กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แรงของอะตอม
(Atomic force  microscopy)

แนวคิดของกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แรงของอะตอม หรือ  AFM

                    กล้องจุลทรรศน์แบบนี้ เป็นกล้องที่อาศัยเข็มขนาดเล็กกวาดไปบนพื้นผิวของชิ้นงานตัวอย่าง    เราสามารถวัดคุณสมบัติของพื้นผิวชิ้นงานได้  ดังเช่น  ความสูง   การดูดกลืนแสง  หรือ สนามแม่เหล็กเป็นต้น  เนื่องจากปลายเข็มมีขนาดเล็กมาก  จึงสามารถที่จะตรวจสอบได้ในบริเวณที่เล็กมากๆ  ถึงขนาดระดับอะตอม   เข็มจะกวาดไปบนพื้นผิว  และแปรผลที่ได้ออกเป็นภาพกราฟฟิกทางคอมพิวเตอร์

ภาพจากกล้องจุลทรรศ

รูปที่  1      (ภาพซ้าย)  คานกระเดื่องที่มีเข็มติดอยู่ด้านล่าง สัมผัสกับพื้นผิวของชิ้นงานตัวอย่าง   (ภาพขวา)  แสงเลเซอร์ที่สะท้อนจากคานกระเดื่อง ใช้ตัวดีเทคเตอร์ความไวสูงรับ และแปรผลออกมาเป็นภาพ    หลอดสแกน(scanner tube)  ด้านล่างมีหน้าที่ขยับชิ้นงานตัวอย่าง เพื่อให้เข็มสามารถกวาดไปได้บนพื้นผิวของชิ้นงาน หลอดสแกนมีขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง  24 mm   ขณะที่กระเดื่องยาวเพียง  100 ไมโครเมตรหรือ 0.0001 เมตร

                    หลักการพื้นฐานของ AFM  คืออาศัยแรงดูดและแรงผลักที่เกิดขึ้นจากหัวเข็มกับพื้นผิวของชิ้นงาน โดยเข็มที่ติดอยู่บนคานกระเดื่อง  และเคลื่อนที่กวาดไปบนชิ้นงาน หรือ ให้เข็มอยู่กับที่ และชิ้นงานเคลื่อนที่ ก็ได้  ทำให้คานกระเดื่องบิดตัวขึ้นลงตามความสูงต่ำของพื้นผิวชิ้นงาน    แสงเลเซอร์ที่สะท้อนจากคานกระเดื่อง ก็จะเปลี่ยนทิศทางการสะท้อนตามการบิดตัวของคานกระเดื่อง  นำข้อมูลของเลเซอร์ที่ได้ไปแปรผล ก็สามารถสร้างภาพพื้นผิวของชิ้นงานตัวอย่างได้

                    AFM  ให้ภาพที่ความละเอียดสูงมาก  ถึงระดับ  10 pm   และยังดีกว่ากล้องจุลทรรศน์แบบอิเล็กตรอนที่ว่า  เราสามารถนำชิ้นงานตัวอย่างไปวัดในอากาศหรือในของเหลวก็ได้

                        AFM  ประกอบด้วย 

                    *  ดีเทคเตอร์ความไวสูง

                    *  คานกระเดื่อง

                    *  หัวเข็ม

                    *  ผิวของชิ้นงานตัวอย่าง

                       *  ระบบควบคุมแบบย้อนกลับ

แสงเลเซอร์กับตัวดีเทคเตอร์

คานกระเดื่องของ  AFM

รูปที่  2  ภาพของเข็มที่ติดอยู่บนสปริง ซึ่งมีค่านิจของสปริงเท่ากับ k  กดลงบนผิวของชิ้นงานตัวอย่าง

หัวเข็ม

หลอดสแกนภาพ

รูปที่  4 ภาพของหลอดสแกนภาพ  ทำจากสารเปียโซเซรามิกซึ่งจะเปลี่ยนขนาดเมื่อใส่แรงดันไฟฟ้า

                    เราจะนำชิ้นงานตัวอย่างไปวางไว้บนหลอดสแกนภาพ  ซึ่งทำจากเซรามิก   มีคุณสมบัติทางเปียโซอิเล็กตริก  คือมันสามารถที่จะขยายหรือหดตัวได้ เมื่อใส่แรงดันไฟฟ้าเข้าไป  คุณสมบัตินี้จะทำให้เราสามารถควบคุมการเคลื่อนที่บนแกน x   หรือ y  ได้อย่างถูกต้องแม่นยำ เมื่อต้องการให้เข็มสแกนไปบนแกน  x  ซึ่งจริงๆแล้วไม่ไช่เข็มเคลื่อนที่ไปบนแกน x  แต่ว่าเป็นหลอดสแกนเคลื่อนที่ โดยควบคุมที่แรงดันไฟฟ้า  ส่วนเข็มจะเคลื่อนที่ขึ้นและลงเท่านั้น
 

ระบบควบคุมของ  AFM

รูปที่  5  ระบบควบคุมของ  AFM  เป็นระบบแบบย้อนกลับ สามารถที่จะควบคุมให้ระยะของหัวเข็มของพื้นผิวของชิ้นงานคงที่ตลอดได้

                    ระบบควบคุมแบบย้อนกลับดังรูปที่ 5  เป็นระบบควบคุมที่ฉลาด มันสามารถที่จะปรับระดับความสูงของหัวเข็มกับผิวของชิ้นงานให้คงที่ตลอดได้  โดยการตรวจสอบอยู่ตลอดเวลา  เมื่อระยะเปลี่ยนไป ระบบควบคุมจะปรับแต่งหลอดสแกนภาพซึ่งเป็นที่ตั้งของชิ้นงานให้ขึ้นหรือลง ถ้าระยะห่างไป มันจะปรับขึ้น  และถ้าสูงไปมันจะปรับลง  ขั้นตอนเหล่านี้รวดเร็วมาก  เวลาสั้นขนาดไมโครวินาที   ข้อมูลที่ได้จากการขึ้นลงของหัวเข็มจะถูกแปรเป็นภาพกราฟฟิกทางคอมพิวเตอร์

AFM  กับการวัดแรงเสียดทาน ระหว่างเข็มกับผิวชิ้นงาน

รูปที่ 6 ภาพทางซ้าย เข็มจะเคลื่อนทีขึ้นและลงเท่านั้น ส่วนหลอดสแกนจะช่วยให้เข็มสามารถกวาดไปบนแกน x  และ  y  ได้  ตัวดีเทคเตอร์จึงวัดอยู่เพียง 2 แกนเท่านั้น ส่วนภาพทางขวา เป็น AFM  แบบพิเศษ ที่สามารถวัดแรงเสียดทาน ระหว่างเข็มกับผิวชิ้นงานได้  ดังนั้นคานกระเดื่องจึงต้องบิดตัวในแนวระดับและแนวดิ่งได้  ตัวดีเทคเตอร์จะต้องวัดได้ถึง  3 แกนคือได้ทั้งด้าน x  y   และ  z

รูปที่ 7  ภาพขนาด  2.5mm x 2.5 mm  สร้างขึ้นจากคอมพิวเตอร์กราฟฟิก  เป็นภาพของอะตอมกราไฟต์  แสดงเป็นภาพสีแบบ  3  มิติ  รอยเว้าในภาพแสดงรูปร่างของอะตอม