آنالیز AFM

تاریخچه تست AFM

تاریخچه اختراع ميکروسکوپ نیروي اتمي AFM به سال 1986 و آزمایشگاه IBM در زوریخ برمی گردد. کارل بینیگ و همکارش، هایریش روهرر طرح های قبلی ارائه شده برای ساخت میکروسکوپ تونلی روبشی (STM) را بررسی کردند و بعد از آن طرح خود برای اختراع میکروسکوپ AFM را ارائه دادند. آن ها با این کار می خواستند نیروی بسیار کمی که بین پروب میکروسکوپ AFM و سطح نمونه وجود داشت را اندازه گیری کنند.

میکروسکوپ نیروی اتمی AFM ، دو سال بعد از اینکه این دو نفر طرح خود را ارائه دادند، وارد بازار شد. هم چنین آن ها برای اختراع میکروسکوپ AFM در سال 1986 موفق به دریافت جایزه نوبل فیزیک شدند. امروزه  AFM یکی از بهترین و کاربردی ترین میکروسکوپ برای تصویربرداری سه بعدی و دوبعدی و هم چنین اندازه گیری ماده در مقیاس نانو می باشد.

نحوه انجام تست AFM

همان گونه که پیش تر اشاره شد، میکروسکوپ AFM اهرمی دارد که سطح را روبش می کند. برای بررسی جا به جایی های اهرم، از یک لیزر استفاده می شود. لیزر بر پروب می تابد و بازتاب آن روی یک دیود نوری اندازه گیری می شود.

با جا به جایی اهرم دستگاه AFM نور لیزر نیز جا به جا می شود و در نتیجه از پستی ها و بلندی های سطح نمونه تصویر تهیه می شود.

انواع روش های تست AFM

بسته به فاصله و نیروی بین سطح نمونه و پروب، اناليز AFM با حالت های مختلفی انجام می شود. این حالت ها شامل حالت تماسی، غیر تماسی و ضربه ای است.

حالت تماسی تست AFM

در حالت تماسی نوک پروب با سطح، تماس دارد و روی آن حرکت می کند و طبق پستی و بلندی های سطح، تصویر حاصل از آن تشکیل می گردد. حالت تماسی آنالیز ميکروسکوپ نیروي اتمي ، سرعت روبش بالایی دارد و برای نمونه هایی که در برابر تغییرات شیمیایی مقاومت دارند و سخت هستند مناسب است.

حالت غیر تماسی میکروسکوپ AFM

در حالت غیر تماسی تست AFM ، اهرم دستگاه AFM توسط یک پیزوالکتریک به حرکت درآورده می شود.

 نوک پروب میکروسکوپ نیروی اتمی در نزدیکی سطح و بدون تماس با آن سطح را روبش می کند. AFM در حالت غیر تماسی، نیروی واندروالسی ضعیف بین پروب و سطح نمونه را اندازه گیری می کند. این حالت میکروسکوپ AFM بیشتر برای محیط های هوا و مایع مناسب است. سرعت روبش در حالت تماسی نسبت به غیر تماسی کمتر است و از آن جایی که با سطح نمونه برخورد ندارد، آسیب کمتری به نمونه و نوک پروب میکروسکوپ نیروی اتمی AFM وارد می کند.

حالت ضربه ای آناليز AFM

حالت ضربه ای که با نام متناوب نیز شناخته می شود، بسیار شبیه به حالت غیر تماسی است. در حالت ضربه ای میکروسکوپ AFM ، نوک پروب با حالت ضربه ای و نوسانی روی سطح حرکت می کند و برای تماس، آهسته به سطح نزدیک می شود. سپس برای جلوگیری از آسیب به پروب از سطح دور می شود. با نزدیک شدن نوک پروب به سطح، دامنه نوسان اهرم کاهش پیدا می کند. بررسی ویژگی های سطحی نمونه با اندازه گیری این دامنه نوسان ممکن می شود.

سرعت روبش در حالت ضربه ای انالیز AFM ، پایین بوده و برای نمونه های نرم مناسب است.

کاربردهای آنالیز میکروسکوپ نیروی اتمی AFM

با کمک تست AFM می توان ساختار و ناهمواری سطوح جامد و هم چنین اندازه ذرات کوچک را با دقت  نانومتری آنالیز کرد.

ضخامت سنجی لایه های نازک مواد دوبعدی به صورت نانومتری و با دقت 1 نانومتر با AFM امکان پذیر است.

با کمک تصاویر حاصل از AFM و نرم افزار اجرا و تحلیل تصاویر AFM ، می توان ابعاد مواد را بررسی و اندازه گیری کرد.

میکروسکوپ نیروی اتمی AFM امکان ارائه هم زمان تصاویر دوبعدی و سه بعدی در ابعاد نانومتر را دارد.

نیروها و برهمکنش های الکترواستاتیکی و مغناطیسی نیز توسط تست AFM قابل اجرا است.

با استفاده از تصویربرداری توپوگرافیک میکروسکوپ AFM می توان سطوح سه بعدی همچون سختی سطح و اندازه دانه ها را نیز محاسبه کرد.

بررسی خواص مغناطیسی مواد و کنترل کیفی سطوح پوشش داده شده نیز با انجام آناليز AFM میسر می شود.

مزایای آنالیز AFM

در حالت تماسی تست AFM سرعت روبش بالا بوده و امکان دستیابی به رزولوشن بالا آسان است. هم چنین نمونه هایی با توپوگرافی پیچیده را می توان به آسانی با این روش تست AFM آنالیز کرد.

دستگاه AFM این قابلیت را دارد که بدون دخالت اپراتور، بتوان نمونه را جا به جا کرد.

در حالت غیر تماسی نیروی کمی به سطح نمونه وارد می شود و همین باعث می شود سطح نمونه به خصوص نمونه های نرم، تخریب نشود.

با استفاده از آنالیز AFM می توان مورفولوژی سطوح ناواضح را نیز شناسایی کرد.

هم چنین مزیت میکروسکوپ نیروی اتمی نسبت به سایر روش های میکروسکوپی و تصویربرداری، مانند آنالیز میکروسکوپ نوری و آنالیز sem  و میکروسکوپ الکترونی عبوری در این است که در میکروسکوپ AFM از اشعه استفاده نمی گردد. به همین دلیل مشکلات مربوط به وضوح تصویر ناشی از تنظیم و هدایت اشعه وجود ندارد.

معایب آنالیز AFM

امکان تحریف تصویر به دلیل وجود نیروهای جانبی در حالت تماسی وجود دارد. نیروهای مویینگی حاصل از سیال از نقاط ضعف حالت تماسی تست AFM محسوب می شود. حالت تماسی به نمونه های نرم آسیب زده و آن ها را تخریب می کند. در حالت غیر تماسی رزولوشن جانبی کم است و این حالت برای آنالیز سیالات سرعت روبش کمی دارد.

از دیگر محدودیت های تست AFM وابسته بودن اطلاعات حاصل از آنالیز AFM به نوک میکروسکوپ است. هم چنین امکان آسیب دیدن پروب میکروسکوپ AFM یا تخریب نمونه در حین انجام آنالیز AFM وجو دارد.

نرم افزار تجزیه و تحلیل تصاویر AFM

بعد از انجام تست AFM از نمونه تصویری گرفته می شود که فرمت آن وابسته به نوع نرم افزار نصب شده روی سیستم است. تصویر خام حاصل از AFM به صورت nid (Nanosurf image document) است. نرم افزار اجرا و تحلیل تصاویر AFM اطلاعاتی شامل انوع مختلفی از تصاویر سه بعدی، دوبعدی استاندارد، خطی و غیره ارائه می دهد که در کنار آن از زوایای مختلف می توان اطلاعات مفیدی به دست آورد.

 محاسبه زبری سطح و بررسی پوشش ها نیز توسط نرم افزار اجرا و تحلیل تصاویر AFM امکانپذیر است. جذابیت نرم افزار اجرا و تحلیل تصاویر AFM در انتخاب تصویر از زوایای مختلف و با ابعاد مختلف است. گزینه های موجود در نرم افزار تجزیه و تحلیل تصاویر AFM شامل بررسی عمق، نفوذ پوشش، اختلاف سطح پوشش و غیره است.

مقایسه آنالیز AFM و SEM

میکروسکوپ نیروی اتمی AFM و میکروسکوپ الکترونی روبشی هر دو به صورت روبشی و برای تصویربرداری از سطح نمونه و دریافت اطلاعات توپوگرافی استفاده می شوند. اما آنالیز SEM در دو بعد X و Y بزرگنمایی می کند و دستگاه AFM در سه بعد X، Y و Z می تواند بزرگنمایی انجام دهد. هم چنین تست AFM بزرگنمایی های متفاوتی در این سه جهت ارائه می دهد.

از طرفی آنالیز SEM سطح نمونه را بسیار سریعتر از اناليز AFM اسکن می کند و دستگاه آنالیز SEM می تواند آنالیز EDS را نیز انجام داده و عناصر موجود در نمونه را با درصدهای وزنی و اتمی آن ها شناسایی کند.

خدمات آنالیز AFM

خدمات آنالیز AFM در آزمایشگاه ها و مراکز تحقیقاتی برای بررسی و آنالیز مواد مختلف انجام می شود. تصویربرداری از سطح نمونه در مدهای تماسی، غیرتماسی، ضربه ای و الکترواستاتیکی و مغناطیسی از جمله خدمات آنالیز AFM است. تصویربرداری و طیف سنجی نیرو (چسبندگی) نیز به عنوان خدمات آنالیز AFM در مراکز مختلف قابل انجام است.

 هم چنین اگر نیاز به تحلیل نتایج AFM داشته باشید، کارشناسانی که در مراکز ارائه دهنده خدمات آنالیز AFM هستند، می توانند به شما کمک کنند.

هزینه آنالیز AFM

هزینه آنالیز AFM بسته به اینکه در چه مد دستگاه AFM انجام شود می تواند متفاوت باشد. برای مثال هزینه آنالیز AFM و تصویربرداری از نمونه در مد غیرتماسی و ضربه ای با حالت تماسی متفاوت است. انجام طیف سنجی نیرو نیز از جمله مواردی است که باعث افزایش هزینه آنالیز AFM می شود. این نکته را هم باید گفت که هزینه آنالیز AFM به صورت ساعتی می باشد و هزینه آماده سازی نمونه برای انجام تست AFM به صورت جداگانه اضافه می گردد.