AFM ve Tarihçesi

AFM yüzey topografisini angtrom seviyesinden 100 microna kadar ölçebilen bir metoddur.  Çok duyarlı cantilever yüzeyi taramasıyla Atomik seviyedeki kuvvetleri (nN)ölçebilir. STM ‘in kardeşidir. AFM nin tarihçesi 1986’da yine Binnig, Quate ve Gerber in çalışmalarıyla başlar.  STM başarısından sonra atomlar arası kuvvetlere duyarlı olabilecek bir  yayın gerçekleştirilebileceğini gördüler. İğne ve örnek arasındaki akımın yerine yay ve örnek arasındaki atomik kuvvetlerin geribesleme sinyalı olarak olarak kuullnalıbileceği bir mikroskop geliştirdiler.  STM den farklı olarak En büyük avantajı örneğin iletken olmasını gerektirmemesidir. Bu yüzden biyolojik örneklerin incelenmesinde rahatça kullnılabilir. Yüzey işleme ve malzeme problemlerinin çözülmesinde geniş kullanım bulmaktadır. Afm 10 pm çözünürlükte çalışır ve elektron mikroskoplarının aksine hava ve sıvı içinde örneklere bakabilir. AFM’yi IBM ve Stanford üniversitesi  çalışmalarında 1 cm2’ye10E+16 bit  bit depolayacak bir veri depolama aracı için kullanılıyor.   Kullanıldığı Endüstriler: Elektronik,Telekominikasyon, Biyoloji, Kimya, Otomotiv, Uzay-Havacılık, ve Enerji Malzemeler: Ince ve kalın kaplamalarda, seramikler, kompozitler, camlar, sentetik ve biyolojik membranlar, metaller, polimerler ve yarıiletkenler. Ölçülebilecek özellikler: Yüzey etkileşim özellikleri, elektriksel yük, manyetiklik hidrofilik özellikler, Nanomekanik özellikler; Aşınma, adhezyon- kapiler davranış, temizleme,  korozyon,  pürüzlendirme, sürtünme, kayganlaştırma, kaplama ve cilalama.

TEORİ ve YAPISI

AFM iğne örnek üzerinde hareket eder ve iğne-örnek arasındaki itme ve çekme kuvvetlerini (10e-11 – 10e-6 Newton) ölçer. Iğne cantilever denilen yaya tutturulmuştur.  Lazer kaynağından gelip cantileverden yansıyan ışın pozisyona duyarlı fotodetektöre gelir.  Iki fotodiotun sinyalı arasındaki fark lazer spotunun pozisyonunu belirler. Bu cantileverin yükseklik bilgisi bilgisayara gönderilip x ve y pozisyonuna karşı kaydedilir. STM’de olduğu gibi 3 boyutlu veri kullnılarak topografik grafik görünüm elde edilir. 

AFM Çalıştırma Yöntemleri:

• “Contact Mode”   yöntemi ilk geliştirilen yöntemdir.  Bu modda cantilever’in ucundaki iğneyle  yüzey arasında hafif bir fiziksel dokunma vardır. İonik itme başrol oynamaktadır. Normal havada cantilever ve yüzeyin temasında örnek yüzeyi nitrojen ve su vaporunun ince bir tabkasıyla kaplıdır. Bu yüzey gerilimi yüzünden  örnek üzerinde ekstra bir güç oluşturmaktadır. Sıvı içinde alınan örneklerde bu olmamakta birlikte sürtünme hatası ortaya çıkmaktadır.
• “Noncontact Mode” yönteminde, AFM atomik kuvvetlerinin yardımıyla cantileverin eğilmesinden örneğe dokunmadan topografik görüntüyü oluşturur.Bunun için iğne örnekten 50-150 Angstrom uzakta tutulur. Bu uzaklıkta prob ve örnek arasında Wan der Waals kuvvetleri etkin olmaya başlayacaktır. Bu kuvvetler göreceli olarak zayıf olduğu için iğne saniyede 100 000 defa titreşerek bu etkileşimin saptanmasını kolaylaştırır. Bu Yöntemin en büyük avantajı iğnenin hasar görmemesi ve yumuşak materyallerin daha doğru ölçülmesidir.
• “Tapping Mode” Cantilever kendi rezonans frekansında osilasyon yapar. Bu osilasyon fotodetektör tarafından ölçülür . Örneğe yaklaştığı zaman  yüzeyle etkilerşim yüzünden enerji kaybederek probun osilasyon şiddeti azalır.  Geridöngü mekanizması bu şiddeti sabit tutmak için yüzeyin üzerindeki probun yüksekliğini değiştirir. Buradan bulunabilcek değişim bize etkileşim miktarı hakkında bilgi verecektir.

Son iki yöntem düşük kuvvet uygulanması nedeniyle DNA protein komplexleri gibi örnekler için daha uygundur.

Cantilever, Fotodetektör, Piezoelektrik Tarayıcı veTip

Cantilever en önemli işi yapan parçalardandır. Yaysabiti 0.001 ve 100 N/m arasında değişir ve genellikle 100-400 mikron uzunlukta ve 0.5-5 mikron kalınlıkta silikon veya silikon nitrit kullanılır.

Fotodedektör lazer kaynağından yansıyıp gelen ışının pozisyonun belirlenmesini sağlar ve yaklaşık 0.1 angstromluk değişimleri ölçebilir.

 Piezoelektrik tarayıcı cantileverin üstün örneği yada, cantileverin altında örneği hareket ettirir. X,Y ve Z yönlerinde 0.5-127 mikron çözünürlükte hareket edebilir.

 Büyük problar küçük yüzey yapılarında (kalın iğneli bir plağın yivlerinde gezememesi gibi) iyi sonuçlar vermemektedir. Bu yüzden bilim adamları daha ince problar üzerinde çalışmaktadır.

• Cantilever çok esnek ve malzemeye uygun olmalıdır.
• İğneler yeterincesivri olmalıdır. 
• İğne-örnek pozisyonlaması Yüksek çözünürlükte olmalıdır.
• Güçlü bir geri döngü olmadlıdır.
• Fotodetektör duyarlı olmalıdır.

Biyolojik Uygulamaları

Şekil : Fare hippocampus’undan yaşayan nöronlar ve glia..

AFM nin atomik çözünürlükte görüntü vermesi çok çeşitli örneği her durumda görüntüleyebilme özelliğiyle birleşince biyolojik yapıların incelenmesi konusunda hızla gelişen bir alan yaratmıştır.DNA, tek protein, yaşayan hücreler, Kan hücreleri, Antigen –antibody etkileşimi, ligand ve receptor arasındaki bağlanma kuvvetlerini ölçmek mümündür. Biyolojik materyallerin yumuşak olması burada bir dezavantajdır. Iğne örnek etkileşmesi bazen örneği bozabilmektedir. Bu yüzden”non-conduct mode” bu tür ölçümler için daha uygun olmaktadır. Biyolojik ilk uygulama1994 de antigen –antibody etkileşimine bakılması. Biyoloji için en önemli özelliği sıvı içindeki de örneğin özelliklerinin saptanabilmesiı. SEM’e göre en önemli üstünlüğü dehidrasyon, sabitleme (fixing), kaplama olmadan inceleme yapılabilmesidir.. Yaşayan hücrelere ilaç veya ligand ekleyerek hücrenin nasıl davrandığına bakılabilir. (1999 Nature Biotechnology)  Antibody probe’a tuttrulmuş.  Antigenic siteler osilasyonun azaldığı yerlerde tespit edilmiş.