1. Hiển vi đầu dò quét Hiển vi quét đầu dò quét tên ti ếng anh là Scanning probe microscopy, thườ ng ng viết tắt là SPM .
Hiển nhọn
ng: vớ i các đầu dò kim loại r ất mãnh có đầu vi đầu dò quét d ựa trên hiện tượ ng:
kích thướ c nguyên t ử, khi đưa các đầu dò này vào sát b ề mặt mẫu v ật ở khoảng
cách nanomet thì s ẽ xuất hiện lực
tương tác giữa các nguyên t ử của đầu dò và các
nguyên tử của bề mặt vật mẫu.
Như vậy, trong hiển vi đầu dò quét: Ngu ồn là kim dò; Tín hi ệu phản hồi là dòng tuel lực nguyên t ử; Độ phóng Độ phóng đại tối đa và độ phân giải đến nanomet.
Có hai loại hiển vi đầ u dò quét
-
Hiển vi đầu dò quét chui h ầm
-
Hiển vi đầu dò lực nguyên t ử
Ưu điểm của kính hiển vi đầu dò quét -
Độ phân giải của kính không bị giới hạn do hiện tượng nhiễu xạ, mà chỉ bị giới
hạn bởi kích thước của tương tác giữa đầu dò và mẫu, có thể nhỏ tới cấp picomet (10 -12 m). -
Tương tác giữa mũi dò và mẫu được sử dụng làm một công cụ thao tác trên bề
mặt, nhằm tạo ra các chi tiết nhỏ trong công nghệ nano (đây là kỹ thuật nanolithography - điêu khắc nano ).
Nhược điểm của kính hiển vi đầu dò quét -
Quá trình ghi ảnh thường rất chậm do quá trình quét đòi hỏi thời gian lớn.
-
Kích thước ảnh không lớn
-
Chỉ cho ảnh vi cấu trúc bề mặt.
1.1 Hiển vi đầu dò quét chui hầm 1.1.1 Giớ i thiệu sơ lượ c Hiển vi đầu dò quét chui h ầm tên tiếng anh là scanning tunneling microscop, viết tắc STM. Hiển
vi đầu dò quét chui h ầm được phát minh năm 1981 và hai nhà phát
minh ra thiết bị này là Gerd Binnig và Heinrich.
Hiển vi đầu dò quét chui h ầm đượ c sử dụng để quan sát hình thái h ọc bề mặt của vật r ắn ho ạt động d ựa trên vi ệc ghi lại dòng chui h ầm c ủa điện t ử khi sử dụng m ột
mũi dò quét trên bề mặt mẫu. Hiển vi đầu dò quét chui h ầm là một công cụ mạnh để quan sát c ấu trúc bề mặt của vật rắn với độ phân giải tớ i cấp độ nguyên tử. 1.1.2 C ấu tạ o củ a hiển vi đầ u dò quét chui h ầ m Hiển vi đầu dò quét chui h ầm gồm có các b ộ phận chính sau:
-
Đầu dò
-
Bộ áp điện
+ Bộ điều khiển quét xy + Bộ điều khiển hồi tiếp
-
Bộ phận chống rung
-
Máy tính Hình. Cấu t o hiển vi đầu dò quét chui h ầm
1.1.2.1 Đầu dò -
Cách chế tạo
Dây vonfram đượ c chế tạo bằng phương pháp khắc điện hóa hoặc đượ c mài nhọn vớ i bột Fe.
Đượ c cắt từ dây Pt-Ir. -
Đường kính vài trăm nm (kích thướ c cỡ nguyên tử)
Hình. Đầu dò
1.1.2.2 Bộ áp điện
Là trung tâm v ận hành c ủa hiển vi quét chui hầm.Giúp
mũi dò di chuyển
tinh tế hơn. Có hai loại bộ áp điện là: triod và tube
Hình. Bộ áp điện
Hình. Triod và tube
Bộ điều khiển XY: Là b ộ phận điều khiển định v ị vị trí mũi dò ( áp điện X và Y có th ể dãn nở khi
đặt vào nó 1 hi ệu điện th ế) khi nó di chuyển r ất sát vật mẫu và
quét trên mặt phẳng XY song song v ớ i bề mặt mẫu.
Bộ điều khiển nối tiếp: Mạch hồi tiếp để giữ cho dòng chui ng ầm không
đổi,bằng cách điều chỉnh khoảng cách gi ữa mũi dò và mẫu( trục z),kho ảng cách này được điều khiển b ằng 1tinh thể áp điện (áp điện z)có thể dãn nở khi đặt vào nó 1 hi ệu điện thế. 1.1.2.3 Bộ phận chố ng rung
Hình. Bộ phận chống rung
1.1.3 Nguyên lý củ a hiển vi đầu dò quét chui h ầ m
-
Dựa trên cơ chế hiện tượ ng xuyên h ầm (chui hầm) của đầu dò.
Hình. Cơ chế quét của đầu dò
dẫn
Mũi dò và mẫu tạo thành 2 c ực điện. Mũi dò được đặ t sát bề mặt mẫu
điện t ớ i mức xu ất hi ện dòng điện t ử chui hầm gi ữa mũi dò và mẫu. Dòng điện t ử
chui hầm này ph ụ thuộc vào kho ảng cách c ủa tip – mẫu.
-
Nếu m ẫu d ẫn điện có c ấu trúc điện tử v à m ật
độ trạng thái đồng đều khi
đầu dò quét trên một diện tích nhỏ bề mặt theo 2 phương x,y, I và thu được dòng điện tích chui hầm I
ở từng vị trí đó, thì tập hợ p các giá tr ị x,y,I tạo nên ảnh địa hình b ề
mặt.
-
Nếu m ẫu r ất ph ẳng, thì khoảng cách giữa tip- mẫu
không đổi -> dòng sẽ
liên quan đến sự thay đổi cấu trúc điện, mật độ trạng thái c ủa mẫu. -
Khi khoảng cách tip-m ẫu vào kho ảng 0.5- 1 nm thì hàm só ng điện tử của
tip-mẫu ph ủ nhau, tạo ra kh ả năng các điện tử
vượ t qua rào th ế tớ i tip hay mẫu -> hiện
tượ ng xuyên hầm. -
Có 2 chế độ hoạt động: dòng không đổi và độ
cao không đổi:
Ở chế độ dòng không đổi: dòng giữa tip- mẫu không đổi qua h ệ
thống điều khiển phản hồi, tip dịch chuyển theo hướng x,y,z tuân theo đị a hình b ề mặt,
độ thay đổi theo chiều cao (z) đ ượ c sử dụng để tạo địa hình.
Ở chế độ chiều cao không đổi , v ị trí z của tip giữ không đổi, d òng
tip-mẫu nhận đượ c nhờ hệ thống thu trong khi tip quet trên bề mặt mẫu.
Hình. Chế độ dòng không đổi và chế độ chiều cao không đổi
- Như vậ y, hiển vi đầu dò quét chui h ầm là thiết b ị quan sát vi c ấu trúc bề mặt thuộc về nhóm thiết bị kính hiển
vi quét đầu dò, tức là vi ệc ghi ảnh dựa trên
nguyên tắc quét đầu dò trên b ề mặt. 1.1.4
Ưu nhược điể m củ a hiển vi đầu dò quét chui h ầ m
1.1.4.1 Ưu điể m của hiển vi đầu dò quét chui h ầm
-
Hiển
(cấu trúc v ật lý, cấu
vi đầu dò quét là m ột k ỹ thuật ghi ảnh hình thái học và c ấu trúc
trúc điện từ...) bề mặt với độ phân giải rất cao và cho ảnh chất
lượ ng cao. -
Hiển vi đầu dò quét
không đòi hỏi việc phá h ủy mẫu như kính hiển vi
điện tử truyền qua (thiết bị chụp ảnh với độ phân giải tương đương). -
Hiển vi đầu dò quét còn cho phép t ạo ra các phép thao tác trên b ề mặt
cho quá trình ch ế tạo. 1.1.4.2 Nhược điể m của hiển vi đầ u dò quét chui hầm
-
Mẫu sử dụng trong hiển vi đầu dò quét phải là mẫu dẫn điện hoặc bán
-
Việc đo đạc hiển vi
dẫn.
đầu dò quét đòi hỏi bề mặt mẫu siêu sạch và vi ệc
chống rung là một đòi hỏi lớ n. -
1.1.5
-
Tốc độ ghi ảnh trong hi ển vi đầu dò quét th ấp.
Ứ ng d ụ ng củ a hiển vi đầu dò quét chui h ầ m
Định hướ ng nguyên tử: Nghiên cứu tính chất bề mặt của vật liệu, như
cấu trúc nguyên t ử GaSa (110)
-
Phổ học.
-
Ứ ng dụng trong công ngh ệ khắc, sản xuất các nguy ên t ứ với độ phân
giải cấp nguyên t ứ:
dùng mũi nhọn cọ xát trực tiếp vơi bề mặt, dung dòng tunnel để
đốt bề mặt -
Ứ ng dụng trong hóa h ọc, sinh học hữu cơ, khảo sát bề mặt, vi điện tử…
Hình. Bề mặt của Cr
Hình. Bề mặt của Fe
1.2 Hiển vi đầu dò lự c nguyên tử 1.2.1 Giớ i thiệu sơ lượ c Kính hiển vi lực nguyên t ử hay kính hiển vi nguyên t ử lực tên tiếng Anh là Atomic force microscope , viết tắt là AFM
Hiển
vi đầu dò nguyên tử đượ c sáng ch ế bở i Gerd Binnig, Calvin Quate và
Christoph Gerber Hiển
vào năm 1986.
vi đầu dò lực nguyên tử là m ột thiết b ị quan sát cấu trúc vi mô bề mặt
của vật rắn d ựa trên nguyên t ắc xác đị nh lực tương tác nguyên tử giữa một đầu mũi dò nhọn vớ i bề mặt của mẫu, có th ể quan sát
Hình: Gerd Binning và Heinrich Rohrer
ở độ phân giải nanômét.
Hình. Má AFM đầu tiên t i Đ i h c Luân
1.2.2 C ấu tạ o củ a hiển vi đầ u dò l ự c nguyên tử Gồm có 6 b ộ phận chính
-
Một mũi nhọn
-
Cần quét ( cantilever).
-
Nguồn Laser.
-
Phản xạ gương (miroir ).
-
Hai nữa tấm pin quang điện (photodiod)
-
Bộ quét áp điện.
1.2.2.1 M ột mũi nhọn
Đượ c làm bằng Si3N4, kích thướ c khoảng 1 nguyên tử
Hình. Mũi nh n 1.2.2.2 C ần quét (cantilever)
Đượ c cấu tạo từ Si3N4
Hình. Cần quét (Cantilever)
1.2.2.3 Nguồn Laser
Hình. Nguồn Laser
1.2.2.4 Phản xạ gương (miroir)
Hình. Phản xạ gương
1.2.2.5 Hai nữ a t ấm pin quang điện (photodiod)
Hình. Hai nử a tấm
in uan đi n
1.2.2.6 Bộ quét áp điện
Hình. Bộ quét áp điện
1.2.3 Nguyên lý hoạt độ ng củ a hiể n vi l ự c nguyên t ử
-
Bộ phận chính của hiển
vi đầu dò lực nguyên tử là một mũi nhọn
đượ c gắn trên một thanh rung ( cantilever ). Mũi nhọn thường đượ c làm bằng Si hoặc SiN và kích thướ c của đầu mũi nhọn là m ột nguyên tử.
-
Khi mũi nhọn quét gần bề mặt mẫu vật, sẽ xuất hiện lực Van der
Waals giữa các nguyên tử tại b ề mặt mẫu và nguyên t ử tại
đầu mũi nhọn (l ực nguyên
tử) làm rung thanh cantilever. L ực này ph ụ thuộc vào kho ảng cách giữa đầu mũi dò và bề mặt của mẫu.
-
Dao
động của thanh rung do l ực tương tác đượ c ghi lại nhờ một tia
laser chiếu qua b ề mặt c ủa thanh rung, dao độ ng c ủa
thanh rung làm thay đổi góc lệch
của tia lase và đượ c detector ghi l ại.
-
Việc ghi lại l ực tương tác trong quá trình thanh rung quét trên bề mặt
sẽ cho hình ảnh cấu trúc b ề mặt của mẫu vật.
Hình. Đầu dò tiếp xúc vớ i bề mặt mẫu
Hình. Cơ chế hoạt động của AFM
1.2.4 Chế độ ghi ả nh
Hiển vi đầu dò lực nguyên tử có thể hoạt động ở nhiều chế độ khác nhau, nhưng có thể chia thành các nhóm chế độ: -
Chế độ tĩnh (Contact mode),
-
Chế độ động ( Non-contact mode)
-
Chế độ đánh dấu ( Tapping mode)
1.2.4.1 Chế độ tĩnh ( chế độ tiế p xúc)
Chế
độ tiếp tĩnh là chế độ mà khoảng cách gi ữa đầu mũi dò và bề mặt
mẫu
đượ c gi ữ không đổi trong quá trình quét, và tín hi ệu ph ản h ồi t ừ tia laser s ẽ là tín
hiệu
tĩnh. Ở khoảng cách này, l ực hút sẽ trở nên mạnh và cantilever b ị kéo lại r ất g ần
bề mặt (gần
như tiếp xúc). Tuy nhiên, b ộ điều khiển ph ản hồi sẽ điều ch ỉnh để khoảng
cách giữa mũi và bề mặt là không đổi trong su ốt quá trình quét.
Mũi đầu dò đượ c kéo lê trên b ề mặt mẫu và cho ảnh địa hình làm cho phương pháp có nhiều nhược điểm như sau: -
Dễ phá hủy đầu dò và phá h ủy mẫu.
-
Chịu ảnh hưở ng nhiều của lớ p vật chất hấp thụ trên bề mặt mẫu.
Khắc phục: Nếu làm việc trong môi trườ ng chân không cao.
Hình. Chế độ tiếp xúc tĩnh
1.2.4.2 Chế độ động (chế độ không tiế p xúc)
Chế độ động (hay chế độ không tiếp xúc) là chế độ mà cantilever bị kích thích bởi ngoại lực, dao động với tần số gần với tần số dao động riêng của nó. Tần số, biên độ và pha của dao động sẽ bị ảnh hưởng bởi tương tác giữa mẫu và mũi dò, do đó sẽ có thêm nhiều thông tin về mẫu được biến điệu trong tín hiệu. Chế độ không tiếp xúc là kỹ thuật tạo ảnh độ phân giải cao đầu tiên được thực hiện trên hiển vi đầu dò lực nguyên tử trong môi trường chân không cao. Trong chế độ này đầu dò luôn giữ một khoảng cách rất nhỏ ngay sát bề mặt mẫu (10 – 15 nm) sự thay đổi độ lệch của lò xo do thay đổi lực hút sẽ được ghi nhận và tạo ảnh ba chiều trên bề mặt mẫu.
Nhược điểm -
Lực hút quá yếu và đầu dò phải đặt sát bề mặt mẫu dễ bị kéo
xuống bề mặt mẫu do lực căng và bề dầy của các lóp hấp phụ. -
Hình ảnh có độ phân giải kém và dễ bị sai lệch.
Hình. Chế độ không tiếp xúc
1.2.4.3 Chế độ đánh dấu
Chế độ đánh dấu thực chất là một cải tiến của chế độ động không tiếp xúc.
Trong chế độ này, cantilever được rung trực tiếp bằng bộ dao động áp điện gắn
trên cantilever với biên độ lớn tới 100 -200 nm, và tần số rất gần với tần số dao động riêng.
Chế độ khắc phục được gần như tất cả nhược điểm của các chế độ khác như: -
Tránh được sự kéo lê đầu dò trên bề mặt mẫu, không bị phá hủy
-
Tránh được sự nhiễu xạ hình ảnh do những lớp chất lỏng bám vào
mẫu và đầu dò. bề mặt mẫu.
Hình. Chế độ đánh dấu
1.2.5 Phân tích phổ hiển vi đầu dò lực nguyên tử Vì hiển vi đầu dò lực nguyên tử
hoạt động dựa trên việc đo lực tác dụng nên nó
có một chế độ phân tích phổ, gọi là phổ lực hiển vi đầu dò lực nguyên tử ( force spectrocopy),
là phổ phân bố lực theo khoảng cách: lực Van der Waals , lực Casmir ,
lực liên kết nguyên tử... với thời gian hồi đáp nhanh cỡ ps (10 -12 giây), độ chính xác tới pN (10-12 Newton)
và độ phân giải về khoảng cách có thể tới 0,1 nm. Các phổ này có
thể cung cấp nhiều thông tin về cấu trúc nguyên tử của bề mặt cũng như các liên kết hóa học 1.2.6
Ưu điểm và nhược điểm của hiển vi đầu dò lực nguyên tử
1.2.6.1 Ưu điểm của hiển vi đầu dò lực nguyên tử
-
Hiển
vi đầu dò lực nguyên tử khắc ph ục nhược điểm c ủa hiển vi đầu
dò quét, có thể chụp ảnh bề mặt của tất cả các loại mẫu k ể cả mẫu không dẫn điện. -
Hiển
vi đầu dò lực nguyên tử không đòi hỏi môi trườ ng chân không
cao, có th ể hoạt động ngay trong môi trường bình thườ ng. -
Hiển
chuyển và xây d ựng
vi đầu dò lực nguyên t ử cũng có thể tiến hành các thao tác di ở cấp độ từng nguyên t ử, một tính năng mạnh cho công ngh ệ
nano. Đồng thờ i hiển vi đầu dò lực nguyên tử cũng hoạt động mà không đòi hỏ i sự phá hủy hay có dòng điện nên còn r ất hữu ích cho các tiêu b ản sinh học. -
Mẫu
đượ c chuẩn bị đơn giản, cho thong tin đầy đủ hơn so vớ i kính
truyền qua. 1.2.6.2 Nhược điể m của hiể n vi đầu dò lự c nguyên t ử
-
Hiển
vi đầu dò lực nguyên tử quét ảnh trên m ột di ện tích hẹp (t ối đa
đến 150 micromet). -
Tốc độ ghi ảnh chậm do hoạt động ở chế độ quét.
-
Chất lượ ng ảnh bị ảnh hưở ng bở i quá trình tr ễ của bộ quét áp điện.
-
Đầu dò rung trên b ề mặt nên kém an toàn, đồ ng thời đòi hỏi mẫu có
bề mặt sạch và s ự chống rung.
1.2.7 Ứ ng dụng
-
Chụp ảnh cắt lớ p nhanh.
-
Mô tả, phân tích, xác định đặc điể m bề mặt.
-
Kiểm soát chất lượ ng, kiểm tra khuyết tật vật liệu,.
-
Đo cơ học đơn phân tử .
-
Ngoài ra, có r ất nhiều
ứng dụng trong công ngh ệ như: công ngh ệ
nano(nanotechnology), công ngh ệ bán dẫn,
dượ c phẩm, sinh học,công nghệ vật
liệu.v.v.
Hình ảnh chụp bằng AFM của lớp phủ polymer mềm trên cạnh của một lưỡi dao giúp làm sáng tỏ cơ chế của sự tích tụ polymer trên bề mặt thép
Hình chụp bằng AFM của một chuỗi DNA được hình dung như một phức hợp màng RecA protein. Cả 2 hình là của cùng một phân tử, ngoài trừ màu sắc khác nhau Scan courtesy J. Brockman, F. Harmon and S. Kowalczykowski, University of California, USA
