آنالیز AFM را بهتر بشناسید!

اهمیت دستگاه میکروسکوپ نیروی اتمی و آنالیز AFM ما را بر آن واداشت تا مقاله‌ای در مورد این میکروسکوپ و روش‌های آنالیز آن بنویسیم. امیدواریم که مطالعه‌ی این مقاله کمکی در راستای آشنایی بیشتر با این میکروسکوپ برای شما دانشجویان و پژوهشگران عزیز فراهم کند.

تاریخچه ظهور میکروسکوپ AFM به چه زمانی بازمی‌گردد؟

همه چیز از آزمایشگاه تحقیقاتی زوریخ IBM شروع شد. «گرد کارل بینیگ» به صورت اتفاقی سراغ طرح های قبلی که با همکاری «هاینریش روهرر» درباره ساخت و طراحی میکروسکوپ تونلی روبشی (STM) رفت. او در سال ۱۹۸۶ با همکاری «کلوین کوایت» از دانشگاه استنفورد، طرح ساخت میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) را ارائه کرد. هدف بینیگ از این کار اندازه گیری نیروهای بسیار ناچیزی بود که بین پروب AFM و سطح نمونه مورد بررسی شکل می‌گرفت. با توجه به سرعت بالایی که فرایند تجاری شدن ایده های علمی در مجامع غربی دارد (درست مانند کشور ما !)؛ این محصول دو سال بعد ساخته و وارد بازار شد. از آن زمان تا به امروز، آنالیز AFM کمک‌های بسیاری در مطالعه‌ی مورفولوژی و ساختار سطوح به علوم مختلف از جمله مهندسی و علم مواد کرده است. در تصویر زیر بینیگ و همکارش هاینریش را حین مطالعه‌ برای ساخت بخشی از دستگاه AFM مشاهده می‌کنید.

بینیگ و روهرر در حال مطالعه بر روی دستگاه AFM

با دستگاه میکروسکوپ نیروی اتمی بیشتر آشنا شوید!

امروزه میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) به عنوان یکی از مهم ترین تجهیزات شناسایی در مقیاس نانو شناخته شده است. این میکروسکوپ، با استفاده از سوزن بسیار تیزی که پروب (probe) نامیده می‌شود (و در حالت ایده‌آل تنها یک اتم را در نوک خود جای می‌دهد!!!) خواصی از نمونه‌های آنالیز را به صورت غیر مستقیم به ما می‌دهد.

نیروهای میان نوک سوزن و نمونه مورد بررسی می توانند از انواع نیروهای واندروالسی، الکترواستاتیکی، اصطکاکی، الکتریکی، مغناطیسی، چسبندگی، موئینگی و نیروهای اتمی باشند که بسته به وجود این نیروها و فاصله سوزن تا سطح نمونه حالت های بررسی به دو صورت تماسی و غیر تماسی تقسیم بندی می شوند.

از آن جایی که هیچ گونه محدودیتی از لحاظ خواص فیزیکی مواد برای این دستگاه وجود ندارد، می توان از آن جهت مطالعه انواع مواد رسانا، نارسانا و نیمه رسانا استفاده کرد. در دستگاه آنالیز AFM، از روی جابجایی تیرک و انحراف انعکاس پرتو لیزر، تصویر از سطح تهیه می شود. با ایجاد تغییرات کوچکی در ولتاژ، پیزوالکتریک در راستاهای  x و  y و z دارای تغییرات مکانیکی شده و می توان محل تیرک را به جاهای مختلف نمونه انتقال داد.

کیفیت تصاویر AFM و میزان تفکیک پذیری بالای آن با قابل مقایسه با سایر تصاویر است و نشان از آنالیز مطلوب تر و دقت بالای تصویربرداری این دستگاه نسبت به دیگر دستگاه های موجود دارد. در شکل زیر، نمونه ای از نمای بیرونی یک میکروسکوپ نیروی اتمی را مشاهده می کنید.

میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM)

اصول اجرای آنالیز AFM

در یک جمله باید بگوییم که اساس کار میکروسکوپ نیروی اتمی بر پایه‌ی تصویری است که از برقراری نیروی میان نوک پروب و سطح نمونه تشکیل می‌دهد. این دستگاه یک تیرک دارد. در یک سر این تیرک، سوزنی بسیار تیز با ابعاد نانومتری قرار داده شده است و سر دیگر تیرک، به بازویی از جنس پیزوالکتریک متصل شده است (اگر با مواد پیزوالکتریک آشنایی ندارید، توصیه می کنیم پست های مختلفی که در خصوص این مواد و ساختارهای آن‌ها در این سایت تهیه کرده‌ایم، مراجعه کنید).

در ادامه پرتوی لیزری به پست تیرک تنظیم و تابانده می‌شود. از این طریق می‌توانیم با انحراف تیرک از حالت اولیه‌ی خود، پرتوی لیزر را از مسیر اولیه خود منحرف کنیم. بنابراین برای انعکاس بیشتر و دقیق‌تر پرتوی لیزر، پشت تیرک با لایه‌ی نازکی از فلزات طلا، نقره یا آلومینیوم پوشش داده شود.

با تغییرات ولتاژ کوچکی در پیزو الکتریک در راستاهای  x و y و  z ، می توانیم با دقت های بسیار بالا (در حد آنگستروم) مکان‌های مختلف سطح را روبش کنیم. از آن جا که سطح روبش پستی‌ها و بلندی‌های زیادی دارد، به سوزن نیرو وارد می‌کند و آشکارساز با درنظر گرفتن این انحرافات به رایانه این امکان را می‌دهد تا طرحی از سطح نمونه را تهیه کند. برای درک دقیق‌تر این موضوع، در شکل زیر نمایی از مکانیزم میکروسکوپ نیروی اتمی را برای شما تهیه کرده‌ایم.

اصول کار میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM)

اجزای دستگاه میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM)

• پروب: هما‌ن‌طور اشاره کردیم، سوزنی که سطح نمونه را روبش می‌کند بسیار تیز است و قطر نوک آن معمولا کوچک‌تر از ۱۰ نانومتر است. (درواقع ۱۰۰۰۰ بار باریک تر از ضخامت یک موی سر انسان!) نوک این سوزن از جنس موادی بسیار سخت مانند الماس یا نیترید سیلیس ساخته می‌شود. این سوزن به یک تیرک به طول ۱۰۰ تا ۴۵۰ میکرون متصل می‌شود.
• لیزر و آشکارساز: پرتوی لیزری برای مشخص کردن انحراف انبرک به کار می رود. با بازتاب پرتو به سمت فوقانی و مسطح انبرک، هرگونه انحراف انبرک سبب تغییرات جزیی نور بازتابی می شود. این تغییرات توسط یک آشکارساز (دیود نوری) حساس به موقعیت (PPSD) ثبت می شود در آخر برای ردیابی تغییرات و حرکات انبرک به کار می رود. جالب اینجاست که PPSD می تواند تغییراتی در حد ۱ نانومتر را اندازه گیری کند.
• اسکنر با قابلیت کنترل جهت: جارو کردن یا اسکن سطح توسط نوک و انبرک انجام می گیرد. حرکت نوک یا نمونه در جهت های X، Y یا Z توسط یک بازوی پیزو الکتریک کنترل می شود.

در شکل زیر مشخصات فنی معمول دستگاه آنالیز AFM را آورده‌ایم. دقت داشته باشید که بسته به نوع یا مدل‌های مختلف میکروسکوپ، این پارامترها قابل تغییراند.

مشخصات فنی یک دستگاه متداول میکروسکوپ نیروی اتمی

مدهای کاری آنالیز AFM چیست؟

در هنگام کار با میکروسکوپ نیروی اتمی، نیروهای مختلفی در انحراف تیرک AFM دخالت دارند که همان طور که اشاره کردیم، نیروهای بین اتمی یا واندروالسی یکی از این نیروها هستند. این نیروها باعث ایجاد دو حالت کلی برای آنالیز AFM می‌شوند:

• حالت استاتیکی (DC-AFM)
• حالت دینامیکی (AC-AFM)

حالت استاتیکی (حالت دفعی یا تماسی)

در حالت استاتیکی، تیرک در فاصله‌ای کمتر از چند آنگستروم از سطح نمونه قرار داده می شود. نیروی بین اتمی بین تیرک و نمونه از نوع دافعه است. سوزن به انتهای تیرکی با ثابت فنر کم (کمتر از ثابت فنر مؤثری که اتم های نمونه را بهم متصل می کند)، وصل شده است و تماس فیزیکی ملایمی با نمونه برقرار می کند.

هنگامی که روبشگر سوزن را به آرامی روی سطح نمونه روبش می کند، نیروی استاتیکی باعث خم شدن تیرک می شود تا بتواند تغییرات توپوگرافی سطح را دنبال کند. با نزدیک کردن اتم ها، از سمت راست منحنی شکل پایین، ابتدا آنها یکدیگر را بطور ضعیفی جذب می کنند.

نیروهای الکترواستاتیکی بین اتم ها با تغییر فاصله بین آن ها

این جاذبه تا جایی افزایش می‌یابد که اتم‌ها آن‌قدر به هم نزدیک شوند که نیروی دافعه الکترواستاتیکی بین ابرهای الکترونی آن‌ها آغاز شود. با کاهش فاصله بین اتمی، این دافعه الکترواستاتیکی به‌ طور فزاینده ای نیروهای جاذبه را تضعیف می کند.

وقتی که فاصله بین اتم‌ها به یک یا دو آنگستروم، حدود طول یک پیوند شیمیایی می رسد، مجموع نیروها 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 تیرک از طریق سوزن به نمونه فشار می آورد و به جای اینکه اتم های سوزن به اتم های نمونه نزدیک تر شوند، تیرک خم می گردد.

با توجه به این موضوع، خود این روش به دو حالت ارتفاع ثابت و نیرو ثابت تقسیم می‌شود:

• حالت ارتفاع ثابت: در حالتی که ارتفاع روبشگر پیزو در حین روبش ثابت است، تغییرات انحراف تیرک می تواند مستقیما برای تولید اطلاعات توپوگرافی استفاده شود. از این حالت، معمولا برای ایجاد تصویر برای سطوحی که در حد اتمی مسطح هستند، استفاده می‌شود. در این حالت انحرافات تیرک کوچک است، بنابراین تغییرات ناچیزی در نیروی اعمالی به وجود می‌آید. حالت ارتفاع ثابت برای ثبت تصاویر همزمان (Real time) سطوح در حال تغییر به کار می‌رود که سرعت بالایی از روبش نیاز است.
• حالت نیروی ثابت: در این حالت می توان از انحراف تیرک 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 کانتیلور ثابت بماند. در این مورد، تصویر از حرکت روبشگر پیزو تولید می شود. با ثابت نگه داشتن انحراف کانتیلور، کل نیروی اعمالی بر نمونه ثابت می‌ماند. برای بسیاری از کاربردها، حالت نیروی ثابت ترجیح داده می شود.

حالت دینامیکی (حالت جذبی یا غیر تماسی)

میکروسکوپ نیروی اتمی دینامیکی، یکی از چند تکنیک تیرک ارتعاشی است که در آن تیرک AFM در نزدیکی سطح نمونه ارتعاش می کند. در حالت دینامیکی تیرک در فاصله چند ده تا چند صد آنگستروم از سطح نمونه قرار داده می شود و در این حالت نیروی بین اتمی بین تیرک و نمونه عمدتا به دلیل برهمکنش های واندروالس دوربرد یا Long-range، نیروی جاذبه است.

مقایسه حالت دینامیکی و استاتیکی

یکی از مزایای میکروسکوپ نیروی اتمی دینامیکی این است که توپوگرافی نمونه بدون تماس یا با تماس خیلی کم بین سوزن و نمونه اندازه گیری می شود. نیروی بین سوزن و نمونه در حالت دینامیکی بسیار کم است (معمولا حدود  ۱۲-۱۰ نیوتن) که مزیتی برای مطالعه‌‌ی نمونه‌های نرم محسوب می‌شود.

همین نیروی کم مزیتی برای مطالعه نمونه های نرم یا الاستیک به شمار می رود. همچنین نمونه هایی مانند ویفرهای سیلیسی از طریق تماس با سوزن آلوده نمی شوند. از طرف دیگر به دلیل اینکه نیروی بین سوزن و نمونه در حالت دینامیکی کم است، اندازه گیری آن مشکل تر از حالت استاتیکی است.

علاوه بر این تیرک های استفاده شده برای AFM های دینامیکی باید نسبت به تیرک های  AFM های استاتیکی سفت تر باشند، زیرا تیرک نرم می تواند به طرف سمت سطح نمونه کشیده شده و در تماس با آن قرار گیرد. از طرفی، حالت دینامیکی برای اندازه گیری نمونه های نرم بر حالت استاتیکی ترجیح داده می شود.

مقدار کم نیرو و سفت بودن تیرک ها، در حالت دینامیکی، هر دو عواملی هستند که سیگنال AFM دینامیکی را کوچک می کنند. از همین رو اندازه گیری تغییرات در سیگنال مشکل است و نیاز به یک روش آشکارسازی AC حساس است. در مورد حالت دینامیکی، مشکل از بین رفتن سوزن یا نمونه که گاهی بعد از اسکن های فراوان توسط حالت استاتیکی مشاهده می شود، وجود ندارد. در مورد نمونه های صلب ممکن است تصاویر آنالیز AFM استاتیکی و دینامیکی به یک گونه به نظر برسند. ولی اگر برای مثال چند لایه آب روی سطح یک نمونه صلب میعان کرده باشد، ممکن است تصاویر کاملا متفاوت باشند. آنالیز AFM که در حالت استاتیکی کار می کند می تواند به این لایه نفوذ کند و سطح زیر آن را تصویر کند، در حالی که در حالت میکروسکوپ نیروی اتمی دینامیکی، سطح مایع را تصویر می کند.

نقاط قوت و ضعف آنالیز AFM

میکروسکوپ AFM چه کاربردهایی دارد؟

مهم ترین قابلیت های آنالیز AFM عبارتند از:

• قابلیت اندازه گیری ابعاد مواد در تصویر دریافتی
• قابلیت نمایش همزمان چند فایل تصویری شفاف و دقیق دو یا سه بعدی بصورت مقایسه ای
• ارائه تصاویر دو یا سه بعدی در ابعاد نانومتر بصورت همزمان (مانند مولکول های بیولوژیکی، DNA و یا آنتی بادی)
• قابلیت ذخیره سازی کلیه اطلاعات نمونه و شرایط تست همراه با تصویر
• قابلیت صدور نتایج به صورت سازگار با نرم افزارهای دیگر
• توانایی تغییر اندازه، زاویه و مکان تصویربرداری بر روی سطح نمونه از طریق نرم افزار و بدون جابجایی نمونه
• مکانیسم تمام اتوماتیک جابجایی و تنظیم زوایای دوربین بصورت نرم افزاری
• مکانیسم تمام اتوماتیک جابجایی نمونه بدون دخالت فیزیکی کاربر

در انتها توجه شما را به فیلمی که در خصوص میکروسکوپ نیروی اتمی و نحوه اجرای آنالیز AFM تهیه شده، جلب می کنیم:

جمع بندی

در این مقاله سعی شد تا دستگاه میکروسکوپ نیروی اتمی و اصول آنالیز AFM مورد بررسی قرار گیرد. همان طور که در این مقاله ذکر کردیم، این روش بر پایه‌ی اندازه‌گیری نیروی بین سوز روبشگر (پروب) و سطح نمونه است که توسط آشکارساز اندازه‌گیری می‌شود. جالب است بدانید امروزه از آنالیز AFM علاوه بر بررسی انواع نانولیتوگرافی و تولید نانوساختارها، می توان جهت مطالعه خواص مکانیکی، سایش، خراش و دیگر ویژگی‌های سطح نمونه استفاده کرد.

منابع

علیرضا ذوالفقاری، محمد الماسی، پیروز مرعشی، مهرداد نجبا، امید سیفی، «میکروسکوپ پروبی روبشی آزمایشگاهی روی نوک سوزن»، تهران، پیکنور (۱۳۸۵).

G. Binnig, C.F. Quate, C. Gerber, Atomic force microscope, Phys. Rev. Lett. 56, 930–۹۳۳ (۱۹۸۶).