روش هاي شناسايي و آناليز مواد(5)

ميکروسکوپ نيروي اتمي (AFM)
مقدمه:

براي شروع کار با (AFM)ابتدا بايد در مورد ساختمان و اساس کار اين نوع ميکروسکوپ اطلاعات بدست آوريم. پس از آن نيز ضروري است که براي ارتقاي سطح دانش خود به فراگيري جنبه هاي مختلف نرم افزار اين ميکروسکوپ بپردازيم.[13]

معرفي

ميکروسکوپ نيروي اتمي وسيله اي است که توان آناليز و توصيف نمونه ها در مقياس ميکروسکوپي را دارا مي باشد. اين بدين معني است که ما مي توانيم خواص سطح را با دقت تفکيکي در گستره ي بينloomm
(100ميکرون)،تا 1mm مشاهده کنيم.
(AFM) بر اين اساس عمل مي کند که اجازه مي دهد يک قسمت قلم مانند که بسيار تيز است با تمايل به نمونه و يا قرار گيري در فاصله ي بسيار نزديک به نمونه تصور آن سطح را بکشد . اين قسمت قلم مانند، يک باريکه ي ميکروني است که معمولاً 100 آنگسترم قطر دارد.
قسمت قلم مانند در قسمت آزاد يک پايه ي معلق که بين 100 تا 200 ميکرون طول دارد قرار گرفته است. و نمونه در زير نوک قلم مانند پويش مي گردد.
نيروهاي مختلف نوک قلم مانند را جذب و يا دفع مي کنند. اين انحرافات (جاذبه و دافعه ها) ثبت شده و به وسيله ي نرم افزار، تصاوير مورد پردازش قرار مي گيرند. تصوير نتيجه، يک نمايش توپوگرافيک از نمونه است که تنها يک تصويرخيالي است. اگر شما بخواهيد که در مورد نمونه به جاي يک ديد از سطح آن چيزي بدانيد مدلهاي تصويري مختلفي وجود دارد. که در انواع ديگر از آناليزها استفاده مي گردد. همچنين نرم افزارهاي متفاوت يا تکنيک هاي پويش کردن ديگري مورد نياز است تا اطلاعات مورد نياز براي آناليز بدست آيد.
(AFM) مي تواند يکي از ويژگي هاي خاص نمونه را اندازه گيري کند که ديگر انواع ميکروسکوپ ها توان اين تصوير برداري را ندارند.[13]

تاريخچه:

در سال 1986، ميکروسکوپ نيروي اتمي بوسيله ي گرد بينينگ (Gerd Binning) اختراع شد. Binning اين کار را براي شکست انحصار ميکروسکوپ هاي تونلي روبشي (STM) که قبل از (AFM) مورد توجه بود، کرد. (STM) تنها مي توانست از موادي تصوير برداري کند که يک جريان تونلي را هدايت کنند. (AFM) مي توانست راهي براي تصويربرداري از ديگر مواد مانند پليمرها و نمونه هاي بيولوژيکي که توانايي هدايت جريان را ندارند باز کند. در بعضي موارد، قدرت تفکيک (STM) بهتر از (AFM) است و علت آن اينست که جريان تونلي وابستگي اکپوتسيالي با فاصله دارد. اين وابستگي نيرو-فاصله در (AFM) ، هنگامي که خواصي مانند تيزي نوک قلم مانند و نيروي برخورد مطرح مي گردد، بسيار پيچيده تر مي گردد. البته (AFM) همه کاره تر است و در مقايسه با ديگر انواع ميکروسکوپ ها، (AFM) بهتر و يا در قياس با آنهاست.[13]
براي يادگيري بهتر (AFM) را با ديگر انواع ميکروسکوپ مقايسه مي کنيم.

(AFM) در مقابل (SEM)

در مقايسه با ميکروسکوپ الکتروني روبشي (AFM) ،(SEM) ، کنتراست توپوگرافي بسيارعالي مهيا مي کند که ما به صورت مستقيم به اندازه ي ارتفاعات دست مي يابيم و در خواص سطحي نيز تداخل ايجاد نمي شود. (احتياج به پوشش دهي ندارد)

(AFM) در مقابل (TEM)

در مقايسه با ميکروسکوپ هاي الکتروني عبوري (TEM)، تصوير سه بعدي (AFM)، بدون نياز به آماده سازي گران قيمت نمونه، اطلاعات کامل تري از مقطع عرضي دو بعدي به ما مي دهد.

(AFM) در مقابل ميکروسکوپ نوري

در مقايسه با ميکروسکوپ هاي تداخلي نوري، (AFM) ، اندازه مبهمي از ارتفاعات پله ها، مستقل از تفاوت بازتابش بين مواد مختلف را مهيا مي کند. [13]

نيروهاي تعاملي (Interactive Forces)

تفاوت عمده ميان انواع ميکروسکوپ ها و (AFM) به نيروي ميان نمونه و قسمت پويشگر مربوط است. نيرويي که به طور عمده به ميکروسکوپ نيروي اتمي مربوط است نيروي بين اتمي است. اين نيرو به نيروي واندروالس شهرت يافته است. رابطه بين نيرو و فاصله در شکل 1 نشان داده شده است. در محل تماس پويشگر (نوک قلم مانند) و نمونه، پويشگر در فاصله ي کمتر از چند آنگسترم از سطح نمونه قرار دارد. و نيروهاي بين پايه و نمونه دافعه است. در نواحي غير تماس پايه در فاصله ي 10 - 100 آنگسترمي از سطح نمونه قرار مي گيرد. و نيروي بين اتمي پايه و نمونه جاذبه است. حالات پويش کردن در نواحي مختلف اين نمودار:
1)غير تماسي در ناحيه ي جاذبه
2)تماسي در ناحيه ي دافعه
3)حالت غير دائمي (که در بين دو حالت قبلي نوسان مي کند). يادگيري اين نمودار به آساني انجام مي شود. اگر شما تصور کنيد که بخش پويشگر مانند گروهي از اتم هاست که با سطح ماده که به صورت گروهي از اتم هاي ديگر است، فعل و انفعال مي کند.
در سمت راست نمودار، اتم ها در فاصله ي زيادي مجزا گشته اند و همين طور که اتم ها به صورت تدريجي به همديگر مي رسند، آنها ابتدا همديگر را به صورت ضعيف جذب مي کنند. اين جذب کردن کاهش يافته تا اتم ها به حدي از فاصله برسند که ابرهاي الکتروني همديگر را خنثي کنند. دافعه ي الکترو مغناطيس به طور تصاعدي نيروي جاذبه را همين طور که فاصله کاهش مي يابد ضعيف مي کند. با توجه به منحني، نيرو به سمت صفر ميل مي کند. هنگامي که فاصله بسيار زياد مي شود. هر چيزي که از اين نزديک تر شود، نيروي واندروالس کلي مثبت (دافعه)مي گردد.
اگر نيرويي موجب نزديک شدن پويشگر و نمونه شود. باعث برخورد پويشگر به سطح نمونه مي شود که نتيجه ي آن دفورمگي و خسارت نمونه يا پويشگر مي شود. دو نيروي ديگر وجود دارد که در هنگام اسکن کردن نمود مي کنند. يکي از اين نيروها، نيروي مويئن است که بوسيله يک آب ساختاري، که به طور معمول در يک محيط خنثي و در پويشگر بوجود مي آيد و نيرو به وسيله ي خود پايه بوجود مي آيد که شبيه نيرويي است که يک فنر فشرده دارد.[13]

شناسايي معيار ميکروسکوپيک

ولو اينکه، پروسه ي اسکن کردن درست باشد و با تمام دقت ممکنه انجام شده باشد، همه ي تصاوير، ارائه ي درستي از توپوگرافي واقعي نمونه نيست. پارامترهايي وجود دارد که مي توانند در هر اسکن تغيير کنند و ديگر نيروهايي که مجزا از نيروهاي بين اتمي اند که اين نيروها تصوير را دگرگون مي کنند.براي مثال در شکل 2 يک اسکن 5 ميکروني از مس است که با تترا هيدوفوران (tetrahydrofuran) اچ شده است.
اجزاي ميکروسکوپ (AFM)
(AFM) شامل اجزاي مختلفي است ولي در حالت کلي اجزاي اين ميکروسکوپ به نحوه ي زير تقسيم بندي شده اند :
1)سيستم بررسي نمونه
اين بخش شامل يک قسمت نوک تيز است که با قرار گيري نمونه در آن، آناليز سطح انجام مي شود. يعني نمونه در زير پروب حرکت مي کند و با توجه به عکس العمل هاي سطح توپوگرافي نمونه بدست مي آيد.
2)سيستم نمايش و پردازش اطلاعات
اين بخش شامل يک کامپيوتر و مانيتور است که با توجه به داده هاي بدست آمده از آناليز و بهره گيري از نرم افزارهاي خاص اين دستگاه تصاوير توپوگرافيک سطح جسم را نمايش مي دهد.

آناليز تصوير:

حال ما مي خواهيم از تفاوت تصوير خوب و بد صحبت کنيم. وقتي که من مي گويم تصويرخوب، منظورم تنها کيفيت تصوير نيست بلکه منظورم اين است که سطح با خواص واقعي ترسيم گردد. تصوير بد آن نوع تصاويري است که زروليشن پايين و خواص ناخانا دارند. اين تصاوير را نمي توان به عنوان مرجع استفاده کرد ولي مي توانند اطلاعاتي در مورد گروه هاي تشکيل دهنده ي جسم و نوع مواد شيمايي بدهند.
اگر نمونه از مواد خاصي تشکيل شده باشد و يا فازهاي تشکيل دهنده ي آن به طور نامنظم پخش شده باشند، نشاندهنده ي عدم دوام نمونه است.
تصاوير شکل 2 نشاندهنده ي مشکلات توليد است که به وسيله (AFM) نشانداده شده است.
تصوير شماره 2 -الف-نشاندهنده ي انعقاد (دلمه شدن) در يک نمونه است که تصور مي شد يک فيلم نازک است.
تصوير شماره 2 -ب-نشان مي دهد که چگونه گرد و خاک روي نمونه اسکن مناسب را تخريب مي کند. که در اين نمونه منشع خرابي، وجود گرد و خاک در فرآيند توليد است نکته ي مهم در مورد تصوير بد اين است که پارامترهاي بسياري بر روي خواص تصوير نمونه اثر مي گذارند. اين تغييرات نتيجه ي اين پارامترهاست که مي توانستند نباشند و تصوير ما يک تصوير خوب باشد.

براي مثال دفورمگي يا کند شدن پويشگر يکي از پارامترهاي مؤثر بر نوع تصوير (خوب يا بد) است. اين دفورمکي يا کند شدن به علت شکستگي و يا استفاده ي زياد بوجود آيند. در شکل 3 تصوير دو بعدي از يک نمونه ي شکستگي است در نگاه اول علامتي از اينکه تصوير، تصويري مناسب نيست وجود ندارد و اين مورد بنظر مي رسد که تنها از طريق تصوير 3 بعدي درستي و يا نادرستي تصوير فهميده مي شود. يک اپراتور جديد احتمالاً نمي تواند اين تصوير نامناسب را تشخيص دهد. ناآشنايي با نحوه اي که مواد بنظر مي رسند اين اجازه را نمي دهد، اما با آزمايش اين ممکن است که پارامترهاي ديگري که مي توانند تأثيرات اسکن را ايجاد کنند. در اختيار باشند. پارامترهاي اختياري شبيه ست پوينت (set point) که به معناي فاصله تا سطح ماده است . سرعت اسکن نه تنها مي تواند بر روي تصوير تأثير بگذارد، حتي مي تواند به نمونه آسيب برساند. تغيير ست پوينت بر نيرويي که پويشگر بين خود و نمونه احساس مي کند مؤثر است. اگر ست پوينت بسيار پايين باشد اسکن به خوبي انجام نمي شود. زيرا نيروها به اندازه اي نمي رسند که بتوانند به وسيله ي دتکتورها پايه شناسايي شوند. اگر ست پوينت خيلي بزرگ باشد. نوک قلم مانند (پويشگر) باعث دفورمگي خود و يا نمونه مي شود مگر اينکه واقعاً سخت باشد. که در اين حالت نيز نمونه تغيير فورم مي دهد. فاکتورهاي ديگري نيز وجود دارند که باعث ايجاد تصوير بد در زمان اسکن مي شوند که قابل کنترل نيستند. از نمونه هايي از اين فاکتورها بايد به اختشاشات دردماي عادي (الاستيک و پلاستيک)اشاره شود. هنگامي که نتيجه ي اسکن خوب است اما پيک هاي مکاني رندوم يا خطي در يک اسکن وجود دارند و در نمونه ي ديگر نيست احتمال ايحاد اختشاشات وجود دارد.[13]
/خ