Ne nedir :

arkadasfan

arkadasfan Yazdı...



HS-AFM Nedir ? Atomik kuvvet mikroskobu, high speed atomic force microscope

12 Aralık 2014 Bu içerik 2.293 kez okundu.

Atomik kuvvet mikroskobu (AKM) ya da taramalı kuvvet mikroskobu çok yüksek çözünürlüklü bir taramalı kuvvet mikroskobudur. Ulaşılmış çözünürlük birkaç nanometre ölçeğinde olup optik tekniklerden en az 1000 kat fazladır. AKM’nin öncülü olan taramalı tünelleme mikroskobu 1980lerin basinda Gerd Binnig ve Heinrich Rohrer IBM Research - Zürih’te geliştirilmiş, araştırmacılara 1986 Nobel Ödülü'nü kazandırmıştır[1]. Sonrasında Binnig, Quate ve Gerber 1986’da ilk atomik kuvvet mikroskobunu geliştirdiler. İlk ticari AKM 1989’da piyasaya sürüldü. AKM, nano boyutta görüntüleme, ölçme ve malzeme işleme konusunda en gelişmiş araçlardan biridir.

Bilgi, mekanik bir ucun yüzeyi algılamasıyla toplanır. Elektronik kumanda üzerinde bulunan, küçük fakat hassas hareketleri sağlayan piezoelektrik öğeler, doğruluğu kesin ve hassas bir tarama sağlar. İletken manivelalar kullanmak suretiyle numune yüzeyindeki elektrik potansiyeli de taranabilir. Cihazın daha yeni ve gelişmiş versiyonlarında, elektriksel iletkenliği ya da yüzeydeki elektron iletimini algılamak için uçtan akım geçirilmektedir.

AKM'nin temel çalışma prensibi

AKM esnek bir maniveladan ve (yüzeyi taramak için kullanılan) buna bağlı sivri bir uçtan oluşur. Manivela genellikle silikon ya da silikon nitrürdür. Nanometre ölçeğinde eğrilik yarıçapı olan bir uç taşir. Uç, numune yüzeyine yakın bir mesafeye getirilince, uç ile yüzey arasındaki kuvvetler Hooke kanunu manivelanın bükülmesine yol açar. Duruma bağlı olarak AKM'de ölçülen kuvvetler mekanik temas kuvveti, van der Waalskuvveti, kılcallık kuvveti, kimyasal bağ, elektrostatik kuvvet, manyetik kuvvet, Casimir kuvveti, çözünme kuvveti, vb... olabilir. Kuvvetler ile birlikte, diğer başka özellikler eşzamanlı olarak özel tip algılama teknikleri ile ölçülebilir(bakınız taramalı ısıl mikroskopi, taramalı joule genleşme mikroskopisi, fotoısıl mikrospektroskopi, vs...). Genellikle maniveladaki bükülme, manivelanin bir ucundan dedektöre (bir dizi fotodiyot) yansıtılan birlazer ışını sayesinde ölçülür.Cam yüzeyin AKM kullanılarak elde edilmis topoğrafyası. Yüzeyin mikro venano detayları malzemenin pürüzlülüğünü gösteriyor. Görüntü hacmi (x,y,z) = (20um x 20um x 420nm).Eğer uç sabit bir yükseklikte tarama yaparsa, yüzeye çarpıp hasar oluşturma riski doğar. Bu nedenle genellikle uç ile yüzey arasındaki kuvveti sabit tutmak ve mesafeyi ayarlamak amacıyla bir negatif geri besleme mekanizması kullanılır. Tipik olarak numune, “z” yönünde hareket edip yüksekliği ayarlayan, “x” ve “y” yönünde hareket edip taramayı sağlayan bir dizi piezoelektrik düzenek aracılığıyla taranır. Buna alternatif olarak, her biri x,y,z yönlerine karşılık gelen üç piezokristalin üç ayaklı düzeneği sayesinde tarama yapılabilir. Bu düzenek tüp tarayıcılarda görülen bozulmaları da ortadan kaldırır. Daha yeni düzeneklerde, tarama ucu dikey piezo tarayıcıya monte edilirken, incelenen örnek başka bir piezo grup kullanılarak X, Y doğrultusunda taranır. Acığa çıkan z = f(x,y) haritası yüzeyin topoğrafyasını temsil eder.

AKM uygulamaya bağlı olarak çeşitli modlarda kullanılabilir. Bu görüntüleme modları “statik” (temas) ya da “dinamik” (temassız) olabilir. Dinamik modlar manivelanın akustik ya da manyetik yollarla titreştirilmesini gerektirir ve yumuşak yüzeyler icin daha yaygın olarak kullanılır.

Kaynaklar

^ G. Binnig, C. F. Quate, C. Gerber: Atomic force microscope. In: Physical Review Letters. 56, 1986, S. 930–933.





SATIŞ: http://tr.aliexpress.com/price/high-speed-microscope_price.html

AFM ve Tarihçesi

AFM yüzey topografisini angtrom seviyesinden 100 microna kadar ölçebilen bir metoddur. Çok duyarlı cantilever yüzeyi taramasıyla Atomik seviyedeki kuvvetleri (nN)ölçebilir. STM ‘in kardeşidir.
AFM nin tarihçesi 1986’da yine Binnig, Quate ve Gerber in çalışmalarıyla başlar. STM başarısından sonra atomlar arası kuvvetlere duyarlı olabilecek bir yayın gerçekleştirilebileceğini gördüler.
İğne ve örnek arasındaki akımın yerine yay ve örnek arasındaki atomik kuvvetlerin geribesleme sinyalı olarak olarak kuullnalıbileceği bir mikroskop geliştirdiler. STM den farklı olarak En büyük avantajı örneğin iletken olmasını gerektirmemesidir. Bu yüzden biyolojik örneklerin incelenmesinde rahatça kullnılabilir. Yüzey işleme ve malzeme problemlerinin çözülmesinde geniş kullanım bulmaktadır.
Afm 10 pm çözünürlükte çalışır ve elektron mikroskoplarının aksine hava ve sıvı içinde örneklere bakabilir.
AFM’yi IBM ve Stanford üniversitesi çalışmalarında 1 cm2’ye10E+16 bit bit depolayacak bir veri depolama aracı için kullanılıyor.

Kullanıldığı Endüstriler:
Elektronik,Telekominikasyon, Biyoloji, Kimya, Otomotiv, Uzay-Havacılık, ve Enerji
Malzemeler:
Ince ve kalın kaplamalarda, seramikler, kompozitler, camlar, sentetik ve biyolojik membranlar, metaller, polimerler ve yarıiletkenler.
Ölçülebilecek özellikler:
Yüzey etkileşim özellikleri, elektriksel yük, manyetiklik hidrofilik özellikler, Nanomekanik özellikler;
Aşınma, adhezyon- kapiler davranış, temizleme, korozyon, pürüzlendirme, sürtünme, kayganlaştırma, kaplama ve cilalama.

TEORİ ve YAPISIAFM iğne örnek üzerinde hareket eder ve iğne-örnek arasındaki itme ve çekme kuvvetlerini (10e-11 – 10e-6 Newton) ölçer. Iğne cantilever denilen yaya tutturulmuştur. Lazer kaynağından gelip cantileverden yansıyan ışın pozisyona duyarlı fotodetektöre gelir. Iki fotodiotun sinyalı arasındaki fark lazer spotunun pozisyonunu belirler. Bu cantileverin yükseklik bilgisi bilgisayara gönderilip x ve y pozisyonuna karşı kaydedilir. STM’de olduğu gibi 3 boyutlu veri kullnılarak topografik grafik görünüm elde edilir.
AFM Çalıştırma Yöntemleri:

“Contact Mode” yöntemi ilk geliştirilen yöntemdir. Bu modda cantilever’in ucundaki iğneyle yüzey arasında hafif bir fiziksel dokunma vardır. İonik itme başrol oynamaktadır. Normal havada cantilever ve yüzeyin temasında örnek yüzeyi nitrojen ve su vaporunun ince bir tabkasıyla kaplıdır. Bu yüzey gerilimi yüzünden örnek üzerinde ekstra bir güç oluşturmaktadır. Sıvı içinde alınan örneklerde bu olmamakta birlikte sürtünme hatası ortaya çıkmaktadır.
“Noncontact Mode” yönteminde, AFM atomik kuvvetlerinin yardımıyla cantileverin eğilmesinden örneğe dokunmadan topografik görüntüyü oluşturur.Bunun için iğne örnekten 50-150 Angstrom uzakta tutulur. Bu uzaklıkta prob ve örnek arasında Wan der Waals kuvvetleri etkin olmaya başlayacaktır. Bu kuvvetler göreceli olarak zayıf olduğu için iğne saniyede 100 000 defa titreşerek bu etkileşimin saptanmasını kolaylaştırır. Bu Yöntemin en büyük avantajı iğnenin hasar görmemesi ve yumuşak materyallerin daha doğru ölçülmesidir.
“Tapping Mode” Cantilever kendi rezonans frekansında osilasyon yapar. Bu osilasyon fotodetektör tarafından ölçülür . Örneğe yaklaştığı zaman yüzeyle etkilerşim yüzünden enerji kaybederek probun osilasyon şiddeti azalır. Geridöngü mekanizması bu şiddeti sabit tutmak için yüzeyin üzerindeki probun yüksekliğini değiştirir. Buradan bulunabilcek değişim bize etkileşim miktarı hakkında bilgi verecektir.Son iki yöntem düşük kuvvet uygulanması nedeniyle DNA protein komplexleri gibi örnekler için daha uygundur.
Cantilever, Fotodetektör, Piezoelektrik Tarayıcı veTip
Cantilever en önemli işi yapan parçalardandır. Yaysabiti 0.001 ve 100 N/m arasında değişir ve genellikle 100-400 mikron uzunlukta ve 0.5-5 mikron kalınlıkta silikon veya silikon nitrit kullanılır.
Fotodedektör lazer kaynağından yansıyıp gelen ışının pozisyonun belirlenmesini sağlar ve yaklaşık 0.1 angstromluk değişimleri ölçebilir.
Piezoelektrik tarayıcı cantileverin üstün örneği yada, cantileverin altında örneği hareket ettirir. X,Y ve Z yönlerinde 0.5-127 mikron çözünürlükte hareket edebilir.
Büyük problar küçük yüzey yapılarında (kalın iğneli bir plağın yivlerinde gezememesi gibi) iyi sonuçlar vermemektedir. Bu yüzden bilim adamları daha ince problar üzerinde çalışmaktadır.
Cantilever çok esnek ve malzemeye uygun olmalıdır.
İğneler yeterincesivri olmalıdır.
İğne-örnek pozisyonlaması Yüksek çözünürlükte olmalıdır.
Güçlü bir geri döngü olmadlıdır.
Fotodetektör duyarlı olmalıdır.


Biyolojik Uygulamaları
AFM nin atomik çözünürlükte görüntü vermesi çok çeşitli örneği her durumda görüntüleyebilme özelliğiyle birleşince biyolojik yapıların incelenmesi konusunda hızla gelişen bir alan yaratmıştır.DNA, tek protein, yaşayan hücreler, Kan hücreleri, Antigen –antibody etkileşimi, ligand ve receptor arasındaki bağlanma kuvvetlerini ölçmek mümündür. Biyolojik materyallerin yumuşak olması burada bir dezavantajdır. Iğne örnek etkileşmesi bazen örneği bozabilmektedir. Bu yüzden”non-conduct mode” bu tür ölçümler için daha uygun olmaktadır.Biyolojik ilk uygulama1994 de antigen –antibody etkileşimine bakılması.
Biyoloji için en önemli özelliği sıvı içindeki de örneğin özelliklerinin saptanabilmesiı.
SEM’e göre en önemli üstünlüğü dehidrasyon, sabitleme (fixing), kaplama olmadan inceleme yapılabilmesidir.. Yaşayan hücrelere ilaç veya ligand ekleyerek hücrenin nasıl davrandığına bakılabilir.
(1999 Nature Biotechnology) Antibody probe’a tuttrulmuş. Antigenic siteler osilasyonun azaldığı yerlerde tespit edilmiş.



Şekil : Fare hippocampus’undan yaşayan nöronlar ve glia..



AÇIKLAMALAR ( eksi sözlük)

-maddenin atomlarina kadar gorulebilmesini saglayan mikroskop. yaklasik 100 milyon kez buyutme ozelligine sahiptir.

-atomic force microscope kullanilarak istenilen yuzeyin 3 boyutlu topografik haritasi cikarilabilir.mikroskobun bi kac nanometre capindaki ignesi yuzeye yeterince yaklastiinda yuzeyle arasinda olusan cekim kuvveti sistem tarafindan ignenin yuzeye uzakligi degistirilerek sabit tutulur.bu sayede 3.boyut elde edilir.

- bildigim kadarıyla türkiyede ilk afm Bilkent üniversitesinde yapılmıştı. yanılmıyorsam o grup, şirket kurdu ve manyetik afm üretimine devam ediyor. hacettepe kimya mühendisliği` bölümünde sene 1999'da bir tane yapıldı. çaresizlikler imkansızlıklar içinde yapıldığı için eski beş çeyreklik disk sürücü motoru, cdromların içinden çıkan lazer ve mercek sistemi, eski bir güvenlik kamerası kullanıldı. titreşimlerden etkilenmesin diye bisiklet lastiği üzerine konmuş bir mermer blok üzerine yerleştirildi. gerçi sonradan geliştirildi, ticari afm lerle rekabet edebilir düzeye getirildi. en son dna sarmalını görebileceğiniz kalitede düzeltilmişti. eger güç kaynağını yapacak kadar elektronik, sistemi kontrol edebilecek kadar programcılık biliyorsanız evde yapabiliriniz bir tane (bkz: yaptık oradan biliyorum). (ince yaklaşma için kullanılan worm motor biraz pahalıdır ama , söyleyeyim onu)

yerli malina guvenmem ben de yapamam derseniz, gavur imalatlarının fiyatları 45k$ ile 150k$ arasında değişmektedir. (gitgide ucuzluyodu ben en son bıraktığımda)

afm nin tarihçesi? kısaca?

ibm zürih'den binning ve berger bir stm (scanning tunneling microscope) yaptıktan sonra bu aleti yaptılar. sonra da bir nobel aldılar stmle uğraşları sonucunda.

hangi alanlarda kullanılır ki?

nanoteknolojinin ve yüzey bilimiyle uğraşanların vazgeçilmez araçlarından biridir. atomik kuvvet mikroskobu, elektronik, telekomünikasyon, biyomedikal, kimya, otomotiv, uzay-havacılık gibi alanları etkileyen geniş bir teknoloji aralığında proses ve malzeme problemlerini çözmek amacıyla kullanılmaktadır. incelenen malzemeler; ince ve kalın film kaplamaları, seramikler, alaşımlar, camlar, sentetik ve biyolojik membranlar, metaller, hard disk yüzeyleri gibi manyetik ortamlar, polimerler ve yarı iletkenleri içermektedir. akm ile aşınma, yapışma, temizleme, çürüme, kapiler davranış, pürüzlendirme, sürtünme, kayganlaştırma, kaplama ve cilalama gibi işlemlerin materyal üzerindeki sonuçları da incelenebilmektedir.

yüzeyin iğnenin yüzeyde gezdirilmesiyle 3d yapısını görmek mümkün olduğu gibi, bu iğneyle yüzeyde değişiklikler yapmak da mümkündür. iğneyle atomların yerlkerini değiştireiblirisniz. 10-15 atomdan oluşmuş nano-motorlar inşa edebilrisiniz. iğnenin ucuna bir şey tutturup (mesela manyetik bir şey) bir hardisk yüzeyinde gezdirip oranın nanomanyetik haritasını çıkartabilirisniz.

afm’nin atomik çözünürlükte görüntülemeye olanak sağlaması, her türden örneği değişik koşullarda görüntüleyebilme özelliğiyle birleşince, biyolojik yapıların incelenmesi konusunda hızla gelişen bir alan yaratmıştır. dna, tek protein, yaşayan hücreler, kan hücrelerinin görüntülenmesi, antijen-antikor etkileşimi, ligand ve reseptör arasındaki bağlanma kuvvetlerinin ölçülmesi de bu yöntemle mümkün olabilmektedir.

afm'nin temeli nedir, nası çalışır?

afm‘de, iğne koluna tutturulmuş iğne örnek üzerinde hareket ederken, iğne ile örnek arasındaki itme ve çekme kuvvetleri ölçülür. lazer kaynağından gelip iğne kolundan yansıyan ışın, pozisyona duyarlı fotodetektöre gelir. iki fotodiyotun sinyali arasındaki fark, lazer spotunun pozisyonunu belirler. bu yükseklik bilgisi, bilgisayara gönderilip x ve y pozisyonuna karşı kaydedilir. elde edilen veri kullanılarak üç boyutlu topografik görünüm elde edilir. akm iki modda çalışabilir. temaslı sistemde iğne kolunun ucundaki iğne ile yüzey arasında hafif bir fiziksel dokunma vardır. temassız sistemde ise iğne kolu kendi rezonans frekansında titreştirilir. bu titreşim, fotodetektör tarafından ölçülür. bu durumda iğne ve örnek arasındaki etkileşim faz kayması yaratır. bu faz kaymasından yararlanılarak etkin kuvvetlerin şiddeti ölçülür.

klasik bir afm hangi bölümlerden oluşur?

afm, mekanik, elektronik ve yazılım olarak üç temel bölümde incelenebilir. afm’nin mekanik kısımları; örneği x, y ve z yönlerinde atomik seviyede hareket ettirebilen piezomotor, kantilever yüksekliğe göre esnemesinin ölçülmesi için kullanılan lazer kaynağı, iğnenin sabitlenmesini sağlayan iğne tutucu, ve cantileverdan yansıyan lazer ışını pozisyonunun angström seviyesinde belirlenmesini sağlayan fotodetektördür.
afm’nin elektronik kısımları ise; bilgisayar kontrollü güç kaynağı, lazer güç kaynağı ve iki fotodetektöre gelen lazer ışınının yaratacağı sinyal farkının ölçülmesi için bir diferansiyel akım voltaj çeviricisidir. ayrıca temassız sistem için faz kilitlemeli yükseltici (lock-in amplifier), kuvvet kontrol devresi ve osilatör de gerekmektedir.



Yorumlar

Henuz yorum eklenmedi ilk ekleyen siz olun .Yorum Ekle
b