قياس صلابة الكمي المجهزة AFM-تسنن

الهدف العام من هذه التجربة القائمة على مجهر القوة الذرية (AFM) هو التحديد الكمي لصلادة النانو لغشاء ذهبي رقيق. يمكن أن تساعد هذه الطريقة في الإجابة على السؤال الجوهري في مجال ميكانيكا المواد النانوية فيما يتعلق بقوة المواد على مقياس النانومتر، والمساعدة في تحديد الآليات المسؤولة عن التشوه اللدن. وتكمن ميزة هذه التقنية في دقتها المكانية العالية ودقة قياس القوة. للبدء، قم بتركيب عارضة (cantilever) صلبة مطلية بالألماس، بحيث يكون تردد الرنين الحر الأول لها 180kHz على الأقل، ومعامل جودة لا يقل عن 300، وصلابة انحناء لا تقل عن 40 N/m، على حامل التثبيت الخاص بمجهر AFM.

قم بتركيب حامل العتلة على رأس مجهر القوة الذرية (AFM)، وقم بمحاذاة شعاع الليزر، وأجرِ مسحاً ترددياً لتحديد أول تردد رنين للثني الحر للعتلة. بعد ذلك، ومن قائمة الإعدادات في برنامج مجهر القوة الذرية، اختر القيمة الافتراضية لحساسية الثنائي الضوئي لنوع العتلة المحدد. ضع سطحاً أملس وغير مرن، مثل بلورة نانوية أو ألماس أو ياقوت، في حامل العينات.

بعد ذلك، اسحب العتلة باتجاه سطح العينة المرجعية باستخدام المحرك الخطي لجهاز AFM. حافظ على بقاء العتلة في بؤرة التركيز أثناء عملية الاقتراب الأولية، وأوقف هذه العملية قبل أن يصبح سطح العينة في بؤرة تركيز تامة لتجنب ملامسة السطح. بعد ذلك، انقر فوق زر الاقتراب لجعل طرف العتلة يلامس العينة المرجعية بحمل قدره 10 nano newtons.

في قائمة مطيافية القوة، اضبط السحب والتمدد النسبي للماسح z على 50 N/m، واضبط سحب وتمدد الماسح z على 0.3 micrometers per second. انقر فوق زر الاستحواذ في قائمة مطيافية القوة لتسجيل منحنى مسافة القوة على السطح غير المتوافق. في قائمة المعايرة الخاصة بالبرنامج، قم بملاءمة الجزء الطارد من منحنى مسافة القوة باستخدام الدالة الخطية، ثم استبدل القيمة المحددة بالقيمة الافتراضية بالنقر فوق زر تنفيذ المعايرة.

ثبّت العينة على حامل عينات مغناطيسي وضع الحامل على الماسح الضوئي. قبل قياس العينة، اضبط تردد التذبذب ليكون بعيداً قليلاً عن الرنين عند 200.26 khz، واضبط سعة التذبذب على 23.35 nm. بعد ذلك، أدخل نقطة ضبط تذبذب قدرها 5 nanometers.

بعد ذلك، قم بسحب العارضة باتجاه سطح العينة باستخدام المحرك الخطوي لجهاز AFM. حافظ على تركيز العارضة خلال عملية الاقتراب الخشن، وأوقف هذا الاقتراب قبل أن يصبح سطح العينة في بؤرة التركيز التامة لتجنب ملامسة السطح. الآن، انقر فوق زر الاقتراب (approach) للاقتراب تلقائياً من المستشعر الأمامي.

بمجرد أن تصل سعة التذبذب إلى نقطة الضبط المحددة، يصبح الرأس جاهزاً لمسح تضاريس سطح العينة. قم بتسجيل سلسلة من صور التضاريس لمناطق تتراوح مساحتها من 5 micrometers by 5 micrometers إلى one micrometer by one micrometer. وعند الحاجة، قم بضبط ميل إشارة التضاريس عن طريق إمالة الماسح xy.

تأكد من أن الصور المتتالية للمنطقة ذاتها لا تظهر أي علامة على الانزياح، وأن موضع ماسح محور z يظل ثابتاً تقريباً. وأثناء محاولة تنفيذ هذا الإجراء، من المهم تذكر تقليل الانزياح الآلي إلى أدنى حد. ولتحقيق ذلك، يمكن إجراء تصوير متتالٍ للمنطقة المراد تحجيمها قبل البدء في القياسات.

بمجرد استقرار النظام والعثور على منطقة مربعة ملساء بمساحة ميكرومتر واحد، انقر فوق زر السحب (retract) لإرجاع المستشعر الأمامي بضعة ميكرومترات عن سطح العينة. بعد ذلك، اختر وضع التحليل الطيفي الأمامي، واضبط نقطة الضبط الأمامية على 10 nanometers، ثم حرك المستشعر الأمامي إلى منتصف المنطقة المربعة المختارة مسبقًا بمساحة ميكرومتر واحد. راقب موضع الماسح z حتى يظل ثابتًا.

اختر شبكة نقاط بمقاس اثنين في اثنين بحيث يتطابق مركزها مع مركز المنطقة المحددة مسبقاً، واضبط المسافة بين نقطتين متجاورتين عند 500 nanometers. كذلك، اضبط مسافة الماسح النسبية لتمتد من 0 إلى 150 nanometers بسرعة 300 nanometers per second، ثم تراجع عبر المسافة نفسها وبنفس السرعة. قم بتطبيق تصحيح الميل كما هو موضح في مكان آخر عن طريق تحريك الماسح الجانبي بمقدار z times tangent pi أثناء تمدد الماسح الرأسي بطول z، حيث تمثل pi زاوية الميل.

في هذه المرحلة، اضغط على زر البدء لبدء عملية الحصول على بيانات انبعاج AFM. بمجرد اكتمال قياسات انبعاج AFM، قم بسحب المستشعر الأمامي بضعة ميكرومترات بعيدًا عن سطح العينة. بعد ذلك، قم بإجراء مسح فوق نفس مساحة السطح المربعة البالغة 1 ميكرومتر لتحديد الموقع الدقيق لآثار الانبعاج.

أجرِ عمليات مسح إضافية فوق مساحة سطح مربعة تبلغ 500 في 500 nanometers لتصوير الانبعاجات المتبقية بتفاصيل أدق. تظهر هنا صور طبوغرافية بتقنية AFM غير التلامسية لسطح غشاء رقيق من الذهب. وقد تبيّن أن سطح الغشاء الرقيق يتكون من حبيبات في نطاق micrometer.

تُظهر كل حبة سطح ذهب 111 مسطحاً على المستوى الذري، يتكون من شرفات كبيرة ودرجات أحادية الذرة. لقد تم عمل أربعة انبعاجات في سطح الذهب 111 هذا بواسطة رأس مجهر القوة الذرية (AFM) بقوة عمودية قصوى بلغت 7.2 micronewtons. ويُظهر الفرق الطبوغرافي بين السطحين أن هذه الانبعاجات كانت التغيير الرئيسي الوحيد الذي طرأ على السطح.

يمكن قياس المساحة المسقطة لكل أثر من خلال حجب المنطقة ذات قيم الطباعة السلبية بالنسبة للسطح غير المتضرر. ومن خلال هذه المعلومات، يمكن حساب صلادة المادة، وإن كان من المرجح أن يتم تقديرها بأقل من قيمتها الحقيقية بسبب الاسترداد المرن. بعد مشاهدة هذا الفيديو، يجب أن تكتسب فهماً جيداً لكيفية تحديد صلادة مادة معدنية على مقياس النانومتر الحقيقي في أقل من ساعتين.

أثناء محاولة تنفيذ هذا الإجراء، من المهم تذكر تقليل الانزياح الاداتي إلى أدنى حد. وللقيام بذلك، يمكن إجراء تصوير متتابع للمنطقة المراد غرزها قبل البدء في القياسات. وبعد تطوير هذه التقنية، مهدت الطريق للباحثين في مجال علم السطوح لاستكشاف الآليات الذرية للتشوه اللدن في المواد الصلبة.