میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) به‌عنوان ابزاری بسیار قدرتمند برای تعیین مشخصات سطوح و مواد در مقياس نانو توسعه یافته است. اثر رامان (پراکندگی غیرکشسان نور) اطلاعات وسیعی درباره ترکیب شیمیایی نمونه، کیفیت ساختار بلوری، جهت‌گیری بلور، شناسایی نقص یا ناخالصی در بلور و ساير موارد را در اختیار قرار می‌دهد. تلفيق AFM و رامان، یکی از آخرین روش‌های جفت شده تصویربرداری و تجزیه و تحلیل ترکیب شیمیایی مواد به شمار می‌رود.
امروزه، رامان/AFM به‌عنوان یک ابزار ارزشمند برای زیست‌شناسان، شیمی‌دانان، شرکت‌های داروسازی، طراحان مواد جدید به‌خصوص در نانوفناوری مورد استفاده قرار می‌گیرد تا رابطه بين اطلاعات شیمیایی و خواص فیزیکی نظير خواص مکانیکی، الکتریکی، مغناطیسی و توزیع فاز مشخص شود.
بخش اول این مقاله سرفصل‌های طیف‌سنجی رامان، طیف‌سنجی رامان تقویت شده بر سطح و طیف‌سنجی رامان تقویت شده بر سوزن مورد مطالعه قرار گرفت.این مقاله شامل سرفصل‌های زیر است:
1- میکروسکوپ نیروی اتمی
2- میکروسکوپ نیروی اتمی/ رامان
3- کاربردها
4- نتیجه‌گیری
بخش اول این مقاله سرفصل‌های طیف‌سنجی رامان، طیف‌سنجی رامان تقویت شده بر سطح و طیف‌سنجی رامان تقویت شده بر سوزن مورد مطالعه قرار گرفت.این مقاله شامل سرفصل‌های زیر است:
1- میکروسکوپ نیروی اتمی
2- میکروسکوپ نیروی اتمی/ رامان
3- کاربردها
4- نتیجه‌گیری
این مقاله از مجموعه مقالات فصل نامه شبکه آزمایشگاهی فناوری‌های راهبردی سال 2016 شماره 14 برگرفته شده است. برای دسترسی به مراکز خدمات دهنده آنالیزهای AFM و طیف سنجی رامان به ترتیب بر روی لینک‌های زیر کلیک کنید.
1- میکروسکوپ نیروی اتمی
میکروسکوپ نیروی اتمی ابزار کاربردی در مطالعات ساختارهای نانویی و میکرونی با قدرت تفکیک اتمی و نانومتری است. AFM ضمن تصویربرداری از سطح، اطلاعاتی را در مورد خواص فیزیکی و مکانیکی سطح در مقیاس نانو ارائه می‌دهد. به‌عنوان یک روش تصویربرداری، AFM قادر است تصویری سه‌بعدی که معرف سطح با قدرت تفکیک نانومتری است را در سه محیط خلأ، هوا و زیر سطح مایعات ارائه کند. قلب دستگاه AFM سوزنی با نوک بسیار تیز (با شعاع نوک کمتر از nm 10) است که روی بازویی به نام تيرك سوار شده‌است. نوک پروب به‌طور معمول به شکل مخروطی و یا هرمی است. وقتی نوک تیز سوزن با سطح برهم‌کنش پیدا می‌کند، نیروهای بین سطح و سوزن باعث می‌شود تيرك با خمش خطی متناسب با بزرگی نیروهای حس شده با نوک سوزن، منقبض یا منبسط شود. در اغلب دستگاه‌های AFM آشکارسازی این خمش با استفاده از یک سیستم اهرم نوری که در برگیرنده یک بازتابنده لیزر از پشت تيرک كروی فتودیود حساس به موقعیت است، انجام می‌شود. هر تغییری در خمش تيرك اعم از انقباض یا انبساط باعث تغییر در موقعیت لیزر روی تيرك می‌شود (شکل 1).
زمانی‌که سوزن در فاصله معینی از سطح قرار می‌گیرد، روبش سطح و تهيه تصویر انجام می‌شود. به كمك این روش می‌توان تصاویری از خواص مغناطیسی، الکتریکی و مکانیکی سطح تهيه نمود، با این وجود یکی از نقاط ضعف این روش، عدم توانایی آنالیز شیمیایی و ارتباط دادن توپوگرافی با داده‌های شیمیایی است. لذا دانشمندان از تلفيق روش‌های طیف‌سنجی نظير فلورسانس و رامان با روش AFM سعی بر فایق آمدن بر این نقاط ضعف دارند [8].
2- میکروسکوپ نیروی اتمی/ رامان
یکی از پیشرفت‌های مهم سال‌های اخیر در دستگاه رامان، تلفيق آن با میکروسکوپ پروبی روبشی به‌خصوص AFM بوده است. در این روش تلفيقي بسیار قدرتمند، به كمك سوزن رسانا شده و پوشیده شده از طلا یا نقره AFM و با استفاده از طیف‌سنج رامان با تولید پلاسمون سطحی موضعي بررسی نمونه مورد نظر در مقیاس نانو انجام مي‌شود. در این فرآیند اطلاعات با توان تفکیک بسیار بالا از توپوگرافی سطح نمونه به همراه خواص شیمیایی ساختارها با حساسیت بسیار زیاد ثبت می‌شود که به موجب آن کاربردهای فراوانی را در زمینه‌های مختلفی از علوم به ویژه علم سطح، مواد، زیست‌فناوری و ساير علوم پیدا کرده است [9]. در واقع هدف اصلی از ادغام AFM و طیف‌سنجی رامان یا فلورسانس، غلبه بر محدودیت تفرق نور با استفاده از پروب AFM است تا بتوان به توان تفکیک نانومتری رسید. سوزن AFM در یک نقطه خاص که نور لیزر با قطبش مطلوب و دقت nm 10 بر آن متمرکز شده‌است، قرار می‌گیرد. در این شرایط سوزن AFM می‌تواند به‌صورت موضعی، شدت میدان مغناطیسی نزدیک به نوک سوزن را افزایش دهد و تبدیل به یک منبع نور نانومتری شود (شکل 2). چگالی توان نور را می‌توان به‌صورت موضعي به بزرگی چندین برابر در منطقه nm 50-10 از نوک سوزن افزایش داد. هنگامی که سطح نمونه با استفاده از پروب روبش می‌شود، نقشه رامان با وضوحی به اندازه میدان تقویت شده در نوک سوزن تعیین می‌شود که می‌تواند حدود nm 10 باشد.
تابیده شدن پرتو لیزر رامان به سوزن یا پروب میکروسکوپ نیروی اتمی به سه طریق صورت می‌گیرد: از بالا، پایین و از کنار که وابسته به نوع نمونه و زیرلایه می‌تواند متفاوت باشد. شکل (3) طول موج پرتو تابیده شده در ابعاد چند صد نانومتر است در حالی‌که قطر نوک سوزن میکروسکوپ پروبی روبشی حدود چند نانومتر است؛ بنابراین، پرتو الکترومغناطیسی تابیده شده به خوبی نوک سوزن را در برمی‌گیرد.
قرار گرفتن سوزن در فاصله نانومتری از سطح نمونه و تابیده شدن پرتو الکترومغناطیسی باعث می‌شود بین سوزن و زیر لایه رسانا (نانوذرات رسانا) پلاسمون سطحی ایجاد شود. نانومتری بودن حوزه این پلاسمون منجر به افزایش بسیار بالای توان تفکیک در پراکندگی رامان تقویت شده بر سوزن نسبت به روش پخش رامان تقویت شده بر سطح شده‌است؛ به عبارت ساده‌تر، با استفاده از نوک سوزن رسانا و تولید پلاسمونی در محدوده چند ده نانومتر می‌توان با دقت بسیار بالا و به‌صورت نانومتری به بررسی نمونه پرداخت. AFM نمونه را به‌صورت خطی روبش می‌کند؛ بنابراین، اطلاعات رامان و توپوگرافی به‌صورت خطی و روبشی ثبت می‌شود و در نهایت از کنار هم قرار دادن اطلاعات رامان هر نقطه از خط و پردازش آن‌ها می‌توان به طرح بسیار دقیقی از ساختارها به‌صورت سه‌بعدی و با کیفیت و توان تفکیک بسیار عالی از سطح نمونه دست یافت. بنابراین، روش‌های متفاوت، ما را قادر ساخته‌اند تا بر اساسی‌ترین مشکل دستگاه پراکندگی رامان که همان بازده بسیار کم آن بود غلبه کرد [10].
3- کاربردها
از آنجایی‌که روش رامان/AFM در کنار سادگی، اطلاعات فیزیکی وشیمیایی با ارزشی در اختیار قرار می‌دهد، کاربردهای این روش رو به افزایش است. بررسی نانولوله‌های کربنی یکی از مناسب‌ترین مثال‌ها در حوزه فناوری‌نانو است. طیف‌سنجی رامان اطلاعاتی در مورد خلوص، وجود نواقص، جهت‌گیری و نظم نانولوله‌ها در اختیار قرار داده و می‌تواند در تشخیص حضور نانولوله‌های کربنی تک و چند دیواره در میان سایر آلوتروپ‌های کربن به ما کمک کند. در شکل (4) تصویر AFM، رامان و طیف‌های مربوط به دو طول موج متفاوت نشان داده شده‌است [11].
4- نتیجه‌گیری
ترکیب روش طیف‌سنجی SERS با روش‌های AFM یا STM، روش جدیدی بنام TERS را به همراه داشت. روش TERS ترکیب قدرت تفکیک بالای AFM و حساسیت شیمیایی پراکندگی رامان را همراه با هم دارد. رامان/AFM بر بسیاری از محدودیت‌های روش رامان مستقیم و روش SERS غلبه کرده است و در عین حال از مزایای آن مانند حساسیت بالا برخوردار است. همچنین به‌دلیل غلبه بر محدودیت تفرق، قدرت تفکیک بالایی دارد. با استفاده از این روش می‌توان بر محدودیت تفرق غلبه کرد و ارتباط بین توپوگرافی، اطلاعات شیمیایی و ساختار بلوري را در طول یک آزمایش یافت، در نتیجه کاربردهای فراوانی در علم مواد، سطح، نانو، بیولوژی و ساير علوم پیدا کرده است.
منابـــع و مراجــــع
۱ – Tip-enhanced near-field optical microscopy, Nina MauserAchim Hartschuh, Chem. Soc. Rev., 43, 1248, 2014
۲ – Applied Scanning Probe Methods V NanoScienceTechnology, Pietro Giuseppe Gucciardi, Sebastiano Trusso, Cirino Vasi, Salvatore Patanè, Maria Allegrini, Springer, 2007, pp 287-329
۳ – Principle of Instrumental Analysis, D. A. Skoog, D. M. West Holt, Saunders college publishing, six editions, 1994
۴ – Raman spectra of pyridine adsorbed at a silver electrode, M. Fleischmann, P. J. Hendra, A. J. McQuillan, Chemical Physics Letters, Volume 26, Issue 2, 1974, p. 163-166.
۵ – The discovery of surface-enhanced Raman scattering, A. James McQuillan, Notes Rec. R. Soc. (2009) 63, 105–109
۶ – http://en.wikipedia.org/wiki/HOMO/LUMO
۷ – Near-Field Fluorescence Microscopy Based on Two-Photon Excitation with Metal Tips, E. Sánchez, L. Novotny, X. Sunney, PHYSICAL REVIEW LETTERS, VOLUME 82, NUMBER 20, 1999
۸ – Atomic Force Microscopy, Scanning Nearfield Optical MicroscopyNanoscratching application to Rough Natural Surfaces, G. Kaupp, Springre, 2006
۹ – Tip-enhanced Raman spectroscopy: near-fields acting on a few molecules, B. Pettinger, P. Schambach, CJ. Villagómez. Annu Rev Phys Chem. 63, 379-99, 2012
۱۰ – Spectroscopy: Near-Fields Acting on a Few Molecules, Institute of the Max Planck Society, Phys. Chem. 63:17.1–17.21, 2012
۱۱ – Raman microscopy: Taking chemical microscopy to the next level, B. Foster. Am. Lab. 2003, 35(8), 18–23
۱۲ – www.microscopy-today.com, AFM + Raman Microscopy + SNOM + Tip-Enhanced Raman: InstrumentationApplications
