تحليل AFM

التعرف علی تحليل AFM بشكل أفضل!

بلا شك ، لقد سمعنا جميعًا اسم مجهر القوة الذرية حتى الآن، أو حتى تعاملنا معه بطريقة ما في البحوث والمشاريع الصناعية. جهاز مهم للغاية تم استخدامه في العديد من المعامل ومراكز البحوث ، من تطوير وسائط التخزين المغناطيسية إلى علم الأحياء البنيوي. لكن ما مقدار ما نعرفه حقًا عن هذا الجهاز وطرق تحليله؟

دفعتنا أهمية مجهر القوة الذرية و تحليل AFM إلى كتابة مقال عن هذا المجهر وطرق تحليله. نأمل أن تساعدك قراءة هذا المقال ، أعزائي الطلاب والباحثين ، على التعرف أكثر على هذا المجهر.

متى

يعود تاريخ ظهور مجهر AFM؟

بدأ كل شيء في مختبر أبحاث IBM في زيورخ. صادف جيرد كارل بينينغ بالصدفة تصميماته سابقة مع هاينريش روهرر في بناء وتصميم مجهر المسح النفقي (STM) في عام 1986 ، شارك في تطوير مجهر القوة الذرية (AFM) مع كلفن الكوايت بجامعة ستانفورد. كان هدف Benning هو قياس القوى الصغيرة جدًا التي تشكلت بين مسبار AFM وسطح العينة قيد الدراسة. بسبب السرعة العالية لعملية تسويق الأفكار العلمية في المجتمعات الغربية (تمامًا مثل بلدنا!) ؛ تم تصنيع هذا المنتج بعد عامين ودخل السوق. منذ ذلك الحين ، قدم تحليل AFM العديد من المساهمات في دراسة التشكل والبنية السطحية في العلوم المختلفة ، بما في ذلك الهندسة وعلوم المواد. في الصورة أدناه ، يمكنك رؤية Benning وزميله Heinrich يدرسان لبناء جزء من آلة AFM.

يدرس Benning و Rohrer على جهاز AFM

تعرف علی المزيد مجهر القوة الذرية!

يُعرف الیوم مجهر القوة الذرية (AFM) كواحد من أهم معدات الكشف عن المقياس النانوي. هذا المجهر ، باستخدام إبرة حادة جدًا تسمى (probe) (وتضع بشكل مثالي ذرة واحدة فقط عند طرفها!!!) ، يعطينا بشكل غير مباشر خصائص عينات التحليل.

يمكن أن تكون القوى بين طرف الإبرة والعينة هي قوى فان دير فالس (Van der Waals)، والكهرباء الساكنة ، والاحتكاك ، والقوى الكهربائية ، والمغناطيسية ، والالتصاق ، و capillarity ، والقوى الذرية اعتمادًا على وجود هذه القوى ومسافة الإبرة إلى سطح العينة ، يتم تقسيم أوضاع الاختبار إلى ملامسة وعدم ملامسة.

نظرًا لعدم وجود قيود على الخصائص الفيزيائية للمادة لهذا الجهاز ، يمكن استخدامه لدراسة مجموعة متنوعة من المواد الموصلة وغير الموصلة وأشباه الموصلات. في محلل AFM ، يتم الحصول على صورة للسطح من تغییر مکان العمود وانحراف إنعکاس أشعة الليزر. من خلال إجراء تغييرات صغيرة في الجهد ، يتغير الكهرضغطية ميكانيكيًا في اتجاهات x و y و z ، ويمكن نقل موقع الحزمة إلى مواقع مختلفة في العينة.

جودة صور AFM ودقتها العالية قابلة للمقارنة مع الصور الأخرى وتظهر تحليلًا أكثر ملاءمة ودقة تصوير عالية لهذا الجهاز من الأجهزة الأخرى الموجودة. في الشكل أدناه ، يمكنك رؤية مثال على السطح الخارجي لمجهر القوة الذرية.

مجهر القوة الذرية (AFM)

مبادئ إجراء تحليل AFM

باختصار ، يعمل مجهر القوة الذرية على أساس الصورة التي تشكل القوة بين طرف المسبار وسطح العينة. هذا الجهاز له عمود. في أحد طرفي هذا العمود توجد إبرة حادة جدًا بأبعاد نانومترية وفي الطرف الآخر من العمود ، يتم توصيلها بذراع كهرضغطية (إذا لیست لدیکم ایة معرفة علی المواد الكهرضغطية ، فننصحكم بالرجوع إلى المنشورات المختلفة التي أعددناها حول هذه المواد وهياكلها على هذا الموقع).

ثم يتم تعديل شعاع الليزر وإشعاعه إلى الجزء الخلفي من العمود. بهذه الطريقة ، يمكننا تحويل شعاع الليزر عن مساره الأصلي عن طريق انحراف العمود عن موضعه الأصلي. لذلك ، لإنعکاس شعاع الليزر بشكل أكثر دقة ، يجب تغطية الجزء الخلفي من الشعاع بطبقة رقيقة من معادن الذهب أو الفضة أو الألومنيوم.

من خلال التغييرات الصغيرة في الجهد الكهربي الانضغاطي في اتجاهات x و y و z ، يمكننا مسح مواقع مختلفة على السطح بدقة عالية جدًا (حتى الأنجستروم). نظرًا لأن سطح المسح يحتوي على العديد من التقلبات و المرتفعات  ، فإنه يمارس قوة على الإبرة ، ويسمح الكاشف للكمبيوتر برسم سطح عينة من خلال النظر في هذه الانحرافات. لفهم هذا بشكل أكثر دقة ، قدمنا ​​لك نظرة عامة على آلية مجهر القوة الذرية في الشكل أدناه.

مبادئ مجهر القوة الذرية (AFM)

مكونات مجهر القوة الذرية (AFM)

المسبار: كما ذكرنا ، فإن الإبرة التي تمسح سطح العينة حادة للغاية وقطر طرفها عادة أقل من 10 نانومتر. (في الواقع ، أرق بـ 10000 مرة من سمك شعرة الإنسان!) رأس هذه الإبرة مصنوع من مواد شديدة الصلابة مثل الماس أو نيتريد السيليكا. الإبرة متصلة بعمود طوله 100 إلى 450 ميكرون.

الليزر والكاشف: يستخدم شعاع الليزر لتحديد انحراف الكماشة. من خلال إنعکاس الشعاع إلى الجانب العلوي والمسطح من الكماشة ، فإن أي انحراف في الكماشة يسبب تغيرات طفيفة في الضوء المنعكس. يتم تسجيل هذه التغييرات بواسطة كاشف حساس للموقع (PPSD) ويتم استخدامها أخيرًا لتتبع التغييرات والملقط. ومن المثير للاهتمام ، أن PPSD يمكن أن يقيس التغييرات التي تصل إلى 1 نانومتر.

ماسح ضوئي مزود بإمكانية التحكم في الاتجاه: يتم مسح السطح أو مسحه ضوئيًا بالطرف والكماشة. يتم التحكم في حركة الطرف أو العينة في اتجاهات X أو Y أو Z بواسطة ذراع كهرضغطية. يوضح الشكل التالي المواصفات الفنية النموذجية لمحلل AFM. لاحظ أنه يمكن تغيير هذه المعلمات اعتمادًا على نوع المجهر أو طرزه المختلفة.

المواصفات الفنية لمجهر القوة الذرية الشایعة

ما هي طرق عمل تحليل AFM؟

عند العمل باستخدام مجهر القوة الذرية ، تشارك قوى مختلفة في انحراف عمود AFM ، والتي ، كما ذكرنا ، قوى بين الذرية أو قوى فان دير فال هي واحدة من هذه القوى. تخلق هذه القوى وضعين عامين لتحليل AFM:

• الوضع الثابت/ Statics (DC-AFM)
• الوضع الديناميكي (AC-AFM)

الوضع الثابت (وضع الإخراج أو الاتصال)

في الحالة الساكنة ، يتم وضع العمود أقل من بضع أنجستروم من سطح العينة. القوة الذریة بين العمود والعينة من نوع القوة الطاردة. يتم توصيل الإبرة بنهاية العمود ب spring constant منخفض (أقل من spring constant الفعال الذي يربط ذرات العينة معًا) ويجعل الاتصال الجسدي لطيفًا مع العينة.

عندما يقوم الماسح الضوئي بمسح الإبرة برفق على سطح العينة ، تتسبب القوة الساكنة في ثني العمود بحيث يمكنها متابعة التغييرات في تضاريس السطح. عندما تقترب الذرات ، على يمين المنحنى السفلي ، فإنها تمتص بعضها البعض أولاً بشكل ضعيف.

القوى الكهروستاتيكية بين الذرات عن طريق تغيير المسافة بينهما

يزداد هذا الجذب إلى النقطة التي تكون فيها الذرات قريبة جدًا من بعضها البعض بحيث تبدأ قوة مطاردة لكهروستاتيكي بين سحب الإلكترون. مع انخفاض المسافة بين الذرات ، يؤدي القوة المطاردة الكهروستاتيكية إلى إضعاف قوى الجاذبية بشكل متزايد.

عندما تصل المسافة بين الذرات إلى أنجستروم واحد أو اثنين ، أي حوالي طول الرابطة الكيميائية ، يكون مجموع القوى صفرًا. نتيجة لذلك ، تعارض قوة فان دير فال تقريبًا أي قوة تحاول تقريب الذرات من بعضها. في مثل هذه المسافات ، تضغط العمود على العينة من خلال الإبرة ، وتنحني العمود بدلاً من أن تكون ذرات الإبرة أقرب إلى ذرات العينة.

وفقًا لهذا الأمر ، يتم تقسيم هذه الطريقة نفسها إلى وضعين للارتفاع الثابت و القوة الثابتة:

وضع الارتفاع الثابت: في حالة ثبات ارتفاع الماسح الضوئي أثناء المسح ، يمكن استخدام تغييرات انحراف العمود مباشرة لإنشاء معلومات طبوغرافية. يستخدم هذا الوضع بشكل شائع لإنشاء صور للأسطح المسطحة ذريًا. في هذه الحالة ، يكون انحراف العمود صغيرًا ، لذلك هناك تغييرات طفيفة في القوة المطبقة. يُستخدم وضع الارتفاع الثابت لالتقاط صور في (Real time) للأسطح المتغيرة التي تتطلب مسحًا عالي السرعة.

وضع القوة الثابتة: في هذا الوضع ، يمكن إستخدام انحراف العمود لإدخال دائرة ، مما يرفع الماسح الضوئي الانضغاطي في اتجاه z في مواجهة الطبوغرافي السطحية للعينة بطريقة تجعل المقدار من انحراف Cantilever يظل ثابتًا. في هذه الحالة ، يتم إنشاء الصورة بواسطة حركة الماسح الضوئي بيزو. من خلال الحفاظ على انحراف Cantilever ثابتًا ، تظل القوة الكلية المطبقة على العينة ثابتة. بالنسبة للعديد من التطبيقات ، يفضل وضع القوة الثابتة.

الوضع الديناميكي (وضع الامتصاص أو عدم الاتصال)

يعد الفحص المجهري للقوة الذرية الديناميكية أحد تقنيات العمود الاهتزازية التي تهتز فيها عمود AFM بالقرب من سطح العينة. في الحالة الديناميكية ، يتم وضع العمود على مسافة عدة عشرات إلى عدة مئات من الأنغستروم من سطح العينة ، وفي هذه الحالة ، ترجع القوة بين الذرات بين العمود والعينة بشكل أساسي في تفاعلات فان دير فالس بعيد المدى (Long-range)إلی قوة جاذبیة.

مقارنة بين الوضع الديناميكي والثابت

تتمثل إحدى مزايا الفحص المجهري للقوة الذرية الديناميكية في أن تضاريس العينة تُقاس بدون تلامس أو مع اتصال ضئيل للغاية بين الإبرة والعينة. القوة بين الإبرة والعينة منخفضة جدًا في الحالة الديناميكية (عادة حوالي 10-12 نيوتن) ، وهي ميزة لدراسة العينات اللينة.

هذه قوة منخفضة القوة لدراسة العينات اللينة أو المرنة. أيضًا ، لا تتلوث العينات مثل رقائق السيليكا عن طريق ملامستها للإبرة. من ناحية أخرى ، نظرًا لأن القوة بين الإبرة والعينة منخفضة في الحالة الديناميكية ، يصعب قياسها أكثر من الحالة الساكنة.

بالإضافة إلى ذلك ، يجب أن تكون الأعمدة المستخدمة في AFMs الديناميكية أكثر صلابة من الأعمدة المستخدمة في AFMs الثابتة ، لأنه يمكن سحب العمود اللین نحو سطح العينة وملامستها لها. من ناحية أخرى ، يُفضل الوضع الديناميكي على الوضع الثابت لقياس العينات اللينة.

القوة المنخفضة وصلابة العمود، في الحالة الديناميكية ، كلاهما عاملان يقللان من إشارة AFM الديناميكية. لذلك ، من الصعب قياس التغييرات في الإشارة وتتطلب طريقة حساسة للكشف عن التيار . في الوضع الديناميكي ، لا توجد مشكلة في فقد الإبرة أو العينة ، والتي يمكن رؤيتها أحيانًا بواسطة الوضع الثابت بعد العديد من عمليات المسح. في حالة العينات الجامدة ، قد تبدو صور تحليل AFM الثابتة والديناميكية متشابهة. ولكن إذا تكثفت عدة طبقات من الماء ، على سبيل المثال ، على سطح عينة صلبة ، فقد تكون الصور مختلفة تمامًا. يمكن لتحليل  AFM الذي يعمل في الوضع الثابت اختراق هذه الطبقة وتصوير السطح تحتها ، بينما في الفحص المجهري للقوة الذرية الديناميكية يمكنه تصوير سطح السائل.

نقاط القوة والضعف في تحليل AFM

ما هي استخدامات مجهر AFM؟

أهم إمكانيات تحليل AFM هي:

• القدرة على قياس أبعاد المادة في الصورة المستلمة
• القدرة على عرض عدة ملفات صور ثنائية أو ثلاثية الأبعاد واضحة ودقيقة في وقت واحد بشکل مقارنة
•  توفير صور ثنائية أو ثلاثية الأبعاد بأبعاد نانومترية في وقت واحد (مثل الجزيئات البيولوجية أو DNA أو الأجسام المضادة)
• القدرة على تخزين جميع معلومات العينة وظروف الاختبار مع الصورة
• القدرة على تصدير النتائج المتوافقة مع البرامج الأخرى
• القدرة على تغيير حجم وزاوية وموقع الصورة على سطح العينة من خلال البرنامج دون تحريك العينة
• آلية أوتوماتيكية بالكامل لتحريك وتعديل زوايا الكاميرا كبرنامج
• آلية حركة العينة تلقائية بالكامل دون تدخل مادي من المستخدم

إستنتاج

في هذه المقالة ، حاولنا فحص مجهر القوة الذرية ومبادئ تحليل AFM. كما هو مذكور في هذه المقالة ، تعتمد هذه الطريقة على قياس القوة بين الماسح (probe) وسطح العينة ، والتي يتم قياسها بواسطة الكاشف. من المثير للاهتمام معرفة أنه يمكن استخدام تحليل AFM اليوم ، بالإضافة إلى دراسة أنواع مختلفة من الطباعة الحجرية النانوية وإنتاج الهياكل النانوية ، لدراسة الخصائص الميكانيكية والتآكل والخدوش وغيرها من خصائص سطح العينة.

جمیع التحلیلات

مصادر

علي رضا ذولفغاري ، محمد الماسي ، بيروز مرعشي ، مهرداد نجبا ، أوميد سيفي ، “مجهر الفحص المخبري على طرف الإبرة” ، طهران ، بيكنور (2006).

Binnig, C.F. Quate, C. Gerber, Atomic force microscope, Phys. Rev. Lett. 56, 930–۹۳۳ (۱۹۸۶).