Bimodal atomic force microscopy
बाइमोडल परमाणु बल सूक्ष्मदर्शी (बाइमोडल ए. एफ. एम.) एक उन्नत परमाणु बल सूक्ष्मदर्शी तकनीक है जिसकी विशेषता भौतिक गुणों के उच्च-स्थानिक संकल्प मानचित्र तैयार करना है। स्थलाकृति, विरूपण, लोचदार मापांक, चिपचिपाहट गुणांक या चुंबकीय क्षेत्र मानचित्र उत्पन्न किए जा सकते हैं। बाइमोडल ए. एफ. एम. एक बल सूक्ष्मदर्शी सूक्ष्म कैन्टिलीवर के दो आइगेनमोड (अनुनाद) के एक साथ उत्तेजना और पता लगाने पर आधारित है। सांख्यिकीय और सैद्धांतिक विचारों ने द्वि-आयामी ए. एफ. एम. के विकास को प्रेरित किया। इस विधि को शुरू में वायु वातावरण में स्थलाकृतिक विपरीतता को बढ़ाने के लिए सोचा गया था। तीन बाद की प्रगति जैसे कि गैर-स्थलाकृति गुणों जैसे इलेक्ट्रोस्टैटिक और चुंबकीय अंतःक्रियाओं का पता लगाने की क्षमता; तरल और अल्ट्रा-हाई वैक्यूम में इमेजिंग और इसकी वास्तविक मात्रात्मक विशेषताओं ने आगे के विकास और अनुप्रयोगों के लिए मंच निर्धारित किया। बिमॉडल ए. एफ. एम. के सिद्धांत नमूने के साथ नोक की अंतःक्रिया उत्तेजित मोड के आयाम, चरण बदलाव और आवृत्ति अनुनाद को संशोधित करती है। उन परिवर्तनों का पता लगाया जाता है और उपकरण की प्रतिक्रिया द्वारा संसाधित किया जाता है। कई विशेषताएँ द्विमितीय ए. एफ. एम. को नैनोस्केल पर एक बहुत ही शक्तिशाली सतह लक्षण वर्णन विधि बनाती हैं। (i) संकल्प। परमाणु, आणविक या नैनोस्केल स्थानिक संकल्प का प्रदर्शन किया गया था। (ii) समवर्तीता। विभिन्न गुणों के मानचित्र एक ही समय में बनाए जाते हैं। (iii) कुशलता। सामग्री संपत्ति मानचित्र बनाने के लिए प्रति पिक्सेल अधिकतम चार डेटा बिंदुओं की आवश्यकता होती है। (iv) गति। विश्लेषणात्मक समाधान अवलोकन को भौतिक गुणों से जोड़ते हैं। कॉन्फ़िगरेशन ए. एफ. एम. में, फ़ीडबैक लूप एक निश्चित मान को टिप के दोलन का एक पैरामीटर रखकर सूक्ष्मदर्शी के संचालन को नियंत्रित करते हैं। यदि मुख्य प्रतिक्रिया लूप आयाम के साथ काम करता है, तो ए. एफ. एम. मोड को आयाम मॉडुलन (ए. एम.) कहा जाता है। यदि यह आवृत्ति बदलाव के साथ काम करता है, तो ए. एफ. एम. मोड को आवृत्ति मॉडुलन (एफ. एम.) कहा जाता है। बाइमोडल ए. एफ. एम. को कई प्रतिक्रिया लूपों के साथ संचालित किया जा सकता है। यह विभिन्न प्रकार के द्विमितीय विन्यासों को जन्म देता है। विन्यासों को ए. एम.-ओपन लूप, ए. एम.-एफ. एम., ए. एम.-एफ. एम. कहा जाता है। उदाहरण के लिए, बाइमोडल ए. एम.-एफ. एम. का अर्थ है कि पहला मोड एक आयाम मॉडुलन लूप के साथ संचालित होता है जबकि दूसरा मोड आवृत्ति मॉडुलन लूप के साथ संचालित होता है। विन्यास संवेदनशीलता, संकेत-से-शोर अनुपात या जटिलता के मामले में समतुल्य नहीं हो सकते हैं। आइए एएम-एफएम विन्यास पर विचार करें। पहला मोड मुक्त आयाम (कोई अंतःक्रिया नहीं) तक पहुंचने के लिए उत्साहित है और इसके आयाम और चरण बदलाव के परिवर्तनों को लॉक-इन एम्पलीफायर द्वारा ट्रैक किया जाता है। मुख्य प्रतिक्रिया लूप नोक ऊर्ध्वाधर स्थिति (ए. एम.) को संशोधित करके एक निश्चित निर्धारित बिंदु पर आयाम को स्थिर रखता है। एक नैनोमैकेनिकल मानचित्रण प्रयोग में, इसे 90° से नीचे रखा जाना चाहिए, यानी, ए. एफ. एम. को प्रतिकारक व्यवस्था में संचालित किया जाता है। उसी समय, एक एफ. एम. लूप दूसरे आइगेनमोड पर कार्य करता है। एक फेज-लॉक-लूप दूसरे मोड के फेज शिफ्ट को 90° पर रखते हुए उत्तेजना आवृत्ति को नियंत्रित करता है। आयाम स्थिर रखने के लिए एक अतिरिक्त प्रतिक्रिया लूप का उपयोग किया जा सकता है। द्विमितीय ए. एफ. एम. संचालन के सिद्धांत में कई पहलू शामिल हैं। उनमें से, उत्तेजित मोड के समीकरणों के संदर्भ में एक निरंतर कैंटिलीवर बीम के यूलर-बर्नौली समीकरण को व्यक्त करने के लिए अनुमान, टिप पर कार्य करने वाले अंतःक्रिया बलों का प्रकार, डिमॉड्यूलेशन विधियों का सिद्धांत या परिमित-आकार प्रभावों की शुरुआत। संक्षेप में, ए. एफ. एम. में नोक विस्थापन को एक बिंदु-द्रव्यमान मॉडल द्वारा अनुमानित किया जाता है, जहां,,,, और हैं, क्रमशः, चालन आवृत्ति, मुक्त अनुनाद आवृत्ति, गुणवत्ता कारक, कठोरता, आई-थ मोड का चालन बल, और नोक-नमूना अंतःक्रिया बल। बाइमोडल ए. एफ. एम. में, नोक (विक्षेपण) की ऊर्ध्वाधर गति के दो घटक होते हैं, प्रत्येक मोड के लिए एक, स्थिर के रूप में, पहले और दूसरे मोड विक्षेपण के साथ; और क्रमशः, मोड i का आयाम, आवृत्ति और चरण बदलाव हैं। द्विमितीय ए. एफ. एम. अवलोकन को भौतिक गुणों में बदलने वाला सिद्धांत उत्तेजित मोड की गति के समीकरणों के लिए विरियल और ऊर्जा अपव्यय प्रमेयों को लागू करने पर आधारित है। निम्नलिखित समीकरण प्राप्त किए गए थे जहाँ एक समय है जहाँ दोनों मोड का दोलन आवधिक होता है; मोड का गुणवत्ता कारक i. बाइमोडल ए. एफ. एम. ऑपरेशन में आइगेनमोड का कोई भी जोड़ा शामिल हो सकता है। हालांकि, प्रयोग आमतौर पर पहले दो आइगेनमोड को उत्तेजित करके किए जाते हैं। बाइमोडल ए. एफ. एम. का सिद्धांत सूक्ष्मदर्शी अवलोकन के साथ भौतिक गुणों को जोड़ने के लिए विश्लेषणात्मक अभिव्यक्तियाँ प्रदान करता है। उदाहरण के लिए, एक परवलयिक जांच (त्रिज्या) और रैखिक विस्कोइलास्टिक केल्विन-वोइट मॉडल द्वारा दिए गए एक टिप-नमूना बल के लिए, नमूने का प्रभावी लोचदार मापांक, संपीड़नशीलता का चिपचिपा गुणांक, हानि स्पर्शरेखा या मंदता समय द्वारा व्यक्त किया जाता है एक लोचदार सामग्री के लिए, गणना करने के लिए समीकरण का दूसरा पद गायब हो जाता है क्योंकि जो देता है। लोचदार मापांक उपरोक्त समीकरण से प्राप्त किया जाता है। हैमेकर स्थिरांक और एक लौह चुम्बकीय नमूने के चुंबकीय मापदंडों के निर्धारण के लिए अन्य विश्लेषणात्मक अभिव्यक्तियों का प्रस्ताव किया गया था। अनुप्रयोग बाइमोडल ए. एफ. एम. को सतहों और इंटरफेस की एक बड़ी विविधता को चिह्नित करने के लिए लागू किया जाता है। कुछ अनुप्रयोग स्थानिक संकल्प को बढ़ाने के लिए द्वि-आयामी अवलोकन की संवेदनशीलता का फायदा उठाते हैं। हालांकि, द्विमितीय ए. एफ. एम. की पूरी क्षमताओं को भौतिक गुणों के मात्रात्मक मानचित्रों के निर्माण में दिखाया गया है। खंड को प्राप्त स्थानिक संकल्प, परमाणु-पैमाने या नैनोस्केल के संदर्भ में विभाजित किया गया है। अल्ट्रा हाई-वैक्यूम में ग्राफीन, अर्धचालक सतहों और अधिशोषित कार्बनिक अणुओं की परमाणु और आणविक पैमाने पर रिज़ॉल्यूशन परमाणु पैमाने पर इमेजिंग प्राप्त की गई थी। प्रोटीन पर बनी जलयोजन परतों की एंगस्ट्रॉम-रिज़ॉल्यूशन छवियाँ और एक धातु-कार्बनिक फ्रेम वर्क, बैंगनी झिल्ली और एक लिपिड द्विस्तरीय के यंग के मापांक मानचित्र को जलीय घोल में रिपोर्ट किया गया था। भौतिक संपत्ति अनुप्रयोग बिमोडल ए. एफ. एम. का व्यापक रूप से उपयोग सामग्री गुणों, विशेष रूप से, यांत्रिक गुणों के उच्च-स्थानिक रिज़ॉल्यूशन मानचित्र प्रदान करने के लिए किया जाता है। पॉलिमर, डी. एन. ए., प्रोटीन, प्रोटीन फाइबर, लिपिड या 2 डी सामग्री के लोचदार और/या विस्कोलास्टिक गुण मानचित्र उत्पन्न किए गए थे। क्रिस्टल मैग्नेटिक गार्नेट, इलेक्ट्रोस्टैटिक स्ट्रेन, सुपरपैरामैग्नेटिक पार्टिकल्स और हाई-डेंसिटी डिस्क सहित गैर-यांत्रिक गुणों और अंतःक्रियाओं को भी मैप किया गया था। मात्रात्मक गुण मानचित्रण के लिए उत्तेजित मोड के बल स्थिरांक के अंशांकन की आवश्यकता होती है। संदर्भ स्कैनिंग जांच सूक्ष्मदर्शी अंतरआण्विक बल वैज्ञानिक तकनीक