آنالیز AFM (میکروسکوپ تونلی روبشی) یکی از روش های پر کاربرد در آنالیز سطح مواد و ترکیبات شیمیایی در مقیاس نانو می باشد. قدرتمندی این آنالیز به دلیل ایجاد تصاویر سه بعدی توپوگرافیک و همچنین انواع آنالیزهای سطحی بسته به نیاز محققین می باشد. ویژگی مهم تصویر برداری در AFM عدم نیاز به آماده سازی همراه با قدرت تفکیک های تا مقیاس اتمی می باشد.
هدف از ابداع دستیابی به قدرت تفکیک های مناسبتر در حد آنگستروم می باشد. میکروسکوپ نیروی اتمی از نیروهای میدان نزدیک بین اتمهای نوک پروب و سطح برای تولید نشانه های ساختار سطح استفاده می‌کند. از آنجایی که میکروسکوپ نیروی اتمی محدود به سطوح هادی الکتریکی نیست، گسترده‌تر از دیگر میکروسکوپ های این خانواده مورد استفاده قرار میگیرد. شماتیکی از این میکروسکوپ و نحوه عملکرد آن در شکل زیر نشان داده شده است.
شکل 1: شماتیکی از میکروسکوپ AFM و نحوه عملکرد آن
مشخصه اصلی میکروسکوپ پروبی روبشی، نوک تیز پروب است که سطح نمونه را روبش می‌کند. نوک باید در مجاورت بسیار نزدیک به سطح باقی بماند، زیرا میکروسکوپ پروبی روبشی از برهمکنش‌های میدان نزدیک بین نوک و سطح نمونه استفاده می‌کند. این مشخصه میدان نزدیک، محدودیت قدرت تفکیک میکروسکوپ‌های نوری و الکترونی را حذف می‌کند، زیرا قدرت تفکیک آنها توسط برهمکنش‌های میدان دور بین موجهای نوری یا الکترونی و نمونه محدود میشود. برهمکنش‌های میدان نزدیک درمیکروسکوپ پروبی روبشی امکان بهدست آوردن تصویر حقیقی از اتمهای سطحی را فراهم می‌کند، زیرا میکروسکوپ پروبی روبشی، شکل اتمهای سطحی را در جهت های عمودی و جانبی به دقت اندازه‌گیری می‌کند. قدرت تفکیک جانبی و عمودی و بهخصوص قدرت تفکیک جانبی، می‌تواند بهتر از ۰/۱ نانومتر باشد. محدوده جانبی و عمودی اندازه‌گیری در میکروسکوپ پروبی روبشی به ترتیب تا ۱۰۰ و ۱۰ میکرومتر هستند. آنالیز AFM علاوه بر تصویر دهی از سطح مواد قابلیت بررسی خواص سطحی مواد نظیر خواص الکتریکی، مغناطیسی، نوع پیوندهای شیمیایی و غیره را نیز دارد.
مانند خانواده میکروسکوپ های الکترونی که شامل دو زیر مجموعه عبوری و روبشی بودند، خانواده میکروسکوپ های پروبی روبشی نیز از زیر مجموعه هایی تشکیل شده اند که به بررسی خواص سطحی مواد از مقیاس اتمی تا میکرونی میپردازند. میکروسکوپ تونلی روبشی به جریان تونلی بین نوک پروب و اتم های سطحی وابسته است. در این میکروسکوپ نوک سوزن با سطح در تماس نیست اما در فواصل خیلی نزدیک از سطح نمونه (کمتر از ۱ نانومتر) قرار میگیرد.
در آنالیز AFM تصویر بردار به دو روش ایستا و پویا انجام می شود. در حالت‌های ایستا، تیرک به صورت ثابت تا زاویه معینی خم میشود و این مقدار تنظیم شده خمش، هنگام روبش حفظ میشود. در حالت‌های ایستا، نوک پروب به صورت فیزیکی سطح را لمس می‌کند. بنابراین، حالت‌های ایستا از نوع تماسی هستند. در حالت‌های پویا، تیرک در فرکانسی مشخص نوسان می‌کند و مقدار تنظیم شده دامنه نوسان، هنگام روبش حفظ میشود. حالت‌های پویا شامل انواع تماسی و غیرتماسی هستند. حالت تماس متناوب که حالت ضربه‌ای نیز خوانده میشود، پرمصرف‌ترین حالت پویا است. حالت ضربه‌ای امکان آسیب رسیدن به نمونه را هنگام روبش کاهش می‌دهد و می‌تواند علاوه بر پستی بلندی های سطحی، اطلاعاتی در مورد خصوصیت های شیمیایی و فیزیکی را نیز فراهم کند.
شکل‌های زیر قسمت الف و ب، تفاوت بین نیروهای متقابل در حالت‌های تماسی و غیرتماسی را نشان می‌دهند. در حالت غیرتماسی (الف)، تمام نیروهای بین نوک و نمونه از نوع جاذبه هستند و نیروی کم دامنه بین اتم های خارجی نوک و اتمهای نمونه سهم قابل توجهی در تصویربرداری دارند. در حالت تماسی (ب)، بین اتمهای رأس نوک و اتمهای سطح نمونه، نیروی دافعه است، ولی نیروی کلی همچنان از نوع جاذبه است.
شکل 2: ، تفاوت بین نیروهای متقابل در حالت‌های الف) غیرتماسی و ب) تماسی
