يعد مجهر القوة الذرية، أو مجهر القوة الماسح (انظر الشكلين رقم 27، و28) أحد مجاهر المجس المسحية ذات التحليل العالي جدًّا، ولها قدرة تحليل تصل إلى أجزاء من النانومتر. ويمكن بواسطته الحصول على صور طبوغرافية ثلاثية الأبعاد للعينة المدروسة.

كما يعد من الأدوات الرئيسة في تصوير وقياس وتحريك المادة عند مستويات النانو، ويحتوي مجهر القوة الذرية على ذراع طولها في حدود الميكرو، وفي نهايتها يوجد رأس حاد منحني (مجس) ذو نصف قطر انحناء في حدود نانومتر، ويصنّع هذا الرأس عادة من مادة السليكون، أو نترات السليكون، ويستخدم في مسح سطح العينة المدروسة. وعندما يقترب الرأس الحاد؛ ليتلامس مع سطح العينة: تنشأ أقوى بين الرأس والسطح؛ فيؤدي ذلك إلى إحداث انحراف في ذراع المجهر طبقاً لقانون هوك. وتقاس هذه القوة عن طريق انعكاس شعاع ليزر على سطح الذراع عند انحرافها، ومن ثم يسقط هذا الشعاع على شبكة من الكاشفات الثنائية الضوئية؛ لتكوين صورة دقيقة للسطح ⁽³²⁾. وعند تحريك الرأس الحاد للمجهر على السطح، وبارتفاع ثابت، فقد يؤدي ذلك إلى تصادم الرأس بالسطح المتعرج للعينة؛ مما يتسبب في إحداث تلف للرأس؛ ولذلك تعمل تغذية راجعة – في أغلب الحالات – في الجهاز، بحيث تضبط المسافة بين الرأس وسطح العينة، وتحافظ على وجود قوة ثابتة بين الرأس والعينة. وتثبت العينة عادة على قضيب كهروضغطي ماسح؛ مما يمكن العينة من الحركة إلى أعلى (باتجاه محور Z)؛ للحفاظ على إحداث قوة ثابتة، وتمسح العينة باتجاهي x وy. وكبديل آخر يمكن استخدام حامل للعينة يتمثل بثلاث بلورات ضغطية، بحيث تكون كل بلورة مسؤولة عن تحريك العينة في أحد الاتجاهات الثلاثة (x، y، z). وهذا البديل يعمل على إزالة بعض تأثيرات التشويه التي تحدث في حالة القضيب الماسح.

ويمتاز مجهر القوة الذرية بدقة عالية في قياس ارتفاع يصل إلى نصف إنجستروم، حيث تعتمد دقته على مدى دقة الإبرة، ولكنه قد يفشل في دراسة الأسطح ذات الخشونة الظاهرة، والتي تزيد خشونتها عن 10 ميكرونات وبعكس المجهر الإلكتروني الماسح أو النفاذ، فإن مجهر القوة الذرية لا يعطي معلومات عن نوع الفلزات، أو تركيزها في العينة. ولكنه في المقابل يمكن بواسطته التمييز بين المواد عن طريق خصائصها الفيزيائية، مثل: الالتصاق، والاحتكاك والخصائص الكهربية الساكنة، والمغناطيسية، والتوصيلية.

كما لا يحتاج مجهر القوة الذرية إلى خطوات معينة؛ لتجهيز العينات المدروسة وتحضيرها، وإنما توضع مباشرة تحت إبرة المجس. وتتفاوت طبيعة المواد المدروسة، حيث تتضمّن الفلزات والمركبات والمواد البلاستيكية والبيولوجية.

شكل رقم (27) مجهر القوة الذرية (AFM) (32).

________________________________________________

هوامش

(32) http://www.nanoscience.com