گذری بر SPM
میکروسکپی پروب پیمایشگر (SPM) ، مجموعه تقریبا" جدیدی از روشهای میکروسکوپی است که می‌تواند ساختار سطوح را با دقت اتمی اندازهگیری کند. SPM در ابتدا از STM -میکروسکپی تونل زنی پیمایشگر- نشأت گرفته‌است. جریان الکتریکی که در STM توسط تونل‌زنی الکترونها بین تیرک میکروسکوپ و سطح بوجود می‌آید، موجب آشکارسازی فاصله بین اتمها می‌شود. این تکنیک در کل تکنیک جدیدی جهت تصویربرداری از آرایش اتمهای روی سطح و نشان‌‌دادن فواصل واقعی آنهاست. هنوز ارتباط بین پدیده‌های سطحی که مخترعین STM به‌خاطر آن موفق به دریافت جایزه نوبل فیزیک در سال 1986 شدند، بطور کامل برای علم و فناوری مشخص نشده‌است. ازآنجا که سطح نمونه در STM باید هادی جریان الکتریسیته باشد، لذا در سال 1986 روش AFM - میکروسکپی نیروی اتمی- بوجود آمد تا به کمک آن بتوان سطوحی را که هادیهای خوبی نیستند نیز مورد بررسی قرار داد. بنابراین AFM روشی است که به خواص سطح بستگی نداشته و حوزه کاربرد بیشتری دارد. بنابراین تمام مواد را می‌توان توسط AFM مورد بررسی قرار داد. البته نه فقط ساختار سطحی مواد، بلکه بسیاری از خواص دیگر, همانند خواص مکانیکی، مغناطیسی و الکتریکی، نوری، حرارتی و شیمیایی آنها را می‌توان توسط تکنیکهای مبتنی بر AFM اندازهگیری نمود.
STM
مبنای کار STM اصل ساده‌ا‌ی است؛ تونل‌زنی الکترون بین دو الکترود به علت وجود میدان الکتریکی. اما عملی‌ساختن این اصل به‌منظور تصویربرداری در مقیاس اتمی از یک سطح، کار ساده‌ا‌ی نیست. برای اندازهگیری اثر تونل‌زنی باید فاصله بین دو الکترود در حدود 1 نانومتر بوده, سطوح بسیار تمیز باشد و سیستم نباید هیچگونه لرزشی داشته‌باشد تا بتوان اثر تونل‌زنی را به دقت اندازهگیری کرد.
مکانیک کوانتوم، رابطه‌ا‌ی نمایی بین جریان تونلی و فاصله بین الکترودها پیش‌بینی می‌کند. این وابستگی در سال 1981 توسط چند دانشمند (بینیگ, روهرر, گربر و ویبل ) با آبکاری تیرک وانادیوم و سطح پلاتین اندازهگیری شد و این پدیده بعنوان اختراع STM تلقی شد.
بررسی سطح سیلیکون 7*7 Si(111) با دقت اتمی در سال 1982 بعنوان انقلاب STM شناخته‌شد و از آن زمان تاکنون مقالات زیادی در مورد تصاویر STM منتشر شده‌است.
STM بعنوان یک کار تحقیقاتی بطور گسترده برای بررسی اتمی یا اندازهگیری ساختار الکترونیکی سطوح جامد در خلاء بسیار بالا کاربرد داشته و هنوز در برخی از صنایع بعنوان ابزار تجزیه‌وتحلیل سطوح برای اندازهگیری ساختار سطحی مواد با استفاده از پوشش‌دهی فلزی به این مواد، بکار می‌رود (مثلا" برای بررسی ساختار سطحی هارددیسک)؛ اما در بسیاری از تحقیقات که نمونه‌ها قابلیت هدایت الکتریکی ندارند، از AFM برای مطالعه آنها استفاده می‌شود.
AFM
AFM در سال 1985 برای بررسی سطوح عایق توسط دانشمندانی چون بینیگ، کوات و گربر، اختراع شد.اساس کارAFM بدین‌گونه است که یک تیرک بسیارباریک (با شعاعی درحدود 25-20 نانومتر) بر روی یک حامل ظریف (cantilever) نصب می‌شود تا بوسیله آن بتوان تعاملات یا نیروی بین تیرک و سطح نمونه را اندازه گرفت. این نیرو توسط تابع پتانسیل لنارد- جونز محاسبه می‌شود. تابع پتانسیل لنارد- جونز بین دو اتم به صورت است، که r, فاصله بین دو جسم و A و B, ثوابت معادله‌اند. بنابراین نیروی بین دو نقطه به صورت زیر خواهدبود :
مقادیر A و B بدست‌آمده از کتابهای مرجع، برابر و می‌باشد.
هرگاه فاصله بین دو اتم به حدود 4/0 نانومتر برسد، نیروی ضعیفی بین آنها بوجود آمده و با کوچکترشدن این فاصله، مقدار نیرو به سرعت افزایش می‌یابد.
ممکن است نیروی بین تیرک AFM و سطح نمونه خیلی بزرگتر از مقدار نیرویی باشد که بین دو اتم و توسط رابطه فوق 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.
تعاملات بین تیرک و سطح نمونه را توسط خمیدگی حامل اندازهگیری می‌کنند. این خمیدگی در اولین نمونه AFM توسط یک STM اندازهگیری شد، اما این خمش در AFMهای تجاری امروزی توسط پرتو لیزر و سنسورهای نوری اندازهگیری می‌شود.
AFMها دو نوعند: AFMهای تماسی و AFMهای با نیروی دینامیکی (غیرتماسی).
AFM تماسی
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 حامل بسیار ظریف استفاده می‌شود (ثابت‌فنر این حامل بطور معمول بین 1-01/0 نیوتن بر متر است).
این حامل به حدی ظریف است که نیروی بوجودآمده بین تیرک 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 آنجاکه 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 خواهدبود.
منحنی‌های نیرو- فاصله
منحنی‌های نیرو- فاصله بدین ترتیب بدست می‌آیند که ابتدا تیرک را از سطح دور می‌کنند و سپس تیرک را به سطح نزدیک می‌کنند تا با سطح تماس برقرار کند. می‌توان اولین نقطه را برای فاصله, نقطه تماس مکانیکی بین تیرک و سطح در هنگام نزدیک کردن درنظر گرفت. نزدیکترشدن تیرک به سطح (پس از رسیدن به نقطه فوق) موجب پیدایش نیرو بین تیرک و سطح می‌گردد. شیب نیروی حاصل، بیانگر مدول یانگ سطح است.
بنابراین می‌توان از حاملی که ضریب‌فنر آن با سفتی سطح قابل مقایسه باشد برای اندازهگیری الاستیسیته سطح استفاده نمود.
در هنگام دورکردن تیرک از سطح - به علت وجود خواص چسبندگی بین سطح و تیرک- تا هنگامی که نیروی اعمال‌شده بیشتر از نیروی بین سطح و نوک تیرک نباشد، تیرک از سطح جدا نمی‌شود. اندازهگیری نیروی اعمال‌شده برای جداکردن تیرک از سطح، به کسب اطلاع از نیروی چسبندگی بین سطح و تیرک منجر خواهد شد. نیروی چسبندگی را می‌توان به انرژی سطحی بین تیرک و نمونه ربط داد. اگر سطح نمونه به مواد مایع آلوده باشد یا به عبارتی خیس باشد، لازم است نیروی مویینگی مایع را بدانیم.
میکروسکوپی نیروی افقی (LFM)
میکروسکوپی نیروی افقی (LFM) مبتنی بر اندازهگیری حرکت خمشی حامل در هنگام پیمایش سطح توسط تیرک است. با بررسی نیروی افقی در AFM می‌توان نیروهای اصطکاک مختلف را بر روی یک سطح اندازهگیری نمود. تفاوت در نیروهای افقی، بیانگر تفاوت در نیروی اصطکاک است. با افزایش تعاملات میان تیرک AFM و سطح نمونه، می‌توان مناطق آب‌دوست روی سطح را شناسایی کرد. همچنین با مجهزکردن تیرک به یک گروه عاملی خاص، می‌توان گروههای عاملی شیمیایی را بر روی سطح شناسایی کرد. این تکنیک به نام میکروسکوپی نیروی شیمیایی (CFM) شناخته می‌شود.
از طرف دیگر، با بررسی افزایش حرکت خمشی حامل در هنگامی که تیرک AFM بر روی لبه‌های سطح نمونه حرکت می‌کند، می‌توان توپوگرافی موضعی سطح را مورد ارزیابی قرار داد. از این تکنیک می‌توان برای بررسی فازهای مختلف روی سطوحی که تغییرات توپوگرافی زیاد دارند (مانند سطوح پلیمری)، استفاده نمود.
فرکانس نیرو
AFM علاوه بر ساختار توپوگرافی سطوح، می‌تواند خواص کششی یا ارتجاعی مواد را توسط تعاملات بین سطح و تیرک نشان دهد. این کار را می‌توان با نوسان نمونه و اندازهگیری پاسخ حامل، انجام داد. با این روش، می‌توان تفاوت خاصیت ارتجاعی را روی سطوح ملاحظه نمود. واضح است که اگر اندازهگیری شیب منحنی نیرو-فاصله در محدوده نیروی دافعه صورت گیرد، این تکنیک به خوبی جواب می‌دهد.