برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۵/۲۷ تا ۱۳۹۷/۰۶/۰۲

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۷,۱۱۰
  • بازدید این ماه ۹۶
  • بازدید امروز ۵
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۳۷۹
  • قبول شدگان ۳۰۰
  • شرکت کنندگان یکتا ۱۶۰
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۷۱
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

مقدماتی

امتیاز کاربران

آشنایی با میکروسکوپ نیروی اتمی

از اوایل سال 1990 میکروسکوپ‌های پروبی روبشی (Scanning Probe Microscope (SPM)) برای دست‌یابی به قدرت تفکیک‌های مناسب‌تر در حد آنگستروم ابداع شدند. این میکروسکوپ‌ها علاوه بر تصویردهی از سطح مواد قابلیت بررسی خواص سطحی مواد نظیر خواص الکتریکی، مغناطیس و غیره را دارند. مانند خانواده میکروسکوپ‌های الکترونی که شامل دو زیر مجموعه عبوری و روبشی بودند، خانواده میکروسکوپ‌های پروبی روبشی نیز از زیرمجموعه‌هایی تشکیل شده‌اند که همگی آن‌ها به بررسی خواص سطحی مواد از مقیاس اتمی تا میکرونی می‌پردازند. دستگاه‌های این خانواده با استفاده از یک سوزن بسیار تیز از جنس تنگستن، نانولوله‌های کربنی و غیره، سطح را روبش کرده و بسته به نوع دستگاه خواص سطحی مورد نظر را تصویر می‌کنند.
دو نوع متداول این میکروسکوپ‌ها، میکروسکوپ نیرو اتمی (Atomic Force Microscopy (AFM)) و میکروسکوپ تونلی روبشی (Scanning Tunneling Microscopy (STM)) هستند. شکل 1 اصول کلی این دو میکروسکوپ را نشان می‌دهد.

filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820
شکل 1. اصول کلی میکروسکوپ تونلی روبی (راست) میکروسکوپ نیروی اتمی (چپ)


1. میکروسکوپ نیرو اتمی
مبنای تشکیل تصویر در میکروسکوپ نیروی اتمی، نیروی بین سوزن و سطح نمونه است. در این میکروسکوپ، سطح نمونه با سوزنی تیز به طول 2 میکرومتر و قطر کمتر از 100 آنگستروم روبش می‌شود. سوزن در انتهای یک تیرک (cantilever) به طول 100 تا 200 میکرومتر قرار گرفته است. تیرک را معمولا از موادی می‌سازند که قابلیت ارتجاع بالایی داشته باشد. سر دیگر تیرک به بازوی پیزوالکتریک (پیزوالکتریک به دسته‌ای از مواد گفته می‌شود که در اثر تحریک الکتریکی از خود حرکت مکانیکی نشان می‌دهند و بلعکس. از این مواد در جابه‌جایی‌های بسیار دقیق استفاده می‌شود) متصل شده است. وقتی سوزن روی سطح نمونه کشیده می‌شود به دلیل پستی‌بلندی‌های سطح، نیرویی از طرف سطح به سوزن اعمال و موجب خمش و یا انحراف تیرک می‌شود. این انحرافات نسبت مستقیم با نیروی وارد شده به سوزن دارد. آشکارساز در این میکروسکوپ با اندازه‌گیری این انحرافات در حین روبش سطح، به رایانه این امکان را می‌دهد تا نقشه پستی بلندی‌های سطحی را تولید کند. نحوه آشکارسازی این انحرافات به دلیل ابعاد بسیار کوچک سوزن به سادگی امکان‌پذیر نیست. برای این منظور از پرتو لیزر استفاده می‌شود. بدین ترتیب که دستگاه آشکارساز با تابش پرتو لیزر بر روی سطح پشتی تیرک و ثبت مکان بازتاب آن با استفاده از آشکار ساز حساس به موقعیت، تصویر پستی بلندی‌های سطحی را ایجاد می‌کند. آشکارساز حساس به موقعیت قادر است تا تغییرات را تا اندازه یک نانومتر شناسایی کند. به منظور این که نور لیزر برخوردی به پشت تیرک به خوبی بازتاب شود معمولا پوششی از طلا و یا آلمینیوم روی آن ایجاد می‌کنند. اصول کار میکروسکوپ نیروی اتمی در شکل 2 دیده می‌شود. این میکروسکوپ قادر به بررسی نمونه‌های نارسانا، نیمه‌رسانا و رسانا است.

filereader.php?p1=main_c81e728d9d4c2f636
شکل 2. اصول کاری میکروسکوپ نیروی اتمی

چندین نیرو در انحراف تیرک دخیل هستند. معمول‌ترین نیروی مورد استفاده در این میکروسکوپ، نیروی بین اتمی واندروالسی است. به طور کلی وقتی دو اتم در مجاورت هم باشند، نیروی بین آن‌ها جاذبه و اگر فاصله آن‌ها از حدی به هم نزدیک‌تر باشد، نیروی بین آن‌ها به دلیل فرورفتن ابرهای الکترونی در هم دافعه است.
وابستگی نیروی واندروالسی به فاصله بین سوزن و نمونه در شکل 3 نشان داده شده است. دو منطقه مجزا در منحنی شکل 3 نشان داده شده است. در منطقه اول که منطقه تماسی است، تیرک در فاصله چند آنگسترونی سطح نمونه نگه داشته می‌شود و نیروی بین اتم‌های سوزن و سطح دافعه است. در منطقه دوم که منطقه غیرتماسی نام دارد، تیرک در فاصله چند صد آنگسترومی از سطح نمونه قرار داشته و نیروی غالب نیروی جاذبه است. علاوه بر دو منطقه ذکر شده، منطقه دیگری در منحنی وجود دارد که در آنجا میکروسکوپ در حالت ضربه‌ای کار می‌کند. در این حالت که مشابه حالت غیرتماسی است، سوزن مرتعش نسبت به حالت غیرتماسی به سطح نزدیک‌تر است، بنابراین در انتهای حرکت رفت ضربه کوچکی نیز به نمونه می‌زند که در ادامه این حالات تشریح شده‌اند.

filereader.php?p1=main_eccbc87e4b5ce2fe2
شکل 3. منحنی نیروی بین اتمی بر حسب فاصله

حالت تماسی
در این حالت، سوزن تماس فیزیکی نرمی با نمونه دارد و جا‌به‌جا کردن تیرک به بالا و پایین، موجب می‌شود تا سوزن دستگاه در نیروی ثابتی نگه‌داشته شده و با اندازه‌گیری میزان انحراف تیرک متناسب با پستی‌بلندی‌های سطح نمونه، نیروی دافعه اندازه‌گیری می‌شود. تماس مستقیم سوزن دستگاه با نمونه می‌تواند باعث صدمه زدن به نمونه شود، بنابراین این حالت را نمی‌توان برای نمونه‌های نرم به کار برد.
مزایا: سرعت روبش، مناسب برای سطوح سخت و قابل استفاده برای بررسی اصطکاک
معایب: آسیب به نمونه‌های نرم با جابه‌جا کردن اتم‌ها

حالت غیرتماسی
در این حالت سوزن با سطح تماس نداشته و با نوسان تیرک با دامنه بین 5 تا 10 نانومتر از سطح نمونه، نیروهای جاذبه واندروالسی اندازه‌گیری خواهند شد.
مزایا: نیروی بسیار کمی به نمونه اعمال می‌شود و طول عمر سوزن زیاد است.
معایب: قدرت تفکیک پایین‌تر، آلودگی سطحی موجب تداخل در تصویر شده و اغلب برای تصویربرداری مناسب به خلاء بسیار بالا نیاز دارد.
شکل 4 تصویرهای بدست آمده از حالت تماسی و غیرتماسی را نشان می‌دهد. در حالت تماسی با سوزن بسیار تیز و نمونه سخت، بهترین قدرت تفکیک بدست می‌آید.

حالت ضربه‌ای
در این حالت با ثابت نگه‌داشتن دامنه نوسان، برهم‌کنش‌های سوزن و نمونه ثابت نگه‌داشته می‌شود و تصویر پستی‌بلندی‌های سطح بدست می‌آید.
مزایا: بررسی نمونه‌های نرم، مناسب برای نمونه‌های زیستی
معایب: برای تصویربرداری از نمونه‌های درون مایع مانند نمونه‌های زیستی مشکل‌ساز است و سرعت روبش پایینی دارد. شکل 5 نمونه‌هایی از تصویرهای تهیه شده با استفاده از میکروسکوپ نیروی اتمی را نشان می‌دهد. تصاویر بالا نشان دهنده قدرت تفکیک اتمی این میکروسکوپ است و تصاویر پایین نقشه پستی‌بلندی‌های سطحی را نشان می‌دهد.

filereader.php?p1=main_a87ff679a2f3e71d9
شکل 4. تصویر میکروسکوپ نیروی اتمی (راست) حالت تماسی، (چپ) حالت غیرتماسی

filereader.php?p1=main_e4da3b7fbbce2345d
شکل 5. تصاویر بالا نشان‌ دهنده اتم با استفاده از میکروسکوپ نیروی اتمی. تصاویر پایین نقشه پستی‌بلندی‌های سطحی توسط میکروسکوپ نیروی اتمی است.

منابـــع و مراجــــع

کتاب آشنایی با علوم و فناوری نانو 1