หลักการทำงานและการประยุกต์กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม
กล้องจุลทรรศน์กำลังอะตอมมิกเป็นกล้องจุลทรรศน์แบบโพรบสแกนที่พัฒนาขึ้นโดยใช้หลักการพื้นฐานของกล้องจุลทรรศน์แบบอุโมงค์สแกน การเกิดขึ้นของกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมมีบทบาทในการขับเคลื่อนการพัฒนานาโนเทคโนโลยีอย่างไม่ต้องสงสัย กล้องจุลทรรศน์แบบหัววัดแบบสแกน ซึ่งแสดงด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบแรงอะตอม เป็นชุดกล้องจุลทรรศน์ที่ใช้หัววัดขนาดเล็กในการสแกนพื้นผิวของตัวอย่าง โดยให้การสังเกตที่มีกำลังขยายสูง การสแกนด้วยกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมสามารถให้ข้อมูลสถานะพื้นผิวของตัวอย่างประเภทต่างๆ ได้ เมื่อเปรียบเทียบกับกล้องจุลทรรศน์ทั่วไป ข้อดีของกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมคือสามารถสังเกตพื้นผิวของตัวอย่างที่กำลังขยายสูงภายใต้สภาวะบรรยากาศ และสามารถใช้ได้กับตัวอย่างเกือบทั้งหมด (โดยมีข้อกำหนดบางประการสำหรับความเรียบของพื้นผิว) โดยไม่จำเป็นต้องใช้วิธีอื่น กระบวนการเตรียมตัวอย่างเพื่อให้ได้ภาพสัณฐานวิทยาสามมิติของพื้นผิวตัวอย่าง และสามารถทำการคำนวณความหยาบ ความหนา ความกว้างขั้น แผนภาพบล็อก หรือการวิเคราะห์ขนาดอนุภาคบนภาพสัณฐานวิทยา 3 มิติ ที่ได้จากการสแกน
กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมสามารถตรวจจับตัวอย่างได้จำนวนมากและให้ข้อมูลสำหรับการวิจัยพื้นผิว การควบคุมการผลิต หรือการพัฒนากระบวนการ ซึ่งเครื่องวัดความหยาบผิวแบบสแกนทั่วไปและกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนไม่สามารถให้ได้
หลักการพื้นฐาน
กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมใช้แรงปฏิสัมพันธ์ (แรงอะตอม) ระหว่างพื้นผิวของตัวอย่างกับปลายหัววัดละเอียดเพื่อวัดสัณฐานวิทยาของพื้นผิว
ปลายของโพรบอยู่บนคานยื่นขนาดเล็ก และปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นเมื่อโพรบสัมผัสกับพื้นผิวของตัวอย่างจะถูกตรวจพบในรูปแบบของการโก่งตัวของยื่นออกมา ระยะห่างระหว่างพื้นผิวตัวอย่างและโพรบน้อยกว่า 3-4 นาโนเมตร และแรงที่ตรวจพบระหว่างพื้นผิวทั้งสองนั้นน้อยกว่า 10-8 N แสงจากเลเซอร์ไดโอดจะเน้นที่ด้านหลังของคานยื่น เมื่อคานยื่นออกมาถูกงอภายใต้แรงกระทำ แสงที่สะท้อนจะเบนออกไป และใช้เครื่องตรวจจับแสงที่ไวต่อตำแหน่งเพื่อตรวจจับมุมโก่งตัว จากนั้นคอมพิวเตอร์จะประมวลผลข้อมูลที่รวบรวมเพื่อให้ได้ภาพสามมิติของพื้นผิวตัวอย่าง
โพรบยื่นยื่นออกมาทั้งหมดจะถูกวางบนพื้นผิวของตัวอย่างที่ควบคุมโดยเครื่องสแกนเพียโซอิเล็กทริก และสแกนในสามทิศทางด้วยความกว้างขั้น 0.1 นาโนเมตรหรือน้อยกว่าด้วยความแม่นยำ โดยทั่วไป เมื่อสแกนพื้นผิวตัวอย่างโดยละเอียด (แกน XY) แกน Z ที่ควบคุมโดยผลป้อนกลับการกระจัดของคานยื่นจะคงที่และไม่เปลี่ยนแปลง ค่าแกน Z ซึ่งเป็นค่าป้อนกลับต่อการตอบสนองการสแกน จะถูกป้อนเข้าสู่คอมพิวเตอร์เพื่อการประมวลผล ส่งผลให้ได้ภาพที่สังเกตได้ (ภาพ 3 มิติ) ของพื้นผิวตัวอย่าง
ลักษณะของกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม
1. ความสามารถที่มีความละเอียดสูงนั้นเหนือกว่ากล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) และเครื่องวัดความหยาบเชิงแสงอย่างมาก ข้อมูลสามมิติบนพื้นผิวของตัวอย่างตรงตามข้อกำหนดด้านจุลทรรศน์ที่เพิ่มขึ้นในการวิจัย การผลิต และการตรวจสอบคุณภาพ
2. ไม่ทำลายล้าง แรงปฏิกิริยาระหว่างโพรบกับพื้นผิวตัวอย่างต่ำกว่า 10-8N ซึ่งต่ำกว่าแรงกดของเครื่องวัดความหยาบของสไตลัสแบบเดิมมาก ดังนั้นจึงไม่สร้างความเสียหายให้กับตัวอย่าง และไม่มีปัญหาความเสียหายของลำแสงอิเล็กตรอนในกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด นอกจากนี้ กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดจำเป็นต้องมีการเคลือบบนตัวอย่างที่ไม่นำไฟฟ้า ในขณะที่กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมไม่ต้องการการเคลือบ
3. มีการใช้งานที่หลากหลายและสามารถใช้ในการสังเกตพื้นผิว การวัดขนาด การวัดความหยาบของพื้นผิว การวิเคราะห์ขนาดอนุภาค การประมวลผลทางสถิติของส่วนที่ยื่นออกมาและหลุม การประเมินสภาพการก่อตัวของฟิล์ม การวัดขั้นตอนขนาดของชั้นป้องกัน การประเมินความเรียบของ ฟิล์มฉนวนระหว่างชั้น การประเมินการเคลือบวีซีดี การประเมินกระบวนการบำบัดด้วยแรงเสียดทานของฟิล์มเชิง การวิเคราะห์ข้อบกพร่อง ฯลฯ
4. ซอฟต์แวร์นี้มีความสามารถในการประมวลผลที่แข็งแกร่ง และการแสดงภาพ 3 มิติสามารถกำหนดขนาด มุมมอง สีที่แสดง และความเงาได้อย่างอิสระ และสามารถเลือกการแสดงเครือข่าย เส้นคอนทัวร์ และเส้นได้ การจัดการมาโครในการประมวลผลภาพ การวิเคราะห์รูปร่างหน้าตัดและความหยาบ การวิเคราะห์สัณฐานวิทยา และฟังก์ชันอื่นๆ
