אימגו מגזין מאמרים

כתב עת בנושאי תרבות ותוכן

מיקרוסקופיה אטומית - מדע, אמנות ועתיד


התמונה של נח שמיר
תאריך פרסום קודם: 
2004
סידור מחדש של משטח זהב, כפי שהתקבלה במיקרוסקופ מנהור סורק
מיקרוסקופ מנהור סורק הוא מיקרוסקופ אשר בעזרתו ניתן לבחון משטחים ברמה האטומית. בתמונה: סידור מחדש של משטח זהב, כפי שהתקבלה במיקרוסקופ מנהור סורק

בשנת 1979 עמדתי בפני הכרעה חשובה בחיי המקצועיים. שנתיים לאחר סיום הדוקטוראט הייתי צריך להחליט אם אני ממשיך את המחקר שלי בתחום שבו התמחתי, שבו הרגשתי שמיציתי את עצמי במידת מה, או שאני עושה הסבה לתחום מחקר חדש. החלטתי לקפוץ למים הקרים ולעשות הסבה לתחום חדש לגמרי עבורי –  מחקר פני שטח של מוצקים. מחקר זה מתמקד במבנה, ברמה האטומית, של פני השטח ובתהליכים הפיסיקליים המתרחשים על פניו. הנושא היה אז חדשני, בחזית המחקר המדעי, ובעל חשיבות רבה בסיסית ויישומית. כלי המחקר התקדמו אז מאד, טכנית ומדעית ולכן הייתי נלהב למעבר.

למרות שאסטטיקה היא ערך חשוב מאד בחיי, כיוצר פלסטי, לא היו שום שיקולים אסטטיים במעבר, כיון שגם בתחום הקודם (מגנטיות) וגם בתחום החדש המדידות היו עקיפות ולא "ראיתי" את מושא המחקר. דבר זה השתנה לחלוטין, לשמחתי הרבה, בתוך שנים מועטות. 

באמצע שנות השמונים הופיע שחקן חדש ומהפכני בשדה מחקר פני השטח. היה זה מיקרוסקופ המנהור הסורק (Scanning Tunneling Microscope – STM) שפותח במעבדות IBM בשוויצריה (ופרס נובל בצידו). שני גורמים מהפכניים במיקרוסקופ זה היו האפשרות להניע דגם לצורך סריקה בצעדים תת-אטומיים (מסדר גודל של  10-8סמ') בשני מימדים מתחת ל-tip מתכתי שגם הוא היה בגובה של אטומים ספורים מעל המשטח. זרם אלקטרונים הוזרם מהאטום הקרוב ביותר למשטח של ה-tip אל המשטח ומנגנון משוב הרים את ה- tipמעל הבליטות במשטח ובהתאם ל"ענן האלקטרונים", כך שזרם המינהור (tunneling) נשאר קבוע.

התמונה שהתקבלה היא של "המשטח האלקטרוני" – צפיפות ענן האלקטרונים שמסביב לכל אטום על המשטח. מאוחר יותר פותח מיקרוסקופ חדש – מיקרוסקופ הכוח האטומי

(Atomic Force Microscope – AFM ) לפי עקרונות דומים, כאשר כאן לא מוזרם זרם ומנגנון המשוב מופעל ע"י הכוחות האטומיים של דחייה המופעלים בין ה- tip לבין האטומים שעל המשטח. כאן התמונה היא טופוגרפית פרופר.   

התמונות שהתקבלו היו מפות תלת מימדיות, וכמו במפות גיאוגרפיות השתמשו בצבעים כדי לציין גבהים שונים. שני הבדלים מאפיינים את המפות של פני השטח ממפות גיאוגרפיות: בגיאוגרפיות משתמשים בצבעים קרובים לגבהים קרובים כדי ליצור תחושת רצף. בפני שטח יש אינטרס להבליט את האטומים החורגים מהמשטח, כיון שהם נושא המחקר, ולכן השתמשו בצבעים מנוגדים ובולטים. בנוסף השתמשו בצבעים להבלטת תכונות נוספות של השטח, מלבד גובה, כגון עקמומיות (קמירות או קעירות) ככלי עזר לחוקר להדגיש את הפרמטרים שיעזרו לו במחקר. 

מדע ואמנות

אני מביא כאן כמה דוגמאות לתמונות המתקבלות ב- STM, כולל הסבר מדעי פופולארי על מהות התמונה. מי שרוצה, יכול לדלג על ההסבר וליהנות מהתמונות שאינן נופלות מציורים אבסטראקטיים של טובי הציירים. חשבתי שהסבר של מה שרואים יתרום להנאה מהתמונות. צריך רק להדגיש שאין כאן שום תמונה שנצבעה בדיעבד. זהו מה שהטבע יצר, מוצג בשימוש בתוכנה קיימת. כל התמונות הן של פני שטח המסודרים של גבישים יחידים, לפעמים עם אטומים זרים שנספחו עליהם. המספרים בסוגריים מאפיינים את המישור הקריסטלוגרפי הנמדד.  

זוהי התמונה היחידה כאן שאינה בהפרדה אטומית (גודל בערך  -4x10-410) סמ' וגם לא נעשה שימוש בצבעים לאפיון גבהים(. צריך לזכור שזוהי מפה של מבנה אלקטרוני ומלבד במבנה הטופוגרפי של פני השטח של מדרגות וטרסות אפשר לראות אפקטים אלקטרוניים על פני השטח. אם תתאמצו תוכלו לשים לב לגלים העומדים המעגליים, החזקים במיוחד ליד קצות המדרגות. אילה הם אלקטרונים של מצבי פני-שטח, שאינם קשורים לאטומים ספציפיים, החופשיים לנוע על פני השטח. הם מפוזרים ע"י קצות המדרגות ויוצרים גלים עומדים אותם אנחנו רואים בתמונה. 

 כאן ההפרדה היא כבר ברמה אטומית (התמונה בערך -6x10-610 סמ'). אנחנו רואים משטח חלק של נחושת (111) שעליו שני זיהומים (כנראה אטומים זרים) לא מזוהים, אבל מה זה חשוב? תגידו שהטבע הוא לא אמן נהדר...

מה שאנחנו רואים ספציפית הם את הגלים העומדים של אלקטרוני מצבי פני-שטח המפוזרים משני הזיהומים שעל השטח. אולי כאן המקום להרחיב ולהסביר מה זה הגלים העומדים האלה. הרי האלקטרונים הם חלקיקים ולא גלים. ובכן, יש לנו כאן הזדמנות נדירה לראות אפקט של תורת הקוונטים באופן ישיר. לפי תורת הקוונטים, קיים עקרון הדואליות: כל חלקיק הוא גם גל, וההתנהגות של אלקטרוני השטח שאנחנו רואים כאן היא בברור התנהגות של גלים. עוד ארחיב על זה בהמשך. 

תמונה 3: קסנון על משטח ניקל (110) - איפה יושב אטום הקסנון? 

קסנון הוא גז אציל, כלומר, הוא אינו נקשר בקשר כימי למשטח, אלא רק בכוחות משיכה פיסיקליים שהם חלשים בהרבה. בעיה שהציקה לאנשי המדע היא איפה על המשטח מתיישבים אטומים אלה. האם מעל אטומי המתכת או מעל אחד השקעים שביניהם. האטום יתיישב במצב שבו אנרגיית המערכת תהיה מינימאלית ומודלים חישוביים שונים נתנו תוצאות שונות. כאן יש לנו הזדמנות ברורה פשוט לראות איפה הוא יושב והתשובה היא – מעל אטום הניקל. התמונה הזו יוצרה מהלבשה של שתי תמונות זו על זו: הראשונה שנלקחה ללא אטום הקסנון והשנייה אחרי "הושבת" הקסנון על המשטח. 

 זמן לא רב לאחר פיתוח ה-STM וה-AFM למדו המדענים שהם יכולים לא רק לאפיין מבנים אטומיים על פני השטח אלא אף ליצור אותם ע"י "דחיפת" אטומים עם ה- tip וסידורם על המשטח. דוגמאות למבנים מסובכים למדי מובאים בהמשך  (למשל בתמונה 7). המבנה שיצרו המדענים במקרה זה הוא של 8 אטומי צזיום ו-8 אטומי יוד על גבי מיודעינו – משטח הנחושת(111).

כאן, כפי שהזכרתי קודם, נעשה שימוש בצבע לא רק כדי לציין גובה, אלא גם עקמומיות, כדי לאפיין טוב יותר פרמטרים מסוימים של המבנה על פני השטח בהם היו מעוניינים החוקרים. 

מבנה מסודר של מישור של גביש יחיד הוא דבר משעמם למדי. התמונה, לעומת זאת לא מביישת צייר כמו Escher. נראה שהמתכנת התאהב כאן בצבע הכחול לגווניו כדי לאפיין את המשטח. 

ה "בליטה" הגדולה על פני השטח היא צבר מסודר של 12 אטומי נתרן ו-16 אטומי יוד. כוונת המדען היוצר של המשטח הייתה ליצור מבנה דו-מימדי כדי לחקור תכונות אלקטרוניות מסוימות. לאטומים, לעומת זאת, הייתה "דעה משלהם" והם הסתדרו במבנה תלת-מימדי שהיה נמוך יותר באנרגיה הכללית שלו מהמתוכנן.  

כל הסבר מיותר.

כמו אמנים גם מדענים זקוקים לפטרון מממן, שלפעמים מבקש תמורה. כאן, מיד אחרי שלמדו איך להזיז אטומים ע"י ה-STM נתנו מדעני IBM מתנה לחברה ע"י כתיבת השם שלה במימדים אטומיים (נדמה לי שזה נכנס גם לספר השיאים של גינס). 

בתמונות הקודמות ראינו גלים עומדים של אלקטרוני פני-שטח שנוצרו באקראי. המטרה במקרה הזה היתה ליצור מערכת מתוכננת שבה הגלים העומדים יהיו ניתנים לחישוב מראש ולאמת את החישוב בתצפית. לכן יצרו "סיר" של  48 אטומי ברזל המסודרים במעגל על פני השטח. הפתרונות של מערכת כזו הם של משוואת מכניקת הקוונטים של חלקיק בבור קשיח (מסוג התרגילים שנותנים לסטודנטים של שנה ג' בפיסיקה). לשמחתם מצאו המדענים שהתמונה מתאימה לחלוטין לפתרונות האלה.

אגב, למקרה הזה אפשר לתת דימוי מחיי היום-יום. אם תיקחו סיר ותמלאו אותו מים ואז תתנו נקישה באחת הדפנות. ייווצרו גלים עומדים קונצנטריים. זהו בעיקרון אותו מקרה שאתם רואים בתמונה. 

אז בשביל מה זה טוב, חוץ מתמונות יפות? 

ראשית, מבחינת המחקר יש עליית מדרגה ממדידות נסיבתיות לראיה ישירה של מבנים ותופעות על פני השטח, כפי שהודגמו בתמונות למעלה. המקרוסקופים האלה קידמו את המחקר בצורה מדהימה והרבה תופעות ומבנים שההסברים שלהם היו ספקולטיביים ולא חד משמעותיים הם היום עובדות מוצקות.

שנית, וגם זה הודגם בתמונות, אפשרות המניפולציה של אטומים על פני השטח יוצרת אפשרויות לאינספור, כולל דברים שבהחלט נראים היום כמדע בדיוני ועל כך בסעיף הבא.  

העתיד 

הזזת אטומים על פני השטח יכולה ליצור תמונות יפות, גלי אלקטרונים המהווים פתרונות של משוואה קוונטית ועוד דברים חביבים ומשעשעים. אבל, הם יכולים ליצור גם התקנים בממדים כל כך זעירים  שעבורם הביטוי המתאים ביותר הוא "המציאות עולה על כל דמיון", החל ממעגלים חשמליים המבוססים על רשתות מולקולריות (כגון חוטי DNA ), דרך כימיה בממדים אטומיים וכלה בטרנזיסטור חד-אטומי. אני אסביר את השניים האחרונים (כדוגמאות למגוון רחב של חזית התחום המתפתח הנקרא "ננו-טכנולוגיה"): 

א.  בכנס בו השתתפתי בחודש שעבר שמעתי הרצאה שבה הודגם שימוש ב-tip של מיקרוסקופ AFM כמחרטה בממדים אטומיים: כיסו פני שטח של דגם מתכת בשכבה אורגנית מסויימת. הכניסו את הגדם למיקרוסקופ והורידו את הtip- עד למגע ננעץ בשכבה האורגנית. הניעו אותו במסלול מתכנן מראש על פני הדגם כך שהמחט הורידה את השכבה מהאטומים שבמסלול. אחר כך הגיבו את הדגם עם גז שהמתכת מגיבה איתו כימית, אבל השכבה האורגנית לא. התגובה התרחשה כמובן רק עם האטומים שמעליהם הוסרה השכבה. לאחר הוצאת הדגם וניקוי השכבה מקבלים תגובה כימית במבנה ציור המתוכנן מראש.

ב.  הרצאה נוספת באותו הכנס נקראה "התקנים אלקטרוניים חד-אטומיים". הדוגמה שנתנה היא של הניסוי הבא: במעגל חשמלי שיצרו מפסי מתכת דקים המנודפים על משטח מוליך יצרו רווח ע"י הסרה מכוונת של קטע מיקרוסקופי. לאחר מכן מלאו את הרווח ע"י הזזת אטומים (כמו שהודגם למעלה בתמונות), כך שבסוף נשאר רווח של אטום אחד. את האטום האחרון הזה הניחו כך שמתח חשמלי בכיוון הניצב מסוגל להזיז את האטום הלוך ושוב וכך יצרו מתג חשמלי של אטום בודד שבעזרתו אפשר לפתוח ולסגור מעגל חשמלי.

אני לא ממש מתכוון לספר לכם שמחר יקימו מפעלים שבהם יעמדו מיקרוסקופים כאלה בפסי ייצור ויצרו התקנים אלקטרוניים ממוזערים כל כך. היישום המעשי עוד רחוק. אבל הכיוון כבר נקבע. גם הטרנזיסטור הראשון וה"ג'וקים" האלקטרוניים למיניהם החלו את דרכם במעבדות שנים רבות לפני שהגיעו לפסי הייצור. אם נהיה סבלניים, נזכה לראות בעוד עשרות שנים בודדות את הפירות המעשיים של ניסויים, הנראים כמו מדע בדיוני, המבוצעים בימים אלה במעבדות המחקר בעולם.

 

הוסף תגובה חדשה

CAPTCHA

משהו קטן לוודא שאינך רובוט. משתמשים רשומים מדלגים

ענה לשאלה / השלם את החסר