ابزار و تجهیزات نقش بسیار مهمی در فناوری نانو ایفا می‌کنند، به‌ طوری ‌که امروزه توسعه دنیای نانو، مرهون پیشرفت و تکامل ابزارهای شناسایی ریزساختارها و خواص موضعی مواد است. ساخت دستگاه‌های پیشرفته و ابداع روش‌های نوین شناسایی، بزرگنمایی تا حد تفکیک اتمی را ممکن کرده است و از این راه‌ می​ توان رفتار مواد را به ‌دقت شناسایی و آنها را با ظرافت خاصی دستکاری کرد. محققان با استفاده از روش‌های جدید و بر اساس استفاده از ابزارهای کاوش الکترونی، یونی، مکانیکی، الکتریکی، مغناطیسی و نوترونی بر محدودیت‌های نور مرئی به ‌عنوان یک ردیاب شناسایی فائق آمدند، به‌ گونه‌ای که امروزه بزرگنمایی‌های بزرگتر از یک میلیون برابر و در مقیاس سه بعدی تا حد تفکیک اتمی، امکان‌پذیر است. میکروسکوپ پروبی روبشی یکی از این دستاوردها است که سطح ماده را با توان تفکیکی در مقیاس نانومتر روبش کرده و امکان تهیه تصاویر توپوگرافی یا نقشه‌هایی از یک خاصیت فیزیکی یا شیمیایی سطح ماده را فراهم می‌کند. این میکروسکوپ، دارای یک سوزن با قطری در مقیاس نانومتر است که در فاصله بسیار کوچکی از اتم‌های سطح نمونه قرار گرفته و سطح را روبش می‌کند. این فاصله می‌تواند آن‌‌قدر کم باشد که الکترون‌های اتم‌های سوزن و سطح با هم برهم​کنش داشته باشند و این برهم​کنش​ها هم می‌توانند آن‌‌قدر قوی باشند که اتم‌ها را از جا کنده و به ‌جای دیگری منتقل کنند. میکروسکوپ تونل‌زنی روبشی اولین نوع از سری میکروسکوپ‌های پروبی روبشی است که در سال‌۱۹۸۱ میلادی توسط گرد بینیگ و هاینریش روهرر برای بررسی نانو ساختارهای روی سطح، معرفی شد. STM، اولین دستگاهی بود که تصاویر سه بعدی واقعی با توان  تفکیک اتمی از سطوح تولید کرد و این امکان را به دانشمندان داد که برای اولین بار اتم‌ها و مولکول‌ها را مشاهده نموده و مقیاس تصورناپذیر نانومتر را به نمایش در‌آورند. پس از اختراع STM، میکروسکوپ​ نیروی اتمی (AFM)، میکروسکوپ​ نیروی مغناطیسی(MFM)، میکروسکوپ​ نیروی الکترواستاتیکی(EFM)، میکروسکوپ​ نوری میدان نزدیک (SNOM) و بسیاری دیگر از میکروسکوپهای گروه SPM، در بازه زمانی کوتاهی ساخته شده و مورد بهره برداری قرار گرفتند.  

میکروسکوپ تونل‌زنی روبشی (STM)

میکروسکوپ تونل‌زنی روبشی(STM) اولین نوع از سری میکروسکوپ‌های پروبی روبشی است که در سال ۱۹۸۱میلادی توسط گرد بینیگ و هاینریخ روهرر برای مشاهده و حس نانوساختارهای روی سطح اختراع شد. STM، اولین دستگاهی بود که تصاویر سه بعدی واقعی با قدرت تفکیک اتمی از سطوح تولید کرد و به دانشمندان امکان داد که برای اولین بار اتم‌ها و مولکول‌ها را مشاهده کنند و مقیاس تصورناپذیر نانومتر را به نمایش در‌آورند.     میکروسکوپ تونل‌زنی روبشی تهیه تصویر از اتم‌های سطح مواد را ممکن و در درک توپوگرافی، خواص الکتریکی مواد و رفتار قطعات میکروالکترونیکی نقشی مهم ایفا میکند. همچنین مشاهده نقص‌های سطح، تعیین اندازه و آرایش مولکول و تجمع آنها از دیگر قابلیت‌های این دستگاه به شمار می​روند. STM، برخلاف یک میکروسکوپ نوری، با روبش سطح به‌ کمک سوزنی بسیار تیز که یک اتم در نوک آن وجود دارد، نیروهای الکتریکی بین سوزن و سطح را آشکار می‌کند. به دلیل یک اثر مکانیک کوانتومی موسوم به تونل‌زنی، الکترون‌ها می‌توانند به سادگی از سوزن به سطح و یا بالعکس انتقال یابند. ابتدا سوزن سطح نمونه را روبش می‌کند و سپس بی‌نظمی‌های الکتریکی حاصل از پوسته‌های الکترونی یا ابر الکترونی پیرامون اتم‌ها به کمک رایانه به تصویر تبدیل می‌شوند. توان تفکیک تصاویر در حدود یک نانومتر یا کم‌تر است. اجزای اصلی میکروسکوپ تونل‌زنی روبشی عبارت‌اند از سوزن، روبش‌گر پیزوالکتریک، سامانه عایق ارتعاشی و رایانه. شکل۱ شمای کلی دستگاه میکروسکوپ تونل‌زنی روبشی و روبش سوزن را روی سطح نشان می‌دهد.  

شکل۱: شمایی از میکروسکوپ تونل‌زنی روبشی و روبش سوزن روی سطح

  با استفاده از میکروسکوپ تونل‌زنی روبشی می‌توان اتم‌های منفرد روی سطح نمونه را به صورت سه بعدی مشاهده نمود. مزیت این نوع تصویربرداری این است که می‌توان از آن برای شناسایی اجسام در هوا یا مایعات نیز استفاده کرد و استفاده از خلاء هنگام کار ضروری نیست. امروزه میکروسکوپی تونل‌زنی روبشی یک روش استاندارد برای شناسایی نانومواد است که نه تنها برای شناسایی ساختار اتمی مواد هادی، نیمه هادی و مولکول‌ها، بلکه برای دست‌کاری ساختار سطحی مواد در مقیاس اتمی نیز به کار می​رود. همچنین با روبش سطح نمونه، اطلاعات ساختار الکترونی در محلی خاص از نمونه به ‌دست می‌آیند. این عمل با جاروب پتانسیل و اندازه‌گیری جریان در محلی خاص از نمونه انجام می​پذیرد و طیفسنجی تونل‌زنی روبشی نامیده می‌شود. STS رسم نمودار چگالی موضعی ترازهای نمونه را براساس تابعی از انرژی نمونه ممکن می‌کند که بر این اساس می‌توان چگالی ترازهای یک مکان‌ ناخالص را با چگالی ترازهای دورتر از ناخالصی‌ها مقایسه نمود.  

میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM)

تصور ما از میکروسکوپ، معمولاً میکروسکوپ‌های نوری و الکترونی است. چنین میکروسکوپ‌هایی تصاویر بزرگ​ شده‌ای از یک شیء را با تمرکز تابش‌های‌ الکترو‌مغناطیس نظیر فوتون یا الکترون روی سطح آن، ایجاد می‌کنند. با این میکروسکوپ‌ها به سادگی، تصاویر دو بعدی با بزرگ‌نمایی هزار برابر در میکروسکوپ نوری و یکصد هزار برابر در میکروسکوپ الکترونی به​ دست می‌آیند. اگرچه این میکروسکوپ‌ها ابزاری سودمند به شمار می‌روند ولی تصاویر حاصل از آن‌ها، تصویر سطح افقی نمونه است و نمی‌توان به ​کمک آن‌ها ابعاد عمودی شیء فوق یا ارتفاع و عمق طرح‌های روی سطح را به ​دست آورد. بعدها با ادامه تحول در طراحی و ساخت میکروسکوپ‌ها، میکروسکوپ نیروی اتمی پدیدار شد. این میکروسکوپ توانایی بزرگنمایی تا یکصد میلیون برابر در هر سه بعد، یعنی در صفحه افقی x-y و صفحه عمودی z را دارد و از تابش‌های الکترو‌مغناطیس نظیر پرتوهای الکترونی یا فتونی برای ایجاد تصویر استفاده نمی‌کند. میکروسکوپ نیروی اتمی شاید یکی از ساده ترین شکل​های میکروسکوپ برای فهم ابتدایی روش​های میکروسکوپی باشد. برای فهم چگونگی کارکرد AFM، باید تمام تصورات قبلی راجع به طراحی میکروسکوپ​ های متداول را که دارای عدسی می​ باشند، کنار گذاشت. در واقع، تصویر​سازی AFM از طریق حس​ کردن نمونه​ انجام می​شود و نه با نگاه ​کردن به آن​، مانند انسان نابینایی که با لمس​ کردن اشیاء به واسطه انگشت​هایش، یک تصویر ذهنی از آن​ها می‌سازد. همانند انگشت شخص نابینا، این روش ​می​تواند یک تصویر هوشمندانه​ دقیق به ​وجود آورد که نه تنها برجسته​ نگاری سطح را نشان می​ دهد، بلکه بافت یا مشخصه​ های مواد را نیز تعیین نموده و نرم یا سخت بودن، چسبنده یا لغزنده بودن و ارتجاعی یا منعطف بودن آن را مشخص می​ کند. (شکل۲).  

شکل۲: ایجاد تصویر در AFM از طریق ” لمس کردن” سطح نمونه صورت می​پذیرد.

  AFM یک دستگاه تصویربرداری است که امکان بررسی توپوگرافی سه​ بعدی و خواص فیزیکی سطح را با استفاده از یک سوزن تیز مهیا می​ کند (شکل۳). این فرایند ابتدا با روبش سطح نمونه به وسیله سوزن نوک تیز آغاز می‌شود (تصویر الف) و با به تصویر‌کشیدن حرکت سوزن در مسیرهای حرکت روی سطح، طرح ‌دو بعدی تولید می​ گردد. سپس طرح‌های ‌دو بعدی تولید شده با طرح‌های حاصل از حرکت عمودی سوزن، تلفیق شده و تصویر سه ‌بعدی سطح به دست می‌آید (تصویر ​ب).  

شکل۳: روبش سطح نمونه به ‌وسیله سوزن میکروسکوپ نیروی اتمی

  میکروسکوپ نیروی اتمی برای بررسی خواص و ساختار سطحی مواد در ابعاد نانومتری به‌ کار می‌رود و اساس کار آن، نمایش نیروهای به‌ وجود آمده میان سوزن و سطح نمونه است. این میکروسکوپ نخستین بار توسط کوئِیت (C.F.Quate)، بینیگ (Gerd Binnig) و گربر(Ch.Gerber) در شرکت NEC ساخته شد (۱۹۸۶). آنها از یک سوزن بسیار کوچک متصل به انتهای تیرک (Cantilever) برای به دست آوردن تصاویر با توان تفکیک بالا استفاده کردند و اظهار نمودند که می‌توان با نشان ‌دادن نیروهای به‌ وجود آمده میان نوک تیز سوزن و سطح نمونه، توپوگرافی یک سطح صاف را به تصویر کشید. یک تیرک انعطاف‌پذیر فنر‌مانند که یک سوزن تیز به انتهای آن متصل است، محدوده مورد نظر از سطح نمونه را روبش می‌کند. نیروهای کوچکی که میان سوزن و نمونه به ​وجود می‌آیند، موجب انحراف تیرک می‌شود و از طریق اندازه‌گیری میزان انحراف تیرک و ترسیم منحنی تغییرات انحراف تیرک به​ صورت تابعی از موقعیت تیرک روی سطح، نقشه توپوگرافی سطح مورد نظر به ​دست می‌آید. اولین AFM تجاری در سال ۱۹۸۹ وارد بازار شد. شکل۴ شمایی از عملکرد میکروسکوپ نیروی اتمی را نشان می‌دهد.  

شکل۴: شمایی ساده از چگونگی عملکرد میکروسکوپ نیروی اتمی

   

منبع: کتاب میکروسکوپی نیروی اتمی، تألیف سرکار خانم دکتر صدیقه صادق حسنی