پایان نامه رشد نانولایه دی اکسید تیتانیوم و بررسی خواص الکترواپتیکی و سطحی آن در word دارای 125 صفحه می باشد و دارای تنظیمات و فهرست کامل در microsoft word می باشد و آماده پرینت یا چاپ است
فایل ورد پایان نامه رشد نانولایه دی اکسید تیتانیوم و بررسی خواص الکترواپتیکی و سطحی آن در word کاملا فرمت بندی و تنظیم شده در استاندارد دانشگاه و مراکز دولتی می باشد.
این پروژه توسط مرکز مرکز پروژه های دانشجویی آماده و تنظیم شده است
توجه : توضیحات زیر بخشی از متن اصلی می باشد که بدون قالب و فرمت بندی کپی شده است
بخشی از فهرست مطالب پروژه پایان نامه رشد نانولایه دی اکسید تیتانیوم و بررسی خواص الکترواپتیکی و سطحی آن در word
1 میکروسکوپ نیرو اتمی
1-1 پیشگفتار
2-1 نحوه عملکرد AFM
1-2-1 آشکارسازی جهت گیری تیرک
2-2-1 روشهای تصویر برداری در AFM
3-1 حالت های مختلف کارکرد AFM
1-3-1 حالت های تماسی
2-3-1 حالت غیر تماسی
3-3-1 حالت شبه تماسی
4-1 انواع مختلف میکروسکوپ نیرو اتمی از لحاظ کاربرد
1-4-1 میکروسکوپی نیروی افقی (LFM)
2-4-1 میکروسکوپی نیروی مغناطیسی (MFM)
3-4-1 میکروسکوپی نیروی الکتریکی (EFM)
4-4-1 میکروسکوپی پیمایشی سطح (SSPM)
5-4-1 حسگر نیرو
6-4-1 منحنی های نیرو- فاصله
5-1 تیرک (Cantilever)
1-5-1 هندسه تیرک
2-5-1 جنس و پو شش
6-1 سوزن (tip)
1-6-1 جنس و پوشش
2-6-1 انواع روکشها
3-6-1 دسته بندی بر اساس خصوصیات هندسی
7-1 خطاها در تصاویر و نتایج AFM
1-7-1 خطاهای سوزن
2-7-1 خطاهای ابزار روبش
3-7-1 خطاهای لبه
4-7-1 خطاهای راندگی روبش
5-7-1 پردازش تصویر
6-7-1 نوسانات
7-7-1 منابع دیگر ایجادکننده خطا
8-1 مقایسه بین AFM و سایر ابزارهای بررسی خصوصیات
2 برهمکنش های بین سوزن میکروسکوپ نیرو اتمی و سطوح جامد
1-2 مقدمه
2-2 نیروهای بین سوزن و سطح جامد
1-2-2 نیروهای شیمیایی
2-2-2 الگوی پوسته ای
3-2-2 معایب و مزایا الگوی پوسته ای
4-2-2 تئوری تابعی چگالی
5-2-2 نظریه تابعی چگالی موضعی (LDA)
6-2-2 تئوری هارتری- فوک (HF)
3-2 نیروهای واندروالسی
1-3-2 محاسبه نیروی واندروالسی بین سوزن کروی و سطح جامد
2-3-2 برهمکنش بین اتم- کره
3-3-2 برهمکنش واندروالسی بین دی الکتریک کروی و یک سطح دی الکتریک
بلوری
4-2 الکتروستاتیک کلونی
5-2 نیروهای تصویری
6-2 نیروهای اتلافی واندروالسی
7-2 نیروهای مغناطیسی
8-2 نیروهای مویینگی
9-2 الگوی صفحات موازی با اعمال ولتاژ DC
1-9-2 الگوی صفحات موازی برای نیروی جاذبه بین سوزن و سطح
2-9-2 محدودیت ها و معایب روش صفحات موازی
3-9-2 مزیت های الگوی صفحات موازی
10-2 الگوی ظرفیت
1-10-2 مزیت های الگوی ظرفیت
2-10-2 محدودیت های الگوی ظرفیت
3 رشد و مشخصه یابی نانو لایه دی اکسید تیتانیوم
1-3 مقدمه
2-3 انباشت به روش تبخیر فیزیکی (PVD)
1-2-3 روش تبخیر
3-3 زیر لایه ها و ویژگیهای آنها
4-3 شرایط انباشت نانو لایه دی اکسید تیانیوم به روش کندوپاش
5-3 شکل بلوری دی اکسید تیتانیوم
1-5-3 بررسی تأثیر دما در تولید فازهای بلوری آناتیس و روتیل
2-5-3 بررسی اثر فشار کمکی اکسیژن در تولید فازهای مختلف آناتیس و روتیل…
6-3 خواص اپتیکی دی اکسید تیتانیوم
1-6-3 انعکاس و عبور توسط یک لایه نازک تداخل
2-6-3 تأثیر دمای زیر لایه بر درصد عبور
3-6-3 بدست آوردن بندگاف لایه نازک دی اکسید تیتانیوم
7-3 منحنی های بدست آمده از NC-AFM روی سطح TiO2
1-7-3 بدست آوردن گذردهی الکتریکی نانو لایه دی اکسید تیتانیوم
منابع
4 نتیجه گیری
1-4 بررسی نتایج آزمایشگاهی تأثیر دما در تولید فازهای آناتیس و روتیل
2-4 بررسی اثر فشار کمکی اکسیژن در تولید فازهای مختلف آناتیس و روتیل………
3-4 خواص اپتیکی دی اکسید تیتانیوم
4-4 تأثیر دمای زیر لایه بر درصد عبور و ضریب شکست لایه
5-4 نتایج مقدار بند گاف بدست آمده لایه نازک دی اکسید تیتانیوم
6-4 نتایج و بررسی های منحنی های بدست آمده از NC-AFM روی سطح TiO2
منابع
پیوست
بخشی از منابع و مراجع پروژه پایان نامه رشد نانولایه دی اکسید تیتانیوم و بررسی خواص الکترواپتیکی و سطحی آن در word
[1] T. C. Kaspar, S. M. Heald, Phys. Rev. Lett. 95 217203 (2005)
[2] Y. Mastumoto, M. Muraka, T. Shono, Science 291, 854 (2001)
[3] S. B. Ogale etal. Phys. Rev. B 67, 115211(2003)
[4] S. Chamber, S. M. Heald, Phys. Rev. B 67, 100401 (2003)
[5] K. A. Griffin, A. B. Pakhomov, C. M. Wang, Phys. Rev. Lett. 94, 157204 (2005)
[6] D. Dietl, H. Hwang, S. Das Sarma, Phys. Rev. Lett. 92, 117201 (2004)
[7] T. Durst, R. N. Bhatt, A. Wolf, Phys. Rev. B 68, 235210 (2002)
[8] A Kaminiski, S. Das Sarma, Phys. Rev. B 88, 247202 (2003)
[9] S. R Shinde etal, arXiv:cond-mat/
[10] S. X. Zhang, S. B. Ogale, L. F. Fu etal, Appl. Phys. Lett. 88, 012513 (2006)
[11] G. Tyuliev and S. Angelov, Appl. Surf. Sci. 32, 381 (1988)
[12] D. C. Cronemeyer Phys. Rev. 113, 1222 (1959)
[13] J. Kwo, M. Hong et al., J. Cryst. Growth 251 (2006), p
[14] Yi. Chen, Hsin. Yi. CHINESE JOURNAL OF PHYSICS 33 (2000), p
[15] G. Vidali, G. Ihm, Surf. Sci. Reports 12, p. 133 (1999)
[16] X. D. Wang, J. Kulik, Mater. Res. Soc. Sympproc. 738, p. 183 (2003)
[17] H. Arakawa, K. Umemura and A. Ikai, Nature 358, p. 171 (1992)
[18] B. N. J. Persson, Chem. Phys. Lett. 60, p. 366 (1988)
[19] S. Sze, The Physics of Semiconductor Devices, Wiley New York, p. 411 (1981)
[20] F. F. Abraham, I. P. Batra, Phys. Rev. Lett. 60, p. 1314 (1988).
[21] H. Yokoyama and T. Inoue, Thin Solid Film 242, p. 33 (2004)
[22] J. Jahanmir, B.G .Haggar, Scanning Microsc. 6, p. 625 (2002)
[23] U. Durig, O. Zuger, J. Microsc. 152, p. 259 (2003)
[24] G. D. Wilk, R. M. Wallace and J. M. Anthony, J. Appl. Phys. 89 ,p. 5243 (2005)
[25] R. M. C. De Almeida and I. J. R. Baumvol, Surf.Sci. Rep. 49, p. 1 (2003)
[26] K. Miyaket etal., J. Appl. Phys. 91, 3468 (2002)
[27] A. S. Foster, A. l. Shluger, Appl. Phys A (2000).
[28] R. Bennewitz, A. S. Foster, Phys. Rev. B 62, 2074 (2000)
[29] Van Roij, J. Phys. Condens. Matter, 11, 10047 (1999)
[30] K. H. Lau and W. Kohn, Surf .Sci 75, 69 (1978)
[31] Li. F. B, Thompson G. E. and Newman R. C. Appl .Surf. Sci 126, 21 (1998)
[32] J. F. Annett and P. M. Echenique, Phys. Rev. B 36, 8986 (2001)
[33] D. A. Allwood etal., Science 296, 2003 (2002)
[34] B.C. Stipe, H.J. Mamin, T.D. Stowe, T.W. Kenny and D. Rugar, Phys. Rev. Lett. 87 096801 (2001)
[35] H. B. G. Casimir and D. Polder, Phys. Rev. 73, 360 (1947)
[36] B. N. J. Persson and Z. Zhang, Phys. Rev. B 57, 7327 (1998)
[37] J. B. Pendry, J. Phys.: Condens. Matter 9, 10301, (1997)
[38] انجمن علمی دانشجویی نانوتکنولوژی دانشکده فنی دانشگاه تهران، “نانوتکنولوژی آیینه تکنولوژی آفرینش”، تهران
[39] How AFM works from “The tip-sample interaction in atomic force microscopy and its implications for biological applications “, Ph.D. thesis by David Baselt, California Institute of Technology,
[40] Scanning Tunneling Microscopy : A Tutorial” from the Department of Chemistry & Biochemistry at the University of Guelph
[41] G. Y. Jing , Jun. Ma and D. P. Yu* State Key Laboratory for Mesoscopic Physics, School of Physics, Peking University Beijing 100871, P. R. China
[42] P. W. Murray, N. G. Condon, Phys, Rev. B 51, 10989 (1995)
[43] H. Onishi and Y. Iwasawa, Surf. Sci. 313 L783 (1994)
[44] P. J. Moller, M. C. Wu, Surf. Sci. 329 241 (1995)
[45] S. Munnix and M. Schmeits, Phys. Rev. B 31, 3369 (1985)
چکیده
حدود 95% کاربرد تیتانیوم در صنعت بصورت دی اکسید این ماده است. با توجه به اهمیت خصوصیات فتوکاتلیستی این ماده، که موجب کاربری این ماده در پزشکی، صنایع شیشه سازی، سطوح خود تمیزشونده و سلول‌های خورشیدی شده است. علاوه بر این نانو لایه دی اکسید تیتانیوم آناتیس می‌توانند در بهبود خواص کامپوزیت‌های پلیمری از جمله پلی آنیلین، که یکی از پرکاربردترین پلیمرهای رسانا است، استفاده کرد. کلیه کاربردهای این ماده که ناشی از خواص اپتیکی، الکتریکی و بلوری آن است و تواناییهای بررسی خصوصیات تا مقیاس اتمی، بوسیله میکروسکوپ نیرو اتمی، باعث شده تا در این پژوهش سعی شود تا این بررسی ها انجام پذیرد
در ابتدا به شرح اجزا و نحوه عملکرد و خطاهایی که ممکن است در هنگام کار یا تحلیل نتایج میکروسکوپ نیرو اتمی بدست آید پرداخته شده است. سپس شرح و بررسی نیروهای بین سوزن و سطح و الگوهایی جهت محاسبه این نیروها آمده است. همچنین پس از رشد نانو لایه دی اکسید تیتانیوم به روشهای کندوپاشی و تبخیری روی زیر لایه های شیشه و سیلیکون تک بلور به بررسی خواص بلوری با استفاده از دستگاه XRD و ویژگیهای اپتیکی با استفاده از دستگاه اسپکتروفتومتر دو پرتویی و خواص سطحی و الکتریکی با استفاده از AFM و مقایسه نتایج آزمایشگاهی بدست آمده با مطالعات تئوری پرداخته شده است. در پایان نیز تحلیل و نتیجه گیری آمده است
بررسی های بدست آمده نشان می دهد که با وجود توافقات خوبی که در مورد برخی از بررسی های انجام شده روی خصوصیات سطح TiO2 با استفاده از AFM و نتایج تئوری وجود دارد اما هنوز خلأ تئوری کاملی برای توصیف تمامی خصوصیات سطح احساس می گردد
1-1 پیشگفتار
میکروسکوپ نیرو اتمی[1] یا به عبارت دیگر میکروسکوپ نیرو پویشی[2] نخستین بار توسط بنینگ[3] و گربر[4] در سال1986 اختراع شد. اولینAFM از یک قطعه کوچک الماس که به انتهای یک نوار کوچک طلا بسیار دقیق چسبانده شده بود ساخته شد. در حالیکه نمونه زیر تیپ روبش می شد یک قلاب کوچک در انتهای نگهدارنده بر روی سطح فشار وارد می آورد. نیرویی که بین تیپ و نمونه وجود داشت، باعث خم شدن نگهدارنده می شد، که با استفاده از آشکار ساز جریان جمع شده در نگدارنده مشخص می گردید. اولین اندازه گیری روی نیترید برم انجام شد، که توانست خصوصیات سطح را تا °A300 تعیین کند. در نوع امروزی نیز اساس کار تغییری نکرده و فقط آشکارسازی بوسیله ابزار اپتیکی انجام می شود. همانند سایر میکروسکوپ های پروب روبشی در AFM نیز از یک پروب بسیار تیز استفاده شده است که طی فرایند روبش بر روی سطح نمونه حرکت میکند. در میکروسکوپ، پروب در قسمت انتهایی نگهدارنده[5] قرار گرفته که در واقع نوک ابزار را تشکیل میدهد که بر اثر نیروی بین قسمت سر پروب و نمونه خم می شود. در اولین طرحی که از ابزار AFMارائه شد از یک میکروسکوپ تونلی پویشی در قسمت انتهای نگهدارنده برای تعیین میزان خمش نگهدارنده استفاده شد اما اکنون در مدلهای مختلف این ابزار از نگهدارنده های نوری استفاده می شود. با خمش نگهدارنده نور لیزر روی دیود نوری دوگانه انعکاس می یابد با اندازه گیری تفاوت سیگنال A , B)) تغییرات در خمش نگهدارنده را می توان اندازه گیری کرد. حرکت قسمت سر یا نمونه توسط دستگاه موقعیت یاب دقیقی کنترل می شود که از سرامیکهای پیزوالکتریک ساخته شده که اغلب اوقات به شکل یک پویشگر تیوپی است. این پویشگر توانایی حرکت زیر انگستروم را در جهات x, y, zدارد. قاعدتاً محور zعمود بر موقعیت نمونه قرار دارد از آنجایی که نگهدارنده در جابجاییهای کوچک از قانون هوک پیروی میکند از روی جابجاییهای نگهدارنده می توان نیروی بر همکنش بین تیپ و نمونه را بدست آورد
سرامیک های پیزوالکتریک موادی هستند که با اعمال میدان الکتریکی به آنها طولشان در حد آنگستروم تغییر میکند. بنابراین می توان از آنها برای جابجاییهای بسیار کوچک استفاده کرد
بشر با اختراع این وسیله پیشرفت‌های بسیاری در علم مواد و شناخت سطوح پیدا کرده است که در بسیاری از صنایع از جمله الکترونیک، ارتباطات، خودرو، فضانوردی و انرژی تأثیرگذار بوده‌اند. درواقع اختراع میکروسکوپ نیروی اتمی فصل جدیدی در پیشرفت فناوری نانو و کاربردهای صنعتی آن می‌باشد.AFM بطور کلی تکنیک جدید و روبه گسترشی است. ابزاری نوید بخش و پایه‌ای در علوم و نانوتکنولوژی بوده و بسیاری از محققین در زمینه‌های تحقیقاتی مختلف از آن بهره می‌گیرند. اغلب تلاشها برای توسعه فناوری مبتنی بر ساخت ابزارهای نانومتری و استفاده از AFM است. AFM توانایی دستیابی به کشفیات جدید در زمینه علوم و فناوری، فیزیک، شیمی، مواد و بیولوژی را به محققین میدهد. راه آینده علوم و فناوری در صورتی روشن خواهد شد که رسانه‌های خبری و مجامع دولتی نسبت به پوشش خبری و حمایت جدی از تحقیقات و کشفیات جدید در زمینه نانوتکنولوژی اقدام نمایند؛ و البته AFM ابزاری است که مبنای کار و تحقیق در نانوتکنولوژی می باشد
2-1 نحوه عملکرد AFM
اصول کلی کار AFM بدین صورت است که یک سوزن[6] بسیار تیز و ظریف به نوک یک جسم با قابلیت ارتجاع به نام نگهدارنده وصل شده و سر دیگر نگهدارنده به یک بازوی پیزوالکتریک متصل شده است. پشت لرزانک با یک لایه نازک از فلز برای بهبود انعکاس باریکه لیزر از آن روکش شده است. انعکاس باریکه لیزر به منظور آگاهی از جهتگیری نگهدارنده در فضا می باشد. با اعمال اختلاف ولتاژهای مناسب به پیزو الکتریک در راستاهای x, y, zمحل اتصال نگهدارنده به پیزوالکتریک را می توان به هر نقطه دلخواه از فضای سه بعدی با دقت آنگسترم منتقل کرد. از طرفی به هنگام روبش سطح بوسیله سوزن نیرویی به سوزن وارد می شود که بزرگی و جهت آن وابسته به فاصله نوک سوزن از سطح و همچنین نوع سطح است
نیروی ناشی از سطح باعث خم شدن نگهدارنده می شود باریکه لیزر در صفحه عمود بر افق جا به جا می شود. در نتیجه با آگاهی از میزان خمیدگی نگهدارنده توسط دیودهای نوری و از طرفی معلوم بودن مکان انتهایی نگهدارنده موقعیت فضایی سوزن مشخص می شود. از سوی دیگر میزان خمیدگی بیانگر فاصله سوزن از سطح است که با توجه به مشخص بودن موقعیت فضایی سوزن موقعیت فضایی سطح تعیین می شود. با تغییر پیوسته اختلاف ولتاژهای اعمال شده به پیزوالکتریک سوزن سطح نمونه را جاروب می کند و با مکانیزم یاد شده موقعیت تک تک نقاط سطح معین می شود و نتیجه در نمایشگر یک کامپیوتر بصورت یک سطح سه بعدی رسم می شود. در نمونه‌های ابتدایی چون امکان نشان‌دادن بعد ارتفاع در رایانه نبود، این کار با رنگ‌ها انجام می‌شد. به این صورت که رنگ‌های تیره برای عمق‌های کم و رنگ‌های روشن برای عمق‌های زیاد به کار می‌رفتند. اما امروزه با استفاده از نرم‌افزارهای سه‌بعدی دیداری میتوان توپوگرافی سطح را در هر سه بعد نشان داد. نکته ای که باید برای بدست آوردن بهترین دقت در نتایج اندازه گیری به آن توجه کنیم این است که باید حین فرایند روبش فاصله سوزن از سطح در محدوده مناسبی باقی بماند چرا که از یک طرف فاصله زیاد (در این ناحیه نیرو جاذبه است) موجب کم شدن میزان انحراف لرزانک و کاهش نسبت سیگنال به نویز در تعیین مولفه z مکان سطح می شود. از طرفی فاصله بسیار نزدیک موجب وارد شدن نیروی زیادی به سطح میشود که علاوه بر آسیب زدن به ساختار سطح و سوزن موجب کاهش درجه تفکیک می شود.فرایند ثابت ماندن فاصله سوزن از سطح حین روبش بطور پیوسته بوسیله یک مدار فید بک الکترونیکی صورت می گیرد
1-2-1 آشکارسازی جهت گیری تیرک
همانطور که قبلاً هم اشاره شد تعیین جهت گیری تیرک (میزان و نحوه خمیدگی تیرک) بوسیله آشکارساز انعکاس باریکه لیزر فرودی و بازتابیده از پشت آن صورت می گیرد. (اگر بردار بیانگر زاویه بین باریکه لیزر فرودی و بازتابیده باشد آنگاه جهت گیریتیرک 2 خواهد بود.) میزان تغییر مکان باریکه لیزر بازتابیده بوسیله یک دیود نوری چهار منطقه ای مشخص می گردد. در حالت عادی که لرزانک هیچ انحرافی ندارد باریکه بازتابیده در مرکز دیود نوری قرار دارد به گونه ای که به میزان مساوی هر یک از نواحی چهار گانه را می پوشاند. خم شدن تیرک، که بر اثر نیروی سطح به سوزن می باشد، باعث جابجایی باریکه در صفحه عمود بر افق و تغییر نسبت پوشش باریکه لیزر در نیمه بالایی و پایین دیود نوری می شود. همچنین پیچش تیرک حول محور آن، که بواسطه نیروی عمود بر سوزن است باعث جابجایی افقی باریکه بازتابیده و تغییر نسبت پوشش باریکه لیزر در نیمه سمت راست و سمت چپ می شود. به شکل 4-1 توجه کنید
از طرفی دیود نوری این قابلیت را دارد که شدت نور لیزر را در هر کدام از نواحی چهار گانه اندازه گیری کند بنابراین از روی نسبت پوشش نواحی چهارگانه با محاسبات ساده هندسه می توان میزان انحراف افقی وعمود بر افق باریکه لیزر را تعیین کرد
قابل توجه اینکه ماهیت روش بکار گرفته شده برای تعیین تغییر جهت گیری تیرک ایجاب می کند که جابجایی باریکه لیزر بازتابیده بر روی دیود نوری حدود 2000 برابر تغییر در خمیدگی لرزانک باشد و همین نکته باعث توانایی AFMدر آشکار سازی خمیدگیهایی به بزرگی یک آنگستروم تیرک می شود
2-2- 1 روشهای تصویر برداری در AFM
تقریباً تمام AFM ها وضعیت هر نمونه را به دو روش استاندارد اندازه می گیرند: با اندازه گیری ثابت پس خور خروجی (” Z “) یا انحراف دیرک(خطا). مجموع این دو سیگنال همواره توپوگرافی واقعی را نشان می دهد، اما با استفاده از حلقه پس خور کاملاً تنظیم شده، از سیگنال خطا می توان چشم پوشی کرد. پایه نوری AFM می تواند اصطکاک بین نوک و نمونه را اندازه گیری کند. اگر اسکنر نمونه را عمود بر محور دیرک حرکت دهد اصطکاک بین نوک ونمونه با عث می شود که دیرک پیچ بخورد. یک حسگر نوری که در دو بعد حساس مکانی است می تواند حرکت چپ – راست منتج شده از اشعه لیزر انعکاس یافته از حرکت بالا –پایین ایجاد شده توسط تغییرات توپوگرافیکی را تشخیص دهد. بنابراین AFM می تواند اصطکاک نوک- نمونه را هنگام عکسبرداری از توپوگرافی نمونه اندازه گیری کند.در کنار اندازه گیری خواص نمونه، اصطکاک ( نیروی افقی یا انحراف افقی) می تواند اطلاعات مفیدی در مورد تاثیر متقابل نوک- نمونه بدهد
هر برآمدگی یک اتم کربن را نشان می دهد. همچنان که نوک از راست به چپ حرکت می کند، با برخورد به هر اتم به پشت آن می چسبد. اسکنر به حرکت ادامه می دهد و نیروهای افقی ساخته می شوند تا زمانی که نوک از اتم عبور کند و به پشت اتم بعدی بچسبد.این رفتار « چسبیدن – عبور کردن» چین خوردگی موجی شکل را در تصویر اصطکاک ایجاد می کند
الف) اندازه گیری الاستیسیته
AFM می تواند نرمی یک نمونه را با فشار دادن پایه بر هر نقطه نمونه در هنگام تصویربرداری اندازه گیری کند. اسکنر با تغییر نوسان (معمولاً از 1 تا nm 10) بوسیله یک مقدار از پیش تعیین شده نمونه را بالا می برد یا دیرک را پایین می آورد. میزان انحراف دیرک بستگی به نرمی نمونه دارد، نمونه سخت تر باعث انحراف بیشتر دیرک می شود. شکل5-1 عکسی از یک پروتئین بنام BSA[7] را روی سیلیکون نشان می دهد. به جرأت می توان گفت که هر کدام از برآمدگی ها که در تصویر توپوگرافی ظاهر شده، مربوط به یک ملکول BSA است. تصویر الاستیسیته نشان می دهد که هر برآمدگی نسبت به زیر لایه سیلیکون نرم تر است و همان چیزی است که از ملکولهای پروتئین انتظار می رود
ممکن است نیروی بین تیرک AFM و سطح نمونه خیلی بزرگتر از مقدار نیرویی باشد که بین دو اتم ارائه شده است. این امر بدین علت است که اندازه تیرک AFM خیلی بزرگتر از اندازه یک اتم است. قطر این تیرک بطور معمول حدود 20 نانومتر است و لذا محدوده نیروهای اندازه‌گیری‌شده در عمل, خیلی وسیعتر از مدلهای ترمودینامیکی است
3-1 حالت های مختلف کارکرد AFM
برحسب ناحیه عملکرد سوزن،حالت های AFMبه سه دسته کلی تماسی[8] کمتر از 5 آنگستروم، شبه تماسی[9] بین 4 تا 30 آنگستروم و غیر تماسی[10] بین 30 تا 150 آنگستروم تقسیم می شوند
حالت های تماسی و شبه تماسی هر کدام بر حسب ارتعاش یا عدم ارتعاش تیرک به دو دسته ACو DCطبقه بندی می شوند. در ناحیه غیر تماسی به دلیل ناچیز بودن سیگنال نیرو فقط ازحالت ACاستفاده می شود. لازم به ذکر است که برای تنظیم بهینه پارامترهای AFM در هرحالت، ابتدا نمودار نیرو بر حسب فاصله رسم و مطالعه می شود و با توجه به این نمودار پارامترها ( از جمله جنس تیپ ، مد ، ولتاژ بایاس و;) انتخاب می گردند. البته بسیاری از دستگاههای AFM بطور خودکار این پارامترها را تعیین می کنند، در ادامه هرکدام از این دسته ها را بررسی می کنیم
1-3-1 حالت های تماسی
مطابق تعریف به ناحیه ای “ناحیه تماس”می گویند که نیروی بین سوزن و سطح دافعه باشد. در مقایسه با حالت های دیگر نیروی وارد شده به سطح درحالت تماسی بزگتر است. از طرفی به دلیل تماس پیوسته سوزن با سطح حین فرآیند روبش نیروهای اصطکاک قابل توجهی به سوزن و سطح وارد می شود که موجب آسیب دیدگی سطوح حساس و سوزن می گردد
بر این اساس مطالعه سطوح حساس و نرم با مدهای تماسی قدرت تفکیک را کاهش می دهد و باعث بروز خطای سیستماتیکی در نتایج می شود. در عین حال بیشترین قدرت تفکیک و دقت اندازه گیری با AFMمربوط به بررسی سطوح سخت با سوزنهای نازک بسیار تیز و سخت در حالت تماسی می باشد.در AFMهای تماسی، نوک تیرک با سطح نمونه تماس پیدا میکند. نیروی بکاررفته برای این کار را میتوان از منحنی نیرو-فاصله بدست آورد. در AFM تماسی از یک تیرک بسیار ظریف استفاده میشود ( ثابت‌فنر این حامل بطور معمول بین 1-01/0 نیوتن بر متر است). این تیرک به حدی ظریف است که نیروی بوجودآمده بین آن و سطح نمونه، موجب انحراف آن میگردد، چراکه گرادیان نیروی بین تیرک و سطح نمونه (حدود 15 نیوتن بر متر) خیلی بیشتر از ثابت‌فنر حامل (حدود 1/0 نیوتن بر متر) است. با اندازه‌گیری میزان انحراف حامل و با داشتن ثابت‌فنر میتوان مقدار نیروی وارده بر آن را محاسبه کرد، و از آنجا (با توجه به ارتباط نیرو و فاصله بین دو جسم) به تصویر حاصل از AFM رسید. از آنجا که تیرک AFM بطور مکانیکی با سطح نمونه تماس پیدا میکند، بسیاری از خواص سطحی چون توزیع نیروی اصطکاک و خواص مکانیکی را میتوان از تصاویر توپوگرافی حاصل از AFM، مورد ارزیابی قرار داد. همچنین با کنترل نیروی AFM تماسی، نانولیتوگرافی بر روی برخی مواد عملی خواهد بود
الف) باز خورد[11] نیرو در AFM
حضور حلقه بازخورد یکی از ظریفترین تفاوتهای بین AFM و دستگاههای اندازه گیری سوزنی قدیمی تر است. AFM نه تنها نیروی وارد بر نمونه را اندازه می گیرد، بلکه آنرا تنظیم می کند. بنابراین می توان با صرف نیروهای بسیار کم تصاویر را به دست آورد. حلقه بازخورد شامل یک اسکنر لوله ای است که ارتفاع کامل نمونه را کنترل می کند و یک دیرک و پایه نوری که ارتفاع موضعی نمونه را اندازه می گیرند. حلقه بازخورد با تنظیم ولتاژ به کار گرفته شده در اسکنر تلاش می کند انحراف دیرک را ثابت نگه دارد. حلقه بازخورد با فرکانس kHz 10 به یک دقیقه زمان برای تصویر برداری نیاز دارد. یک نکته جالب توجه این است که حلقه بازخورد می تواند انحراف دیرک را سریعتر اصلاح کند، به این ترتیب AFM سریعتر می تواند تصویر برداری کند. بنابراین یک حلقه بازخورد که درست بنا شده باشد، برای عملکرد میکروسکوپ ضروری است
ب) حالت نیرو ثابت
در این حالت حین فرآیند روبش نیروی سوزن به سطح (فاصله سوزن از سطح) توسط مدار فیدبک ثابت نگه داشته می شود در نتیجه حین فرآیند روبش، مسیر طی شده توسط پیزو الکتریک با مسیر سوزن و با توپوگرافی سطح یکسان می باشد و نمودار سطح با دقت بسیار بالایی تعیین می شود. در واقع در هر گام روبش، آنقدر مدار کنترلی فیدبک به سرامیک پیزو الکتریک فرمان تغییر ارتفاع می دهد تا فاصله سوزن از سطح مورد نظر ثابت قرار گیرد. یکی از مسایل نا مطلوب این روش مدت زمان زیاد روبش کامل سطح است چرا که در هر گام روبش مدار فیدبک چندین بار به پیزو فرمان تغییر ارتفاع می دهد تا اینکه فاصله سوزن از سطح به بازه مورد نظر برسد. از طرفی هر چه تفکیک پذیری عرضی بیشتری لازم باشد گامهای روبش کوچکتری مورد نیاز است و به تناسب سرعت روبش کمتر می شود. بر این اساس طراحی بهینه مدار فیدبک اهمیت پیدا می کند. برای رسیدن به سرعتهای مطلوب مدار فیدبک باید فرکانس تکرار حدود kHz10 داشته باشد. از مهمترین مزیت های این روش یکی دقت بسیار بالای توپوگرافی سطوح سخت است. دیگر اینکه ،حین روبش سطح علاوه بر مشخص شدن توپوگرافی هندسی، کمیات دیگری از سطح مانند اصطکاک، توزیع مقاومت الکتریکی و ; بطور همزمان تعیین میگردد
یکی از محدودیتهای این روش در تعیین مشخصات سطوح نرم است چرا که توپوگرافی حین روبش توسط سوزن ، بدلیل لزوم تماس آن با سطح، تغییر می کند و در نتیجه دقت و تفکیک پذیری اندازه گیری کاهش پیدا می کند
ب) حالت ارتفاع ثابت
در این حالت ارتفاع پیزو الکتریک حین فرآیند روبش تغییر نمی کند و حرکت آن در یک سطح افقی صورت می گیرد. در نتیجه بسته به فاصله پیزو از سطح نمونه مورد بررسی، نیرویی به سوزن وارد می شود. با ثبت انحرافات لرزانک حین فرآیند اندازه گیری نمودار نیرو وارد بر سوزن حین فرآیند روبش مشخص می شود و با توجه به تابعیت نیروی وارد بر سوزن از فاصله آن سطح، اختلاف ارتفاع نقاط مختلف سطح از ارتفاع پیزو معلوم می شود، که همان توپوگرافی سطح می باشد .سرعت روبش سطحی در این روش بسیار زیاد است چرا که فرآیند کنترل ارتفاع وجود ندارد، تا سیکل مدار بازخورد سرعت روبش را کمتر کند. تنها عامل تعیین کننده سرعت روبش، سرعت عکس العمل لرزانک در تغییر جهتگیری است که در مقایسه با مدار بازخورد بسیار سریعتر است. محدودیت جدی این روش، بررسی سطوح نسبتاً هموار می باشد و از طرفی بدلیل عدم کنترل ارتفاع ممکن است سوزن در نقاطی به سطح فشار وارد کند که سطح نمونه های نرم در این حالت تغییر می کند که منجر به کاهش قدرت تفکیک نتایج می شود
2-3-1 حالت غیر تماسی
[1] AFM
[2] SFM
[3] Benning
[4] Gerber
[5] Cantilever
[6] tip
[7] Bovin serum albumin
[8] Contanct
[9] Semicontact
[10] Noncontact
[11] Feedback
