در علوم مختلف مهندسی، موضوع اندازهگیری و تعیین مشخصات از اهمیت كلیدی برخوردار است به طوری كه ویژگیهای فیزیكی و شیمیایی مواد، به مواد اولیهی مورد استفاده و همچنین ریزساختار یا ساختار میكروسكوپی به دست آمده از فرایند ساخت بستگی دارد.
به عنوان مثال برای شناسایی مواد ، بدیهی است كه نوع و مقدار ناخالصیها، شكل و توزیع اندازه ذرات، ساختار بلورین و مانند آن در ماهیت و مرغوبیت محصول اثر دارند.
در ضمن برای مطالعه ریزساختارها، نیاز بیشتری به ابزارهای شناسایی و آنالیز وجود دارد. در ریزساختار یا ساختار میكروسكوپی مواد، باید نوع فازها، شكل، اندازه، مقدار و توزیع آنها را بررسی كرد. در ادامه با توجه به اهمیت دستگاهها و روشهای اندازهگیری و تعیین مشخصات به طبقهبندی این روشها پرداخته میشود.
-1 روشهای میكروسكوپی
با استفاده از روشهای میكروسكوپی تصاویری با بزرگنمایی بسیار بالا از ماده بدست میآید. قدرت تفكیك تصاویر میكروسكوپی با توجه به كمترین قدرت تمركز اشعه محدود میشود. به عنوان مثال با استفاده از میكروسكوپهای نوری با قدرت تفكیكی در حدود 1 میكرومتر و با استفاده از میكروسكوپهای الكترونی، و یونی با قدرت تفكیك بالا در حدود یك آنگسترم قابل دسترسی است. این روشها شامل TEM،AFM ،SEM ،STM میباشد[6،5].
1-2 روشهای براساس پراش
پراش یكی از خصوصیات تابش الكترومغناطیسی میباشد كه باعث میشود تابش الكترومغناطیس در حین عبور از یك روزنه و یا لبه منحرف شود. با كاهش ابعاد روزنه به سمت طول موج اشعه الكترومغناطیسی اثرات پراش اشعه بیشتر خواهد شد. با استفاده از پراش اشعه ایكس، الكترونها و یا نوترونها و اثر برخورد آنها با ماده میتوان ابعاد كریستالی مواد را اندازهگیری كرد. الكترونها و نوترونها نیز خواص موجی دارند كه طول موج آن به انرژی آنها بستگی دارد. علاوه بر این هر كدام از این روشها خصوصیات متفاوتی دارند. مثلا عمق نفوذ این سه روش در ماده به ترتیب زیر میباشد. نوترون از اشعه ایكس بیشتر و اشعه ایكس از الكترون بیشتر میباشد.
1-3 روشهای طیف سنجی
استفاده از جذب، نشر و یا پراش امواج الكترومغناطیس توسط اتمها و یا مولكولها را طیف سنجی گویند. برخورد یك تابش با ماده میتواند منجر به تغییر جهت تابش و یا تغییر در سطوح انرژی اتمها و یا مولكولها شود، انتقال از تراز بالای انرژی به تراز پایینتر، نشر و انتقال از تراز پایین انرژی به تراز بالاتر، جذب نامیده میشود. تغییر جهت تابش در اثر برخورد با ماده نیز منجر به پراش تابش میشود.
طیف سنجی جرمی
روشهای طیف سنجی جرمی از تفاوت نسبت جرم به بار اتمها و یا مولكولها استفاده میکنند. عملكرد عمومی یك طیف سنجی جرمی بصورت زیر است:
1 – تولید یونهای گازی
2 – جداسازی یونها براساس نسبت جرم به بار
3 – اندازهگیری مقدار یونها با نسبت جرم به بار ثابت
1-4 روشهای جداسازی
در نمونههایی كه حاوی چند جز نا شناخته باشد، ابتدا باید از هم جدا شده و سپس اجزا توسط روشهای آنالیز مشخص میشود. جداسازی براساس تفاوت در خصوصیات فیزیكی و شیمیایی صورت میگیرد. به عنوان مثال حالت ماده، چگالی و اندازه از خصوصیات فیزیكی مورد استفاده و حلالیت نقطه جوش و فشار بخار از خواص شیمیایی مورد استفاده در جداسازی میباشد.
سوزنها
بسته به مد مورد استفادهی AFM و خاصیت مورد اندازهگیری از سوزنهای مختلفی استفاده میشود. زمانی كه فرایند اندازهگیری مستلزم وارد كردن نیروهایی فوق العاده زیاد از جانب سوزن به سطح باشد از سوزنهای الماسی استفاده میشود. همچنین سوزنهای با روكشهای الماس گونه برای این منظور مورد استفاده قرار میگیرند. به عنوان مثال در ایجاد نانو خراشها با نیروهایی به بزرگی N سرو كار داریم (این در حالیست كه در مد تماسی نیروی وارد بر سطح N میباشد) و باید از این نوع سوزنها استفاده كنیم. پارامترهای هندسی سوزن كه نوع كارایی سوزن و میزان دقت نتایج بدست آمده را تعیین میکنند عبارتند از شكل، بلندی، نازكی (زاویه راس هرم فرضی منطبق بر نواحی نوك)، تیز ی (شعاع دایره فرضی منطبق بر نوك).
شكل 1-2 انواع شکلهای سوزن شامل نوك تخت، نوك كروی، نوك T شكل و نوك تیز
سوزنهای T شكل برای نقشهبرداری و آشكارسازی فرورفتگیهای موجود در بخشهای دیواره مانند سطح نمونه به كار میروند. این در حالی است كه سوزنهای نوك تیز این قابلیت را ندارند.
1-6 نحوة بر هم كنش سوزن با سطح
شكل 1-3 به طور نمادین بزرگی و تغییرات نیروی بین سوزن و سطح را در فواصل مختلف سوزن از سطح نشان میدهد. جهت فلشها نشان دهنده نزدیك شدن (رفت) یا دور شدن (برگشت) سوزن نسبت به سطح میباشد.
شكل 1-3سمت چپ: نمایش نمادین بزرگی تغییرات نیروی بین سوزن و سطح در فواصل مختلف سوزن از سطح سمت راست: انحراف تیرك حین رفت و برگشت در نواحی مختلف فاصله از سطح (نیروی جاذبه یا دافعه).
نکته:
باید حین فرآیند جاروب سطحی فاصلة سوزن از سطح در محدودة مناسبی باقی بماند. چرا كه از یك طرف فاصلة زیاد (در این نواحی نیروی جاذبه است) موجب كم شدن میزان انحراف لرزانك و كاهش نسبت سیگنال به نویز در تعیین مولفة Z مكان سطح میشود. از طرف دیگر فاصلة بسیار نزدیك موجب وارد شدن نیروی زیاد به سطح میشود كه علاوه بر آسیب زدن به ساختار سطح و سوزن موجب كاهش درجة تفكیك خواهد شد.
1-7مدهای تماسی
مطابق تعریف به ناحیهای ” ناحیة تماس ” میگویند كه نیروی بین سوزن و سطح دافعه باشد. در مقایسه با مدهای دیگر نیروی وارد شده به سطح در مدهای تماسی بزرگتر است. از طرفی به دلیل تماس پیوستة سوزن با سطح حین فرآیند روبش نیروهای اصطكاك قابل توجهی (علاوه بر نیروی عمودی) به سطح و سوزن وارد میشود كه موجب آسیب دیدگی سطوح حساس و كند شدن سوزن میگردد.
شکل 1-4 مقایسه نمادین بین حالت تماسی و حالت غیرتماسی
فرم در حال بارگذاری ...
