میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) یکی از ادوات نانو الکترونیکی _ نوری Optical nano-electrical devices

در نانو تکنولوژی از تکنیک های مدرن شبیه سازی مولکولی تا یک چارچوب کلی برای تفسیر تصاویر AFM به ویژه تجزیه و تحلیل مکانیسم های اتمی را ایجاد می کنند که تغییرات نیرویی را که میکروسکوپ اندازه گیری می کند و کنتراست تصویر را تعیین می کند ، تولید می کند.میکروسکوپ های AFM یکی از بهترین راه حل ها برای اندازه گیری مترولوژی سطح و خواص مواد در مقیاس نانو هستند. یک میکروسکوپ نوری مرکب معمولی به حداکثر بزرگنمایی نمونه تقریبا 1000x محدود می شود. کمیتی که توسط طول موج های نور مرئی ایجاد می شود. این تفکیک پذیری تقریبا 0.2 میکرومتر (μm) را ارائه می دهد که به این معنی است که تشخیص دو نقطه که از حدود 200 نانومتر (nm) به هم نزدیکتر هستند غیرممکن است. محدودیت های این قدرت تفکیک در دهه های اخیر، به ویژه از زمان پیدایش فناوری های پیشرفته مانند میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) و میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) به طور چشمگیری آشکار شده است. از میکروسکوپ های AFM برای توصیف جفت الکترومکانیکی یک سیستم مواد با استفاده از تحریک الکتریکی از طریق نوک پروب استفاده می کنند. اگرچه حالت تماس کمتر از حالت پویا استفاده می شود، اما برای اندازه گیری خواص الکتریکی نمونه ها در طول تصویربرداری ایده آل است.میکروسکوپ های AFM در بسیاری از زمینه ها، از جمله علوم پلیمری، دستگاه های نیمه هادی، لایه ها و پوشش های نازک، ذخیره انرژی و مواد تولید انرژی، زیست مولکول ها، سلول ها و بافت ها و بسیاری موارد دیگر استفاده می شوند.

ظهور اخیر تصویربرداری با وضوح بالا و طیف سنجی نیرو با استفاده از میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) در محلول های آلی و آلی ، راه را برای تصویربرداری از طیف گسترده ای از سطوح و ساختار حلال آنها باز می کند. با این حال ، برای بهره مندی کامل از وضوح بالا و فراهم آوردن توانایی تحلیلی قابل توجه جدید ، درک دقیق مکانیزم های کنتراست زمینه ای که منجر به تفکیک اتمی و مولکولی می شوند بسیار مهم است. بدون نظریه ای که نیروی اندازه گیری شده را به مدل های اتمی سطح و نوک میکروسکوپ متصل کند ، اطلاعات قابل تقطیر از این اندازه گیری ها محدود است.شبیه سازی های دینامیک مولکولی نشان می دهد که نیروهای وارد بر نوک میکروسکوپ در نتیجه تعامل مستقیم بین یک نوک و یک سطح حاصل می شوند و کاملا به دلیل ساختار آب در اطراف نوک و سطح نیرو می گیرند. نیروی مشاهده شده به یک ساختار نوک بستگی دارد و تعادل بین تغییرات انرژی پتانسیل عمدتا دافعه با نزدیک شدن نوک به سطح و افزایش انتروپیک است که به طور استریکی از اشغال مکان های نزدیک نوک و سطح آب جلوگیری می شود. درک تاثیر متقابل این مولفه های مختلف که به نیرو اندازه گیری میکروسکوپ کمک می کنند ، برای تفسیر تصاویر با وضوح بالا از رابط های محلول بسیار حیاتی است.میکروسکوپ های AFM ابزارهای بسیار متنوعی هستند که به اندازه گیری های توپوگرافی و کاربردهای تصویربرداری محدود نمی شوند. آنها به طور گسترده ای برای ارزیابی خواص مکانیکی و الکتریکی مواد، در کنار خواص فرو و پیزوالکتریک، مغناطیسی و حرارتی استفاده می شوند. همه اینها به صورت تغییراتی در حالت تماس یا حالت ضربه زدن انجام می شوند و گاهی اوقات به یک کاوشگر تخصصی نیاز دارند.

کاربردهای متعددی با استفاده از میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) در طیف وسیعی از رشته های علمی وجود داشته است. برخی از این موارد عبارتند از علوم فیزیکی، علوم زیستی، فیزیک حالت جامد، تشخیص زیست پزشکی، زیست شناسی مولکولی، زیست شناسی سلولی، فیزیک، شیمی سطح و پزشکی میباشد.میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) معمولا در فیزیک و شیمی برای شناسایی و توصیف تشکیل اتم ها در یک سطح استفاده می شود. این پیامدهای بزرگی در زیست شناسی سلولی، زیست شناسی مولکولی و تشخیص های زیست پزشکی دارد. علاوه بر این، میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) می تواند به درک تعاملات بین محیط های اتمی محلی، و همچنین درک تغییراتی که در خواص فیزیکوشیمیایی اتم ها و مولکول ها از طریق دستکاری اتمی رخ می دهد، کمک کند. این کاربرد های زیادی در شیمی حالت جامد و فیزیک دارد. علاوه بر این،میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) می تواند برای شناسایی سلول های سرطانی از سلول های طبیعی بر اساس سفتی سلولی و همچنین شناسایی عفونت های بیماری زا در سلول های خونی استفاده شود.

میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) یکی از بهترین وسایل برای تصویر برداری، اندازه گیری و دستکاری ماده در سطح نانو است و در واقع دیدن اتم ها و پیوند های مولکول ها نزدیک کند. این تکنیک تصاویری را تولید می کند که کمی شبیه پخش کننده صدا است. یک سوزن در مقیاس اتمی در انتهای بازوی کنسولی ، نمونه را اسکن کرده و با توجه به شکل و خصوصیات الکترونیکی سطح ، به سمت بالا و پایین حرکت می کند. اندازه گیری و ثبت آن انحراف ، نمایشی سه بعدی از مولکول های نمونه تولید می کند.میکروسکوپ نیروی اتمی از یک (probe) تیز که بر روی سطح نمونه تحت بررسی حرکت می کند، استفاده می کند.در مورد میکروسکوپ نیروی اتمی، نوکی بر روی (اهرم) وجود دارد که در اثر نیروی بین نمونه و نوک خم می شود. با خم شدن کانتی لیور، انعکاس نور لیزر بر روی آشکار ساز نوری جابجا می شود. بدین ترتیب می توان جابجایی نوک کانتی لیور را اندازه گیری کرد. از آنجایی که کانتی لیور در جابجایی های کوچک از قانون هوک پیروی می کند، از روی جابجایی کانتی لیور می توان نیروی برهم کنش بین نوک و سطح نمونه را بدست آورد. و از روی نیروی بین اتم های سطح نمونه و پراب، می توان فاصله بین نوک و سطح نمونه، یا همان ارتفاع آن قسمت از نمونه را بدست آورد.حرکت پراب بر روی نمونه توسط دستگاه موقعیت یاب بسیار دقیقی انجام می شود.