T.C.

Sakarya Üniversitesi

Mühendislik Fakültesi

Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü

ATOMİK KUVVET MİKROSKOBU

ATOMİK KUVVET MİKROSKOBU

1980’lerin başında Heinrich Rohrer ve Gerd Binnig tarafından keşfedilen Atomik kuvvet mikroskobu o yıllardan bugüne dek yüzey özelliklerini ve malzeme topografisinin incelenmesinde vazgeçilmez bir konuma gelmiştir. Stanford üniversitesinde çalışmalarını yürüten Özgür Şahin ve ekibi de

geliştirdiği bir teknikle AKM’nun kalitatif incelemesini mümkün hale getirmiştir.

AKM’de malzememizin yüzeyini incelerken her ne kadar ismi mikroskopta olsa ışık kullanılmıyor. AKM’nun esası, birkaç atom çapında inceltilmiş özel bir ucun numune yüzeyine çok düşük kuvvet tatbiki yapacak şekilde değdirilmesinden ibaret. Bu şekilde numuneye değerek malzemeyi tarıyor.

Çalışma Prensibi

Aletin çalışma ilkesi, gerçekte dokunmaya dayanıyor. Örneklersek, karanlık bir odada yemek masasında oturduğunuzu düşünün. Masanın üstünde neler durduğunu bilmek istiyorsunuz. Yapacağınız ilk şey, ellerinizi masanın üstünde gezdirip, dokunduğunuz cisimlerin şeklini anlamaya çalışmaktır. Bu yolla çatal, bardak veya bir kürdanlığı kolayca bulabilirsiniz. Ancak, toplu iğne başından daha küçük cisimleri bulmanız hiç de kolay olmaz. Küçük cisimleri, hele hele atomları, bu yöntemle görebilmek için parmaklardan çok daha sivri ve dokunma duyusu çok daha gelişkin bir araca gerek vardır. İşte

atomik kuvvet mikroskobunun rolünü böyle tanımlayabiliriz. Neredeyse bir atoma kadar sivriltilmiş ucu ile bir yüzeydeki atomlara dokunulduğunda oluşan kuvvetlere dayanarak yüzeyin şeklini bulmak, yalnızca atomik kuvvet mikroskobu ile sağlanabilir.

Kuvvetlerin hassas şekilde ölçülmesi, plastik bir cetveli ya da bir dalış tahtasını andıran, ucuna bastırınca bükülebilen ve gözle zor görülecek küçüklükte bir yapıya dayanıyor. Bu küçücük cetvelin bir ucuna kilogramın trilyonda biri kadar kuvvet

uygulandığında, ölçülebilir derecede bir bükülme oluşuyor. Bükülme, kuvvetle doğru orantılı olduğundan, bükülme ölçülerek dolaylı yoldan kuvvet ölçülüyor. 

Atomları görebilmek için kullanılan sert sivri

Birkaç atom çapında inceltilmiş manivela ucu

uç, cetvelin bir ucunda, ama cetvele dik duran, iğnemsi bir yapı olarak düşünülebilir. Küçük iğneyi çıplak gözle görmek mümkün değildir. Sivri uç, bilgisayar işlemcilerini yapmakta kullanılan yöntemle ve birkaç atom genişliğine kadar sivriltilmiştir. Bu küçük cetvel ve ucunda ona dik olarak duran iğne bir yüzeye yaklaştırıldığında, iğne yüzeye temas eder etmezcetvel bükülmeye başlar. Cetvel bir yüzey üzerinde gezdirilirken oluşan bükülme, yüzeydeki atom ve moleküllerin oluşturduğu tepe ve çukurları algılar. Bir bilgisayar yardımı ile cetveldeki ölçülebilir bükülmeler kaydedildiği zaman, yüzeyin şekli de bulunmuş olur. Atomik kuvvet mikroskobunun çalışması, basitçe bu mantığa dayanmaktadır.

Atomik kuvvet mikroskobu, özellikle polimerler ve ileri teknoloji ürünü süper iletkenlerin analiz ve incelenmesinde kullanılır.

İtici modun çekici moda göre avantajları:Manivela yüzeye değmediği için yumuşak alanlarda (biyolojik sübstratlar gibi) kullanılabilir.

Çekici modun itici moda göre avantajları:Çözünürlük yüksek. Atomik seviyede görüntüler bu modda elde edilir.

Bazen de itici ve çekici modun birleşimi bir modda kullanılır: tıklatma modu. Bu modda ise manivela yüzeye dokunup, çekilir; bir nevi tıklatma hareket yapar. Bu sayede çekici moddaki yüzey hasar sorunu bir nevi çözülmüş olur, hem de yüksek çözünürlüklü görüntüler elde edilir. Aynen TTM'de olduğu gibi AKM'de de bir başka iki mod vardır: sabit yükseklik, sabit kuvvet. İlk modda manivela ile yüzey arası mesafe sabit tutulur ve kuvvetteki değişim esas alınır, geri bildirim sistemi vardır. İkinci modda kuvvet sabit tutulacağı için mesafe değişir, bu mesafe değişimine göre görüntü oluşturulur, geri bildirim sistemi yoktur.

Eğilme miktarı nasıl ölçülür?AKM ilk üretildiğinde manivelanın üstünde TTM'de kullanılan bir sivri uç kullanılıyordu. Manivela ile bu sivri uç arasındaki tünelleme akımındaki değişime göre hesaplamalar yapılıyordu. Bu süreç biraz zordu ve her zaman istikrarlı bir ölçüm alınamıyabildiği için artık kullanılmamaktadır.

Günümüzde optik metodlar kullanılmaktadır. (resimdeki sistem) Bu yöntemde manivelanın üstü bir metalle kaplanır ve ayna haline getirilir. Daha sonra lazerden demetler gönderilir. Yansıyan demetler iki fotodiyottan oluşan bir sisteme çarpar. Eğer manivelanın konumu değişmiş ise bir diyot daha fazla akım üretir, akımdaki bu değişime göre manivelanın sapma değeri belirlenir.

TTM'ye göre avantajları

Görüntüleme kuvvete bağlı olduğundan, mikroskop hem iletken hem de yalıtkan yüzeylerde kullanılabilir. Oysa, TTM'lerde görüntü akıma bağlı olduğundan , sadece iletken yüzeylerden görüntü alınabiliyordu.

Sübstratın 3 boyutlu profilini gösterir. TTM ise 2 boyutlu profiini gösterebilir. Daha ucuzdur. (ama o kadar da ucuz değildir :) ) Açıkhavada ve sıvı ortamda çalışabilir, TTM vakumlu ortamda çalışabilir. Bu yüzden

biyolojik sübstratlarda AKM kullanılır.

Uygulama Alanları

Hissetme - Bazı malzemelerin ortamda olup olmadığını anlamaya yardımcı olur. Atom yer değiştirmesi - Yüzeydeki atomların yerleri ile oynanabilir. Ölçme - Malzemenin karakteristik bir özelliğini hakkında bilgi toplama. Görüntüleme - Yüzeylerin topografik görüntüleri oluşturulur.

Atomik Kuvvet Mikroskobu ve Kalitatif Analiz

Bu çalışma atomik kuvvet mikroskobuna ''yeni beceriler kazandırmak'' olarak nitelenebilir. Mikroskop, yüzeyin görüntüsünü almak için tek tek atom ve moleküllere dokunurken, bir yandan da yüzeyi oluşturan cismin kimyasal bileşimlerinin bulunabileceği düşüncesinden yola çıktım. Bir kumaşa dokunduğumuzda ipek mi yoksa yün mü anlıyorsak ya da plastik bir çatalı metal çataldan ayırt edebiliyorsak, atomik kuvvet mikroskobu da, atomlara ve moleküllere dokunurken onları tanıyabilirdi. Böyle bir gelişme, daha önce söz edilmemişti biyolojik moleküllerin kimyasal yapılarını ve işlevlerini gözleyebilmemize olanak tanıyacak, yeni geliştirilen malzemelerin atomik ölçekteki bileşenlerini ayırt edebilmemize ve daha iyilerini tasarlayabilmemize yardımcı olacaktı.

Stanford Üniversitesi imkanlarını kullanarak büyük bir başarıyı sağlayan Özgür Şahin , AFM’de elementel analizi mümkün kılan bir teknik geliştirmişti.  Atomik kuvvet mikroskobuna ''yeni beceriler kazandırmak'' olarak nitelenebilir. Mikroskop, yüzeyin görüntüsünü almak için tek tek atom ve moleküllere dokunurken, bir yandan da yüzeyi oluşturan cismin kimyasal bileşimlerinin bulunabileceği düşüncesinden yola çıkıldı. Bir kumaşa dokunduğumuzda ipek mi yoksa yün mü anlıyorsak ya da plastik bir çatalı metal çataldan ayırt edebiliyorsak, atomik kuvvet mikroskobu da, atomlara ve moleküllere dokunurken onları tanıyabilirdi. Böyle bir gelişme, daha önce söz ettiğim, biyolojik moleküllerin kimyasal yapılarını ve işlevlerini gözleyebilmemize olanak tanıyacak, yeni geliştirilen malzemelerin atomik ölçekteki bileşenlerini ayırt edebilmemize ve daha iyilerini tasarlayabilmemize yardımcı olacaktı.

Geliştirilen bu tekniğin temeli, atomik kuvvet mikroskobunun en yaygın işletilme yöntemi olan ve kuvvet ölçmeye yarayan küçük cetvelin titreşmesi temeline dayanıyor. Bu kabul görmüş yöntem, daha önce basitçe tasvir ettiğim yönteme oranla çok daha hassastır ve yüzeye, neredeyse hiç zarar vermez. Yöntemde, cetvel saniyede yüz binlerce kez salınır. Tıpkı dikiş makinesinin kumaşa girip çıkan iğnesi gibi, her salınışında yüzeye bir kez hafifçe çarpar. Salınım, adeta bir gitar telinin çınlamasına benzer.

Bu teknik üzerine yapılan çalışmaların başında, küçük cetvelin hareketini matematiksel yöntemler ile inceleyerek, yüzeydeki yapıların mekanik (dolaylı olarak da kimyasal) özelliklerinin cetvelin üstünde beklenenin aksine, çok yüksek frekanslarda titreşimler oluşturduğunu buldum. Ancak titreşimler o kadar cılızdı ki, pratik olarak ölçülmeleri mümkün değildi. Bir süre sonra, cetvelin üstünde yapılacak küçük bir değişiklikle, bu titreşimlerin 1.000 kat etkili hale gelebileceğini bulunca, Stanford Üniversitesi'nin olanaklarından yararlanarak, yeni tasarıma dayanan küçük cetvelleri ürettim. Yaptığım deneyler, bu yüksek frekanslı titreşimlerin gerçekten de yüzeydeki moleküllerin kimyasal yapısına ilişkin bilgiler taşıdığını gösterdi. Bu yeni tekniğin çalışma ilkesi, sivri ucun yüzeye vurup geri çekilmeye başlaması sırasında geçen süreninin ölçülmesine dayanıyor. Yumuşak bir maddeye çarpan uç, yüzeyi daha fazla çökertip belli bir zaman kaybediyor. Bu zaman farklılıkları, saniyenin milyarda biri düzeyinde ve cetvelin üstündeki yüksek frekanslı titreşimler aracılığıyla ölçülebiliyor.

Mekanik yöntemler kullanarak maddelerin kimyasal özelliklerinin ölçülmesi oldukça basit bir temele dayanıyor. Doğadaki en sert malzeme olan elmas, yumuşak bir malzeme olan lastikten yaklaşık bir milyon kat daha sert. Bu kadar büyük bir fark, elmasın ve lastiğin yapısını oluşturan kimyasal bağlardan kyynaklanıyor. Maddelerin bu özelliği, onlarla etkileşebilmemiz ve inceleyebilmemiz için bize büyük potansiyel sağlıyordu; ama, atomik boyuttaki ölçümler bu güne kadar yapılamıyordu. Geliştirilen bu töntem, bu potansiyelin ortaya çıkarılabileceğini gösterdi. Ancak kat edilmesi gereken daha çok uzun yol var.

,