میکروسکوپ نیروی اتمی

left
میکروسکوپ نیروی اتمی یا میکروسکوپ نیرویی روبشی در سال ۱۹۸۶ توسط کوییت، بنیگ و گربر اختراع شد. مانند تمام میکروسکوپ‌های پراب پویشی دیگر، میکروسکوپ نیروی اتمی از یک پراب (probe) تیز که بر روی سطح نمونه تحت بررسی حرکت می‌کند، استفاده می‌کند.
در مورد میکروسکوپ نیروی اتمی، نوکی بر روی کانتی‌لیور (اهرم) وجود دارد که در اثر نیروی بین نمونه و نوک خم می‌شود. عکس شماره ۱ طرز کار یک میکروسکوپ نیروی اتمی را نشان می‌دهد.
شکل شماره ۱ - ساختمان شماتیک یک میکروسکوپ نیروی اتمی
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 فاصله 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. این پویشگر توانایی حرکت در مقیاس زیر آنگستروم را دارد.
شکل ۲ یکی از عکس‌های بدست آمده توسط میکروسکوپ نیروی اتمی را نشان می‌دهد.
شکل شماره ۲- توپوگرافی سطحی یک شیشه - اندازه: ۲۰×۲۰ میکرومتر، بازه ارتفاع: ۴۲۰ میکرومتر
مدهای عملکردی
نوک کانتی‌لیور
مد تماسی(Contact Mode): در مد تماسی، تیپ در ناحیه نیروهای دافعه واندروالسی بین اتم‌های نوک تیپ با سطح و بدون ایجاد ارتعاش روی کانتیلور عمل می‌کند. 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. مد تماسی برای بررسی سطوح سخت با تیپ‌های نازک و فوق تیز و سخت مناسب می‌باشد.
مد غیرتماسی(Non-Contact Mode):در مد غیر تماسی میکروسکوپ نیروی اتمی، تیپ در ناحیه نیروهای جاذبه واندروالسی با سطح و با ایجاد ارتعاش روی کانتیلور عمل می‌کند. در این حالت کانتیلور در نزدیکی یک فرکانس رزونانس طبیعی، نوسان می‌کند. سپس نمونه نزدیک می‌شود تا دامنه کانتیلور به مقدار تعیین شده کاهش یابد. 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. در این حالت مکانیسم فیدبک دامنه نوسان را اندازه گیری کرده و ثابت نگاه می‌دارد. این مد بیشتر برای محیط هوا و مایع مناسب می‌باشد. 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 این روش، تصویرسازی با استفاده از دامنه ارتعاش کانتی‌لیور انجام می‌شود.
شکل شماره ۳ - منحنی نیرو-فاصله
شکل ۳ یک منحنی شماتیک نیرو-فاصله را برای میکروسکوپ نیروی اتمی نشان می‌دهد. در فاصله 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. هنگامی که نوک با سطح در تماس است، نیروهای دافعه غالب بوده و کانتی‌لبور را دور می‌کنند. خطوط پررنگ دامنه کار معمول م.ن.اها را در حالت‌های تماسی و بدون تماس نشان می‌دهند. پیکان افقی دراز، دامنه معمول تماس متناوب را نشان می‌دهد.
ساختار CD
مزایا و معایب
مزایا
سرعت بالا
سادگی تهیه نمونه
اطلاعات دقیق ارتفاع
قابلیت کار در هوا، خلا و مایعات (بر خلاف میکروسکوپ‌های 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
میکروسکوپ
میکروسکوپ پراب پویشی
میکروسکوپ تونلی روبشی
میکروسکوپ نیروی مغناطیسی
AFM (Atomic Force Microscope)
SFM (Scanning Force Microscope)
G. Binnig, C. F. Quate, C. Gerber, Phys. Rev. Lett. 56 (1986) -pp 930-933
SPM (Scanning Probe Microscope)
tip
photodetector