میکروسکوپ نیروی اتمی (Atomic Force Microscopy) با نام متداول AFM از روش های میکروسکوپ پروب روبشی ست. میکروسکوپ نیروی اتمی برای غلبه بر مشکل اساسی STM که فقط توانایی تصویربرداری از سطوح رسانا یا نیمه رسانا را دارد توسعه داده شد. روش AFM، که پیشتر با نام میکروسکوب نیرو-روبشی (scanning-force Microscopy) یا SFM نیز شناخته می شد، توانایی ردیابی توپولوژی نمونه ها در حد بسیار بالا و در سطح اتمی را داراست.
در روش AFM با استفاده از یک انبرک با نوک بسیار تیز (در حد اتم) سطح نمونه جارو (اسکن) می شود. عبور نوک از پستی بلندی های سطح نمونه، و اعمال نیرو های سطح نمونه به نوک انبرک، سبب انحراف انبرک می شود. ثبت تغییرات جزیی انبرک با استفاده از یک پرتو لیزری و آشکارساز حساس به موقعیت امکان تصویربرداری از توپولوژی سطح یا نقشه پستی بلندی های سطح را به کمک کامپیوتر فراهم می کند.
دستگاهوری روش AFM
شکل 1 شمای کلی دستگاه میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) را نشان می دهد. به طور کلی اجزاء اساسی یک دستگاه AFM عبارتند از: سوزن و انبرک، آشکارساز و اسکنر.
تیرک (Cantilever) و نوک تیز (Tip)
تیرک و نوک آن جزء اصلی یک دستگاه AFM هستند. یک نوک سوزنی بسیار تیز از جنس الماس (Si) 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 ست که با نمونه در تماس است. شکل پروب بسیار مهم و حیاتی است و قدرت تقکیک (resolution) تصویربرداری به آن بستگی دارد. پروب معمولا طولی برابربا 6-3 میکرومتر و شعاع 40-15 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:
(F=k.X (1
در رابطه (1) F نیروی وارده k ثابت فنر و X تغییرات حرکتی فنر است.
شکل 2 تغییر حرکت و جهت پروب در مطالعات مولکول های زیستی برای واتایی (unfolding) یک پروتئین و جدا شدگی (unbinding) یک گیرنده-لیگاند را نشان می دهد.
لیزر و آشکارساز
پرتو لیزری برای تشخیص انحراف ( به سمت سطح یا دور شدن از سطح) انبرک به کار می رود. با بازتاب یک پرتو به سمت فوقانی و مسطح انبرک، هرگونه انحراف انبرک سبب تغییرات جزیی نور بازتابی می شود. این تغییرات توسط یک آشکارساز فوتودیودی حساس به موقعیت (PSPD, position-sensitive photo diode) ثبت شده و در نتیجه برای ردیابی تغییرات و حرکات انبرک استفاده می شود. بنابراین عبور پروب از پستی بلندی های سطح نمونه، و در نتیجه انحراف انبرک، سبب تغییر مکان اشعه لیزر روی انبرک 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 انبرک انجام می شود. حرکت نوک یا نمونه در جهات X,Y و Z توسط یک بازو 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.
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.
مد غیر تماسی
در مد غیر-تماسی (Non-contact mode) ،همان طور که از نام آن پیداست، نوک انبرک با سطح نمونه تماسی ندارد. در مد غیرتماسی انبرک در فاصله چند آنگسترومی سطح نمونه ارتعاش می کند و نیروی بین نوک و سطح از نوع جاذبه می باشد. انبرک معمولا در نزدیکی فرکانس رزونانسی به ارتعاش در می آید و سیستم آشکارسازی فرکانس رزونانس یا دامنه ارتعاش انبرک 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.
مد ضربه ای
در تصویربرداری مد ضربه ای (Tapping mode) یا تماس متناوب، از یک انبرک 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 به طور متناوب نور با نمونه تماس پیدا می کند برای تصویربرداری با دقت بالا 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.
انواع مدل های دستگاه AFM
میکروسکوپ نیروی جانبی
روش میکروسکوپ نیروی جانبی (Lateral Force Microscopy) با نام اختصاری LFM اصولی مشابه مد تماسی دارد و در آن نیروهای اصطکاک روی سطح را اندازه گیری می شود. با اندازه گیری پیچ و تاب های جانبی انبرک، به جای انحراف آن، مناظق با اصطکاک پایین و بالا سطح نمونه تصویربرداری می شود. این روش به نام میکروسکوپ نیروی اصطکاکی (Friction Force Microscopy) نیز شناخته می شود.
روش LFM برای تعیین خواص اصطکاکی و تشخیص مرز در مواد غیرهموژن روی سطح به کار می رود. معمولا برای سطوح سخت به کار می رود و چون سورن یا نوک انبرک با سطح نمونه در تماس است امکان آلودگی و یا تخریب نمونه و سوزن وجود دارد.
میکروسکوپ نیروی مغناطیسی
میکروسکوپ نیروی مغناطیسی (Magnetic Force Microscopy) با نام اختصاری MFM روشی است که معمولا در مد غیرتماسی انجام می شود. در روش MFM از یک نوک یا سوزن مغناطیسی برای اسکن کردن نمونه مغناطیسی استفاده می شود. بنابراین با استفاده از برهم کنش های متقابل مغناطیسی بین نمونه و نوک مشاهده توزیع مغناطیسی نمونه امکان پذیر می گردد. بر اساس فاصله نمونه و سوزن، نیروهای واندروالسی بین این دو نیزتغییر می کند و در نتیجه امکان ارزیابی توپوگرافی سطح نیز با روش MFM فراهم می شود.
میکروسکوپ نیروی الکتریکی
میکروسکوپ نیرو الکتریکی (Electric Force Microscopy) با نام اختصاری EFM نیز از روش های غیر تماسی ست که در آن از یک سورن یا نوک رسانا برای ردیابی نیروی الکترواستاتیکی بین سوزن و سطح نمونه استفاده می شود. نیروی الکترواستاتیکی بین سوزن و نمونه رسانا در نتیجه دافعه یا جاذبه بارهای جداگانه صورت می گیرد. در EFM یک ولتاژ بین سوزن و نمونه اعمال می شود. فرکانس رزونانسی انبرک، تغییر فاز و قدرت گرادیان میدان الکتریکی برای تصویربرداری مناسب استفاده می شوند. با روش EFM اطلاعاتی در مورد خصوصیات الکتریکی سطح نمونه مانند توزیع بار و پتانسیل سطح نمونه به دست می آید. علاوه بر نیروی الکترواستاتیکی بین سوزن و نمونه نیروی واندروالسی بین این دو نیز همیشه حضور دارد. بزرگی نیروی واندروالسی با توجه به فاصله سوزن و سطح نمونه تغییر می کند که از همین اثر برای تصویربرداری توپولوژی سطح استفاده می شود.
تصویربرداری فازی
تصویربرداری فازی (Phase imaging) یک روش قدرتمند مد ضربه ای ست که در آن تغییر فاز انبرک نوسان کننده نسبت به سیگنال اعمالی اندازه گیری می شود. تغییر فاز را می توان به خواص نمونه، که در برهم کنش سوزن/نمونه تاثیر گذاراست، مرتبط کرد. این روش تصویربرداری برای بررسی خصوصیاتی مانند اصطکاک، چسبندگی (adhesion) و کشسانی سطحی مواد استفاده کرد. تصویربرداری فازی اطلاعات در واحد نانومتر از سطح فراهم می کند. شناسایی آلاینده های سطح، نقشه برداری از اجزاء در مواد کامپوزیتی، شناسایی مناطق با قدرت چسبندگی یا سختی (hardness) کم و زیاد و هم چنین مناطق با خواص الکتریکی و مغناطیسی متفاوت از جمله کاربردهای تصویربرداری فازی ست.
میکروسکوپ نیروی پروب کلوین
در روش میکروسکوپ نیروی پروب کلوین (Kelvin Probe Force Microscopy) یا KPFM نیز مشابه EFM از یک پروب رسانا استفاده می شود. روش KPFM برای تعیین اختلاف پتانسیل تماس محلی بین سوزن و نمونه به کار می رود و هم چنین تابع کار (work function) سطح نمونه را اندازه گیری می کند. روش KPFM تصویربرداری در ابعاد نانو و ارزیابی خصوصیات الکتریکی سطح استفاده می شود و بنابراین در نیمه هادی ها فلزات و کامپوزیت ها و هم چنین مواد بیولوژیک کاربرد دارد.
تصویربرداری مدولاسیون نیرو
تصویر برداری مدولاسیون نیرو (Force Modulation imaging) یا FMI در مد تماسی انجام می شود و مشخصات سفتی/کششی (elasticity/stiffness) نسبی سطح را اندازه گیری می کند. در روش FMI مشابه روش AFM توپوگرافی سطح با تماس پروب با سطح نمونه به دست می آید اما در این روش یک سیگنال تناوبی مکانیکی در جهت Z به انبرک اعمال می شود. دامنه مدولاسیو انبرک که در نتیجه سیگنال اعمالی با توجه به خواص الاستیک نمونه تغییر می کند.
از روش FMI معمولا برای تهیه نقشه توزیع مواد در سیستم های کامپوزیت (Composite) استفاده می شود. مشابه روش های MFM و LMF در این روش نیز همزمان امکان تصویربرداری توپوگرافی نیز وجود دارد.
میکروسکوپ نیروی اتمی رسانا
در میکروسکوپ نیروی اتمی رسانا (Conductive Atomic Force microscopy) یا C-AFM یک سوزن یا نوک رسانا درمد تماسی به کار می رود. با اندازه گیری جریان عبوری بین سوزن و سطح نمونه نقشه رسانایی (conductivity) و یا به طور معکوس مقاومت (resistivity) نمونه به دست می آید. مزیت عمده این روش تصویربرداری فضایی با تفکیک بالاست. مشابه روش های MFM و LMF در این روش نیز همزمان امکان تصویربرداری توپوگرافی نیز وجود دارد. از روش C-AFM برای بررسی هدایت مواد شامل نیمه هادی ها پلیمرها نانو مواد و ..استفاده کرد. همچنین این روش برای شناسایی نقص های الکتریکی مواد نیز به کار می رود.
میکروسکوپ نوری میدان نزدیک روبشی
در میکروسکوپ های نوری تفکیک توسط پراش، که طبیعت موجی نور است، محدود می شود و تفکیک کمتر از λ/2 امکان پذیر نیست. استفاده از قسمت میدان نزدیک نور، که در چند نانومتری سطح را شامل می شود، ضمن حذف محدودیت پراش دسترسی به اطلاعات مربوط به فواصل زیر حد طول موج را امکام پذیر می سازد. به قسمتی از میدان تشعشع الکترومغناطیسی یک منبع نور که بسیار نزدیک منبع و در فاصله کمتر از طول موج لازم برای روشن کردن سطح باشد، میدان نزدیک گویند.
در روش میکروسکوپ نوری میدان نزدیک روبشی (Near-field scanning optical microscope) ،با به اختصار NSOM یا SNOM، از انتشار میدان نزدیک نور استفاده می شود. در روش میکروسکوپ نوری میدان نزدیک روبشی، یک موج بر (waveguide) نوری به جای انبرک AFM قرار می گیرد. موج بر معمولا یک فیبر نوری ست که سر آن تیز شده است و نور با عبور از آن به نمونه می رسد. معمولا منبع یک نور لیزری ست. نور لیزر تهییجی از یک روزنه یا دیافراگم با قطری کوچک تر از طول موج تهییجی بر روی نمونه متمرکز می شود. به دلیل اینکه انتشار نور میدان نزدیک فقط در فاصله چند نانومتری صورت می گیرد، بنابراین سوزن یا انتهای نوک تیز فیبر نوری در فاصله بسیار نزدیک سطح نمونه قرار می گیرد. روبش نمونه نقطه به نقطه و خط به خط انجام می شود که در نتیجه تصویری با تفکیک بالا به دست می آید.
نکات آنالیزی میکروسکوپ نیروی اتمی
- آماده سازی نمونه آسان است. و سرعت آنالیز نسبتا بالایی دارد.
- تصویربرداری غیرمخرب است و بنابراین برای سیستم های زنده نیز می تواند به کار رود.
- نیازی به رسانا بودن مواد برای تصویر برداری نیست بنابراین برای محدوده وسیعی از سطوح مواد شامل پلیمرها، مواد سرامیکی، فلز، شیشه، مواد بیولوژیک و .. کاربرد دارد.
- قابلیت کار کردن در خلاء، هوا مایعات و سیالات را دارد.
- تفکیک روش به شدت به پروب و شکل آن وابسته است.
- بازه بزرگ نمایی (magnification) و بازه عمودی (vertical range) محدودی دارد.
زمینه کاربردی میکروسکوپ نیروی اتمی
- تصویر دیجیتالی از توپولوژی سطح
- تعیین زبری (roughness) سطح نمونه و ضخامت لایه رشد بلور
- برای انواع نمونه ها شامل سرامیک، سلول، پروتئین، مولکول های DNA و …
- تصویربرداری از مولکول های زیستی و مطالعات واتایی پروتئین (protein unfolding)
- مطالعات پیوندی گیرنده-لیگلند (Ligand-Receptor) و آنتی ژن-آنتی بادی (Antibody-Antigen)
- در تحقیقات و توسعه صنایع الکترونیک، مخابرات، خودرو، فضانوردی و …
