آشنایی با میکروسکوپ نیروی اتمی

صفحه 1:
Atomic Force Microscope (AFM) —— er : تهیه کننده میلاد سبزه پرور 

صفحه 2:
; مقدمه 0 _میکروسکوپ های نیروی اتمی(/۸۴/) ۰ که گاهی اوقات به آنها میکروسکوپ های نیروی روبشی (5۳۲) نیز می گویند ؛ دستگاهی برای بررسی خواص و ساختار سطحی مواد در مقیاس نانومتر هستند . ‎a‏ اين دستكاه امكان عملكرد خلع » هوا و میع را دارد .و برخلاف اکثر روش های بررسی خولص سطوح ؛ در اين روش عموما محدودیت اساسی بر روی نوع سطح و محیط آن وجود ندارد . ‎+ ‏با ان دستگاه امکان بررسی سطوح رسانا یا عایق » نرم یا سخت ۰ منسجم یا پودری‎ a . ‏بیولوژیک و آلی و غیر آلی وجود دارد‎ ‏7 خواص قابل لندازه گیری با اين دستگاه شامل مورفولوژی هندسی توزیع چسبندگی؛ اصطکاك؛ ناخالصی سطحی جنس نقاط مختلف سطح. کشسانی مغناطیس. بزرگی پیوندهای شیمیایی» توزیع بارهای الکتریکی سطحی. و قطبش الکتریکی نقاط مختلف می باشد . در عمل از اين قابلیتها برای بررسی خوردگی» تمیزی, یکنواختی» زبری» چسبندگی» اصطکاك؛ اندازه وغیره استفاده می شود . ‏5 ۵۸۴1 بطور گسترده ببرلیبررسی‌توپوگرلفی‌سطح لنولع مختلفی‌از نمونه ها بكار مى روند . ‎AFM 5‏ ها زیر مجموعه لعاز میکروسکوپهءپروببووبشی(/5۳) هستند . ببطور کلی/5۳ ها به دو كرود ؛ میکروسکویهای یرو یاتمی (//۸۵۳1)و میکروسکوپهاوتونلی‌روبشی (5111) تقسيم مىوشوند . ‎ ‎ 

صفحه 3:
‘Scanning Probe Microscope (STM, AFM) 1 1۳ 1" ocy measurement range شکل -)- مقایسه محدوده تصویر برداری 5010 و میکروسکوپ های دیگر Z Measurement range 

صفحه 4:
Classical ‏سس مت عه ی‎ 10 ۳ Paramecium Amoeba. Human egg cet Microscale _/ ‘Optical microscopes) 1۳ ار« مت بت یمیس Virus ‏موق‎ Se ۲ ‏شكلم‎ ‎۱ ‏شکل-- مقیاس اجسام و‎ Nanoscale Electron and ‏ابزارهای شناسایی آنها‎ scanning probe: Diameter DNA helix AP. APF ‏ی‎ es Buckyball ‏ی‎ ‘Quantum Water motecule ‏ل‎ | Atom 

صفحه 5:
Classical ‏سس مت عه ی‎ 10 ۳ Paramecium Amoeba. Human egg cet Microscale _/ ‘Optical microscopes) 1۳ Wavelength of visbie wont ‏أل ال لأ‎ 8 موق ‎Virus‏ ‏شکل-. مقیاس اجسام و ‎Seay‏ ابزار‌های شناسایی آنها Electron and scanning probe تست Diameter DNA helix AP AP MAF 5595 ی سمسه Water motecule ‏ل‎ 1 6 سس یو 

صفحه 6:
نحوم عملکرد ۸۳۷۲ ۲7 اصول کلي کار (0<6) بدین صورت است که يك سوزن بسیار تیز و ظریف((,۱/ به نوك يك شيء با قبلیت ارتجاع؛ به نام تيرك ‎(Cowtlever)‏ ‏وصل شده و سر دیگر تيرك به يك بازوی پیزو الكتريك شده است" پشت لرزاك بايك لايه ناك از فزء براي یبود نکاس باریکه لزر از آن روکش شده است .انعکاس باریکه لیزر به منظور آگاهی از جهتگیری تيرك در فضا می باشد :ا طرفى به ری جر دا ی سوزن وارد مي شود که بزرگی و جهت آن وابسته به فاصله نوك سوزن از وهمجنين نوع سطح است. نيروى ناشى از سطح باعث خم شدن تيرك مي شود و باريكه ليزر در صفحه عمود بر افق جابجا مى شود. در نتيجه با آگاهی از میزان خميدگي تيرك توسط دیودهای نورى و أز طرفى معلوم بون مكان انتهابي تيرك؛ موقعیت فضابی سوزن مشخص می شود . از سوی دی میزان تيرك بیانگر فاصله زن از است که با توجه به مشخص بودن موقعيت فضايى سوزنء موقعيت فضايى تعيين مي شود و نتيجه در نمایشگر کامپیوتر به صورت یک سطح سه بعدی رسم می شود . 

صفحه 7:
Atomic Force Microscope Laser source Photodiode array Reflected laser beam ™ Probe tip. Cantilever Interaction between V tip and sample surface ‏بح‎ Sample surface شکله. لصولکار/۸۴۲ 

صفحه 8:
تست +616 امع ‎Coorg‏ ‎‘Controter‏ ‏8 ‏۹7 اتات ات معط 0 بت ممه مدت Mirror omen ae) عب نمی سم 300 0 ee 2 ‏لك‎ pete er oe AFM: fleJ palSs دادم عد ‎erg‏ 

صفحه 9:
شکل-0منحني تابعیت نيروي وارد بر سوزن از فاصله سوزن از 

صفحه 10:
Four segments photodiode 60 0 Laser reflection from A the fiber edge 8 optical interference | A. Teflection from X-y-Z- piezo scanner (a) (b) AFM» fled palS tld Oss 

صفحه 11:
سم شکل-۸- نحوه ی جاروب کردن نوک سوزن بر سطح نمونه و چگونگی عملکرد د ستگاه 

صفحه 12:
X.Y adjusting knobs for laser position photodiode adjusting knob filter cantilever شکل-0.- نحوه عملکرد دستگاه بر اسا س پراش نور لیزر 

صفحه 13:
Position sensing Laser photodiode Cantilever with sharp tip X-Y-Z Piezoelectric scanner شکل(- شماتیکلصول علکرد ۸۸۳ 

صفحه 14:
TR سس SUBSTRATE, ‏#ابهة‎ 8 Piezo ‏عا انعم‎ Element ae PARTICLE ‘SUBSTRATE شکل(10- شماتیکلصول‌عملکرد/ ۸۴ 

صفحه 15:


صفحه 16:
شکل6) - ساختار هندسه سهء بعدی‌سطح قسمتی‌از يك‌مدار (16 را نشان می دهد که/۸۵۴1تهیه شده است. (هر واحد اققی نمودار 20000 ناتومتر و درجه عمودى (0©0 نانومتر 

صفحه 17:
wh Ay ۹ ۱ ی ‎wi Ma 54‏ 1 ‎Many ۳ 03 1‏ ‎tes‏ ch ‏با‎ AM, he 

صفحه 18:
شكل-266)- زنجيرهاى يليمرى ‎١‏ شکل-10-یک تصویر توپوگرافی از ) ۳0 0 ()ضخامت سطح شيشه 

صفحه 19:
آشکارسازی جهت گیری تیرک : 7 تعيين جهت كيرى تيرك ( میزان و نحوه خمیدگی تيرك ) توسط آشکارساز» از طریق انعکاس باریکه لیزر از پشت آن صورت می كيرد ميزان تغيير مكان باريكه لیزر بازتابیده بوسیله يك دیود نوری چهارمنطقه ای مشخص می شود . تا خم شدن تيرك» که براثر نیروی سطح به سوزن می باشد» باعث جابجایی باریکه بازتابیده در صفحه عمود بر افق (و در بردارنده تیرك ) و تغییر نسبت پوشش باریکه لیزر در نیمه بالایی و پایینی دیود نوری می شود. 

صفحه 20:
ان tera common verioal component eae ot ‏ات‎ ‎۳] [ ‏تشه‎ ‎Tem ss = ۳۳ ۳9 0 شکل-10- سیستم آشکارسازی 

صفحه 21:
ل رایج ترین تیرکهای مو رد استفاده عبارتند از: بازو مثلثی و تخته گونه معمولا از تیرک بازو مثلثی هنگامی استفاده می شود که پیچش تیرک (۲۷/151109) نامطلوب باشد . ( به عنوان مثال وقتی در مد تماسی از روش ۸۳ در صدد تعیین مور فولوژی سطح هستیم ). 

صفحه 22:
‎Hyon‏ اى از تيرك تيرك هاى تخته ‎ 

صفحه 23:


صفحه 24:
شکل0< یکنوع تیر ‎AFMS‏ 

صفحه 25:
شکل 06 یکنوع تیرکله( ۸۳ 

صفحه 26:
بسته به مد مورد استفاده ‎۸٩۴1‏ و خاصیت مورد اندازه گیری از سوزنهای مختلفی استفاده می شود . جنس سوزن ها معمولا از سیلسیم یا نیترید سیلسیم می باشد . زماني كه فرايند انداز ه گیری مستلزم وارد کردن نیروهای فوق العاده زیاد از جانب سوزن به سطح باشد از سوزنهایالماسی 7 از روكش هايى نظير 0۲-۸۵۸ و8 برای محاذ شود . در انداز ه گیری خواص مغناطیسی نقاط سطح از سوز ن هایی با روکش مواد فرو مغناطیس مانند 0 استفاده می شود . پارامترهای هندسی سوزن که نوع کارایی سوزن و میزان دقت نتایج بدست آمده را تعیین می کنندعبارتند أز: شكلء بلندی» نازکی(زاویه رآس هرم فرضی منطبق بر نواحي توك)» تیزی (شعاع دایره فرضی منطبق بر توك). سوزن های ۲ شکل براي نقشه برداری و آشکار سازی فرورفتگی هاي موجود د ر بخش های دیواره مانند ( شبیه به دیوار) سطح نمونه به کار مي رود. اين در حالی است که سوزن های نوك تیز اين قابلیت را ندارند : از سوز ن های نوك تخت هم براي بررسي اصطكاك نواحي مختلف سطح استفاده مي شود . چرا که در عمل به صورت اصطکاك نمایآن مي شود رفتار جمعي مجموعه از تم های سطحٌ است و نه يك به اندازه يك اتم. سوزنهاي کروی به دلیل سطح تماس بسیار بزرگي که با سطح نمونه مورد بررسي دارند نيروي وارد. پرواحد سطح بسیار ناچیزی به سطح وارد مي کند:در نتیجه تمونه های بسیار نرم و حساس با آين روش قابل بررسي می باشند از سوزن در برابر شرایط خشن محیطی استفاده می 

صفحه 27:
« شكل -©©-انواع شكل های سوزن شامل انوک تخت :نوک کروی :نوک شکل 7 و نوک تيز 

صفحه 28:
T شکل-06۴-سوزن مخروطی و نوک تیر 

صفحه 29:
شکل-0- یک نمونه سوزن نوك تيز 

صفحه 30:
Differences Between 1D and 2 SFM (6(- مقایسه بین سوزن های نوک یز 7 شکل(محدودیت سوزن های نوک تیز در اين مورد) سوزن نوك تيز قابليت(تواناي) بررسى اين نوع سطوح را ندارد 

صفحه 31:
yn Sample (a) ‎Th‏ ل ‎(by ‎). ‏مقایسه تیزی سوزن های نوک تیز(هر چقدر تیزی بیشتر باشد » دقت بیشتراست‎ OPP RS ‎ 

صفحه 32:
۲ شکل 60 به طور نمادین بزرگی و تغیبرات نیروی بین سوزن و سطح را در فواصل مختلف سوزن ازسطح نشان می دهد . جهت فلش ها نشان دهنده نزديك شدن (رفت) یا دور شدن (برگشت) سوزن نسبت به سطح می باشد. ل هدف از مشخص کردن منحنی نیرو بر حسب فاصله این است که: 0) تعیین مشخصات مختلف سطح مد نظر باشد . 0) فاصله بهینه رویشگر از سطح (که کمترین نیرو از جانب سوزن به سطح وارد می شود ) مطلوب باشد . چرا که بايد حين فرايند روبش سطح توسط سوزن» کمترین آسیب به سطح برسد تا بیشترین دقت اندازه گیری حاصل شود. 

صفحه 33:
Force Calibration Plot ‎ed‏ سب ‎ate ceatc‏ 0 ‎ 

صفحه 34:
مدهای مختلف ۰۸۸۲/۷۲ 7 بر حسب ناحیه عملکرد سوزن. مدهای ۸۳۷ به سه دسته کلی زیر تقسیم می شوند : 4 تماسی (۷006 00۳۵1)- تقریبا نزدیک تر از 6 آنگستروم 3 شبه تماسی (006 56۳060۳۵1)- بین ت00 آنگستروم dSO%X90 ox -(Noncontact ‏غیر تماسی(006‎ .o ‏آنگستروم‎ 

صفحه 35:
Distance (tip-sample) repulsive force a عل ده attractive force non-contact Force intermittent contact contact ‎CO-URS‏ نیروهای وارد بر تيرك در فاصله های مختلف از سطح نمونه ‎ ‎ ‎ 

صفحه 36:
: مد تماسی "۲ مطابق تعریف به ناحیه ای" ناحیه تماس " می گویند که نیروی بین سوزن و سطح دافعه باشد . درمقایسه با مدهای دیگر نیروی وارد شده به سطح در مدهای تماسی بزرگتر لست . از طرفی به دلیل تماس پیوسته سوزن با سطح حین فرآیند روبش .نیروهای اصطکاك قابل توجهی (علاوه بر نیروی عمودی ) به سطح و سوزن وارد می شود که موجب آسیب دیدگی سطوح حساس و کند شدن سوزن میگردد. بر لین لساس مطالعه سطوح حساس و نرم با مدهای تماسی» قدرت تفكيك اندازه گیری را کاهش می دهد و بعضاً باعث بروز خطای سيستماتيك در نتایج مي شود . در عين حال بیشترین قدرت تفكيك و دقت اندازه گیری با ۸۸۴1 مربوط به بررسی سطوح سخت با سوزنهای نازكك و فوق تیز و سخت در مد تماسی می باشد. Force repulsive force wwe TT 90-2 O 

صفحه 37:
Non-contact Contact sg 5 ay 7 \ شکل-00-مقایسه نمادین بین حالت تماسی و حالت غیرتماسی 

صفحه 38:
: مد نیروی ثابت تا در اين مد حین فرآیند روبش؛ نیروی وارده از طرف سوزن به سطح (فاصله سوزن از سطح) توسط مدار فيدبك ثابت نگه داشته می شود . در نتیجه حین فرآیند روبش» مسیر طی شده توسط پیزوالکتريك با مسیر سوزن و با تويوكرافى سطح يكسان مى باشد و نمودار سطح با دقت بسيار بالايى تعيين مى شود . در واقع در هر كام روبشء آنقدر مدار كنترلى فيدبك به بيزو فرمان تغيير ارتفاع مى دهد تا فاصله سوزن از سطح مورد نظر ثابت قرار كيرد. از مهمترين مزيت هاى اين روش يكى دقت بسيار بالاى تعيين تويوكرافى سطوح سخت است .دیگراینکه حین روبش سطح» علاوه بر مشخص شدن توپوگرافی هندسی؛ کمیات دیگری از سطح, مأنند اصطکاك» توزیع مقاومت الكتريكي و .... » بطور همزمان تعیین مي شوند . ۳0 يكي از محدودیتهای این روش در تعیین مشخصات سطوح نرم است چرا که توپوگرافی در حین روبش توسط سوزن. بدلیل لزوم تماس آن با سطح, تغییر مي کند و در نتیجه دقت و تفكيك پذیری اندازه گیری کاهش پیدا مي کند. 

صفحه 39:
: مد ارتفاع ثابت "۲ در اين مد ارتفاع پیزوالكتريك حین فرآیند روبش تغییر نمی کند و حرکت آن در يك سطح کاملا آفقی صورت می گیرد . در نتیجه وابسته به فاصله پیزو از سطح نمونه مورد بررسی, نیرویی به سوزن وارد ميشود. با ثبت انحرافات لرزانك حین فرآیند اندازه گیری » نمودار نیروی وارد بر سوزن حین فرآیند روبش مشخص مي شود و با توجه به تابعیت نیروی وارد بر سوزن از فاصله آن تا سطح » اختلاف ارتفاع نقاط مختلف سطح از ارتفاع پیزو معلوم می شود که همان توپوگرافی سطح مي باشد . محدوديت جدى اين روش اين است كه فقط سطوح نسبتاً هموار را مى تواند بررسى كند . از طرفى بدليل عدم كنترل ارتفاع ممكن است سوزن در نقاطى به سطح فشار وارد كند كه سطح نمونه هاى نرم در اين مورد تغيير ميكند كه منجر به كاهش قدرت تفكيك نتايج مي شود. 

صفحه 40:
: مدهای شبه تماسی ۲ همانطور که قبلاً گفته شد به ناحیه بین ناحیه تماسی و غیر تماسی بعلاوه بخش کوچکی از ناحیه تماسی(حدود <6 آنگستروم تا 60 آنگسترو: م ) " ناحية شبه تماسی " گویند . از مد شبه تماسی در ادبیات فعلی نانو با واژه های مختلفی نام برده می شود که همگی يك معني دارند . اين واژگان عبارتند از: ‎Mode‏ ‎Intermitent s Semicontact « Mode Tapping‏ 6 0 0۱۱۵) شایان ذکر است که ناحیه شبه تماسی» اندکی با ناحیه تماسی همپوشانی دارد. ‎ere repulsive‏ force attractive OO-JSKE 

صفحه 41:
‎Oo‏ دقت بالا» عدم محدودیت در بررسی اغلب سطوح در شرایط محیطی مختلف» عدم نیاز به آماده سازی نمونه در اغلب موارد» سرعت بالای اندازه گیری, تهیه تصاویر سه بعدی و توانایی در حوزه های مختلف تکنولوژی ۸۱۳۷ بررسی انواع خواص سطحی موجب توجه ویژه و رو به رشد به کاربردهایی اعم از؛ الكترونيك » هوا فضا » خودروسازی» علم مواد» بیولوژی ارتباطات از راه دور انرژی » داروسازی» لوازم آرایشی پتروشیمی و .... شده ‏است. ‎ 

صفحه 42:
جدول-)- مقایسه ی روش]۸۳[۷/با سایر روش های مطالعه ساختار سطوح SEM T= ‏و‎ am | ‏سوست‎ ‎SE‏ رم ریس سای سح وی وی موق ری تک رب وه ‎oe post‏ ع ‎aa‏ :ما انع تيك ‎aa‏ 1 ‎ ‎ps noon‏ شرا ‎ ‏توصت داز حرق و ‎ ‏وا یس رازه درآ يت اي دي سات را وميد حل بالا ‎ ‏مدای وه .| رز مرت گرد ‎ ‎ ‏زگ در سید یب مت زا یه مد تب تردن نمی ‎ ‎ ‎ ‎ ‎ ‎ ‎ ‎ ‎ ‎ ‎ 

صفحه 43:
اندو اتيف جرک کرد و لو ول ود زد زیت ی ده ام اب سو عم لق مومه بوتت عوك مرا و شک پر باج وم مد ees 

صفحه 44:
References: 1. K.S Birdi -Scanning Probe Microscopes: Applications in science and technology- 2003-CRC Press 2. Charles P. Poole, Jr - Frank J. Owens- Introduction To Nanotechnology-2003-John Wiley & Sons 3. T. Pradeep - Nano: The Essentials-2007- McGraw-Hill 4. John F .Mongilld - Nanotechnology 101- 2007- GREENWOOD PRESS