العودة   منتدى لغة الروح > لغة الفيزياء > الفيزياء الحديثة


ميكرسكوب القوة الذرية

كل ما يخص الفيزياء الحديثة


إضافة رد
 
أدوات الموضوع انواع عرض الموضوع
#1  
قديم 06-15-2020, 12:51 AM
أحمد م غير متواجد حالياً
لوني المفضل Cadetblue
 رقم العضوية : 1451
 تاريخ التسجيل : Jun 2020
 فترة الأقامة : 177 يوم
 أخر زيارة : 06-21-2020 (01:33 PM)
 المشاركات : 80 [ + ]
 التقييم : 10
 معدل التقييم : أحمد م is on a distinguished road
بيانات اضافيه [ + ]
افتراضي ميكرسكوب القوة الذرية



ميكرسكوب القوة الذرية :
الملخص :
يطلق علي الميكرسكوب القوة الذرية اسم ( AFM) . يتميز عن الميكرسكوب الإلكتروني الماسح بأنه ينتج صورة ثلاثية الأبعاد (3d) أكثر وضوحا من الميكرسكوب الإلكتروني الماسح . كما أنه لا يتطلب تعجيل الإلكترونات ولا المدفع الإلكتروني . كا أنه لا يتم تغطيته بمعادن ثقيلة لذلك لن تفسد العينة . من إحدي مزاياه أنه يستخدم مجس( Tip ) يتحرك علي سطح العينة فيعطي أدق التفاصيل عن المعلومات الطبوغرافية عن العينة ولذلك يمكن استخدامه في الكشف عن الذرات حيث أنه يفحص بالمجس سطح العينة ذرة ذرة فبذلك يمكننا التعرف علي التركيب الكيميائي و تحديد نوع و مكان كل ذرة . ولكن من عيوب هذا الجهاز أن استخدام مجس غير مناسب قد يؤدي لتشويه العينة كما أنه يعمل ببطء مما يؤدي إلي انزياح حراري للعينة علي عكس الميكرسكوب الإلكتروني الماسح الذي يعطي صورة حية للعينة .
من المكونات الأساسية للميكركسوب الإلكتروني الماسح (ذراع cantilever / مجس
prob / رأس حاد يعرف بال tip ).
الشرح :
(1) المبدأ الأساسي :
يتكون ميكروسكوب القوة الذرية AFM من ذراع cantilever في نھايته مجس
probe مكون من رأس حاد يعرف بال tip يستخدم لمسح سطح العينة. تكون الذراع مصنوعة من مادة السليكون أو نيتريد السيليكون بنصف قطر في حدود بضع
نانومترات. عندما يقترب رأس المجس من سطح العينة تتولد قوة بين رأس المجس
وسطح العينة تؤدي ھذه القوة الى انحراف في الذراع بناء على قوة ھوك. وقد تكون
القوة المتبادلة قوة ميكانيكية او قوة فاندرفال أو قوة شعرية أو قوة كھروستاتيكية أو
قوة مغناطيسية أو قوة رابطة كيميائية أو قوة كزيمار أو غيرھا من انواع القوة وھذا
حسب نوع السطح الذي تتم دراسته. كما يمكن دراسة العديد من انواع ھذه القوة
باستخدام مجسات خاصة وعندھا يسمى الميكروسكوب باسمھا مثل ميكروسكوب
القوة المغناطيسية MFM) magnetic force Microscope ) أو ميكروسكوب المسح الحراري scanning thermal microscopy أو غيره. وفي كل ھذه الميكروسكوبات تحدث القوة المتبادلة باختلاف انواعھا انحراف في ذراع
ميكروسكوب القوة الذرية يقاس ھذا الانحراف بواسطة انحراف شعاع ليزر عن
مرآة مثبتة على ذراع الميكروسكوب. وشعاع الليزر المنعكس يرصد على مصفوفة
خطية من الفوتودايود. Photodiodes . وھناك طرق اخرى لقياس الانحراف مثل
مقياس التداخل الضوئي optical interfermetry ، أو باستخدام بيزوالكترك أو
مجس سعة كھربية. وحسب طريقة قياس الانحراف يتم تصميم ذراع الميكروسكوب
فمثلا لو كانت طريقة القياس تعتمد على الكھرباء الانضغاطية (بيزوالكتروك) فان
الذراع تصنع من مواد بيزوالكتروك. ولكن تعتبر طريقة قياس الانحراف بشعاع
الليزر الطريقة الادق والاكثر استخداما.
إذا تم مسح المجس عند ارتفاع معين من سطح العينة فقد يكون ھناك خطورة على
المجس بان يصطدم بالسطح، ولتجنب حدوث ھذا يتم استخدام تغذية عكسية للتحكم
في المسافة بين المجس وسطح العينة لتحافظ على القوة المتبادلة بينھما ثابتة. ويتم
تثبيت العينة على قاعدة من مادة بيزوالكترك تحرك العينة في الاتجاه z للحفاظ على
قيمة ثابتة للقوة المتبادلة بين المجس وسطح العينة وكذلك تحريك العينة في البعدين
x و y. وھناك انواع اخرى من ميكروسكوبات القوة الذرية تستخدم 3 بلورات
بيزوالكتريك كل بلورة مسئولة عن اتجاه من اتجاھات الحركة الثلاثة. وفي التصاميم
الحديثة يتم تثبيت الذراع على ماسح بيزوالكتريك افقي في حين يتم تحريك العينة
فقط في الاتجاھين x و y. وفي النھاية نحصل على خريطة لمساحة تمثل طبوغرافيا
سطح العينة.
صورة توضح فكرة عمل ميكروسكوب القوة الذرية :
ميكرسكوب القوة الذرية
(2) أنماط التشغيل واخذ الصور Imaging Modes:
ذكرنا ان ھناك نمطين اساسيين من انماط تشغيل جھاز AFM وھما النمط
الاستاتيكي والذي يتم فيه سحب الذراع عبر سطح العينة ويتم مباشرة قياس تضاريس
السطح من خلال الانحرافات في الذراع. والنمط الديناميكي يكون الذراع يتذبذب
بالقرب من السطح عند تردد رنيني resonance frequency . ويتم قياس التردد والسعة والطور وتردد الرنيني من خلال القوة المتبادلة بين المجس وسطح العينة.ھذه التغيرات في التردد بالنسبة للتردد المرجعي يعطي معلومات عن خصائص
العينة.
النمط الاستاتيكي او نمط الاتصال Contact Mode:
في ھذا النمط يستخدم الانحراف في رأس المجس كإشارة للتغذية العكسية ولان قياس
الاشارة في ھذا النمط يتعرض للتشويش يتم استخدام ذراع اقل صلابة لتكبير مقدار
إشارة الانحراف. ويقرب المجس من سطح العينة بحيث تحدث قوة تنافر تنتج عن
الالكترونات على سطح العينة والكترونات المجس. ويتم الحفاظ على ثبات مقدار
القوة التنافرية ھذه اثناء المسح من خلال المحافظة بقاء الانحراف ثابتاً.
صورة توضح نمط الاتصال :
ميكرسكوب القوة الذرية
النمط الديناميكي او نمط عدم الاتصال Non contact Mode:
في ھذا النمط لا يكون المجس متصلا مع سطح العينة. بل يكون الذراع متذبذب عند
تردد أكبر بقليل من تردد الرنين حيث تكون سعة الذبذبة في حدود بضعة نانومترات
(اقل من 10 نانومتر). وتكون القوة المتبادلة بين المجس وسطح العينة ھي قوة
فاندرفال van der Waals وھي تكون مسيطرة عند تلك المسافة أي في حدود 1
الى 10 نانومتر فوق سطح العينة، وھذه القوة تعمل على تقليل تردد الرنين للذراع.
ھذا الانخفاض في تردد الرنين يستخدم في نظام التغذية العكسية الذي يقوم بالحفاظ
على سعة الاھتزازة ثابتا من خلال اعادة ضبط المسافة بين المجس والسطح. وبقياس
المسافة بين المجس والسطح اثناء المسح في الاتجاھين y،x يتم رسم الصورة
لطبغرافية سطح العينة باستخدام برامج معدة لذلك.
في ھذا النمط لا يتعرض رأس المجس لأي ضرر لأنه لا يحتك مع سطح العينة مثلما
يحدث مع النمط السابق. وھذا يجعل من نمط التشغيل الديناميكي مفضلا أكثر
وخصوصا في حالة التعامل مع العينات اللينة. ولكن في حالة العينات الصلبة فان
الصور التي تؤخذ بكلا النمطين تكون متماثلة. ولكن إذا وجدت طبقة نانوية من مادة
سائلة على سطح العينة فان النمطين سوف يعطيان صورا مختلفة بعض الشيء، لان
المجس في النمط المتصل يخترق طبقة السائل ليعطي صورة للسطح الاسفل منھا،
في حين ان النمط غير المتصل سوف يتذبذب فوق السطح ويعطي صورة لكل من
السائل والسطح معا.
صورة توضح نمط عدم الاتصال :
ميكرسكوب القوة الذرية
نمط النقر Tapping Mode:
قريب جدا من العينة للحصول على إشارة لمقياس القوة المتبادلة فانه من المحتمل ان
يلتصق رأس المجس بالعينة، ولمنع ھذا من الحدوث تم تطوير النمط الغير متصل
بنمط النقر tapping mode وذلك للتغلب على ھذه المشكلة.
في نمط النقر تتذبذب الذراع للأعلى والاسفل بالقرب من تردد الرنين وتكون سعة
الذبذبة أكبر من 10 نانو متر حيث تتراوح بين 100 و 200 نانومتر. ونظرا للقوة
المتبادلة التي تؤثر على الذراع عند اقترابھا من سطح العينة فان قوة فاندرفال أو قوة
ثنائيات القطب المتفاعلة او القوى الكھروستاتيكية تتسبب في تغير في سعة الذبذبة
وتقل كلما اقترب رأس المجس من سطح العينة. يتم التحكم بارتفاع الذراع بواسطة
بيزوالكترك تعمل على ضبط ارتفاع الذراع اثناء مسح العينة. ويعتبر نمط التشغيل
ھذا نمطا متطورا عن نمط عدم الاتصال
صورة توضح نمط النقر :
ميكرسكوب القوة الذرية
(3) قياس انحراف ذراع ميكروسكوب القوة الذرية :
ينعكس شعاع ليزر دايود على الجانب الخلفي للذراع ويتم التحكم فيه من خلال كاشف
حساس للموضع PSD) position sensitive detector ) يتكون من فوتوديودين موضوعين بالقرب من بعضھما البعض والمخرج من كل فوتودايود موصول بمكبر (differential amplifier) . الازاحة الزاوية للذراع تجعل أحد الديودين يلتقط اشارة أكبر من الديود الاخر. وھذا يعطي اشارة تتناسب مع انحراف الذراع. وتصل حساسية الجھاز الى كشف انحراف اقل من 10 نانومتر. ويمكن تكبير التغير في زاوية الشعاع بزيادة طول مسار شعاع الليزر بضع سنتيمترات.
صورة توضح قياس انحراف الذراع :
ميكرسكوب القوة الذرية
(4) مطياف القوة Force Spectroscopy:
بالإضافة إلى استخدام ميكروسكوب القوة الذرية في الحصول على صور على
المستوى الذري يستخدم الميكروسكوب في تحليل القوة، فعلاقة قياسات القوة بين
رأس المجس وسطح العينة كدالة في المسافة بينھم نحصل على نتائج تعرف باسم
منحنى القوة والمسافة force-distance curve . في ھذه الطريقة يتم مد رأس
المجس وسحبه عن سطح العينة اثناء مراقبة انحراف الذراع كدالة في ازاحة
البيزوالكتريك. ھذه الوظيفة استخدمت في قياسات على المستوى النانوي مثل
الروابط الذرية وقوى فانردفال وقوى كايسمر وقوى التحلل في السوائل والجزيئات
المفردة وقوى التمدد والتمزق. وھذه القوة صغيرة جدا في حدود البيكونيوتن
piconewton ولا يمكن قياسھا باي جھاز اخر والان أصبح قياسھا ممكنا بجھاز
AFM وبدقة تحليلية تصل الى 0.1 نانومتر. يمكن الحصول على قياسات مطياف
القوة في كلا نمطي التشغيل الاستاتيكي والديناميكي.
(5) التعرف على الذرات وتميزھا :
يستخدم مقياس القوة الذرية AFM للحصول على صور للذرات ولتحريكھا ايضا
على أسطح المواد. فالذرة على رأس المجس تتحسس الذرات ذرة ذرة على سطح
العينة وتشكل قوة كيميائية مع كل ذرة. ولان ھذه التفاعلات تغير بشكل دقيق تردد
اھتزاز رأس المجس، فإنھا يمكن ان تقاس وترسم. وعلى ھذا الاساس تم التميز بين
ذرات السليكون والرصاص على سطح سبيكة، من خلال مقارنة البصمات الذرية
وتكبيرھا. حيث تم ملاحظة ان رأس المجس يتفاعل مع ذرات السليكون بقوة في حين
يتفاعل مع ذرات التن والرصاص بقوة اقل. ولھذا فان الذرات المختلفة يمكن ان
تتميز في صورة مصفوفة اثناء مرور رأس المجس على سطح العينة.
صورة توضح التعرف علي الذرات و تميزها :
ميكرسكوب القوة الذرية
(6) المزايا و العيوب :
ميكروسكوب القوة الذرية AFM له عدة مزايا عن الميكروسكوب الالكتروني
الماسح SEM . كما انه ليس مثل الميكروسكوب الالكتروني الماسح الذي يوفر صور
أقرب لان تكون ثنائية الابعاد أما ميكروسكوب القوة الذرية يعطي صور ثلاثية
الابعاد للسطح، بالإضافة إلى ان العينات لا تتطلب معاجلة خاصة مثلما يحدث في
الميكروسكوب الالكتروني كتغطيتھا بالكربون أو الذھب وھذا يفسد العينة، كما ان
الميكروسكوب يعمل في الظروف العادية في حين ان الميكروسكوب الالكتروني
يتطلب ان يعمل في الفراغ. وھذا جعل ميكروسكوب القوة الذرية جھازا لدراسة
الخلية الحية. وميكروسكوب القوة الذرية يمتلك قدرة تحليلية عالية تفوق قدرة SEM
و STM من عيوب جھاز AFM بالمقارنة مع جھاز SEM ھو حجم الصورة. فجھاز SEM قادرا على مساحة تصل الى بضعة مليمترات وبعمق يصل الى بضعة مليمترات الا ان جھاز AFM يعمل على مساحة لا تتعدى 150x150 مايكرومتر وبعمق 10 –
20 ميكروميتر. ولكن ھذا العيب تم التعامل معه من خلال تطوير اجھزة AFM
بواسطة شركة IBM تعمل بمجسين متوازيين.
كما ان استخدام رأس مجس tip غير مناسب قد يعطي بعض العيوب في الصورة
الناتجة. بالإضافة الى ان AFM يعمل ببطء بالمقارنة مع SEM الذي يعطي صورة
حية للعينة فان AFM يتطلب ان يعمل لبضعة دقائق حتى يعطي صورة. وھذا
التأخير يؤدي الى انزياح حراري في الصورة مما يجعل ميكروسكوب القوة الذرية
غير مناسب للقياسات الدقيقة للمسافات الطوبوغرافية على الصورة. ويتم تطوير
اجھزة AFM للتغلب على ھذه المشكلة بأجھزة تعرف باسم videoAFM والتي
تعمل بسرعة فاقت سرعة SEM. تتأثر صور AFM بالتخلف hysteresis في المواد البيزوالكتريك والتداخل في الاشارات الملتقطة لكل من y،x أثناء المسح ولكن ھذا تم التغلب عليه باستخدام برمجيات متطورة وفلاتر خاصة أو باستخدام ماسحات متعامدة منفصلة.
ماسح البيزوالكتريك Piezoelectric ھو عبارة عن ماسح من مادة بيزوالكتريك وھي مواد تنضغط وتتمدد بتطبيق فرق جھد كھربي وھذه الخاصية تستخدم في تحريك رأس المجس على العينة بدقة عالية .
المرجع :

Hazem sakeek , (2013) , Electron Microscopes , Educitional physics network




ساعد في نشر والارتقاء بنا عبر مشاركة رأيك في الفيس بوك


الموضوع الأصلي: ميكرسكوب القوة الذرية || الكاتب: أحمد م || المصدر: اسم منتداك

كلمات البحث

العاب ، برامج ، سيارات ، هاكات ، استايلات








رد مع اقتباس
إضافة رد

مواقع النشر (المفضلة)

الكلمات الدلالية (Tags)
مجس, ميكرسكوب القوة الذرية, معلومات طبوغرافية, مطياف القوة, انزياح حراري, صورة ثلاثية الأبعاد, قياس انحراف ذراع ميكرسكوب القوة الذرية

أدوات الموضوع
انواع عرض الموضوع

تعليمات المشاركة
لا تستطيع إضافة مواضيع جديدة
لا تستطيع الرد على المواضيع
لا تستطيع إرفاق ملفات
لا تستطيع تعديل مشاركاتك

BB code is متاحة
كود [IMG] متاحة
كود HTML معطلة

الانتقال السريع

Facebook Comments by: ABDU_GO - شركة الإبداع الرقمية

Bookmark and Share


الساعة الآن 05:49 AM.

أقسام المنتدى

لغة الفيزياء | الفيزياء العامة | الفيزياء الحديثة | الفيزياء النووية | المحاضرات عن بعد | تكنو فيز | الوسائط التعليمية | الفيديو العلمي | طرق وأساليب التدريس | الأجهزة التعليمية | البرامج والمواد التعليمية | فيزياء المرحلة الثانوية (نظام المقررات ) | الترجمة | الأخبار العلمية والتكنولوجيا | لغة الأدب | الأدب العربي | الأدب النبطي | لغتنا العربية | الركن الهادئ | لغة الذات | دورات وقراءات | الميديا التنموية | الروحانيات | اسأل طبيبك | استراحة المنتدى | لقاء العائلة | شاركنا أخبارك | التعارف والترحيب بين الأعضاء | منتدى الإدارة | القرارات الإدارية | تواصل مع الإدارة | منتدى الاقتراحات والملاحظات | ريشة فنان | منتدى المواضيع المحذوفة والمكررة | الفيزياء الطبية | مسار محاضرات الفيزياء | مسار محاضرات الفيزياء الجزء الأول (1و2و3) | مسار محاضرات الفيزياء الجزء الثاني (4و5و6) |



Powered by vbulletin
Copyright ©2000 - 2020.


HêĽм √ 3.1 BY: ! ωαнαм ! © 2010

أن المنتدى غير مسئول عما يطرح فيه أفكار وهي تعبر عن آراء كاتبها

This Forum used Arshfny Mod by islam servant

هذا الموقع يستعمل منتجات MARCO1

جميع الحقوق محفوظة لموقع لغة الروح |تصميم المتحدة لخدمات الانترنت