Atomik Kuvvet Mikroskobu (AFM) Nedir?

Nobel Ödüllü Taramalı Prob (Tünelleme) Mikroskobunun (STM) piyasaya sürülmesinden ve ardından Binnig, Quate ve Gerber’in dönüm noktası olan atomik kuvvet mikroskobunun (AFM) icat edilmesinden bu yana tarama probu alanı, nanometre ölçeğinde topografyayı görüntülemek için atomlar arası kuvvetleri kullanmayı oldukça yaygınlaştırdı. Moleküller arası kuvvetleri ölçme ve atomları görme yeteneği bilimsel olarak oldukça cazip bir keşif.

Topografi görüntüleme tek başına, araştırmacıların ihtiyaç duyduğu yanıtları her zaman sağlamaz ve yüzey topolojisi genellikle malzeme özellikleriyle ilişkili değildir. Bu nedenlerle, çeşitli yüzeylerde nicel veriler sağlamak için gelişmiş görüntüleme modelleri geliştirilmiştir. Günümüzde artık sürtünme, elektrik kuvvetleri, kapasitans, manyetik kuvvetler, iletkenlik, viskoelastisite, yüzey potansiyeli ve direnç dahil olmak üzere birçok malzeme özelliği AFM teknikleriyle belirlenebiliyor.

Taramalı Tünel Açma Mikroskobu (STM)

Taramalı prob mikroskopları ailesinin gelişimi, 1981’de STM’nin icat edilmesi ile başladı. Gerd Binnig ve Heinrich Rohrer, İsviçre’deki IBM Zürih Araştırma Laboratuvarlarında çalışırken ilk çalışan STM’yi geliştirdiler. Bu alet daha sonra Binnig ve Rohrer’e 1986 yılında Nobel Fizik Ödülünü kazandıracaktı.

Atomik Kuvvet Mikroskobu’nun STM’den Farkı Ne?

Atomik kuvvet mikroskobu (AFM), STM ile ilgili temel bir dezavantajın üstesinden gelmek için geliştirildi (STM, yalnızca iletken veya yarı iletken yüzeyleri görüntüleyebilir). AFM, polimerler, seramikler, kompozitler, cam ve biyolojik numuneler dahil olmak üzere neredeyse her tür yüzeyi görüntüleme avantajına sahiptir. Bu sebeple STM’ye göre ciddi ölçüde kullanışlıdır.

Binnig, Quate ve Gerber, 1985 yılında AFM’yi icat ettiler. İlk ürettikleri AFM, altın bir folyo şeridine tutturulmuş elmas parçasından oluşuyordu. Elmas ucu, etkileşim mekanizmasını sağlayan interatomik van der Waals kuvvetleri ile doğrudan yüzeye temas ediyordu. Yayın dikey hareketinin tespiti, yayın üzerine yerleştirilmiş bir STM olan ikinci bir uç ile yapılıyordu.

Atomik Kuvvet Mikroskobu Nasıl Çalışır?

Taramalı Tünel Açma Mikroskobunun (STM) çalışma şekline benzer şekilde, yüzeyi görüntülemek için gerekli parametreleri ayarlamak amacıyla, yüzey üzerinde keskin bir uç raster ile taranır. Yukarıda da belirttiğimiz gibi Taramalı Tünelleme Mikroskoplarının aksine, Atomik Kuvvet Mikroskobunun iletken bir numuneye ihtiyacı yoktur. Tünel oluşturmanın kuantum mekanik etkisini kullanmak yerine, uç-örnek etkileşimini haritalamak için atomik kuvvetler kullanılır.

Genellikle Taramalı Prob Mikroskobu (SPM) olarak adlandırılan, neredeyse her ölçülebilir kuvvet etkileşimi için Atomik Kuvvet Mikroskobunun kullanım teknikleri vardır (van der Waals, elektrik, manyetik, termal). Daha özel tekniklerin bazıları için, değiştirilmiş ipuçları ve yazılımsal düzenlemeler gereklidir.

Angstrom düzeyinde konumlandırma ve feedback (geri besleme) döngüsü kontrolüne ek olarak, Atomik Kuvvet Mikroskobunda genelde bulunan 2 bileşen vardır: Sapma ve Kuvvet Ölçümü.

AFM Prob Sapması

Geleneksel olarak, çoğu Atomik Kuvvet Mikroskobu, bir lazerin yansıtıcı AFM kolunun arkasından ve konuma duyarlı bir detektöre yansıtıldığı bir lazer ışını saptırma sistemi kullanır. AFM uçları ve yayları genelde Si veya Si3N4’ten mikro fabrikasyon olarak üretilir. Genelde uç yarıçapı 2 ila 10 nanometre arasındadır.

AFM Kuvvet Ölçümü

Atomik Kuvvet Mikroskobu, uç ve numune arasındaki kuvvetlere göre çalıştığından, bu kuvvetler AFM’nin ölçümlerini ciddi ölçüde etkiler. Kuvvet doğrudan ölçülmez, ancak yayın sertliğine göre oluşan sapma ölçülerek hesaplanır.