|
* G. Bennig, H. Rohrer, ''Scanning Tunneling Microscopy—From Birth to Adolescence'', Rev. of Mod. Phys, Vol 59, No. 3, Part 1 1987, P 615
{{پایان چپ‌چین}}
میکروسکوپ نیروی اتمی یک تکنیک جدید جهت تصویربرداری با قدرت تفکیک بالا برای هم سطوح هادی و هم سطوح غیرهادی است. ميکروسکوپ نيروي اتمي (AFM) يا به عبارت ديگر ميکروسکوپ نيروي پويشي (SFM) نخستين بار توسط کوئِيت، بنينگ و گربر به منظور به دست آوردن تصاویر با کیفیت مناسب از سطوح هادی و عایق در سال 1986 اختراع شد[1]. درست مانند ساير ميکروسکوپ‌هاي پروب پويشي، در ميکروسکوپ AFM نيز از يک پروب بسيار تيز استفاده شده است که طي فرآيند پيمايش محل تصوير، بر روي سطح نمونه حرکت مي‌کند. در اين ميکروسکوپ، پروب در قسمت انتهايي کانتيليور (اهرم) قرار گرفته که در واقع نوک ابزار را تشکيل مي‌دهد که بر اثر نيروي بين قسمت سر پروب و نمونه خم مي شود1]. کانتی‌لیورهای آشکارکننده نیروی اتمی، عناصر اساسی هستند که بوضوح قدرت تفکیک فضایی AFM را تحت تاثیر قرار می‌دهند. برای به دست آوردن تصاویر با قدرت تفکیک بالا از ساختار میکروسکوپی روی سطح نمونه، نوک خیلی تیز روی کانتی‌لیور مورد نیاز است. همچنین برای تصویرگیری سریع، فرکانس رزونانس مکانیکی بالا در کانتی‌لیورها مورد نیاز است. در حال حاضر، کانتی‌لیورهای میکرونی ساخته شده از Si و Si3N4 به طور وسیعی مورد استفاده قرار می‌گیرند. سنسور جابجایی، انحراف کانتی‌لیورها را با دقت 0.1nm اندازه گیری می‌کند [2].
5-2 ) نحوه عملکرد
در اولين طرحي که از ابزار AFM ارائه شد، از يک ميکروسکوپ تونل زنی پويشي در قسمت انتهايي کانتي ليور (اهرم) براي تعيين ميزان خمش اهرم استفاده مي‌شد، اما اکنون در مدل‌هاي مختلف اين ابزار، از اهرم‌هاي نوري استفاده مي‌شود [2].
با خمش کانتيليور (اهرم)، نور ليزر بر روي فوتوديود دوگانه انعکاس مي‌يابد. با اندازه‌گيري تفاوت سيگنال (A-B)، تغييرات در خمش کانتيليور (اهرم) را مي‌توان اندازه‌گيري کرد. حرکت قسمت سر و يا نمونه توسط دستگاه موقعيت‌ياب بسيار دقيقي کنترل مي‌شود که از سراميک‌هاي پيزوالکتريک ساخته شده که اغلب اوقات به شکل يک پويش‌گر تيوپي است. اين پويش‌گر توانايي حرکت در مقياس زير آنگسترم را در جهاتx ،y و z را دارد. محور z قاعدتا عمود بر موقعيت نمونه قرار دارد. از آنجا که کانتيليور (اهرم) در جابجايي‌هاي کوچک از قانون هوک پيروي مي کند، از روي جابجايي کانتيليور مي‌توان نيروي برهم‌کنش بين قسمت سر و نمونه را به دست آورد.
عملکرد بازخوردي عملکرد ميکروسکوپ AFM به دو شيوه است:
1- با کنترل بازخورد،
2- بدون کنترل بازخورد.
اگر بازخورد الکترونيک فعال باشد، حرکت قسمت سر يا نمونه توسط دستگاه موقعيت‌ياب پيزوالکتريکي اين امکان را به دستگاه مي‌دهد تا به هرگونه تغييرات معمول که مورد شناسايي قرار مي‌گيرند، عکس‌العمل نشان داده و امکان جداسازي قسمت سر-نمونه براي ذخيره‌سازي نيرو آن هم به مقداري از پيش تعيين شده را ميسر سازد. اين نوع شيوه عملکردي به عنوان روش نيروي ثابت شناخته مي‌شود و معمولا تصاوير توپوگرافيکي مطلوبي را به دست مي‌دهد (لذا نام ديگر آن شيوه ارتفاع(height) است).
با برهم‌کنش قسمت سر و نمونه به روش‌هاي مختلفي مي‌توان کنتراست يا تباين تصوير را به دست آورد. برهم‌کنش بين قسمت سر و نمونه به سه صورت است: شيوه تماسي، ضربه‌اي و غير‌تماسي. شيوه تماسي متداول‌ترين شيوه عملکرد سيستم‌هاي AFM است. همان‌طور که از نام اين روش پيداست، در طول پويش سطح نمونه، قسمت سر و نمونه در تماس نزديک با يکديگر قرار دارند. ناحيه دافع نيز در منحني در زير محور X واقع شده است. شيوه ضربه‌اي دومين روش متداولي است که درAFM ها به کار برده مي‌شود. درمحيط‌هايي همچون هوا و ساير گازها، کانتيليور (اهرم) در بسامد همنواي خود نوسان مي‌کند (غالبا صدها کيلوهرتز) و در بالاي سطح قرار مي‌گيرد، بطوري‌که تنها در بخشي از دوره نوسان خود به نمونه ضربه وارد مي‌کند. در اين شيوه نيز هنوز بين نمونه و قسمت سر تماس وجود دارد، اما مدت زمان آن بسيار کوتاه است و درنتيجه نيروهاي افقي در حين پويش قسمت سر بر روي سطح کاهش مي‌يابد. زماني که نمونه‌ها از نوع سخت نباشد، شيوه ضربه‌اي در تصويربرداري مي‌تواند بسيار بهتر از شيوه تماسي باشد.
با کمک شيوه ضربه‌اي مي‌توان به روش‌هاي ديگري کنتراست تصوير را به دست آورد. در شيوه نيروي ثابت، حلقه بازخوردي براي ثابت نگاه داشتن دامنه نوسان و حرکت کانتيليور (اهرم) ثابت (تقريبا) تنظيم مي‌شود. تصوير مي‌تواند از روي سيگنال دامنه ايجاد شود، لذا تغييرات کوچکي به دليل الکترونيک‌هاي کنترلي که بلافاصله به تغييرات سطح نمونه واکنش نمي‌دهند، در دامنه نوسان بوجود ميآيد. به تازگي، توجه زيادي به سمت تصويربرداري فازي معطوف شده است. اين نوع تصويربرداري با اندازه‌گيري اختلاف بين نوسان کانتيليور (اهرم) و نوسان‌هاي مشخص صورت مي‌گيرد. البته تصور بر اين است که کنتراست تصوير به ويژگي‌هاي تصوير همچون سختي و ويسکوالاستيسيته بستگي داشته باشد.
شيوه غير تماسي روش ديگري است که در حين تصويربرداري با ميکروسکوپ AFM به کار برده مي‌شود. کانتيليور (اهرم) مي‌بايست در بالاي سطح نمونه به حالت نوسان در‌آيد. البته اين روش استفاده از ميکروسکوپAFM، از جمله شيوههاي دشوار در تعيين تباين يا کنتراست به شمار ميآيد. لايه نازکي از آب بر روي سطح نمونه همواره پل باريکي را بين قسمت سر و نمونه ايجاد کرده و موجب مي‌شود قسمت سر به شيوه‌اي غير تماسي به پويش در سطح نمونه بپردازد.
براي پويش سطح نمونه مي‌توان از ميکروسکوپ‌هاي ديگري همچون ميکروسکوپ نيروي برشي نيز استفاده کرد. ميکروسکوپ تونل زني پويش (STM) و ميکروسکوپ نيروي اتمي(AFM) تصاويري از اتم‌هاي سطح و يا اتم‌هاي بر روي اين سطوح را ايجاد مي‌کند. سيستمي که با کمک اصول و قواعد مختلف و با استفاده از يک ميکروسکوپ STM يا AFM به ايجاد تصاوير از سطوح مي پردازد، غالبا ميکروسکوپ پروب پويشي (STM) گفته مي شود [3].
اساس کارميکروسکوپAFM، پويش بر روي سطوح توسط قسمت سر سراميکي يا نيمه رسانا ميباشد [3]. قسمت سر در انتهاي يک کانتيليور (اهرم) قرار گرفته که بر اثر جذب و يا دفع ان توسط سطح، اشعه کانتيليور (اهرم) منحرف مي‌شود. بزرگي اين انحراف توسط ليزري که نور را با زاويه حاده و يا منفرجه از قسمت انتهايي کانتيليور (اهرم) منعکس مي‌کند، محاسبه مي‌گردد. وضعيت انحراف ليزر در مقابل موقعيت قسمت سر بر روي سطح نمونه، تفکيک‌پذيري برامدگي‌ها و فرورفتگي‌هاي مربوط به توپوگرافي سطوح را ميسر مي‌سازد. عملکرد ميکروسکوپ‌هاي AFM مي‌تواند به صورت تماس قسمت سر با سطح باشد (شيوه تماسي) و يا مثال عيني آن مانند عصاي يک فرد نابينا، ضربه‌هايي را به سطح وارد سازد.
5-3 ) معایب و مزایا
در مد تماسی قدرت تفکیک اتمی برای مواد تشکیل شده از چندین لایه یا مواد با لایه نانومتری حاصل شده است. با این حال، بیشتر داده‌های گزارش شده همچنین ساختار پریودیک اتمی کاملا منظم شده یا نقائصی در مقیاس بزرگ اتمی را نشان می‌دهند، اما هیچ نقص نقطه‌ای در مقیاس اتمی که به طور معمول با میکروسکوپ روبشی تونل‌زنی قابل مشاهده است، گزارش نشده است.[3] تحت شرایط اندازه گیری محدود شده، مشخص شده است که خطوط پله‌ای تک اتمی و نقائص نقطه‌ای در مقیاس اتمی را می‌توان با دقت اتمی مشاهده نمود. با این حال شرایط برای به دست آوردن دقت درست جانبی در مقیاس اتمی تا حد زیادی به سوق گرمایی و نسبت سیگنال به نویز در اندازه گیری نیرو محدود می‌شود.
از طرف دیگر در مد غیرتماسی تخریب تیزی اولیه نوک پروب و همچنین سطح نمونه وجود ندارد. با این حال برای مدتی طولانی قدرت تفکیک مجانبی در مقیاس اتمی حاصل نشده است که علت آن بستگی ضعیف فاصله در نیروی جاذبه بین نوک و نمونه است.
در زير بعضي از مزايا و معايب اين روش آناليز مواد را برشمرده ايم:[2]
مزايا
1. سادگي تهيه نمونه
2. اطلاعات دقيق ارتفاع
3. قابليت کار در هوا، خلا و مايعات
4. قابليت مطالعه سيستم‌هاي زيستي زنده
معايب
1. بازه مطالعه عمودي محدود
2. بازه بزرگنمايي محدود
3. وابستگي اطلاعات بدست آمده به نوع نوک ميکروسکوپ
4. امکان آسيب ديدن نوک ميکروسکوپ يا نمونه
مراجع:
1- S.Franssila, Introduction to Micro Fabrication, John Wiley & Sons, 2005
2- S.Morita, Roadmap of Scanning Probe Microscopy, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2007
3- Bharat Bhushan, Handbook of Nanotechnology, Springer, 2007, Chapter 21.
[[رده:نیروهای بین‌مولکولی]]
| 