ATOMİK KUVVET MİKROSKOBU
Atomik boyutlara kadar sivriltilmiş bir iğne ucu yardımıyla, yüzeyin yüksek çözünürlükte, üç boyutlu görüntülenmesini sağlar. Görüntüleme, iğne ucunun yüzey ile etkileşiminin incelenmesi sonucunda gerçekleştirilir. Değişik amaçlar için farklı iğne uçları kullanılır. Taramalı alan mikroskobu üç farklı teknik kullanabilmektedir. Bunlar; iğnenin yüzeye temas ettirilerek uygulandığı temas yöntemi, iğnenin yüzeye temas etmediği temassız yöntem ve iğnenin yüzeye vurularak uygulandığı vurma yöntemidir. Örnek yüzeylerinin görüntülenmesi yanı sıra faz, elektrik iletkenlik ve manyetik farklılıklar da saptanabilmektedir.
Atomik Kuvvet Mikroskobunun Marifetleri
1980'lerde geliştirilen atomik kuvvet mikroskobu, maddenin yapı taşlarını görmemize yarayan en önemli teknolojilerin başında geliyordu. Göreli olarak kolay kullanımı, üzerinde çalışılan örneklere zarar vermemesi gibi
üstünlükleriyle araştırıcıların beğenisini kazanmıştı. Özellikle de, biyolojik molekülleri doğal ortamlarına yakın çözeltilerde görüntüleyebilmesi, zamanla tercih edilen yöntem olmasını sağladı. Alete mikroskop da dense, yaptığını görme de dense, çalışmasında ışığın doğrudan bir rolü yok.
Aletin çalışma ilkesi, gerçekte dokunmaya dayanıyor. Örneklersek, karanlık bir odada yemek masasında oturduğunuzu düşünün. Masanın üstünde neler
durduğunu bilmek istiyorsunuz. Yapacağınız ilk şey, ellerinizi masanın üstünde gezdirip, dokunduğunuz cisimlerin şeklini anlamaya çalışmaktır. Bu yolla çatal, bardak veya bir kürdanlığı kolayca bulabilirsiniz. Ancak, toplu iğne başından daha küçük cisimleri bulmanız hiç de kolay olmaz. Küçük cisimleri, hele hele atomları, bu yöntemle görebilmek için parmaklardan çok daha sivri ve dokunma duyusu çok daha gelişkin bir araca gerek vardır. İşte atomik kuvvet
sivriltilmiş ucu ile bir yüzeydeki atomlara dokunulduğunda oluşan kuvvetlere dayanarak yüzeyin şeklini bulmak, yalnızca atomik kuvvet mikroskobu ile sağlanabilir.
Kilogramın trilyonda biri kuvvet uygulanırsa!
Kuvvetlerin hassas şekilde ölçülmesi, plastik bir cetveli ya da bir dalış tahtasını andıran, ucuna bastırınca bükülebilen ve gözle zor görülecek küçüklükte bir yapıya dayanıyor. Bu küçücük cetvelin bir ucuna kilogramın trilyonda biri kadar kuvvet uygulandığında, ölçülebilir derecede bir bükülme oluşuyor. Bükülme, kuvvetle doğru orantılı olduğundan, bükülme ölçülerek dolaylı yoldan kuvvet ölçülüyor.
AFM esnek bir maniveladan ve (yüzeyi taramak için kullanılan) buna bağlı sivri bir uçtan oluşur. Manivela genellikle silikon ya da silikon
nitrürdür.Nanometre ölçeğinde eğrilik yarıçapı olan bir uç taşir. Uç, numune yüzeyine yakın bir mesafeye getirilince, uç ile yüzey arasındaki
kuvvetler Hooke kanunu manivelanın bükülmesine yol açar. Duruma bağlı olarak AFM'de ölçülen kuvvetler mekanik temas kuvveti, van der
Waals kuvveti, kılcallık kuvveti,kimyasal bağ, elektrostatik kuvvet, manyetik kuvvet, Casimir kuvveti, çözünme kuvveti, vb... olabilir. Kuvvetler ile birlikte, diğer başka özellikler eşzamanlı olarak özel tip algılama teknikleri ile
ölçülebilir(bakınız taramalı ısıl mikroskopi, taramalı joule genleşme mikroskopisi, fotoısıl mikrospektroskopi, vs...). Genellikle maniveladaki bükülme, manivelanin bir ucundan dedektöre (bir dizi fotodiyot) yansıtılan bir lazer ışını sayesinde ölçülür.
Çalışma Prensibi
Sivri iğneler, mikrofabrikasyon teknolojisiyle çok küçük silikon yaylar üzerine yerleştirilir. İğne ile yüzey arasındaki kuvvetten dolayı bükülen yayın sapması, yayın arkasına odaklanan lazer ışığı yardımı ile bir foto detektör üzerine
düşürülür ve çok duyarlı bir şekilde ölçülür. İğne ile yüzey arasındaki kuvvet, bir geri besleme devresiyle sabit tutulur ve iğne yüzeyi tararken ölçülen iğne
AFM uygulamaya bağlı olarak çeşitli modlarda kullanılabilir. Bu görüntüleme modları “statik” (temas) ya da “dinamik” (temassız) olabilir. Dinamik modlar manivelanın akustik ya da manyetik yollarla titreştirilmesini gerektirir ve yumuşak yüzeyler icin daha yaygın olarak kullanılır.
Temas Modu
Kontak modunda, gezici uc ile numune arasındaki itme kuvveti (nanonewton buyukluğunde) sabit kalacak sekilde gezici uc numune uzerinde gezdirilir.
Eğer gezici uc bir cıkıntı ile karsılasırsa gezici uc ile numune arasındaki itme kuvveti artar.
Aradaki itme kuvvetini sabit hale getirmek icin gezici uc bir miktar yukarıya hareket eder ve bu sayede gezici uc ile numune arasındaki itme kuvveti sabit kalır.
Eğer gezici uc bir girinti ile karsılasırsa gezici uc ile numune arasındaki itme kuvveti azalır.
Aradaki itme kuvvetini sabit hale getirmek icin gezici uc bir miktar asağıya hareket eder ve bu sayede gezici uc ile numune arasındaki itme kuvveti sabit kalır.
Asağıya doğru olan bu hareket miktarı soz konusu girintinin nisbi derinliğini verir.
Gezici uc ile numune arasındaki cekme-itme kuvvetleri piezoelektrik malzeme kullanılarak olculur.
Gezici uc numune uzerinde gezdirilirken dusey doğrultuda meydana gelen hareketler gezici ucun bağlı olduğu desteğin ters yuzune gonderilen bir lazer ısını yardımıyla olculur.
Destekten yansıyan lazer ısını, desteğin yaptığı dusey doğrultudaki hareket nedeniyle detektorde farklı noktalara duser.
Detektor pozisyona duyarlı olduğu icin elde edilen siddet bilgisi desteğin duseydoğrultudaki hareketini dolayısıyla da numune yuzeyinin
topoğrafyasını gosterir.
Dusey doğrultudaki cozunurluk (10-10m) mertebesindedir.
Gezici uc ile numune arasındaki itme kuvvetini sabit tutmak yerine gezici uc yuksekliği sabit tutulursa numune ile uc arasındaki itme-cekme
kuvvetlerinin haritası elde edilir.
Gezici Uçlar
Uclar Si ve Si3N den yapılır.
Çözünürlük
Gezici ucun keskinliği arttığı zaman yatay cozunurlukte artar.
AFM de:
AFM ve SEM
AFM tarafından sağlanan kontrast doğrudan yapılan yukseklik olcumlerinin sonucudur.
Numune iletkenlik sağlamak icin kaplanmak zorundadeğildir ki bu iletken olmayan numunelerin yuzeylerinden de doğrudan gozlemlenmesine olanak sağlar.
SEM icin numune vakum ortamında olmak zorunda AFM icin bu gerekli değil.
AFM ve TEM
AFM icin numune hazırlamak daha kolay ve ucuzdur.
TEM icin numune vakum ortamında olmak zorunda AFM icin bu gerekli değil.
