آشنایی با عملکرد میکروسکوپ نیروی اتمی

تلاش برای دیدنِ سطوح بسیار نازک‌، از مهم‌ترین فعالیت‌های علمیِ آزمایشگاه‌های جهان است. این کار، بسیار مشکل و معمولاً غیراقتصادی است. کدام کار؟ دیدنِ مستقیم سطوح بسیار نازک مانند سطح کف دریا یا سطح اتم. روش معمول برای دیدن چنین سطوحی غیرمستقیم است؛ یعنی جمع‌آوری داده‌های دقیق و پردازش آنها توسط رایانه‌ها و تبدیلشان به تصاویرِ دیدنی. در مقاله‌ای که می‌خوانید، شما را با چگونگی کسب اطلاعات از سطوح نادیدنی و تبدیل آنها به مدل‌های دوبُعدی و سه‌بُعدی آشنا می‌کنیم. این همان کاری است که میکروسکوپ نیروی اتمی انجام می‌دهد.
شبیه‌سازی کف دریا که با استفاده از داده‌ها صورت می‌گیرد، مدت‌هاست که در تحقیقات و مطالعات اقیانوس‌شناسی به کار می‌رود. اقیانوس‌شناسانِ اولیه به انتهای کابل‌های بلند وزنه‌هایی می‌آویختند و ته دریا می‌‌فرستادند. این وزنه‌ها کف دریا را می‌پیمودند و ناهمواری‌ها و شیارهای آن را از طریق کابل‌ها روی کاغذهای شطرنجی نقش می‌کردند.
امروزه در فارسی به این قبیل وسایل که می‌توانند اطلاعاتی را از سطوح نادیدنی به ما برسانند، ‌«پیمایشگر‌» می‌گویند. این عنوان معادل واژه probe در انگلیسی است.

اقیانوس‌شناسان جدید، کابل و وزنه را به کناری نهاده‌اند و فناوری رادار را به خدمت گرفته‌اند. آنها امواج صوتی را از یک کشتی اقیانوس‌پیما به کف دریا گسیل می‌کنند و با ثبت فاصله کف با منبع گسیل‌کننده ناهمواری‌های کف را ترسیم می‌نمایند.
ماهواره‌ها هم به همین روش می‌توانند امواجی را به اعماق ناشناخته فضا بفرستند و با محاسبه زمان رفت و برگشت، فواصل را اندازه بگیرند.
در میکروسکوپ نیروی اتمی نیز از این روشِ دیدن استفاده می‌شود. AFM پیمایشگری را روی سطح ماده حرکت می‌دهد. همزمان با حرکت این پیمایشگر بر سطح ماده، نیروی مکانیکی بین کاوشگر و ماده محاسبه می‌شود. این داده‌ها برای به تصویر کشیدن سطح اتم در رایانه مورد استفاده قرار می‌گیرند.

تاریخچه
نانومتر واحد بسیار بسیار کوچکی برای اندازه‌گیری طول است که در ابعاد اتمی و مولکولی کاربرد دارد. ۱ نانومتر فاصله بسیار کوچکی است و به عنوان مثال مولکول آب با آن سنجیده می‌شود. برای درک میزان کوچکی این واحد طول خوب است بدانیم که تار موی انسان حدوداً ۸۰ هزار نانومتر قطر دارد، بنابراین برای مشاهده پدیده‌ها و درک اثراتی که در این اندازه بسیار کوچک وجود دارد نه‌تنها به چشم غیرمسلح نمی‌توان تکیه کرد بلکه حتی از میکروسکوپ‌های معمولی که در آزمایشگاه‌ها وجود دارند نیز، نمی‌توانند استفاده کنند چراکه با این میکروسکوپ‌ها فقط تا ابعاد “میکرومتر” را می‌توان دید.
به همین دلیل دانشمندان با پیشرفت علم و فنون به فکر ساختن وسایلی افتادند که بتوانند ابعاد اتمی را هم اندازه‌گیری کنند.
وسایل زیادی با روش‌های مختلف برای این منظور ساخته شده است که خیلی از آنها کامل شده نمونه‌های قبلی است. اما میکروسکوپ نیروی اتمی جزو جدیدترین دستاوردهای دانشمندان در زمینه اندازه‌گیری در ابعاد و مقیاس نانو است که در پاییز سال هزار و سیصد و شصت و سه یعنی حدود بیست سال پیش توسط جرد بینینگ، کریستوف جربر و کوایت ساخته شد.
دستگاهی که بینینگ و همکارانش ساخته بودند از نظر عملکرد کاملاً مشابه میکروسکوپ‌های نیروی اتمی امروزی بود و در طی این بیست سال تنها دقت و روش فهم نهایی اندازه‌ها پیشرفت کرده است. با این دستگاه می‌شد طولهایی تا حدود “سیصد آنگستروم” یا “سی نانومتر” را اندازه گرفت. با گذشت زمان این دستگاه کاملتر شد و امروزه می‌توان با دقتی بیش از پانصد برابر دقت میکروسکوپ بینینگ سطوح مواد را مشاهده نمود.
• روش کار
می‌دانیم که تمامی اجسام هراندازه هم که به ظاهر صاف و صیقلی باشند، باز هم در سطح خود دارای پستی و بلندی و ناصافی‌هایی هستند. به عنوان مثال سطح شیشه بسیار بسیار صاف و صیقلی به نظر می‌رسد، اما اگر در مقیاس خیلی کوچک به آن نگاه کنیم، خواهیم دید که سطح شیشه پر از ناصافی‌ها یا به عبارتی “دست انداز” است. کار میکروسکوپ نیروی اتمی نشان‌دادن این ناصافی‌ها و اندازه‌گیری عمق آنهاست. ثبت چگونگی قرارگیری و نشان دادن عمق و ارتفاعِ پستی و بلندی‌ها در یک سطح خاص از ماده را “توپوگرافی” می‌نامند.
می دانیم که نیروهای بسیار کوچکی بصورت جاذبه و دافعه بین اتمهای باردار وجود دارند، (درست مثل دو سر ناهمنام آهنربا که باعث دفع و جذب می شوند.) چنین نیروهایی بین نوک میکروسکوپ و اتمهای سطح ایجاد می گردد. با اندازه گیری نیروی بین اتمها در نقاط مختلف سطح، می توان محل اتمها روی آن را مشخص کرد.

میکروسکوپ نیروی اتمی از اجزاء و قطعات مختلفی تشکیل شده است که مهم‌ترین بخش آن مجموعه “انبرک و نوک” می‌باشد و در واقع قسمت اصلی برای شناخت سطوح به شمار می‌آید. جنس انبرک معمولاً از سیلیسیم و نوک از یک تک اتم (معمولا اتم الماس) تشکیل شده است. برای اینکه میکروسکوپ نیروی اتمی بتواند برجستگی ها و فرورفتگی ها را در ابعاد نانومتر حس کند لازم است نوک تیز انبرک ظرافت اتمی داشته باشد. همان طور که ما با دستکش کار نمی توانیم زبری یا نرمی یک سطح را حس کنیم. ازآنجا که تصاویر مربوط به اندازه‌های اتمی روی یک سطح با چشم غیرمسلح یا حتی مسلح به قوی‌ترین عدسی‌ها قابل مشاهده نیست، به کمک ابزارهای پیشرفته، حرکات عرضی لمس شده توسط انبرک و نوک ویژه میکروسکوپ را به تصاویر ویدئویی تبدیل می‌‌‌‌کنند تا امکان مشاهده آرایش اتم‌های سطح، در صفحه رایانه امکانپذیر باشد.
درواقع کل فرآیند “جاروکردن سطح” به وسیله همان انبرک نوک‌دار صورت می‌گیرد. انبرک به راحتی در پستی و بلندی‌‌‌‌ها بالا و پایین می‌رود و انتهای آن هم به قسمتی متصل است که به جابجایی عرض انبرک بسیار حساس است و این تغییر فاصله‌ها را ثبت کرده و به علائمی تبدیل می‌کند که برای رایانه قابل فهم باشد. علائم گفته شده که “سیگنال” نام دارد توسط رایانه پردازش می‌‌‌‌شود تا نحوه قرار گیری اتم‌ها در کنارهم، بر روی صفحه نمایشگر، نشان داده ‌شود.
دو روش کلی برای جاروکردن سطح وجود دارد که عبارتند از روش تماسی و روش غیرتماسی.
در روش تماسی که برای بیشتر سطوح کارایی دارد، نوک انبرک در فاصله‌ای بسیار بسیار کم از سطح قرار می‌گیرد و به محض رسیدن به پستی یا بلندی به دلیل جابجایی که در انبرک ایجاد می‌شود، امکان نمایش توپوگرافی برای رایانه فراهم می‌گردد. درواقع نیرویی که بین سطح و نوک انبرک وجود دارد، با نزدیک‌شدن این دو به هم زیاد شده و با دورشدنشان از هم، کم می‌شود، این مسئاله باعث مشاهده غیرمستقیم آرایش اتم‌ها می‌گردد.
روش غیرتماسی بیشتر برای سطوح کثیف و آلوده مورد استفاده قرار می‌گیرد، در این شیوه ابتدا انبرک را با نوسانی دقیق به تحرک درمی‌آوریم و آن را روی سطح هدایت می‌کنیم. انبرک خاصیت ارتجاعی و فنری دارد و به راحتی در عرض بالا و پایین می‌شود. در این حالت نیرویی که بین سطح و نوک انبرک وجود دارد، در نوسان انبرک تأثیر می‌گذارد و به این وسیله آرایش اتمی سطح مشخص می‌شود.
البته اندازه‌گیری ساختارهای بسیار ریز که موجب جابجایی بسیار کوچکی در انبرک می‌‌‌‌شود، روی می‌دهد خود بحث مفصلی است که این کار امروزه به وسیله تغییر جهت انعکاس نوری که از یک منبع بالای انبرک روی آن می‌تابانند، مشاهده می‌شود(شکل ۳).

ه این معنی که سطح انبرک به گونه‌ای صیقل داده می‌شود که توانایی بازتابش نور را به خوبی داشته باشد. منبع نوری اشعه مرئی را به قسمت صیقل‌داده شده می‌تاباند و گیرنده آن را دریافت می‌کند. به محض جابجایی عرضی انبرک، اشعه کمی منحرف می‌شود که باتوجه به میزان انحراف ثبت‌شده در دستگاه، دانشمندان نقشه پستی و بلندی(توپوگرافی) را دقیقتر ترسیم می‌‌‌‌کنند(شکل ۴).

نکته دیگری که در مورد کارکرد میکروسکوپ نیروی اتمی باید بدانیم آن است که پستی‌ها و بلندی‌ها در هر سه محور طول و عرض و ارتفاع توسط این دستگاه گزارش می‌شود. در نمونه‌های ابتدایی چون امکان نشان‌دادن بعد ارتفاع در رایانه نبود، این کار با رنگ‌ها انجام می‌شد. به این صورت که رنگ‌های تیره برای عمق‌های کم و رنگ‌های روشن برای عمق‌های زیاد به کار می‌رفتند. اما امروزه با استفاده از نرم‌افزارهای سه‌بعدی دیداری می‌توان توپوگرافی سطح را در هر سه بعد نشان داد.
• نتیجه
پس از معرفی میکروسکوپ نیروی اتمی و روش کار آن، خوب است بدانیم که بشر با اختراع این وسیله پیشرفت‌های بسیاری در علم مواد و شناخت سطوح پیدا کرده است که در بسیاری از صنایع از جمله الکترونیک، ارتباطات، خودرو، فضانوردی و انرژی تأثیرگذار بوده‌اند. درواقع اختراع میکروسکوپ نیروی اتمی فصل جدیدی در پیشرفت فناوری نانو و کاربردهای صنعتی آن می‌باشد.

نمونه هایی از انبرک و نوک میکروسکوپ نیروی اتمی:فیلم شبیه سازی میکروسکوپ نیروی اتمیفیلم شبیه سازی میکروسکوپ نیروی اتمی

برای آشنایی بیشتر با چگونگی عملکرد این نوع میکروسکوپها میتوانید فایل ویدئویی ذیل را دانلود (Download) کرده و آن را مشاهده نمایید:
فیلم شبیه سازی میکروسکوپ نیروی اتمی

شبیه ساز انبرک میکروسکوپ اتمی

مدل سازی کار میکروسکوپ اتمی

منبع:nanoclub.ir