میکروسکوپ نیروی اتمی(AFM)

  • ۱۳۹۸/۰۴/۱۳
  • 47 بازدید
  • ادمین کل

میکروسکوپ نیروی اتمی

Atomic Force Microscope, AFM



چکیده

در میکروسکوپ نیروی اتمی سطح ماده توسط یک سوزن یا نوکِ (tip) تیز (طول و قطر سوزن درحدود 2 میکرومتر و کمتر از 10 نانومتر) بررسی می­‌شود. این سوزن بر روی یک پایه به نام کانتی­لیور (cantilever) به طول حدودی 100-400 میکرومتر قرار دارد. در این حالت، اتم‌­های سوزن و اتم­‌های سطح ماده به یکدیگر نیرو وارد می­‌کنند که منجر به انحنای کانتی­لیور می­‌گردد. یک لیزر بر سطح کانتی­لیور می‌­تابد که به واسطه آن، سیگنالی به یک آشکارساز ارسال می­‌شود. در اثر انحنای کانتی­لیور، محل برخورد لیزر بر صفحه آشکارساز (position sensitive photodetector, PSPD) تغییر کرده و ثبت می­‌شود. بدین ترتیب، میزان انحنای کانتی­لیور و توپوگرافی سطحی آشکار می­‌شود. با روبش پروب (probe، مجموعه کانتی­لیور و سوزن) به صورت خطی بر روی سطح نمونه، با انحنای مداوم کانتی­لیور، مجموعه فرورفتگی­‌ها و برآمدگی­‌های سطحی در همان خط، ثبت می­‌گردد. با روبش خط به خط (line scan) تمام سطح نمونه، تصویر سه­‌بعدی سطح یا توپوگرافی (topography) سطح به دست می‌­آید.

نیروهایی که بین اتم‌­های سوزن و اتم­‌های سطح نمونه وجود دارند و منجر به انحنای کانتی­لیور می­‌گردند به دو دسته کلی نیروهای جاذبه (attractive force) و نیروهای دافعه (repulsive force) تقسیم‌­بندی می­‌شوند. نیروهای جاذبه به نوبه خود عبارتند از: نیروهای واندروالسی (Van der Waals forces)، نیروهای الکترواستاتیک (electrostatic forces)، نیروهای مویینگی (capillary forces) و نیروهای مغناطیسی (magnetic forces).

بر اساس وضعیت (فاصله) سوزن نسبت به سطح نمونه، دو حالت (mode) تصویربرداری در میکروسکوپ نیروی اتمی وجود دارد: حالت تماسی (contact mode) و حالت غیرتماسی (non-contact mode). از حالت تماسی در نمونه‌­های سخت، بررسی­‌های اصطکاک و در صورت نیاز به قدرت تفکیک بالا استفاده می­‌شود. برای نمونه‌­های زیستی و نرم از حالت غیرتماسی استفاده می­‌گردد.

به طور کلی، از میکروسکوپ نیروی اتمی به منظور تعیین مشخصات و بررسی ساختارهای زیستی و نانو، بررسی پوشش­‌های دارویی، تصویربرداری از سطوح و بررسی مورفولوژی و توپوگرافی، آنالیز ترک­‌های خستگی و دینامیکی و... استفاده می­‌شود.




مکانیسم تشکیل تصویر در میکروسکوپ نیروی اتمی

میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) با اندازه­‌گیری نیروهای بین­‌اتمی در مقیاس نانو، تصویری را از سطحِ ماده پردازش می­‌کند. اندازه‌­گیری این نیروها، بر اساسِ همان فرمول آشنا و پرکاربرد فنرهاست، به این ترتیب که اگر به فنری، نیروی F وارد شود، فنر به اندازه x تغییر طول می‌­دهد:

F = -k.x

در این رابطه k ثابت فنر است. ثابت فنر، در واقع همان خاصیتی است که در مقابل تغییر طول فنر مقاومت می‌­کند. حال فرض کنید که یک فنر نانومتری، عمود بر سطح یک جامد و در یک خط مستقیم جابجا شود. می­‌توان تصور نمود که فنر در برآمدگی‌­های سطحی، فشرده شده و در فرورفتگی‌­ها، کشیده می‌­شود. اگر در حین حرکت فنر بر روی سطح، بتوان میزان تغییر طول فنر را اندازه‌­گیری کرد، می‌­توان برآمدگی و فرورفتگی‌­های سطح ماده را در خط روبشِ آن رسم کرد [1، 2]، (شکل (1)).

 

شکل 1. شماتیکی از مکانیسم تعیین خط برآمدگی­‌ها و فرورفتگی­‌های سطحی ماده با استفاده از یک فنر در مقیاس نانو.

در میکروسکوپ نیروی اتمی سطح ماده توسط یک سوزن یا نوکِ (tip) تیز (طول و قطر سوزن درحدود 2 میکرومتر و کمتر از 10 نانومتر) حس می­‌شود. این سوزن بر روی پایه‌­ای به نام کانتی­لیور (cantilever) به طول حدودی 100-400 میکرومتر قرار دارد. تصاویری از نحوه قرارگیری سوزن بر روی کانتی­لیور و برخی از انواع سوزن­‌های مورد استفاده در میکروسکوپ نیروی اتمی در شکل (2) آورده شده است.

سوزن در فاصله چند آنگسترومی از سطح نمونه قرار داده می‌­شود. در این حالت، اتم­‌های موجود در نوک سوزن و اتم­‌های سطحِ ماده به یکدیگر نیرو وارد می­‌کنند که منجر به انحنای کانتیلیور می­‌گردد. میزان انحنای کانتی­لیور و نیروی وارده بر آن که در واقع به عنوان یک فنر ایفای نقش می­‌کند، با دقت بسیار بالایی ثبت می‌­شود. با روبش پروب (probe، مجموعه کانتی­لیور و سوزن) به صورت خطی بر روی سطح نمونه، با انحنای مداوم کانتی­لیور، مجموعه فرورفتگی­‌ها و برآمدگی­‌های سطحی در همان خط، ثبت می‌­گردد. با روبش خط به خط (line scan) تمام سطح نمونه، تصویر سه‌­بعدی از سطح یا توپوگرافی (topography) سطح به دست می‌­آید [2، 3]، (شکل (3)).

شکل 2. برخی از انواع سوزن‌­ها و کانتی­لیورهای مورد استفاده در میکروسکوپ نیروی اتمی [4، 5].

 

شکل 3. (سمت راست) نحوه حرکت خطی کانتی­لیور بر روی نمونه

(سمت چپ) نمونه ای از توپوگرافی سطحی در مقیاس نانومتر [6، 7].

نیروهای بین­‌اتمی

نیروهایی که بین اتم­‌های سوزن و اتم­‌های سطح نمونه وجود دارد و منجر به انحنای کانتی­لیور می­‌گردد به دو دسته کلی نیروهای جاذبه (attractive force) و نیروهای دافعه (repulsive force) تقسیم‌­بندی می‌­شوند. نیروهای جاذبه به نوبه خود عبارتند از: نیروهای واندروالسی (Van der Waals forces)، نیروهای الکترواستاتیک (electrostatic forces)، نیروهای مویینگی (capillary forces) و نیروهای مغناطیسی (magnetic forces) [1، 2، 8].

منحنی شکل (4) شبیه به منحنی پتانسیل بر حسب فاصله اتم (potential-distance curves) بوده و نیروی وارده به دو اتم فرضی در فواصل مختلف را نشان می‌­دهد که می­‌توان آن را بر اتم­‌های سوزن (tip) و سطح نمونه تطبیق داد. در فواصل زیاد هیچ نیرویی بین اتم‌ها وجود ندارد. با کاهش فاصله، نیروی جاذبه بین سوزن و سطح به وجود می‌­آید که کانتی­لیور را به سمت نمونه می­‌کشد. اگر فاصله سوزن و اتم‌­های سطح نمونه کم شود، نیروی دافعه شکل گرفته و با کمتر شدن فاصله، دافعه بیشتر می­‌شود تا جایی که برآیند نیروها صفر گردد. با ادامه کاهش فاصله میان سوزن و سطح، نیروی غالب میان اتم­‌های سوزن و اتم‌­های سطح ماده، دافعه خواهد بود.

شکل 4. وابستگی نیرو به فاصله سوزن (tip) و سطح نمونه.

از میان نیروهای جاذبه، نیروی واندروالسی اهمیت ویژه‌­ای دارد. این نیرو که به برهمکنش دوقطبی­‌ها مربوط می‌­شود خود به سه بخش مختلف تقسیم می‌­گردد (keeson dipole force, debye dipole force, the london dispersion force). اگر سوزن، باردار (charged tip) باشد، نیروی الکترواستاتیک نیز در جاذبه نقش بازی می­‌کند. در شرایطی که سطح نمونه با آب پوشیده شده باشد، سوزنِ در حال روبش، توسط آب، تَر (wet) می­‌شود. در این حالت با تشکیل یک هلال آب (meniscus) بین سوزن کانتی­لیور و سطح نمونه، نیروی جاذبه مویینگی به وجود می‌­آید (نیرویی در حدود 10-8 N)، (شکل (5)). اگر خواص مغناطیسی نمونه نیز مورد مطالعه باشد، سوزن کانتی­لیور از یک جنس مغناطیسی مانند نیکل یا آهن ساخته شده و مورد استفاده قرار می‌­گیرد. در این حالت نیروی مغناطیسی نیز وجود دارد. این تجهیز خاص را میکروسکوپ نیروی مغناطیسی (magnetic force microscopy, MFM) می‌­نامند [1، 2].

شکل 5. هلال آبی تشکیل شده میان سوزن (tip) و نمونه بر اثر عامل نیروی مویینگی [9].

کارکرد دستگاه

شماتیکی از دستگاه میکروسکوپ نیروی اتمی در شکل (6) آورده شده است. همان­طورکه در شکل دیده می­‌شود، نمونه بر روی یک جایگاه (sample holder) قرار دارد. سوزن کانتی­لیور در نزدیکی سطح نمونه تنظیم شده و روبش آغاز می‌گردد. در اکثر میکروسکوپ­‌ها، موقعیت کانتی­لیور توسط روش‌­های نوری (optical) تعیین می­‌شود. یک لیزر بر سطح کانتی­لیور می­‌تابد که به واسطه آن، سیگنالی به یک آشکارساز می‌­رسد. در اثر انحنای کانتی­لیور، محل برخورد لیزر بر صفحه آشکارساز (position sensitive photodetector, PSPD) تغییر کرده و ثبت می­‌شود. بدین ترتیب میزان انحنای کانتی­لیور و توپوگرافی سطحی آشکار می­‌گردد. روش‌­های دیگر برای تعیین موقعیت کانتی­لیور استفاده از سوزن STM یا استفاده از مواد پیزوالکتریک (piezoresistive) است. در برخی از دستگاه‌­ها کانتی­لیور متحرک بوده و نمونه را روبش می­‌کند و در برخی دیگر، نمونه، متحرک و کانتی­لیور ثابت است [2، 3].

شکل 6. شماتیکی از دستگاه میکروسکوپ نیروی اتمی.

دستگاه، اطلاعات توپوگرافی را در دو نوع ارتفاع‌­ثابت (constant height) یا نیروثابت (constant force) ارائه می‌کند. در حالت ارتفاع‌­ثابت، فاصله سوزن کانتی­لیور و سطح ماده مقدار ثابتی است؛ بنابراین در فرورفتگی‌­های سطحی، کانتیلیور در جهتِ نمونه و در برآمدگی­‌ها در خلاف جهت نمونه، انحنا می­‌یابد. در این حالت، توپوگرافی سطحی مستقیماً از میزان انحراف کانتی­لیور حاصل می­‌شود. این حالت برای سطوحی که در مقیاس اتمی مسطح هستند، به کار می‌­رود. می‌­توان گفت که اگر میزان انحنای کانتی­لیور ثابت بماند، برآیند نیروهای وارد بر آن نیز ثابت خواهد بود. به این ترتیب، با استفاده از یک مدارِ بازخورد که خود به عنوان آشکارساز نیز ایفای نقش می­‌کند، نیروی وارد بر کانتی­لیور ثابت باقی نگه داشته می­‌شود [1، 2، 8].

انواع تصویربرداری

همان­طور که ذکر شد، مکانیسم تشکیل تصویر در میکروسکوپ نیروی اتمی، اندازه‌­گیری نیروهای برهمکنش کننده بین اتم‌­های سوزن و اتم‌­های سطح ماده است. بر اساس وضعیت (فاصله) سوزن نسبت به نمونه، دو حالت (mode) تصویربرداری در میکروسکوپ نیروی اتمی وجود دارد: حالت تماسی (contact mode) و حالت غیرتماسی (non-contact mode)، (شکل (7)).

در حالت تماسی فاصله سوزن و نمونه آن­قدر کم است (کمتر از 5 آنگستروم) که نیروی وارد بر کانتی­لیور از طرف سطح، از نوع دافعه است (ناحیه قرمز رنگ در شکل (4)). می­‌توان گفت که در این حالت سوزن با سطح نمونه در تماس فیزیکی هستند. این حالت، دارای سرعت روبش بالایی بوده و برای سطوح زبر و بررسی اصطکاک به کار می‌­رود؛ اما برای سطوح نرم و انعطاف­‌پذیر و بعضاً سامانه­‌های زیستی مناسب نیست. حالت تماسی معمولاً در نیروی ثابت (constant force) اجرا شده و در صورت وجود آب (یا هر مایعی) بر روی سطح، توپوگرافی واقعی سطحی را آشکار می­‌سازد [1، 2].

شکل 7. حالت‌­های تماسی، غیرتماسی و ضربه­‌زنی کانتی­لیور [10].

در حالت غیرتماسی، بین سوزن کانتی­لیور و نمونه فاصله وجود دارد (در حدود 30 تا 150 آنگستروم) و تماس مستقیمی صورت نمی­‌گیرد. برآیند نیروهای وارد بر کانتی­لیور در این حالت، از نوع جاذبه است (ناحیه آبی در شکل (4)). در حالت غیرتماسی، کانتی­لیور در نزدیکی سطح با فرکانس مشخص (نزدیک به فرکانس رزونانس کانتیلیور در حدود 100-400 کیلوهرتز) و دامنه چند دهم آنگستروم نوسان می­‌کند. طی روبش، تغییرات فرکانس رزونانس کانتی­لیور اندازه­‌گیری و ثبت می­‌شود. این پارامتر با ثابت فنرِ کانتی­لیور مرتبط است. بدین ترتیب، نیروی وارد بر کانتی­لیور به صورت غیرمستقیم اندازه­‌گیری و ثبت می‌­شود. حالت غیرتماسی برای نمونه‌­های نرم، زیستی و حساس به آلودگی (مانند ویفرهای سیلیکونی) مورد استفاده قرار می‌­گیرد اما قدرت تفکیک کمتری نسبت به حالت تماسی دارد [1، 2، 8].

حالت ضربه­‌زنی یا تماسی متناوب (intermittent contact mode, tapping mode) به عنوان زیر مجموعه‌­ای از حالت غیرتماسی در نظر گرفته می‌­شود. فاصله سوزن و نمونه در حالت ضربه­‌زنی، نه به نزدیکی حالت تماسی و نه به دوری حالت غیرتماسی است (در حدود 5 تا 30 آنگستروم). نیروی برآیند وارد  بر کانتی­لیور از نوع جاذبه است. سوزن کانتی­لیور در پایین­‌ترین نقطه نوسان، سطح نمونه را حس می­‌کند. این حالت برای نمونه­‌های آسیب­‌پذیر استفاده می‌­شود در حالی که نیاز به قدرت تفکیک بالا باشد.به طور کلی، از میکروسکوپ نیروی اتمی به منظور تعیین مشخصات و بررسی ساختارهای زیستی و نانو،  بررسی پوشش­‌های دارویی، تصویربرداری از سطوح و بررسی مورفولوژی و توپوگرافی، آنالیز ترک­‌های خستگی و دینامیکی و... استفاده می‌شود.

مراجع

[1] V. Bellitto, “Atomic Force Microscopy - Imaging, Meas., Manip. Surfs. at the Atomic Scale”, Intech, 2012.

[2] Greg Haugstad, “Atomic Force Microscopy: Understanding Basic Modes and Advanced Applications”, 2012.

[3] Peter Eaton, Paul West, “Atomic Force Microscopy”, Oxford University Press, USA, 2010.

[4] https://www.nunano.com/blog/2016/12/12/a-pedants-christmas-guide-to-afm-probe-terminology

[5] http://getfab.ru/post/593/

[6] https://www.keysight.com/main/editorial.jspx?ckey=1774141&lc=eng&cc=IR

[7] https://www.umass.edu/ials/afm

[8] Eaton P., West P., “Atomic Force Microscopy”, OUP, 2010.

[9] https://doi.org/10.1038/s41598-018-26893-5

[10] E.santner and B. Stegemann, Federal Institute for Materials research and Testing (BAM), Germany.

 

به این محتوا امتیاز دهید

برای دوستانتان ارسال کنید

برای ثبت نظر ابتدا لاگین نمایید.

ما مشتاق دیدگاه شما هستیم.

مطالب پیشنهادی