معرفی میکروسکوپ نیروی اتمی(AFM)
میکروسکوپ نیروی اتمی یکی از ده ها میکروسکوپ بررسی کننده دقیق است.که توسط کواک و باینینگ در سال 1986ساخته شد.این نوع میکروسکوپها با اندازه گیری خواص موضعی مثل ارتفاع،جذب نور یا مغناطیس با پراب یا نوک بسیار نزدیک به نمونه کار میکنند به طوری که در آن سطح نمونه توسط یک سوزن نوک تیز یا پروب که نوک آن تک اتمی است روبش میشود این سوزن به خاطر ابعاد بسیار کوچکش میتواند کوچکترین پستی و بلندی موجود در سطح را (در حدود نانومتر)حس نماید.AFMبر پایه نیروی الکترونی بین نوک پروب میکروسکوپ و نمونه است. نیروی برهمکنش بین نوک پروب و سطح نمونه،به فاصله نمونه از نوک پروب بستگی دارد برای مثال وقتی نمونه به نوک پروب بسیار نزدیک باشد نیروی دافعه واندروالس و هرگاه سطح نمونه از نوک پروب دور باشد،نیروی جاذبه واندروالس نقش مهمی را بازی میکند.فاصله کم نمونه به نوک پروب امکان اندازه گیری را روی کل یک سطح کوچک هموار میسازد و عکسهای حاصل روی یک صفحه نمایشگر نمایان میشود.AFMبر اساس اندازه گیری میزان جذب یا دفع نیروهای بین پروب و نمونه کار میکند.بر اساس اینکه اطلاعات با چه مکانیزمی برای انسان قابل استفاده شود دو سیستم متفاوت به وجود آمده است:یکی از این سیستم ها از خاصیت الکتریکی اجسام بهره گرفته و یک جریان الکتریکی تولید میکند و تغیرات آن را ثبت مینماید،دیگری با تاباندن نور لیزر و بررسی میزان تغیرات نور بازتابی از سطح کار میکند.روش اول مربوط به میکروسکوپ تونلی روبشی STM است (که در مقاله قبل به آن پرداختیم) و روش دوم مربوط به میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM)است.نمونه مورد آزمایش در روش STMباید دارای هدایت الکتریکی بوده و در روشAFMباید از لحاظ مکانیکی پایدار باشد.یکی دیگر از مزایای AFMقدرت تفکیک بالای آن تا حدود 10 پیکومتر است ضمن آنکه این ابزار برخلاف میکروسکوپهای الکترونی میتواند از نمونه در هوا یا درون مایعات تصویر ارائه دهد.
اساس کار AFMبه این صورت است که نوک پروب این میکروسکوپ به یک تیرک یا اهرم (کانتی لیور)متصل است .مانند شکل
شکل 1
که در آن طبق شکل(1)نیروی وارد شده به سوزن تیرک را خم کرده و بدین طریق میتوان میزان نیروی وارد شده به سوزن را با توجه به قانون هوک به دست آورد.برای اندازه گیری میزان جابه جایی تیرک در این میکروسکوپها از پرتو لیزر استفاده میشود.نوکهای به کار برده شده در این میکروسکوپ از جنس سیلیکون یا نیتریدسیلیکون بوده و ابعادی در محدوده نانومتر دارند معمولا این نوکها با شعاع انتهاییشان توصیف میشوندکه بر همین اساس سه نوع نوک متداول وجود دارد که عبارتند از:
1- نوک معمولی :این نوک دارای 3میلیمتر بلندی و شعاع انتهایی30نانومتر است.
2- نوک اشعه الکترونی ته نشین یا سوپر تیپ:این نوع نوکها اصلاح شده نوکهای معمولی است ته نشست القا شده پرتو الکترونی مواد حاوی کربن توسط فرو بردن مستقیم نوک معمولی به درون اشعه الکترونی میکروسکوپ پیمایشگر الکترونی حاصل میشود.نوک سوپر بلند و باریک است و برای بررسی حفره ها و شکافها مناسب است و در بعضی موارد شعاع انتهایی آنها بیشتر از یک نوک معمولی است.
3- نوک الترالور:این نوک توسط فرایند اصلاح شده میکرولیتوگرافی ساخته میشود این نوک نسبت به نوکهای قبلی بلندتر است و شعاع انتهایی آن به هنگام لزوم حدودا 10نانومتر است.
اهرمها یا تیرکهای مورد استفاده در AFMمعمولا دارای انعطاف پذیری بسیار بالایی هستند(ثابت فنر آنها در حدود چند نیوتن بر متر است)که این امر موجب وارد شدن نیروی کمتری به نمونه و در نتیجه اعوجاج و خرابی کمتر در هنگام روبش خواهد شد.گاهی سوزن در انتهای یک فنر قرار میگیرد که ثابت اینگونه فنرها در حدود 10برابر اهرم ها است.فنرها دارای فرکانس تشدید شده کمتری هستند از این رو تشکیل تصویر با استفاده از این فنرها نیاز به زمان بیشتری دارد.اگر یک اهرم دارای جرم کمتری باشد همزمان ثابت فنر کم و فرکانس تشدید شده بالایی خواهد داشت به همین جهت اهرمهای AFM معمولا بسیار کوچک ساخته میشوند این اهرمها عمدتا با فرایندهایMicro lithographyمشابه به روش ساخت تراشه های رایانه ای ساخته میشوند.
برای تصویر برداری از طریق میکروسکوپ نیروی اتمی(AFM)معمولا از سه روش استفاده میشود:1- روش تماسی 2- روش ضربه ای 3- روش غیر تماسی
1- روش تماسی(استاتیک یا AFM-DC):شیوه تماسی متداولترین شیوه عملکرد سیستم های AFMاست در این حالت نوک پروب به نمونه تماس پیدا میکند.همچنان که دسته اسکن کننده نوک را بر روی نمونه میکشد یک نوع دستگاه آشکارساز انحراف عمودی تیرک را اندازه میگیرد که به این ترتیب ارتفاع موضعی نمونه مشخص میشود.بنابراین در حالت تماسی ،AFMنیروهای بین نمونه و نوک را اندازه میگیرد.در این روش نیروی اعمالی به نوک پروب ثابت است
2-روش ضربه ای:شیوه ضربه ای دومین روش متداولی است که در AFMها به کار برده میشود.در محیط هایی همچون هوا و سایر گازها،اهرم در بسامد هم نوایی خود نوسان میکند(غالبا صدها کیلوهرتز)و در بالای سطح قرار میگیرد به طوری که تنها در بخشی از دوره نوسان خود به نمونه ضربه وارد میکند.در این شیوه نیز هنوز بین نمونه و قسمت سر تماسی وجود دارد اما مدت زمان آن بسیار کوتاه است و در نتیجه نیروهای افقی در حین پویش قسمت سر بر روی سطح کاهش میابد.زمانی که نمونه ها از نوع سخت نباشد شیوه ضربه ای در تصویربرداری میتواند خیلی بهتر از شیوه تماسی باشد.
3-روش غیرتماسی (دینامیک یا AFM-AC):شیوه غیرتماسی روش دیگری است که در حین تصویر برداری با میکروسکوپ AFMبه کار برده میشود.اهرم یا تیرک باید در بالای سطح نمونه به حالت نوسان در آید.نوک پروب بسیار نزدیک به نمونه بوده و نیروی جاذبه بین اتمهای سطح نمونه و نوک پروب نیروی غالب است.تغیرات در نیروهای اتمی بین تیرک و سطح ماده را میتوان از تغییرات در دوره تناوب فرکانس طبیعی تیرک متوجه شد.با کاهش فاصله نوک پروب با سطح نمونه که منجر به افزایش نیرو میشود دامنه نوسان تیرک کاهش میابد با استفاده ازدنبال کردن تغییرات دوره تناوب فرکانس طبیعی تیرک میتوان ساختاری از سطح نمونه را به دست آورد.در این حالت عکس برداری از نمونه در زیر آب امکانپذیر نیست.
و در پایان میتوان گفت شیوه AFMبرای رفع مشکلات مربوط به پردازش و نیز تعیین نوع مواد در تکنولوژیهای مختلفی مانند صنایع الکترونیکی،ارتباطات از راه دور،بیولوژیکی،شیمیایی،اتوموبیل،فضایی مورد استفاده قرار میگیرد.موادی که با استفاده از این روش مورد بررسی قرار میگیرند عبارتند از:پوشش های فیلمی نازک و ضخیم،مواد سرامیکی،مواد ترکیبی،شیشه ها،غشاءهای مصنوعی و بیولوژیکی،فلزات،پلیمرها و نیمه رساناها.میکروسکوپAFMبرای مطالعه و بررسی پدیده هایی همچون سایش ، چسبندگی ، پاکسازی ، خوردگی ، اصطحکاک،روغن کاری،روکش و پویش کاری به کار برده میشود.از دیگر کاربردهای آن میتوان به اندازه گیری خواص مکانیکی نانولوله های کربنی ،اندازه گیری پارامترهای آماری ،به دست آوردن تصویر مغناطیسی و به دست آوردن تصاویر توپوگرافی و فاز اشاره کرد.
