مجهر القوة الذرية

تحتوي هذه المقالة على العديد من المشكلات. يُرجى المساعدة في تحسينها أو مناقشة هذه المشكلات على صفحة المناقشة . ( تعرف على كيفية ومتى يمكنك إزالة هذه الرسائل ) تحتاج هذه المقالة إلى مصادر إضافية للتحقق .الرجاء المساعدة في تحسين هذه المقالة عن طريق إضافة الاستشهادات إلى مصادر موثوقة . قد يتم الطعن في المواد غير الموثقة وإزالتها. ابحث عن المصادر:  "Atomic force microscopy" – الأخبار  · الصحف  · الكتب  · العلماء  · JSTOR ( أغسطس 2021 )( تعرف على كيفية ومتى يمكنك إزالة هذه الرسالة ) قد تتطلب هذه المقالة بعض التنظيف لتلبية معايير الجودة الخاصة بويكيبيديا . المشكلة المحددة هي: تشير الكثير من النصوص إلى صور، بعضها غير موجود. بدلاً من ذلك، يجب أن تدعم الصور النص (إمكانية الوصول للأشخاص الذين يعانون من ضعف البصر). هناك حاجة أيضًا إلى تنظيف عناوين MOS والأنماط الأخرى.من فضلك ساعد في تحسين هذه المقالة إذا كان بوسعك. ( أغسطس 2021 )( تعرف على كيفية ومتى يمكنك إزالة هذه الرسالة ) ( تعرف على كيفية ومتى يمكنك إزالة هذه الرسالة )

المجهر الذري للقوة ( AFM ) أو المجهر المسحي للقوة ( SFM ) هو نوع عالي الدقة من مجهر المسح الضوئي (SPM)، مع دقة مثبتة في حدود أجزاء النانومتر، أي أكثر من 1000 مرة أفضل من حد الحيود البصري .

المجهر الذري للقوة ^[1] (AFM) هو نوع من المجهر الذري للقوة، مع دقة مثبتة في حدود أجزاء النانومتر، وهي أفضل من حد الحيود الضوئي بأكثر من 1000 مرة . يتم جمع المعلومات عن طريق "الشعور" أو "لمس" السطح بمسبار ميكانيكي. تمكن العناصر الكهرضغطية التي تسهل الحركات الصغيرة ولكن الدقيقة والمضبوطة بناءً على أمر (إلكتروني) من المسح الدقيق. على الرغم من الاسم، فإن المجهر الذري للقوة لا يستخدم القوة النووية .

يتمتع AFM بثلاث قدرات رئيسية: قياس القوة، والتصوير الطبوغرافي، والتلاعب.

في قياس القوة، يمكن استخدام مجهر القوة الذرية لقياس القوى بين المجس والعينة كدالة لفصلهما المتبادل. ويمكن تطبيق ذلك لإجراء مطيافية القوة ، لقياس الخصائص الميكانيكية للعينة، مثل معامل يونج للعينة ، وهو مقياس للصلابة.

بالنسبة للتصوير، يمكن استخدام رد فعل المجس للقوى التي تفرضها العينة عليه لتكوين صورة للشكل ثلاثي الأبعاد (التضاريس) لسطح العينة بدقة عالية. يتم تحقيق ذلك من خلال المسح النقطي لموضع العينة بالنسبة للطرف وتسجيل ارتفاع المجس الذي يتوافق مع تفاعل ثابت بين المجس والعينة (انظر § الصورة الطبوغرافية لمزيد من المعلومات). عادة ما يتم عرض تضاريس السطح كرسم بياني ملون زائف .

على الرغم من أن النشر الأولي عن المجهر الذري للقوة بواسطة Binnig و Quate و Gerber في عام 1986 تكهن بإمكانية تحقيق الدقة الذرية، إلا أنه كان هناك تحديات تجريبية عميقة يجب التغلب عليها قبل إثبات الدقة الذرية للعيوب وحواف الخطوة في الظروف المحيطة (السائلة) في عام 1993 بواسطة Ohnesorge و Binnig. ^[2] كان على الدقة الذرية الحقيقية لسطح السيليكون 7 × 7 - الصور الذرية لهذا السطح التي تم الحصول عليها بواسطة STM أقنعت المجتمع العلمي بالدقة المكانية المذهلة لمجهر المسح النفقي - أن تنتظر لفترة أطول قليلاً قبل أن يظهرها Giessibl. ^[3] تم تحقيق الدقة دون الذرية (أي القدرة على حل التفاصيل البنيوية داخل كثافة الإلكترون لذرة واحدة) أيضًا بواسطة AFM.

في عملية التلاعب، يمكن أيضًا استخدام القوى بين الطرف والعينة لتغيير خصائص العينة بطريقة محكومة. ومن الأمثلة على ذلك التلاعب الذري، وطباعة المسبار الماسح ، والتحفيز المحلي للخلايا.

بالتزامن مع التقاط الصور الطبوغرافية، يمكن قياس خصائص أخرى للعينة محليًا وعرضها كصورة، غالبًا بدقة عالية مماثلة. ومن الأمثلة على هذه الخصائص الخصائص الميكانيكية مثل الصلابة أو قوة الالتصاق والخصائص الكهربائية مثل التوصيل أو الجهد السطحي. ^[4] في الواقع، فإن غالبية تقنيات SPM هي امتدادات لـ AFM التي تستخدم هذه الطريقة. ^[5]

الفرق الرئيسي بين المجهر الذري للقوة والتقنيات المنافسة مثل المجهر الضوئي والمجهر الإلكتروني هو أن المجهر الذري للقوة لا يستخدم العدسات أو الإشعاع الشعاعي. وبالتالي، فهو لا يعاني من قيود في الدقة المكانية بسبب الانعراج والانحراف، ولا يلزم إعداد مساحة لتوجيه الشعاع (عن طريق إنشاء فراغ) وتلوين العينة.

هناك عدة أنواع من المجهر الماسح بما في ذلك SPM (الذي يشمل AFM، ومجهر المسح النفقي (STM) والمجهر الضوئي الماسح في المجال القريب (SNOM/NSOM)، ومجهر STED (STED)، والمجهر الإلكتروني الماسح والمجهر AFM الكهروكيميائي ، EC-AFM). وعلى الرغم من أن SNOM وSTED يستخدمان الضوء المرئي أو الأشعة تحت الحمراء أو حتى الضوء التيراهيرتز لإضاءة العينة، إلا أن دقتهما غير مقيدة بحد الحيود.

يوضح الشكل 3 مجهر القوة الذرية، والذي يتكون عادةً من الميزات التالية. ^[6] الأرقام الموجودة بين قوسين تتوافق مع الميزات المرقمة في الشكل 3. يتم تحديد اتجاهات الإحداثيات بواسطة نظام الإحداثيات (0).

يتم حمل ذراع التعليق الصغير الشبيه بالزنبرك (1) بواسطة الدعامة (2). اختياريًا، يقوم عنصر كهرضغطي (مصنوع عادةً من مادة سيراميكية) (3) باهتزاز ذراع التعليق (1). يتم تثبيت الطرف الحاد (4) على الطرف الحر لذراع التعليق (1). يسجل الكاشف (5) انحراف وحركة ذراع التعليق (1). يتم تثبيت العينة (6) على منصة العينة (8). يسمح محرك xyz (7) بإزاحة العينة (6) ومنصة العينة (8) في اتجاهات x وy وz فيما يتعلق بقمة الطرف (4). على الرغم من أن الشكل 3 يوضح المحرك المرفق بالعينة، إلا أنه يمكن أيضًا توصيل المحرك بالطرف، أو يمكن توصيل محركات مستقلة بكليهما، نظرًا لأن الإزاحة النسبية للعينة والطرف هي التي تحتاج إلى التحكم. لا تظهر وحدات التحكم والرسم البياني في الشكل 3.

وفقًا للتكوين الموصوف أعلاه، فإن التفاعل بين الطرف والعينة، والذي يمكن أن يكون ظاهرة على المستوى الذري، يتحول إلى تغييرات في حركة الذراع، وهي ظاهرة على المستوى الكلي. يمكن استخدام العديد من الجوانب المختلفة لحركة الذراع لقياس التفاعل بين الطرف والعينة، والأكثر شيوعًا هو قيمة الانحراف، أو سعة التذبذب المفروض على الذراع، أو التحول في تردد الرنين للذراع (انظر قسم أوضاع التصوير).

يقوم الكاشف (5) الخاص بـ AFM بقياس الانحراف (الإزاحة بالنسبة لموضع التوازن) للذراع ويحوله إلى إشارة كهربائية. ستكون شدة هذه الإشارة متناسبة مع إزاحة الذراع.

يمكن استخدام طرق مختلفة للكشف، على سبيل المثال قياس التداخل، والرافعات البصرية، والطريقة الكهربائية الضغطية، وأجهزة الكشف المعتمدة على المجهر النفقي (انظر القسم "قياس انحراف ذراع AFM").

ينطبق هذا القسم بشكل خاص على التصوير في وضع الاتصال. أما بالنسبة لأوضاع التصوير الأخرى، فإن العملية مماثلة، باستثناء أنه يجب استبدال "الانحراف" بمتغير التغذية الراجعة المناسب.

عند استخدام AFM لتصوير عينة، يتم وضع الطرف على اتصال بالعينة، ويتم مسح العينة على طول شبكة x–y (الشكل 4). في أغلب الأحيان، يتم استخدام حلقة تغذية مرتدة إلكترونية للحفاظ على ثبات قوة العينة-المسبار أثناء المسح. تحتوي حلقة التغذية المرتدة هذه على انحراف الذراع كمدخل، ويتحكم خرجها في المسافة على طول المحور z بين دعامة المسبار (2 في الشكل 3) ودعامة العينة (8 في الشكل 3). طالما ظل الطرف على اتصال بالعينة، وتم مسح العينة في المستوى x–y، فإن الاختلافات في الارتفاع في العينة ستغير انحراف الذراع. ثم تضبط التغذية المرتدة ارتفاع دعامة المسبار بحيث يتم استعادة الانحراف إلى قيمة محددة من قبل المستخدم (نقطة الضبط). تضبط حلقة التغذية المرتدة المضبوطة بشكل صحيح فصل الدعم عن العينة باستمرار أثناء حركة المسح، بحيث يظل الانحراف ثابتًا تقريبًا. في هذه الحالة، يساوي خرج التغذية المرتدة تضاريس سطح العينة إلى حد خطأ صغير.

تاريخيًا، تم استخدام طريقة تشغيل مختلفة، حيث يتم الحفاظ على مسافة دعم العينة والمسبار ثابتة ولا يتم التحكم فيها بواسطة ردود الفعل ( آلية المؤازرة ). في هذا الوضع، والذي يُشار إليه عادةً باسم "وضع الارتفاع الثابت"، يتم تسجيل انحراف الذراع كدالة لموضع العينة x-y. طالما أن الطرف على اتصال بالعينة، فإن الانحراف يتوافق بعد ذلك مع تضاريس السطح. تُستخدم هذه الطريقة بشكل أقل شيوعًا الآن لأن القوى بين الطرف والعينة لا يتم التحكم فيها، مما قد يؤدي إلى قوى عالية بما يكفي لإتلاف الطرف أو العينة. ^{[ بحاجة لمصدر ]} ومع ذلك، فمن الشائع تسجيل الانحراف حتى عند المسح في وضع القوة الثابتة، مع ردود الفعل. يكشف هذا عن خطأ التتبع الصغير لردود الفعل، ويمكن أن يكشف أحيانًا عن ميزات لم تكن ردود الفعل قادرة على تعديلها.

يتم تسجيل إشارات AFM، مثل ارتفاع العينة أو انحراف الكابولي، على جهاز كمبيوتر أثناء المسح الضوئي x–y. يتم رسمها في صورة ملونة زائفة ، حيث يمثل كل بكسل موضع x–y على العينة، ويمثل اللون الإشارة المسجلة.

اخترع علماء شركة آي بي إم المجهر الذري في عام 1985. ^[7] تم تطوير سلف المجهر الذري، المجهر النفقي الماسح (STM)، بواسطة جيرارد بينيج وهينريش روهرر في أوائل الثمانينيات في مركز أبحاث آي بي إم في زيورخ ، وهو التطور الذي أكسبهم جائزة نوبل في الفيزياء عام 1986. اخترع بينيج ^[6] المجهر الذري للقوة، وتم تنفيذ أول تطبيق تجريبي بواسطة بينيج وكوات وجيربر في عام 1986. ^[8 ]

تم تقديم أول مجهر قوة ذرية متاح تجاريًا في عام 1989. يُعد المجهر الذري للقوة الذرية أحد أهم الأدوات المستخدمة في تصوير المادة وقياسها والتلاعب بها على نطاق النانو .

تم تطبيق AFM على مشاكل في مجموعة واسعة من تخصصات العلوم الطبيعية، بما في ذلك فيزياء الحالة الصلبة ، وعلوم وتكنولوجيا أشباه الموصلات ، والهندسة الجزيئية ، وكيمياء وفيزياء البوليمرات ، وكيمياء السطح ، وعلم الأحياء الجزيئي ، وعلم الأحياء الخلوي ، والطب .

تتضمن التطبيقات في مجال فيزياء الحالة الصلبة (أ) تحديد الذرات على السطح، (ب) تقييم التفاعلات بين ذرة معينة والذرات المجاورة لها، و(ج) دراسة التغيرات في الخصائص الفيزيائية الناشئة عن التغيرات في الترتيب الذري من خلال التلاعب الذري.

في علم الأحياء الجزيئي، يمكن استخدام المجهر الذري لدراسة بنية وخصائص المجمعات والتجمعات البروتينية الميكانيكية. على سبيل المثال، تم استخدام المجهر الذري لتصوير الأنابيب الدقيقة وقياس صلابتها.

في علم الأحياء الخلوي، يمكن استخدام المجهر الذري للقوة (AFM) لمحاولة التمييز بين الخلايا السرطانية والخلايا الطبيعية بناءً على صلابة الخلايا، وتقييم التفاعلات بين خلية معينة والخلايا المجاورة لها في نظام زراعة تنافسي. يمكن أيضًا استخدام المجهر الذري للقوة (AFM) لتحديد الخلايا، لدراسة كيفية تنظيمها لصلابة أو شكل غشاء الخلية أو جدارها.

في بعض الاختلافات، يمكن أيضًا مسح الإمكانات الكهربائية باستخدام ذراع توصيل موصلة. في الإصدارات الأكثر تقدمًا، يمكن تمرير التيارات عبر الطرف لفحص التوصيل الكهربائي أو نقل السطح الأساسي، لكن هذه مهمة صعبة مع وجود عدد قليل من مجموعات البحث التي تبلغ عن بيانات متسقة (اعتبارًا من عام 2004). ^[9]

يتكون المجهر الذري من ذراع مع طرف حاد (مسبار) في نهايته يستخدم لمسح سطح العينة. الذراع عادة ما يكون من السيليكون أو نتريد السيليكون بنصف قطر انحناء الطرف في حدود النانومتر. عندما يتم تقريب الطرف من سطح العينة، تؤدي القوى بين الطرف والعينة إلى انحراف الذراع وفقًا لقانون هوك . ^[10] اعتمادًا على الموقف، تشمل القوى التي يتم قياسها في المجهر الذري قوة التلامس الميكانيكية، وقوى فان دير فالس ، والقوى الشعرية ، والترابط الكيميائي ، والقوى الكهروستاتيكية ، والقوى المغناطيسية (انظر مجهر القوة المغناطيسية ، MFM)، وقوى كازيمير ، وقوى المذيب ، وما إلى ذلك. إلى جانب القوة، يمكن قياس كميات إضافية في وقت واحد من خلال استخدام أنواع متخصصة من المجسات (انظر المجهر الحراري الماسح ، ومجهر التمدد الجول الماسح ، والتحليل الطيفي الضوئي الحراري ، وما إلى ذلك).

يمكن تشغيل AFM في عدد من الأوضاع، اعتمادًا على التطبيق. بشكل عام، يتم تقسيم أوضاع التصوير الممكنة إلى أوضاع ثابتة (تسمى أيضًا أوضاع التلامس ) ومجموعة متنوعة من الأوضاع الديناميكية (غير التلامسية أو "النقر") حيث يتم اهتزاز الذراع أو تذبذبه عند تردد معين. ^[8]

يتم وصف تشغيل AFM عادةً على أنه أحد الأوضاع الثلاثة، وفقًا لطبيعة حركة الطرف: وضع التلامس، ويُسمى أيضًا الوضع الثابت (على عكس الوضعين الآخرين، اللذين يُسمى الوضع الديناميكي)؛ وضع النقر، ويُسمى أيضًا الاتصال المتقطع، أو وضع التيار المتردد، أو وضع الاهتزاز، أو، بعد آلية الكشف، AFM بتعديل السعة؛ ووضع عدم التلامس، أو، مرة أخرى بعد آلية الكشف، AFM بتعديل التردد.

على الرغم من التسمية، يمكن أن يحدث الاتصال التنافر أو يتم تجنبه في كل من AFM بتعديل السعة وAFM بتعديل التردد، اعتمادًا على الإعدادات. ^{[ بحاجة لمصدر ]}

في وضع التلامس، يتم "سحب" الطرف عبر سطح العينة ويتم قياس محيط السطح إما باستخدام انحراف الذراع مباشرة أو، وهو الأكثر شيوعًا، باستخدام إشارة التغذية الراجعة المطلوبة للحفاظ على الذراع في وضع ثابت. نظرًا لأن قياس الإشارة الثابتة عرضة للضوضاء والانجراف، يتم استخدام ذراعات ذات صلابة منخفضة (أي ذراعات ذات ثابت زنبركي منخفض، k) لتحقيق إشارة انحراف كبيرة بما يكفي مع الحفاظ على قوة التفاعل منخفضة. بالقرب من سطح العينة، يمكن أن تكون قوى الجذب قوية جدًا، مما يتسبب في "التصاق" الطرف بالسطح. وبالتالي، يتم إجراء AFM في وضع التلامس دائمًا تقريبًا على عمق حيث تكون القوة الكلية منفرة، أي في "اتصال" ثابت بالسطح الصلب.

في الظروف المحيطة، تتطور لدى معظم العينات طبقة هلالية سائلة. ولهذا السبب، فإن إبقاء طرف المجس قريبًا بدرجة كافية من العينة حتى تصبح القوى قصيرة المدى قابلة للكشف مع منع الطرف من الالتصاق بالسطح يمثل مشكلة كبيرة لوضع التلامس في الظروف المحيطة. تم تطوير وضع التلامس الديناميكي (يُسمى أيضًا التلامس المتقطع أو وضع التيار المتردد أو وضع النقر) لتجاوز هذه المشكلة. ^[12] في الوقت الحاضر، يعد وضع النقر هو وضع AFM الأكثر استخدامًا عند التشغيل في الظروف المحيطة أو في السوائل.

في وضع النقر ، يتم دفع الذراع للتذبذب لأعلى ولأسفل عند أو بالقرب من تردد الرنين الخاص به. يتم تحقيق هذا التذبذب عادةً باستخدام عنصر بيزو صغير في حامل الذراع، ولكن تشمل الاحتمالات الأخرى مجالًا مغناطيسيًا مترددًا (مع ذراعات مغناطيسية)، أو ذراعات بيزوكهربائية، أو تسخين دوري باستخدام شعاع ليزر معدَّل. تتراوح سعة هذا التذبذب عادةً من عدة نانومتر إلى 200 نانومتر. في وضع النقر، يتم الحفاظ على تردد وسعة إشارة القيادة ثابتة، مما يؤدي إلى سعة ثابتة لتذبذب الذراع طالما لا يوجد انجراف أو تفاعل مع السطح. يتسبب تفاعل القوى المؤثرة على الذراع عندما يقترب الطرف من السطح، وقوى فان دير فال ، وتفاعلات ثنائي القطب-ثنائي القطب ، والقوى الكهروستاتيكية ، وما إلى ذلك، في تغير سعة تذبذب الذراع (عادةً ما تنخفض) مع اقتراب الطرف من العينة. تُستخدم هذه السعة كمعامل يدخل في السيرفو الإلكتروني الذي يتحكم في ارتفاع الذراع فوق العينة. يضبط السيرفو الارتفاع للحفاظ على سعة تذبذب الذراع المحددة أثناء مسح الذراع فوق العينة. وبالتالي يتم إنتاج صورة AFM من خلال تصوير قوة التلامس المتقطع للطرف مع سطح العينة. ^[13]

على الرغم من أن قوى الذروة المطبقة أثناء جزء التلامس من التذبذب يمكن أن تكون أعلى بكثير من تلك المستخدمة عادةً في وضع التلامس، فإن وضع النقر يقلل عمومًا من الضرر الواقع على السطح والطرف مقارنة بالكمية التي تحدث في وضع التلامس. يمكن تفسير ذلك من خلال المدة القصيرة للقوة المطبقة، ولأن القوى الجانبية بين الطرف والعينة أقل بكثير في وضع النقر مقارنة بوضع التلامس. التصوير في وضع النقر لطيف بدرجة كافية حتى لتصور الطبقات الدهنية المدعومة أو جزيئات البوليمر الفردية الممتصة (على سبيل المثال، سلاسل بسمك 0.4 نانومتر من البوليمرات الكهربائية الاصطناعية ) تحت وسط سائل. باستخدام معلمات المسح المناسبة، يمكن أن يظل تكوين الجزيئات الفردية دون تغيير لساعات، ^[11] ويمكن حتى تصوير المحركات الجزيئية الفردية أثناء الحركة.

عند التشغيل في وضع النقر، يمكن أيضًا تسجيل طور تذبذب الذراع بالنسبة لإشارة القيادة. تحتوي قناة الإشارة هذه على معلومات حول الطاقة التي يبددها الذراع في كل دورة تذبذب. يمكن للعينات التي تحتوي على مناطق ذات صلابة متفاوتة أو ذات خصائص التصاق مختلفة أن تعطي تباينًا في هذه القناة غير مرئي في الصورة الطبوغرافية. ومع ذلك، غالبًا ما يكون استخراج خصائص مادة العينة بطريقة كمية من صور الطور غير ممكن.

في وضع المجهر الذري للقوة غير التلامسية ، لا يتصل طرف الذراع بسطح العينة. وبدلاً من ذلك، يتذبذب الذراع إما عند تردده الرنان (تعديل التردد) أو أعلى بقليل (تعديل السعة) حيث تكون سعة التذبذب عادةً بضعة نانومتر (<10 نانومتر) إلى بضعة بيكومترات. ^[14] تعمل قوى فان دير فالز ، التي تكون أقوى من 1 نانومتر إلى 10 نانومتر فوق السطح، أو أي قوة أخرى طويلة المدى تمتد فوق السطح على تقليل تردد رنين الذراع. يحافظ هذا الانخفاض في تردد الرنين جنبًا إلى جنب مع نظام حلقة التغذية الراجعة على سعة تذبذب ثابتة أو تردد عن طريق ضبط متوسط ​​مسافة الطرف إلى العينة. يسمح قياس مسافة الطرف إلى العينة عند كل نقطة بيانات (x، y) لبرنامج المسح بإنشاء صورة طبوغرافية لسطح العينة.

لا يعاني وضع عدم التلامس AFM من تأثيرات تدهور الطرف أو العينة التي تُلاحظ أحيانًا بعد إجراء العديد من عمليات المسح باستخدام AFM التلامسية. وهذا يجعل AFM غير التلامسي أفضل من AFM التلامسي لقياس العينات اللينة، مثل العينات البيولوجية والأغشية الرقيقة العضوية. في حالة العينات الصلبة، قد تبدو الصور الملامسة وغير الملامسة متشابهة. ومع ذلك، إذا كانت هناك بضع طبقات أحادية من السائل الممتص مستلقية على سطح عينة صلبة، فقد تبدو الصور مختلفة تمامًا. سيخترق AFM الذي يعمل في وضع التلامس طبقة السائل لتصوير السطح الأساسي، بينما في وضع عدم التلامس، سيتذبذب AFM فوق طبقة السائل الممتصة لتصوير كل من السائل والسطح.

تتضمن مخططات التشغيل في الوضع الديناميكي تعديل التردد حيث يتم استخدام حلقة مقفلة الطور لتتبع تردد رنين الذراع والتعديل السعوي الأكثر شيوعًا مع وجود حلقة سيرفو في مكانها للحفاظ على إثارة الذراع بسعة محددة. في تعديل التردد، توفر التغييرات في تردد التذبذب معلومات حول تفاعلات الطرف والعينة. يمكن قياس التردد بحساسية عالية جدًا وبالتالي يسمح وضع تعديل التردد باستخدام ذراعات شديدة الصلابة. توفر الذراعات الصلبة الثبات بالقرب من السطح، ونتيجة لذلك، كانت هذه التقنية أول تقنية AFM توفر دقة ذرية حقيقية في ظروف الفراغ العالي للغاية . ^[15]

في تعديل السعة ، توفر التغييرات في سعة التذبذب أو طوره إشارة التغذية الراجعة للتصوير. في تعديل السعة، يمكن استخدام التغييرات في طور التذبذب للتمييز بين أنواع مختلفة من المواد على السطح. يمكن تشغيل تعديل السعة إما في نظام عدم التلامس أو في نظام التلامس المتقطع. في وضع التلامس الديناميكي، يتم اهتزاز الذراع بحيث يتم تعديل مسافة الفصل بين طرف الذراع وسطح العينة.

تم أيضًا استخدام تعديل السعة في النظام غير التلامسي للتصوير بدقة ذرية باستخدام ذراعات مفصلية شديدة الصلابة وسعات صغيرة في بيئة فراغ عالية للغاية.

تكوين الصورة هو طريقة رسم بياني تنتج تعيينًا للألوان من خلال تغيير موضع x-y للطرف أثناء مسح وتسجيل المتغير المقاس، أي شدة إشارة التحكم، لكل إحداثي x-y. يُظهر تعيين الألوان القيمة المقاسة المقابلة لكل إحداثي. تعبر الصورة عن شدة القيمة كصبغة. عادةً، يتم عرض المراسلات بين شدة القيمة والصبغة كمقياس ألوان في الملاحظات التوضيحية المصاحبة للصورة.

يتم تصنيف وضع تشغيل تكوين الصورة لمجهر القوة الذرية عمومًا إلى مجموعتين من وجهة النظر فيما إذا كان يستخدم حلقة التغذية الراجعة z (غير موضحة) للحفاظ على مسافة العينة الطرفية للحفاظ على شدة الإشارة المصدرة بواسطة الكاشف. المجموعة الأولى (باستخدام حلقة التغذية الراجعة z)، يُقال إنها " وضع XX الثابت" ( XX هو شيء يتم الاحتفاظ به بواسطة حلقة التغذية الراجعة z).

يعتمد وضع تكوين الصورة الطبوغرافية على " وضع XX الثابت " المذكور أعلاه، حيث تتحكم حلقة التغذية الراجعة z في المسافة النسبية بين المجس والعينة من خلال إخراج إشارات التحكم للحفاظ على ثبات التردد والاهتزاز والطور والذي يتوافق عادةً مع حركة الذراع الكابولي (على سبيل المثال، يتم تطبيق الجهد على العنصر الكهرضغطي Z ويحرك العينة لأعلى ولأسفل باتجاه Z.

عندما تصل المسافة بين المجس والعينة إلى النطاق الذي يمكن فيه اكتشاف القوة الذرية، بينما يتم إثارة الذراع في تردده الذاتي الطبيعي ( f ₀ )، فقد يتحول تردد الرنين f للذراع من تردد الرنين الأصلي. بعبارة أخرى، في النطاق الذي يمكن فيه اكتشاف القوة الذرية، سيتم أيضًا ملاحظة تحول التردد ( df  = f - f ₀ ). عندما تكون المسافة بين المجس والعينة في منطقة عدم التلامس ، يزداد تحول التردد في الاتجاه السالب مع صغر المسافة بين المجس والعينة.

عندما يكون للعينة تقعر وتحدب، فإن المسافة بين قمة الطرف والعينة تختلف وفقًا للتقعر والتحدب المصحوب بمسح العينة على طول اتجاه x-y (بدون تنظيم الارتفاع في اتجاه z). ونتيجة لذلك، ينشأ تحول التردد. تسمى الصورة التي يتم فيها رسم قيم التردد التي تم الحصول عليها من خلال المسح النقطي على طول اتجاه x-y لسطح العينة مقابل تنسيق x-y لكل نقطة قياس صورة ذات ارتفاع ثابت.

من ناحية أخرى، يمكن الحفاظ على df ثابتة عن طريق تحريك المجس لأعلى ولأسفل (انظر (3) من الشكل 5) في اتجاه z باستخدام ردود فعل سلبية (باستخدام حلقة ردود فعل z) أثناء المسح النقطي لسطح العينة على طول اتجاه x-y. الصورة التي يتم فيها رسم كميات ردود الفعل السلبية (مسافة تحريك المجس لأعلى ولأسفل في اتجاه z) مقابل تنسيق x-y لكل نقطة قياس هي صورة طبوغرافية. بعبارة أخرى، الصورة الطبوغرافية هي أثر لطرف المجس منظم بحيث يكون df ثابتًا ويمكن أيضًا اعتبارها رسمًا لسطح ثابت الارتفاع لـ df.

لذلك، فإن الصورة الطبوغرافية للـ AFM ليست الشكل الدقيق للسطح نفسه، بل هي في الواقع الصورة المتأثرة بترتيب الرابطة بين المجس والعينة، ومع ذلك، يُعتقد أن الصورة الطبوغرافية للـ AFM تعكس الشكل الجغرافي للسطح أكثر من الصورة الطبوغرافية لمجهر النفق الماسح.

بالإضافة إلى التصوير، يمكن استخدام AFM في مطيافية القوة ، وهو القياس المباشر لقوى تفاعل الطرف مع العينة كدالة للفجوة بين الطرف والعينة. وتسمى نتيجة هذا القياس منحنى القوة والمسافة. لهذه الطريقة، يمتد طرف AFM نحو السطح وينسحب منه مع مراقبة انحراف الذراع كدالة للإزاحة الكهرضغطية . وقد استخدمت هذه القياسات لقياس جهات الاتصال النانوية، والترابط الذري ، وقوى فان دير فالس ، وقوى كازيمير ، وقوى الذوبان في السوائل وقوى التمدد والتمزق للجزيء الواحد. ^[16] كما تم استخدام AFM لقياس قوة التشتت الناتجة عن البوليمر الممتص على الركيزة في بيئة مائية. ^[17] يمكن الآن قياس قوى من رتبة بضعة بيكون نيوتن بشكل روتيني بدقة مسافة رأسية أفضل من 0.1 نانومتر. يمكن إجراء مطيافية القوة إما بأوضاع ثابتة أو ديناميكية. في الأوضاع الديناميكية، تتم مراقبة المعلومات حول اهتزاز الذراع بالإضافة إلى الانحراف الثابت. ^[18]

تتضمن المشاكل المتعلقة بهذه التقنية عدم وجود قياس مباشر لفصل العينة عن الطرف والحاجة الشائعة إلى ذراعات ذات صلابة منخفضة، والتي تميل إلى "الانكسار" على السطح. هذه المشاكل ليست مستعصية على الحل. تم تطوير مجهر القوة الذرية الذي يقيس مباشرة فصل العينة عن الطرف. ^[19] يمكن تقليل الانكسار عن طريق القياس في السوائل أو باستخدام ذراعات ذات صلابة أكبر، ولكن في الحالة الأخيرة هناك حاجة إلى مستشعر انحراف أكثر حساسية. من خلال تطبيق اهتزاز صغير على الطرف، يمكن قياس صلابة الرابطة (تدرج القوة) أيضًا. ^[20]

تُستخدم مطيافية القوة في الفيزياء الحيوية لقياس الخصائص الميكانيكية للمواد الحية (مثل الأنسجة أو الخلايا) ^{[21] [22] [23]} أو الكشف عن هياكل ذات صلابة مختلفة مدفونة في الجزء الأكبر من العينة باستخدام التصوير المقطعي للصلابة. ^[24] كان هناك تطبيق آخر وهو قياس قوى التفاعل بين مادة عالقة على طرف الذراع من جهة، وسطح الجسيمات الحرة أو المشغولة بنفس المادة من جهة أخرى. من منحنى توزيع قوة الالتصاق، تم اشتقاق متوسط ​​قيمة القوى. سمح ذلك بعمل رسم خرائط لسطح الجسيمات، المغطاة أو غير المغطاة بالمادة. ^[25] كما تم استخدام المجهر الذري للقوى لكشف البروتينات ميكانيكيًا. ^[26] في مثل هذه التجارب، يؤدي تحليل متوسط ​​قوى الكشف بالنموذج المناسب ^[27] إلى الحصول على معلومات حول معدل الكشف ومعلمات ملف الطاقة الحرة للبروتين.

يمكن استخدام المجهر الذري لتصوير الذرات والهياكل على مجموعة متنوعة من الأسطح. تستشعر الذرة الموجودة في قمة الطرف الذرات الفردية على السطح الأساسي عندما تبدأ في تكوين روابط كيميائية مع كل ذرة. ولأن هذه التفاعلات الكيميائية تغير بشكل طفيف تردد اهتزاز الطرف، فيمكن اكتشافها ورسمها. تم استخدام هذا المبدأ للتمييز بين ذرات السيليكون والقصدير والرصاص على سطح السبائك، من خلال مقارنة بصمات الذرات هذه بالقيم التي تم الحصول عليها من محاكاة نظرية الكثافة الوظيفية (DFT). ^[28]

يجب قياس قوى التفاعل بدقة لكل نوع من الذرات المتوقعة في العينة، ثم مقارنتها بالقوى المعطاة بواسطة محاكاة DFT. وقد وجد أن الطرف تفاعل بقوة أكبر مع ذرات السيليكون، وتفاعل بنسبة 24% و41% أقل قوة مع ذرات القصدير والرصاص على التوالي. ويمكن تحديد كل نوع مختلف من الذرات في المصفوفة على أنه الطرف باستخدام هذه المعلومات. ^[28]

يحتوي مسبار AFM على طرف حاد في الطرف المتأرجح الحر لذراع التثبيت الذي يبرز من حامل. ^[29] أبعاد الذراع التثبيت تكون بمقياس الميكرومتر. يكون نصف قطر الطرف عادةً بمقياس بضعة نانومتر إلى بضع عشرات من النانومتر. (توجد مجسات متخصصة بأقطار طرفية أكبر بكثير، على سبيل المثال مجسات لثقب المواد اللينة.) يسمح حامل الذراع التثبيت، والذي يُسمى أيضًا شريحة الحامل - غالبًا بحجم 1.6 مم × 3.4 مم - للمشغل بحمل مجموعة ذراع التثبيت/المسبار AFM باستخدام ملاقط وتثبيتها في مشابك الحامل المقابلة على رأس المسح في المجهر الذري للقوة.

يُطلق على هذا الجهاز عادةً اسم "مسبار AFM"، ولكن هناك أسماء أخرى مثل "طرف AFM" و"ذراع الكابولي" (باستخدام اسم جزء واحد كاسم للجهاز بالكامل). مسبار AFM هو نوع معين من مسبار SPM.

يتم تصنيع مجسات AFM باستخدام تقنية MEMS . تُصنع معظم مجسات AFM المستخدمة من السيليكون (Si)، ولكن يتم استخدام زجاج البورسليكات ونتريد السيليكون أيضًا. تعتبر مجسات AFM من المواد الاستهلاكية حيث يتم استبدالها غالبًا عندما تصبح قمة الطرف باهتة أو ملوثة أو عندما ينكسر ذراع التعليق. يمكن أن تتكلف من بضع عشرات من الدولارات إلى مئات الدولارات لكل ذراع تعليق لأكثر مجموعات ذراع التعليق/المجسات تخصصًا.

لاستخدام الجهاز، يتم تقريب الطرف إلى حد كبير من سطح الجسم قيد التحقيق، ويتم انحراف الذراع عن طريق التفاعل بين الطرف والسطح، وهو ما تم تصميم AFM لقياسه. يمكن عمل خريطة مكانية للتفاعل عن طريق قياس الانحراف عند العديد من النقاط على سطح ثنائي الأبعاد.

يمكن اكتشاف عدة أنواع من التفاعل. اعتمادًا على التفاعل قيد التحقيق، يجب تعديل سطح طرف مسبار AFM بطلاء. من بين الطلاءات المستخدمة الذهب - للترابط التساهمي للجزيئات البيولوجية واكتشاف تفاعلها مع السطح، ^[30] الماس لزيادة مقاومة التآكل ^[31] والطلاءات المغناطيسية لاكتشاف الخصائص المغناطيسية للسطح المدروس. ^[32] يوجد حل آخر لتحقيق التصوير المغناطيسي عالي الدقة: تجهيز المسبار بميكروسكويد . يتم تصنيع أطراف AFM باستخدام الآلات الدقيقة للسيليكون ويتم تحقيق التموضع الدقيق لحلقة ميكروسكويد باستخدام الطباعة الحجرية بحزمة الإلكترون. ^[33] يتيح التعلق الإضافي لنقطة كمية بقمة طرف المسبار الموصل تصوير الجهد السطحي بدقة جانبية عالية، ومجهر مسح النقاط الكمية . ^[34]

يمكن أيضًا تعديل سطح الكابولي. يتم تطبيق هذه الطلاءات في الغالب بهدف زيادة انعكاس الكابولي وتحسين إشارة الانحراف.

تعتمد القوى بين الطرف والعينة بشكل كبير على هندسة الطرف. وقد تم استغلال دراسات مختلفة في السنوات الماضية لكتابة القوى كدالة لمعلمات الطرف.

من بين القوى المختلفة بين الطرف والعينة، تعد قوى المنسك المائي مثيرة للاهتمام للغاية، سواء في البيئة الهوائية أو السائلة. يجب مراعاة القوى الأخرى، مثل قوة كولومب ، وقوى فان دير فالس ، وتفاعلات الطبقة المزدوجة، وقوى المذيبات ، والترطيب والقوى الكارهة للماء.

قوى المنسك المائي مثيرة للاهتمام للغاية لقياسات AFM في الهواء. بسبب الرطوبة المحيطة ، تتشكل طبقة رقيقة من الماء بين الطرف والعينة أثناء قياسات الهواء. تؤدي القوة الشعرية الناتجة إلى قوة جذب قوية تسحب الطرف إلى السطح. في الواقع، تهيمن القوى الشعرية عادةً على قوة الالتصاق المقاسة بين الطرف والعينة في الهواء المحيط ذي الرطوبة المحدودة. ونتيجة لذلك، من الصعب سحب الطرف بعيدًا عن السطح. بالنسبة للعينات اللينة التي تشمل العديد من البوليمرات وخاصة المواد البيولوجية، تؤدي قوة الشعيرات اللاصقة القوية إلى تدهور العينة وتدميرها عند التصوير في وضع التلامس. تاريخيًا، كانت هذه المشكلات دافعًا مهمًا لتطوير التصوير الديناميكي في الهواء (على سبيل المثال "وضع النقر"). أثناء التصوير في وضع النقر في الهواء، لا تزال الجسور الشعرية تتشكل. ومع ذلك، في ظل ظروف التصوير المناسبة، تتشكل الجسور الشعرية وتتكسر في كل دورة تذبذب للرافعة العمودية على السطح، كما يمكن استنتاجه من تحليل سعة الرافعة ومنحنيات الطور مقابل المسافة. ^[35] ونتيجة لذلك، يتم تقليل قوى القص المدمرة إلى حد كبير ويمكن فحص العينات اللينة.

من أجل تحديد قوة التوازن الشعرية، من الضروري البدء من معادلة لابلاس للضغط:

${\displaystyle P=\gamma _{L}\left({\frac {1}{r}}_{1}+{\frac {1}{r}}_{0}\right)\simeq {\frac {\gamma _{L}}{r_{eff}}}}$

حيث γ _L هي طاقة السطح و r ₀ و r ₁ محددان في الشكل.

يتم تطبيق الضغط على منطقة

${\displaystyle A\simeq 2\pi R\simeq [r_{eff}(1+\cos \theta )+h]}$

حيث θ هي الزاوية بين سطح الطرف وسطح السائل بينما h هو فرق الارتفاع بين السائل المحيط وقمة المينيسكوس.

القوة التي تسحب السطحين معًا هي

${\displaystyle F=2\pi R\gamma _{L}\left(1+\cos \theta +{\frac {h}{r_{eff}}}\right)}$

يمكن أيضًا حساب نفس الصيغة كدالة للرطوبة النسبية.

قام Gao ^[36] بحساب الصيغ لهندسة أطراف مختلفة. على سبيل المثال، تنخفض القوة بنسبة 20% لطرف مخروطي بالنسبة لطرف كروي.

عند حساب هذه القوى، يجب إجراء فرق بين حالة الرطوبة على الجفاف وحالة الرطوبة على الرطوبة.

بالنسبة للطرف الكروي، القوة هي:

${\displaystyle f_{m}=-2\pi R\gamma _{L}(\cos \theta +\cos \phi )\left(1-{\frac {dh}{dD}}\right)}$للجفاف على الرطب،

${\displaystyle f_{m}=-2\pi R\gamma _{L}{\frac {dr_{0}}{dD}}}$للرطوبة على الرطوبة،

حيث θ هي زاوية تماس الكرة الجافة و φ هي الزاوية المغمورة، كما هو موضح في الشكل

بالنسبة للطرف المخروطي، تصبح الصيغة:

${\displaystyle f_{m}=-2\pi R\gamma _{L}{\frac {\tan \delta }{\cos \delta }}(\cos \theta +\sin \delta )(hD)\left(1-{\frac {dh}{dD}}\right)}$للجفاف على الرطب

${\displaystyle f_{m}=-2\pi R\gamma _{L}\left({\frac {1}{\cos \delta }}+\sin \delta \right)(r_{0})\left({\frac {dr_{0}}{dD}}\right)}$للرطب على الرطب

حيث δ هي زاوية نصف المخروط و r ₀ و h هي معلمات ملف الهلال.

الطريقة الأكثر شيوعًا لقياسات انحراف الكابولي هي طريقة انحراف الشعاع. في هذه الطريقة، ينعكس ضوء الليزر من الصمام الثنائي ذي الحالة الصلبة عن الجزء الخلفي من الكابولي ويتم جمعه بواسطة كاشف حساس للموضع (PSD) يتكون من اثنين من الصمامات الثنائية الضوئية المتقاربة ، والتي يتم جمع إشارة خرجها بواسطة مكبر تفاضلي . يؤدي الإزاحة الزاوية للرافعة إلى قيام أحد الصمامات الضوئية بجمع المزيد من الضوء من الصمام الضوئي الآخر، مما ينتج عنه إشارة خرج (الفرق بين إشارات الصمام الضوئي الموحد بمجموعهما)، والتي تتناسب مع انحراف الكابولي. حساسية طريقة انحراف الشعاع عالية جدًا، ويمكن الحصول على مستوى ضوضاء في حدود 10 fm Hz ^{− 1 ⁄ 2} بشكل روتيني في نظام مصمم جيدًا. على الرغم من أن هذه الطريقة تسمى أحيانًا طريقة "الرافعة البصرية"، إلا أن الإشارة لا يتم تضخيمها إذا تم جعل مسار الشعاع أطول. يؤدي مسار الشعاع الأطول إلى زيادة حركة البقعة المنعكسة على الثنائيات الضوئية، ولكنه يؤدي أيضًا إلى توسيع البقعة بنفس المقدار بسبب الانعراج ، بحيث يتم نقل نفس المقدار من الطاقة الضوئية من ثنائي ضوئي إلى آخر. "الرافعة الضوئية" (إشارة خرج الكاشف مقسومة على انحراف الذراع) تتناسب عكسيًا مع الفتحة العددية لبصريات تركيز الشعاع، طالما أن بقعة الليزر المركزة صغيرة بما يكفي للسقوط تمامًا على الذراع. كما أنها تتناسب عكسيًا مع طول الذراع.

يمكن تفسير الشعبية النسبية لطريقة انحراف الشعاع من خلال حساسيتها العالية وسهولة تشغيلها، ومن خلال حقيقة أن الذراعات لا تتطلب اتصالات كهربائية أو معالجات خاصة أخرى، وبالتالي يمكن تصنيعها بثمن رخيص نسبيًا مع أطراف حادة متكاملة.

توجد العديد من الطرق الأخرى لقياس انحراف الشعاع.

• الكشف الكهرضغطي - يمكن للأذرع المعلقة المصنوعة من الكوارتز ^[37] (مثل تكوين qPlus )، أو غيرها من المواد الكهرضغطية أن تكتشف الانحراف بشكل مباشر كإشارة كهربائية. تم الكشف عن تذبذبات الذراع المعلقة حتى 10 دقائق باستخدام هذه الطريقة.
• قياس الاهتزاز باستخدام الليزر دوبلر – يمكن استخدام مقياس الاهتزاز باستخدام الليزر دوبلر لإنتاج قياسات انحراف دقيقة للغاية لذراع متذبذب ^[38] (وبالتالي يتم استخدامه فقط في الوضع غير التلامسي). هذه الطريقة مكلفة ولا يستخدمها سوى عدد قليل نسبيًا من المجموعات.
• المجهر النفقي الماسح (STM) - استخدم المجهر الذري الأول مجهرًا نفقيًا مسحيًا مزودًا بآلية ردود الفعل الخاصة به لقياس الانحراف. ^[8] هذه الطريقة صعبة التنفيذ للغاية، وهي بطيئة في الاستجابة لتغيرات الانحراف مقارنة بالطرق الحديثة.
• التداخل البصري - يمكن استخدام التداخل البصري لقياس انحراف الكابولي. ^[39] نظرًا للانحرافات على مقياس النانومتر المقاسة في AFM، فإن مقياس التداخل يعمل في نظام دون الهامش، وبالتالي فإن أي انحراف في طاقة الليزر أو الطول الموجي له تأثيرات قوية على القياس. لهذه الأسباب، يجب إجراء قياسات التداخل البصري بعناية كبيرة (على سبيل المثال باستخدام سوائل مطابقة الفهرس بين تقاطعات الألياف الضوئية)، مع ليزر مستقر للغاية. لهذه الأسباب، نادرًا ما يتم استخدام التداخل البصري.
• الكشف السعوي - يمكن للأذرع المعدنية المطلية أن تشكل مكثفًا مع جهة اتصال أخرى تقع خلف الذراع. ^[40] يغير الانحراف المسافة بين جهات الاتصال ويمكن قياسه كتغير في السعة.
• الكشف عن المقاومة الانضغاطية - يمكن تصنيع ذراع التعليق باستخدام عناصر مقاومة انضغاطية تعمل كمقياس إجهاد . باستخدام جسر ويتستون ، يمكن قياس الإجهاد في ذراع التعليق AFM بسبب الانحراف. ^[41] لا يُستخدم هذا عادةً في تطبيقات الفراغ، حيث يعمل الكشف عن المقاومة الانضغاطية على تبديد الطاقة من النظام المؤثر على Q للرنين.

تُصنع ماسحات AFM من مادة كهرضغطية تتمدد وتنكمش بشكل متناسب مع الجهد المطبق. ويعتمد استطالتها أو انكماشها على قطبية الجهد المطبق. تقليديًا، يتم تثبيت الطرف أو العينة على "حامل ثلاثي القوائم" من ثلاث بلورات كهرضغطية، حيث تكون كل منها مسؤولة عن المسح في اتجاهات x و y و z . ^[8] في عام 1986، وهو نفس العام الذي اخترع فيه AFM، تم تطوير ماسح كهرضغطي جديد ، وهو الماسح الأنبوبي، لاستخدامه في المجهر النفقي. ^[42] تم دمج الماسحات الأنبوبية اللاحقة في AFM. يمكن للماسح الأنبوبي تحريك العينة في اتجاهات x و y و z باستخدام أنبوب كهرضغطي واحد مع اتصال داخلي واحد وأربعة اتصالات خارجية. تتمثل إحدى مزايا الماسح الأنبوبي مقارنة بتصميم الحامل الثلاثي القوائم الأصلي في عزل الاهتزاز بشكل أفضل، الناتج عن التردد الرنان الأعلى للبنية المكونة من عنصر واحد، جنبًا إلى جنب مع مرحلة عزل التردد الرنان المنخفض. العيب هو أن حركة x - y يمكن أن تسبب حركة z غير المرغوب فيها مما يؤدي إلى التشويه. تصميم شائع آخر لأجهزة المسح AFM هو مرحلة الانحناء ، والتي تستخدم أجهزة بيزوس منفصلة لكل محور، وربطها من خلال آلية الانحناء.

تتميز الماسحات الضوئية بحساسيتها، وهي نسبة حركة البيزو إلى جهد البيزو، أي بمقدار تمدد أو انكماش مادة البيزو لكل فولت مطبق. وبسبب الاختلافات في المادة أو الحجم، تختلف الحساسية من ماسح ضوئي إلى آخر. وتختلف الحساسية بشكل غير خطي فيما يتعلق بحجم المسح. تُظهر الماسحات الضوئية البيزو حساسية أكبر في النهاية مقارنة ببداية المسح. يتسبب هذا في أن يتصرف المسح الأمامي والخلفي بشكل مختلف ويظهر الهستيريسيس بين اتجاهي المسح. ^[43] يمكن تصحيح ذلك عن طريق تطبيق جهد غير خطي على أقطاب البيزو للتسبب في حركة ماسح ضوئي خطية ومعايرة الماسح الضوئي وفقًا لذلك. ^[43] أحد عيوب هذا النهج هو أنه يتطلب إعادة المعايرة لأن الجهد غير الخطي الدقيق اللازم لتصحيح الحركة غير الخطية سيتغير مع تقدم البيزو في العمر (انظر أدناه). يمكن التحايل على هذه المشكلة عن طريق إضافة مستشعر خطي إلى مرحلة العينة أو مرحلة البيزو للكشف عن الحركة الحقيقية للبيزو. يمكن اكتشاف الانحرافات عن الحركة المثالية بواسطة المستشعر والتصحيحات المطبقة على إشارة محرك البيزو لتصحيح حركة البيزو غير الخطية. يُعرف هذا التصميم باسم "مجهر القوة الذرية ذو الحلقة المغلقة". يشار إلى مجهر القوة الذرية ذو الحلقة المفتوحة غير المستشعر بالبيزو.

تقل حساسية المواد الكهرضغطية بشكل كبير مع مرور الوقت. ويتسبب هذا في حدوث معظم التغيير في الحساسية في المراحل الأولية من عمر الماسح الضوئي. يتم تشغيل الماسحات الضوئية الكهرضغطية لمدة 48 ساعة تقريبًا قبل شحنها من المصنع بحيث تكون قد تجاوزت النقطة التي قد تحدث فيها تغييرات كبيرة في الحساسية. ومع تقدم عمر الماسح الضوئي، ستتغير الحساسية بشكل أقل مع مرور الوقت ونادرًا ما يتطلب الماسح الضوئي إعادة المعايرة، ^{[44] [45]} على الرغم من أن أدلة الشركات المصنعة المختلفة توصي بمعايرة مجسات AFM ذات الحلقة المفتوحة شهريًا إلى نصف شهريًا.

يتمتع المجهر الإلكتروني الماسح بالعديد من المزايا مقارنة بالمجهر الإلكتروني الماسح (SEM). على عكس المجهر الإلكتروني، الذي يوفر إسقاطًا ثنائي الأبعاد أو صورة ثنائية الأبعاد لعينة، يوفر المجهر الإلكتروني الماسح صورة سطحية ثلاثية الأبعاد. بالإضافة إلى ذلك، لا تتطلب العينات التي يفحصها المجهر الإلكتروني الماسح أي معالجات خاصة (مثل الطلاء المعدني/الكربوني) من شأنها أن تغير العينة أو تتلفها بشكل لا رجعة فيه، ولا تعاني عادةً من آثار الشحن في الصورة النهائية. في حين يحتاج المجهر الإلكتروني إلى بيئة فراغ باهظة الثمن للتشغيل السليم، يمكن لمعظم أوضاع المجهر الإلكتروني الماسح أن تعمل بشكل جيد تمامًا في الهواء المحيط أو حتى في بيئة سائلة. هذا يجعل من الممكن دراسة الجزيئات البيولوجية وحتى الكائنات الحية. من حيث المبدأ، يمكن للمجهر الإلكتروني الماسح توفير دقة أعلى من المجهر الإلكتروني الماسح. وقد ثبت أنه يعطي دقة ذرية حقيقية في الفراغ العالي للغاية (UHV)، ومؤخرًا، في البيئات السائلة. المجهر الإلكتروني الماسح عالي الدقة قابل للمقارنة في الدقة مع المجهر النفقي الماسح والمجهر الإلكتروني النافذ . يمكن أيضًا دمج AFM مع مجموعة متنوعة من تقنيات المجهر الضوئي والتحليل الطيفي مثل المجهر الفلوري لتحليل الطيف بالأشعة تحت الحمراء، مما أدى إلى ظهور المجهر الضوئي الماسح في المجال القريب ، وتقنية تحويل فورييه للأشعة تحت الحمراء النانوية وتوسيع نطاق تطبيقه بشكل أكبر. تم تطبيق أدوات AFM-البصرية المدمجة في المقام الأول في العلوم البيولوجية ولكنها جذبت مؤخرًا اهتمامًا قويًا في مجال الطاقة الكهروضوئية ^[13] وأبحاث تخزين الطاقة، ^[46] وعلوم البوليمر، ^[47] وتكنولوجيا النانو ^{[48] [49]} وحتى الأبحاث الطبية. ^[50]

من عيوب المجهر الإلكتروني الماسح (AFM) مقارنة بالمجهر الإلكتروني الماسح (SEM) هو حجم صورة المسح المفرد. في تمريرة واحدة، يمكن للمجهر الإلكتروني الماسح تصوير مساحة في حدود المليمتر المربع بعمق مجال في حدود المليمتر، في حين أن المجهر الإلكتروني الماسح (AFM) لا يمكنه تصوير سوى مساحة مسح قصوى تبلغ حوالي 150 × 150 ميكرومترًا وارتفاع أقصى في حدود 10-20 ميكرومترًا. إحدى طرق تحسين حجم المساحة الممسوحة ضوئيًا للمجهر الإلكتروني الماسح (AFM) هي استخدام مجسات متوازية بطريقة مماثلة لتلك المستخدمة في تخزين بيانات الألف قدم .

سرعة المسح الضوئي لمجهر القوة الذرية (AFM) هي أيضًا قيد. تقليديًا، لا يستطيع مجهر القوة الذرية (AFM) مسح الصور بسرعة مجهر المسح الإلكتروني (SEM)، حيث يتطلب الأمر عدة دقائق للمسح الضوئي النموذجي، بينما يكون مجهر المسح الإلكتروني (SEM) قادرًا على المسح الضوئي في الوقت الفعلي تقريبًا، وإن كان بجودة منخفضة نسبيًا. غالبًا ما يؤدي معدل المسح البطيء نسبيًا أثناء التصوير بمجهر القوة الذرية (AFM) إلى الانجراف الحراري في الصورة ^{[51] [52] [53]} مما يجعل مجهر القوة الذرية (AFM) أقل ملاءمة لقياس المسافات الدقيقة بين السمات الطبوغرافية في الصورة. ومع ذلك، تم اقتراح العديد من التصميمات سريعة المفعول ^{[54] [55]} لزيادة إنتاجية المسح الضوئي بالمجهر بما في ذلك ما يسمى بمجهر القوة الذرية (VideoAFM) (يتم الحصول على صور ذات جودة معقولة باستخدام مجهر القوة الذرية (VideoAFM) بمعدل فيديو: أسرع من متوسط ​​مجهر المسح الإلكتروني (SEM)). للقضاء على تشوهات الصورة الناجمة عن الانجراف الحراري، تم تقديم العديد من الطرق. ^{[51] [52] [53]}

يمكن أن تتأثر صور AFM أيضًا بعدم الخطية، والهستيريسيس ، ^[43] وزحف المادة الكهرضغطية والتداخل بين محاور x و y و z والتي قد تتطلب تحسينًا وترشيحًا برمجيًا. يمكن أن "تسطح" مثل هذه الترشيحات الميزات الطبوغرافية الحقيقية. ومع ذلك، تستخدم AFMs الأحدث برامج تصحيح في الوقت الفعلي (على سبيل المثال، المسح الموجه للميزات ^{[44] [51]} ) أو الماسحات الضوئية ذات الحلقة المغلقة، والتي تقضي عمليًا على هذه المشكلات. تستخدم بعض AFMs أيضًا ماسحات ضوئية متعامدة منفصلة (على عكس الأنبوب الفردي)، والتي تعمل أيضًا على القضاء على جزء من مشاكل التداخل.

كما هو الحال مع أي تقنية تصوير أخرى، هناك احتمالية حدوث تشوهات في الصورة ، والتي يمكن أن تحدث بسبب طرف غير مناسب، أو بيئة تشغيل سيئة، أو حتى بسبب العينة نفسها، كما هو موضح على اليمين. هذه التشوهات في الصورة أمر لا مفر منه؛ ومع ذلك، يمكن تقليل حدوثها وتأثيرها على النتائج من خلال طرق مختلفة. يمكن أن تحدث التشوهات الناتجة عن طرف خشن للغاية على سبيل المثال بسبب التعامل غير المناسب أو الاصطدامات الفعلية مع العينة إما عن طريق المسح الضوئي بسرعة كبيرة أو وجود سطح خشن بشكل غير معقول، مما يتسبب في تآكل الطرف فعليًا.

نظرًا لطبيعة مجسات AFM، فإنها لا تستطيع عادةً قياس الجدران شديدة الانحدار أو النتوءات. يمكن استخدام ذراعات التعليق وأذرع التعليق المصممة خصيصًا لتعديل المجس جانبيًا وكذلك لأعلى ولأسفل (كما هو الحال مع أوضاع الاتصال الديناميكي وعدم الاتصال) لقياس الجدران الجانبية، على حساب ذراعات التعليق الأكثر تكلفة، ودقة جانبية أقل، وآثار جانبية إضافية.

كانت الجهود الأخيرة في دمج تقنية النانو والبحث البيولوجي ناجحة وأظهرت الكثير من الأمل للمستقبل، بما في ذلك في مجالات مثل الميكانيكا الحيوية النانوية . ^[56] نظرًا لأن الجسيمات النانوية هي وسيلة محتملة لتوصيل الأدوية، فإن الاستجابات البيولوجية للخلايا لهذه الجسيمات النانوية يتم استكشافها باستمرار لتحسين فعاليتها وكيفية تحسين تصميمها. ^[57] تمكن بيرجيوتاكيس وآخرون من دراسة التفاعل بين الجسيمات النانوية والخلايا المصممة من CeO ₂ وFe ₂ O ₃ عن طريق ربط الجسيمات النانوية المصممة بطرف AFM. ^[58] استفادت الدراسات من AFM للحصول على مزيد من المعلومات حول سلوك الخلايا الحية في الوسائط البيولوجية. تم استخدام مطيافية القوة الذرية في الوقت الفعلي (أو النانو) ومطيافية القوة الذرية الديناميكية لدراسة الخلايا الحية وبروتينات الغشاء وسلوكها الديناميكي بدقة عالية، على مقياس النانو. كما أعطى التصوير والحصول على معلومات حول تضاريس الخلايا وخصائصها نظرة ثاقبة للعمليات والآليات الكيميائية التي تحدث من خلال تفاعل الخلايا مع بعضها البعض والتفاعلات مع جزيئات الإشارة الأخرى (مثل الربيطة). استخدم إيفانز وكالدروود مجهر القوة الخلوية المفردة لدراسة قوى التصاق الخلايا وحركية الرابطة / قوة الرابطة الديناميكية ودورها في العمليات الكيميائية مثل إشارات الخلايا. ^[59] راجع شيورينغ وليفي وريجاود الدراسات التي استخدم فيها المجهر AFM لاستكشاف البنية البلورية لبروتينات الغشاء للبكتيريا الضوئية. ^[60] استخدم ألستين وآخرون تقنية النانو القائمة على المجهر AFM لإجراء تحليل في الوقت الفعلي للتفاعل بين المتفطرات الحية والأدوية المضادة للبكتيريا (على وجه التحديد إيزونيازيد وإيثيوناميد وإيثامبوتول وستربتومايسين ) ، [ 61 ] ^والذي يعمل كمثال للتحليل الأكثر تعمقًا لتفاعلات مسببات الأمراض والأدوية التي يمكن إجراؤها من خلال المجهر AFM .

بوابة العلوم

• فويغتلاندر، بيرت (2019). مجهر القوة الذرية . علوم وتكنولوجيا النانو. سبرينغر. بيب كود :2019afm..كتاب .....V. دوى :10.1007/978-3-030-13654-3. رقم ISBN 978-3-030-13653-6. S2CID  199490753.
• Carpick, Robert W.; Salmeron, Miquel (1997). "Scratching the Surface: Fundamental Investigations of Tribology with Atomic Force Microscopy". Chemical Reviews . 97 (4): 1163–1194. doi :10.1021/cr960068q. ISSN  0009-2665. PMID  11851446.
• جيسيبل، فرانز جيه. (2003). "التطورات في مجهر القوة الذرية". مراجعات الفيزياء الحديثة . 75 (3): 949-983. arXiv : cond-mat/0305119 . Bibcode :2003RvMP...75..949G. doi :10.1103/RevModPhys.75.949. ISSN  0034-6861. S2CID  18924292.
• جارسيا، ريكاردو؛ نول، أرمين؛ ريدو، إليزا (2014). "طباعة مجسات المسح المتقدمة". تكنولوجيا النانو الطبيعية . 9 (8): 577-87. arXiv : 1505.01260 . رمز Bibcode : 2014NatNa...9..577G. doi : 10.1038/NNANO.2014.157. PMID  25091447. S2CID  205450948.
• جارسيا، ريكاردو؛ بيريز، روبين (2002). "طرق المجهر الديناميكي للقوة الذرية". تقارير علوم السطح . 47 (6-8): 197-301. رمز Bibcode :2002SurSR..47..197G. doi :10.1016/S0167-5729(02)00077-8.

• الآلية الداخلية لـ AFM - شرح متحرك WeCanFigureThisOut.org