Atomic force acoustic microscopy
એટોમિક ફોર્સ એકોસ્ટિક માઇક્રોસ્કોપી (એ. એફ. એ. એમ.) એ સ્કેનિંગ પ્રોબ માઇક્રોસ્કોપી (એસ. પી. એમ.) નો એક પ્રકાર છે. તે ધ્વનિશાસ્ત્ર અને અણુ બળ સૂક્ષ્મદર્શકનું સંયોજન છે. એ. એફ. એ. એમ. અને એસ. પી. એમ. ના અન્ય સ્વરૂપો વચ્ચેનો મુખ્ય તફાવત નમૂનાના તળિયે ટ્રાન્સડ્યુસરનો ઉમેરો છે જે નમૂનામાં સમાંતર આઉટ-ઓફ-પ્લેન સ્પંદનોને પ્રેરિત કરે છે. આ સ્પંદનોને કેન્ટિલીવર અને ટીપ દ્વારા અનુભવાય છે જેને પ્રોબ કહેવાય છે. અહીં બતાવેલ આકૃતિ એ એ. એફ. એ. એમ. સિદ્ધાંતની સ્પષ્ટ યોજનાકીય છે અહીં બી એ ટીપ અને નમૂનાનું વિસ્તૃત સંસ્કરણ છે જે ટ્રાન્સડ્યુસર અને ટીપ પર મૂકવામાં આવે છે જેમાં લેસર પ્રકાશને ફોટોડાયોડ પર પ્રતિબિંબિત કરવા માટે કેટલાક ઓપ્ટિકલ કોટિંગ સામાન્ય રીતે સોનાનું કોટિંગ હોય છે. આ માઈક્રોસ્કોપથી કોઈપણ પ્રકારની સામગ્રીને માપી શકાય છે. ખાસ કરીને, સ્થિતિસ્થાપક મોડ્યુલસ, શીયર મોડ્યુલસ અને પોઈસન રેશિયો જેવા નેનો-સ્કેલ ગુણધર્મોને માપી શકાય છે. ઉપયોગમાં લેવાતી આવર્તન થોડા કિલોહર્ટઝથી મેગાહર્ટઝ સુધી જાય છે, જે સાઇન તરંગ કંપનવિસ્તારને સ્થિર રાખે છે. સાઇન લોન્ગીટ્યુડિનલ તરંગો પ્રોબ દ્વારા અનુભવાય છે, અને પ્રોબનું ડિફ્લેક્શન પોઝિશન સેન્સિટિવ ફોટોડાયોડ (PSPD) પર કેન્દ્રિત લેસર લાઇટ દ્વારા શોધાય છે. કેન્ટિલીવર (પ્રોબ) માંથી પ્રતિબિંબિત લેસર બીમનું આ વિક્ષેપ નમૂનાના લવચીક અને ટોર્સનલ પરિમાણોને સૂચવે છે. ઉચ્ચ-આવર્તન સંકેત લોક-ઇન એમ્પ્લીફાયરને મોકલવામાં આવે છે અને એ. એફ. એ. એમ. છબી બનાવવા માટે સંકેત જનરેટર દ્વારા મોકલવામાં આવેલા સંદર્ભ સંકેત સાથે સહસંબંધિત હોય છે. અણુ બળ માઇક્રોસ્કોપીનો વિકાસ થયો ત્યારથી ઘણી રીતો અને સંબંધિત તકનીકો ઉભરી આવી છે. અલ્ટ્રાસોનિક ફોર્સ માઇક્રોસ્કોપી, અલ્ટ્રાસોનિક એટોમિક ફોર્સ માઇક્રોસ્કોપી, સ્કેનિંગ એકોસ્ટિક ફોર્સ માઇક્રોસ્કોપી અને એ. એફ. એ. એમ. બધા નજીકના ક્ષેત્રની માઇક્રોસ્કોપી તકનીકોની શાખા હેઠળ આવે છે જેને કોન્ટેક્ટ રેઝોનન્સ ફોર્સ માઇક્રોસ્કોપી (સી. આર. એફ. એમ.) કહેવાય છે. સી. આર. એફ. એમ. તકનીકો મુખ્યત્વે સંપર્ક પ્રતિધ્વનિ આવર્તનની ગણતરી અને નમૂનામાં વિવિધતાઓ (જેમ કે અવક્ષેપ અને મેટ્રિક્સ) સાથે તેઓ કેવી રીતે બદલાય છે તેના પર આધાર રાખે છે. ઇતિહાસ એટોમિક ફોર્સ એકોસ્ટિક માઇક્રોસ્કોપી (એ. એફ. એ. એમ.) મૂળ રૂપે 1994માં ફ્રેનહોફર ઇન્સ્ટિટ્યૂટ ઓફ નોનડેસ્ટ્રક્ટિવ ટેસ્ટિંગમાંથી રાબે અને આર્નોલ્ડ દ્વારા વિકસાવવામાં આવી હતી. આ તકનીકનો ઉપયોગ હવે સામગ્રીના સ્થાનિક સ્થિતિસ્થાપક ગુણધર્મોના ગુણાત્મક અને માત્રાત્મક માપન માટે થાય છે. એ. એફ. એ. એમ. નો ઉપયોગ અનીશ કુમાર વગેરે દ્વારા કરવામાં આવ્યો હતો. પોલિક્રિસ્ટલાઇન સામગ્રીમાં અવક્ષેપોને માપવા માટે. સિદ્ધાંત એ. એફ. એ. એમ. સુયોજનમાં નમૂનાને પીઝોઇલેક્ટ્રિક ટ્રાન્સડ્યુસર સાથે જોડવામાં આવે છે. આ નમૂનામાં સમાંતર ધ્વનિ તરંગો બહાર કાઢે છે, જેના કારણે નમૂનાની સપાટીમાં સપાટીની બહાર કંપન થાય છે. કંપન સેન્સર ટીપ દ્વારા કેન્ટિલીવરમાં પ્રસારિત થાય છે. કેન્ટિલીવર કંપન 4-વિભાગ ફોટો-ડાયોડ દ્વારા માપવામાં આવે છે અને લોક-ઇન એમ્પ્લીફાયર દ્વારા મૂલ્યાંકન કરવામાં આવે છે. આ સુયોજનનો ઉપયોગ ક્યાં તો કેન્ટિલીવર કંપન સ્પેક્ટ્રા મેળવવા માટે અથવા ધ્વનિ છબીઓ લેવા માટે થઈ શકે છે. બાદમાં પ્રતિધ્વનિ નજીક નિશ્ચિત ઉત્તેજના આવર્તન પર કેન્ટિલીવર કંપનવિસ્તારના નકશા છે. સંપર્ક-મોડ ટોપોગ્રાફી છબી એકોસ્ટિક સાથે વારાફરતી મેળવવામાં આવે છે. કાર્યરત આવર્તન શ્રેણી લગભગ 3 મેગાહર્ટઝની સરેરાશ આવર્તન સાથે 10 કિલોહર્ટઝથી 5 મેગાહર્ટઝ સુધીના કેન્ટિલીવરના લવચીક સ્થિતિને આવરી લે છે. તેનો ઉપયોગ સામગ્રીના અવક્ષેપો અને મેટ્રિક્સ વચ્ચે સ્થિતિસ્થાપક મોડ્યુલસ ભિન્નતાઓને મેપ કરવા માટે થઈ શકે છે, જેમ કે પાતળી ફિલ્મોના સ્થિતિસ્થાપક ગુણધર્મો પણ નક્કી કરી શકાય છે. તેનો ઉપયોગ હવા, વેક્યૂમ અને પ્રવાહી માધ્યમોમાં થઈ શકે છે. એ. એફ. એ. એમ. માટે ઉપયોગમાં લેવાતા પ્રોબ્સ સિલિકોન નાઇટ્રાઇડ (સી3એન4) અથવા સિલિકોન (સી) થી બનેલા હોય છે. નરમ સામગ્રી માટે નીચા સ્પ્રિંગ સ્થિરાંકો (0.01-0.5 N/m) અને સખત સામગ્રી માટે ઉચ્ચ સ્પ્રિંગ સ્થિરાંકો (42-50 N/m) ધરાવતા કેન્ટિલીવર્સનો ઉપયોગ થાય છે. પ્રોબ માળખામાં, કેન્ટિલીવર અને ટીપ સામગ્રી સમાન ન પણ હોઈ શકે. ટીપ્સ સામાન્ય રીતે અનિસોટ્રોપિક કોતરણી અથવા વરાળ સંચયનો ઉપયોગ કરીને બનાવવામાં આવે છે. પ્રોબને આડી અક્ષથી 11-15 ડિગ્રીની આસપાસના ખૂણા પર મૂકવામાં આવે છે. એ. એફ. એ. એમ. માં ગણતરી માટે બે મોડેલનો ઉપયોગ થાય છેઃ કેન્ટિલીવર ડાયનેમિક્સ મોડેલ અને કોન્ટેક્ટ મિકેનિક્સ મોડેલ. આ બે મોડેલોનો ઉપયોગ કરીને સામગ્રીના સ્થિતિસ્થાપક ગુણધર્મો નક્કી કરી શકાય છે. તમામ ગણતરીઓ લેબવ્યૂ સોફ્ટવેરનો ઉપયોગ કરીને કરવામાં આવે છે. કેન્ટિલીવરના આઈગન સ્થિતિઓની આવર્તન, અન્ય પરિમાણો વચ્ચે, ટીપ-સેમ્પલ સંપર્કની કઠોરતા અને સંપર્ક ત્રિજ્યા પર આધાર રાખે છે, જે બદલામાં નમૂના અને ટીપના યંગના મોડ્યુલસનું કાર્ય, ટીપ ત્રિજ્યા, ટીપ દ્વારા લાદવામાં આવેલ ભાર અને સપાટીની ભૂમિતિ બંને છે. આવી તકનીક થોડા દસ નેનોમીટરના રિઝોલ્યુશન સાથે સંપર્કની જડતાથી યંગના મોડ્યુલસને નિર્ધારિત કરવાની મંજૂરી આપે છે, મોડ સંવેદનશીલતા લગભગ 5 ટકા છે. નમૂનાઓ સામગ્રીના સ્થિતિસ્થાપક ગુણધર્મોની ગણતરી માટે આપણે બે નમૂનાઓ ધ્યાનમાં લેવાની જરૂર છેઃ કેન્ટિલીવર ડાયનેમિક મોડેલ-કે * (સંપર્ક જડતા) ની ગણતરી; અને હર્ટ્ઝ સંપર્ક મોડેલ-સંપર્ક મિકેનિક્સ-સંપર્ક વિસ્તારને ધ્યાનમાં રાખીને નમૂનાના ઘટાડેલા સ્થિતિસ્થાપક મોડ્યુલસ (ઇ *) ની ગણતરી. વિવિધ પદાર્થોના સ્થિતિસ્થાપક ગુણધર્મોની ગણતરી કરવાની પ્રક્રિયા ઉપર ઉલ્લેખિત બે નમૂનાઓનો ઉપયોગ આપણને વિવિધ પદાર્થોના વિવિધ સ્થિતિસ્થાપક ગુણધર્મોના યોગ્ય નિર્ધારણ તરફ દોરી જશે. ગણતરી માટે ધ્યાનમાં લેવા માટે જરૂરી પગલાંઓ છેઃ કોઈપણ બે બેન્ડિંગ સ્થિતિઓ માટે સંપર્ક પ્રતિધ્વનિ પ્રાપ્ત કરો. બે સ્થિતિઓ અલગથી અથવા એક સાથે મેળવી શકાય છે. એક સાથે સંપાદનનું મહત્વ ફેની એટ અલ દ્વારા દર્શાવવામાં આવ્યું છે. બે સ્થિતિઓના સંપર્ક-પ્રતિધ્વનિ આવર્તનને માપવાથી, બે અજ્ઞાત મૂલ્યો L1 અને k * ધરાવતા બે સમીકરણો લખી શકાય છે. બે સ્થિતિઓ માટે ટીપ પોઝિશન (L1/L) ના કાર્ય તરીકે k * ને આલેખિત કરીને, એક બે વળાંક મેળવે છે, જેનો ક્રોસ-પોઇન્ટ બંને સ્થિતિઓનો ઉપયોગ કરીને સિસ્ટમના k * નું અનન્ય મૂલ્ય આપે છે. હર્ટ્ઝ સંપર્ક મોડેલનો ઉપયોગ કરીને, k * ને E * માં રૂપાંતરિત કરી શકાય છે. ટીપના આરનું સચોટ માપન ખૂબ જ મુશ્કેલ હોવાથી, આરનું મૂલ્ય જાણવાની જરૂરિયાતને દૂર કરવા માટે સંદર્ભ નમૂના પર માપન કરવામાં આવે છે. સંદર્ભ નમૂનો આકારહીન સામગ્રી અથવા એક સ્ફટિક હોઈ શકે છે. અન્ય એસ. પી. એમ. પ્રક્રિયાઓ પરના ફાયદાઓ સંપૂર્ણ કંપનવિસ્તાર અથવા તબક્કા કરતાં આવર્તન પાળીને સચોટ રીતે માપવાનું સરળ છે. તેનો ઉપયોગ હવા તેમજ પ્રવાહી વાતાવરણમાં (ટીપાંમાં) થઈ શકે છે. કોઈપણ પ્રકારની સામગ્રીનું પરીક્ષણ કરી શકે છે. અણુ સ્તરનું રિઝોલ્યુશન. ખામીની લાક્ષણિકતા અને છુપાયેલા માળખાઓની શોધ કરી શકાય છે. નેનો મટિરિયલ સ્તરોની માત્રાત્મક લાક્ષણિકતા. નેનો સ્કેલ પર માત્રાત્મક અને ગુણાત્મક માપન. નેનો સ્તરે ડેમ્પિંગ માપન જે ક્રેક દીક્ષા અને પ્રસારનો વાસ્તવિક ખ્યાલ આપી શકે છે જે માળખાકીય સામગ્રીના કિસ્સામાં ખૂબ જ મહત્વપૂર્ણ છે. આ પણ જુઓ સ્કેનીંગ ટનલિંગ માઇક્રોસ્કોપી અલ્ટ્રાસોનિક ફોર્સ માઇક્રોસ્કોપી સ્કેનીંગ નિયર-ફિલ્ડ અલ્ટ્રાસાઉન્ડ હોલોગ્રાફી સ્કેનીંગ પ્રોબ માઇક્રોસ્કોપી સ્કેનીંગ એકોસ્ટિક માઇક્રોસ્કોપ હૂક કાયદો સંદર્ભો બાહ્ય કડીઓ એએફએએમ વિગતો સંપર્ક રેઝોનન્સ ઇમેજિંગ સ્કેનીંગ પ્રોબ માઇક્રોસ્કોપી