آنالیز میکروسکوپ نیروی اتمی ((Atomic Force Microscopy) (AFM، یکی از انواع میکروسکوپ های روبشی می‌باشد که توانایی تصویر برداری از سطوح گوناگون را دارد. میکروسکوپ نیروی اتمی، آنالیزی قدرتمند درحوزه نانو به منظور بررسی خواص و ساختارهای سطحی مواد و نانوذراتی همچون نانوذرات آهن، نانوذرات روی، نانوذرات نقره و نانوذرات طلا و نانوپوشش هایی همچون نانولیپوزوم، نانوکایتوزان و سایر پلیمرهای دیگر و همچنین نانوالیاف و نانو فیبرها به شمار می رود.

این میکروسکوپ از گروه میکروسکوپ‌های پروبی روبشی (SPM)  (Scanning Probe Microscopy)به شمار می رود که سطح ماده را با قدرت تفکیکی در مقیاس نانو و حتی کمتر از آن یعنی آنگستروم، روبش و تصاویر توپوگرافی سطح ماده را تهیه می‌کند.

مبنای کار میکروسکوپ نیروی اتمی همانطور که از نام آن پیداست، نیروهای کوتاه برد اتمی بین اتم های نوک سوزن و اتم های روی سطح می باشد. یک سوزن ظریف و باریک (Tip) سطح نمونه را جاروب می کند. این سوزن به یک فلز منعطف که به آن کانتیلور گفته می شود، متصل است. از منبع نور، پرتو لیزر به کانتیلور برخورد کرده و بازتاب می شود (شکل1).

در اثر حرکت سوزن روی سطح نمونه و برخورد به پستی بلندی ها، کانتیلور شروع به نوسان می کند در نتیجه این نوسانات، بازتاب نور لیزر در مکان های مختلفی ثبت می شود. بر اساس شکل ایجاد شده ناشی از انعکاس نور لیزر در نقاط مختلف، اطلاعات مورد نظر از میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) استخراج می شود.

دستگاهوری روش AFM

تیرک (Cantilever) و سوزن (Tip)

تیرک و سوزن، جزء اصلی یک دستگاه AFM هستند. یک نوک سوزنی بسیار تیز از جنس الماس یا نیترید سیلیس(Si₃N₄) ،  که به آن پیمایشگر یا پروب (probe) نیز می گویند، در انتهای تیرک یا انبرک (Cantilever) تعبیه شده است. پروب تنها قسمتی است که با نمونه در تماس است. شکل پروب بسیار مهم و حیاتی است و قدرت تفکیک (resolution) تصویربرداری به آن بستگی دارد. پروب معمولا طولی برابربا 6-3 میکرومتر و شعاع 40-15نانومتر دارد.

تیرک از موادی با قابلیت ارتجاعی بسیار بالا ساخته می شود. بنابراین خاصیت فنری داشته و به تغییرات نیروهای وارد شده (دافعه یا جاذبه) بسیار حساس است. بر اساس قانون هوک (Hook’s law) برای مواد کشسان مانند فنر، می توان تغییرات حرکتی تیرک و هرگونه انحراف (deflection) آن را با نیروهای وارد شده به آن مرتبط کرد:

رابطه 1                                     F=k.X

در رابطه 1، F نیروی وارده، k ثابت فنر و X تغییرات حرکتی فنر است.

لیزر و آشکارساز

 پرتو لیزر برای تشخیص انحراف ( به سمت سطح یا دور شدن از سطح) تیرک به کار می رود. با بازتاب یک پرتو به سمت فوقانی و مسطح انبرک، هرگونه انحراف تیرک سبب تغییرات جزیی نور بازتابی می شود. این تغییرات توسط یک آشکارساز فوتودیودی حساس به موقعیت (position-sensitive photo diode) (PSPD) ثبت شده و در نتیجه برای ردیابی تغییرات و حرکات تیرک استفاده می شود. بنابراین عبور پروب از پستی بلندی های سطح نمونه و در نتیجه انحراف تیرک، سبب تغییر مکان اشعه لیزر روی تیرک شده و PSPD این تغییرات جزیی را ثبت می کند. PSPD می توانند تغییرات در حد 1 نانومتر را اندازه گیری کنند.

اسکنر با قابلیت کنترل آن در سه جهت X، Y و Z

جارو کردن یا اسکن سطح توسط نوک و تیرک انجام می شود. حرکت نوک یا نمونه در جهات X، Y و Z توسط یک بازوی پیزو الکتریک (piezo-electric) کنترل می شود. پیزو الکتریک ها موادی هستند که تحت فشار یا کشش تولید جریان الکتریکی می کنند و بالعکس. در واقع پیزو الکتریک ها قابلیت تبدیل انرژی مکانیکی به الکتریکی و انرژی الکتریکی به مکانیکی را دارند.

آشکارساز و سیستم کنترل بازخورد (Feedback control)

سیستم کنترل بازخورد برای تامین یک نیروی ثابت بین پروب و سطح نمونه به کار می رود.

در جدول زیر (جدول1) مشخصات فنی معمول دستگاه آنالیز AFM آورده‌ شده است. دقت داشته باشید که بسته به نوع یا مدل‌های مختلف میکروسکوپ، این پارامترها قابل تغییراند.

جدول1. مشخصات فنی یک دستگاه متداول میکروسکوپ نیروی اتمی

انواع مد تصویربرداری در AFM

مد تماسی

تصویربرداری در مد تماسی (contact mode) از روش های اولیه و متداول در روش AFM است. به مد تماسی مد استاتیک (static mode) هم گفته می شود. در مد تماسی نیروی بین نوک یا سوزن و سطح نمونه نیروی دافعه است و نوک، تماس فیزیکی کمی با سطح نمونه دارد. در این روش انبرک باید قابلیت ارتجاعی پایین و با ثابت فنر کم به کار رود. با اسکن پروب بر روی سطح، نیروی دافعه سبب خم شدن انبرک و در نتیجه تغییرات توپوگرافی سطح نمونه به دست می آید.

مد تماسی با دو روش می تواند انجام شود:

• در نیروی ثابت (constant force) سوزن یا نوک به طور پیوسته برای حفظ یک انحراف مشخص و ثابت تنظیم می شود. در این روش کل نیروی اعمالی به سطح نمونه ثابت است و سیستم کنترل بازخورد موقعیت انبرک روی سطح نمونه را تنطیم می کند.
• در روش ارتفاع ثابت(constant height) ، ارتفاع اسکنر در حین اسکن ثابت است. نمونه باید نسبتا صاف باشد. این روش با سرعت بالای اسکن برای تصویربرداری از سطوح در حال تغییر مثل مایعات و سیالات مناسب است.

نقاط قوت مدتماسی عبارتند از:

• سرعت روبش بالا
• تسهیل در دستیابی به رزولوشن اتمی بالا
• روبش آسان نمونه ها با توپوگرافی پیچیده

نقاط ضعف مدتماسی عبارتند از:

• امکان تحریف تصویر توسط نیروهای جانبی
• وجود نیروهای مویینگی حاصل از سیال
• تخریب در نمونه های نرم تر

مد غیر تماسی

در مد غیرتماسی(Non-contact mode) ، همان طور که از نام آن پیداست، نوک تیرک با سطح نمونه تماسی ندارد. در مد غیرتماسی، تیرک در فاصله چند آنگسترومی سطح نمونه ارتعاش می کند و نیروی بین نوک و  سطح از نوع جاذبه می باشد. تیرک معمولا در نزدیکی فرکانس رزونانسی به ارتعاش در می آید و سیستم آشکارسازی فرکانس رزونانس یا دامنه ارتعاش تیرک را اندازه گیری می کند. این روش برای نمونه های نرم مناسب است چون نیروی کمی به نمونه وارد می شود و نمونه تخریب نمی شود.

نقاط قوت مدغیرتماسی عبارتند از:

• عموما نیروی کمی به سطح نمونه وارد می شود.
• تخریبی در نمونه های نرم ایجاد نمی شود.

نقاط ضعف مدغیرتماسی عبارتند از:

• رزولوشن جانبی کمتر
• سرعت روبش کم برای آنالیز سیالات

مد ضربه ای

در تصویربرداری مد ضربه ای (Tapping mode) یا تماس متناوب، از یک تیرک سفت در حال ارتعاش با فرکانس بالا، در فاصله ای نزدیک تر از فاصله در مد غیرتماسی به سطح نمونه، استفاده می شود. در این روش نوک یا سوزن در نمونه کشیده نمی شود بلکه برای تصویربرداری با دقت بالا به طور متناوب نور با نمونه تماس پیدا می کند و سپس از نمونه دور می شود. نیروی بین نوک و  سطح از هر دو نوع جاذبه و دافعه می باشد. مد ضربه ای علاوه بر اطلاعات توپوگرافی از سطح، اطلاعاتی شیمیایی و فیزیک سطح را نیز فراهم می کند. تصویربرداری توپوگرافی با دقت بالا برای نمونه های حساسی که به راحتی آسیب می بینند، مانند نمونه های بیولوژیکی، با تصویربرداری ضربه ای امکان پذیر شده است.

دستگاه میکروسکوپ نیروی اتمی Multi Model آرا پژوهش

اسکنر

اسکنر XY

حداکثر محدوده اسکن :XY 70-20 میکرومتر

وضوح محدوده XY: 1 نانومتر

اسکنر Z

حداکثر محدوده حرکت Z: 4 میکرومتر

وضوح Z: 1/0 نانومتر

مدهای استاندارد شامل مد تماسی، مد غیرتماسی و مد ضربه ای هستند.

هزینه آنالیز: یک میلیون تومان

کیت های کاربردی به شرح زیر است:

• کیت پرواز (Fly Kit)

1. میکروسکوپ نیروی مغناطیسی(MFM) (Magnetic Force Microscopy)
2. میکروسکوپ نیروی الکتریکی (EFM) (Electric Force Microscopy)
3. تصویربرداری فاز (Phase imaging)

• کیت تماس حرفه ای (Pro Contact Kit)

1. میکروسکوپ نیروی جانبی (LFM) (Lateral Force Microscopy)
2. طیف سنجی نیرو(Force Spectroscopy)
3. نانو لیتوگرافی مکانیکی (Mechanical Nano-Lithography)

• کیت تخصصی (Experts Kit)

1. نانو لیتوگرافی شیمیایی (Chemical Nano-Lithography)
2. میکروسکوپ مدولاسیون نیرو (FMM) (Force Modulation Microscopy)
3. AFM رسانا (C-AFM) (Conductive AFM)
4. میکروسکوپ نیروی پروب کلوین (KPFM) (Kelvin Probe Force Microscopy)
5. میکروسکوپ نیروی پاسخ پیزو (PFM) (Piezoresponse Force Microscopy)

هزینه کیت های کاربردی با هماهنگی با اپراتور دستگاه اعلام می شود.

شرایط نمونه:

• حداکثر ابعاد نمونه: cm ۱ در cm ۱ و حداکثر ضخامت نمونه: mm ۳ می باشد.
• نمونه هایی که ناهمواری آن ها بیش از ۳ میکرومتر باشد قابل تصویربرداری نیست.
• نمونه باید خشک و بدون رطوبت باشد.
• نمونه های مایع باید حتما روی سطوح هموار (مثل میکا، گرافیت، سیلیکون و..) اسپین کوت شده و خشک شوند.