على الرغم من اعتبار الميكروسكوب النفقي الماسح أحد أهم الأجهزة التي أدت إلى تقدم البحوث والاكتشافات الخاصة بعلم وتكنولوجيا النانو فإنه يستخدم فقط في اختبار عينات المواد النانوية ذات الموصلية الكهربية الأمر الذي حد من تطبيقاته. لذا، فقد قام «جيرد بنينغ» Gerd Binning مع «كالفين كوات» Calvin Quate في العام 1986 بعمل تعديلات جوهرية لهذا الميكروسكوب، والذي أطلقا عليه اسم ميكروسكوب القوة الذرية Atomic Force Microscope (AFM) ⁽³⁸⁾. وقد أدت تلك التعديلات الابتكارية إلى زيادة مساحة المواد التي يمكنه اختبار خواص السطح لها، بحيث شملت المواد رديئة الموصلية الكهربية ومواد العوازل الكهربية. هذا بالإضافة إلى تعديل تصميم «المجس» ليكون مقياس بعد قطر طرفه المدبب الحاد، غاية في الصغر، مما أتاح زيادة في دقة عمل المجس (نانوي الدقة)، ومصداقية بمخرجات نتائج فحوصه ^(40.39) الأسطح المواد النانوية.

هذا ويختلف ميكروسكوب القوة الذرية عن ميكروسكوب المسبار الماسح في شكل ونوع مادة المجس المستخدمة، والذي يكون على هيئة رأس حاد منحن على شكل خطاف Hook مصنوع من مادة شبه موصلة، مثل السيليكون.

وكما هو موضح في الشكل «6 – 18»، فإن ذراع الكابولي الحامل للمجس، يبدأ في التحرك ببطء فوق سطح العينة المراد اختبار خواص سطحها. وخلال هذه الرحلة، يقترب المجس من ذرات السطح، الأمر الذي يؤدي إلى تولد قوى تجاذب أو تنافر بين إبرة المجس وبين ذرات سطح العينة مما يؤدي إلى انحراف في موضع ذراع الكابولي (صعودا أو هبوطا). ويبين الشكل نفسه، أن قياس مقدار القوة المسؤولة عن إحداث هذا الانحراف في موضع ذراع الكابولي يتم عن طريق سقوط شعاع من الليزر على السطح الخلفي للذراع المنحرف، ويتم ذلك في كل مرة ينحرف فيها هذا الذراع عن موضعه الأصلي. وهذا الشعاع الساقط ينعكس على مجموعة من الكاشفات Detectors الثنائية الضوئية Photodiode عالية الدقة، والتي من خلال تحويلها للإشارات الضوئية القادمة من أشعة الليزر المنعكسة إلى إشارات كهربية، يتم تكوين خريطة طوبوغرافية عالية الدقة، تُبرز تفاصيل تضاريس وخواص سطح المادة.

الشكل (6 – 18): رسم توضيحي يبين فكرة عمل ميكروسكوب القوة الذرية في اختبار خواص سطح المواد. وفي الشكل، يظهر ذراع كابولي الجهاز الذي ينتهي بإبرة المجس في أثناء تحركها أعلى ذرات سطح عينة المادة المراد اختبارها.

_______________________________________
هوامش

(38) G. Binnig, C.F. Quate, Ch. Geber, Phys. Rev. Letters, Vol. 56 (1986) pp. 930–934.

(39) Y. Martin, C.C. Williams, H.K. Wickramasinghe, J. Appl. Phys. 4723–4726. Vol. 61(1987) pp

(40) C.F. Quate, Surface Science, Vol. 299/300 (1994) pp. 980–995.