Atomik Kuvvet Mikroskobu AFM

Atomik kuvvet mikroskobu adını çalışma prensibinden almaktadır. Çok sivriltilmiş bir uca sahip bir iğnemiz olduğunu düşünün. Bu iğnenin sonunda tek bir atom olacaktır. Bu atomu herhangi bir yüzeye yeterince yaklaştırırsanız, yüzeyde iğne ucuna en yakın atom ile uçtaki atom arasında atomik kuvvetler eki etmeye başlar. Bunlar Van der Waals, Culomb vb kuvvetlerdir. Bu kuvvetler çok küçük olmakla beraber atomik kuvvet mikroskobunun mekanizması bu kuvvetleri ölçebilmektedir. İşte bu ölçüm sayesinde yüzey algılanabilmektedir. Atomik kuvvet mikroskoplarının görüntü alması bu algılamaya, dolayısıyla atomik kuvvetleri ölçmeye dayalı olduğu için atomik kuvvet mikroskobu adını almıştır. Peki ya AFM? İşte o da aynı sözlerin İngilizce yazılışının kısaltmasıdır; atomic force microscope (AFM).

Mikroskop denilince ilk aklımıza gelen, görüntünün bir mercek yardımıyla büyütülüp incelenebildiği bir cihazdır. İlgili terimin Türk Dil Kurumu’ndaki tanımı da aslında bu yönde; Mikroskop TDK’da ‘’ Bir mercek düzeneği yardımıyla küçük nesneleri büyütüp daha belirgin duruma getirmeye veya çıplak gözle görülmeyenleri göstermeye yarayan alet,’’ olarak tanımlanmış. Fakat yaygın olarak bilinenin aksine, birçok farklı mikroskop çeşidi bulunuyor. Elektron mikroskobu, ışık mikroskobu ve taramalı kuvvet mikroskobu, mikroskop çeşitlerinin yalnızca birkaçı. Bu yazıda da, özellikle son yıllarda yapılan çalışmalarda sıklıkla karşımıza çıkan ve taramalı kuvvet mikroskobunun bir çeşidi olan atomik kuvvet mikroskobunu inceleyeceğiz.

Atomik Kuvvet Mikroskobu (Atomic Force microscope, AFM), örnekleri nano ölçekte incelemek için tartışmasız en çok yönlü ve güçlü mikroskobi teknolojisidir. AFM oldukça çok yönlü bir araçtır, çünkü AFM yalnızca üç boyutlu yüzeyde imge oluşturmaz, aynı zamanda bilim insanlarının ve mühendislerin ihtiyaçlarına göre çeşitli yüzey ölçümlerini yapmalarını da sağlar. Atomik kuvvet mikroskobu oldukça güçlüdür çünkü asgari numune hazırlığı olmasına rağmen angstrom ölçekte çözünürlük-yükseklik bilgileri ile atomik çözünürlükte görüntüler üretebilir.

Atomik Kuvvet Mikroskopu Çalışma Prensibi
Yüzeyi Sezmek
AFM’de numune yüzeyini taramak için bir çubuk benzeri düzenek ucundaki oldukça ince iğne kullanır. Bu iğne yüzeye yeteri kadar yaklaştığında, yüzey ve bu iğne arasındaki çekim kuvvetleri ile çubuğun yüzeye doğru sapmasına neden olur. İğne yüzeye daha da yaklaştıkça, yüzeye temas etmesi gibi, itme kuvvetinde artış meydana gelir ve çubuk yüzeyden dışarı doğru sapar. Uçta kullanılan iğne, incelenmek istenilen yüzeye göre farklılık gösterir. Ancak genel olarak Silikon (Si) ya da Si3N4 iğne ve çubuk benzeri materyalin yapımında kullanılır. Uçtaki iğnenin kalınlığı, yaygın olarak 0.2 nanometre ile 10 nanometre arasında farklılaşır.

Algılama Yöntemi
Bir lazer ışını yardımıyla, yüzeye doğru veya yüzeyden uzağa doğru olan çubuk sapmaları tespit edilir. Lazer ışını çubuk benzeri malzemenin üzerinden yansır. Eğer çubuk hareket ederse, yansıyan ışının açısında da değişiklikler meydana gelecektir. İşte bu değişiklikleri tespit etmek için de konuma duyarlı foto diyot ( Position sensitive photo diode, PSPD) kullanılır. Lazer ışınındaki bu sapmalar ile, incelenen nano-ölçekteki yüzey girintileri ve çıkıntıları kaydedilir.

Uygulama Alanları
AFM, katı-hal fiziği, yarı-iletken teknolojisi, moleküler mühendislik, polimer kimyası, yüzey kimyası, moleküler biyoloji, hücre biyolojisi ve tıp dahil olmak üzere, doğa bilimlerinin geniş bir yelpazesindeki alanlarında kullanılabilir.
Katı hal fiziği alanında AFM, bir yüzeydeki atomların tanımlanması, belirli bir atom ile onun komşu atomları arasındaki etkileşimlerin değerlendirilmesi ve atom manipülasyonu yoluyla yapılmış atomik düzenlemelerden kaynaklanan fiziksel özelliklerin değişimlerin incelenmesi gibi uygulamaları kapsar.
Hücresel biyolojide, AFM, hücrelerin sertliğine dayalı olarak kanser hücrelerini ve normal hücreleri ayırma ve belirli bir hücre ile onun komşu hücreleri arasındaki etkileşimleri değerlendirmeye yarar.
Bazı varyasyonlarda, iletken çubuk malzemesi kullanılarak elektrik potansiyelleri incelenebilir. Daha gelişmiş sistemlerde de, elektrik iletkenliğini ölçmek veya alttaki yüzeyi taşımak için iğne üzerinden akımlar iletilebilir.

AFM: Artıları Ve Eksileri
Taramalı elektron mikroskopisi (SEM), atomik kuvvet mikroskopisindekilere benzer boyutta örnekleri gösteren farklı bir mikroskop türü. AFM,’ nin SEM karşısında bazı avantajları olmakla birlikte, dezavantajları sa yok değil.
SEM 2B görüntü sunabiliyor ve örneklerin üstün özel olarak kaplanmasını gerektiriyor. AFM ise örneğin 3B profilini çıkarabiliyor ve kaplamada gerektirmiyor. Böylece SEM sürecinin değiştirebileceği ya da zarar verebileceği örnekler (mesele mikroorganizmalar) AFM ile incelenebiliyor. AFM aynı zamanda diğer optik tekniklerle birlikte kullanılarak sıvı ortamda bile saha yüksek çözünürlük sunabiliyor.
AFM’ nin dezavantajıysa örnek tarama büyüklüğünün SEM’ in tek geçişte yakalayabildiğinden 1.000 kat kadar küçük olması. Tarama hızı çok düşük ve atomik kuvvet mikroskopları, çok özel olarak modifiye edilmediği sürece çok girintili çıkıntılı topografiye sahip örnekleri görüntüleyemiyor.