تجهیزات165- ميكروسكوپ پروب روبشي
در مبحث نانو فناوري، از ابزار ضروري و لازم ميكروسكوپ پروب روبشي يا (SPM (Scanning Probe Microscope هستند. اين روش مجموعه تكنيك‌هايي است كه سطح ماده را با قابليت تفكيكي در حد نانو و آنگستروم روبش كرده و نقشه‌هايي از يك خاصيت فيزيكي يا شيميائي ماده تهيه مي‌كند. با اين روش مي‌توان توزيع نقايص نقطه‌اي، ناخالصي جذب شده در سطح و عيوب ساختاري مانند پله‌ها را آشكار ساخت.
ايــن مـيـكــروسـكـوپ‌هـا بـه سـه گـروه اصلـي براساس نوع پروب و نحوه برهم كنش پروب و نمونه تقسيم مي‌شوند.
1(STM -مـيـكـروسـكـوپ روبـشـي تـونلي، Scanning Tunneling Microscopy)
در اين روش پروب يك فلز صفحه‌اي نوك تـيـز اسـت كـه جـريـان تونلي بين نوك پروب و سطح رسانائي نمونه برقرار مي‌شود. شدت اين جريان به فاصله بين سطح صفحه با پايه تصوير مربوط است.
2( AFM-مـيكروسكوپ نيروي اتوماتيك، Atomic Force Microscopy)
پروب در اين روش يك صفحه نوك تيز بر آمـده اسـت كـه بـه يـك پـايه تخت وصل است. پــروب سـطــح نـمــونــه را اسـكــن مــي‌كـنـد و در محل‌هاي برآمده نيروي بيشتري به پروب وارد مي‌شود. در حقيقت اين روش شبيه سوزن يك گرامافون است كه در سطح يك ديسك حركت مي‌كند.
3( SNOM-ميكـروسكـوپ روبشـي ميـدان ديد نزديك،Scanning Near Field Optical Microscopy)
داخل پروب كه به شكل يك صفحه نوك تيز اسـت ، يـك فايبر اپتيك قرار گرفته تا تاثيرات ميدان نزديك را تهيه كند، نور اين فايبراپتيك‌ها از درون روزنـــه‌هــاي سـطــح عـبــور مــي‌كـنــد و نورهاي برگشتي تصوير را تشكيل مي‌دهد.
STM
در اين روش از يك ولتاژ باياس بين پروب و صفحه نمونه استفاده مي‌شود. هنگامي كه نمونه به چند آنگسترومي پروب مي‌رسد، جريان تونلي عمدتا از پروب به سمت نمونه برقرار مي‌شود.
در مد كاري جريان ثابت، يك مدار فيدبك جريان ثابتي را براي اسكن كردن تهيه مي‌كند. بنابراين اختلاف مكان عمودي ( سيگنال فيدبك ) يك نقشه توپوگرافي از سطح تهيه مي‌كند.
STM تصاويري با قدرت تفكيكي در حد اتم از نمونه‌ها مي‌تواند تهيه كند. STM براي مطالعاتي از قبيل رسانائي سطوح يا فيلم‌هاي نانو رسانا و ميزان رسانائي زير لايه‌ها استفاده مي‌شود.
نرخ اسكن در روش جريان ثابت، به سيستم فيدبك مربوط مي‌شود. از مد ارتفاع ثابت (Constant Height Mode) براي اسكن با سرعت بالا استفاده مي‌شود، اما در مد جريان ثابت امكان اسكن سطح با كيفيت بالا را فراهم مي‌كند. با توجه به جريان در حد چند صدم نانو در مد جريان ثابت امكان استفاده از اين روش در تحقيقات بيولوژيك با رسانائي كم وجود دارد.
از جمله نقاط ضعف STM مي‌توان به پيچيدگي تفسير نتايج بعضي از سطوح اشاره كرد زيرا بايد شرايطي از قبيل چگالي، ولتاژ باياس، جريان باياس و... نيز لحاظ شود. براي سطوح گرافيتي (HOPG ( Highly Oriented Pyrolitic Graphite با توجه به چگالي مورد استفاده، يكي از دو اتم قابل مشاهده است.
AFM
با وجود قابليت‌هاي متنوع STM، داراي يك‌سري مشكلات اوليه است، به طور مثال بــايــد نـمــونــه رســانــا يــا داراي پــوشــش رسـانـائـي بـاشـد. ايـن مشكـلات بـا استفـاده از ميكروسكوپ‌هاي نيروي اتمي (AFM) قابل حل است.
بر طبق يك روش عمومي، AFM شامل يك سوزن است كه به يك ميكروموتور متصل است. هنگامي كه سوزن به سطح نمونه مي‌رسد يك نيروي اتمي بين سوزن و سطح نمونه القاء مي‌شود كه با ميزان خميدگي پايه انطباق دارد.
در قسمت بالاي AFM پرتوهاي ليزري وجود دارد كه با يك برنامه از قبل معين شده كار مي‌كند.از ميزان انحراف پرتوها براي تعيين اختلاف جابجائي استفاده مي‌كنند.
با استفاده از اين نقشه ميزان انحراف پرتوها و چرخش زاويه‌اي پرتوها در حد آنگستروم قابل محـاسبـه است. بنابراين ميزان نيروي طبيعي و جانبي به صورت لحظه‌اي قابل محاسبه است.
منبع نور ليزري به نحوي تنظيم مي‌شود كه بر قسمت پشت پايه تابيده شود و نور منعكس شده آن بــه يــك ديـسـك فـوتـو ديـودي مـي‌رسـد. در حـقـيـقـت انـحـراف پـايه سبب انحراف نورهاي دريافتي از محل معين اوليه مي‌شود.نيروي موثر بر پايه علاوه بر نيروي برهم كنش بين سوزن و سطح از نيروهاي مختلفي از جمله واندروالسي، مغناطيسي و الكتريكي تاثير مي‌پذيرد.
فركانس پايه در هنگام كار قابل تنظيم است، هم زماني كه سوزن در تماس با نمونه است و هم زمـانـي كـه از نـمـونـه جـدا اسـت. ايـن امر سبب مي‌شود كه در هر فركانس اطلاعات مختلفي از نمونه استخراج شود.اين قابليت سبب مي‌شود مدهاي مختلفي براي AFM قابل تعريف باشد.
دو روش رايج براي كار با AFM وجود دارد كه عبارت از:
1-روش نمونه متحرك: در اين روش هنگام كار پروب ثابت است و نمونه متحرك.
مزيت اين روش توليد تصاويري با بالاترين كـنـتـراسـت فـضـائـي و كـمـترين نويز و پارازيت مي‌شود. اما محدوديت اين روش در ميزان وزن نـمـونـه بـه دلـيل حركت آن است. افزايش وزن نـمــونــه بـاعـث تـصـاويـر نـاصـاف و بـا دقـت كـم مي‌شود.
2-روش نمونه ثابت: در اين روش هنگام كار نمونه ثابت و پروب متحرك است.
ايـــن روش اجـــازه كـــار بـــراي نـمـــونـــه‌هـــاي سـنـگـيــن‌تــر را فــراهــم مــي‌كـنــد. ايــن روش در آزمـايـشات بيولوژيك كه با نمونه‌هاي سنگين سرو كار داريم استفاده مي‌شود. در حقيقت اين پـروب اسـت كـه تـوسـط مـيـكرو موتورها براي اسـكـن نـمـونـه جابجا مي‌شود كه باعث از بين رفتن محدوديت وزن مي‌شود.
SNOM
تـوانـائـي قـدرت تفكيك ميكروسكوپ‌هاي نوري به دليل پديده شكست نور به نصف طول موج محدود مي‌شود. با اين وجود اين مشكل نيز قابل حل است. اگر از يك حفره طول موج‌هاي برگشتي از نمونه اسكن شود، با نورهاي برگشتي مي‌توان يك تصوير ساخت. اين روش ابتدا توسط SYNGE در سال 1948 و سپس توسطASH و NICHOLLS در سال 1972 با قدرت تفكيك60/ آزمايش شد.
براي اين‌كه سيستم راحت تر و كاراتر شود، مكانيسم تنظيم فاصله نياز است كه قابليت حركت و ثابت شدن داشته باشد.
روش‌هاي مختلفي از جمله تونل‌هاي الكتروني، خازني، تونل فوتون انعكاس ميدان نزديك براي SNOM وجود دارد.
بيشترين روش مورد استفاده در حال حاضر سوزن در فاصله‌اي در نزديكي نمونه ثابت مي‌شود و كسري از نيروي موجود بين نمونه و ميدان نزديك را ثبت مي‌كند.
سيستـم‌هـاي كـه بـر پـايـه برش نيرو كار مي‌كنند مي‌توانند جداگانه و هم‌زمان در حالت‌هاي برش نيرو و ميدان نزديك كار كنند. با توجه به نوع نمونه مدهاي كاري مختلفي كه داريم ، به طور مثال مد انتقال براي نمونه‌هاي شفاف، مد انعكاس براي نمونه‌هاي مات و مد Luminescence (دريافت نورهاي تابشي جسم پس از در معرض اشعه قرار گرفتن ) براي بررسي خصوصيات اضافي نمونه قابل اشاره است.
منبع: نشریه مهندسی پزشکی شماره ۱۳۷، مهندس امیر سیفوری