שלוש סיבות לא לטבול אצבע בספל קפה – על מדידת טמפרטורה בסקלה ננומטרית

איך מודדים טמפרטורה?

טמפרטורה היא מושג חמקמק למדי, אבל בואו ונניח לשם פשטות שהכוונה היא ל-'חם' ו-'קר', ול-'חם יותר' ו-'קר יותר'. אלה הן התחושות שאנחנו חווים בזמן אחיזת ספל קפה חם או קוביית קרח קרה.

איך נוכל לדעת איזה משני ספלי קפה חם יותר?

הדרך הפשוטה ביותר היא לטבול אצבע בכל אחת מהן ולהרגיש מי יותר חמה. ישנם מספר חסרונות בולטים לשיטה זאת. תחושות הגוף תלויות במצבו של הגוף ובמה שהוא חווה קודם, למשל אם האצבע היתה במגע עם משהו קר או חם. כמו כן, המדידה אינה כמותית. קשה להשוות את התוצאה של היום למדידה של מחר. ודבר אחרון, האצבע מזהמת את כוסות הקפה ולא בטוח שנרצה להגיש אותן כך.

תמונה 1: כוס קפה לאטה. איזה יופי. לא הייתם דוחפים לזה אצבע, נכון? המקור לתמונה: ויקיפדיה, לשם הועלתה על ידי המשתמש Coffeecupgals.

הפתרון הוא להשתמש בתרמומטר (מדחום). לא ניתן למדוד טמפרטורה באופן ישיר, לכן התרמומטר מודד תופעה פיזיקלית אחרת שתלויה בטמפרטורה, ולאחר מכן ממיר את המדידה באופן כמותי לטמפרטורה. בתרמומטר כספית או אלכוהול, למשל, נעשה שימוש בכך שנפח נוזלים גדל בתגובה לעליית הטמפרטורה שלהם. אם כך, נסגור טיפת כספית בתוך צינור זכוכית דק וכאשר נטבול אותו במים חמים נפח הכספית יגדל והיא תטפס במעלה הצינור. נשרטט על הצינור סרגל מספרים ונשתמש בו לכמת את הגובה שאליו עולה הנוזל בטמפרטורות שונות. ישנן כמובן תופעות נוספות שמשמשות לבניית מדי-חום כמו תלות התנגדות חשמלית של חומרים מסוימים בטמפרטורה, ותופעות תרמו-אלקטריות בצמד חומני.

***

מה יקרה אם ננסה למדוד את הטמפרטורה של טיפת כספית באמצעות תרמומטר הכספית שלנו? אם בכלל נקבל קריאה, סביר להניח שהיא תהיה שגויה. גרוע מכך, הטמפרטורה של הטיפה עלולה להשתנות עקב המגע עם התרמומטר. חזרנו לאצבע שמזהמת את כוס הקפה.

מה השתבש?

תרמומטר כספית יעבוד היטב רק כאשר הגוף המודד (טיפת הכספית) קטן מאוד ביחס לגוף הנמדד וכך בשיווי משקל יקבל את הטמפרטורה שלו, ללא גרירת שינוי בגוף הנמדד. לדוגמה, כאשר אנחנו שמים מדחום בפה, טיפת הכספית קטנה והפה גדול. עקב כך, בשיווי משקל טמפרטורת הטיפה משתווה לזאת של הפה, וטמפרטורת הפה לא משתנה באופן מהותי.

אחד הפתרונות למדידת טמפרטורה של גוף קטן הוא להשתמש בשיטה שלא דורשת מגע בין הגלאי לבין הגוף הנמדד. למיטב ידיעתי, רוב השיטות למדידת טמפרטורה ללא מגע מבוססות על חישה של קרינה כלשהי שנפלטת מהגוף ותלויה בטמפרטורה. השיטה המוכרת ביותר היא חישה של קרינה בתחום אינפרא-אדום שנפלטת באופן טבעי מכל גוף בעל טמפרטורה. לאחר שפותחו גלאים רגישים מספיק לקרינה זאת קיבלנו מדי-חום לתינוקות ומצלמות תרמיות לאיתור חולי שפעת בשדות תעופה. שיטה נוספת היא הוספה של חלקיקים מיוחדים פולטי אור, למשל זרחן, לגוף הנמדד. את המערכת מאירים באור UV או בלייזר ובוחנים את פרופיל דעיכת האור הנפלט מהחומר הזרחני. אופי הפרופיל תלוי בטמפרטורה. ישנן דרכים נוספות כמו שימוש בפיזור ראמאן ושיטות אחרות.

תמונה 2: תמונה באינפרא-אדום של כלב קטן. המקור לתמונה: נאס"א, דרך ויקיפדיה.

***

בעידן המיקרואלקטרוניקה מודפסים מיליוני טרנזיסטורים על גבי פרוסות הסיליקון שהן השבבים שמפעילים את המחשבים שלנו. גודלם של טרנזיסטורים בודדים יכול להגיע כיום לכ-20 ננומטר ואף פחות (ננומטר = לחלק מטר תשע פעמים ב-10 = קטן מאוד). כל שיטות המדידה של טמפרטורה באמצעות קרינה מבוססות על סוגים של אופטיקה ובשל כך כושר ההפרדה שלהן חסום על ידי גבול הדיפרקציה. מכיוון שהגבול הוא מסדר גודל של אורך הגל, לא נוכל למדוד טמפרטורה עבור אזור קטן מגודל זה. הטרנזיסטורים קטנים מאורך הגל של קרינה אינפרא-אדומה ושל אור נראה, ולכן לא נוכל למפות את פילוג הטמפרטורה על גבי שבבי הסיליקון בדיוק מרחבי של טרנזיסטור בודד.

לבעיה הזאת יש פתרונות, אם כי רובם עדיין בתהליכים של מחקר ופיתוח. Scanning thermal microscopy היא שיטה שמנצלת מכשיר אחר שנקרא מיקרוסקופ כוח אטומי. מיקרוסקופ זה סורק את פני השטח של גוף באמצעות מחת ננומטרית, בדומה למחט הסורקת את פניו של תקליט. רוחבו של קצה המחט הוא כמה עשרות ננומטרים. המיקרוסקופ יכול למפות את פני השטח ברזולוציה מרחבית שנתונה על ידי רוחב הקצה. על ידי הרכבת מד-טמפרטורה על קצה המחט ניתן למפות גם את הטמפרטורה ברזולוציה מרחבית ננומטרית.

תמונה 3: מחט של מיקרוסקופ כוח אטומי הנמצאת בקצה של קורה קפיצית. התמונה צולמה באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים סורק בהגדלה פי 1000. המקור לתמונה: ויקיפדיה, לשם הועלתה על ידי המשתמש Materialscientist.

שיטה אחרת נקראת Near-field scanning optical microscope, ובה יש שימוש בסיב אופטי שמוחזק קרוב למשטח ומודד גלים דועכים שקורנים החוצה מהחומר ונעלמים במרחק קצר מאוד. שתי השיטות האלה מסוגלות להגיע לרזולוציה מרחבית של 50 ננומטר ואפילו פחות. ישנן שיטות נוספות שמפאת קוצר היריעה והגבלת שטף הניים-דרופינג אינני מזכיר.

***

לפני מספר שבועות התפרסם מאמר במגזין המדעי הנחשב Science שהציג שיטה אחרת למדידת טמפרטורה בסקלה ננומטרית. השיטה עושה שימוש במיקרוסקופ אלקטרונים חודר וברגישות של האנרגיה של קווזי-חלקיקים שנקראים פלזמונים לטמפרטורה. היא מבוססת על מדידת איבוד אנרגיה של אלקטרונים שעברו דרך החומר ועל התלות של התופעה בטמפרטורה. כותבי המאמר טוענים שהשיטה שלהם טובה יותר מהאחרות.

מכיוון שזה לא אתר חדשות מדע, אני אשאיר לכם לקרא על כך לבד, כאשר המבוא לנושא כבר בידכם.

המאמר המקורי מאחורי חומת תשלום כמובן, אבל ניתן למצוא דיווחים באתרי חדשות המדע.

***

ולסיום, שאלה מתחכמת לקהל בנושא קרוב.

מצאנו דרכים יצירתיות למדוד טמפרטורה של כמות מאוד קטנה של חומר. האם ניתן למדוד טמפרטורה של אטום בודד? אם אני אשנה את השאלה לשני אטומים זה ישנה את התשובה? עשרה אטומים? יותר?

טוב מראה עיניים, על מיקרוסקופ אלקטרונים סורק

כאשר מכשיר חשמלי מפסיק לעבוד ישנן שתי גישות שכדאי לנקוט במקביל לאיתור התקלה. הראשונה היא לבדוק את תקינות המעגל החשמלי בנקודות שונות בעזרת מד-מתח למשל. השניה היא פשוט להתבונן במעגל ולראות האם משהו נראה לא כשורה כגון קבל שרוף או חוט מנותק. אך מה תעשו אם המעגל שלכם הוא שבב מוליך-למחצה שעליו מודפסים מספר עצום של טרנזיסטורים בגודל ננומטרי? שתי הגישות עדיין תקפות רק שכדי לראות את המעגל יש להשתמש במיקרוסקופ מתאים, למשל מיקרוסקופ אלקטרונים סורק (Scanning electron microscope או בקיצור SEM) שבו אנחנו רואים באמצעות אלקטרונים במקום באמצעות אור.

מהו אותו SEM וכיצד הוא עובד?

תמונה 1: הדמיה של סוגים שונים של אבקנים באמצעות SEM בהגדלה פי 500, כך שגודלו של האבקן דמויי השעועית בפינה השמאלית למטה הוא כ-50 מיקרומטר (סדר גודל של קוטר שערה). המקור לתמונה: ויקיפדיה.

ראשית אציין שישנם מספר סוגים של מיקרוסקופ אלקטרונים אך אני מתמקד כאן ב-SEM, שהוא כלי נפוץ למדי במעבדות מחקר וגם בתעשיה. בניגוד לחלק גדול משיטות המיקרוסקופיה המתקדמות שנמצאות בשימוש כיום ה-SEM כלל אינו חדש. כבר בשנות ה-30 של המאה הקודמת פותחו המכשירים הראשונים במעבדות, ושווקו לראשונה באופן מסחרי בשנות ה-60.

אם במיקרוסקופ אופטי מואר משטח באמצעות קרני אור ונעשה שימוש בקרניים המוחזרות ממנו כדי להרכיב תמונה, במיקרוסקופ אלקטרונים נעשה שימוש בקרני אלקטרונים. היתרון העיקרי הוא שיפור משמעותי ברזולוציה המרחבית לרמה של ננומטרים בודדים (במיקרוסקופ אופטי – כמה מאות) עקב אורך הגל הקצר יותר של האלקטרונים. ישנם שני יתרונות חשובים נוספים ל-SEM ביחס לשיטות מיקרוסקופיה סורקות אחרות. הראשון הוא מהירות הסריקה הגבוהה שמאפשרת להתבונן בדגם בזמן אמת והשני הוא עומק השדה הגדול. הכוונה באחרון היא שהמרחק בין העצמים הרחוקים והקרובים ביותר שיראו בפוקוס בו-זמנית גדול באופן יחסי. תכונה זאת מאפשרת לראות עצמים תלת-ממדיים באיכות גבוהה, כפי שניתן לראות בתמונה 1.

הפיזיקה

כאשר קרן האלקטרונים פוגעת במשטח חלקם מתנגשים בו ומוחזרים עם אנרגיה גבוהה. לחלופין, חלקם חודרים לחומר, מתנגשים באטומים ונעים בכיוונים אקראיים תוך איבוד הדרגתי של האנרגיה שלהם. תוך כדי תהליך זה נפלטים מהחומר אלקטרונים בעלי אנרגיה נמוכה 'שנקרעו' מהאטומים ונקראים 'שְנִיוֹנִיים' ונפלטת גם קרינה אלקטרומגנטית. צורתו של הנפח שבו מתרחשת האינטרקציה של האלקטרונים החודרים עם האטומים דומה לדמעה או לבצל (ראו איור 2) וגודלו תלוי באנרגיה של הקרן, במספר האטומי של החומר ובצפיפותו. גם האלקטרונים הניתזים חזרה, גם האלקטרונים השניוניים שנפלטים וגם הקרינה ניתנים למדידה על ידי שימוש בגלאי מתאים שממוקם נכון. השימוש הסטנדרטי והמוכר ביותר, שבו אתמקד, הוא גילוי של אלקטרונים שניוניים.

איור 2: תיאור סכמטי של פגיעת קרן אלקטרונים במשטח הדגם, ושל ההבדל באינטראקציה בין פגיעה במשטח אופקי למשטח אנכי.

קצהו של נפח האינטראקציה דמוי הבצל אמנם מגיע לעומק של כמה עשרות ננומטרים בתוך החומר אבל האנרגיה של האלקטרונים השניוניים נמוכה מידי ואינה מספיקה כדי להביאם לפני השטח וכדי לצאת מהחומר. רק אלקטרונים שמקורם בשכבה דקה ברוחב כמה ננומטרים בפני השטח מצליחים לצאת ולהגיע לגלאי.

נבחן שני מקרים המתוארים באיור 2. שתי קרני אלקטרונים פוגעות במשטח שעליו ישנה בליטה מלבנית. קרן אחת פוגעת במרכז הבליטה וקרן אחרת בדופן. הפס האדום מסמן את עומק השכבה הדקה ממנה נפלטים אלקטרונים שניוניים. ניתן לראות שבמקרה של פגיעה במשטח אנכי יש חפיפה רבה יותר בין המשטח האדום לבצל ולכן מספר האלקטרונים שיפלטו ויגיעו אל הגלאי רב יותר והאות הנמדד חזק יותר. בעקבות תכונה זאת משטחים אנכיים או כאלה בזווית יראו בתמונה בהירים יותר ממשטחים אופקיים. הניגודיות (contrast) מאפשרת לנו לייצר הדמיה של פני השטח ומעניקה לתמונה מראה תלת-מימדי. גורמים נוספים שתורמים לניגודיות בתמונת ה-SEM הם סוגי חומרים שונים, מוליכים אל מול מבודדים וגבהים שונים של פני השטח.

הפרטים הטכניים

כדי ליצור את קרן האלקטרונים ישנו ב-SEM חלק שדומה באופן רעיוני לתותח אלקטרונים שנמצא בכל טלוויזיה מהסוג הישן (CRT). האלקטרונים נפלטים עקב חימום קתודה מתכתית ועוברים דרך עדשות אלקטרוסטטיות ליישור הקרן ומיקודה. הקרן מכוונת מנקודה לנקודה במסלול מחזורי על ידי הפעלת שדה מגנטי לשם סריקת האזור הדרוש. גם התותח וגם הדגם הנסרק נמצאים יחדיו בואקום כדי למנוע מהאלקטרונים להתנגש במולקולות אוויר ולאבד כיוון ואנרגיה.

איור 3: דיאגרמה סכמטית המתארת את מבנה ה-SEM. המקור לאיור: ויקיפדיה, לשם הועלה על יד המשתמשים Steff, ARTE, MarcoTolo.

ב-SEM, בניגוד למיקרוסקופ אור, ההגדלה אינה נקבעת על ידי חוזק העדשות אלא על ידי היחס בין מספר הפיקסלים בתמונה, כלומר בין מספר נקודות הדגימה של הקרן, לבין המרחק האמיתי בין נקודה לנקודה על גבי הדגם. לדוגמה, נוכל לקבוע שאנחנו מייצרים תמונה שמורכבת מ-512 על 512 פיקסלים. כל פיקסל מקורו בנקודה על פני הדגם שבה פוגעת קרן האלקטרונים ונמדד האות הרלוונטי הנקלט בגלאי. ככל שהמרחק בין הפיקסלים גדול יותר כך התמונה היא של שטח רחב יותר וההגדלה קטנה יותר. התכונה הזאת מאפשרת לקבל באמצעות ה-SEM טווח עצום של הגדלות, בין פי 10 לפי 200,000 בערך, שזה פי 200 יותר גדול מההגדלה המרבית שניתן לקבל במיקרוסקופ אופטי.

הרזולוציה או כושר ההפרדה של ה-SEM תלויה ברוחב אלומת האלקטרונים. הכוונה היא לגודל 'הכתם' שהקרן תייצר אם תוקרן על מסך בזווית ישרה. בהדמיה של אלמנטים קטנים מרוחב הכתם התמונה שלהם 'תמרח' ורוחבם יראה כרוחב הקרן. רוחב האלומה נקבע על ידי אורך הגל ומערכת העדשות האלקטרוסטטיות. גורם נוסף המשפיע על הרזולוציה הוא רוחב נפח האינטראקציה של האלקטרונים בתוך החומר.

דגמים שנסרקים ב-SEM סטנדרטי צריכים להיות מוליכים חשמלית (לפחות בפני השטח) ומחוברים לאדמה (הארקה). דבר זה הכרחי כדי לפנות את האלקטרונים הנוספים שהגיעו מהקרן ונתקעו בדגם. אלקטרונים אלה ישנו את הפוטנציאל החשמלי ויגרמו לעיוות התמונה. אם הדגם אינו מוליך באופן טבעי ניתן לצפות אותו בשכבה דקה מאוד של חומר מוליך. כהערת אגב, קיים סוג נוסף של SEM שבו ניתן לבחון גם דגמים לא מוליכים וללא ציפוי.

ולסיכום, טוב מראה עיניים: מומלץ להציץ בגלריית תמונות SEM בתחתית דף הויקיפדיה בנושא המדגימה יפה את המנעד הרחב של השימושים למכשיר.

הגודל כן קובע! על איבוד הסְגוּליות בסקלה ננומטרית

"מה כבד יותר, קילו נוצות או קילו ברזל?"

מדוע אנשים מתבלבלים לעתים במתן תשובה לשאלה זאת? אני מניח שהסיבה נעוצה בכך שברזל אכן שוקל יותר מנוצות. במילים אחרות, מטיל ברזל שוקל יותר ממטיל נוצות. מטיל עופרת שוקל יותר ממטיל זהב. ניתן לפרק את המשקל (או המסה) של מטיל לשני גורמים: נפח וצפיפות (density). הנפח הוא פרמטר 'חיצוני' שנוכל לקבוע כרצוננו והצפיפות היא תכונה 'פנימית' של החומר ולא נוכל לשנות אותה בקלות בהינתן החומר.

ניתן להגדיר צפיפות כמסת האטום הבודד כפול מספר האטומים ליחידת נפח. היא שימושית מאוד מכיוון שאינה תלויה בכמות של החומר או בנפחו ולכן היא נקראת תכונה סגולית של החומר. הצפיפות של קילוגרם ברזל זהה לצפיפות של שני קילוגרמים של ברזל, אך גבוהה יותר מהצפיפות של כל כמות נוצות שתבחרו. ובכיוון ההפוך, צפיפות של מטיל זהב שווה לצפיפות של חצי מטיל זהב ששווה לצפיפות של רבע מטיל זהב וכך הלאה. אך האם זה נכון עבור כל מקרה? אם נחלק את הנפח שוב ושוב לבסוף נגיע למצב שבו אין מספיק אטומים כדי למלא את 'יחידת הנפח' הבסיסית של החומר. במקרה זה מספר האטומים ליחידת נפח ישתנה כפונקציה של הנפח והצפיפות תחדל להיות גודל סגולי ותחל להיות תלויה בנפח.

תופעה זאת של 'איבוד הסגוליות' היא מאפיין של חומרים וגבישים בסקלה ננומטרית, וזאת לא התכונה היחידה שמשתנה בסקלה זאת. בואו ונבחן שתי דוגמאות בהן תופעה זאת באה לידי ביטוי ואף יכולה להיות שימושית מאוד.

תמונה 1: קילוגרם של מטיל זהב שוויצרי. המקור לתמונה: ויקיפדיה.

עם הראש בקיר: מוליכות סגולית בשכבות דקות

ההתנגדות החשמלית של חומר היא ההתנגדות שלו לזרימה של אלקטרונים ועקב כך איבוד אנרגיה לחום. ניתן לחלק את הגורמים לחוזק ההתנגדות של פיסת מוליך מסוים לשניים: גיאומטריה והתנגדות סגולית. בהנחה שכל יחידה של חומר מייצרת התנגדות ברור שככל שהפיסה ארוכה יותר (l באיור 2) כך ההתנגדות גדולה יותר. לעומת זאת, ככל ששטח החתך (A באיור 2) של הזרימה גדול יותר, מפתח הצינור רחב יותר וההתנגדות קטנה יותר. אלה הם הגורמים החיצוניים להתנגדות. הגורם הפנימי הוא ההתנגדות 'הטבעית' של החומר לזרימת אלקטרונים, או בשמה המדעי התנגדות סגולית (resistivity). בדומה לצפיפות גם ההתנגדות הסגולית אינה תלויה במימדים של המוליך.

איור 2: פיסה של חומר מוליך בעל התנגדות המחובר בשני קצותיו למגעים חשמליים. המקור לאיור: ויקיפדיה.

כעת בואו ונחשוב על הניסוי הבא: מה יקרה להתנגדות הסגולית של תיבה (גוף מלבני, ראו איור 2) אם נקטין את גובהה שוב ושוב? התוצאה הצפויה מתוארת באופן סכמטי בגרף באיור 3. כפי שניתן לראות עד לעובי מסוים הערך של ההתנגדות הסגולית נותר קבוע. זה צפוי מכיוון שאנחנו לא משנים את החומר שממנו עשויה התיבה. אבל מעובי קריטי כלשהו ההתנגדות הסגולית מתחילה לעלות. כיצד זה יכול להיות?

איור 3: התנגדות סגולית כפונקציה של עובי השכבה. ערך קבוע עד העובי הקריטי ואחריו ההתנגדות הסגולית עולה.

הדרך הפשוטה ביותר להסביר את התוצאה היא על ידי מודל התנגשויות. ההתנגדות החשמלית נגרמת על ידי התנגשויות של אלקטרונים באטומים המאטות את מהירותם. האטומים מפוזרים בצורה הומוגנית בנפח ולכן ההתנגדות הסגולית זהה עבור כל חלק של המוליך. אבל הטריק הוא שהאלקטרונים מתנגשים גם בדפנות המוליך. כל עוד השכבה עבה כמות ההתנגשויות בדופן זניחה ביחס לכלל ההתנגשויות. כאשר מימד העובי קטן באופן קיצוני, החלק היחסי של ההתנגשויות בדפנות גדל ומשנה את ההתנגדות הפנימית של השכבה לזרימת אלקטרונים וכך בעצם את ההתנגדות הסגולית.

אבל זה לא הדבר היחיד שקורה לאלקטרון. בואו ונמשיך להקטין.

קלסטרופוביה של אלקטרונים: התלות של פער האנרגיה בגודל נקודה קוונטית

מה שמייחד מוליך-למחצה ממתכת הוא פער האנרגיות האסורות בין אלקטרון קשור לאטום לאלקטרון חופשי להולכה. כדי שאלקטרון יעבור למצב אנרגטי שבו הוא זמין להולכה הוא צריך לקבל מספיק אנרגיה כדי לדלג מעל פער האנרגיות. נניח מצב שבו חלקיק אור פוגע בחומר ומעביר את האנרגיה שלו לאלקטרון. אם אנרגית הפוטון גדולה מפער האנרגיה אז הפוטון יעלם והאלקטרון יעבור למצב אנרגיה גבוה המאפשר הולכה חשמלית. מכיוון שהאלקטרון מעדיף להיות באנרגיה נמוכה הוא יאבד אנרגיה בהדרגתיות לחום עד שיגיע לאנרגיות האסורות. כעת יאבד האלקטרון בבת אחת את כל האנרגיה שנותרה ופוטון יפלט מהחומר. צבע האור הנפלט תלוי בגובה הפער האסור שקובע כמה אנרגיה מאבד האלקטרון. זהו תהליך פלואורסנטי במוליכים למחצה.

פער האנרגיה הוא גודל סגולי של החומר ואינו תלוי בגיאומטריה. אך כאשר המימדים של הגביש הם מסדר גודל של פונקצית הגל של האלקטרון, הוא מתחיל 'לחוש' את קירות המלכודת סוגרים עליו והפתרונות הקוונטיים הם שונים. מצב זה נקרא 'quantum confinement' ובו פער האנרגיה נהיה תלוי ביחס הפוך לגודל המלכודת. ככול שהמלכודת קטנה יותר כך פער האנרגיה גדול יותר והאור שייפלט כחול יותר. הגבישון הננומטרי הזה נקרא נקודה קוונטית או quantum dot בלעז.

תמונה 4: בקבוקים עם תמיסות המכילות נקודות קוונטיות בגדלים שונים ומוארים באור אולטרה-סגול. כל נקודה פולטת אור פלואורסנטי שונה בהתאם לגודל שלה. המקור לתמונה: ויקיפדיה, לשם הועלתה על ידי המשתמש walkman16.

על ידי שילוב נכון בין החומר לגודלה של הנקודה הקוונטית נוכל להנדס חומר המאיר בצבע לפי בחירה (ראו תמונה 4). כבר היום נעשה שימוש בנקודות כמולקולות צבע לסימון בביולוגיה ולפיתוח של התקני פליטת אור מתקדמים. יש להן גם שימושים רבים אחרים שאינם קשורים לפליטת אור.

ובאופן כללי, לב ליבה של הננוטכנולוגיה הוא הניצול של התכונות השונות והמשונות שמתגלות בחומרים מסדר גודל ננומטרי לטובת המדע והטכנולוגיה. הנושא חוזר פה בבלוג שוב ושוב ומספר הדוגמאות גדול משאוכל למנות. המשחק המדעי של היום הוא הטכנולוגיה המתקדמת של מחר.

ושאלה לסיום: מה שוקל יותר, קילו גבישוני ברזל ננומטריים או קילו נוצות ננומטריות?

למטה-למעלה-למעלה-למטה ומה שביניהם, על שתי גישות לתכנון ובניה של רכיבים ננומטריים

חלומות באספמיה

אז בדיוק רכשתם פיסת אדמה, ואתם רוצים להקים עליה בית. כיצד תעשו זאת? לפחות ברמה האבסטרקטית כל מה שנדרש הוא לערום לבנים – שורה אחר שורה, קיר אחרי קיר, חדר אחרי חדר וקומה אחר קומה. כמו לשחק בלגו. כך רובנו מדמיינים בניית בית. אך ישנה גם שיטה הפוכה מבחינה קונספטואלית. במקום לבנות את הבית, פיסה אחר פיסה ניתן לחצוב אותו מחתיכה שלמה של חומר גלם, כמו מיכלאנג'לו החושף את דוד מתוך גוש שיש. אמנם איני מכיר אף אחד המתכנן לחצוב את ביתו בסלע בזמן הקרוב, אך ישנן כמה דוגמאות מרהיבות מימי קדם (ראו תמונה 1).

תמונה 1: מקדש האוצר בפטרה. המקור לתמונה: ויקיפדיה, לשם הועלתה על ידי המשתמש Bernard Gagnon.

שתי אסטרטגיות הבניה (או העיצוב) שהזכרתי נקראות בלעז 'Bottom up' (לגו) ו-'Top down' (מיכלאנג'לו). הראשונה עוסקת בבניה על ידי הוספה של חומרים והשניה עוסקת בבניה על ידי הורדה של חומרים. אף על פי שבתחום הבניה העירונית המודרנית רק אחת מהן באה לידי ביטוי, בתחום הננוטכנולוגיה יש לשתיהן חשיבות רבה.

להקטין, להקטין, להקטין!

אוהבים מחשבים מהירים וזולים? גם אני! שם המשחק הוא טרנזיסטורים קטנים. הטרנזיסטורים הם וסתי זרם חשמלי שבאמצעותם בונים את המעגלים הלוגיים המרכיבים למשל את המעבד של המחשב. הקטנת הטרנזיסטורים מובילה להגדלת מספרם במעבד ולשיפור פעולתו. מנגד, היא מובילה גם לקושי הולך וגובר לייצר את הרכיבים האלה. כיום טרנזיסטור במעבד הוא מסדר גודל של כמה עשרות ננומטרים (קטן פי אלף ויותר מקוטר שערה).

ננו-חוט, או בלעז nanowire, הוא אחד הרכיבים המסקרנים בתחום הננו-אלקטרוניקה. מדובר בחוטים, לרוב מסיליקון, באורך כמה עשרות מיקרונים וברוחב כמה עשרות ננומטרים (ראו תמונה 2). אל החוטים ניתן לחבר מגעים חשמליים ולייצר מהם רכיבי אלקטרוניקה ננומטריים. לחוטים אלה תכונות הולכת-חשמל מעניינות, גודל קטן, ויחס גדול בין שטח הפנים לנפח. מסיבות אלה ישנה התעניינות רבה בשנים האחרונות בננו-חוטים כרכיבים חשמליים, כטרנזיסטורים, כחיישנים ועוד.

תמונה 2: ננו-חוטי סיליקון שגודלו תוך שימוש בחלקיקי זהב וצולמו בעזרת מיקרוסקופ אלקטרוני. המקור לתמונה: ויקיפדיה.

אבל איך בכלל אפשר לייצר מבנים כל כך קטנים בדיוק כל כך גבוה? אז מסתבר שאפשר לגדל אותם על הסיליקון ואפשר גם לחצוב אותם מתוכו. נשמע לכם מוכר?

חשיפה ופיתוח בחדר הנקי – top down

כיצד מדפיסים על חתיכת סיליקון מספר אסטרונומי של טרנזיסטורים בדיוק רב כל כך ובגודל קטן כל כך? התשובה טמונה בטכניקה שנקראת 'פוטוליטוגרפיה', וכפי ששמה מרמז היא קשורה להדפסה בעזרת אור, כלומר צילום (סרטון קצר). התהליך מתבצע ב-'חדרים נקיים' שבהם כמות החלקיקים באוויר נמוכה מאוד. כל חלקיק מזהם שינחת על הסיליקון בזמן התהליך ישבית חלק גדול מהפרוסה ויגרום לנזק כלכלי רב.

אז איך זה עובד?

נניח שיש בידינו פיסת סיליקון (צהוב באיור 3, a) שמכוסה בשכבת תחמוצת (אפור), ואנחנו מעוניינים לחפור בשכבת התחמוצת תעלה מלבנית במימדים ננומטרים וברמת דיוק גבוהה. ראשית נכסה את התחמוצת בשכבה אחידה של חומר רגיש לאור שמכונה photoresist והוא סוג של חומר צילום (b). כעת נצמיד אליו מסכה שהכנו מראש ותפקידה לחסום את האור באזורים מסוימים (c). נקרין את הדגם באור UV דרך המסכה כך שרק חלק מהדגם חשוף לאור (d). הבחירה להקרין באור UV נובעת מכך שככל שאורך הגל קצר יותר כך נוכל להדפיס ברזולוציה גבוהה יותר (גבול הדיפרקציה).

איור סכמטי 3: שלבים בתהליך הפוטוליטוגרפיה. המקור לתמונה: ויקיפדיה, לשם הועלתה על ידי המשתמש Cmglee.

האזורים בחומר הצילום שנחשפו לאור עוברים שינוי כימי וניתנים להסרה בעזרת ממסים כמו אצטון (לחלופין, אלה שלא נחשפו, תלוי ברזיסט). כעת שכבת התחמוצת חשופה באזור בצורת המלבן שאותו רצינו להסיר (e). ניתן לחפור אותו החוצה מבלי לפגוע במקומות אחרים (f), ואז להסיר את שאריות חומר הפיתוח (g). נשארו עם סיליקון שעליו שכבת תחמוצת עם חור מלבני.

באמצעות טכניקת הפוטוליטוגרפיה ניתן לעצב בליטות מלבניות מדויקות ברוחב ננומטרי על גבי פיסות סיליקון ולחבר אליהן מגעי מתכת בקצוות כך שניתן להתייחס למבנים שיתקבלו כננו-חוטים, לפחות מההיבט חשמלי.

זרעים של זהב – bottom up

תארו לעצמכם שהיה ניתן לזרוע חתיכות זהב קטנות באדמה ולראות אותן נובטות וגדלות לעצים המניבים פירות השווים את משקלם בזהב. שיטה לגידול ננו-חוטים הנקראת  Vapor–liquid–solid  (ובקיצור VLS) אינה רחוקה מזה.

בשיטה זאת זורעים חתיכות ננומטריות של זהב על פני משטח סיליקון, וחושפים את המשטח לגזים מסוימים (ראו איור 4). הגזים מייצרים ריאקציה כימית שבעקבותיה מתרחש מעבר של אטומי סיליקון מהפאזה הגזית אל תוך חלקיקי הזהב. כאשר חלקיק הזהב רוויים באטומי סיליקון הם מתחילים לשקוע בתחתיתו ומתמצקים (סרטון קצרצר). חתיכות הזהב קובעות את כיוון הגדילה ואת רוחב הננו-חוט שגדל. בסוף התהליך נוכל 'לקצור' מספר רב של ננו-חוטים, להניח אותם במקום אחר ולחבר אליהם מגעים חשמליים.

איור סכמטי 4: ננו-חוטי סיליקון הגדלים תחת חלקיק הזהב בשיטת VLS. המקור לתמונה: ויקיפדיה.

ראש בראש – מוזיקת יציאה

למרות שהגידול של ננו-חוטים בשיטת VLS אינו פשוט לביצוע, רוב המחקרים (לפחות אלה שאני נתקלתי בהם) מתבצעים על הסוג הזה. במחקר בסיסי החיסרון העיקרי של השיטה אינו בא לידי ביטוי, והוא הקושי למקם את החוטים לפי סידור רצוי. כאן נכנסים היתרונות הברורים של שיטת הליטוגרפיה, שהרי היא השיטה בה משתמשים בתעשיית המוליכים למחצה על מנת לייצר מעגלים בהזמנה.

כל עוד מדובר במחקר בסיסי, נוכל להמשיך ולהשתמש ב-bottom up, אבל אם ברצוננו לפתח רכיב לייצור המוני, נהיה חייבים לפתח אותו ב-top down.

ומה לגבי בניית הבית? עזבו אותי, אני הולך לשחק בלגו!

אז מה עושים שם באוניברסיטה? פרק 11: להקטין, אבל בחוכמה; על מערכי נוגדנים לגילוי חומרים ואבחון רפואי

נפגשתי עם ענבל צרפתי-ברעד כדי לשאול אותה מה עושים שם באוניברסיטה.

ענבל היא דוקטורנטית במחלקה להנדסת ביוטכנולוגיה באוניברסיטת בן-גוריון שבנגב. היא עובדת במעבדה לננו-ביוטכנולוגיה של דר' לוי גֶבֶּר. היא נשואה וגרה בבאר-שבע עם בעלה, איש הייטק. ענבל אוהבת מאוד ללמד באוניברסיטה, ובזמנה הפנוי משחקת ברידג'.

ענבל, אז מה אתם עושים שם?

המחקר במעבדה מתפרש על מגוון תחומים שקשורים לשימוש בחומרים ביולוגיים בסקלה ננומטרית, וכולל שימוש בטכניקות מיקרוסקופיה מתקדמות. אחד התחומים העיקריים במעבדה הוא המחקר של ביוסנסורים, כלומר חיישנים ביולוגיים. המחקר שלי עוסק במערכי נוגדנים (immunoarray) המשמשים לגילוי חומרים ואבחון רפואי נייד.

טוב, נלך לפי הסדר, מהם ביוסנסורים?

ביוסנסורים משמשים לבדיקה של המצאות חומר מסוים בתמיסה. החומר יכול להיות למשל רעל, חיידק או חלבון כלשהוא, והתמיסה יכולה להיות למשל מים, דם וכדומה. מכאן שביוסנסורים יכולים לשמש לבדיקת רעילות של מים, לאבחון של מחלה, לבדיקת רמת הסוכר בדם ולדברים נוספים.

אחד הכלים היעילים למימוש של ביוסנסור הם נוגדנים.

איור סכמטי 1: נוגדן, כולל שני 'ידיים' ו-'רגל' אחת. המקור לתמונה: ויקיפדיה.

מהם נוגדנים, ואיך הם קשורים לאבחון רפואי?

הנוגדן הוא חייל של מערכת החיסון שלנו, והוא מצויד בשתי ידיים ורגל אחת (ראו איור 1). שתי הידיים של הנוגדן 'יודעות' לתפוס אך ורק חומר מסוים, כלומר מותאמות להיקשר כימית לחומר זה בצורה סלקטיבית כמו מפתח ייחודי הפותח מנעול. לאחר שהנוגדן נקשר לחומר שאליו הוא מותאם, הרגל שלו מסמנת לשאר המערכת החיסונית שזוהה חומר חשוד, ושיש לפעול בהתאם.

בתחום האבחון הרפואי אנחנו מנצלים את יכולת הקשירה הסלקטיבית של הנוגדן למטרות זיהוי וסימון. למשל, כדי לבדוק הימצאות של חומר מסוים בתמיסה אפשר להשתמש בנוגדנים שאליהם מוצמדים סמנים פלואורסנטים, כמו נורות קטנות שמפיצות אור, שאותן ניתן לגלות בעזרת מיקרוסקופ מתאים. הנוגדנים ייקשרו אך ורק לחומר המטרה, וכך נוכל להשתמש במיקרוסקופ כדי לבדוק האם אותו חומר קיים בתמיסה, ואולי אף להעריך את הכמות.

אחת הדרכים הנפוצות והיעילות להשתמש בנוגדנים לאבחון היא בעזרת משטחים מיוחדים שמכונים microarrays, מיקרו-מערכים של נקודות קשירה, והם נמצאים בשימוש כבר היום, לדוגמא בבדיקות דם שאנו עושים אצל הרופא. ישנן מספר דרכים להשתמש במערכים ובנוגדנים למטרת אבחון רפואי (ראו איור 2), אבל המשותף לכולם הוא שנוגדנים מסומנים יקשרו אך ורק לחומר המטרה. בסוף התהליך ניתן לגלות את הסמנים הפלואורסנטיים (ולכן גם את חומר המטרה) בעזרת מיקרוסקופ מתאים.

איור סכמטי 2: מערך נוגדנים, ואחת התצורות (מיני רבות) לגילוי חומרים בעזרת המערך. המקור לתמונה: ויקיפדיה.

עד עכשיו הכול נשמע מצוין, אז היכן הבעיה?

או, אני שמחה שאתה שואל. מי שעבר בדיקת דם ודאי זוכר שלתוצאות יש להמתין לפחות כמה ימים. אחד הגורמים לכך הוא גודל נקודה על פני המערכים. אותם מערכים שנמצאים בשימוש כיום מכילים נקודות שגודלן נע סביב 150 מיקרומטר (מיקרומטר=10^-6 מטר, כאשר קוטר שערה הוא בערך כמה עשרות מיקרומטר). המשמעות היא שרק מספר נמוך של נקודות נכנס בשדה הראיה של המיקרוסקופ ברגע נתון. כלומר סריקה של מערך מלא לוקחת זמן רב, ומבוצעת על ידי מכונות במעבדות גדולות.

השאיפה היא לייצר גרסה של שיטת האבחון שהיא מהירה וזולה יותר ושאינה זקוקה למכונות גדולות ולכן גם ניידת, כך שניתן להשתמש בה על ידי הפעלה של מכשיר קטן בחדר הרופא.

אז מה הפתרון?

אחד הכיוונים העיקריים שנבדקים הוא הקטנת גודלן של הנקודות על גבי המערך לקוטר של מיקרומטר ומטה. בצורה זאת ניתן לראות אלפי נקודות בשדה הראיה של המיקרוסקופ, ואין צורך בסריקת המערך. כמו כן פיתוח זה יאפשר את מזעורו של ציוד הבדיקה לגודלו של טלפון סלולרי ממוצע.

יתרון נוסף הנובע מהמזעור הוא החיסכון בכמות הנוגדנים הנדרשת. מכיוון שעלות הנוגדנים גבוהה מאוד, דבר זה עשוי להוביל גם להוזלה בעלות הבדיקה.

עד עכשיו הכול נשמע מצוין, אז היכן הבעיה?

או, אני שמחה שאתה שואל. למזעור הנקודה על פני מערך האבחון יש תופעת לוואי לא רצויה. ככל שהנקודה קטנה יותר, כך עוצמת האור שהיא פולטת חלשה יותר. על שטח קטן נתפסים פחות נוגדנים ולכן פחות מאותן נורות פלואורסנטיות.

אותנו מעניין להבין את המגבלות של מערכת האבחון כתלות בגודל הנקודות. כמה ניתן להקטין את הנקודות ועדיין לשמר את היכולת להבחין בהן במיקרוסקופ, ובמה תלויות מגבלות המערכת?

מאיפה מתחילים?

אחת המגבלות הידועות נובעת מהמיקרוסקופ עצמו. גבול הרזולוציה של כל המיקרוסקופים המבוססים על אור הוא 200-400 ננומטר (ננומטר=10^-9 מטר, סדר גודל של וירוס למשל) ולכן לא ניתן למדוד גדלים קטנים יותר. כלומר, גם אם נצליח לייצר נקודה בגודל כמה ננומטרים שמאירה חזק מאוד, היא תראה במיקרוסקופ בגודל של כמה מאות ננומטרים.

מגבלה חשובה נוספת שמצאנו נובעת מצפיפות אתרי הקשירה ועוצמת ההארה.

מהי צפיפות אתרי הקשירה?

דמיינו שאתם מביטים על דשא ממעוף הציפור. מה שאתם רואים הוא פשוט משטח ירוק. אך ממבט קרוב יותר תבחינו שבעצם עלי הדשא פזורים על פני האדמה ואינם צמודים אחד לשני. גם המולקולות הביולוגיות הקשורות על פני המשטח של נקודה על מערך האבחון מפוזרות בצפיפות מסוימת (ראו איור 3א). כל עוד הנקודה גדולה, ההארה פרופורציונית לשטח. כאשר הנקודה היא מסדר גודל של המרחק הממוצע בין אתרי הקשירה עוצמת ההארה יורדת חזק, וכבר אינה פרופורציונית לשטח (ראו איור 3ב). לכן, בשימוש בנקודות קטנות יש צורך בצפיפות גבוהה של אתרי קשירה.

כדי לבדוק את הטענה, בנינו סדרת מערכים עם נקודות בגדלים שונים, והראנו את ההשפעה המכרעת בנקודות קטנות. המסקנה היא שהקטנה של הנקודות במערך, ללא התחשבות בצפיפות אתרי הקשירה, לא תוביל לשיפור אלא פעמים רבות תוביל דווקא לירידה באיכות הגלאי עקב שונות גדולה בעוצמת ההארה של הנקודות.

איור סכמטי 3: א) אתרי הקשירה על פני נקודה אחת מתוך המערך עבור גדלים שונים של נקודה. ב) קשר בין שטח הנקודה להארה. עבור נקודות קטנות מאוד, עוצמת ההארה קטנה באופן משמעותי.

אז האם ניתן להקטין את הנקודות לגודל של מיקרון בודד?

במהלך המחקר הראנו שזה אפשרי. עבור מערכים מסוימים שחקרנו הצלחנו לזהות את חומר המטרה אפילו בעזרת נקודות בגודל 300 ננומטר! הבעיה היא שלא הצלחנו להגיע לתחום רחב מספיק של עוצמת ההארה כך שנוכל גם לכמת את התוצאה, כלומר להחזיר תשובה שאינה רק 'כן' או 'לא', אלא גם כמותית, כלומר 'כמה'.

כדי להגיע ליכולת הזאת אנחנו צריכים להגדיל את עוצמת ההארה של נקודה בודדת, ולכן בימים אלה אנחנו בוחנים מספר אפשריות להשגת המטרה. כפי שכבר ציינתי, החזון שלנו הוא לקדם, בין היתר, את פיתוח האבחון הרפואי הנייד, שבעקבותיו יוכלו בדיקות רפואיות מסוימות להתבצע במהירות וביעילות כבר בחדר הרופא.

——————————————————————

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 

אז מה עושים שם באוניברסיטה? פרק 8: מולקולה אחת, זה כל מה שצריך – על ננו-אלקטרוניקה

נפגשתי עם רני אריאלי כדי לשאול אותו מה עושים שם באוניברסיטה.

רני הוא דוקטורנט לכימיה-פיזיקלית באוניברסיטת תל-אביב ועובד במעבדה לננו-אלקטרוניקה של דר' יורם זלצר. את התארים הקודמים הוא עשה בתחום הפיזיקה באוניברסיטת תל-אביב גם כן. רני חובב מוזיקה ובזמנו הפנוי נהנה לנגן על גיטרה.

רני, אז מה אתם עושים שם?

אצלנו במעבדה לננו-אלקטרוניקה אנו מעוניינים לפתח רכיבים חשמליים עתידניים שגודל האלמנט הקטן בהם יהיה מסדר גודל ננומטרי (ננומטר=10^-9 מטרים, לשם השוואה קוטר שערה הוא מסדר גודל של כמה עשרות מיקרומטר, מיקרומטר=10^-6 מטרים).

תמונה 1: שערת אדם בהגדלה פי 200. המקור: ויקיפדיה.

תוכל לתת דוגמא?

כן, ודאי. דמיין לדוגמא חוט זהב שמשמש להולכת חשמל. ניתן למתוח את החוט עד למצב שבו במקום מסוים, רגע לפני יצירת קרע או נתק, נוצרת שרשרת של אטומים בודדים. זה סוג פשוט של התקן חשמלי בסדר גודל ננומטרי. היתרון בהתקן כזה הוא שההולכה החשמלית שבו היא 'בליסטית', כלומר האלקטרונים עוברים בו ללא התנגשויות באטומים ולכן בקצבים מהירים יותר. דבר זה עלול להוביל להתקנים חשמליים מעניינים יותר. אבל זה ממש לא נגמר כאן.

אנחנו יכולים לקשור באמצע השרשרת, בין אטומי הזהב, מולקולה אורגנית שהיא מולקולה הבנויה בעיקר מאטומי פחמן ומימן. לכל מולקולה כזאת ישנן תכונות אלקטרוניות שונות, למשל סידור שונה של ערכי האנרגיה שהאלקטרונים במולקולה יכולים לקבל או מיקום שונה שלהם במרחב. לכן המולקולה תשפיע בצורה שונה על אופיין ההולכה של הרכיב החשמלי. לדוגמא, סוג המולקולה משפיע על הסיכוי של אלקטרון באנרגיה מסוימת לעבור דרכה ממגע זהב אחד לשני. כך שהמולקולה משפיעה על הקשר בין זרם למתח חשמלי ובעצם קובעת את אופי הרכיב.

מגוון המולקולות האורגניות הוא עצום ולכן נוכל לייצר מגוון רחב של התקנים בעלי מאפיינים שונים. למעשה, יש כאן פוטנציאל לרכיב מודולרי שאותו ניתן 'לתפור' לפי צרכי המשתמש.

איך אתם גורמים למולקולה אורגנית אחת להתיישב לה בין אטומי הזהב בשרשרת?

אחת השיטות, למשל, היא להתחיל משני מגעי זהב המחוברים אחת לשני בצורת פפיון ולהרחיק אותם בעדינות אחד מהשני (ראו תמונה 2). בשלב מסוים אזור החיבור הצר נמתח מספיק כך שמתקבלת שרשרת אטומי זהב. המשך זהיר של פעולת המתיחה יגרום לבסוף לקרע בשרשרת, כך שאטומי הזהב שניתקו עדיין קרובים אחד לשני. כעת אחת האפשריות היא להשתמש במולקולות אורגניות המכילות אלמנט כימי שנקרא תיול (thiol). אלמנט זה מורכב מאטום גופרית ואטום מימן, ונקשר בקלות לזהב. במידה והמולקולה מכילה שני תיולים היא תוכל להיקשר לשני אטומי זהב ולהשלים את השרשרת המנותקת. כל מה שאנו צריכים לעשות הוא לטפטף על הצמתים תמיסה עם המולקולות המתאימות בתנאים הנכונים ואת שאר העבודה הן עושות לבד.

תמונה 2: איור סכמטי של תהליך יצירת ההתקן: א) מושכים את שני צידי פפיון הזהב, ב) המתיחה יוצרת שרשרת אטומים בין המגעים, ג) ממשיכים למשוך עד ליצירת נתק, ד) קושרים מולקולה אורגנית המחברת את שתי קצוות השרשרת, ה)הגדלה של המסגרת האדומה.

אז מה אתה עושה עם השרשראות האלה?

אני אתן לך דוגמא, באחד הפרויקטים במעבדה הקרנו אור לייזר על מגעי הזהב של אחד ההתקנים האלה (ראו תמונה 3א'). מה שראינו הוא שהקשר בין המתח לזרם החשמלי של ההתקן, כלומר האופיין שלו, השתנה בעקבות הפעלת הלייזר. לאחר מכן חזרנו על הניסוי עם מולקולות אורגניות, דמויות שרשרת, באורכים שונים והראנו שככל שהמולקולה ארוכה יותר, כך ההשפעה של הלייזר קטנה יותר.

מה הקשר בין כל הדברים האלה?

ישנם שני סוגים של אינטראקציה בין אור ושדה אלקטרומגנטי (שא"מ): תהליך פיזור שבו אלקטרון בולע פוטון ועולה לרמת אנרגיה גבוהה יותר, ותהליך שבו השא"מ משנה את הפוטנציאל החשמלי של מערכת האלקטרונים. שני התהליכים מובילים לעליה אפקטיבית באנרגית האלקטרונים כך שכעת הם יכולים לדלג ביתר קלות מעל מכשולים טורדניים, כגון מולקולה אורגנית, שמפריעים להם להגיע לאלקטרודת הזהב השניה. באלקטרודה השניה ישנם המון מצבי אנרגיה פנויים לאלקטרונים, בדיוק מה שאלקטרונים אוהבים. אבל זה רק חלק מהסיפור.

אחת התכונות החשובות של מתכות היא שהן מוצפות בים של אלקטרונים שאינם קשורים לאטומים שלהם ורק מחפשים הזדמנות להשתתף בהולכה חשמלית. כאשר מקרינים אור על מתכת, חלקו נבלע וחלקו מוחזר (כתלות באורך הגל ובמקדם הדיאלקטרי שהוא מידת ההשפעה של שדה חשמלי על החומר). עם זאת, עבור כל מתכת קיים תחום אורכי גל שבו האור לא בדיוק נבלע ולא בדיוק מוחזר, אלא גורם למשהו מיוחד.

כאשר אנו מקרינים את הלייזר באורך הגל הזה על הזהב, האלקטרונים החופשיים הרבים הנמצאים על פני השטח מתחילים לנוע בהשפעת השא"מ. תנועתם של האלקטרונים היא מחזורית ויוצרת תנודות בצפיפותם וכך גורמות לתנודות במטען החשמלי (פלזמונים).

תמונה 3: איור סכמטי המראה את הארת הלייזר שגורמת לתנודות מטען על גבי האלקטרודה. תנודות המטען משרות תנודות הפוכות באלקטרודה השניה. כך שלמשל באופן רגעי נוכל למצוא מימין עליה בריכוז המטען החיובי ומשמאל עליה בריכוז המטען השלילי.

מה התרומה של תנודות האלקטרונים לתהליך?

התנודות במטען מתפשטות על כל האלקטרודה כמו גלי ים, ובצורה זו ניתן לייצר ביתר קלות התקנים שבהם האזור המעניין אינו חשוף להארה ועדיין להיות מסוגלים להשפיע ע"י הארה. כמו כן, כאשר גלי המטען מתפשטים לעבר קצה האלקטרודה, השדה החשמלי משרה מטענים הפוכים בקצה של האלקטרודה השניה (ראו תמונה 3ב'). דבר זה מגביר את השדה האופטי המקורי ומקל עוד יותר על האלקטרונים לעבור לאלקטרודה השניה דרך המולקולה האורגנית. כל זאת ללא הפעלת מתח חיצוני נוסף, כך שאנחנו מרוויחים פעמיים על הלייזר.

ומה לגבי המולקולות בניסוי זה?

השתמשנו בניסויי במולקולות בעלות תכונות אלקטרוניות זהות אך באורכים שונים. כלומר בניסוי תפקידן של המולקולות היה לקבע את המרחק בין שתי האלקטרודות. מה שראינו הוא שככל שהמולקולות ארוכות יותר, כך הזרם שקיבלנו היה חלש יותר.

את התוצאה הזאת ניתן להסביר באופן ישיר על ידי ההשפעה של תנודות המטען. ככל שהאלקטרודות היו רחוקות אחת מהשניה, כך תנודות המטען בקצה אלקטרודה אחת השפיעו פחות על קצה האלקטרודה השניה. כלומר הגברת השדה החשמלי היתה קטנה יותר ולאלקטרון היה קשה יותר לעבור את המחסום ביחס למקרה שבו אורך המולקולה היה קצר יותר.

אז מה היה לנו? תוכל לסכם?

כיום ישנו מצב של חוסר ודאות בקהילה המדעית באשר לכמות ההגברה שמתרחשת עקב היווצרות פלזמונים. מצב זה נוצר עקב השימוש של כל קבוצת מחקר בהתקנים בעלי מימדים וקונפיגורציות מולקולריות שונים. בעזרת הניסוי הצלחנו לכמת את התופעה של ההגברה הפלזמונית עקב ההארה ולהציג עבורה ערכים כפונקציה של המרחק בין שתי האלקטרודות.

במחקר הראינו שאנו מסוגלים לדחוס אור לתוך מבנה ננומטרי המורכב מצומת מולקולארית, ועל ידי כך להשפיע על הולכת ההתקן. מכיוון שמחקרים קודמים הדגימו יכולת לשלוט על התקדמות הפלזמונים בזמן, ניתן להשתמש בשיטה זו גם על מנת לחקור את הדינמיקה של ההולכה החשמלית בזמנים קצרים מאוד. דינמיקה זו מושפעת משלל תופעות שיכולות להתרחש בהתקן עקב אינטראקציה של האלקטרונים עם תופעות אחרות בהתקן, למשל ויברציות. את נושא זה סימנו כמטרתנו הבאה!

————————————————————

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