میكروسكوپ نیروی اتمی

می دانیم كه تمامی اجسام هراندازه هم كه به ظاهر صاف و صیقلی باشند, باز هم در سطح خود دارای پستی و بلندی و ناصافی هایی هستند

● تاریخچه

نانومتر واحد بسیار بسیار کوچکی برای اندازه‌گیری طول است كه در ابعاد اتمی و مولكولی كاربرد دارد. ۱ نانومتر فاصلهٔ بسیار كوچكی است و به عنوان مثال مولكول آب با آن سنجیده می‌شود. برای درك میزان كوچكی این واحد طول خوب است بدانیم كه تار موی انسان حدوداً ۸۰ هزار نانومتر قطر دارد، بنابراین برای مشاهده پدیده‌ها و درك اثراتی كه در این اندازه بسیار كوچك وجود دارد نه‌تنها به چشم غیرمسلح نمی‌توان تكیه كرد بلكه حتی از میكروسكوپ‌های معمولی كه 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 فكر ساختن وسایلی افتادند كه بتوانند ابعاد اتمی را هم اندازه‌گیری كنند.

وسایل زیادی با روش‌های مختلف برای این منظور ساخته شده است كه خیلی از آنها كامل شده نمونه‌های قبلی است. اما میكروسكوپ نیروی اتمی جزو جدیدترین دستاوردهای دانشمندان در زمینه اندازه‌گیری در ابعاد و مقیاس نانو است كه در پاییز سال هزار و سیصد و شصت و سه یعنی حدود بیست سال پیش توسط جرد بینینگ، كریستوف جربر و كوایت ساخته شد.

دستگاهی كه بینینگ و همكارانش ساخته بودند از نظر عملكرد كاملاً مشابه میكروسكوپ‌های نیروی اتمی امروزی بود و در طی این بیست سال تنها دقت و روش فهم نهایی اندازه‌ها پیشرفت كرده 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 میكروسكوپ بینینگ سطوح مواد را مشاهده نمود.

● روش كار

می‌دانیم كه تمامی اجسام هراندازه هم كه 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. كار میكروسكوپ نیروی اتمی نشان‌دادن این ناصافی‌ها و اندازه‌گیری عمق آنهاست. ثبت چگونگی قرارگیری و نشان دادن عمق و ارتفاعِ پستی و بلندی‌ها در یك 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.

میكروسكوپ نیروی اتمی از اجزاء و قطعات مختلفی تشكیل شده است كه مهم‌ترین بخش آن مجموعه "انبرك و نوك" می‌باشد و در واقع قسمت اصلی برای شناخت سطوح به شمار می‌آید. جنس انبرك معمولاً از سیلیسیم و نوك 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 كه تصاویر مربوط به اندازه‌های اتمی روی یك 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 صفحهٔ رایانه امکانپذیر باشد.

درواقع كل فرآیند "جاروكردن سطح" به وسیله همان انبرك نوك‌دار صورت می‌گیرد. انبرك به راحتی در پستی و بلندی‌‌‌‌ها بالا و پایین می‌رود و انتهای آن هم به قسمتی متصل است كه به جابجایی عرض انبرك بسیار حساس است و این تغییر فاصله‌ها را ثبت كرده و به علائمی تبدیل می‌كند 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 كلی برای جاروكردن سطح وجود دارد كه عبارتند از روش تماسی و روش غیرتماسی.

در روش تماسی كه برای بیشتر سطوح كارایی دارد، نوك انبرك در فاصله‌ای بسیار بسیار کم از سطح قرار می‌گیرد و به محض رسیدن به پستی یا بلندی به دلیل جابجایی كه در انبرك ایجاد می‌شود، امکان نمایش توپوگرافی برای رایانه فراهم می‌گردد. درواقع نیرویی كه بین سطح و نوك انبرك وجود دارد، با نزدیك‌شدن این دو به هم زیاد شده و با دورشدنشان از هم، كم می‌شود، این مسئاله باعث مشاهده غیرمستقیم آرایش اتم‌ها می‌گردد.

روش غیرتماسی بیشتر برای سطوح كثیف و آلوده مورد استفاده قرار می‌گیرد، در این شیوه ابتدا انبرك را با نوسانی دقیق به تحرك درمی‌آوریم و آن را روی سطح هدایت می‌كنیم. انبرك خاصیت ارتجاعی و فنری دارد و به راحتی در عرض بالا و پایین می‌شود. در این حالت نیرویی كه بین سطح و نوك انبرك وجود دارد، در نوسان انبرك تأثیر می‌گذارد و به این وسیله آرایش اتمی سطح مشخص می‌شود.

البته اندازه‌گیری ساختارهای بسیار ریز که موجب جابجایی بسیار کوچکی در انبرك می‌‌‌‌شود، روی می‌دهد خود بحث مفصلی است كه این كار امروزه به وسیلهٔ تغییر جهت انعكاس نوری كه از یك منبع بالای انبرك روی آن می‌تابانند، مشاهده می‌شود.

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

نكتهٔ دیگری كه در مورد كاركرد میكروسكوپ نیروی اتمی باید بدانیم آن است كه پستی‌ها و بلندی‌ها در هر سه محور طول و عرض و ارتفاع توسط این دستگاه گزارش می‌شود. در نمونه‌های ابتدایی چون امكان نشان‌دادن بعد ارتفاع در رایانه نبود، این كار با رنگ‌ها انجام می‌شد. به این صورت كه رنگ‌های تیره برای عمق‌های كم و رنگ‌های روشن برای عمق‌های زیاد به كار می‌رفتند. اما امروزه با استفاده از نرم‌افزارهای سه‌بعدی دیداری می‌توان توپوگرافی سطح را در هر سه بعد نشان داد.

●● نتیجه

پس از معرفی میكروسكوپ نیروی اتمی و روش كار آن، خوب است بدانیم كه بشر با اختراع این وسیله پیشرفت‌های بسیاری در علم مواد و شناخت سطوح پیدا كرده است كه در بسیاری از صنایع از جمله الكترونیك، ارتباطات، خودرو، فضانوردی و انرژی تأثیرگذار بوده‌اند. درواقع اختراع میكروسكوپ نیروی اتمی فصل جدیدی در پیشرفت فناوری نانو و كاربردهای صنعتی آن می‌باشد.

مراجع

۱. انجمن علمی دانشجویی نانوتکنولوژی دانشکده فنی دانشگاه تهران، "نانوتکنولوژی آیینه تکنولوژی آفرینش"، تهران ۱۳۸۰

۲. introduction to AFM method and apparatus, online available at: www.chembio.uoguelph.ca

۳. Alexander, S., Hellemans, L., Marti, O., Schneir, J., Elings, V., Hansma, P.K., Longmiro, M., and Gurley, J. (۱۹۸۹) An atomic-resolution atomic-force microscope implemented using an optical lever. J. Appl. Phys. ۶۵(۱), ۱۶۴-۱۶۷

۴. How AFM works from "The tip-sample interaction in atomic force microscopy and its implications for biological applications ", Ph.D. thesis by David Baselt, California Institute of Technology, Copyright © ۱۹۹۳ by David Baselt.