المجهر ذو القوة الذرية

يتمتع جهاز المجهر الذري بثلاث قدرات رئيسية: قياس القوة، والتصوير الطبوغرافي، والتلاعب.

في قياس القوة، يمكن استخدام مجاهر القوة الذرية لقياس القوى بين المجس والعينة كدالة للمسافة بينهما. ويمكن تطبيق ذلك لإجراء مطيافية القوة ، لقياس الخصائص الميكانيكية للعينة، مثل معامل يونغ ، وهو مقياس للصلابة.

في مجال التصوير، يمكن استخدام استجابة المجس للقوى التي تُؤثر بها العينة عليه لتكوين صورة ثلاثية الأبعاد (تضاريس) لسطح العينة بدقة عالية. ويتحقق ذلك من خلال مسح موضع العينة بالنسبة لرأس المجس وتسجيل ارتفاع المجس الذي يتوافق مع تفاعل ثابت بين المجس والعينة. وعادةً ما تُعرض تضاريس السطح على شكل رسم بياني بألوان زائفة .

على الرغم من أن المنشور الأولي حول مجهر القوة الذرية الذي نشره بينينغ وكوات وجيربر عام 1986 تكهن بإمكانية تحقيق دقة ذرية، إلا أنه كان لا بد من التغلب على تحديات تجريبية كبيرة قبل أن يتمكن أونيسورج وبينينغ من إثبات الدقة الذرية للعيوب وحواف الدرجات في الظروف المحيطة (السائلة) عام 1993. ^{[ 2 ]} واستغرق الأمر بعض الوقت قبل أن يُظهر جيسيبيل الدقة الذرية الحقيقية لسطح السيليكون 7×7. ^{[ 3 ]} كما تم تحقيق دقة دون ذرية (أي القدرة على تمييز التفاصيل الهيكلية ضمن كثافة الإلكترون لذرة واحدة) باستخدام مجهر القوة الذرية.

في مجال المعالجة، يمكن أيضاً استخدام القوى بين رأس المسبار والعينة لتغيير خصائص العينة بطريقة مضبوطة. ومن أمثلة ذلك المعالجة الذرية، والطباعة الحجرية باستخدام مسبار المسح ، والتحفيز الموضعي للخلايا.

بالتزامن مع الحصول على الصور الطبوغرافية، يمكن قياس خصائص أخرى للعينة محليًا وعرضها كصورة، غالبًا بدقة عالية مماثلة. ومن أمثلة هذه الخصائص الخصائص الميكانيكية مثل الصلابة أو قوة الالتصاق، والخصائص الكهربائية مثل الموصلية أو جهد السطح. ^{[ 4 ]} في الواقع، تُعدّ غالبية تقنيات المجهر الماسح للمسبار امتدادًا للمجهر الذري للقوة (AFM) الذي يستخدم هذه التقنية. ^{[ 5 ]}

يتمثل الاختلاف الرئيسي بين مجهر القوة الذرية والتقنيات المنافسة، كالمجهر الضوئي والمجهر الإلكتروني، في أن مجهر القوة الذرية لا يستخدم العدسات أو الإشعاع الشعاعي. ولذلك، فهو لا يعاني من محدودية الدقة المكانية الناتجة عن الانعراج والتشوه، كما أنه لا يتطلب تحضير حيز لتوجيه الشعاع (عن طريق إنشاء فراغ) أو تلوين العينة.

توجد أنواع عديدة من المجهر الماسح، بما في ذلك مجهر المسح الضوئي (SPM) الذي يشمل مجهر القوة الذرية (AFM)، ومجهر المسح النفقي (STM )، ومجهر المسح الضوئي ذي المجال القريب (SNOM/NSOM)، ومجهر STED، ومجهر المسح الإلكتروني ، ومجهر القوة الذرية الكهروكيميائي (EC-AFM). وعلى الرغم من أن مجهري SNOM وSTED يستخدمان الضوء المرئي أو الأشعة تحت الحمراء أو حتى ضوء التيراهيرتز لإضاءة العينة، إلا أن دقتهما لا تتقيد بحد الانعراج.

يوضح الشكل 3 صورة مجهر القوة الذرية (AFM)، والتي تتكون عادةً من الميزات التالية. ^{[ 6 ]} تشير الأرقام بين قوسين إلى الميزات المرقمة في الشكل 3. يتم تحديد اتجاهات الإحداثيات بواسطة نظام الإحداثيات (0).

يحمل الدعامة (2) ناتئًا صغيرًا يشبه الزنبرك (1). ويمكن، اختياريًا، استخدام عنصر كهرضغطية (مصنوع عادةً من مادة خزفية) (3) لتحريك الناتئ (1). تُثبَّت الحافة الحادة (4) في الطرف الحر للناتئ (1). يسجل الكاشف (5) انحراف وحركة الناتئ (1). تُركَّب العينة (6) على منصة العينة (8). يسمح محرك ثلاثي المحاور (7) بإزاحة العينة (6) ومنصة العينة (8) في الاتجاهات س، ص، ع بالنسبة لرأس الحافة (4). على الرغم من أن الشكل 3 يُظهر المحرك مُثبَّتًا على العينة، إلا أنه يمكن أيضًا تثبيته على الحافة، أو يمكن تثبيت محركات مستقلة على كليهما، حيث إن المطلوب هو التحكم في الإزاحة النسبية للعينة والحافة. ​​لم تُوضَّح وحدات التحكم والراسم في الشكل 3.

وفقًا للتكوين الموصوف أعلاه، فإن التفاعل بين رأس المسبار والعينة، والذي قد يكون ظاهرة على المستوى الذري، يتحول إلى تغيرات في حركة الذراع الناتئ، وهي ظاهرة على المستوى العياني. ويمكن استخدام عدة جوانب مختلفة لحركة الذراع الناتئ لتحديد كمية التفاعل بين رأس المسبار والعينة، وأكثرها شيوعًا قيمة الانحراف، أو سعة التذبذب المفروض على الذراع الناتئ، أو تغير تردد الرنين للذراع الناتئ (انظر قسم أنماط التصوير).

تكوين الصورة

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

عند استخدام المجهر الذري الماسح (AFM) لتصوير عينة، يتم تقريب رأس المجس من العينة، ثم تُمسح العينة بنمط مسح نقطي على شبكة ثنائية الأبعاد (س، ص). في أغلب الأحيان، تُستخدم حلقة تغذية راجعة إلكترونية للحفاظ على قوة التلامس بين المجس والعينة ثابتة أثناء المسح. تستقبل هذه الحلقة انحراف ذراع المجس كمدخل، ويتحكم خرجها في المسافة على طول المحور ع بين دعامة المجس (2 في الشكل 3) ودعامة العينة (8 في الشكل 3). طالما بقي رأس المجس ملامسًا للعينة، واستمر مسح العينة في المستوى س-ص، فإن أي تغير في ارتفاع العينة سيؤدي إلى تغيير انحراف ذراع المجس. تقوم حلقة التغذية الراجعة بعد ذلك بضبط ارتفاع دعامة المجس بحيث يعود الانحراف إلى قيمة محددة مسبقًا (نقطة الضبط). تعمل حلقة التغذية الراجعة المضبوطة بشكل صحيح على ضبط المسافة بين الدعامة والعينة باستمرار أثناء حركة المسح، بحيث يظل الانحراف ثابتًا تقريبًا. في هذه الحالة، يساوي خرج التغذية الراجعة تضاريس سطح العينة ضمن هامش خطأ صغير.

تاريخيًا، استُخدمت طريقة تشغيل مختلفة، حيث تُحافظ على مسافة دعم العينة والمسبار ثابتةً دون التحكم بها بواسطة آلية تغذية راجعة ( آلية مؤازرة ). في هذا الوضع، الذي يُشار إليه عادةً باسم "وضع الارتفاع الثابت"، يُسجّل انحراف الناتئ كدالة لموضع العينة (س، ص). طالما أن طرف المسبار مُلامس للعينة، فإن الانحراف يُطابق تضاريس السطح. أصبحت هذه الطريقة أقل شيوعًا الآن لأن القوى بين طرف المسبار والعينة غير مُتحكّم بها، مما قد يؤدي إلى قوى عالية كافية لإتلاف طرف المسبار أو العينة. مع ذلك، من الممارسات الشائعة تسجيل الانحراف حتى عند المسح في وضع القوة الثابتة، مع التغذية الراجعة. يكشف هذا عن خطأ التتبع الطفيف للتغذية الراجعة، وقد يكشف أحيانًا عن خصائص لم تتمكن التغذية الراجعة من ضبطها.

تُسجَّل إشارات المجهر الذري للقوة، مثل ارتفاع العينة أو انحراف الذراع، على جهاز كمبيوتر أثناء المسح ثنائي الأبعاد (س، ص). ثم تُرسَم هذه الإشارات في صورة ملونة زائفة ، حيث يمثل كل بكسل موضعًا (س، ص) على العينة، ويمثل اللون الإشارة المسجلة.

اخترع علماء شركة IBM مجهر القوة الذرية (AFM) عام 1985. ^{[ 7 ]} وقد طوّر جيرد بينيغ وهينريش روهرر ، في أوائل ثمانينيات القرن العشرين في مركز أبحاث IBM في زيورخ، جهازًا سابقًا لمجهر القوة الذرية، وهو مجهر المسح النفقي (STM) ، وهو إنجازٌ حازا بفضله على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1986. ^{[ 6 ]} اخترع بينيغ مجهر القوة الذرية، وقام بينيغ وكوات وجيربر بأول تطبيق تجريبي له عام 1986. ^{[ 8 ]}

تم طرح أول مجهر قوة ذرية متاح تجارياً في عام 1989. يعد مجهر القوة الذرية أحد أهم الأدوات لتصوير وقياس ومعالجة المادة على المستوى النانوي .

تم تطبيق تقنية المجهر الذري للقوة 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 الأسطح ، وعلم الأحياء الجزيئي ، وعلم الأحياء الخلوي ، والطب .

تشمل التطبيقات في مجال فيزياء الحالة الصلبة ما يلي: (أ) تحديد الذرات على سطح ما، (ب) تقييم التفاعلات بين ذرة معينة والذرات المجاورة لها، و (ج) دراسة التغيرات في الخصائص الفيزيائية الناجمة عن التغيرات في الترتيب الذري من خلال التلاعب الذري.

في علم الأحياء الجزيئي، يمكن استخدام المجهر الذري الماسح لدراسة بنية وخواص البروتينات المعقدة والمتجمعة. على سبيل المثال، استُخدم المجهر الذري الماسح لتصوير الأنابيب الدقيقة وقياس صلابتها.

في علم الأحياء الخلوي، يُستخدم المجهر الذري الماسح (AFM) لمحاولة التمييز بين الخلايا السرطانية والخلايا الطبيعية بناءً على صلابة الخلايا، ولتقييم التفاعلات بين خلية معينة والخلايا المجاورة لها في نظام زراعة تنافسي. كما يُستخدم المجهر الذري الماسح (AFM) لضغط الخلايا، لدراسة كيفية تنظيمها لصلابة أو شكل غشاء الخلية أو جدارها.

في بعض التطبيقات، يمكن أيضًا مسح الجهد الكهربائي باستخدام نوابض موصلة. وفي الإصدارات الأكثر تطورًا، يمكن تمرير تيارات كهربائية عبر طرف النابض لاستكشاف الموصلية الكهربائية أو نقل الشحنات على السطح الأساسي، إلا أن هذه مهمة صعبة، إذ لم تُقدّم سوى قلة من المجموعات البحثية بيانات متسقة (حتى عام 2004). ^{[ 9 ]} وتُستخدم تقنيات المجهر الذري للقوة ( AFM)، مثل المجهر الذري الموصل (C-AFM) ومجهر قوة مسبار كلفن (KPFM)، بشكل متزايد في أبحاث بطاريات الحالة الصلبة لتحليل تغيرات الموصلية الموضعية، وتغيرات الجهد البيني، وآليات التدهور على المستوى النانوي.

عادة ما يتم وصف تشغيل المجهر الذري للقوة بأنه أحد الأوضاع الثلاثة، وفقًا لطبيعة حركة الطرف: وضع التلامس، ويسمى أيضًا الوضع الثابت (على عكس الوضعين الآخرين، اللذين يطلق عليهما الوضع الديناميكي)؛ وضع النقر، ويسمى أيضًا التلامس المتقطع، أو وضع التيار المتردد، أو وضع الاهتزاز، أو، بعد آلية الكشف، المجهر الذري للقوة ذو تعديل السعة؛ ووضع عدم التلامس، أو، مرة أخرى بعد آلية الكشف، المجهر الذري للقوة ذو تعديل التردد.

بغض النظر عن التسمية، يمكن أن يحدث التلامس التنافري أو يمكن تجنبه في كل من المجهر الذري ذي تعديل السعة والمجهر الذري ذي تعديل التردد، وذلك حسب الإعدادات.

وضع TapP

في الظروف المحيطة، تتكون طبقة سائلة هلالية الشكل على معظم العينات. ولهذا السبب، يُمثل إبقاء طرف المجس قريبًا بما يكفي من العينة بحيث يمكن رصد القوى قصيرة المدى، مع منع التصاق الطرف بالسطح، تحديًا كبيرًا في وضع التلامس في هذه الظروف. وقد طُوّر وضع التلامس الديناميكي (المعروف أيضًا بالتلامس المتقطع، أو وضع التيار المتردد، أو وضع الطرق) لتجاوز هذه المشكلة. ^{[ 12 ]} يُعد وضع الطرق حاليًا الوضع الأكثر استخدامًا في مجهر القوة الذرية عند العمل في الظروف المحيطة أو في السوائل.

في وضع النقر ، يُحفَّز الناتئ على التذبذب صعودًا وهبوطًا عند تردد رنينه أو بالقرب منه. ويُمكن تحقيق هذا التذبذب عادةً باستخدام عنصر كهرضغطية صغير في حامل الناتئ، ولكن تشمل الاحتمالات الأخرى مجالًا مغناطيسيًا متناوبًا (مع ناتئات مغناطيسية)، أو ناتئات كهرضغطية، أو التسخين الدوري باستخدام شعاع ليزر مُعدَّل. ويتراوح سعة هذا التذبذب عادةً من بضعة نانومترات إلى 200  نانومتر. في وضع النقر، يُحافظ على ثبات تردد وسعة إشارة التحفيز، مما يؤدي إلى سعة ثابتة لتذبذب الناتئ طالما لا يوجد انحراف أو تفاعل مع السطح. ويتسبب تفاعل القوى المؤثرة على الناتئ عند اقتراب طرفه من السطح، مثل قوى فان دير فالس ، وتفاعلات ثنائي القطب ، والقوى الكهروستاتيكية ، وغيرها، في تغيير سعة تذبذب الناتئ (عادةً ما تنخفض) كلما اقترب الطرف من العينة. تُستخدم هذه السعة كمعامل يُدخل إلى المحرك الإلكتروني الذي يتحكم في ارتفاع ذراع الكابولي فوق العينة. يقوم المحرك بضبط الارتفاع للحفاظ على سعة تذبذب محددة لذراع الكابولي أثناء مسحه فوق العينة. وبالتالي، تُنتج صورة مجهر القوة الذرية (AFM) عن طريق تصوير قوة التلامس المتقطع لرأس المسبار مع سطح العينة. ^{[ 13 ]}

على الرغم من أن قوى الذروة المُطبقة خلال مرحلة التلامس في التذبذب قد تكون أعلى بكثير من تلك المستخدمة عادةً في وضع التلامس، إلا أن وضع النقر يقلل عمومًا من الضرر الذي يلحق بالسطح ورأس المجس مقارنةً بوضع التلامس. يُعزى ذلك إلى قصر مدة القوة المُطبقة، وانخفاض القوى الجانبية بين رأس المجس والعينة بشكل ملحوظ في وضع النقر مقارنةً بوضع التلامس. يُعد التصوير بوضع النقر لطيفًا بما يكفي حتى لتصوير طبقات الدهون الثنائية المدعومة أو جزيئات البوليمر المفردة الممتصة (على سبيل المثال، سلاسل من البوليمرات الإلكتروليتية الاصطناعية بسمك 0.4  نانومتر ) في وسط سائل. مع استخدام معايير مسح مناسبة، يمكن أن يظل شكل الجزيئات المفردة ثابتًا لساعات، ^{[ 11 ]} بل ويمكن تصوير المحركات الجزيئية المفردة أثناء حركتها.

عند التشغيل في وضع النقر، يمكن أيضًا تسجيل طور تذبذب الناتئ بالنسبة لإشارة التشغيل. تحتوي قناة الإشارة هذه على معلومات حول الطاقة المبددة من الناتئ في كل دورة تذبذب. قد تُظهر العينات التي تحتوي على مناطق ذات صلابة متفاوتة أو خصائص التصاق مختلفة تباينًا في هذه القناة غير مرئي في الصورة الطبوغرافية. مع ذلك، غالبًا ما يكون استخلاص خصائص مادة العينة كميًا من صور الطور غير ممكن.

عندما تُقرب المسافة بين المجس والعينة إلى النطاق الذي يُمكن فيه رصد القوة الذرية، بينما يُثار ناتئ عند تردده الطبيعي ( f₀ ₎ ، قد ينزاح تردد الرنين f للناتئ عن تردده الأصلي. بعبارة أخرى، في النطاق الذي يُمكن فيه رصد القوة الذرية، سيُلاحظ انزياح في التردد ( df  = f – f₀ ). عندما تكون المسافة بين المجس والعينة في منطقة عدم التلامس ، يزداد انزياح التردد في الاتجاه السالب كلما صغرت المسافة _بين المجس والعينة.

عندما يكون للعينة سطح مقعر ومحدب، تتغير المسافة بين رأس المسبار والعينة تبعًا لزاوية التقعر والتحدب، وذلك أثناء مسح العينة على طول المحورين س و ص (دون تعديل الارتفاع في المحور ع). ونتيجةً لذلك، يحدث انزياح في التردد. تُسمى الصورة التي تُرسم فيها قيم التردد المُستحصلة من مسح نقطي على طول المحورين س و ص لسطح العينة مقابل إحداثيات س و ص لكل نقطة قياس، صورة الارتفاع الثابت.

من جهة أخرى، يمكن الحفاظ على قيمة df ثابتة بتحريك المجس لأعلى ولأسفل (انظر (3) من الشكل 5) في اتجاه المحور z باستخدام تغذية راجعة سالبة (باستخدام حلقة تغذية راجعة z) أثناء المسح النقطي لسطح العينة على طول المحورين x وy. الصورة التي تُرسم فيها قيم التغذية الراجعة السالبة (مسافة تحريك المجس لأعلى ولأسفل في اتجاه المحور z) مقابل إحداثيات x وy لكل نقطة قياس هي صورة طوبوغرافية. بعبارة أخرى، الصورة الطوبوغرافية هي أثر طرف المجس مُنظَّم بحيث تكون قيمة df ثابتة، ويمكن اعتبارها أيضًا رسمًا لسطح ثابت الارتفاع لقيمة df.

لذلك، فإن الصورة الطبوغرافية للمجهر الذري ليست هي الشكل المورفولوجي الدقيق للسطح نفسه، بل هي في الواقع صورة تتأثر بترتيب الروابط بين المجس والعينة، ومع ذلك، تعتبر الصورة الطبوغرافية للمجهر الذري أكثر انعكاسًا للشكل الجغرافي للسطح من الصورة الطبوغرافية للمجهر النفقي الماسح.

تُستخدم مطيافية القوة في الفيزياء الحيوية لقياس الخصائص الميكانيكية للمواد الحية (مثل الأنسجة أو الخلايا) ^{[ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]} أو للكشف عن تراكيب ذات صلابة مختلفة مدفونة في كتلة العينة باستخدام التصوير المقطعي للصلابة. ^{[ 24 ]} ومن التطبيقات الأخرى قياس قوى التفاعل بين مادة ملتصقة بطرف الناتئ، وسطح الجسيمات، سواء كانت حرة أو مغطاة بنفس المادة. ومن منحنى توزيع قوة الالتصاق، تم استخلاص متوسط ​​قيمة القوى، مما سمح برسم خريطة لسطح الجسيمات، سواء كانت مغطاة بالمادة أم لا. ^{[ 25 ]} كما استُخدم المجهر الذري الماسح (AFM) لفك طي البروتينات ميكانيكيًا. ^{[ 26 ]} في هذه التجارب، يؤدي تحليل متوسط ​​قوى فك الطي باستخدام النموذج المناسب ^{[ 27 ]} إلى الحصول على معلومات حول معدل فك الطي ومعاملات منحنى الطاقة الحرة للبروتين.

تُعدّ قوى سطح الماء الهلالي ذات أهمية بالغة في قياسات المجهر الذري للقوة (AFM) في الهواء. فبسبب الرطوبة المحيطة ، تتشكل طبقة رقيقة من الماء بين رأس المجس والعينة أثناء القياسات الهوائية. وتؤدي قوة الخاصية الشعرية الناتجة إلى قوة جذب قوية تسحب رأس المجس نحو السطح. في الواقع، عادةً ما تهيمن قوى الخاصية الشعرية على قوة الالتصاق المقاسة بين رأس المجس والعينة في الهواء المحيط ذي الرطوبة المحدودة. ونتيجةً لذلك، يصعب إبعاد رأس المجس عن السطح. بالنسبة للعينات اللينة، بما في ذلك العديد من البوليمرات، وخاصة المواد البيولوجية، تؤدي قوة الخاصية الشعرية اللاصقة القوية إلى تدهور العينة وتلفها عند التصوير في وضع التلامس. تاريخيًا، كانت هذه المشكلات دافعًا مهمًا لتطوير التصوير الديناميكي في الهواء (مثل "وضع النقر"). أثناء التصوير في وضع النقر في الهواء، تتشكل الجسور الشعرية. ومع ذلك، في ظل ظروف تصوير مناسبة، تتشكل الجسور الشعرية وتنكسر في كل دورة تذبذب للذراع الناتئ العمودي على السطح، كما يمكن استنتاجه من تحليل منحنيات سعة الذراع الناتئ وطوره مقابل المسافة. ^{[ 35 ]} ونتيجة لذلك، يتم تقليل قوى القص المدمرة إلى حد كبير ويمكن فحص العينات اللينة.

من أجل تحديد قوة التوتر الشعري عند التوازن، 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 معرفة في الشكل.

يتم تطبيق الضغط على مساحة من

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

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

القوة التي تجذب السطحين معًا هي

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

ويمكن أيضاً حساب نفس الصيغة كدالة للرطوبة النسبية.

قام غاو ^{[ 36 ]} بحساب الصيغ لأشكال هندسية مختلفة للرأس. على سبيل المثال، تنخفض القوة بنسبة 20% للرأس المخروطي مقارنةً بالرأس الكروي.

عند حساب هذه القوى، يجب التمييز بين حالة البلل على الجاف وحالة البلل على البلل.

بالنسبة لطرف كروي، تكون القوة كالتالي:

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

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

حيث θ هي زاوية التلامس للكرة الجافة و φ هي زاوية الغمر، كما هو موضح في الشكل

بالنسبة للطرف المخروطي، تصبح الصيغة كالتالي:

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

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

حيث δ هي زاوية نصف المخروط و r ₀ و h هما معلمات شكل الهلالة.

الطريقة الأكثر شيوعًا لقياس انحراف الناتئ هي طريقة انحراف الشعاع. في هذه الطريقة، ينعكس ضوء الليزر الصادر من ثنائي ضوئي صلب عن الجزء الخلفي من الناتئ، ويُجمع بواسطة كاشف حساس للموضع (PSD) يتكون من ثنائيين ضوئيين متقاربين ، وتُجمع إشارة خرجهما بواسطة مضخم تفاضلي . يؤدي الإزاحة الزاوية للناتئ إلى جمع أحد الثنائيين الضوئيين ضوءًا أكثر من الآخر، مما ينتج عنه إشارة خرج (الفرق بين إشارتي الثنائيين الضوئيين مقسومًا على مجموعهما)، وهي تتناسب مع انحراف الناتئ. تتميز طريقة انحراف الشعاع بحساسية عالية جدًا، ويمكن الحصول على مستوى ضوضاء منخفض جدًا (حوالي 10 fm Hz ^{− 1 ⁄ 2)} بشكل روتيني في نظام مصمم جيدًا. على الرغم من أن هذه الطريقة تُسمى أحيانًا طريقة "الرافعة الضوئية"، إلا أن الإشارة لا تتضخم إذا زاد طول مسار الشعاع. يؤدي مسار شعاع أطول إلى زيادة حركة البقعة المنعكسة على الثنائيات الضوئية، ولكنه يُوسّع البقعة بنفس المقدار نتيجةً للحيود ، بحيث تنتقل نفس كمية الطاقة الضوئية من ثنائي ضوئي إلى آخر. وتتناسب "الرافعة الضوئية" (إشارة خرج الكاشف مقسومة على انحراف الناتئ) عكسيًا مع الفتحة العددية لبصريات تركيز الشعاع، طالما أن بقعة الليزر المركزة صغيرة بما يكفي لتسقط بالكامل على الناتئ. كما أنها تتناسب عكسيًا مع طول الناتئ.

يمكن تفسير الشعبية النسبية لطريقة انحراف الشعاع بحساسيتها العالية وتشغيلها البسيط، وبحقيقة أن الناتئات لا تتطلب توصيلات كهربائية أو معالجات خاصة أخرى، وبالتالي يمكن تصنيعها بتكلفة منخفضة نسبيًا مع أطراف مدمجة حادة.

توجد العديد من الطرق الأخرى لقياس انحراف الشعاع.

• الكشف الكهروإجهادي - يمكن للعوارض المصنوعة من الكوارتز ^{[ 37 ]} (مثل تصميم qPlus )، أو مواد كهروإجهادية أخرى ، الكشف مباشرةً عن الانحراف كإشارة كهربائية. وقد تم الكشف عن تذبذبات العوارض التي تصل إلى 10 بيكومتر باستخدام هذه الطريقة.
• قياس الاهتزاز بالليزر دوبلر – يمكن استخدام مقياس الاهتزاز بالليزر دوبلر لإنتاج قياسات دقيقة للغاية لانحراف ذراع متذبذب ^{[ 38 ]} (لذا يُستخدم فقط في وضع عدم التلامس). هذه الطريقة مكلفة ولا تستخدمها إلا قلة من المجموعات البحثية.
• المجهر النفقي الماسح (STM) - استخدم أول مجهر ذري مجهرًا نفقيًا ماسحًا مزودًا بآلية تغذية راجعة خاصة به لقياس الانحراف. ^{[ 8 ]} هذه الطريقة صعبة التطبيق للغاية، وبطيئة الاستجابة لتغيرات الانحراف مقارنةً بالطرق الحديثة.
• التداخل الضوئي - يُستخدم التداخل الضوئي لقياس انحراف الناتئ. ^{[ 39 ]} نظرًا لأن الانحرافات المقاسة في مجهر القوة الذرية (AFM) تُقاس على مستوى النانومتر، فإن جهاز التداخل يعمل في نطاق ما دون الهدب، وبالتالي، فإن أي انحراف في قدرة الليزر أو طول موجته يؤثر بشدة على القياس. لهذه الأسباب، يجب إجراء قياسات التداخل الضوئي بعناية فائقة (على سبيل المثال، باستخدام سوائل مطابقة معامل الانكسار بين وصلات الألياف الضوئية)، وباستخدام ليزرات مستقرة للغاية. ولهذا السبب، نادرًا ما يُستخدم التداخل الضوئي.
• الكشف السعوي – يمكن للكابوليات المطلية بالمعدن أن تشكل مكثفًا مع نقطة تلامس أخرى تقع خلف الكابولي. ^{[ 40 ]} يؤدي الانحراف إلى تغيير المسافة بين نقاط التلامس، ويمكن قياسه كتغير في السعة.
• الكشف الكهروإجهادي - يمكن تصنيع النوابض الكابولية باستخدام عناصر كهروإجهادية تعمل كمقياس إجهاد . وباستخدام جسر ويتستون ، يمكن قياس الإجهاد في ناتئ المجهر الذري للقوة الناتج عن الانحراف. ^{[ 41 ]} لا يُستخدم هذا الأسلوب عادةً في تطبيقات الفراغ، لأن الكشف الكهروإجهادي يُبدد الطاقة من النظام، مما يؤثر على عامل الجودة (Q) للرنين.

يتميز المجهر الذري الماسح (AFM) بعدة مزايا مقارنةً بالمجهر الإلكتروني الماسح (SEM). فعلى عكس المجهر الإلكتروني الذي يوفر إسقاطًا ثنائي الأبعاد أو صورة ثنائية الأبعاد للعينة، يوفر المجهر الذري الماسح صورة ثلاثية الأبعاد لسطحها. إضافةً إلى ذلك، لا تتطلب العينات التي تُفحص بالمجهر الذري الماسح أي معالجات خاصة (مثل الطلاءات المعدنية/الكربونية) التي قد تُغير العينة أو تُتلفها بشكل دائم، كما أنها لا تعاني عادةً من تشوهات الشحن في الصورة النهائية. في حين أن المجهر الإلكتروني يحتاج إلى بيئة فراغية مكلفة للتشغيل السليم، فإن معظم أنماط المجهر الذري الماسح تعمل بكفاءة عالية في الهواء المحيط أو حتى في بيئة سائلة. وهذا ما يُتيح دراسة الجزيئات الحيوية الكبيرة وحتى الكائنات الحية. من حيث المبدأ، يُمكن للمجهر الذري الماسح توفير دقة أعلى من المجهر الإلكتروني الماسح. وقد ثبت أنه يُعطي دقة ذرية حقيقية في الفراغ العالي جدًا (UHV)، ومؤخرًا، في البيئات السائلة. وتُضاهي دقة المجهر الذري الماسح عالية الدقة دقة المجهر النفقي الماسح والمجهر الإلكتروني النافذ . يمكن أيضًا دمج مجهر القوة الذرية (AFM) مع مجموعة متنوعة من تقنيات المجهر الضوئي والتحليل الطيفي، مثل المجهر الفلوري والتحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء، مما أدى إلى ظهور مجهر المسح الضوئي للمجال القريب، وتقنية التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء النانوية ( nano-FTIR) ، وتوسيع نطاق تطبيقاته. وقد استُخدمت الأجهزة المدمجة بين مجهر القوة الذرية والتقنيات الضوئية بشكل أساسي في العلوم البيولوجية، ولكنها حظيت مؤخرًا باهتمام كبير في مجال الخلايا الكهروضوئية ^{[ 13 ]} وأبحاث تخزين الطاقة ^{[ 46 ]} ، وعلوم البوليمرات ^{[ 47 ]} ، وتقنية النانو ^{[ 48 ] [ 49 ]} ، وحتى في البحوث الطبية ^{[ 50 ] .}

من عيوب المجهر الذري الماسح (AFM) مقارنةً بالمجهر الإلكتروني الماسح (SEM) حجم الصورة الملتقطة بمسح واحد. ففي مسحة واحدة، يستطيع المجهر الإلكتروني الماسح تصوير مساحة تصل إلى بضعة ملليمترات مربعة بعمق مجال يصل إلى بضعة ملليمترات، بينما لا يستطيع المجهر الذري الماسح تصوير سوى مساحة مسح قصوى تبلغ حوالي 150×150 ميكرومترًا وارتفاع أقصى يتراوح بين 10 و20 ميكرومترًا. ومن طرق تحسين حجم منطقة المسح في المجهر الذري الماسح استخدام مجسات متوازية بطريقة مشابهة لتخزين البيانات في حشرات الألفية .

تُعدّ سرعة المسح في المجهر الذري (AFM) أحد عيوبه. ففي السابق، لا يستطيع المجهر الذري مسح الصور بنفس سرعة المجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، إذ يتطلب المسح النموذجي عدة دقائق، بينما يتميز المجهر الإلكتروني الماسح بقدرته على المسح شبه الفوري، وإن كان بجودة منخفضة نسبيًا. غالبًا ما يؤدي بطء معدل المسح أثناء التصوير بالمجهر الذري إلى انحراف حراري في الصورة ^{[ 51 ] [ 52 ] [ 53 ]،} مما يجعله أقل ملاءمة لقياس المسافات بدقة بين المعالم الطبوغرافية في الصورة. مع ذلك، اقتُرحت عدة تصاميم سريعة الاستجابة ^{[ 54 ] [ 55 ]} لزيادة إنتاجية المسح المجهري، بما في ذلك ما يُعرف بالمجهر الذري الفيديوي (videoAFM) (حيث تُحصل صور بجودة معقولة باستخدام المجهر الذري الفيديوي بسرعة الفيديو: أسرع من سرعة المجهر الإلكتروني الماسح العادي). وللتخلص من تشوهات الصورة الناتجة عن الانحراف الحراري، طُرحت عدة طرق ^{[ 51 ] [ 52 ] [ 53 ] .}

قد تتأثر صور المجهر الذري الماسح (AFM) أيضًا باللاخطية، والتخلف المغناطيسي [43]، وزحف المادة ^{الكهروإجهادية ، والتداخل} بين محاور x و y و z ، مما قد يتطلب تحسينًا برمجيًا وترشيحًا. قد يؤدي هذا الترشيح إلى "تسوية" المعالم الطبوغرافية الحقيقية. مع ذلك، تستخدم أجهزة المجهر الذري الماسح الحديثة برامج تصحيح في الوقت الفعلي (على سبيل المثال، المسح الموجه نحو المعالم ^{[ 44 ] [ 51 ]} ) أو الماسحات الضوئية ذات الحلقة المغلقة، مما يزيل هذه المشكلات عمليًا. كما تستخدم بعض أجهزة المجهر الذري الماسح ماسحات ضوئية متعامدة منفصلة (بدلاً من أنبوب واحد)، مما يساهم أيضًا في التخلص من جزء من مشكلات التداخل.

كما هو الحال مع أي تقنية تصوير أخرى، توجد احتمالية لظهور تشوهات في الصورة ، والتي قد تنتج عن استخدام رأس غير مناسب، أو بيئة تشغيل غير ملائمة، أو حتى عن العينة نفسها، كما هو موضح على اليمين. هذه التشوهات حتمية، ولكن يمكن تقليل حدوثها وتأثيرها على النتائج من خلال طرق مختلفة. على سبيل المثال، قد تنتج التشوهات الناتجة عن رأس خشن للغاية عن سوء التعامل أو الاصطدامات غير المقصودة مع العينة إما بسبب المسح الضوئي السريع جدًا أو بسبب سطح خشن بشكل غير معقول، مما يؤدي إلى تآكل رأس المجس.

نظراً لطبيعة مجسات المجهر الذري، فإنها لا تستطيع عادةً قياس الجدران شديدة الانحدار أو النتوءات. يمكن استخدام مجسات خاصة ذات نوابض ناتئة ومجاهر ذرية لتعديل حركة المجس جانبياً وكذلك لأعلى ولأسفل (كما هو الحال في أوضاع التلامس الديناميكي وعدم التلامس) لقياس الجدران الجانبية، ولكن ذلك يتطلب نوابض ناتئة أغلى ثمناً، ودقة جانبية أقل، وظهور تشوهات إضافية.