میکروسکوپ‌ های پروبی روبشی (اجزا)

آنالیزها و تجهیزاتشیمی، پلیمر و نساجیمتالورژی و مهندسی موادنانوتکنولوژی

نوشته شده توسط:

شناسایی و بررسی مواد با استفاده از میکروسکوپ‌ های پروبی روبشی ، از جمله تکنیک‌های تحقیقاتی مدرن برای بررسی مورفولوژی و خواص موضعی سطوح مختلف است. میکروسکوپ‌ های پروبی روبشی ، طی دو دهه بعد از اختراع شدنش، کاربردهای گسترده ای در آزمایشگاه ها و صنایع مختلف از توسعه محیط های ذخیره اطلاعات مغناطیسی تا بیولوژی ساختاری یافته است. در نتیجه ، کاربران این روش از زیست شناسان و پژوهشگران پزشکی تا فیزیکدانان و مهندسان، از قدرت تفکیک بی رقیب و به کار گیری نسبتا آسان این روش بهره مند می شوند.

کاربردهای کلی میکروسکوپ‌ های پروبی روبشی

میکروسکوپ‌ های پروبی روبشی (که در پست های اخیر در مورد آنها توضیحاتی ارائه شد) می تواند نقشه سطح مواد جامد را با قدرت تفکیک اتمی تهیه کند و نه تنها ساختار سطوح کریستالی کامل، بلکه توزیع نقایص نقطه ای، ناخالصی های جذب شده در سطح و عیوب ساختاری مانند عیب پله ای را آشکار می شازد. امروزه میکروسکوپ‌ های پروبی روبشی به دلیل توانمندی در انجام آزمایشات موضعی که با تک اتم ها یا مولکول ها قابل انجام است، به ابزار ضروری کار در حوزه ناو تبدیل شده است. اندازه گیری نیروی پیوندهای شیمیایی یگانه یا طیف اپتکی تک مولکول ها، مثال هایی از این گونه کاربردها هستند. علاوه بر این، می توان از پروب موضعی برای جابجایی اتم ها یا مولکول ها و بنابراین تشکیل ساختار های مصنوعی در مقیاس اتمی، استفاده نمود.

اجزای میکروسکوپ‌ های پروبی روبشی

میکروسکوپ‌ های پروبی روبشی از اجزای متفاوتی تشکیل شده است که شامل موارد زیر هستند:

اجزای میکروسکوپ‌ پروبی روبشی

اجزای میکروسکوپ‌ پروبی روبشی

 

حسگر (sensor)

به منظور بررسی یک خاصیت سطحی ویژه، انواع گوناگونی از حسگرها را می‌توان برای یک پروب استفاده کرد که به تبع آن، ممکن است تجهیزات الکترونیکی خاصی نیز جهت تجهیز دستگاه نیاز باشد. در این جا باید خاصیت اندازه‌گیری شده را به یک سیگنال الکتریکی تبدیل کرد، آن گاه امکان تبدیل این خواص به صورت اطلاعات الکترونیکی برای کنترل و پردازش آن‌ها، در میکروسکوپ‌ های پروبی روبشی فراهم می‌شود.

 

روبشگر (scanner)

قسمت روبشگر دستگاه از قسمت‌های روبشگر پیزو، مجموعه انبرک (cantilever) و سوزن، سیستم آشکارساز لیزری حساس به موقعیت انبرک و سوزن و در مواردی یک تقویت‌کننده تشکیل شده است.
روبشگر توسط یک سه پایه از جنس آلیاژ فلزی مخصوص با حداقل انبساط و انقباض حرارتی بر روی یک پایه یا میز نصب می‌شود. این پایه به لاستیک‌های جاذب انرژی (Rubber vibration dampers) مجهز است. وقتی که پایه بر روی میز و در محلی غیرقابل ارتعاش قرار گیرد، می‌تواند اندازه‌گیری‌های تکرارپذیر در جهات X، Y و Z و با جزئیات بسیار دقیق را انجام دهد . روبشگر به طور فیزیکی، حسگر را نگه می‌دارد و امکان حرکت روبشی را در طول روبش سطح نمونه تأمین می‌کند.

روبشگر (scanner)

ساختار کلی روبشگر میکروسکوپ‌ های پروبی روبشی

در اغلب موارد، روبشگر می‌تواند حسگر را در هر سه جهت حرکت دهد. خود روبشگر با اجزای پیزوالکتریکی ساخته شده است.

پیزوالکتریک‌ها

امکان روبش سطح نمونه با قدرت تفکیک بالا، از پارامترهای مهم در میکروسکوپ‌ های پروبی روبشی محسوب می‌شود که توسط مواد پیزوالکتریک میسر می‌شود. این مواد، نوعی سرامیک هستند که در صورت اعمال ولتاژ و متناسب با جهت و میزان آن، تغییر طولی از مرتبه یک آنگستروم می‌دهند. از این مواد برای جابه‌جایی‌های بسیار دقیق استفاده می‌شود. در میکروسکوپ‌های پروبی روبشی اولیه، سه میله پیزوالکتریکی عمود برهم، عامل روبشگر (scanner) را تشکیل می‌دهد، که اعمال ولتاژ به هر یک از این سه میله، باعث تغییر طول آن و در نتیجه انحراف سوزن در راستاهای X، Y یا Z می‌شود.

مشخصات پیزو الکتریک های مورد استفاده در مکروسکوپ پروبی روبشی

در میکروسکوپ‌ های پروبی روبشی نوین، روبش سطح توسط استوانه پیزوالکتریکی توخالی انجام می‌شود که بر سطح داخلی آن لایه نازکی از یک فلز رسانای الکتریسیته (مانند نیکل) پوشش داده شده و در سطح خارجی آن چهار نوار فلزی نشانده شده است. سوزن نیز به استوانه متصل شده است.
اعمال ولتاژ با جهت و مقدار یکسان به هر چهار الکترود خارجی (نسبت به الکترود داخلی) باعث انبساط و درنتیجه پایین آمدن استوانه و سوزن متصل به آن یا انقباض و بالا رفتن آن‌ها می‌شود. همچنین اعمال ولتاژ با علامت‌های مخالف به الکترودهای متقابل (مثلاً X و X-)، سبب خم شدن استوانه می‌شود که در واقع شامل حرکت در صفحه X و Y و در جهت Z است.
با کنترل نحوه اعمال ولتاژ به پیزوالکتریک توسط نرم‌افزار دستگاه، می‌توان سوزن را به دلخواه در هر سه جهت حرکت داد. سیستم الکترونیکی دستگاه، امکان کنترل این حرکت را با دقت ۰٫۱ آنگستروم فراهم می‌آورد . شکل زیر از نظر ظاهری، قطعات پیزوالکتریکی رایج در میکروسکوپ‌های پروبی روبشی را نشان می‌دهد.

پیزو الکتریک ها

الف) براساس خاصیت موادپیزوالکتریک، ولتاژ اعمالی، قطعه پیزو را بلندتر یا کوتاه‌تر می‌کند. ب) ترکیب سه قطعه پیزو امکان حرکت پروب را در سه جهت فضایی فراهم می‌کند. ج) در میکروسکوپ‌های پروبی روبشی نوین، از استوانه هندسی توخالی استفاده می‌شود

 

 

زمانی که یک ولتاژ مشخص به این اجزای پیزوالکتریک اعمال می‌شود، این اجزا منبسط و منقبض می‌شوند. اکثر میکروسکوپ‌های پروبی روبشی، ولتاژ خروجی بالایی را برای حرکت روبشگر ایجاد می‌کنند که معمولاً روبشگر می‌تواند پروب را فراتر از محدوده چند هزار آنگستروم، با کسری از یک آنگستروم در قدرت تفکیک، حرکت دهد.

 سیستم کنترل بازخوردی در میکروسکوپ‌ های پروبی روبشی (The feedback control)

اگر سطح نمونه ناهموار باشد، احتمال برخورد و شکستن پروب دستگاه بسیار زیاد است. در این حالت یک کنترل بازخوردی نیاز است تا فاصله مناسب بین سوزن و نمونه را در طول روبش همواره حفظ کند. برای اطمینان از نزدیکی مقادیر اندازه‌گیری شده دستگاه با مقدار پیش فرض، همواره مدار کنترل‌کننده با فرستادن سیگنال‌های الکتریکی، روبشگر را کنترل می‌کند. برای این منظور، اغلب میکروسکوپ‌ های پروبی روبشی دارای یک مدار بازخورد استاندارد هستند.

 سیستم کنترل بازخوردی (The feedback control)

سیستم کنترل بازخوردی (The feedback control)

سیستم دستیابی سریع (نزدیک شدن درشت گونه، The coarse approach)

 

روبشگرهای پیزوالکتریک تنها حرکت‌های چند هزار آنگسترومی را تأمین می‌کنند. تمام سیستم‌های میکروسکوپ‌ های پروبی روبشی، برای تأمین حرکت‌ها و جابه‌جایی‌های بزرگ، دارای یک سیستم نزدیک شدن و دستیابی سریع هستند تا پروب بتواند با اطمینان تا حد امکان به نمونه نزدیک شود.
طراحی‌های بسیار متفاوتی از سیستم نزدیک شدن درشت گونه وجود دارد. بیشترین نوع تجاری شده آن، ماشین‌های مکانیکی با ترکیبی از فنرهای متغیر، پیچ‌هایی با رزوه بسیار ریز و اهرم‌ها هستند. موتورهای پیزوالکتریکی نیز معمولاً در میکروسکوپ پروبی روبشی نوین استفاده می‌شوند [۶]. شکل ۳، مؤلفه‌های اصلی در SPMها را نشان می‌دهد.

سیستم دستیابی سریع (نزدیک شدن درشت گونه، The coarse approach)

شماتیک نشان‌دهنده مؤلفه‌های اصلی در SPMها. در این مثال سیستم بازخوردی برای حرکت عمودی حسگر به منظور حفظ یک سیگنال ثابت استفاده می‌شود. جابه‌جایی عمودی حسگر، به عنوان داده‌های توپوگرافیکی در نظر گرفته می‌شوند

 دوربین CCD )Charge coupled device)

پایه روبشگر به دوربین CCD مجهز است که می‌تواند خود مستقیماً به عنوان یک میکروسکوپ با بزرگنمایی تقریبی ۳۰۰ برابر استفاده شود. تصویر نوری دوربین CCD، بر روی صفحه نمایشگر رایانه نشان داده شده و برای انتخاب محل مورد نظر روبش روی سطح نمونه به کار می‌رود.

 دوربین CCD )Charge coupled device)

قسمت های مختلف میکروسکوپ و دوربین CCD

سیستم پردازش و نرم‌افزار

در میکروسکوپ‌ های پروبی روبشی ، سیگنال‌های به دست آمده ناشی از حرکت سوزن، با عبور از سیستم تقویت‌کننده اولیه یا به طور مستقیم به قسمت کنترل‌کننده که حاوی مدارات الکترونیکی با ارتعاشات کم هستند، وارد شده و پس از تقویت و پردازش اولیه جهت تشکیل تصویر به رایانه فرستاده می‌شود. نرم‌افزار نصب شده بر روی کامپیوتر سیگنال‌های خروجی از قسمت کنترل‌کننده را پردازش کرده و به تصویر تبدیل می‌کند. در عین حال نرم‌افزار امکان پردازش و اندازه‎گیری سه بعدی را بر روی تصویر حاصله فراهم می‌کند . شکل زیر عملکرد میکروسکوپ‌های پروبی روبشی را به طور خلاصه نشان می‎دهد.

 

سیستم پردازش و نرم‌افزار

سیستم پردازش و نرم‌افزار

 ارائه خدمات آنالیز در سایت آنابیز

با توجه به نیاز امروزه صنایع وابسته به سطح به ارزیابی و بررسی توپوگرافی سطح، ارائه خدمات با کیفیت و قابل استناد با چالش های متععدی رو به روست. آنابیز سعی دارد با فراهم کردن بستر ماسب برای ارائه خدمات و قابلیت مقایسه خدمات ارائه شده، بستر مناسب برای انجام آزمایش و خدمات مختلف از جمله میکروسکوپ نیروی اتمی در جهت بیشرفت و توسعه تحقیقات علمی و صنعتی گام بردارد.

با کلیلک کردن بر روی این لینک به صفحه ارائه خدمات AFM هدایت می شوید.

 

 

One Reply to “میکروسکوپ‌ های پروبی روبشی (اجزا)”

  1. […] عملکردی میکروسکوپ نیروی اتمی در ادامه مقاله اجزای این میکروسکوپ ارائه شده است، تا علاوه بر آشنایی با مدهای عملکردی […]

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *