میکروسکوپ روبشی نیروی اتمی (AFM)

میکروسکوپ روبشی نیروی اتمی (AFM)

تعداد بازدید: 2780
چهارشنبه 03 دي 1393

میکروسکوپ روبشی نیروی اتمی (AFM)

میکروسکوپ روبشی نیروی اتمی ((AFM سطح نمونه را توسط یک سوزن تیز، به طول حدود 2 میکرون و غالبا قطر نوک کم تر از 10 nm حس می کند. سوزن در انتهای آزاد یک کانتی لیور به طول حدود 100 تا 450 میکرون قرار دارد. نیرو های بین سوزن و سطح نمونه باعث خم شدن یا انحراف کانتی لیور می شود. یک آشکارساز میزان انحراف کانتی لیور را در حالی که سوزن سطح نمونه را روبش می کند یا نمونه در زیر سوزن روبش می شود (در سیستم هایی که نمونه حرکت روبشی را انجام می دهد) اندازه می گیرد. اندازه گیری انحرافات کانتی لیور به کامپیوتر امکان تولید تصویر توپوگرافی سطح را می دهد. می توان از میکروسکوپ روبشی نیروی اتمی برای مطالعه مواد هادی، نیمه هادی و عایق استفاده نمود.

نیروهای مختلفی در انحراف کانتی لیور میکروسکوپ روبشی نیروی اتمی مشارکت می کنند. از جمله این نیروها، می توان نیروهای بین اتمی یا نیروهای واندوالس را نام برد. وابستگی نیروهای واندروالس یه فاصله سوزن و نمونه در شکل نشان داده شده است. در این دو ناحیه علامت گذاری شده است: 1) حالت استاتیکی و 2) حالت دینامیکی.

  میکروسکوپ نیروی اتمی

در حالت استاتیکی کانتی لیور در فاصله ای کمتر از چند آنگستروم از سطح نمونه قرار داده می شود و نیروی بین اتمی بین کانتی لیور و نمونه نیروی دافعه است. در حالت دینامیکی کانتی لیور در فاصله چند ده تا چند صد آنگستروم از سطح نمونه قرار داده می شود و در این حالت نیروی بین اتمی بین کانتی لیور و نمونه (بیش تر به دلیل بر هم کنش های واندوالس دوربرد) نیروی جاذبه است.

حالت استاتیکی میکروسکوپ نیروی اتمی

در حالت استاتیکی یا حالت دفعی، سوزن AFM تماس فیزیکی ملایمی با نمونه برقرار می کند. سوزن به انتهای کانتی لیوری با ثابت فنر کم (کمتر از ثابت فنر موثری که اتم های نمونه را به هم متصل می کند)، وصل شده است. هنگامی که اسکنر سوزن را به آرامی روی سطح نمونه روبش می کند، نیروی استاتیکی باعث خم شدن کانتی لیور می شود تا بتواند تغییرات توپوگرافی سطح را دنبال کند.

با نزدیک کردن اتم ها (از سمت راست منحنی)، ابتدا آن ها یکدیگر را به طور ضعیفی جذب می کنند. این جاذبه افزایش می یابد تا جایی که اتم ها آنقدر به هم نزدیک می شوند که ابرهای الکترونیکی آن ها به صورت الکترواستاتیکی شروع به دفع یکدیگر می کنند. با کاهش فاصله بین اتمی، این دافعه الکترواستاتیکی به طور فزاینده ای نیرو های جاذبه را تضعیف می کند.

وقتی که فاصله بین اتم ها به یک یا دو آنگستروم (حدود طول یک پیوند شیمیایی) می رسد، نیرو صفر می شود. در نتیجه نیروی دافعه واندروالس تقریبا با هر نیرویی که بخواهد اتم ها را به هم نزدیک تر کند، مقابله می نماید.

 

در چنین فاصله هایی کانتی لیور از طریق سوزن به نمونه فشار وارد می آورد و به جای اینکه اتم های سوزن به اتم های نمونه نزدیک تر شوند، کانتی لیور خم می شود. در صورت وجود کانتی لیور خیلی مقاوم نیروی زیادی روی نمونه اعمال می گردد و احتمالا سطح نمونه تغییر فرم می یابد (نانو {{لیتوگرافی}}).

علاوه بر نیروی دافعه واندوالس، دو نیروی دیگر هم در  حین عملیات AFM استاتیکی حضور دارند: نیروی مویینگی که توسط لایه نازک آب (که ممکن است از رطوبت محیط ناشی گردد) اعمال می شود و نیرویی که توسط خود کانتی لیور اعمال می گردد. نیروی مویینگی هنگامی به وجود می آید که لایه آب دور سوزن ایجاد گردد و نیروی جاذبه قوی (حدود 10-8 N ) را اعمال می کند که در این حالت سوزن را در تماس با سطح نگه می دارد. بزرگی نیروی مویینگی به فاصله سوزن تا نمونه بستگی دارد. نیرویی که توسط کانتی لیور اعمال می شود مانند نیروی یک فنر فشرده است. اندازه و علامت (جاذبه یا دافعه) نیروی کانتی لیور به انحراف کانتی لیور و ثابت فنر آن بستگی دارد.

تا زمانی که سوزن با نمونه تماس دارد، نیروی مویینگی ثابت می باشد چون فاصله بین سوزن و نمونه قابل فشرده شدن نیست. هم چنین فرض می شود که لایه آب تقریبا همگن است. در نتیجه نیروی متغییر در AFM استاتیکی نیروی اعمال شده توسط کانتی لیور است.

نیروی کل که سوزن بر نمونه اعمال می کند جمع نیروی موئینگی به علاوه نیروی کانتی لیور است، که در AFM استاتیکی باید توسط نیروی دافعه واندوالس جبران گردد. اندازه نیروی کل اعمال شده بر نمونه از 10-8 N (در شرایطی که تقریبا آب سوزن را به طرف نمونه می کشد و کانتی لیور آن را از نمونه می راند) تا محدوده معمول تر 10-7-10-6 Nتغییر می کند.

حالت ارتفاع ثابت

تغییرات انحراف کانتی لیور می تواند مستقیما برای تولید اطلاعات توپوگرافی استفاده شود چون ارتفاع روبشگر پیزو در حین روبش ثابت است. از این حالت، اغلب برای ایجاد تصاویر در مقیاس اتمی از سطوحی که در حد اتمی مسطح هستند، استفاده می شود. در اینجا انحرافات کانتی لیور و بنابراین تغییرات در نیروی اعمالی، کوچک است. حالت ارتفاع ثابت برای ثبت تصاویر همزمان سطوح در حال تغییر، که سرعت بالای روبش ضروری است، استفاده می شود.

حالت نیروی ثابت

می توان از انحراف کانتی لیور برای ورودی یک مدار بازخورد استفاده کرد که روبشگر پیزو را در مواجهه با توپوگرافی سطح نمونه به گونه ای در جهت z بالا و پایین می برد که میزان انحراف کانتی لیور ثابت بماند. در این مورد، تصویر از حرکت روبشگر پیزو تولید می شود. با ثابت نگه داشتن انحراف کانتی لیور کل نیروی اعمالی بر نموه ثابت خواهد بود. در حالت نیروی ثابت، سرعت روبش با زمان واکنش مدار بازخورد محدود می شود، ولی کل نیروی اعمالی توسط سوزن بر نمونه به خوبی کنترل می شود. برای بسیاری از کاربردها، حالت نیروی ثابت ترجیح داده می شود.

آشکارسازی موقعیت کانتی لیور

 

اغلب AFM هایی که امروزه عرضه می شوند موقعیت کانتی لیور را با روش های اپتیکی تعیین می کنند. متداول ترین آن ها در شکل نشان داده شده است. یک اشعه لیزری تابانده شده به پشت کانتی لیور به سمت یک آشکارساز نوری حساس به وضعیت (PSPD) منکس می شود. با خم شدن کانتی لیور محل اشعه لیزر روی دتکتور تغییر می کند. PSPD می تواند جابجایی به کوچکی 10 آنگستروم (1 نانومتر) را اندازه گیری کند. نسبت فاصله بین کانتی لیور و دتکتور به طول کانتی لیور به عنوان یک تقویت کننده مکانیکی عمل می کند.

در نتیجه، سیستم می تواند حرکت عمودی کم تر از آنگستروم نوک کانتی لیور را اندازه گیری کند. روش های دیگر آشکارسازی انحراف کانتی لیور  بر مبنای تداخل اپتیکی یا حتی یک سوزنSTM برای خواندن انحراف کانتی لیور می باشد. یک تکنیک بسیار ظریف ساختن کانتی لیور از یک ماده پیزوی مقاومتی است به گونه ای که انحراف آن را به صورت الکتریکی آشکار کند. در مواد پیزوی مقاومتی، تنش ناشی از تغییر فرم مکانیکی باعث تغییر مقاومت الکتریکی ماده می شود. برای آشکارسازی مقاومتی نیازی به اشعه لیزر و PSPD نیست.

وقتی که AFM انحراف کانتی لیور را آشکار کرد، می تواند اطلاعات توپوگرافی را در دو حالت ارتفاع ثابت یا نیروی ثابت تولید کند.

 

حالت دینامیکی میکروسکوپ نیروی اتمی

AFM دینامیکی (AC-AFM) یکی از چند تکنیک کانتی لیور ارتعاشی است که در آن کانتی لیور AFM در نزدیکی سطح نمونه ارتعاش می کند. برای AFM دینامیکی فاصله بین سوزن و نمونه در حد چند ده تا چند صد آنگستروم است. این فاصله در منحنی واندروالس به عنوان منطقه دینامیکی یا جذبی مشخص شده است. مزیت AC-AFM این است که توپوگرافی نمونه بدون تماس یا با تماس خیلی کم بین سوزن و نمونه اندازه گیری می شود. کل نیروی بین سوزن و نمونه در حالت دینامیکی بسیار کم است (معمولا حدود 10-12 N)

این نیروی کم مزیتی، برای مطالعه نمونه های نرم یا الاستیک به شمار می رود. مزیت دیگر این است که نمونه هایی مانند ویفرهای سیلیسی از طریق تماس با سوزن آلوده نمی شوند.

چون نیروی بین سوزن و نمونه در حالت دینامیکی (AC-AFM) کم است، اندازه گیری آن مشکل تر از نیروی چندین بار بزرگ تر حالت استاتیکی  (DC-AFM) است. علاوه بر این کانتی لیورهای استفاده شده برای AC-AFM باید سفت تر از آن هایی باشد که برای DC-AFM استفاده می شوند زیرا کانتی لیور نرم می تواند به  سمت سطح نمونه کشیده شده و در تماس با آن قرار گیرد. مقدار کم نیرو و سفت تر بودن کانتی لیورها، در حالت دینامیکی، هر دو عواملی هستند که سیگنال AC-
AFM
را کوچک می کنند و بنابراین اندازه گیری تغییرات در سیگنال مشکل است و نیاز به یک روش آشکار سازی AC حساس می باشد.

در حالت دینامیکی، سیستم کانتی لیور را در نزدیکی فرکانس رزونانس آن (معمولا 100-400kHz) و دامنه چند دهم آنگستروم می لرزاند. سپس تغییرات فرکانس رزونانس یا دامنه لرزش با نزدیک شدن سوزن به سطح نمونه، اندازه گیری می شود. حساسیت این روش آشکارسازی قدرت تفکیک عمودی زیر آنگستروم تصویر را (مانند DC-AFM) فراهم می کند.

رابطه بین فرکانس رزونانس کانتی لیور و تغییرات توپوگرافی نمونه را می توان به شرح زیر توضیح داد. فرکانس رزونانس کانتی لیور متناسب با جذر ثابت فنر آن تغییر می کند. علاوه بر این، ثابت فنر کانتی لیور با گرادیان اعمال نیرو بر کانتی لیور تغییر می کند. بالاخره گرادیان نیرو که از منحنی نیرو در برابر فاصله مشتق می شود با فاصله سوزن تا نمونه تغییر می کند. بنابراین تغییر فرکانس رزونانس کانتی لیور می تواند به عنوان معیاری برای تغییر نیرو استفاده شود که به نوبه خود تغییرات فاصله سوزن تا نمونه (یا توپوگرافی نمونه) را منعکس می کند.

در حالت AC-AFM سیستم فرکانس رزونانس یا دامنه ارتعاش کانتی لیور را اندازه گیری می کند و آن را به کمک یک سیستم بازخورد که روبشگر پیزو را بالا و پایین می برد، ثابت نگه می دارد. با ثابت نگه داشتن فرکانس رزونانس یا دامنه، سیستم متوسط فاصله سوزن تا نمونه را نیز ثابت نگه می دارد. همانند AFM استاتیکی (در حالت نیروی ثابت)، حرکت روبشگر پیزو برای تولید اطلاعات استفاده می شود.

AC-AFM مشکل از بین رفتن سوزن یا نمونه، که گاهی بعد از اسکن های فراوان توسط AFM استاتیکی مشاهده می شود، را ندارد. هم چنین، که در بالا ذکر شد، AC-AFM برای اندازه گیری نمونه های نرم نیز بر AFM استاتیکی ترجیح داده می شود. در مورد نمونه های صلب ممکن است تصاویر استاتیکی و دینامیک مثل هم به نظر برسند. ولی اگر برای مثال چند لایه آب روی سطح یک نمونه صلب معیان کرده باشد، ممکن است تصاویر کاملا متفاوت باشند.

AFM که در حالت استاتیکی کار می کند می تواند به این لایه نفوذ کند و سطح زیر آن را تصویر کند، در حالیکه در حالت دینامیکی AFM سطح مایع تصویر می کند.

  سوزن میکروسکوپ نیروی اتمی

 

منابع و پیوندها

گردآوری شده توسط دپارتمان پژوهشی شرکت پاکمن

علیرضا ذوالفقاری، محمد الماسی و پیروز مرعشی، میکروسکوپ پروبی روبشی آزمایشگاهی روی نوک سوزن، پیک نور، 1385.

صفحه مهندسی مواد و متالورژی

مجله علمی ویکی پی جی

 

 

برداشت از مطالب سایت با ذکر منبع بلامانع است

 

میکروسکوپ روبشی نیروی اتمی (AFM) از دید wikipedia.org

Atomic force microscopy (AFM) or scanning force microscopy (SFM) is a very high-resolution type of scanning probe microscopy, with demonstrated resolution on the order of fractions of a nanometer, more than 1000 times better than the optical diffraction limit. The precursor to the AFM, the scanning tunneling microscope, was developed by Gerd Binnig and Heinrich Rohrer in the early 1980s at IBM Research - Zurich, a development that earned them the Nobel Prize for Physics in 1986. Binnig, Quate and Gerber invented the first atomic force microscope (also abbreviated as AFM) in 1986. The first commercially available atomic force microscope was introduced in 1989. The AFM is one of the foremost tools for imaging, measuring, and manipulating matter at the nanoscale. The information is gathered by "feeling" the surface with a mechanical probe. Piezoelectric elements that facilitate tiny but accurate and precise movements on (electronic) command enable the very precise scanning. In some variations, electric potentials can also be scanned using conducting cantilevers. In more advanced versions, currents can be passed through the tip to probe the electrical conductivity or transport of the underlying surface, but this is much more challenging with few research groups reporting consistent data (as of 2004)...more

میکروسکوپ روبشی نیروی اتمی (AFM) از دید nanoscience.com

 

The Atomic Force Microscope was developed to overcome a basic drawback with STM - that it can only image conducting or semiconducting surfaces. The AFM, however, has the advantage of imaging almost any type of surface, including polymers, ceramics, composites, glass, and biological samples. Binnig, Quate, and Gerber invented the Atomic Force MIcroscope in 1985. Their original AFM consisted of a diamond shard attached to a strip of gold foil. The diamond tip contacted the surface directly, with the interatomic van der Waals forces providing the interaction mechanism. Detection of the cantilever’s vertical movement was done with a second tip - an STM placed above the cantilever...more

میکروسکوپ نیروی اتمی
AFM چیست
برچسب ها: میکروسکوپروش های آنالیز و شناسایی مواد
سمينار آموزشی مزايای استفاده از تجهيزات گرمايشی نوين
عنوان : سمينار آموزشی مزايای استفاده از تجهيزات گرمايشی نوين شرکت پاکمن شه ...بیشتر
هفدهمین نمایشگاه بین المللی تجهیزات و تاسیسات سرمایشی و گرمایشی اصفهان -آبان 97
عنوان:هفدهمین نمایشگاه بین المللی تجهیزات و تاسیسات سرمایشی و گرمایشی شهر: ...بیشتر
گزارش اولین روز برگذاری هفدهمین نمایشگاه بین المللی تاسیسات ساختمان و سیستم های سرمایشی و گرمایشی تهران 97
هفدهمین  نمایشگاه بین المللی تاسیسات ساختمان و سیستم های سرمایشی و گرمایشی ...بیشتر
راه اندازی سایت مشعل شرکت پاکمن
سایت مشعل شرکت پاکمن با هدف بهبود در شیوه ی انتخاب مشعل، راه اندازی شد . جهت کسب ...بیشتر
حضور شرکت پاکمن در نمایشگاه بین‌المللی معدن، ساختمان و صنایع وابسته با حضور 10 هیات تجاری از کشورهای اسلامی
عنوان: نمایشگاه بین‌المللی معدن، ساختمان و صنایع وابسته با حضور 10 هیات تجا ...بیشتر
بیست و یکمین نمایشگاه بین المللی صنعت ساختمان اصفهان 97
بیست و یکمین نمایشگاه تخصصی ساختمان اصفهان 97   عنوا ...بیشتر
نمایشگاه صنعت ساختمان البرز 97
نمایشگاه تخصصی صنعت ساختمان البرز 97   عنوان: نمایشگ ...بیشتر
اولین نمایشگاه تخصصی سونا و جکوزی قزوین 97
نمایشگاه تخصصی سونا، استخر و جکوزی قزوین 97   عنوان: ...بیشتر
هفدهمین نمایشگاه ساختمان، سیستم های گرمایشی و سرمایشی اراک 97
هفدهمین نمایشگاه تخصصی ساختمان، سیستم های گرمایشی و سرمایشی اراک 97   ...بیشتر
هجدهمین نمایشگاه ساختمان و تاسیسات سرمایشی گرمایشی همدان 97
عنوان: نمایشگاه تخصصی صنعت ساختمان،آسانسور، درب و پنجره، تجهیزات و تاسیسات سرمای ...بیشتر
دوازدهمین نمایشگاه بین المللی ایران پلاست تهران 97
نمایشگاه بین المللی ایران پلاست تهران 97   عنوان: نم ...بیشتر
راندمان بویلر
شاخص های مؤثر در محاسبات راندمان بویلر، یکی از اساسی ترین ضوابط مؤثر در ارتقا سط ...بیشتر
کتاب موتورخانه بخار شرکت پاکمن
سرشناسه: میرزازاده، قربانعلی، 1325 عنوان و نام پدید آور: موتورخانه بخار/ ق ...بیشتر
مقررات ملّي ساختمان ايران مبحث نوزدهم
دانلود فایل PDF مقررات ملی ساختمان ایران-مبحث نوزدهم-صرفه جویی در مصرف انرژی ...بیشتر
راه اندازی سختی گیر نیمه اتوماتیک رزینی
دستور العمل راه اندازی سختی گیر های نیمه اتوماتیک رزینی سختی گیرهای رزینی از ...بیشتر
جانمایی بویلر در موتورخانه
براي عملکرد مناسب بويلرها و تجهيزات وابسته بايد فضاي کافي را در موتورخانه به آن ...بیشتر
کتاب انتخاب بویلر شرکت پاکمن
سرشناسه: میرزازاده، قربانعلی، 1325 عنوان و نام پدید آور: انتخاب بویلر/ قرب ...بیشتر
مراحل آموزش و نگهداری دیگ های بخار سیار
مقدمه از دیرباز استفاده از تجهیزات مولد بخار در صنایع مختلف از جمله صنایع نفت ...بیشتر
معرفی کتابچه دیگ آبگرم شرکت پاکمن
راه اندازی آموزش و بهره برداری از   Hot Water Boilers   ...بیشتر
معرفی کتابچه موتور خانه استخر
نام مقاله: کتابچه موتور خانه استخر نام نویسنده: دپارتمان پژوهش شرکت پاکمن ...بیشتر
دستور العمل نصب، نگهداری و راه اندازی بویلر بخار
دستور العمل نصب، نگهداری و راه اندازی بویلر بخار براي استفاده بهينه از بویلر ...بیشتر