از میکروسکوپ AFM علاوه بر مشخصه یابی، می توان در زمینه تولید مواد نانو ساختار نیز استفاده کرد. در زمینه تولید مواد نانوساختار می توان به روش های نانو لیتوگرافی و نانو ماشین کاری اشاره کرد همچنین این دستگاه قابلیت ایجاد تغییر و جابه جایی ذرات و سطوح را دارا می باشد. با اختراع میکروسکوپ نیروی اتمی، امکان تهیه تصویر و بررسی نمونه های گوناگون به ویژه نمونه های عایق و زیستی به وجود آمده است.
این دستگاه با برخورداری از مزایای تهیه تصویر با قدرت تفکیک بالا، عملکرد ساده، عدم نیاز به آماده سازی پیچیده نمونه (مانند روش های آماده سازی نمونه در میکروسکوپ الکترونی)، تهیه تصاویر سه بعدی و امکان بررسی توپوگرافی سطح به صورت ابزاری قابل قبول در حوزه های مختلف علوم و فناوری نانو درآمده و کاربردهای بسیار گسترده ای یافته است. این دستگاه بسته به مدل آن، قابلیت انجام آزمایش در شرایط خلاء محیط و مایع را داراست.
در میکروسکوپ AFM همانطور که از نام آن پیداست، مبنای کار نیروهای کوتاه برد اتمی بین اتم های نوک سوزن و اتم های روی سطح می باشد. یک سوزن ظریف و باریک (Tip) سطح نمونه را جاروب می کند. این سوزن به یک فلز منعطف که در شکل زیر نشان داده شده و به آن کانتیلور گفته می شود، متصل است. از یک منبع نوری یک پرتو لیزری به کانتیلور برخورد کرده و بازتاب می شود.
در اثر حرکت سوزن روی سطح نمونه و برخورد به پستی بلندی ها، کانتیلور شروع به نوسان می کند در نتیجه این نوسانات، بازتاب نور لیزر در مکان های مختلفی ثبت می شود. بر اساس شکل ایجاد شده ناشی از انعکاس نور لیزر در نقاط مختلف، اطلاعات مورد نظر از میکروسکوپ AFM استخراج می شود. این میکروسکوپ در مدهای مختلف کار می کند. در یک مد، نوک سوزن با سطح نمونه در تماس است که به آن مد تماسی گفته می شود. این مد برای نمونه هایی که سطح نرم دارند مناسب نمی باشد زیرا باعث خراب شدن سطح نمونه می گردد. در مد دیگر نوک سوزن با سطح نمونه در تماس نمی باشد اما در فاصله ای بسیار نزدیک از سطح نمونه قرار دارد. به این حالت، مد غیر تماسی گفته می شود.
اولین بار، گرد کارل بینیگ (Binnig Karl Gerd) در سال ۱۹۸۶ میلادی با همکاری کلوین کوایت (Quate Calvin) و کریستف گربر (Geber Christoph) از دانشگاه استانفورد میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) را ارائه نمود. هدف او از این کار اندازه گیری نیروهای بسیار ناچیز کمتر از (کمتر از یک میکرومتر) بین نوک سوزنAFM و سطح نمونه مورد بررسی بود.
شکل 1: تصوير شماتيك بررسي نمونه با ميكروسكوپ نيروي اتمي
مزایا و معایب میکروسکوپ نیروی اتمی
این میکروسکوپ نیز مانند سایر روش های میکروسکوپی مزایا و معایبی دارد که در ادامه این موارد ذکر می شوند.
مزایا
- قدرت تفکیک تصاویر در حد چند نانومتر
- تهیه پروفیل سه بعدی از سطح
- نیاز نبودن به آماده سازی نمونه
- امکان کار در هوا و محیط مایع
- دستکاری اتمی
معایب
- سرعت پایین
نحوه عملکرد میکروسکوپ نیروی اتمی
در هنگام کار با میکروسکوپ نیروی اتمی، نیروهای مختلفی در انحراف کانتیلیور AFM مشارکت می کنند. منظور از نیروهای مختلف، نیروهای کوتاه برد اتمی بین اتم های نوک سوزن و اتم های روی سطح نمونه می باشد. از جمله این نیروها می توان به نیروهای کوالانسی و یا نیروهای واندروالس از نوع جاذبه و دافعه اشاره نمود.
شکل 2: عملكرد ميكروسكوپ نيروي اتمي
ویژگیهای اجزای AFM
- سوزن تیز، به طول ۲ میکرون و قطر نوک کمتر از۱۰ نانومتر است. سوزن در انتهای آزاد یک کانتیلیور به طول حدود۱۰۰ تا ۴۵۰ میکرون قرار دارد
- نیروهای بین سوزن و سطح نمونه باعث خم شدن یا انحراف کانتیلیور شده است. آشکارساز (غالبا اپتیکی) میزان انحراف کانتیلیور را اندازگیری می کند.. انحراف کانتیلیور برای ورودی یک مدار بازخورد استفاده می شود.
- روبشگر پیزو در مواجهه با توپوگرافی سطح نمونه به گونه ای در جهت z بالا و پایین می رود که میزان انحراف کانتیلیور ثابت بماند
حالات کاری
در نمودار زیر انواع حالات کاری میکروسکوپ AFM نشان داده شده است. همانطور که قبلا هم اشاره شد، این میکروسکوپ در حالات تماسی و غیر تماسی و حالت ضربه ای کار می کند. در ادامه هر کدام از حالات هم شرح داده شده اند.
شکل 3: انواع حالات كاري ميكروسكوپ نيروي اتمي
- حالت تماسی (Contact Mode)
در این حالت نوک میکروسکوپ با نمونه در تماس ضعیفی بوده و تصویرسازی با اندازه گیری انحراف نوک (بوسیله نیروی دافعه بین نوک و نمونه) انجام می شود. همانطور که قبلا هم اشاره شد، این حالت برای نمونه های که سطح نرمی دارند مناسب نمی باشد و باعث خراب شدن سطح نمونه می گردد. در مواردی که می توان از این مد استفاده کرد، قدرت تفکیک بسیار مناسب و بهتری نسبت به مدهای دیگر دارد.
شکل 4: حالت تماسی نوک میکروسکوپ
- غیر تماسی (Non-Contact Mode)
در این حالت تماسی بین نوک میکروسکوپ و نمونه وجود ندارد و تصویر سازی از نیروی جاذبه بین نوک و نمونه انجام می شود.
شکل 5: حالت غیر تماسی نوک میکروسکوپ
- ضربهای (Tapping)
تصویرسازی با استفاده از دامن ارتعاش کانتیلیور انجام می شود.
ویژگیهای حالت تماسی
- حالت استاتیکی تماسی سادهترین حالت برای دریافت اطلاعات اصلی پستی بلندیهای سطوح جامد است.
- نیروی بین اتم های نوک سوزن و اتم های نمونه دافعه است.
- سرعت بالا
- مناسب برای سطوح سخت
- قابلیت بررسی اصطکاک
- سنجش میزان الاستیسیته / نرمی
- امکان آسیب رسانی به نمونه ها نرم
ویژگیهای حالت دینامیکی غیر تماسی
- نیروی بین اتم های نوک سوزن و اتم های نمونه جاذبه است.
- طول عمر بالای سوزن
- قدرت تفکیک پایین
- سطح باید کاملا تمیز باشد.
- خلاء بسیار بالا
جدول1: مقایسه مزایا و معایب حالات کاری
نکاتی در مورد میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM)
- در میکروسکوپ نیروی اتمی، نیروی بین سوزن روبشگر و سطح نمونه که باعث خم شدن کانتیلیور می شود، توسط آشکارساز اندازه گیری می شود.
- درحالت غیرتماسی به علت عدم تماس با نمونه های نرم، تخریبی ایجاد نمی شود اما نسبت به حالت تماسی، سرعت روبش کمتری دارد.
- در حالت دینامیکی، فرکانس رزونانس کانتیلیور می تواند به عنوان معیار تغییر نیرو (یا تغییر فاصله سوزن تا نمونه) استفاده شود.
