تحلیل میکروسکوپ نیروی اتمی
میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) (Atomic Force Microscopy) یک ابزار فوق العاده مفید برای توصیف و تجزیه و تحلیل مواد در بسیاری از رشته ها از جمله زیست شناسی، شیمی و فیزیک است.
میکروسکوپ نیروی اتمی توسط دانشمندان IBM، Gerd Binnig و Heinrich Rohrerدر دهه 1980 اختراع شد. میکروسکوپ نیروی اتمی ویژگی های میکروسکوپ تونل زنی روبشی (Scanning Tunneling Microscopy) و پروفیلومتری قلم (Stylus Profilometry) را ترکیب می کند. بیننیگ و هاینریش بعداً در سال 1986 به خاطر اختراع میکروسکوپ نیروی اتمی برنده جایزه نوبل فیزیک شدند (شکل1).
انواع معمول میکروسکوپ شامل میکروسکوپ نوری و الکترونی است. این روش ها اساساً برای گرفتن عکس از یک نمونه استفاده می شوند. این میکروسکوپ ها برای ایجاد تصاویر به تشعشعات الکترومغناطیسی و بزرگنمایی تکیه می کنند. برخلاف میکروسکوپ سنتی، میکروسکوپ نیروی اتمی از یک پروب برای ایجاد تصویری از توپوگرافی سطح نمونه استفاده می کند (شکل2).
AFM از یک پروب تیز (معمولاً با قطر کمتر از 50 نانومتر) برای اسکن مناطق کمتر از 100 میکرون استفاده می کند. پروب تیز به اندازه کافی نزدیک نمونه قرار می گیرد به طوری که پروب با میدان های نیروی مرتبط با نمونه تعامل دارد. سپس، پروب در سراسر سطح اسکن می شود تا نیرو ثابت بماند. سپس، تصویری از سطح با نظارت بر حرکت کانتیلور هنگام حرکت در سطح، بازسازی می‌شود. اسکن ها بسته به اندازه ناحیه اسکن شده می توانند از چند ثانیه تا ده دقیقه طول بکشند. به طور معمول، بزرگنمایی در تصاویر AFM بین 100 تا 100000 برابر است (شکل3).
در یک سیستم AFM، نیروی بین کانتیلور و سطح نمونه با یک سنسور نیرو اندازه گیری می شود و خروجی به کنترل کننده بازخورد ارسال می شود و سپس ژنراتور حرکت Z را به حرکت در می آورد. کنترل‌کننده بازخورد از سنسور نیرو برای حفظ فاصله ثابت بین کانتیلور و نمونه استفاده می‌کند تا نتایج ثابتی به دست آورد و پروب به نمونه برخورد نکند. علاوه بر این، سیستم دارای یک مولد حرکت XY است که پروب را در سطح نمونه حرکت می دهد. سپس این حرکت نظارت می شود و برای تولید تصویر از سطح نمونه استفاده می شود.
سنسور نیرو در AFM از اهرم نور ساخته شده است. خروجی لیزر در قسمت پشتی کانتیلور متمرکز شده و به یک آشکارساز نوری منعکس می شود. سپس ردیاب نوری، خروجی‌های خود را در یک تقویت‌کننده دیفرانسیل مقایسه می‌کند، که برای مقایسه ولتاژ ورودی لیزر و انعکاس پشت خروجی لیزر از کانتیلور استفاده می‌شود. هنگامی که پروب با سطح نمونه تعامل می کند، کانتیلور خم می شود و مسیر نور تغییر می کند و باعث می شود مقدار نوری که به آشکارساز می رسد تغییر کند. این بدان معنی است که خروجی الکترونیکی سنسور نیروی اهرم نور با نیروی بین پروب و نمونه متناسب است.
طراحی منحصر به فرد AFM باعث می شود که جمع و جور و به اندازه کافی کوچک برای قرار دادن روی میز باشد و همچنین وضوح بالا برای حل مراحل اتمی داشته باشد و برای ساخت ساختارهای سطحی در مقیاس نانومتر دقیق باشد.
تجزیه و تحلیل داده های میکروسکوپ نیروی اتمی
مهمترین بخش میکروسکوپ نیروی اتمی، وسعت و عمق تجزیه و تحلیل داده ها است که می توان از اندازه گیری های AFM انجام داد. سه جزء اصلی تجزیه و تحلیل داده ها برای اندازه گیری AFM، پردازش داده ها، نمایش داده ها و تجزیه و تحلیل داده ها است.
- پردازش داده ها
پردازش داده ها (Processing Data) مرحله ای است که در آن تغییراتی در داده های تصویر مانند فیلتر کردن (filtering) و تفریق پس زمینه (background subtraction) انجام می شود. اغلب، اولین گام در پردازش داده ها سطح بندی (leveling) نامیده می شود. در تمام تصاویر AFM، مقداری انحنا یا شیب پس زمینه وجود دارد که باید از تصویر حذف شود تا بتوان آن را نرمال کرد و امکان تحلیل را فراهم کرد. این شیب یا انحنا اغلب به دلیل جابجایی بین پروب و سطح یا توسط خود اسکنر ایجاد می شود. انواع اولیه تسطیح شامل خط به خط (line by line)، سه نقطه (three point) و گنجاندن/حذف (inclusion/exclusion) هستند.
تسطیح خط به خط پرکاربردترین و ساده ترین روش تسطیح است. این روش هر خط افقی یا عمودی تولید شده در تصویر AFM را می گیرد و آن را با یک معادله چند جمله ای منطبق می کند. سپس، شکل چند جمله ای از خط تصویر کم می شود و ارتفاع هر خط برابر با خط قبلی تعیین می شود.
روش سه نقطه ای از سه نقطه تعریف شده توسط کاربر روی تصویر استفاده می کند که صفحه ای را که قرار است از تصویر حذف شود، تعریف می کند. این نوع تسطیح برای نمونه هایی که دارای تراس هستند و نویز پس زمینه مرتبط با اسکنر بسیار کمتر از ارتفاع تراس ها است، به خوبی جواب می دهد.
تسطیح گنجاندن/حذف از نواحی تعریف شده توسط کاربر برای حذف ویژگی های جدا شده روی سطح صاف استفاده می کند. این روش به این دلیل استفاده می‌شود که در روش‌های دیگر مانند تراز کردن خط به خط، ویژگی‌های ایزوله‌شده، رگه‌ای روی تصاویر باقی می‌گذارند. کاربر تصمیم می‌گیرد که کدام ویژگی‌ها در ردیف‌بندی خط‌ها گنجانده یا حذف شوند. هنگامی که تراز کردن انجام می شود، ویژگی های علامت گذاری شده برای محاسبات برای تسطیح خط به خط استفاده نمی شود.
یکی دیگر از روش های رایج پردازش داده ها، استفاده از هیستوگرام (histogram) برای بررسی ارتفاع تصویر است. در تصاویر AFM از نوار رنگی برای نمایش ارتفاع در نمونه استفاده می شود. هیستوگرام تعداد پیکسل ها را در مقابل رنگ پیکسل ها ترسیم می کند. این برای نشان دادن ویژگی‌های سطحی که هنگام محاسبه دامنه کامل در محور Z قابل مشاهده نیستند، مفید است.
با توجه به ماهیت AFM و استفاده از الکترونیک ولتاژ بالا برای تولید تصاویر، گاهی اوقات نویز فرکانس بالا/پایین ناخواسته ای وجود دارد که در تصاویر خروجی AFM نمایش داده می شود. این نوع نویز را می توان با فیلترینگ حذف کرد. رایج ترین انواع فیلترینگ شامل فیلترینگ ماتریکسی (matrix filtering) و فیلترینگ تبدیل فوریه سریع (FFT) (fast Fourier transform) است. فیلترینگ ماتریکسی نقاط مجاور را در یک تصویر به طور میانگین محاسبه می کند و سپس از آن میانگین برای واضح کردن یا محو کردن تصویر استفاده می کند. در فیلترینگ FFT تصویر گرفته می شود و سپس مولفه های فرکانس محاسبه می شود و مولفه های فرکانس ناخواسته، شناسایی و از تصویر حذف می شوند. فیلترینگ FFT برای تصاویر با الگوهای تکراری مفید است.
در نهایت، راه‌های زیادی برای بزرگنمایی، مقیاس و چرخش تصاویر برای مشاهده بخش خاصی از تصویر یا اجتناب از نشان دادن ویژگی‌هایی که برای اپراتور مورد علاقه نیستند، وجود دارد. این تکنیک جایی شکست می‌خورد که تمایل به ایجاد تصاویر پیکسلی دارد، بنابراین اپراتورها باید همیشه سعی کنند ویژگی‌های ناخواسته را از طریق گنجاندن/حذف یا گرفتن اسکن‌های کوچک‌تر حذف کنند تا از ویژگی‌هایی که مورد علاقه نیستند، اجتناب کنند.
- نمایش تصاویر AFM
بهترین راه برای به دست آوردن اطلاعات مفید از تصاویر AFM، نمایش آنها است، زیرا تصاویر، اساسا یک نقشه سه بعدی از سطح نمونه هستند. روش های مختلفی برای مشاهده تصاویر AFM وجود دارد، اما معمولاً آنها به صورت دو بعدی یا سه بعدی قابل مشاهده هستند. علاوه بر این، مقیاس رنگ و کنتراست تصاویر را می توان تغییر داد تا تغییرات ارتفاع را به طور چشمگیری نشان دهد.
- تجزیه و تحلیل تصاویر AFM
از آنجایی که تصاویر AFM نمایشی از یک آرایه سه بعدی از اعداد هستند، می توان آنالیز کمی تصاویر AFM را انجام داد. کیفیت آنالیز به کیفیت تصویر AFM بستگی دارد. روش های مختلفی برای تجزیه و تحلیل بخش های مختلف تصاویر AFM وجود دارد، از جمله پروفایل خط (line profiles)، محاسبات زبری سطح (surface roughness calculations)، تجزیه و تحلیل ارتفاع (height analysis)، تجزیه و تحلیل ذرات (particle analysis) و تجزیه و تحلیل دانه (grain analysis).
زبری سطح شامل مجموعه ای از چهار معادله استاندارد است که برای محاسبه زبری سطح نمونه استفاده می شود:
روش جالب دیگر برای تجزیه و تحلیل تصاویر AFM از طریق آنالیز ارتفاع است. سه روش اصلی برای اندازه گیری ارتفاع گام اتمی از تصاویر AFM وجود دارد که شامل تجزیه و تحلیل هیستوگرام (histogram analysis)، تک نقطه در بالا و پایین پروفایل (single point at top and bottom of a profile) و یک خط متناسب با بالا و پایین پروفایل (a line fit to the top and bottom of the profile) است. اندازه گیری هیستوگرام دقیق ترین راه برای تعیین ارتفاع گام است، زیرا هیستوگرام از داده های کل تصویر تشکیل شده است که به میانگین گیری، اجازه اثرگذاری می دهد.
آنالیز دیگر مورد استفاده برای تحلیل تصاویر AFM، آنالیز دانه است. AFM ابزاری عالی برای اندازه‌گیری ساختار دانه روی سطوح است، زیرا AFM کنتراست‌های زیادی در نمونه‌های تخت دارد. تجزیه و تحلیل دانه یکی از ویژگی های جالب آنالیز AFM است زیرا تصاویر AFM دارای توپوگرافی سه بعدی هستند و مرز دانه ها به راحتی قابل شناسایی است. پس از شناسایی دانه ها می توان حجم، اندازه، مساحت و سایر ویژگی های دانه ها را محاسبه و نمایش داد.