หลักการ
กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม (Atomic Force Microscope) หรือ AFM เป็นกล้องจุลทรรศน์ชนิดหัวอ่านส่องกราด (Scanning Probe Microscopes, SPMs) ชนิดหนึ่ง AFM มีหลักการทำงานโดยการใช้หัวอ่านซึ่งเป็นเข็มขนาดเล็กประมาณ 10 นาโนเมตร เป็นตัววัดแรงดึงดูดหรือแรงผลักที่เกิดขึ้นระหว่างหัวเข็มกับพื้นผิวที่ต้องการวิเคราะห์เพื่อสร้างเป็นภาพ โดยเมื่อกดหัวอ่านลงบนผื้นผิวที่จะตรวจวัด จะเกิดแรงที่กระทำต่อก้าน (cantilever) ของหัวอ่าน จะทำให้หัวอ่านเอียงด้วยมุมต่างๆ กันตามสภาพความสูงต่ำของพื้นผิวซึ่งจะสามารถตรวจวัดได้จากมุมสะท้อนของลำแสงเลเซอร์ที่ยิงลงไปยังก้านของหัวอ่าน จากนั้นคอมพิวเตอร์ก็จะแปลงสัญญาณออกมาเป็นภาพของพื้นผิวที่ต้องการตรวจสอบได้ โดย AFM มีความสามารถพิเศษคือสามารถใช้ได้กับพื้นผิวที่หลากหลายทั้งที่เป็นฉนวนและพื้นผิวที่นำไฟฟ้าได้ และมีระดับความสูงต่ำ (roughness) ไม่เกิน 4 ไมโครเมตร และขนาดภาพสแกนใหญ่ที่สุดไม่เกิน 100 ไมโครเมตร
ข้อมูลจำเพาะ
1. สำหรับขนาดของตัวอย่างควรมีขนาดไม่เกิน 3x5x1 (กว้างxยาวxสูง) เซนติเมตร
2. สำหรับความกว้างสูงสุดในการแสกน ในแนวแกน X,Y สามารถสแกนได้สูงสุดไม่เกิน 100 ไมโครเมตร และสามารถสแกนพื้นผิวที่มีความขรุขระได้ไม่เกิน 4 ไมโครเมตร
3. ไม่สามารถสแกนพื้นผิวที่มีลักษณะเป็นกรด หรือมีการระเหยของกรดได้
4. ไม่สามารถวิเคราะห์ลักษณะพื้นผิวของตัวอย่างที่มีลักษณะเป็นน้ำมัน หรือตัวอย่างที่เปียกชื้น
5. สำหรับการวิเคราะห์แบบให้ความร้อนกับผิวของชิ้นงาน จะสามารถให้ความร้อนได้ตั้งแต่อุณหภูมิห้องไปจนถึง 800 องศาเซลเซียสได้ แต่สำหรับการวิเคราะห์ลักษณะผิวของชิ้นงานจะสามารถวิเคราะห์ได้ตั้งแต่ช่วงอุณหภูมิห้องไปจนถึง 300 องศาเซลเซียส
ความสามารถในการให้บริการวิเคราะห์ทดสอบ
1. AFM (Atomic Force Microscope: Contact Mode) เป็นโหมดสำหรับวัดคุณสมบัติทางด้านกายภาพ (physical property) โดยที่หัววัดสัมผัสกับผิวของตัวอย่าง เหมาะกับลักษณะผิวตัวอย่างที่แข็ง เช่น ฟิล์มบาง เป็นต้น สามารถวิเคราะห์ค่า Ra (roughness), friction Force, particle & grain analysis, pitch & height measurement
2. DFM (Dynamic Force Microscope: Non contact Mode) เป็นโหมดสำหรับวัดคุณสมบัติทางด้านกายภาพโดยที่หัววัดจะไม่สัมผัสกับผิวของตัวอย่าง เหมาะกับลักษณะผิวตัวอย่างที่อ่อนนุ่ม เช่น พอลิเมอร์ เป็นต้น สามารถวิเคราะห์หาค่า Ra (Roughness), phase Analysis, particle & grain analysis, pitch & height measurement
3. VE-AFM / VE-DFM (Viscoelastic AFM / DFM) เป็นโหมดสำหรับวัดลักษณะความยืดหยุ่นของสารจำพวกพอลิเมอร์ที่รวมกันอยู่หลายๆ ชนิด ทำให้เห็นลักษณะการกระจายตัวกันของพอลิเมอร์ได้
4. MFM (Magnetic Force Microscope) เป็นโหมดที่ใช้ในการวัดการกระจายตัวของแรงแม่เหล็กบนพื้นผิวได้ โดยใข้หัววัดที่เคลือบสารโคบอลต์ซึ่งมีคุณสมบัติความเป็นสารแม่เหล็ก (Ferromagnetic) เหมาะสำหรับตัวอย่างพวก magnetic storage, memory เป็นต้น
5. AFM, DFM in Vacuum And Control Temperature เครื่อง AFM ของศูนย์นาโนเทคโนโลยีแห่งชาติ สามารถที่วัดในสภาวะสุญญากาศได้ และสามารถที่จะควบคุมอุณหภมิที่ป้อนให้กับผิวของตัวอย่างได้ และสำหรับในส่วนของการควบคุมความเย็นจะใช้ไนโตรเจนเหลวเพื่อให้ความเย็นกับผิวของตัวอย่าง ซึ่งทำให้สามารถเห็นความเปลี่ยนแปลงของสภาพพื้นผิวได้ในขณะที่ทำการวัด
การประยุกต์ใช้งาน
1. วิเคราะห์พื้นผิวโลหะ เช่น ผิวของวัสดุพวกเหล็ก อะลูมิเนียม เพื่อดูลักษณะพื้นผิวและความขรุขระ
2. วิเคราะห์พื้นผิวของฟิล์มบาง เพื่อดูความขรุขระ และดูการกระจายตัวของสารเคลือบบนผิวฟิล์มบาง
3. วิเคราะห์ลักษณะพื้นผิวของตัวอย่างทางด้านชีวภาพ เช่น ลักษณะของตัวอย่างดีเอ็นเอเมื่อมีการนำสารพวกพอลิเมอร์เข้าไปผสม หรือดูลักษณะของเซลล์แบคทีเรีย เป็นต้น
4. วิเคราะห์ความหนาของแผ่นฟิล์ม หรือวิเคราะห์ความลึกของรอยตำหนิที่เกิดขึ้นในกระบวนการผลิต เช่น วิเคราะห์ความลึกของสารเคลือบบนแว่นตา วิเคราะห์ความหนาของสารเคลือบฟิล์มในระดับนาโนเมตรของกระจกรถยนต์ เป็นต้น
5. วิเคราะห์ลักษณะของสนามแม่เหล็กบนแผ่นฮาร์ดดิสก์ หรือเครื่องบันทึกข้อมูลที่ใช้แถบแม่เหล็กต่างๆ
6. วิเคราะห์ดูขนาดของอนุภาคนาโนชนิดต่างๆ ที่เคลือบเกาะบนผิวของตัวอย่าง เช่น วิเคราะห์ขนาดของอนุภาคไททาเนียมนาโนบนผิวของกระจกที่สามารถทำความสะอาดตัวเองได้ เป็นต้น
7. วิเคราะห์ดูการกระจายตัวของสารหลายๆ ชนิดที่รวมตัว หรือกระจายตัวกันอยู่บนพื้นผิวของตัวอย่าง เช่น ฟิล์มพอลิเมอร์ที่ประกอบไปด้วยสารพอลิเมอร์หลายๆชนิด จะทำสามารถเห็นการรวมตัว หรือการกระจายตัวกันของสารได้