میکروسکوپ نیروی اتمی  (AFM)

آنالیزها و تجهیزاتتجهیزاتتصویر بردارینانوتکنولوژی

نوشته شده توسط:

میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM ) نوعی میکروسکوپ پروبی روبشی (SPM) با بزرگنمایی در حد نانومتر است که گردآوری اطلاعات درآن توسط لمس سطح با یک پروب مکانیکی است. در حال حاضر، به ویژه در تحقیقات انجام شده در زمینه فیزیک سطح و فناوری‌های لایه نازک، استفاده روزافزون تکنیک‌های (SPM)، به خوبی قابل مشاهده است. به علاوه، بررسی مواد با استفاده از میکروسکوپ‌های پروبی روبشی، زیربنای توسعه روش‌های نوینی در فناوری نانو شده است که از آن جمله می‌توان به فناوری تولید ساختارهای دقیق و پیچیده در مقیاس نانومتری اشاره کرد. بنابر این در ابتدا باید در مورد میکروسکوپ های SPM بحث شود.

میکروسکوپ نیروی اتمی(AFM)

پروب مکانیکی میکروسکوپ در تماس با سطح

میکروسکوپ‌های پروبی روبشی

شناسایی و بررسی مواد با استفاده از میکروسکوپ‌های پروبی روبشی (SPM= scanning probe microscopy)، از جمله تکنیک‌های تحقیقاتی قدرتمند و مدرن است که اجازه می‌دهد مورفولوژی و خواص موضعی سطوح مختلف با تفکیک‌پذیری فضایی (spatial resolution) بالا در حد نانومتر، انجام پذیرد. میکروسکوپ پروبی روبشی، ابزاری کلیدی برای ترسیم توپوگرافی (پستی و بلندی‌های) سطوح و مشخص کردن تغییرات خواص فیزیکی و شیمیایی ساختارهایی نظیر ساختارهای مولکولی، در بازه مقیاسی از صدها میکرومتر تا محدوده نانومتر است. ساده‌ترین نقشه‌ای که میکروسکوپ پروبی روبشی ایجاد می‌کند، همین نقشه توپوگرافی سطح است.

میکروسکوپ‌های پروبی روبشی

میکروسکوپ‌های پروبی روبشی

علاوه بر این نقشه‌های دیگری هم قابل دستیابی است که مناطقی از سطح را که به صورت فیزیکی یا شیمیایی از سایر نقاط متمایز هستند، نشان داده و اطلاعاتی از خواص الکتریکی، مغناطیسی، نوری، مکانیکی و… ارائه می‌دهند .

در میکروسکوپ های SPM چه مواردی مورد تحلیل قرار میگیرد؟

از موضوعات اولیه چالش برانگیز در به‌کارگیری SPMها به منظور مطالعه پدیده‌های موضعی الکتروستاتیکی و الکترومکانیکی، مشخصه‌یابی و آنالیز کمی سیگنال‌های به دست آمده است. در حقیقت یک تصویر SPM معمولی، با بیان اطلاعات و مشخصاتی نظیر اختلاف پتانسیل، فعالیت الکتروشیمیایی سطح، تصویر نحوه توزیع ظرفیت الکتریکی یا پتانسیل در ترانزیستورها، امکان مطالعه خواص سطحی را به صورت کمی فراهم می‌آورد

در میکروسکوپ های SPM چه مواردی مورد تحلیل قرار میگیرد؟

نیروی بین تیپ و نمونه

میکروسکوپهای SPM توسط چه کسانی اختراع و توسعه داده شد؟

گرد کارل بینیگ (Gerd Karl Binnig) بر اساس طراحی های قبلی که با همکاری هاینرک روهرر (Heinrich Rohrer)، در آزمایشگاه تحقیقاتی زوریخ IBM، در جهت طراحی و ساخت میکروسکوپ تونلی روبشی، صورت داده بود، در سال ۱۹۸۶ میلادی با همکاری کلوین کوایت (Calvin Quate) و کریستف گربر (Christoph Geber) از دانشگاه استانفورد میکروسکوپ نیروی اتمی  (AFM )، را ارائه نمود. هدف او از این کار اندازه گیری نیروهای بسیار ناچیز (کمتر از۱µN  )، بین نوک سوزن AFM  و سطح نمونه مورد بررسی بود .

میکروسکوپهای SPM توسط چه کسانی اختراع و توسعه داده شد؟

اولین میکروسکوپ SPM اختراع شده

پس از آنکه در سال ۱۹۸۱ میلادی ، میکروسکوپ تونلی روبشی (STM= scanning tunneling microscope) بوسیله گرهارد بینیگ (Gerd Binnig) و هاینرک روهرر (Heinrich Rohrer) اختراع شد، تلاشهای بسیاری بر اساس آن، در جهت توسعه روش های مشخصه یابی در مقیاس نانوصورت پذیرفت. درسال ۱۹۸۶، گرهارد بینیگ، بر اساس تجربیاتی که از ساخت میکروسکوپ تونلی روبشی بدست آورده بود، با همکاری کلوین کوات و کریستف گربر از دانشگاه استنفورد، میکروسکوپ نیروی اتمی  (AFM ) را اختراع نمودند. تولیدات تجاری این محصولات، با میکروسکوپ STM در سال ۱۹۸۷ میلادی و میکروسکوپهای AFM ، در ۱۹۸۹ میلادی کلید خورد. به دنبال اختراع STM و سپس AFM ، تلاشهای بسیاری جهت مطالعه مورفولوژی و ساختار سطوح و فصل مشترک آن ها صورت گرفت و در بازه کوتاهی از زمان، بسیاری دیگر از ابزارهای شناسایی با مبانی مشابه درعملکرد، تحت عنوان کلی میکروسکوپ های پروبی روبشی، ساخته و به جهان علم ارائه گردیدند.

میکروسکوپ نیروی اتمی چگونه کار می کند؟

اسپکتروسکوپی نیروی اتمی یک تکنیک اندازه‌گیری بر اساس روش اپتیکی است و گاهی اوقات قطبیت و قدرت برهم کنش بین تیپ و نمونه را کنترل می‌کند. اگرچه برهم کنش تیپ و نمونه ممکن است تحت عنوان انرژی مطالعه شود، کمیتی که اندازه‌گیری می‌شود نیروی بین تیپ و نمونه است و بنابراین اسپکتروسکوپی نیرو نامیده می‌شود این میکروسکوپ، با استفاده از سوزنی (Probe) بسیار تیز که در حالت ایده آل در نوک آن تنها یک اتم جای می‌گیرد، خواصی از نمونه‌های مورد آنالیز را به صورت غیر مستقیم، ارائه می‌دهد و نقش به سزایی را در پیشرفت تحقیقات علوم مختلف از جمله نانوفناوری، الکترونیک، انرژی، فضانوردی و غیره ایفا کرده است. نیروهای میان نوک سوزن و نمونه مورد بررسی می‌توانند از انواع نیروهای واندروالسی، الکترواستاتیکی، اصطکاکی، الکتریکی، مغناطیسی، چسبندگی، موئینگی و نیروهای اتمی باشد که بسته به وجود این نیروها و فاصله سوزن تا سطح نمونه حالت‌های بررسی به سه صورت تماسی، غیر تماسی و ضربه‌ای تقسیم‌بندی می‌شوند. از آنجایی که هیچ گونه محدودیتی از لحاظ خواص فیزیکی مواد برای این دستگاه وجود ندارد، می‌توان از آن جهت مطالعه انواع مواد رسانا، نارسانا و نیمه رسانا استفاده کرد.

تیپ های مختلف میکروسکوپ AFM بری کاربرد های پیشرفته

 

اساس کار میکروسکوپ نیروی اتمی

در مورد میکروسکوپ نیروی اتمی ، نوکی  روی کانتی‌لیور (اهرم یا تیرک) وجود دارد که در اثر نیروی بین نمونه و نوک خم می‌شود. عکس شماره ۱ طرز کار یک میکروسکوپ نیروی اتمی  را نشان می‌دهد.

 

اساس کار میکروسکوپ نیروی اتمی

نحوه کار میکروسکوپ AFM

با خم شدن کانتی‌لیور، انعکاس نور لیزر بر روی آشکارسازنوری جابجا می‌شود. بدین ترتیب می‌توان جابجایی نوک کانتی‌لیور را اندازه‌گیری کرد. از آنجایی که کانتی‌لیور در جابجایی‌های کوچک از قانون هوک پیروی می‌کند، از روی جابجایی کانتی‌لیور می‌توان نیروی برهم‌کنش بین نوک و سطح نمونه را بدست آورد. و از روی نیروی بین اتم‌های سطح نمونه و پراب، می‌توان فاصلهٔ بین نوک و سطح نمونه، یا همان ارتفاع آن قسمت از نمونه را بدست آورد.

برخورد لیزر به تیپ و برگشت اشعه

نحوه کار میکروسکوپ AFM

میکروسکوپ روبشی نیروی اتمیAFM  سطح نمونه را توسط یک سوزن تیز، به طول ۲میکرون و غالبا قطر نوک کمتر از ۱۰ نانومتر آنالیز می کند. سوزن در انتهای آزاد یک کانتیلور(انبرک= cantilever) به طول حدود ۱۰۰ تا ۴۵۰میکرون قرار دارد.
نیروهای بین سوزن و سطح نمونه باعث خم شدن یا انحراف کانتیلور شده و یک آشکارساز میزان انحراف کانتیلور را در حالیکه سوزن سطح نمونه را روبش می کند یا نمونه در زیر سوزن روبش می شود، در سیستم هایی که نمونه حرکت روبشی را انجام می دهد، اندازه می گیرد. میتوان از انحراف کانتیلور برای ورودی یک مداربازخورد استفاده کرد که روبشگر پیزو را در مواجهه با توپوگرافی سطح نمونه به گونه ای در جهت z بالاو پایین می برد که میزان انحراف کانتیلور ثابت بماند. اندازه گیری انحرافات کانتیلور به کامپیوتر امکان تولید تصویر توپوگرافی سطح را می دهد.

 

حرکت پراب بر روی نمونه توسط دستگاه موقعیت‌یاب بسیار دقیقی انجام می‌شود که از سرامیک‌های پیزوالکتریک ساخته می‌شود. این پویشگر توانایی حرکت در مقیاس زیر آنگستروم را دارد.

آشکارسازی موقعیت کانتیلور

در اغلب AFM  هایی که امروزه عرضه می شود، موقعیت کانتیلور را با استفاده از روشهای اپتیکی تعیین میگردد.
یک اشعه لیزری به پشت کانتیلور به سمت یک آشکارساز نوری حساس به موقعیت (PSPD= Position-sensitive photo detrector)منعکس می شود.با خم شدن کانتیلور محل اشعه لیزر روی آشکارساز تغییر کرده و PSPD میتواند جابجایی به کوچکی ۱۰ آنگستروم(۱ نانومتر) را اندازه گیری کند. نسبت فاصله بین کانتیلور و آشکارساز به طولکانتیلور به عنوان یک تقویت کننده مکانیکی عمل می کند. در نتیجه سیستم می تواندحرکت عمودی کمتر از آنگستروم نوک کانتیلور را اندازه گیری کند. روشی دیگر جهتآشکار سازی انحراف آشکارساز بر مبنای تداخل اپتیکی می باشد.

آشکارسازی موقعیت کانتیلور 

آشکارسازی موقعیت کانتیلور

یک تکنیک بسیارظریف دیگر جهت آشکارسازی، ساختن کانتیلور از یک ماده پیزومقاومتی (piezoresistive) است به گونه ای که انحراف را بصورت سیگنال الکتریکی آشکار کند. در مواد پیزوی مقاومتی، تنش ناشی از تغییر فرم مکانیکی باعث تغییر مقاومت الکتریکی ماده می شود. برای آشکارسازی پیزومقاومتی نیازی به اشعه لیزر و PSPD نیست.وقتی کهAFM  انحراف کانتیلور را آشکار کرد، می تواند اطلاعات توپوگرافی را در دو حالت ارتفاع ثابت یا نیروی ثابت تولید کند.  این دو حالت میکروسکوپ نیروی اتمی در متن های بعد مورد بحث قرار خواهند گرفت.

مزایا و معایب میکروسکوپ نیروی اتمی

  •  مزایا
    • سرعت بالا
    • سادگی تهیه نمونه
    • اطلاعات دقیق ارتفاع
    • قابلیت کار در هوا، خلا و مایعات (بر خلافمیکروسکوپ‌های الکترونی)
    • قابلیت مطالعه سیستم‌های زیستی زنده
  • محدودیت‌ها
    • بازه مطالعه عمودی محدود
    • بازه بزرگنمایی محدود
    • وابستگی اطلاعات بدست آمده به نوع نوک میکروسکوپ
    • امکان آسیب دیدن نوک میکروسکوپ یا نمونه

ارائه خدمات AFM در 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.

 

 

دیدگاه بسته شده اند.