موضوع مقاله: میکروسکوپ نیروی اتمی | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # میکروسکوپ نیروی اتمی | مقدمه: مانند تمام میکروسکوپ‌های پراب پویشی دیگر، میکروسکوپ نیروی اتمی از یک پراب (probe) تیز که بر روی سطح نمونهٔ تحت بررسی حرکت می‌کند، استفاده می‌کند. | ## بخش 1: میکروسکوپ نیروی اتمی | در مورد میکروسکوپ نیروی اتمی، نوکی بر روی کانتی‌لیور (اهرم) وجود دارد که در اثر نیروی بین نمونه و نوک خم می‌شود. 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. حرکت پراب بر روی نمونه توسط دستگاه موقعیت‌یاب بسیار دقیقی انجام می‌شود که از سرامیک‌های پیزوالکتریک ساخته می‌شود. عناصر پیزوالکتریک که حرکات کوچک ولی دقیق و صریح را با فرمان (الکترونیکی) تسهیل می‌کنند، اسکن دقیق را امکان پذیر می‌سازند. توانایی‌ها AFM سه توانایی غالب دارد: اندازه‌گیری نیرو، تصویربرداری توپوگرافی و دستکاری. در اندازه‌گیری نیرو، AFMها می توانند برای اندازه‌گیری نیروهای بین پراب و نمونه به شکل تابعی از جداسازی متقابل استفاده شوند. این می‌­تواند برای طیف-سنجی نیرو به هدف اندازه‌گیری‌های ویژگی‌های مکانیکی نمونه اعمال شود، مانند مدول یانگ نمونه که یک معیار سفتی است. در تصویربرداری، واکنش پراب به نیروهایی که نمونه به آن تحمیل م‍ی‌کند می‌تواند برای تشکیل یک تصویر سه بعدی از سطح نمونه با وضوح بالا استفاده شود. این تصویر با اسکن شطرنجی از وضعیت نمونه نسبت به نوک و سپس ضبط ارتفاع پراب که در یک تعامل ثابت پراب-نمونه به دست می‌آید. گرچه انتشار اولیه درباره میکروسکوپ نیروی اتمی توسط بینیگ، کوات و گربر در سال 1986، درباره احتمال به دست آوردن وضوح اتمی پیش‌بینی‌هایی می‌کرد، اما تا زمانی که این به واقعیت بپیوندد چالشهای آزمایشی سختی سر راه قرار داشتند. وضوح اتمی واقعی سطح سیلیکون 7 در 7 باید کمی صبر می کرد تا بعدا توسط گیسبل کشف شود. در دستکاری، نیروهای بین نوک و نمونه می‌توانند برای این استفاده شوند که ویژگی‌های نمونه را به شیوه‌های کنترل شده، تغییر دهند. همزمان با حاصل شدن تصویرهای توپوگرافی، ویژگیهای دیگر نمونه می‌توانند به طور موضعی اندازه‌گیری شوند و به شکل یک تصویر، معمولا مشابه تصویرهای توپوگرافی با وضوح بالا نشان داده شوند. | ## بخش 2: میکروسکوپ نیروی اتمی | مثال­های این ویژگی‌ها، ویژگی‌های مکانیکی مانند سختی و قدرت چسبندگی و ویژگی‌های الکتریکی مانند رسانایی یا پتانسیل سطح هستند. در واقع، اکثر تکنیک‌های SPM گسترده شده‌­ی AFM هستند که از این حالت استفاده می‌کنند. بقیه تکنولوژی‌های میکروسکوپی تفاوت اصلی بین میکروسکوپ نیروی اتمی و تکنولوژی‌های رقیب مانند میکروسکوپ نوری و میکروسکوپ الکترونی در این است که AFM از لنز و یا اشعه استفاده نمی‌کند. در نتیجه، از محدودیت وضوح فاصلهای مربوط به انحراف و انکسار و فراهم‌سازی فضا برای هدایت اشعه (با درست کردن مکش) رنج نمی‌برد، و همینطور لکه‌دار کردن نمونه‌ها لازم نیست. گرچه SNOM و STED از نور قابل رویت، فروسرخ و یا حتی تراهرتز برای روشن کردن نمونه استفاده می‌کنند، وضوح آن‌ها محدود به حد انکسار نور نیست. میکروسکوپ تونلی روبشی، پیشرو AFM، توسط جرد بینیگ و هاینریش رورر در اوایل دهه 1980 و در زوریخ مرکز تحقیق IBM توسعه یافت، ساخت این میکروسکوپ برای آنها جایزه نوبل فیزیک سال 1986 را به ارمغان آورد. بینیگ میکروسکوپ نیروی اتمی را اختراع کرد و اولین پیاده‌­سازی آزمایشی توسط بینیگ، کوات و گربر در سال 1986 انجام شد. AFM یکی از بهترین وسایل برای تصویربرداری، اندازه‌گیری و دستکاری ماده در سطح نانو است. کاربردها AFM بر طیف وسیعی از رشته‌های علوم طبیعی اعمال شده است، شامل فیزیک جامدات، علم و تکنولوژی شبه رساناها، مهندسی مولکولی، شیمی و فیزیک پلیمر، بایولوژی مولکولی، بایولوژی سلولی و دارو. استفاده‌ها در رشته فیزیک جامدات شامل موارد زیر می‌شوند، (الف) شناسایی اتم‌ها در سطح، (ب) ارزیابی تعاملات بین یک اتم خاص و اتم‌های همسایه آن و (ج) مطالعه تغییرات در ویژگی‌های فیزیکی برخواسته از تغییرات در چیدمان اتمی توسط دستکاری اتمی. در بایولوژی مولکولی، AFM میتواند برای مطالعه ساختار و ویژگی‌های مکانیکی یا اجتماع پروتئین‌ها استفاده شود. برای مثال، از میکروسکوپ نیروی اتمی برای تصویربرداری از ریزلوله‌ها و اندازه‌گیری سختی آن‌ها استفاده می‌شود. در بایولوژی سلولی، AFM میتوان به تشخیص دادن سلول سرطانی از غیرسرطانی بر اساس سختی سلول‌ها سعی کرد. و همینطور برای ارزیابی تعاملات بین یک سلول خاص و سلول‌های همسایه در یک سیستم رقابتی استفاده میشود. | ## بخش 3: میکروسکوپ نیروی اتمی | AFM میتواند برای برجسته کردن سلول‌ها برای مطالعه این‌که چطور سفتی را منظم می‌کنند یا شکل غشاء سلول هم استفاده شود. در نسخه‌های پیشرفته‌تر، جریان‌ها را می‌توان از نوک به پراب منتقل کرد تا رسانایی الکتریکی یا انتقال سطح زیرین را بررسی کند، اما این یک کار چالش برانگیز است که گروه‌های تحقیقاتی کمی به طور ثابت داده می‌فرستند. اصول AFM شامل یک طره با یک نوک تیز (پراب) در ته آن می‌شود که برای اسکن سطح نمونه آزمایش می‌شود. طره معمولا از جنس سیلیکون یا سیلیکون نیترید با شعاع انحنای نوک در حد نانومتر است. وقتی نوک به نزدیکی سطح نمونه آزمایش آورده می‌شود، نیروهای بین نوک و نمونه به انحراف طره (با توجه به قانون هوک) منجر میشوند. بسته به شرایط، نیروهایی که در AFM اندازه‌گیری می‌شوند، شامل موارد زیر میشوند: نیروی تماس مکانیکی است، نیروهای واندروالسی، مویینگی، پیوند شیمیایی، نیروهای الکترواستاتیکی، نیروهای مغناطیسی (به میکروسکوپ نیروی مغناطیسی MFM مراجعه کنید)، نیروی کاسیمیر، نیروی حلال‌پوشی و غیره. همراه نیرو، مقادیر اضافه‌ای هم همزمان از طریق استفاده پراب‌های تخصصی اندازه‌گیری می‌شوند. دستگاه با یک مکانیسم فید بک انحراف کانتیلور را اندازه گرفته و در یک نقطه ثابت نگاه می‌دارد. زمانی که تیپ در حال روبش سطح می‌باشد، تصویربرداری با ثبت ولتاژ اعمال شده به پیزوالکتریک متحرک انجام می‌شود. بدین صورت که اثر متقابل تیپ- نمونه باعث کاهش شدید دامنه می‌شود، وقتی که این فاصله به ابعاد نانومتری رسید، تیپ سطح نمونه را روبش می‌کند. از آن جایی که نیروی کمتری بر نمونه وارد می‌شود در نتیجه این روش تخریب کمتری را برای نمونه‌های نرم و تیپ دربر دارد. مد تماس متناوب یا ضربه‌ای(Tapping Mode)این حالت نیز مانند حالت بدون تماس است با این تفاوت که در حالت تماس متناوب نوک کانتی‌لیور مرتعش به آرامی با نمونه برخورد می‌کند و دامنه نوسان خیلی بزرگتر از حالت بدون تماس است. در فاصلهٔ دور از نمونه، کانتی‌لیور(تیر یکسر گیردار) توسط نیروی بین‌اتمی جذب نمی‌شود و در حالت تعادل آزاد خود است. اما هنگامی که کانتی‌لیور به سطح نمونه نزدیک می‌شود، نیروهای جاذبه کانتی‌لیور را به سمت نمونه جذب می‌کنند. | ## جمع‌بندی | هنگامی که نوک با سطح در تماس است، نیروهای دافعه غالب بوده و کانتی‌لبور را دور می‌کنند.