در اين مقاله به بررسي و آشنايي با دو نوع از ميكروسكوپ‌هاي پروبي روبشي مي‌‌پردازيم.البته اين شرح و توضيح براي ميكروسكوپ AFM به اختصار و برايSThM  كمي مفصل تر خواهد بود.

آشنایی با میکروسکوپ نیروی اتمی ((AFM:

میکروسکوپ نیروی‌اتمي[1] یکی‌ازانواع میکروسکوپ‌های پروبی روبشی[2] می‌باشد. اساس کار همه‌ی میکروسکوپ‌های پروبی روبشی آن است که سطح نمونه توسط یک سوزن نوک تیز یا پروبی که نوک آن بصورت تک اتمی است روبش می شود. این سوزن روبنده به خاطر ابعاد بسیار کوچک خود می‌تواند کوچکترین پستی و بلندی موجود در سطح را (در حد نانومتر) حس نماید. بسته به طبیعت برهم‌کنش‌های موضعي‌، می توان تصویری سه‌‌بعدی از پستی و بلندی سطح، ساختار الکترونیکی ، ساختار مغناطیسی یا هر خاصیت موضعی دیگر به دست آورد.بسته به‌اینکه اطلاعات گرفته‌شده توسط سوزن با چه مکانیزمی قابل دریافت باشد ،سیستم‌های میکروسکوپی متفاوتی بوجود آمده است. یکی از این سیستم‌ها با تابانیدن نور لیزر و بررسی میزان تغییرات بازتاب آن در اثر نوسانات سوزن در روی سطح، اطلاعات را دریافت می‌کند. در این روش نوع ارتباط سوزن با سطح نمونه توسط نیروهای اتمی است و به همین علت این میکروسکوپ نیروی اتمی یاAFM نام گرفته است. پس AFM بر پایه نیروی الکترونی بین نوک پروب میکروسکوپ و نمونه است. بسته به فاصله بین نوک پروب و نمونه ، نیروهای مختلف در برهم‌کنش بین نوک پروب و سطح نمونه نقش اساسی دارند. برای مثال وقتی نوک پروب بسیار نزدیک به نمونه باشد این نیرو قسمتی از نیروی دفع کننده‌ی واندروالس است. وقتی نوک پروب از سطح نمونه دور می‌شود، یک نیروی جاذبه بین نوک پروب و نمونه نقش مهمی را بازی می‌کند. از آنجایی که در AFM برهم‌کنش اتمی بین نوک پروب میکروسکوپ و سطح نمونه مهم است، لذا این روش بستگی به رسانا بودن نمونه ندرد. اساس کار AFM به این صورت است که نوک پروب این میکروسکوپ به یک تیرک[3] متصل است که تغییر در نیروی اتمی آن را خم می‌کند. این سوزن از جنس سیلیکون یا نیترید سیلیکون بوده و ابعادی  در محدوده نانومتر دارد. با استفاده از یک تیرک با ضریب فنر مشخص، می‌توان میزان نیروی وارد شده به تیرک و در نتیجه میزان جابجایی آن را به دست آورد.در واقع نیروی وارد شده به سوزن، تیرک را خم کرده و بدین طریق می توان میزان نیروی وارد شده به سوزن رابا توجه به قانون هوک بدست آورد. برای اندازه گیری میزان جابجایی تیرک در این میکروسکوپ ها از پرتو لیزر استفاده می شود. شکل زیر:

برای تصویربرداری از طریق AFM معمولا از دو روش استفاده می شود:

1)    روش تماسی  

2)    روش غیرتماسی

در روش تماسی نوک پروب به نمونه تماس پیدا می کند و نیروی دافعه بین اتم های سطح نمونه و نوک پروب، نیروی غالب در این روش است. در این روش نیروی اعمالی به نوک پروب ثابت است. با استفاده از دنبال کردن انحرافات بوجود آمده در تیرک در اثر حرکت سوزن میکروسکوپ روی سطح نمونه ، می توان ساختاری از سطح نمونه را به دست آورد.

در روش غیر تماسی تیرک در فرکانسی نزدیک به فرکانس طبیعی خود لرزش می کند و نوک پروب بسیار نزدیک به نمونه بوده و نیروی جاذبه بین اتم های سطح نمونه و نوک پروب نیروی غالب است. تغییرات در نیروهای اتمی بین تیرک و سطح ماده را می توان از تغییرات در دوره تناوب فرکانس طبیعی تیرک متوجه شد. با کاهش فاصله نوک پروب با سطح نمونه که منجر به افزایش نیرو می شود، دامنه نوسان تیرک کاهش می یابد. با استفاده از دنبال کردن تغییرات دوره تناوب فرکانس طبیعی تیرک می توان ساختاری از سطح نمونه را به دست آورد.

آشنايي با ميكروسكوپ گرمايي روبشي (SThM):

امروزه یکی از روشهای مشاهده و آنالیز مواد، بویژه مواد پلیمری، استفاده از تکنیک های آنالیز میکروگرمایی[4] می باشد.

از جمله روش های گرمایی می توان به DSC [5]، TGA [6]، TMA [7]، DMA [8]وSThM  [9] اشاره کرد که تکنیک های مطمئن و شناخته شده ای برای تعیین مورفولوژی و شناسایی ترکیبات پلیمری می باشند.

در این روشها می توان با توجه به تغییرات دمایی، هدایت گرمایی و پایداری حرارتی مواد مورد مطالعه، آنها را مشخصه یابی کرد. با بررسی تغییرات کمیاتی مانند آنتالپی، وزن، طول، سفتی و...  با دما، فرآیند هایی مثل بلورینگی، یا چگالی در محل اتصالات عرضی [10] قابل مطالعه می باشند.

اصولاً هنگامی که صحبت از آنالیزهای میکرو گرمایی می شود منظور آنالیزهای حرارتی است که روی نمونه هایی با ابعاد کوچک   انجام می شود و از طرفی دقت تصویربرداری هم تا زیر می باشد.

میکروسکوپ  SThMاز روش های آنالیز میکروگرمایی برای تصویربرداری  و مشخصه یابی استفاده می کند. این میکروسکوپ از یک حسگردمایی مینیاتوری مثل یک ترموکوپل یا دماسنج مقاومتی، به جای سوزن تیزی که در AFM  به کار میرود استفاده می کند. این حسگر می تواند در سرتاسر سطح نمونه حرکت کرده و از توزیع دمایی سطح آن تصویربرداری کند، و مثلا جهت آشکارسازی نقاط گرم در قطعات نیمه هادی بکار رود. با کنترل کردن دمای سوزن (از طریق تاباندن لیزر به سوزن یا با گرمای ژولی ناشی از جریان عبوری از نوک سوزن)  و شار گرمایی بین سوزن و سطح، می‎توان تصاویری به دست آورد که تضاد رنگی موجود در آنها به خواص انتقال حرارت نمونه (مثل هدایت گرمایی وپخش گرمایی) بستگی دارد.

اولین آزمایشات با SThM توسط Williams و wickramasinghe انجام شد. بعدها جهت غلبه بر محدودیت های حاصل از SThM های اولیه، Majumdar پیشنهاد کرد، از یک بازوی AFM که متشکل از یک جفت سیم فلزی غیر همنام بود، استفاده کنند. این دو سیم، با هم یک اتصال ترموکوپل در نوک سوزن تشکیل می­دادند. با این روش علاوه بر آنکه، از خود AFM برای اندازه گیری توپرگرافی سطح استفاده می شود، در همان زمان نیز توزیع گرمایی قطعات الکترونیکی انرژی زا، با دقت زیر میکرونی، نقشه برداری می شود. امروزه از تکنیک های متفاوتی برای ترکیب بازوی AFM با یک روش دماسنجی موضعی، استفاده می شود. از جمله

-       بازوهای ترموکوپلی [11]

-       دماسنج مقاومتی [12]

در اشکال زیر یک میکروسکوپ SThM نمایش داده شده که در نوک سوزن آن از یک دماسنج مقاومتی استفاده شده است. در این حالت سوزن AFM از سیم Wollaston ساخته می­شود. این سیم از یک هسته نازک پلاتین به قطر که با یک پوشش ضخیم نقره به قطر  پوشیده شده است، تشکیل می­شود . در ابتدا حلقه ای از سیم ساخته می­شود، سپس نقره اطراف آن بطور شیمیایی، زدایش می شود و فقط طول کمی از هسته پلاتین آشکار می­ماند که به عنوان یک دماسنج مقاومتی مینیاتوری عمل می کند.