میکروسکوپ نیروی اتمی

میکروسکوپ نیروی اتمی(م.ن.ا)^*[۱] یا میکروسکوپ نیروی پویشی^*[۲] در سال ۱۹۸۶ توسط کوئِیْت، بنینگ و گربر^*[۳] اختراع شد.

مانند تمام میکروسکوپ‌های پراب پویشی^*[۴] دیگر، م.ن.ا از یک پراب (probe) تیز که بر روی سطح نمونهٔ تحت بررسی حرکت می‌کند، استفاده می‌کند.

در مورد م.ن.ا، نوکی^*[۵] بر روی کانتی‌لیور (اهرم) وجود دارد که در اثر نیروی بین نمونه و نوک خم می‌شود. عکس شماره ۱ طرز کار یک م.ن.ا را نشان می‌دهد.

شکل شماره ۱ - ساختمان شماتیک یک میکروسکوپ نیروی اتمی

با خم شدن کانتی‌لیور، انعکاس نور لیزر بر روی آشکارسازنوری^*[۶] جابجا می‌شود. بدین ترتیب می‌توان جابجایی نوک کانتی‌لیور را اندازه‌گیری کرد. از آنجایی که کانتی‌لیور در جابجایی‌های کوچک از قانون هوک پیروی می‌کند، از روی جابجایی کانتی‌لیور می‌توان نیروی برهم‌کنش بین نوک و سطح نمونه را بدست آورد. و از روی نیروی بین اتم‌های سطح نمونه و پراب، می‌توان فاصلهٔ بین نوک و سطح نمونه، یا همان ارتفاع آن قسمت از نمونه را بدست آورد.

حرکت پراب بر روی نمونه توسط دستگاه موقعیت‌یاب بسیار دقیقی انجام می‌شود که از سرامیک‌های پیزوالکتریک ساخته می‌شود. این پویشگر توانایی حرکت در مقیاس زیر آنگستروم را دارد.

شکل ۲ یکی از عکس‌های بدست آمده توسط م.ن.ا را نشان می‌دهد.

شکل شماره ۲- توپوگرافی سطحی یک شیشه - اندازه: ۲۰×۲۰ میکرومتر، بازهٔ ارتفاع: ۴۲۰ میکرومتر

حالت‌های کارکرد

نوک کانتی‌لیور

حالت تماسی

در این حالت نوک میکروسکوپ با نمونه در تماس ضعیفی بوده و تصویرسازی با اندازه‌گیری انحراف نوک (بوسیله نیروی دافعه بین نوک و نمونه)انجام می‌شود.

حالت بدون تماس

در این حالت تماسی بین نوک میکروسکوپ و نمونه وجود ندارد و تصویر سازی از نیروی جاذبهٔ بین نوک و نمونه انجام می‌شود.

حالت تماس متناوب (ضربه‌ای)

این حالت نیز مانند حالت بدون تماس است با این تفاوت که در حالت تماس متناوب نوک کانتی‌لیور مرتعش به آرامی با نمونه برخورد می‌کند. در این روش، تصویرسازی با استفاده از دامنهٔ ارتعاش کانتی‌لیور انجام می‌شود.

شکل شماره ۳ - منحنی نیرو-فاصله

شکل ۳ یک منحنی شماتیک نیرو-فاصله را برای م.ن.ا نشان می‌دهد. در فاصلهٔ دور از نمونه، کانتی‌لیور(تیر یکسر گیردار) توسط نیروی بین‌اتمی جذب نمی‌شود و در حالت تعادل آزاد خود است. اما هنگامی که کانتی‌لیور به سطح نمونه نزدیک می‌شود، نیروهای جاذبه کانتی‌لیور را به سمت نمونه جذب می‌کنند. هنگامی که نوک با سطح در تماس است، نیروهای دافعه غالب بوده و کانتی‌لبور را دور می‌کنند. خطوط پررنگ دامنهٔ کار معمول م.ن.اها را در حالت‌های تماسی و بدون تماس نشان می‌دهند. پیکان افقی دراز، دامنهٔ معمول تماس متناوب را نشان می‌دهد.

ساختار CD

مزایا و معایب

• مزایا
  • سرعت بالا
  • سادگی تهیهٔ نمونه
  • اطلاعات دقیق ارتفاع
  • قابلیت کار در هوا، خلا و مایعات (بر خلاف میکروسکوپ‌های الکترونی)
  • قابلیت مطالعهٔ سیستم‌های زیستی زنده
• محدودیت‌ها
  • بازهٔ مطالعهٔ عمودی محدود
  • بازهٔ بزرگنمایی محدود
  • وابستگی اطلاعات بدست آمده به نوع نوک میکروسکوپ
  • امکان آسیب دیدن نوک میکروسکوپ یا نمونه

در ویکی‌انبار پرونده‌هایی دربارهٔ میکروسکوپ نیروی اتمی موجود است.

جستارهای وابسته

• میکروسکوپ
• میکروسکوپ پراب پویشی
• میکروسکوپ تونلی روبشی
• میکروسکوپ نیروی مغناطیسی

پانویس

1. ^ ‏AFM (Atomic Force Microscope)
2. ^ ‏SFM (Scanning Force Microscope)
3. ^ ‏ G. Binnig, C. F. Quate, C. Gerber, Phys. Rev. Lett. 56 (1986) -pp 930-933
4. ^ ‏SPM (Scanning Probe Microscope)
5. ^ ‏tip
6. ^ ‏photodetector

منابع

• G. Bennig, H. Rohrer, Scanning Tunneling Microscopy—From Birth to Adolescence, Rev. of Mod. Phys, Vol 59, No. 3, Part 1 1987, P 615