آزمایش شماره ۱۲ : آشنایی با میکروسکوپ نیرو اتمی (AFM)

۱. هدف : آشنایی با روش‌ کار میکروسکوپ نیروی اتمی برای کسب اطلاعات در مقیاس نانو

۲. تئوری آزمایش :

برای مشاهده­‌ی اجسام و نمونه­‌های با ابعاد بسیار ریز در حد مولکول­‌های کوچک و اتم‌­ها، نمی­‌توان از میکروسکوپ­‌های معمولی  استفاده کرد؛ چرا که این نمونه­‌ها ابعاد نانویی دارند و میکروسکوپ‌­های معمولی که با نور مرئی کار می‌کنند، قادر به نشان دادن ابعاد نانویی نیستند. بنابراین برای دیدن نمونه­‌های نانویی، باید از ابزارهای دقیق­‌تر و پیشرفته‌­تر جهت شناسایی و آنالیز مواد استفاده شود.

با استفاده از روش­های میکروسکوپی، تصاویر با بزرگنمایی بالا از ماده به دست می‌­آید تا بتوان جزئیات آن را با دقت مطالعه نمود. قدرت تفکیک تصاویر میکروسکوپی با توجه به نوع پرتو مورد استفاده مشخص می­شود.  به­‌عنوان مثال، با استفاده از میکروسکوپ­‌های نوری، قدرت تفکیکی در حدود ۱ میکرومتر و رد بهترین حالت ۲۰۰ نانومتر به دست می‌آید درحالیکه با استفاده از میکروسکوپ­‌های الکترونی عبوری (TEM)، میکروسکوپ­‌های الکترونی روبشی (SEM)، میکروسکوپ تونلی روبشی (STM) ، میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) و میکروسکوپ میدان یونی (Field ion microscope) با وضوح بالا در حدود یک نانومتر تا چند انگستروم قابل دسترسی است.

 در بین میکروسکوپ‌های نامبرده شده، میکروسکوپ نیروی اتمی یکی از پرکاربرد‌ترین ابزار برای بررسی نانومواد است. این میکروسکوپ قادر به تصویربرداری با تفکیک مکانی اتمی از نمونه­‌های رسانا، نارسانا و حتی نمونه­‌های بیولوژیکی می‌­باشد. از این رو این ابزارشناسایی نقش به سزایی در پیشرفت علوم مختلف از جمله الکترونیک، نانوفناوری و علم مواد ایفا می‌­کند. امروزه دستگاه­‌های تجاری متفاوتی با مبانی مشابه و حالت‌های کاری مختلف عرضه شده‌­اند که از نظر دقت و کیفیت تصاویر با یکدیگر تفاوت دارند.

شکل ۱: میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM)

شکل ۲: طرح شماتیک عملکرد میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM)

۳. روش کار آزمایش

۱-۳- تجهیزات مورد نیاز

تجهیزات و مواد مورد نیاز برای انجام این آزمایش عبارتند از :

• آهنربا (آهنرباهایی که شبیه قرص هستند)
• طلق شفاف و مقوا با ابعاد 5*5 سانتی‌متر
• نوار مقوا نازک
• چسب

۲-۳- روش انجام آزمایش :

آهن‌رباها را کنار یکدیگر بچینید. برای اینکه آهن‌رباها کنار هم قرار گیرند باید سر مثبت آن‌ها یکی درمیان روبه بالا باشند. این آهنرباها را می‌توان به عنوان یک مدل فرضی از نمونه ماده‌ای که می‌خوایید آن را با میکروسکوپ AFM بررسی کنید، در نظر بگیرید.

طلق شفاف را روی آهنرباها قرار دهید. یک آهن‌ربای کوچک را روی یک سر نوار مقوایی بچسبانید. حالا شما یک پیمایشگر دارید. پیمایشگر همان نوک میکروسکوپ‌ها هستند که روی سطح نمونه حرکت می‌کند و اطلاعات نمونه را به پردازشگر انتقال می‌دهد.

نوار مقوایی را روی طلق شفاف حرکت دهید.

این آزمایش را با سطح غیر شفاف مقوا انجام دهید. شما باز هم همین مشاهدات را خواهید داشت. فقط این بار می‌توانید حدس بزنید که آهنرباها با چه آرایشی در زیر آن قرار گرفته‌اند.

شکل ۳: طرح شماتیک تصویربرداری از نمونه با استفاده از میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM)

۴. پرسش

• در مورد روش کار با میکروسکوپ نیروی اتمی تحقیق نمایید.
• در مورد بررسی و تحلیل اطلاعات حاصل دستگاه میکروسکوپ نیروی اتمی تحقیق نمایید.
• چرا به این قبیل میکروسکوپ‌ها، میکروسکوپ نیروی اتمی گفته می‌شود؟
• از چه روش‌هایی برای انتقال اطلاعات از سر پیمایشگر به دستگاه تحلیلگر میتوان استفاده کرد؟