آشنایی با میکروسکوپ نیروی اتمی

آشنایی با میکروسکوپ نیروی اتمی

اسلاید 1: Atomic Force Microscope (AFM)تهیه کننده :میلاد سبزه پرور

اسلاید 2: مقدمه :میکروسکوپ های نیروی اتمی(AFM) ، که گاهی اوقات به آنها میکروسکوپ های نیروی روبشی (SFM) نیز می گویند ؛ دستگاهی برای بررسی خواص و ساختار سطحی مواد در مقیاس نانومتر هستند .این دستگاه امکان عملکرد خلع ، هوا و مایع را دارد .و برخلاف اکثر روش های بررسی خواص سطوح ، در این روش عموما محدودیت اساسی بر روی نوع سطح و محیط آن وجود ندارد .با این دستگاه امکان بررسی سطوح رسانا یا عایق ، نرم یا سخت ، منسجم یا پودری ، بیولوژیک و آلی و غیر آلی وجود دارد . خواص قابل اندازه گيری با اين دستگاه شامل مورفولوژی هندسی، توزيع چسبندگی، اصـطكاك، ناخالـصی سطحی، جنس نقاط مختلف سطح، كشسانی، مغناطيس، بزرگی پيوندهای شيميايی، توزيع بارهای الكتريكی سطحی، و قطبش الكتريكی نقاط مختلف می باشد . در عمل از اين قابليتها برای بررسـی خـوردگی، تميـزی، يكنواختی، زبری، چسبندگی، اصطكاك، اندازه وغيره استفاده می شود .AFMها بطور گسترده برای بررسی توپوگرافی سطح انواع مختلفی از نمونه ها بکار می روند .AFM ها زیر مجموعه ای از میکروسکوپ های پروب روبشی (SPM) هستند . بطور کلی SPM ها به دو گروه ؛ میکروسکوپ های نیروی اتمی (AFM)و میکروسکوپ های تونلی روبشی (STM) تقسیم می شوند .

اسلاید 3: و میکروسکوپ های دیگر SPM شکل -1- مقایسه محدوده تصویر برداری

اسلاید 4: شکل-2- مقیاس اجسام وابزارهای شناسایی آنها

اسلاید 5: شکل-2- مقیاس اجسام وابزارهای شناسایی آنها

اسلاید 6: :AFM نحوه عملکرد اصول كلي كار AFM بدين صورت است كه يك سوزن بسيار تيز و ظريف((Tip به نوك يك شيء با قابليت ارتجاع، به نام تيرك (Cantilever) وصل شده و سر ديگر تيرك به يك بازوی پيزو الكتريك متـصل شـده اسـت . پشت لرزانك با يك لايه نازك از فلز، براي بهبود انعكاس باريكه ليزر از آن، روكش شده اسـت .انعکاس باريكه ليزر به منظور آگاهی از جهتگيری تيرك در فضا می باشد . از طرفی به هنگام مجاورت سوزن با سطح نمونه، نيرويی به سوزن وارد مي شود كه بزرگی و جهت آن وابسته به فاصله نوك سوزن از سطح وهمچنين نوع سطح است. نيروی ناشی از سطح باعث خم شدن تيرك مي شود و باريكه ليزر در صفحه عمود بر افق جابجا می شود. در نتيجه با آگاهی از ميزان خميدگی تيرك توسط ديودهای نوری و از طرفی معلوم بودن مكان انتهايی تيرك، موقعيت فضايی سوزن مشخص می شود . از سوی ديگر ميزان خميدگی تيرك بيانگر فاصله سوزن از سطح است كه با توجه به مشخص بودن موقعيت فضايی سوزن، موقعيت فضايی سطح تعيين مي شود و نتیجه در نمایشگر کامپیوتر به صورت یک سطح سه بعدی رسم می شود .

اسلاید 7: AFMشکل-3- اصول کار

اسلاید 8: AFMشکل-4- شماتیک اصول عملکرد

اسلاید 9: شکل-5-منحني تابعيت نيروي وارد بر سوزن از فاصله سوزن از سطح

اسلاید 10: AFMشکل-6- شماتیک اصول عملکرد

اسلاید 11: شکل-7- نحوه ی جاروب کردن نوک سوزن بر سطح نمونه و چگونگی عملکرد د ستگاه

اسلاید 12: شکل-8- نحوه عملکرد دستگاه بر اسا س پراش نور لیزر

اسلاید 13: AFMشکل-9- شماتیک اصول عملکرد

اسلاید 14: AFMشکل-10- شماتیک اصول عملکرد

اسلاید 15: شکل-11-تصوير مستقيم و سه بعدی از كروموزومهای انسانی AFM توسطشکل-12- تصویر مستقیم از ساختار نواری DNA توسط AFMقابل توجه اینکه قطر DNA ، nm2 است .

اسلاید 16: ) IC) شكل 13 - ساختار هندسه سه بعدی سطح قسمتی از يك مدار مجتمع تهيه شده است. (هر واحد افقی نمودار 250 نانومتر و درجه عمودی 150 نانومتر ).AFMرا نشان می دهد كه با

اسلاید 17: شكل 14- ساختار هندسه سه بعدي واحدهاي حافظه CDتهيه شده توسطAFM( هر واحد افقي نمودار 250 نانومتر و درجه عمودي 75 نانومتر ) . شکل -15-اتم های یک کریستال سدیم کلرید که توسط AFM نشان داده شده است .

اسلاید 18: شکل-16-یک تصویر توپوگرافی از سطح شیشهشکل-17- زنجیرهای پلیمری 0.4ضخامت) nm (

اسلاید 19: آشکارسازی جهت گیری تیرک :تعيين جهت گيری تيرك ( ميزان و نحوه خميدگی تيرك ) توسط آشكارساز، از طریق انعكاس باريكه ليزر از پشت آن صورت می گیرد ميزان تغيير مكان باريكه ليزر بازتابيده بوسيله يك ديود نوری چهارمنطقه ای مشخص می شود . خم شدن تيرك، كه براثر نيروی سطح به سوزن می باشد، باعث جابجايی باريكه بازتابيده در صفحه عمود بر افق (و در بردارنده تيرك ) و تغيير نسبت پوشش باريكه ليزر در نيمه بالايی و پايينی ديود نوری می شود.

اسلاید 20: شکل-18- سیستم آشکارسازی

اسلاید 21: هندسه تیرک :رايج ترين تيركهای مو رد استفاده عبارتند از: بازو مثلثی و تخته گونه معمولا از تیرک بازو مثلثی هنگامی استفاده می شود که پیچش تیرک (Twisting) نامطلوب باشد . ( به عنوان مثال وقتی در مد تماسی از روش AFM در صدد تعيين مور فولوژی سطح هستيم ).

اسلاید 22: شکل-19-نمونه ای از تیرک های تخته گونه

اسلاید 23: شکل-20- نمونه ای از تیرک های بازو مثلثی

اسلاید 24: AFMشکل-21- یک نوع تیرک

اسلاید 25: AFMشکل-22- یک نوع تیرک

اسلاید 26: سوزن ها :بسته به مد مورد استفاده AFM و خاصيت مورد اندازه گيری از سوزنهای مختلفی استفاده می شود .جنس سوزن ها معمولا از سیلسیم یا نیترید سیلسیم می باشد .زماني كه فرايند انداز ه گيری مستلزم وارد كردن نيروهای فوق العاده زياد از جانب سوزن به سطح باشد از سوزنهای الماسی استفاده می شود.از روکش هایی نظیر Cr-Au وPt برای محافظت از سوزن در برابر شرایط خشن محیطی استفاده می شود .در انداز ه گيری خواص مغناطيسی نقاط سطح از سوز ن هايی با روكش مواد فرو مغناطيس مانند Fe،Ni،Co استفاده می شود .پارامترهای هندسی سوزن كه نوع كارايی سوزن و ميزان دقت نتايج بدست آمده را تعيين می كنندعبارتند از: شكل، بلندی، نازكی(زاويه راس هرم فرضی منطبق بر نواحي نوك)، تيزی (شعاع دايره فرضی منطبق بر نوك).سوزن های T شکل براي نقشه برداری و آشكار سازی فرورفتگی های موجود د ر بخش های ديواره مانند ( شبیه به دیوار) سطح نمونه به كار مي رود. اين در حالی است كه سوزن های نوك تيز اين قابليت را ندارند .از سوز ن های نوك تخت هم براي بررسي اصطكاك نواحي مختلف سطح استفاده مي شود . چرا كه آنچه در عمل به صورت اصطكاك نمايان مي شود رفتار جمعي مجموعه از اتم های سطح است و نه يك نقطه به اندازه يك اتم.سوزنهاي كروی به دليل سطح تماس بسيار بزرگي كه با سطح نمونه مورد بررسي دارند نيروي وارد برواحد سطح بسيار ناچيزی به سطح وارد مي كند،در نتيجه نمونه های بسيار نرم و حساس با اين روش قابل بررسي می باشند

اسلاید 27: و نوک تیز T شکل -23-انواع شکل های سوزن شامل ؛نوک تخت ،نوک کروی ،نوک شکل

اسلاید 28: شکل-24-سوزن مخروطی و نوک تیر

اسلاید 29: شکل-25- یک نمونه سوزن نوک تیز

اسلاید 30: شکل(محدودیت سوزن های نوک تیز-در این مورد) Tشکل-26- مقایسه بین سوزن های نوک تیز وسوزن نوک تیز قابلیت(توانایی) بررسی این نوع سطوح را ندارد .

اسلاید 31: شکل-27- مقایسه تیزی سوزن های نوک تیز(هر چقدر تیزی بیشتر باشد ، دقت بیشتراست .)

اسلاید 32: شكل 28 به طور نمادين بزرگی و تغييرات نيروی بين سوزن و سطح را در فواصل مختلف سوزن ازسطح نشان می دهد . جهت فلش ها نشان دهنده نزديك شدن (رفت) يا دور شدن (برگشت) سوزن نسبت به سطح می باشد.هدف از مشخص كردن منحنی نيرو بر حسب فاصله اين است كه: 1) تعيين مشخصات مختلف سطح مد نظر باشد . 2) فاصله بهينه روبشگر از سطح (كه كمترين نيرو از جانب سوزن به سطح وارد می شود ) مطلوب باشد . چرا كه بايد حين فرايند روبش سطح توسط سوزن، كمترين آسيب به سطح برسد تا بيشترين دقت اندازه گيری حاصل شود.

اسلاید 33: شکل-28-سمت چپ: نمايش نمادين بزرگي و تغييرات نيروي بين سوزن و سطح در فواصل مختلف سوزن از سطح سمت راست: انحراف تيرك حين رفت و برگشت در نواحي مختلف فاصله از سطح (نيروي جاذبه يا دافعه)

اسلاید 34: مدهای مختلف AFM:بر حسب ناحيه عملكرد سوزن، مدهای AFM به سه دسته كلی زیر تقسیم می شوند : تماسی (Contact Mode)- تقریبا نزدیک تر از 5 آنگسترومشبه تماسی (Semicontact Mode)- بین 4تا30 آنگسترومغیر تماسی(Noncontact Mode)- بین 30تا150 آنگستروم

اسلاید 35: شکل-29- نيروهای وارد بر تيرك در فاصله های مختلف از سطح نمونه

اسلاید 36: مد تماسی :مطابق تعريف به ناحيه ای ناحيه تماس می گويند كه نيروی بين سوزن و سطح دافعه باشد . درمقايسه با مدهای ديگر نيروی وارد شده به سطح در مدهای تماسی بزرگتر است . از طرفی به دليل تماس پيوسته سوزن با سطح حين فرآيند روبش ،نيروهای اصطكاك قابل توجهی (علاوه بر نيروی عمودی ) به سطح و سوزن وارد می شود كه موجب آسيب ديدگی سطوح حساس و كند شدن سوزن ميگردد. بر اين اساس مطالعه سطوح حساس و نرم با مدهای تماسی، قدرت تفكيك اندازه گيری را كاهش می دهد و بعضاً باعث بروز خطای سيستماتيك در نتايج مي شود . در عين حال بيشترين قدرت تفكيك و دقت اندازه گيری با AFM مربوط به بررسی سطوح سخت با سوزنهای نازك و فوق تيز و سخت در مد تماسی می باشد.شکل-30

اسلاید 37: شکل-31-مقايسه نمادين بين حالت تماسی و حالت غيرتماسی

اسلاید 38: مد نیروی ثابت :در اين مد حين فرآيند روبش، نيروی وارده از طرف سوزن به سطح (فاصله سوزن از سطح) توسط مدار فيدبك ثابت نگه داشته می شود . در نتيجه حين فرآيند روبش، مسير طی شده توسط پيزوالكتريك با مسير سوزن و با توپوگرافی سطح يكسان می باشد و نمودار سطح با دقت بسيار بالايی تعيين می شود . در واقع در هر گام روبش، آنقدر مدار كنترلی فيدبك به پيزو فرمان تغيير ارتفاع می دهد تا فاصله سوزن از سطح مورد نظر ثابت قرار گيرد.از مهمترين مزيت های اين روش يكی دقت بسيار بالای تعيين توپوگرافی سطوح سخت است .ديگراينكه حين روبش سطح، علاوه بر مشخص شدن توپوگرافی هندسی، كميات ديگری از سطح، مانند اصطكاك، توزيع مقاومت الكتريكي و .... ، بطور همزمان تعيين مي شوند . يكي از محدوديتهای اين روش در تعيين مشخصات سطوح نرم است چرا كه توپوگرافی در حين روبش توسط سوزن، بدليل لزوم تماس آن با سطح، تغيير مي كند و در نتيجه دقت و تفكيك پذيری اندازه گيری كاهش پيدا مي كند.

اسلاید 39: مد ارتفاع ثابت :در اين مد ارتفاع پيزوالكتريك حين فرآيند روبش تغيير نمی كند و حركت آن در يك سطح كاملاً افقی صورت می گيرد . در نتيجه وابسته به فاصله پيزو از سطح نمونه مورد بررسی، نيرويی به سوزن وارد ميشود. با ثبت انحرافات لرزانك حين فرآيند اندازه گيری ، نمودار نيروی وارد بر سوزن حين فرآيند روبش مشخص مي شود و با توجه به تابعيت نيروی وارد بر سوزن از فاصله آن تا سطح ، اختلاف ارتفاع نقاط مختلف سطح از ارتفاع پيزو معلوم می شود، كه همان توپوگرافی سطح مي باشد .محدوديت جدی اين روش اين است كه فقط سطوح نسبتاً هموار را می تواند بررسی كند . از طرفی بدليل عدم كنترل ارتفاع ممكن است سوزن در نقاطی به سطح فشار وارد كند كه سطح نمونه های نرم در اين مورد تغيير ميكند كه منجر به كاهش قدرت تفكيك نتايج مي شود.

اسلاید 40: مدهای شبه تماسی :همانطور كه قبلاً گفته شد به ناحيه بين ناحيه تماسی و غير تماسی بعلاوه بخش كوچكی از ناحيه تماسی(حدود 4 آنگستروم تا 30 آنگستروم ) ناحية شبه تماسی گويند . از مد شبه تماسی در ادبيات فعلی نانو با واژه های مختلفی نام برده می شود كه همگی يك معني دارند . اين واژگان عبارتند از: Mode Semicontact ، Mode Tapping و Intermitent Contact Mode شايان ذكر است كه ناحيه شبه تماسی، اندكی با ناحيه تماسی همپوشانی دارد. شکل-32

اسلاید 41: دقت بالا، عدم محدوديت در بررسی اغلب سطوح در شرايط محيطی مختلف، عدم نياز به آماده سازی نمونه در اغلب موارد، سرعت بالای اندازه گيری، تهيه تصاوير سه بعدی و توانايی در حوزه های مختلف تكنولوژی AFM بررسی انواع خواص سطحی موجب توجه ويژه و رو به رشد به كاربردهایی اعم از؛ الكترونيك ، هوا فضا ، خودروسازی، علم مواد، بيولوژی، ارتباطات از راه دور، انرژی ، داروسازی، لوازم آرايشی، پتروشيمی و .... شده است.

اسلاید 42: با سایر روش های مطالعه ساختار سطوحAFMجدول-1- مقایسه ی روش

اسلاید 43: ادامه جدول-1

اسلاید 44: References:K.S Birdi -Scanning Probe Microscopes: Applications in science and technology-2003-CRC PressCharles P. Poole, Jr - Frank J. Owens- Introduction To Nanotechnology-2003-John Wiley & SonsT. Pradeep - Nano: The Essentials-2007-McGraw-HillJohn F .Mongilld - Nanotechnology 101-2007- GREENWOOD PRESS