آنالیز AFM یک تصویربرداری بسیار دقیق برای مطالعه سطح و خواص ماده است. در آنالیز AFM، یک پروب نازک و حساس از اتم‌ها یا نیروهای مولکولی بر روی سطح نمونه حرکت می‌کند و تغییرات فیزیکی را که در اثر تعامل با سطح نمونه رخ می‌دهد، ثبت می‌کند.

با استفاده از آنالیز AFM، می‌توان جزئیات مولکولی و اتمی را بر روی سطوح را مطالعه کرد نمونه‌ای که قرار است تحت آنالیز قرار بگیرد، می‌تواند جامد، مایع، یا حتی گاز باشد در حالت کلی، نمونه در زیر پروب دستگاه  آنالیز قید شده قرار می‌گیرد و سپس با حرکت پروب در نزدیکی سطح نمونه، نیروهای بین پروب و سطح تعیین می‌شوند و تصاویر سه بعدی از سطح نمونه ایجاد می‌شود.

اطلاعاتی که از طریق این روش آنالیز به دست می‌آید شامل توپوگرافی سطح، خواص مکانیکی مانند سختی و مرونت، خواص الکتریکی مانند رسانایی و خواص مغناطیسی می‌شود این روش در بسیاری از زمینه‌های علمی و فناوری از جمله فیزیک، شیمی، نانوتکنولوژی، بیوتکنولوژی و مهندسی مواد استفاده می‌شود

استفاده از AFM به دلیل دقت بالا و قابلیت تصویربرداری در مقیاس نانومتری، بسیار مفید است و در تحقیقات پایه و کاربردی در بسیاری از زمینه‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد که در این مقاله از گروه آنالیز آزمایشگاهی مهراندیش به ویژگی‌ها،پارامترهای اندازه گیری شده با این آنالیز و نحوه‌ی عملکرد دستگاه مربوطه خواهیم پرداخت.

چگونگی شروع اولیه آنالیز AFM در جهان و مزیت آن

میکروسکوپ های نوری که پیش تر مورد استفاده قرار می‌گرفتند قادر به تصویربرداری در ابعاد پایین تر از دامنه طول موج نور مرئی(µm) نبودند. با ورود میکروسکوپ های الکترونی به عرصه فناوری امکان تصویربرداری در ابعاد نانومتری فراهم شد.

با اختراع میکروسکوپ های پروب روبشی در اواخر قرن بیستم علاوه بر مواد رسانا، امکان تصویربرداری از نمونه بدون نیاز به خلاء فراهم گردید و نقطه عطفی در نانوسکوپی اتفاق افتاد.

 میکروسکوپ های نیروی اتمی (AFM)، دسته ای از میکروسکوپ های پروب روبشی هستند که علاوه بر امکان تصویربرداری در محیط غیر خلاء، می توانند از نمونه های زیستی و غیررسانا نیز تصویربرداری کرده و همچنین در تعیین خواص مختلف نمونه ها، آنالیزهای کاربردی در اختیار محققین قرار دهند.

ویژگی‌های آنالیز AFM

• دقت بالا: این آنالیز قادر به تصویربرداری با دقت بسیار بالا است. این روش قادر به تشخیص تغییرات فازی در ارتفاع سطح به سطحی حدود یک نانومتر است
• تصویربرداری سه‌بعدی: تصویر برداری سه‌ بعدی از سطح نمونه را فراهم می‌کند. این ویژگی به محققان اجازه می‌دهد تا جزئیات دقیق تری را از ساختار سطحی مورد مطالعه‌شان بدست آورند.
• قابلیت تصویربرداری در محیط محلول: قادر به تصویربرداری نمونه‌ها در محیط محلول است. این ویژگی به محققان امکان مطالعه رفتار نمونه‌ها در شرایط واقعی زیستی را می‌دهد.
• قابلیت اندازه‌گیری خواص مکانیکی: می‌تواند خواص مکانیکی مانند سختی و مرونت سطح نمونه را اندازه‌گیری کند. این ویژگی به محققان اجازه می‌دهد تا خواص مکانیکی مواد را در مقیاس نانومتری بررسی کنند.
• قابلیت تحلیل نقاط و ناحیه‌های خاص: قابلیت تحلیل نقاط و ناحیه‌های خاص روی سطح نمونه را دارد.

AFMپارامترهای قابل اندازه گیری

• توپوگرافی سطح: این آنالیز قادر به اندازه‌گیری توپوگرافی سطح نمونه است که این شامل ارتفاع، عرض، طول و تغییرات زاویه سطح است. با اندازه‌گیری توپوگرافی، می‌توان جزئیات مولکولی و ساختارهای ریزساختاری روی سطح را تحلیل کرد.
• خواص مکانیکی:یعنی قادر به اندازه‌گیری خواص مکانیکی مانند سختی، مرونت و مقاومت در برابر فشار است. این پارامترها نشان‌دهنده ویژگی‌های مکانیکی و ساختاری مواد می‌باشند.
• خواص الکتریکی: با استفاده از این آنالیز، می‌توان خواص الکتریکی مانند رسانایی، توزیع جریان و خواص الکترونیکی دیگر روی سطح نمونه را اندازه‌گیری کرد. این اطلاعات مهم در زمینه‌های الکترونیک و نانوالکترونیک مورد استفاده قرار می‌گیرند.
• خواص مغناطیسی:این آنالیز قابلیت اندازه‌گیری خواص مغناطیسی مانند میدان مغناطیسی و توزیع میدان مغناطیسی را نیز داراست. این اطلاعات می‌تواند در زمینه‌های مغناطیس و نانومغناطیس مفید باشد.
• خواص اپتیکی:این آنالیز همچنین می‌تواند خواص اپتیکی سطح نمونه را اندازه‌گیری کند. این شامل شدت نور، انعکاس و تنش‌های نوری می‌شود. این اطلاعات می‌تواند در زمینه‌های نانوفوتونیک و اپتیکال مفید باشد.

توجه داشته باشید که AFM قادر است اندازه‌گیری تعدادی از پارامترهای فوق را در یک زمان مشخص انجام می‌دهد. به علاوه، برخی از پارامترها نیازمند تکنیک‌های خاصی هستند، مانند استفاده از پروب‌های خاص برای اندازه‌گیری خواص الکتریکی و مغناطیسی.

علاوه بر این، AFM قابلیت اندازه‌گیری تغییرات زمانی در پارامترهای مذکور را نیز دارد. به عنوان مثال، می‌توان به صورت زمانی نقاط مختلف روی سطح را دنبال کرده و تغییرات آنها را به طول زمان رصد کرد.

نحوه‌ی عملکرد میکروسکوپ‌های نیروی اتمی

• قرار دادن نمونه: ابتدا نمونه‌ای که قرار است تحت تصویربرداری قرار گیرد روی پله‌های نمونه قرار می‌گیرد. پله‌های نمونه سطحی صاف و تخت هستند و برای نگهداری و ثابت نگه داشتن نمونه استفاده می‌شوند.
• تعیین نقطه شروع: یک نقطه شروع روی سطح نمونه تعیین می‌شود. این نقطه معمولاً به صورت دستی توسط کاربر یا با استفاده از نرم‌افزار کنترلی تعیین می‌شود.
• حرکت پروب: پروب AFM به طور مداوم حرکت می‌کند و در نزدیکی سطح نمونه قرار می‌گیرد. حرکت پروب توسط یک سیستم مکانیکی کنترل می‌شود.
• اعمال نیرو: این پروب نیرویی روی سطح نمونه اعمال می‌کند. این نیرو می‌تواند از نیروهای ون‌دروالس (Van der Waals) یا نیروهای الکترواستاتیکی تا نیروهای مغناطیسی یا فشار متناوب (dynamic force) باشد. این نیروها توسط پروب و نمونه تعامل می‌کنند.
• اندازه‌گیری نیرو: سیستم AFM قادر به اندازه‌گیری نیروهای بین پروب و سطح نمونه است. این اندازه‌گیری نیرو در زمان حرکت پروب انجام می‌شود و نیروهایی که در اثر تعامل پروب و نمونه به وجود می‌آید را ثبت می‌کند.
• ثبت تصویر: با استفاده از داده‌های اندازه‌گیری شده نیرو، تصویر سطح نمونه ایجاد می‌شود. این تصویر معمولاً به صورت توپوگرافی سطح نمونه نشان داده می‌شود و جزئیات ریزساختاری را نمایش می‌دهد.
• تحلیل تصویر: پس از ثبت تصویر، می‌توان از طریق تحلیل تصویر اطلاعات بیشتری را از سطح نمونه استخراج کرد. این شامل اندازه‌گیری ارتفاع، طول، عرض و خواص دیگر می‌شود.
• نمایش و تحلیل داده: نتایج تصویربرداری AFM معمولاً به صورت تصاویر سه‌بعدی نمایش داده می‌شوند. این تصاویر می‌توانند به صورت مقیاس بزرگ یا مقیاس کوچک باشند و اطلاعات دقیقی در مورد ساختار سطحی نمونه را ارائه می‌دهند.
• پردازش داده: در مرحله‌ی پایانی، داده‌های اندازه‌گیری شده قابل پردازش هستند. این شامل تصحیح نویز، فیلترهای مختلف، تصحیح خطاهای محیطی و استخراج ویژگی‌های خاص می‌شود.

همچنین، توجه داشته باشید که عملکرد دقیق هر دستگاه AFM ممکن است متفاوت باشد و به تکنولوژی و نوع دستگاه بستگی دارد. همچنین، دستگاه‌های پیشرفته‌تر می‌توانند امکانات و قابلیت‌های دیگری را همچون نمونه‌برداری محیط محلول، اندازه‌گیری خواص الکتریکی و مغناطیسی پیشرفته و غیره داشته باشند.

نتیجه گیری

آنالیز AFM ی یک نوع آنالیز میکروسکوپی ست و هیچ محدودیتی در آزمایش نمونه ندارد و می توان هر نمونه ای اعم از رسانا و عایق و سخت و نرم و پودری و منسجم و آلی و غیر آلی را مورد آزمایش قرار داد. طبق ویژگی‌ها و مشخصاتی که بالا آورده‌ایم می‌‌توان آن‌ را دستگاه با کیفیت و کار آمدی دانست.