Bagaimanakah Mikroskop Daya Atom "Merasa" Permukaan yang Terlalu Kecil untuk Dilihat?

Jika jari digerakkan di atas permukaan, perubahan tekstur dapat dikesan melalui daya sentuhan walaupun mata ditutup. Alat yang dikenali sebagai mikroskop daya atom, atau AFM, menggunakan prinsip pengukuran yang secara kasar menyerupai idea itu, tetapi pada skala yang amat kecil.

Sebuah probe tajam dipasang pada kantilever mikroskopik dan digerakkan merentasi sampel. Interaksi antara hujung probe dengan permukaan mengubah keadaan mekanik kantilever, lalu perubahan itu diukur untuk menghasilkan data tentang permukaan.

Probe di hujung spring yang sangat kecil

Bahagian utama AFM ialah kantilever, iaitu struktur kecil yang terikat pada satu hujung dan bebas bergerak pada hujung yang lain. Probe tajam terletak berhampiran hujung bebasnya. Dalam penghampiran tertentu, kantilever boleh dianggap sebagai spring, dan untuk pesongan kecil dalam rejim linear hubungan asasnya ialah hukum Hooke, F = kx, dengan F ialah daya, k pemalar spring kantilever dan x pesongan.

Jika daya antara probe dengan sampel berubah, kantilever boleh membengkok atau keadaan getarannya berubah. Dengan mengetahui tindak balas mekanik kantilever, perubahan yang sangat kecil dapat digunakan untuk mendapatkan maklumat tentang interaksi probe dengan permukaan. Namun persamaan ringkas F = kx bukan gambaran lengkap setiap mod AFM, kerana kantilever sebenar mempunyai bentuk, mod getaran, redaman dan interaksi dinamik yang perlu dipertimbangkan dalam pengukuran tertentu.

Bagaimana pesongan sekecil itu dikesan?

Dalam banyak AFM konvensional, satu sistem tuas optik digunakan. Laser diarahkan ke belakang kantilever dan pantulannya dikesan oleh fotopengesan, jadi apabila kantilever membengkok, arah pantulan laser berubah. Perubahan sudut kantilever yang sangat kecil menyebabkan kedudukan tompok laser yang dipantulkan berubah, lalu perubahan itu dapat dikesan dengan lebih mudah. Selain tuas optik, kaedah lain juga telah dikaji untuk mengesan gerakan atau tindak balas kantilever, misalnya pengesanan menggunakan pancaran elektron atau sensor piezoresistif, terutamanya apabila kantilever menjadi terlalu kecil untuk dikesan dengan baik secara optik.

Jadi laser dalam AFM lazimnya bukan cahaya yang menerangi sampel untuk menghasilkan imej. Fungsinya ialah membantu mengukur gerakan kantilever.

Dari daya kepada peta permukaan

AFM mengimbas probe merentasi banyak kedudukan pada permukaan. Sistem kawalan boleh mengekalkan pemboleh ubah tertentu, misalnya daya atau ciri getaran kantilever, berhampiran nilai sasaran. Apabila permukaan menjadi lebih tinggi atau rendah, sistem mengubah kedudukan relatif probe dan sampel untuk mengekalkan keadaan tersebut, dan kedudukan yang diperlukan direkodkan bagi banyak titik. Daripada data inilah peta topografi dibina, jadi imej AFM ialah hasil pengukuran dan pembinaan semula data, bukannya foto permukaan dalam pengertian kamera biasa.

AFM juga tidak terhad kepada topografi. Dengan mod dan penentukuran yang sesuai, interaksi probe dengan sampel boleh digunakan untuk mengkaji daya, geseran, sifat mekanik dan ciri permukaan lain.

Adakah probe mesti menyentuh permukaan?

Tidak semestinya. AFM mempunyai beberapa mod operasi. Dalam mod tertentu, probe mengekalkan sentuhan dengan sampel, manakala dalam mod dinamik, kantilever digetarkan dan interaksi dengan permukaan dikesan melalui perubahan amplitud, fasa, frekuensi atau pemboleh ubah berkaitan. Oleh itu, gambaran jarum menggesel permukaan tidak sesuai untuk semua AFM. Ini juga menjelaskan mengapa istilah daya atom tidak bermaksud alat itu hanya mengukur satu jenis daya, kerana pada jarak yang sangat kecil probe dan sampel boleh mengalami pelbagai interaksi bergantung pada bahan, jarak dan keadaan persekitaran.

Mengapa pemalar spring perlu diketahui?

Jika kita mahu menukar pesongan kantilever kepada daya menggunakan F = kx, nilai k mestilah diketahui dengan cukup baik. Masalahnya, nilai sebenar sesuatu kantilever tidak semestinya sama tepat dengan nilai nominal pengeluar. Kajian NIST terhadap beberapa kantilever silikon mendapati kaedah penentukuran berlainan secara umumnya bersetuju, tetapi nilai pemalar spring yang diukur boleh berbeza dengan ketara daripada nilai nominal pengeluar. Sebab itu penentukuran bukan perkara sampingan jika AFM digunakan untuk mengukur daya secara kuantitatif.

NIST kemudian menghasilkan bahan rujukan SRM 3461 khusus untuk penentukuran pemalar spring AFM. Setiap cip mempunyai tujuh kantilever silikon dengan kekakuan hujung yang diperakui, dan kantilever itu kira-kira 50 µm lebar, 1.45 µm tebal serta antara 300 hingga 600 µm panjang.

Bolehkah AFM benar-benar mencapai skala atom?

Ya, dalam keadaan dan pada sampel yang sesuai, tetapi istilah resolusi atom perlu digunakan dengan cermat. Kertas asal AFM oleh Gerd Binnig, Calvin Quate dan Christoph Gerber diterbitkan pada 1986. Mereka memperkenalkan alat yang menggabungkan prinsip mikroskop penerowongan imbasan dengan profilometer stilus, dan melaporkan resolusi sisi awal sekitar 30 Å serta resolusi menegak kurang daripada 1 Å. Pada 1987, eksperimen susulan melaporkan struktur grafit dengan resolusi sisi lebih baik daripada 2.5 Å dan turut membezakan struktur heksagon boron nitrida.

Namun "melihat atom" boleh menyesatkan jika difahami seperti mengambil gambar bebola kecil. Isyarat AFM timbul daripada interaksi fizikal antara probe dengan sampel, dan dipengaruhi oleh bentuk hujung probe, keadaan permukaan, mod operasi, hingar serta sistem pemprosesan data. Peta yang terhasil ialah representasi pengukuran interaksi pada skala atom, bukan foto optik atom.