अवलोकन टनलिंग सूक्ष्मदर्शी यंत्र का स्रोत देखें

[[चित्र:Atomic resolution Au100.JPG‎|250px|thumb|स्वच्छ [[सुवर्ण|स्वर्ण]] का प्रतिबिंब[[Miller index|(100)]]]]

आणुविक स्तर पर सतहों को देखने के लिये '''अवलोकन टनलिंग सूक्ष्मदर्शी यंत्र''' (अंगरेजी में= Scanning Tunneling Microscope(STM)) एक शक्तिशाली तकनीक है। सन १९८१ में [[गर्ड बिन्निग]] और [[हैन्रिक रोह्रर]] ([[आई बी एम]] [[ज़्यूरिख़]]) ने इसका आविष्कार किया जिसके लिये सन १९८६ में इन्हे [[भौतिकी]] का [[नोबेल पुरस्कार]] दिया गया।<ref name="Binnig">G. Binnig, H. Rohrer “अवलोकन टनलिंग सूक्ष्मदर्शी यंत्र” आई बी एम जर्नल ऑफ रिसर्च एन्ड डेवलपमेन्ट '''30''',4 (1986) पुनः प्रकाशित 44,½ Jan/Mar (2000)</ref> यह यंत्र टनलिंग धारा के मापन के आधार पर पदार्थ के [[अवस्था घनत्व]] को परखता है। यह 0.1 [[नैनो]]मीटर की चौडाई और 0.01 नैनोमीटर की गहराई तक देख सकता है।<ref name="Bai">C. Bai ''अवलोकन टनलिंग सूक्ष्मदर्शी यंत्र और उसके प्रयोग'' Springer Verlag, 2nd edition, New York (1999)</ref> यह यंत्र ना सिर्फ अति-निर्वात परिस्तिथियों में, बल्कि खुली हवा तथा द्रव एवं गैस के वातावरण में भी काम कर सकता है। साथ ही लगभग शून्य [[केल्विन]] से लेकर कुछ सौ डिग्री सेल्सिअस तापमान तक यह काम कर सकता है।<ref name="Chen">C. Julian Chen ''अवलोकन टनलिंग सूक्ष्मदर्शी यंत्र पर भूमिका'(1993)</ref>.

यह [[सूक्ष्मदर्शी यंत्र]] [[प्रमात्रा टनलिंग|<span title="Quantum tunneling">प्रमात्रा टनलिंग</span>]] के सिद्धांत पर आधारित है। किसी [[धातु]] या [[अर्धचालक भौतिकी|अर्धचालक]] की सतह के बहुत पास जब किसी चालक नोक को लाया जाता है, तो इस निर्वात अन्तराल में [[इलेक्ट्रॉन]] के बहनें के लिये एक सुरंग (या टनल) बन जाता है। निम्न वोल्टता में इलेक्ट्रॉन की धारा का व्यवहार [[फर्मी]] स्तर, ''E''<sub>f</sub>, पर नमूने के 'अवस्था के घनत्व' पर निर्भर करता है।<ref name="Chen"/>. इलेक्ट्रॉन धार के घटबढ़ से प्रतिबिंब बनाया जाता है।

अति-स्वच्छ सतहों और नुकीले नोकों की जरूरत इस तकनीक की कठिनाई है।

== टनलिंग ==
[[प्रमात्रा टनलिंग|<span title="Quantum Tunneling">टनलिंग</span>]] सिद्धांत का जन्म [[प्रमात्रा यांत्रिकी|<span title="Quantum Mechanics">प्रमात्रा यांत्रिकी</span>]] से होता है। [[उदात्त यांत्रिकी|<span title="Classical Mechanics">उदात्त यांत्रिकी</span>]] के तहत, यदि एक वस्तु एक दिवार से टकराए तो वह टकराकर गिर जाता है, पार नहीं जा पाती। जैसे गेंद को दीवार के दूसरी तरफ खडे दोस्त की ओर फैंकें, तो बेहद आश्चर्य होगा यदि गेंद दीवार के आर-पार हो जाये। परंतु ऐसा ही होता है बहुत ही कम [[द्रव्यमान|<span title="mass">द्रव्यमान</span>]] के वस्तु, जैसे कि [[इलेक्ट्रॉन]], के साथ। ऐसे वस्तु तरंग नुमा होते हैं, इसलिये एक सुरंग (या टनल) सी बन जाती है और इस वस्तु के आर-पार होने की ''सम्भावना'' बढ़ जाती है।<ref name="Chen"/>

टनलिंग का गणित [[प्रमात्रा टनलिंग|<span title="Quantum Tunneling">प्रमात्रा टनलिंग</span>]] में पढें।
<!--Tunneling is a concept that arises from [[quantum mechanics]]. Classically, an object hitting an impenetrable wall will bounce back. Imagine throwing a baseball to a friend on the other side of a mile high brick wall, directly at the wall. One would be rightfully astonished if, rather than bouncing back upon impact, the ball were to simply pass through to your friend on the other side of the wall. For objects of very small mass, as is the electron, wavelike nature has a more pronounced effect, so such an event, referred to as tunneling, has a much greater probability.

Electrons behave as waves of energy, and in the presence of a potential ''U''(''z''), assuming 1-dimensional case, the energy levels ''ψ''<sub>''n''</sub>(''z'') of the electrons are given by solutions to [[Schrodinger Equation|Schrödinger’s equation]],

::<math>- \frac{\hbar^2}{2m} \frac{\partial^2\psi_n (z)}{\partial z^2} + U(z) \psi_n (z) = E\psi_n (z) </math>,
 
where ''ħ'' is Planck’s constant, ''z'' is the position, and ''m'' is the mass of an electron<ref name="Chen"/>. If an electron of energy ''E'' is incident upon an energy barrier of height ''U''(''z''), the electron [[wave function]] is a [[traveling wave]] solution,

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

where

::<math> k=\frac{\sqrt{2m(E-U)}}{\hbar}</math>
if ''E'' > ''U''(''z''), which is true for a wave function inside the tip or inside the sample<ref name="Chen"/>. Inside a barrier, such as between tip and sample, ''E'' < ''U''(''z'') so the wave functions which satisfies this are decaying waves,

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

where

::<math> \kappa = \frac{\sqrt{2m(U-E)}}{\hbar}</math>
quantifies the decay of the wave inside the barrier, with the barrier in the +''z'' direction for <math> -\kappa </math><ref name="Chen"/>.

Knowing the wave function allows one to calculate the probability density for that electron to be found at some location. In the case of tunneling, the tip and sample wave functions overlap such that when under a bias, there is some finite probability to find the electron in the barrier region and even on the other side of the barrier<ref name="Chen"/>. Let us assume the bias is ''V'' and the barrier width is ''W'', as illustrated in Figure 1. This probability, ''P'', that an electron at ''z''=0 (left edge of barrier) can be found at ''z''=''W'' (right edge of barrier) is proportional to the wave function squared,

::<math>P \propto |\psi_n (0)|^2 e^{-2 \kappa W} </math><ref name="Chen"/>.

If the bias is small, we can let ''U'' − ''E'' ≈ ''φM'' in the expression for ''κ'', where ''φM'', the work function, gives the minimum energy needed to bring an electron from an occupied level, the highest of which is at the Fermi level (for metals at ''T''=0 kelvins), to vacuum level. When a small bias ''V'' is applied to the system, only electronic states very near the Fermi level, within ''eV'', are excited<ref name="Chen"/>. These excited electrons can tunnel across the barrier. In other words, tunneling occurs mainly with electrons of energies near the Fermi level.

However, tunneling does require that there is an empty level of the same energy as the electron for the electron to tunnel into on the other side of the barrier. It is because of this restriction that the tunneling current can be related to the density of available or filled states in the sample. The current due to an applied voltage ''V'' (assume tunneling occurs sample to tip) depends on two factors: 1) the number of electrons between ''E''<sub>f</sub> and ''eV'' in the sample, and 2) the number among them which have corresponding free states to tunnel into on the other side of the barrier at the tip<ref name="Chen"/>. The higher density of available states the greater the tunneling current. When ''V'' is positive, electrons in the tip tunnel into empty states in the sample; for a negative bias, electrons tunnel out of occupied states in the sample into the tip<ref name="Chen"/>.

Mathematically, this tunneling current is given by

::<math> I \propto \sum_{E_f-eV}^{Ef} |\psi_n (0)|^2 e^{-2 \kappa W} </math>.

One can sum the probability over energies between ''E''<sub>f</sub> − ''eV'' and ''eV'' to get the number of states available in this energy range per unit volume, thereby finding the local density of states (LDOS) near the Fermi level<ref name="Chen"/>. The LDOS near some energy ''E'' in an interval ''ε'' is given by

::<math> \rho_s (z,E) = \frac{1}{\epsilon} \sum_{E- \epsilon}^{E} | \psi_n (z)|^2 </math>,

and the tunnel current at a small bias V is proportional to the LDOS near the Fermi level, which gives important information about the sample<ref name="Chen"/>. It is desirable to use LDOS to express the current because this value does not change as the volume changes, while probability density does<ref name="Chen"/>. Thus the tunneling current is given by

::<math> I \propto V \rho_s (0, E_f) e^{-2 \kappa W} </math>

where ρ<sub>s</sub>(0,''E''<sub>f</sub>) is the LDOS near the Fermi level of the sample at the sample surface<ref name="Chen"/>. By using equation (6), this current can also be expressed in terms of the LDOS near the Fermi level of the sample at the tip surface,

::<math> I \propto V \rho_s (W, E_f) V </math>

The exponential term in (9) is very significant in that small variations in W greatly influence the tunnel current. If the separation is decreased by 1 Ǻ, the current increases by an order of magnitude, and vice versa<ref name="Bonnell">D. A. Bonnell and B. D. Huey “Basic principles of scanning probe microscopy” from ''Scanning probe microscopy and spectroscopy: Theory, techniques, and applications'' 2nd edition Ed. By D. A. Bonnell Wiley-VCH, Inc. New York (2001)</ref>.

This approach fails to account for the ''rate'' at which electrons can pass the barrier. This rate should affect the tunnel current, so it can be accounted for by using Fermi’s Golden Rule with the appropriate tunneling matrix element. [[John Bardeen]] solved this problem in his study of the metal-insulator-metal junction, MIM<ref name="Bardeen">J. Bardeen “Tunneling from a many particle point of view” Phys. Rev. Lett. '''6''',2 57-59 (1961)</ref>. He found that if he solved Schrödinger’s equation for each side of the junction separately to obtain the wave functions ψ and χ for each electrode, he could obtain the tunnel matrix, M, from the overlap of these two wave functions<ref name="Chen"/>. This can be applied to STM by making the electrodes the tip and sample, assigning ψ and χ as sample and tip wave functions, respectively, and evaluating M at some surface S between the metal electrodes at z=zo, where z=0 at the sample surface and z=W at the tip surface<ref name="Chen"/>.

Now, Fermi’s Golden Rule gives the rate for electron transfer across the barrier, and is written

::<math> w = \frac{2 \pi}{\hbar} |M|^2 \delta (E_{\psi} - E_{\chi}) </math>,

where δ(Eψ-Eχ) restricts tunneling to occur only between electron levels with the same energy<ref name="Chen"/>. The tunnel matrix element, given by

::<math> M= \frac{\hbar}{2 \pi} \int_{z=z_0} (\chi* \frac {\partial \psi}{\partial z}-\psi \frac{\partial \chi*}{\partial z}) dS </math>,

is a description of the lower energy associated with the interaction of wave functions at the overlap, also called the resonance energy<ref name="Chen"/>.

Summing over all the states gives the tunneling current as

::<math> I = \frac{4 \pi e}{\hbar}\int_{-\infty}^{+\infty} [f(E_f -eV) - f(E_f + \epsilon)] \rho_s (E_f - eV + \epsilon) \rho_T (E_f + \epsilon)|M|^2 d \epsilon </math>,

where f is the [[Fermi function]], ρ<sub>s</sub> and ρ<sub>T</sub> are the density of states in the sample and tip, respectively<ref name="Chen"/>. The Fermi distribution function describes the filling of electron levels at a given temperature T.
-->

== प्रक्रिया ==
नोक को नमूने के समीप लाया जाता है, ताकि यह दूरी तकरीबन 4-7 [[ऐंगस्ट्रॉम|Ǻ]] हो, जो आकर्षक (3 से 10Ǻ तक) और विकर्षक (3Ǻ से कम) दूरियों के बीच सन्तुलन की स्थिति होती है।<ref name="Chen"/> टनल (या प्रमात्रा सुरंग) के बनने के बाद, [[पैजो़विद्युत]] [[अंतरक|<span title="transduction">अंतरक</span>]] की सहायता से नोक को ३ दिशाओं में घुमाया जाता है। नोक के पास की सतह के अवस्था के घनत्व के बदलाव से टनल धारा में परिवर्तन आता है। इसके चालन के दो प्रकार हैं - या तो धारा को स्थिरांक रखा जाये, या नोक की दूरी को स्थिरांक रखा जाये।<ref name="Chen"/>

स्थिरांक धारा प्रणाली में पैजो़विद्युत की सहायता से दूरी का नियन्त्र किया जाता है ताकि धारा में बदलाव ना आये।<ref name="Oura">K. Oura, V. G. Lifshits, A. A. Saranin, A. V. Zotov, and M. Katayama ''सतह विज्ञानः भूमिका'' Springer-Verlag Berlin (2003)</ref><ref name="Bonnell">D. A. Bonnell and B. D. Huey “अवलोकन अन्वेषिका सूक्ष्मदर्शी यंत्र के मूल सिद्धांत” पुस्तकः ''अवलोकन अन्वेषिका सूक्ष्मदर्शी यंत्र और वर्णक्रम मापन: सिद्धांत, तकनीक और प्रयोग'' 2nd edition Ed. By D. A. Bonnell Wiley-VCH, Inc. New York (2001)</ref> स्थिरांक दूरी प्रणाली का फायदा यह है कि यह ज्यादा सम्वेदनशील होता है, क्योंकि इसमें स्थिरांक धारा प्रणाली की तुलना में पैजो़विद्युत दूरी को नियंत्रित नहीं करना पडता। 
<!--In addition to scanning across the sample, information on the electronic structure of the sample can be obtained by sweeping voltage and measuring current at a specific location<ref name="Bai"/>. This type of measurement is called [[scanning tunneling spectroscopy]] (STS).-->

== मापयंत्रण ==
[[चित्र:ScanningTunnelingMicroscope schematic.png|thumb|400px|right|अवलोकन टनलिंग सूक्ष्मदर्शी यंत्र का आरेखीय चित्र]]
अवलोकन टनलिंग सूक्ष्मदर्शी यंत्र के पुर्जे हैं क्रमवीक्षण नोक, पैजो़विद्युत दूरी नियंत्रण, गाढा नमूने से नोक नियंत्रण, कम्पन अवमन्दन और कम्प्युटर।<ref name="Oura"/>

प्रतिबिंब की [[विभेदनशीलता|<span title="image resolution">विभेदनशीलता</span>]] नोक के [[वक्रता के अर्द्ध व्यास|<span title="radius of curvature">वक्रता के अर्द्ध व्यास</span>]] पर निर्भर करता है। नोक के अगर दो सिर हों तो प्रतिबिंब गलत बनता है - नोक में सिर्फ एक अणु होना चाहिये। नोक के लिये आजकल [[कार्बन]] [[नैनोंट्यूब|<span title="Nanotubes">नैनोंट्यूब</span>]] का प्रयोग हो रहा है। [[टंग्स्टन]], [[प्लाटिनम]]-[[इरिडियम]] और [[सुवर्ण]] का भी प्रयोग हो रहा है।<ref name="Bai"/>
[[चित्र:Stmsample.jpg|thumb|left|250px|अवलोकन टनलिंग सूक्ष्मदर्शी यंत्र [[प्लाटिनम]]-[[इरिडियम]] के नोक के साथ]]
<!--Tungsten tips are usually made by electrochemical etching, and platinum-iridium tips by mechanical shearing-->

कम्पन अवमन्दन की जरूरत का कारण है Ǻ स्तर पर दूरी को बनाये रखने की जरूरत। इसके लिये [[चुम्बकिय उत्थापन|<span title="magnetic levitation">चुम्बकिय उत्थापन</span>]] और आजकल [[कमानी|<span title="spring">कमानी</span>]] का प्रयोग भी हो रहा है।<ref name="Chen"/> [[आवर्त धारा|<span title="eddy currents">आवर्त धारा</span>]] को कम करने के प्रावधान भी किये जाते हैं।

कम्प्युटर का प्रयोग नोक की दूरी का गणन करनें और [[प्रतिबिंब प्रोसैसिंग|<span title="image processing">प्रतिबिंब प्रोसैसिंग</span>]] में होता है।<ref name="Oura"/>

== अन्य तरीके और उपयोग ==
अवलोकन टनलिंग सूक्ष्मदर्शी यंत्र के आधार पर अन्य यंत्रों का विकास हुआ है। इनमें है:
* [[तेजोघन अवलोकन टनलिंग सूक्ष्मदर्शी यंत्र|<span title="Photon Scanning Tunneling Microscopy">तेजोघन अवलोकन टनलिंग सूक्ष्मदर्शी यंत्र</span>]] (PSTM), जो एक प्रकाशिक नोक का प्रयोग करता है [[तेजोघन|<span title="photon">तेजोघन</span>]] को सुरंगित करनें के लिये<ref name="Bai"/>
* [[अवलोकन टनलिंग स्थितिज मापी|<span title="Scanning Tunneling Potentiometry">अवलोकन टनलिंग स्थितिज मापी</span>]] (STP), जो सतह और नोक के बीच के [[विद्युत स्थितिज|<span title="electric potential">विद्युत स्थितिज</span>]] को मापता है<ref name="Bai"/>
* [[फिरक ध्रुवीकृत अवलोकन टनलिंग सूक्ष्मदर्शी यंत्र|<span title="spin polarized scanning tunneling microscopy">फिरक ध्रुवीकृत अवलोकन टनलिंग सूक्ष्मदर्शी यंत्र</span>]] (SPSTM), जो चुम्बकीय नमूने के सतह का अवलोकन करता है [[फैरोचुम्बकीय|<span title="ferromagnetic">फैरोचुम्बकीय</span>]] नोक से।<ref name="Wiesendanger">R. Wiesendanger, I. V. Shvets, D. Bürgler, G. Tarrach, H.-J. Güntherodt, and J.M.D. Coey “फिरक ध्रुवीकृत अवलोकन टनलिंग सूक्ष्मदर्शी यंत्र में प्रगति” Ultramicroscopy '''42-44''' (1992)</ref>.

एक और उपयोग है नोक के सहारे सतह को बदलने का। इसका फायदा यह है कि सतह को पहले नोक से अत्यन्त ही सूक्ष्म स्तर पर बदला जा सकता है और फिर उसी नोक से सतह को परखा जा सकता है।

[[आई बी एम]] के वैज्ञानिकों ने [[जेनन]] अणुओं से [[अधिशोषण|<span title="adsorb">अधिशोषित</span>]] [[निकेल]]<ref name="Bai"/> के सतह का प्रयोग किया है [[अश्मलेखन|<span title="lithography">अश्मलेखन</span>]] के लिये, जो [[इलेक्ट्रॉन किरण अश्मलेखन|<span title="electron beam lithography">इलेक्ट्रॉन किरण अश्मलेखन</span>]] से बेहतर है।

हाल के अनुसंधान में पाया गया है कि अवलोकन टनलिंग सूक्ष्मदर्शी यंत्र की सहायता से अणुविकाओं के अन्दर एकल बन्ध को बदला जा सकता है। आणुविक स्तर पर ऐसे [[वैद्युत प्रतिरोध|<span title="electric resistance">वैद्युत प्रतिरोधन</span>]] का प्रयोग एक स्विच के रूप में हो सकता है, जो अति सूक्ष्म [[मैक्रोप्रोसेसर चिप|<span title="Microprocessor chip">चिप</span>]] को बनाने में किया जा सकता है।

== पूर्व आविष्कार ==

टोपोग्रफाइनर का आविष्कार इन ही सिद्धांतों पर आधारित है, जिसकी अभार-पूर्ति नोबेल कमिटी ने बाद में की।<ref>R. Young, J. Ward, F. Scire, ''टोपोग्रफाइनर: सतह के स्थलाकृति का मापन यंत्र'', Rev. Sci. Instrum. '''43''', 999 (1972)</ref>.

== उल्लेख ==
{{reflist}}

== बाहरी कड़ियाँ ==

* [https://web.archive.org/web/20070927003453/http://www.fz-juelich.de/video/emundts/film.mpg अवलोकन टनलिंग सूक्ष्मदर्शी यंत्र पर फिल्म] (mpeg movie 3MB)
* [https://web.archive.org/web/20080521034602/http://www.nano.geo.uni-muenchen.de/external/multimedia/zoom.html नैनोदुनिया] (प्रतिबिंबों से सजीवन)
* [https://web.archive.org/web/20080410032434/http://www.mobot.org/jwcross/spm/ SPM - अवलोकन अन्वेषिका सूक्ष्मदर्शी यंत्र]
* [https://web.archive.org/web/20080413144432/http://www.almaden.ibm.com/vis/stm/gallery.html आई बी एम आल्मेडन अनुसन्धान केन्द्र के अवलोकन अन्वेषिका सूक्ष्मदर्शी यंत्र प्रतिबिंब]
* [https://web.archive.org/web/20080421215236/http://www.iap.tuwien.ac.at/www/Surface/STM_Gallery/ वियेना तकनीकी विश्वविद्यालय के अवलोकन अन्वेषिका सूक्ष्मदर्शी यंत्र प्रतिबिंब]
* [https://web.archive.org/web/20140708114448/http://www.geocities.com/spm_stm/Project.html ५००० रुपयों में अवलोकन टनलिंग सूक्ष्मदर्शी यंत्र बनायें (ऑसिलोस्कोप के अतिरिक्त]
* [https://web.archive.org/web/20090316065904/http://www.nanotimes-corp.com/content/view/22/38/ नैनोटाइम्स अनुकरण इन्जिन]
* Tersoff, J.: Hamann, D. R.: अवलोकन टनलिंग सूक्ष्मदर्शी यंत्र के सिद्धांत, [http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevB.31.805 Physical Review B 31, 1985, p. 805 - 813]. 
* Bardeen, J.: टनलिंग सिद्धांत, [http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.6.57 Physical Review Letters 6 (2), 1961, p. 57-59].
* Chen, C. J.: धातुविक सतह पर आणुविक विभेदन और अवलोकन टनलिंग सूक्ष्मदर्शी यंत्र, [http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.65.448 Physical Review Letters 65 (4), 1990, p. 448-451] 
* G. Binnig, H. Rohrer, Ch. Gerber, and E. Weibel, [https://web.archive.org/web/20080821014956/http://dx.doi.org/10.1103%2FPhysRevLett.50.120 Phys. Rev. Lett. 50, 120 - 123 (1983)]
* G. Binnig, H. Rohrer, Ch. Gerber, and E. Weibel, [http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.49.57 Phys. Rev. Lett. 49, 57 - 61 (1982)]
* G. Binnig, H. Rohrer, Ch. Gerber, and E. Weibel, [http://dx.doi.org/10.1063/1.92999 Appl. Phys. Lett., Vol. 40, Issue 2, pp. 178-180 (1982)]
* R. V. Lapshin, Feature-oriented scanning methodology for probe microscopy and nanotechnology, [http://stacks.iop.org/Nano/15/1135 Nanotechnology, volume 15, issue 9, pages 1135-1151, 2004]

[[श्रेणी:तकनीकी और अभियान्त्रिकी]]
[[श्रेणी:भौतिकी]]
[[श्रेणी:चिकित्सा पद्धति]]
[[श्रेणी:सूक्ष्मदर्शी यंत्र]]