مجهر القوة الذرية
مقدمة
في الوقت الحالي، يُعتبر مجهر القوة الذرية (AFM) أحد الأدوات الشائعة لقياس طبوغرافية السطح وتصوير الأسطح ثنائية وثلاثية الأبعاد بدقة ذرية. يستخدم هذا المجهر مسبارًا متصلاً بإبرة، والشكل المثالي يكون لديه فقط ذرة واحدة على طرف الإبرة. ومن خلال تسجيل القوى بين طرف المسبار والعينة يمكن أن يوفر معلومات غير مباشرة حول خصائص العينات المحللة. تشمل هذه القوى أنواعًا مختلفة مثل قوى فاندر فالس،والقوى التساهمية، والكهروستاتيكية والإحتكاكية والكهربائية والمغناطيسية واللزوجة، إلخ... اعتمادًا على هذه القوى والمسافة بين المسبار وسطح العينة، تُصنَّف أوضاع المجهر المختلفة كأوضاع اتصال، عدم اتصال، وأوضاع الطرق.
التعريف بالقياس
تحليل المجهر الذري (AFM) هو تقنية متقدمة تُصنَّف ضمن المجاهر الماسحة، وتتيح تصوير الأسطح المختلفة بدقة عالية، بما في ذلك الأسطح غير الموصلة. يعمل AFM في حالتين: التماس وغير التماس، ويعتمد على القوى بين رأس الإبرة وسطح العينة لإنشاء الصور.
تتكون الإبرة من مادة السيليكون، وتكون متصلة بشعاع (cantilever) بطول يتراوح بين 100 إلى 200 ميكرومتر. أثناء مسح السطح، تؤدي التغيرات في الارتفاعات إلى انحناء الشعاع، مما يوفر معلومات دقيقة عن تضاريس السطح. ومن أهم فوائده
قياس خشونة السطح: يُعتبر AFM أداة فعالة لقياس الخشونة النانوية، وهو ما يصعب تحقيقه باستخدام تقنيات أخرى مثل SEM.
قياس سمك الطلاءات النانوية: يتطلب قياس سمك الطلاء تغطية جزء من العينة قبل الطلاء، ثم إزالة الطبقة الحامية للحصول على منطقة غير مغطاة، مما يتيح قياس السمك بدقة.
يمتلك AFM تطبيقات متعددة في مجالات العلوم والبحوث، مما يجعله أداة قيمة في دراسة الخصائص السطحية والميكانيكية للمواد. وفيمايلي صورة لمجهر القوة الذرية.
الفائدة من القياس
التصوير ثلاثي الأبعاد للأسطح المختلفة
قياس الخشونة
قياس سمك الطلاء
دراسة البنية ثلاثية الأبعاد للعينات الليثوغرافية
قياس صلابة العينة في نقاط مختلفة (اختبار صلابة نانوية)
تحديد معامل المرونة في مناطق مختلفة من العينة
أنواع العينات القابلة للقياس
الجسيمات النانوية، الألياف النانوية، والأفلام الرقيقة. المواد النانوية:
المواد الحيوية: الخلايا، الأنسجة، البروتينات، والحمض النووي.
المواد الصلبة: المعادن، السيراميك، والبلاستيك.
المواد السائلة: محاليل وعيّنات كولوييدية، حيث يمكن قياس الخواص السطحية في البيئات السائلة.
الأسطح المغلفة: الطلاءات، الأفلام الرقيقة، والمواد ذات التركيب المعقد.
العينات المساحيق: المواد المسحوقة التي يمكن تشتتها على شرائح زجاجية.
التطبيقات: تحليل الخشونة: قياس الخشونة والسماكة.
دراسة التركيب البلوري: تحليل البنية البلورية.
شروط القياس
لإجراء تحليل المجهر الذري (AFM)، يجب مراعاة المتطلبات التالية:
أبعاد العينة: ينبغي أن تكون أبعاد العينات أقل من 20 × 20 ملليمتر.
سماكة العينة: يجب أن تكون سماكة العينة أقل من 5 ملليمتر.
ملاحظة إذا لم يقوم الباحث بتجهيزها نحت نقوم بذلك
متطلبات وضع التماس:
نعومة السطح: يجب أن تكون سطح العينة ناعماً (خشونة أقل من 5 ميكرومتر).
صلابة العينة: ينبغي أن تكون العينة صلبة لضمان الحصول على نتائج دقيقة.
خطوات التحضير لعينات المساحيق:
تشتت العينة: يجب على الباحث أولاً تشيت العينة في وسط مناسب مثل الماء، الكحول، أو الأسيتون.
تحضير الشريحة: بعد التشتت، يُسكب بضع قطرات من الغروي الناتج على شريحة زجاجية، ويُترك ليجف تمامًا.
إرسال العينة: بعد جفاف الكولوييد، تُرسل الشريحة (مع مراعاة أن أبعادها ضمن الحدود المسموح بها) لإجراء التحليل.
تتطلب هذه المتطلبات التحضير الدقيق لضمان نجاح عملية التحليل باستخدام AFM.
تحليل النتائج
تفسير الصور:
التوبوغرافيا: تُظهر الصور التوبوغرافية الارتفاعات والانخفاضات على سطح العينة. يُستخدم هذا لفهم التركيب السطحي وتوزيع الجسيمات.
الخشونة: يتم قياس معايير الخشونة مثل Ra (المتوسط الحسابي للخشونة) وRMS (الجذر التربيعي للمتوسط التربيعي للخشونة). تساعد هذه المعايير في تقييم جودة السطح.
التحليل الكمي:
يمكن استخدام البرامج لتحليل البيانات بشكل كمي، مما يتيح حساب الخصائص الميكانيكية مثل الصلابة ومعامل المرونة بناءً على التغيرات في الانحراف.
دراسة التركيب:
تُستخدم نتائج AFM لتحديد التركيب البلوري والعيوب في المواد. يمكن أن توفر معلومات حول التغيرات في البنية الناتجة عن عمليات معينة مثل المعالجة الحرارية أو الطلاء.