|
• تاريخچه
نانومتر واحد بسيار بسيار کوچکي براي اندازه‌گيري طول است که
در ابعاد اتمي و مولکولي کاربرد دارد. 1 نانومتر فاصلة بسيار کوچکي است و
به عنوان مثال مولکول آب با آن سنجيده ميشود. براي درک ميزان کوچکي اين
واحد طول خوب است بدانيم که تار موي انسان حدوداً 80 هزار نانومتر قطر
دارد، بنابراين براي مشاهده پديده‌ها و درک اثراتي که در اين اندازه بسيار
کوچک وجود دارد نه‌تنها به چشم غيرمسلح نمي‌توان تکيه کرد بلکه حتي از
ميکروسکوپ‌هاي معمولي که در آزمايشگاه‌ها وجود دارند نيز، نمي‌توانند
استفاده کنند چراکه با اين ميکروسکوپها فقط تا ابعاد "ميکرومتر" را
مي‌توان ديد.
به همين دليل دانشمندان با پيشرفت علم و فنون به فکر ساختن
وسايلي افتادند که بتوانند ابعاد اتمي را هم اندازه‌گيري کنند.
وسايل زيادي با روش‌هاي مختلف براي اين منظور ساخته شده است که
خيلي از آنها کامل شده نمونه‌هاي قبلي است. اما ميکروسکوپ نيروي اتمي جزو
جديدترين دستاوردهاي دانشمندان در زمينه اندازه‌گيري در ابعاد و مقياس نانو
است که در پاييز سال هزار و سيصد و شصت و سه يعني حدود بيست سال پيش توسط
جرد بينينگ، کريستوف جربر و کوايت ساخته شد.
دستگاهي که بينينگ و همکارانش ساخته بودند از نظر عملکرد
کاملاً مشابه ميکروسکوپ‌هاي نيروي اتمي امروزي بود و در طي اين بيست سال
تنها دقت و روش فهم نهايي اندازه‌ها پيشرفت کرده است. با اين دستگاه مي‌شد
طولهايي تا حدود "سيصد آنگستروم" يا "سي نانومتر" را اندازه گرفت. با گذشت
زمان اين دستگاه کاملتر شد و امروزه مي‌توان با دقتي بيش از پانصد برابر
دقت ميکروسکوپ بينينگ سطوح مواد را مشاهده نمود.
• روش کار
مي‌دانيم که تمامي اجسام هراندازه هم که به ظاهر صاف و صيقلي
باشند، باز هم در سطح خود داراي پستي و بلندي و ناصافي‌هايي هستند. به
عنوان مثال سطح شيشه بسيار بسيار صاف و صيقلي به نظر مي‌رسد، اما اگر در
مقياس خيلي کوچک به آن نگاه کنيم، خواهيم ديد که سطح شيشه پر از ناصافي‌ها
يا به عبارتي "دست انداز" است. کار ميکروسکوپ نيروي اتمي نشان‌دادن اين
ناصافي‌ها و اندازه‌گيري عمق آنهاست. ثبت چگونگي قرارگيري و نشان دادن عمق و
ارتفاعِ پستي و بلنديها در يک سطح خاص از ماده را "توپوگرافي" مي‌نامند.
مي دانيم که نيروهاي بسيار کوچکي بصورت جاذبه و دافعه بين
اتمهاي باردار وجود دارند، (درست مثل دو سر ناهمنام آهنربا که باعث دفع و
جذب مي شوند.) چنين نيروهايي بين نوک ميکروسکوپ و اتمهاي سطح ايجاد مي
گردد. با اندازه گيري نيروي بين اتمها در نقاط مختلف سطح، مي توان محل
اتمها روي آن را مشخص کرد.
ميکروسکوپ نيروي اتمي از
اجزاء و قطعات مختلفي تشکيل شده است که مهم‌ترين بخش آن مجموعه "انبرک و
نوک" مي‌باشد و در واقع قسمت اصلي براي شناخت سطوح به شمار مي‌آيد. جنس
انبرک معمولاً از سيليسيم و نوک از يک تک اتم (معمولا اتم الماس) تشکيل شده
است. براي اينکه ميکروسکوپ نيروي اتمي بتواند برجستگي ها و فرورفتگي ها را
در ابعاد نانومتر حس کند لازم است نوک تيز انبرک ظرافت اتمي داشته باشد.
همان طور که ما با دستکش کار نمي توانيم زبري يا نرمي يک سطح را حس کنيم.
ازآنجا که تصاوير مربوط به اندازه‌هاي اتمي روي يک سطح با چشم غيرمسلح يا
حتي مسلح به قوي‌ترين عدسي‌ها قابل مشاهده نيست، به کمک ابزارهاي پيشرفته،
حرکات عرضي لمس شده توسط انبرک و نوک ويژه ميکروسکوپ را به تصاوير ويدئويي
تبديل مي‌‌‌‌کنند تا امکان مشاهده آرايش اتمهاي سطح، در صفحة رايانه
امکانپذير باشد.
درواقع کل فرآيند "جاروکردن سطح" به وسيله همان انبرک نوک‌دار
صورت مي‌گيرد. انبرک به راحتي در پستي و بلنديها بالا و پايين مي‌رود و
انتهاي آن هم به قسمتي متصل است که به جابجايي عرض انبرک بسيار حساس است و
اين تغيير فاصله‌ها را ثبت کرده و به علائمي تبديل مي‌کند که براي رايانه
قابل فهم باشد. علائم گفته شده که "سيگنال" نام دارد توسط رايانه پردازش
ميشود تا نحوه قرار گيري اتمها در کنارهم، بر روي صفحه نمايشگر، نشان
داده شود.
 دو روش کلي براي جاروکردن سطح وجود دارد که عبارتند از روش تماسي و روش غيرتماسي.
در روش تماسي که براي بيشتر سطوح کارايي دارد، نوک انبرک در
فاصله‌اي بسيار بسيار کم از سطح قرار مي‌گيرد و به محض رسيدن به پستي يا
بلندي به دليل جابجايي که در انبرک ايجاد ميشود، امکان نمايش توپوگرافي
براي رايانه فراهم مي‌گردد. درواقع نيرويي که بين سطح و نوک انبرک وجود
دارد، با نزديک‌شدن اين دو به هم زياد شده و با دورشدنشان از هم، کم
ميشود، اين مسئاله باعث مشاهده غيرمستقيم آرايش اتمها مي‌گردد.
روش غيرتماسي بيشتر براي سطوح کثيف و آلوده مورد استفاده قرار
مي‌گيرد، در اين شيوه ابتدا انبرک را با نوساني دقيق به تحرک درمي‌آوريم و
آن را روي سطح هدايت مي‌کنيم. انبرک خاصيت ارتجاعي و فنري دارد و به راحتي
در عرض بالا و پايين ميشود. در اين حالت نيرويي که بين سطح و نوک انبرک
وجود دارد، در نوسان انبرک تأثير مي‌گذارد و به اين وسيله آرايش اتمي سطح
مشخص ميشود.
البته اندازه‌گيري ساختارهاي بسيار ريز که موجب جابجايي بسيار
کوچکي در انبرک ميشود، روي مي‌دهد خود بحث مفصلي است که اين کار امروزه
به وسيلة تغيير جهت انعکاس نوري که از يک منبع بالاي انبرک روي آن
مي‌تابانند، مشاهده ميشود(شکل 3).
شکل 3
به اين معني که سطح انبرک به
گونه‌اي صيقل داده ميشود که توانايي بازتابش نور را به خوبي داشته باشد.
منبع نوري اشعة مرئي را به قسمت صيقل‌داده شده مي‌تاباند و گيرنده آن را
دريافت مي‌کند. به محض جابجايي عرضي انبرک، اشعه کمي منحرف ميشود که
باتوجه به ميزان انحراف ثبت‌شده در دستگاه، دانشمندان نقشه پستي و
بلندي(توپوگرافي) را دقيقتر ترسيم مي‌‌‌‌کنند(شکل 4).
شکل 4
نکتة ديگري که در مورد کارکرد
ميکروسکوپ نيروي اتمي بايد بدانيم آن است که پستي‌ها و بلنديها در هر سه
محور طول و عرض و ارتفاع توسط اين دستگاه گزارش ميشود. در نمونه‌هاي
ابتدايي چون امکان نشان‌دادن بعد ارتفاع در رايانه نبود، اين کار با رنگ‌ها
انجام مي‌شد. به اين صورت که رنگ‌هاي تيره براي عمق‌هاي کم و رنگ‌هاي روشن
براي عمق‌هاي زياد به کار مي‌رفتند. اما امروزه با استفاده از
نرم‌افزارهاي سه‌بعدي ديداري مي‌توان توپوگرافي سطح را در هر سه بعد نشان
داد.
• نتيجه
پس از معرفي ميکروسکوپ نيروي اتمي و روش کار آن، خوب است
بدانيم که بشر با اختراع اين وسيله پيشرفت‌هاي بسياري در علم مواد و شناخت
سطوح پيدا کرده است که در بسياري از صنايع از جمله الکترونيک، ارتباطات،
خودرو، فضانوردي و انرژي تأثيرگذار بوده‌اند. درواقع اختراع ميکروسکوپ
نيروي اتمي فصل جديدي در پيشرفت فناوري نانو و کاربردهاي صنعتي آن مي‌باشد.
نمونه هايي از انبرک و نوک ميکروسکوپ نيروي اتمي:
براي آشنايي بيشتر با چگونگي عملکرد اين نوع ميکروسکوپها ميتوانيد فايل ويدئويي ذيل را دانلود (Download) کرده و آن را مشاهده نماييد:
 فيلم شبيه سازي ميکروسکوپ نيروي اتمي
شبيه سازيهاي زير اطلاعات جالبي درباره ميکروسکوپ نيروي
اتمي و نحوه کارکردن آن در اختيار مي گذارد. براي استفاده فايلهاي زير را
داونلود (Download) کنيد و آن را روي رايانه خود نصب نماييد:
شبيه ساز انبرک ميکروسکوپ اتمي
مدل سازي کار ميکروسکوپ اتمي
|
