning tunneling microscopy, STM) ופיתוחים שונים שלה.

מהי מיקרוסקופיית מינהור אלקטרונים?

כאשר אנחנו חושבים על מיקרוסקופיה אנחנו בדרך כלל חושבים על פוטונים (אור) או אלקטרונים שפוגעים בדגם, מתפזרים ואז נאספים ליצירת תמונת הדמיה. העיקרון של מיקרוסקופיית המנהור שונה בתכלית. במקום לשגר חלקיקים מרחוק, נעשה שימוש במחט מתכתית דקה מאוד כדי לסרוק את פני הדגם, קצת כמו עיוור הקורא כתב ברייל (ראו תמונה 1). הרוחב של קצה המחט הוא כמה עשרות ננומטרים, כלומר קטן פי אלף מקוטר שערה. במהלך הסריקה המחט נמצאת קרוב מאוד לפני הדגם, ועוקבת אחרי תוואי השטח.

ה-STM פותח לראשונה בתחילת שנות השמונים במעבדות IBM בציריך. הפיתוח זיכה את הממציאים, ביניג ורורר (Binnig, Rohrer) בפרס הנובל בפיזיקה ב-1986.

איך עובד ה-STM?

ראשית יש לסגור מעגל חשמלי בין המחט לדגם (ראו תמונה 1), ולחבר את המחט למכשיר שישלוט על מרחקה מהדגם ברמת דיוק גבוהה מאוד. המחט לא נוגעת בדגם ולכן אלקטרונים לא יכולים לעבור ביניהם בהולכה חשמלית רגילה למרות הפעלת מתח חשמלי. עם זאת, המחט כל כך קרובה שאלקטרונים יכולים לעבור בתהליך שנקרא מנהור.

מהו מנהור?

בעולם של הפיזיקה הקלאסית גוף הנתקל במכשול, כמו למשל כדור המתגלגל אל עבר גבעה תלולה, יעבור אותו רק אם יש לו מספיק אנרגיה, ובמקרה של הכדור מהירות. בעולם הקוונטי, עקב תכונות גליות, יש לאלקטרון סיכוי קטן להתגבר על מכשול ולהופיע בצידו השני גם אם אין לו את כמות האנרגיה הדרושה לכך (ראו תמונה 2). ככל שהמכשול דק יותר, כך ההסתברות גבוהה יותר. ההסתברות למנהור של אלקטרון בודד מהדגם למחט היא קטנה מאוד, אך מספר האלקטרונים גדול מאוד, כך שבהינתן שהמחט קרובה מספיק למשטח, מספיק אלקטרונים יעברו כך שנוכל למדוד זרם מנהור. זרם המנהור חלש מאוד ולכן יש צורך להגביר את האות פי מיליארד כדי שיהיה אפשר להזין אותו למחשב ולעבוד איתו.

רכיב חשוב נוסף במערכת ה-STM הוא לולאת המשוב (פידבק) שתפקידה הוא לשמור על המחט בגובה קבוע מעל פני הדגם.

כיצד יודע מעגל השליטה מה המרחק בין המחט לפני השטח?

עוצמת זרם המנהור תלויה באופן חזק במרחק בין המחט לפני השטח ולכן הזרם הוא מדד רגיש למרחק. לולאת המשוב שולטת בגובה של המחט. אות הכניסה שלה הוא זרם המנהור, ותפקידה הוא לשמור על הזרם ברמה קבועה.

אז מהו אות היציאה של המכשיר? מה בעצם מודדים?

הגובה של המחט נשלט על ידי גביש פיזואלקטרי (ראו תמונה 1). גבישים אלה מייצרים מתח חשמלי בתגובה ללחץ מכני ולהפך, משנים את אורכם בתגובה להפעלת מתח חשמלי. אם המחט מחוברת לגביש כזה (piezoelectric actuator), ניתן לשלוט על גובהה בדיוק רב על ידי הפעלה מבוקרת של מתח חשמלי. המתח שמופעל על הגביש הפיזואלקטרי לשם שמירה על זרם קבוע הוא אות היציאה, כלומר האות שממנו מסיקים את הגובה של פני השטח.

מה בעצם רואה ה-STM?

זרם המנהור תלוי במתח החשמלי, במרחק המחט מהמשטח ובגודל הנקרא ‘צפיפות המצבים’ שקשור לצפיפות האלקטרונים במקום ובאנרגיה מסוימים. מכיוון שאנחנו שומרים על המתח קבוע, המכשיר ממפה את ‘צפיפות המצבים’ בכל נקודה. אם לדוגמא עוברים במהלך המדידה מסריקה באזור של מתכת אחת לאזור של מתכת אחרת, עוצמת האות תשתנה ובתמונה האזור יראה בגובה שונה מכיוון שצפיפות המצבים שונה.

היתרון הגדול ביותר של ה-STM הוא הרזולוציה המרחבית שלו שהיא מסדר גודל של אטום בודד (ראו תמונה 3). מכיוון שזרם המנהור דועך אקספוננציאלית עם המרחק, עיקר התרומה נובעת ממעבר אלקטרונים בין האטום בקצה המחט לאטום שמתחתיו. רזולוציה זאת מאפשרת לחקור למשל תכונות של מולקולה בודדת כלשהי על משטח של מתכת.

למיטב ידיעתי, ניתן לרכוש מכשירי STM מסחריים. למה אתם בונים אותם?

אנחנו בונים מכשירים בעלי תכונות מיוחדות או שילובים של תכונות קיימות שאינם מוצעים בשוק. דוגמא טובה לכך הוא למשל הפרויקט שאני עובד עליו. אני בונה מכשיר STM שביכולתו גם לחקור מולקולות מגנטיות. הטכניקה נקראת spin polarized STM ובה סורקים עם טיפ שיש לו בקצה חומר מגנטי.

מה מטרת הפרויקט מעבר לבניית המכשיר?

השאיפה בתעשיית רכיבי הזיכרון היא להקטין ככל שניתן את גודלו הפיזי של ביט. ביט מגנטי מורכב מחומר מגנטי שמחולק למתחמים מבודדים מגנטית. מועמדת טובה ליצירת ביט בודד מסדר גודל אטומי היא מולקולה המכילה ליבה מגנטית ומעטפת אורגנית המבודדת אותה משכנותיה. טכנולוגיה זאת אמנם עדיין בחיתוליה ויש בה בעיות רבות שלהן עדיין לא נמצא פתרון. אך מכיוון שמגוון המולקולות האורגניות שאפשר לייצר אינסופי, אנחנו מקווים שימצא שילוב של מולקולה, משטח ומגעים חשמליים שיעבדו היטב יחדיו בטמפרטורת החדר.

ה-STM הוא מכשיר אידיאלי לחקור את התכונות של מולקולות על משטחים. מחד, ניתן לבחון את ההשפעה של המשטח על צורתה של מולקולה בודדת ועל סידור האלקטרונים בה. מאידך, ניתן לבדוק כיצד מסתדרות המולקולות על המשטח כאשר הן בצפיפות גבוהה. את יציבותן של התכונות המגנטיות ניתן כאמור לבחון בעזרת ה-spin polarized STM.

המחקר שלנו מתמקד במולקולות שטוחות, שאפשר לזהות בקלות בתמונה טופוגרפית, בעלות אטום מתכתי במרכז ותוספות שונות מחוץ לטבעת האורגנית. אנחנו מעוניינים לגלות אילו סוגי תוספות שומרים על התכונות המגנטיות של האטום המרכזי גם בטמפרטורות גבוהות, ואיך אפשר לשלוט בעזרתן על הסידור הספונטני של מולקולות המפוזרות על משטח מתכתי.

לסיכום, מה משך אותך לפרויקט הזה?

אחד הדברים העיקריים שמשכו אותי הוא האתגר לתכנן ולבנות את המכשיר מאפס. הפרויקט הוא רב-תחומי ומשלב עבודה על בחירת חומרים לטמפרטורות נמוכות וואקום גבוה, תכנון מערכת משאבות, אמצעי קירור ושיכוך זעזועים, חיווט לתדרים גבוהים וניתוח מידע ממוחשב. זה מה שהופך עבורי את האתגר לכיף גדול!

——————————————————————

אני אשמח להפגש ולשוחח עם כל תלמיד מחקר (אולי אתם?) שמוכן להשתתף ולספר לי קצת על מה הוא עושה (והכול במחיר של שיחה לא יותר מידי ארוכה). תוכלו ליצור איתי קשר דרך טופס יצירת קשר.

זה הזמן לספר לכולם מה אתם עושים, אולי הפעם הם גם יבינו 🙂