Giáo trình Kỹ thuật phân tích Vật lý: Phần 2 - PGS.TS Phạm Ngọc Nguyên

Nội dung giáo trình Kỹ thuật phân tích Vật lý được chia thành 4 phần, phần thứ nhất trình bày những kiến thức cơ bản về vi cấu của vật liệu, đặc biệt là vật liệu tinh thể; phần 2 đề cập đến kỹ thuật nhiễu xạ như nhiễu xạ tia và nhiễu xạ điện tử; phần 3 là kỹ thuật hiển vi bao gồm hiển vi điện tử quét, hiển vi điện tử truyền qua, hiển vi đầu dò quét;... Mời các bạn cùng tham khảo nội dung phần 1 giáo trình dưới đây.

HIEN VI BIEN TYE TRUYEN QUA

hệ ghi số đặt dưới buồng quan sắt

Các mẫu dạng đĩa với đường kính cỡ 3 mm được đưa vào buồng kính hiển vi

175

HIẾN VỊ ĐIỆN TỬ TRUYỂN

QUA

tử Các kính hiển vi điện tử hiện đại cho phép các điều kiện vận hành đều

phóng đạt, v.v Hơn thế nữa, nhà sản xuất thường cung cấp các tài liệu rất hữu ích giúp cho người vận hành tự chẩn đoán trạng thái thiết bị khi vận

hành, bảo dưỡng và sửa chữa

5.1 Thuyết động học về tương phản trên ảnh

5.1.1 Khái niệm

Trong chương 3 ta đã khảo sát ảnh nhiễu xạ từ tỉnh thể, tức là biên độ sóng nhiều xạ ở khoảng cách rất xa kể từ tỉnh thể mà thực tế là ở vô cùng Để tính toán sự tương phản ảnh cần phải thiết lập sự phân bố cường độ ở dưới bề mặt tỉnh thể mà nó sẽ tạo nên ảnh nhờ thấu kính

Tương phản nhiễu xạ phát sinh khi sử dụng trong hệ một điapham khẩu độ nào đó mà nó cho phép qua hoặc là chùm nhiễu xạ hoặc là chùm thang, hình 5.2 Trong trường hợp cho qua chùm thẳng ta có ảnh trường sáng và

Boi vay cần phải tính sự phân bố cường độ hoặc là của chùm xuyên thẳng

hoặc là của chùm nhiễu xạ ở bẻ mặt dưới của tinh thể

5.1.2 Ảnh trường tối

Để tính biên độ sóng nhiễu xạ ở dưới bề mặt tỉnh thể ta phân chia nó thành nhiều lớp song song với bề mặt Nếu chùm nhiễu xạ đi theo hướng như trên

hình 5.3 thì ta tính biên độ tại điểm P nhờ cách dựng đối với mỗi lớp mặt

phẳng vùng frenen xung quanh điểm cắt của tia với mặt phẳng này Sự đóng

góp lớn nhất vào biên độ sóng từ mỗi mặt phẳng sinh ra ở một số vùng đầu - tiên (giả sử là mười) tức là từ khu vực bán kính ~3#, ở đây R là bán kính vùng đầu tiên Vì R = (Ax)'”, khu vực này trên mặt phẳng gần A sẽ vô cùng nhỏ mặc dù tính thể có chiều dày ~ 1000 A, gid ti R~ 6 A Phương pháp

khảo sát khác là nhờ biểu đồ biên độ-pha được xây dựng trên cơ sở giả thiết rằng mỗi phần tử diện tích đều tán xạ giống nhau Song, vì mặt phẳng bao gồm các nguyên tử rời rạc, khu vực được khảo sát gồm một lượng nguyên tử

đủ lớn sao cho sự thăng giáng là đều Hai lý do này đưa đến giả thiết rằng

bán kính trung bình của khu vực mạng đóng góp hiệu dụng vào biên độ sóng

tương ứng với một số nguyên tử để cho tổng sự đóng góp chỉ là từ cột tỉnh

177

HIỂN VỊ ĐIỆN TỬ TRUYỀỂN QUA

nhiễu xạ từ mỗi mặt phẳng phát sinh ở một số ít vùng Frenen đầu tiên;

một số vùng này được chỉ rõ trong hình vẽ

Áp dụng công thức chiều dày tắt (3.34): _

_ ZŸ cosØ

AF ấn:

HIỂN VI ĐIỆN TỬ TRUYỀỂN QUA

Hình 5.7 Vân chiều dày trong nhôm (AI) quanh hố sâu tròn

181

HIỂN VỊ ĐIỆN TỬ TRUYỀN QUA

vuông góc với cột Sau khi thay tổng bằng tích phân ta nhận được biên độ sóng tán xa tại bề mặt dưới tỉnh thể như sau

Ộ, = z Jexp(- Inig.R)exp(—27isz)dz (5.7)

£0

Như vậy, sự có mặt không hoàn chỉnh đã dẫn đến nhân số pha phụ exp(-iœ),

ở đây œ = 2ZzeR Kết quả đó cũng thu được trong mục 3.1.4 của chương 3 khi

khảo sát biên độ sóng nhiễu xạ bởi tính thể sai hỏng Đối với vài mục đích,

để thuận lợi ta trình bày nhân số pha dưới dạng công thức khác Trong

thông số lệch của mạng đảo Song sự sai hỏng có thể khảo sát như là sự thay đổi địa phương của định hướng và thông số mạng đảo Nếu ta ký hiệu ø là vectơ địa phương của mạng đảo sai hỏng, thì nó được xác định theo hệ thức:

này, hai là lấy tích phân phương trình (5.7) Song điều đáng chú ý đó là nếu

độ dịch R vuông góc với g thì tương phan sẽ không có Đó cũng là cơ sở để xác định vectơ Burgers Ngược lại, độ tương phản là cực đại nếu Ö song song với ø Để khảo sát hiệu ứng này nên sử dụng đại lượng Ag Hệ thức (5.8)

thoả mãn đối với mọi điểm gần r„„ vì thế hai điểm cách nhau một khoảng đx, của thành phần Ag dọc x;, tức là Ag,;, được biểu thị dưới dạng sau

HIẾN VỊ ĐIỆN TỬ TRUYỀN QUA

Hình 5.9 Sự thay đổi thông số lệch s do phép quay địa phương ôộ và thay

đổi thông số mạng Vectơ mạng đảo OG quay di mét géc 56 va kéo dai

thêm một lượng (4g )¿ thành vectơ OG’

trong đó

là hàm tuyến tính của vị trí vectơ r tren bé mat phân chia (với thành phần x, s °

va x, doc theo ø và vuông góc với ø trên bề mặt này)

Dưới đây sẽ khảo sát một số thí dụ cụ thể

5.1.4.2 Sai hỏng xếp

Đây là đạng đơn giản nhất của sự không hoàn chỉnh Phần tinh thể phía trên

và dưới khuyết tật giống nhau về thông số và định hướng, song dịch tương

đối so với nhau một vectơ không đổi ®, hình 5.10 Bởi vậy nhân số pha @

185

HIỂN VI ĐIỆN TỬ TRUYỂN QUA

«

ở đây m - sỐ nguyên Với ø = 2mz, m 1a s6 nguyên khuyết tật như đã nói trên là không thể thấy được Bởi vậy khuyết tật được khảo sát sẽ không thấy

ở phản xạ (220) va BT 1 1) Khuyết tật luôn thấy ở phản xạ bất kỳ kiểu (200)

Sự phân bố cường độ dễ dàng tìm ra từ phương trình (5.7) Nếu khuyết tật

được tìm ở chiều sâu ¢, thì biên độ tán xạ của cột là

0, = | fexp(- 27isz)dz + fexp(- ia)exp(- aia | : (5.17)

?, = = exp(- mist, [sin 20, S+ exp(- ¡z)exp(- nist)sin a(t -f rr)s | (5 18)

Sự phân bố cường độ được xác định bằng công thức

187 (5.19)

HIEN Vi DIEN TY TRUYEN QUA

Hinh 5.12 (a) Cét PP” chita sai hỏng xếp tại điểm Q, (b) biểu đồ biên độ-

pha của nó Góc ø = -120! Biên độ tổng cộng là vectơ PP", biên độ của cột tương ting trong tinh thé hoan chinh la vecta PP’

tron dau tiên, và vì sự khác nhau tương ứng trong độ dài cột ở dưới tính thể cũng là s` nên điểm P" sẽ nằm ở vị trí trên vòng tròn thứ hai Độ tương phản

ở hai điểm này sẽ như nhau, và: phát sinh loạt dải song song với đường cắt của khuyết tật với bề mặt Khuyết tật xếp song song với mặt phẳng màng sẽ không cho dải, chúng sẽ có vẻ hoặc là tối hơn hoặc là sáng hơn phông tròn, phù hợp với giá trị ï, f, s và œ trong công thức (5.20)

Tất nhiên, ngay cả với cấu trúc khác khuyết tật có biên giới miền ngược pha, thí dụ, z= øZ và n - không nguyên, cũng được khảo sát dưới dạng dải khuyết

tật XẾp

Sự tách lớp rất mỏng có thể tạo nên sự u dich chuyén hiéu qua của phần tinh thể này so với phần tinh thể kia không bằng vectơ lan truyền mạng Trong trường hợp này có thể quan sát thấy dải dịch chuyển tương tự như dải khuyết tật xếp Sự tương phản được quyết định bởi vectơ R ma nó có thể vuông góc với tấm, song đương nhiên dải dịch chuyển sẽ luôn song song với

đường giao nhau của mặt phẳng tấm với bề mặt màng Cũng cần nhấn mạnh

rằng tấm được khảo sát với giả thiết rất lớn Bản chất của dải khuyết tật xếp được thảo luận thuận tiện hơn trên cơ sở thuyết động lực học, ở đó sẽ chỉ rõ

sự khác nhau đặc biệt như thế nào giữa profin cường độ của dải khuyết tật xếp và dải chiều dày

189

Hình 5.14 Lệch thể hiện trên vân moire song song hình thành do xếp

chéng hai lop Pd va Au

Sự khác nhau giữa các biểu thức này là ở chỗ ø là hàm của x, và x, mà trên thực tế nó vuông góc với chùm điện tử Nếu biên giới giữa hai tinh thé song song với mặt phẳng mang thi f, 1a hằng số và vân xuất hiện dưới dạng dải được xác định bằng exp(-i2) Nếu hai tỉnh thể chỉ khác nhau về thông số thì

ta thu được một loạt dải vuông góc với x, và vì thế cũng vuông góc với ø, hơn thế nữa khoảng cách giữa các dải được xác định bằng công thức:

Trong trường hợp này dải vuông góc với x, và bởi vậy song song với ø Thí

dụ về ứng dụng vân moire để phát hiện sai hỏng được cho trong hình 5.14

Cường độ của vân moire có thể xác định bằng biểu thức

sin” Z,s + sin? zÍf —,)s +

Hinh 5.16 Biéu dé bién dé pha ciia cét tinh thé gan lệch mang xodn (xem

hình 5.15) Biên độ của chùm nhiễu xạ bởi cột EF trên hình tạo bởi đường cắt PP, nối P với P', tương ứng với bê mặt trên và đưới cuả tỉnh thể,

Khoảng cách P và P' bằng chiêu dày tỉnh thể Biên độ của chùm nhiễu xã theo một phía từ lệch mạng (biểu đồ (a)) lớn hơn so với theo phía kia (biểu đồ (b))

trong do b 1a vecto Burgers; x, y, z nhu da chi ra trong hinh 5.15 Vi vay

Đối với lệch mạng nguyên n là số nguyên dương (+), âm (-) hoac bang 0, nz

là hiệu pha của sóng tán xạ trực tiếp ở trên và dưới lệch mạng Trên thực tế giá trị quan trọng nhất của ø là 0, 1, 2 và 3 Khi ø =0 lệch mạng không quan sát thấy, điều kiện ø.b = 0 nghĩa là b nằm trong mặt phẳng phản xạ tức mọi

sự dịch chuyển song song với mặt phản xạ Nguyên tắc chung nhất này - sự dịch chuyển song song với mặt phẳng phản xạ không tạo nên tương phản (xem mục 5.1.4.1) có thể được sử dụng để xác định vectơ Burgers Thí dụ về ứng dụng nguyên tắc này đối với lệch mạng xoắn được chỉ ra trong hình 5.14 Dựa vào phương trình cơ bản (5.7)

HIỂN VỊ ĐIỆN TỬ TRUYỀN Qua

Hình 5.18 Sai hỏng do có hạt lẫn dẫn đến Sự Hôn cong mặt phẳng mạng ở

và nó đổi dấu theo sự đổi dấu của x, tức là khi chuyển từ phía này của lệch

mạng sang phía kia Ảnh lệch mạng cũng sẽ thay đổi từ phía này sang phía

kia khi đi qua vân tất, bởi vì s khi đó sẽ đổi dấu ngược lại

Hình 5.17 là một thí dụ về lệch trong nhôm nhận được bằng kính hiển vi

điện tử truyền qua

5.1.4.5 Hạt lẫn - -

Biến dạng xung quanh tích tụ cho ta hiệu ứng tương phản đặc trưng được

học dùng để giải thích chỉ tiết các hiệu ứng tương phản, song những kết quả tốt cũng có thể thu nhận được trên cơ sở phép gần đúng động học

Ta hãy khảo sát hạt lẫn hình cầu trong mạng đẳng hướng Sự dịch chuyển hướng tâm được biểu thị:

2

=0 gợi;

Rear ,khitr<<r trong đó z„ là bán kính hạt lẫn, € 1 thong sé biéu thị cường độ trường biến dạng Hình 5.18 là hình ảnh sai hỏng của mặt phẳng mạng gần hạt lẫn, sự

uốn cong mặt phẳng mạng dẫn đến tương phản Nhìn trực tiếp cũng thấy là

sẽ tồn tại một đường không tương phản xuyên qua hạt lẫn vuông góc với ø 5?

195

HIẾN VỊ ĐIỆN TỬ TRUYỂN QUA

Vịng trịn cuối

Hình 5.20 Biểu đồ biên độ-pha của cột AB, hình 5.18, gần hạt lẫn Tâm

vịng trịn đầu và cuối (c, và ca) dịch một khoảng ữrạ “27168 lạ

này, vịng trịn tương ứng với phần dưới cột sẽ dịch đi 2Zegr„, hình 5.20

Độ thay đổi tương đối của biên độ đơn giản là tỷ số khoảng cách giữa hai tâm của vịng trịn và đường kính, tức:

AU, _ 2zsgr2

hoặc sự thay đổi tương đối cường độ Al/I ~ 476g r„ 3

Như thế, rõ ràng là dé tang độ tương phản s cần phải lớn, song cường độ tự

nĩ thay đổi tỷ lệ với (£ s)”, tức giảm nhanh với sự tãng s Bởi vậy, sự quan

sát rõ cĩ thể được xác định bởi đại lượng Aï, tức thơng số 4Z2øg7¿ /(£7s), mà

nĩ cĩ giá trị lớn nhất với s nhỏ nhất Điều đĩ cĩ nghĩa là sự thấy rõ nhất phải

là trong phạm vi động lực học, ở đĩ đường kính vịng trịn đạt giá trị cực đại

là á/z (đáng lẽ là (z)') Do vậy thơng số xác định tính rõ ràng sẽ là 472sgm /g, Tính tốn trong phạm vi lý thuyết động lực học đã khẳng định

rằng điều kiện rõ cực đại của hạt nhỏ là

£80 x10, (5.32)

£

Do đĩ nếu é, tăng nhanh so với ø, thường như thế, thì tốt nhất là dùng phản

xạ bậc thấp Kết luận này là đúng đắn nếu việc khảo sát tiến hành trong lĩnh

197

HIỂN VI ĐIỆN TỬ TRUYỂN QUA

b) Nếu 1/⁄4 >> s thì vòng tròn bị thay đổi bởi sự biến thiên nhỏ của bước

sóng, nhưng sự dịch chuyển tổng cộng vẫn nhỏ, hình 5.20 và hình 5.21(b) c) Nếu 1/4 ~s thì giá trị œ là (+) cũng như (- ) sẽ dẫn đến sự dịch chuyển

tương hỗ giữa vòng tròn “đầu tiên” và vòng tròn “cuối”, hình 5.21(c)

Từ đó có thể dẫn đến kết luận rằng độ tương phản cực đại sẽ nhận được khi 1/4 ~ s Đối với hàm dịch chuyển R không tuần hoàn thì R phải đặc biệt lớn

khi 1/4 ~ s Ví dụ, đối với lệch mạng sự dịch chuyển dọc theo cột trên

khoảng cách x kể từ tâm của nó sẽ lớn nhất ở khu vực z ~ 2x, như vậy tương

phản lớn nhất khi ⁄1 + 4x ~ 1/s Bởi vậy, có thể suy ra rằng ảnh lệch mạng

nằm ở khoảng cách x khi 4xs ~ 1 Lưu ý rằng đây là phương pháp rất đơn giản song chúng đã phác hoạ một nguyên tắc chung để xác định tương phản

cực đại

Đối với khu vực biến dạng rất nhỏ như hạt lẫn thì giá trị hiệu dụng 41 có thể

nhỏ, giá trị thông thường s tăng mạnh và cường độ yếu dần, bởi vì nó thay

đổi tỷ lệ với s” Trong trường hợp này nên sử dụng cường độ cực đại trong phạm vi động lực học mà ở đó bán kính vòng tròn là ¿ /2Zz Trong phạm vi

động lực học tương phản là cực đại khi giá trị hiệu dụng ⁄1 cỡ bằng độ dài tắt

ế Với 4< ế, tốt hơn cả là sử dụng phản xạ bậc thấp để giảm é., vì cường

độ thay đổi theo g/ế

5.2 Hiển vi điện tử truyền qua quét

Như đã để cập đến trong chương 4, thông tin quan trọng trên mẫu có thể

nhận được bằng cách thu, với phương pháp thích hợp, các loại tín hiệu điện

tử hoặc sóng điện từ khác nhau phát xạ do tương tác giữa điện tử tới và vật

chất Các thông tin nhận được này được cho trong bảng 4.1 Kính hiển vi

điện tử truyền qua-TEM, kính hiển vị điện tử quét-SEM, thiết bị vi phân tích bằng mũi dò điện tử-EPMA (chương 8), v.v là những thiết bị sử dụng các

thông tin đã nói ở trên

Một tiến bộ quan trọng về thiết bị quang điện tử là sự phát triển hơn 30 năm

qua của kính hiển vi điện tử truyền qua quét (Scanning Transmission

Electron Microscope- -STEM) STEM là thế hệ mới của kính hiển vi điện tử được phát triển bằng cách thêm các chức năng của SEM cho TEM phân giải

cao Bởi vậy có thể xem loại hiển vi điện tử này có hai phần: thứ nhất là tạo

199

©) eo

Hinh 5.23 Anh trudng sang (a) và trường tối (b) của tỉnh thể polyethylen

ở chế độ STEM cho thấy sự phá huỷ bức xạ không đáng kể với vân moire

rố ràng Thế tăng tốc: 100 kV

5.2.1 Các ảnh nhận được bằng STEM và đặc điểm của chúng

Như đã trình bày ở trên, nhiều thông tin nhận được từ các loại ảnh khác nhau thu được: bằng SIEM Dưới đây Sẽ giới thiệu nguyên lý tạo ảnh khác nhau trên STEM và các đặc trưng của chúng

5.2.1.1 Ảnh hiển vi điện tử truyền qua

Như ta đã biết, ảnh hiển vi điện tử truyền qua (ảnh TEM) là ảnh hiển vi điện

tử truyền qua thông thường nhận được bởi một hệ thống thấu kính tạo ảnh từ kính vật tới kính phóng Ảnh này có độ phân giải cao, cỡ 2 - 4 Ả Tạo ảnh trường tối độ phân giải cao được thực hiện bằng cách nghiêng chùm điện tử tới nhờ hệ thống lệch

5.2.1.2 Ảnh hiển vi điện tử truyền qua quét

Ảnh SEM được tạo thành từ tín hiệu điện tử truyền qua, ảnh hiển vi điện tử truyền qua quét (ảnh STEM) này có các đặc điểm được so sánh với ảnh TEM như sau:

Có thể quan sát được mẫu dày

Khi quan sắt mẫu dày, độ phân giải của ảnh TEM là kém do hiện tượng sắc sai Độ sắc sai được cho bởi:

E 0

201

HIEN VI DIEN TU TRUYEN QUA

Hinh 5.25 Anh nhiéu xa dién tử điện tích chọn lọc của pyrophyllit thu

TT HH | LÔ HS: 28EV/CW

Hình 5.26 Ảnh TEM (a), ảnh điện tử thứ cấp (b) và phổ tỉa x của xúc

tác Pt (c) Các hạt Pt phân tán trên chất tải cacbon hoạt tính quan sắt

được là các hạt đen trong ảnh TEM và các hạt trắng trong ảnh điện tử

thứ cấp Nhờ phương pháp phân tích trong STEM đường kính hạt đo

được là ~ 400 Ä, một pic Pt manh và rõ quan sát thấy trong phổ

có thể giảm bằng cách sử dụng tốc độ quét nhanh hoặc dòng chùm tỉa nhỏ

khi vận hành như khi lựa chọn trường quan sát hay nghiêng mẫu

Thí dụ, ảnh trường sáng và trường tối STEMI của tinh thể polyethylen đã cho

thấy vân moire rõ ràng với sai hỏng chiếu xạ không đáng kể, hình 5.23

Trong lĩnh vực y sinh học, ảnh trường tối ở chế độ STEM nhận được quan

203

HIEN VI DIEN TU TRUYEN QUA

Độ phân tích nạt

ChithiASID

Chi thi EOS

CJ IL, Jnang iueng shan

ag didn tu

ee

Chỉ thị phân tích năng tượng Detector STEM

Hình 5.28 So dé kinh hiển vi điện tử truyền qua quét được ghép nối với

phổ kế tán sắc năng lượng để phân tích hoá học phân giải cạo BE - điện

tứ tắn xạ ngược, SE - điện tử thứ cấp, ASID - bộ quét phân giải cao

FEG - sting phát xạ trường

cận

Có thể nói rằng tất cả kiểu ảnh nhận được bằng TEM đều quan sát được

bằng STEM như thí dụ trong các hình 5.25 và 5.26 Khi so sánh hệ quang

của TEM và STEM có thể thấy hệ quang của STEM 18 hé quang cua TEM đảo ngược do tính tương hoán giữa TEM và STEM, hình 5.27 Bởi vậy chúng đều cho ảnh phân giải cao Khả năng phân giải của cả TEM và STEM được xác định bởi hệ số cầu sai của kính vật

5.2.2 Hiển vi điện tử truyền qua phân tích

STEM đã tạo cơ sở cho tiến bộ đáng kể trong ứng dụng của kỹ thuật quang học điện tử bởi lẽ STEM hội đủ các điều kiện vi phân tích hoá học phân giải không gian cao cho các đặc trưng cấu trúc của vật liệu Bằng cách ghép nối một phổ kế tán sắc năng lượng với STEM, hình 5.28, các thành phần địa phương trong mẫu có thể xác định được tới độ phân giải của ảnh truyền qua

205

Chuong 6

HIẾN VI DAU DO QUÉT

Young và cộng sự (1972) là nhóm nghiên cứu đầu tiên sử dụng thiết bị không tiếp xúc topografiner để đo địa hình vi mô của bề mặt kim loại Tuy nhiên, vì sự chống rung cho hệ kém nên họ chỉ nhận được các ảnh với độ

phân giải thấp mà không tạo được ảnh ở chế độ tunnel

Bằng sự nghiên cứu tương tự Young và cộng sự song với hệ thống chống rung tính vi hơn Binnig và Rohrer (1982) đã chế tạo được kính hiển vi tunnel (Scanning Tunneling Microscope- SIM) và nhận được các bức ảnh đầu tiên với độ phân giải nguyên tử về cấu trúc bề mặt của Si(111), Au(110), Kể từ d6, STM đã có nhiều ứng dụng trong khoa học và công nghệ SIM có khả nang xác định địa hình, tính dẫn điện, cấu trúc điện tử và cấu trúc nguyên tử

bề mat STM đã trở thành công cụ đắc lực cho phổ học, đo lường học và quang khắc nano Tiếc rằng những mẫu không dẫn điện thì không thể cho ảnh bởi hiển vi tunnel Tuy nhiên.rất nhiều kính hiển vi quét khác đã được tạo ra từ công nghệ STM Các lơại kính hiển vi trên đây có một tên gọi chung là kính hiển vi đầu dò quét (Scanning Probe Microscope-SPM) Trong

số cdc thiét bi nay, kinh hién vi luc quét (Scanning Force Microscope -SFM)

là một trong những thiết bị quan trọng Khái quát về công nghệ STM, SFM

và một số ứng dụng của chúng sẽ được trình bày trong chương này

6.1 Hiển vi tunnel

6.1.1 Lý thuyết

Kính hiển vi tunnel dựa trên nguyên lý của hiện tượng xuyên hầm (tunnel)

lượng tử của các điện tử giữa hai cực điện có điện trường đặt vào Một trong hai cực điện là mẫu đứng yên còn cực kia là mũi đò (tip) được quét trên mẫu

207

HIẾN VI ĐẦU DÒ QUÉrT

điện tử đã xảy ra dựa trên cơ sở này Dong tunnel phu thuộc vào khoảng

cách tip-mẫu đ, chiều cao rào thé tunnel ¢ gia tip va bé mat va thé V, gitta

bé miat và tip được xác định bởi biểu thức

trong dé C = 10,25 (eV)'? nm" Gid tri V, thường vào cỡ vai milivon đến vài

von, công thoát đ cỡ vài eV và đ = 0,5 nm, khi ấy có thể thu được dòng khoảng vài nanoampe Để có độ phân giải theo chiều đứng 0,01 nm thì dòng tunnel phải giữ không đổi ở mức 20%

6.1.2 Thiết bị

6.1.2.1 Hệ cơ khí

Tiêu chuẩn thiết kế cho STM là độ điều chỉnh vị trí tip-mẫu phải tốt hơn độ phân giải yêu cầu Để có ảnh với độ phân giải nguyên tử thì vị trí tip phải phân giải được ở mức 0,1 Á theo chiều đứng và 1 A theo chiều ngang Thang

đo động yêu cầu để tạo ảnh phân giải nguyên tử là vài ngàn angstrom theo

thướng x, y và z Một hệ cơ học với độ chính xác cao cũng được thiết kế cho

việc định vị thô và tinh của mũi đò trên mẫu

Yêu cầu quét được thoả mãn bằng việc sử dung gốm áp điện Gốm áp điện

có khả nãng điều chỉnh vị trí xuống tới 0,01 Ả hoặc tốt hơn ở thang đo động vài tm Tip được gắn vào gốm áp điện hình ống đơn giản Cực ra của ống

được chia thành bốn phần tương đương song song với các trục ống, hình 6.2 Việc quét được thực hiện bằng cách đặt điện áp V, và -W, vào hai cực vị trí theo phuong x, V, va -V, vao hai cuc vi trí còn lại Điện áp dat lén cuc trong

được sử dụng để dịch chuyển theo hướng z Khi điện áp đặt vào gốm tăng lên thì hệ số khuếch đại cũng tăng theo

Để thu được ảnh với chất lượng cao người ta sử dụng một cảm biến vị trí

quang học hai trục đơn giản để đo vị trí x và y của bộ quét áp điện trụ Cảm

biến được sử dụng để xử lý ảnh và hiệu chỉnh quét thời gian thực thông qua

bộ điều khiển phản hồi Trong hiệu chỉnh quét thời gian thực, cảm biến có

nhiệm vụ định vị chính xác bộ quét áp điện cho từng điểm số liệu Bằng

cách sử dụng hệ thống hiệu chỉnh quét quang học này có thể làm giảm độ méo quét bậc hai và tuyến tính xuống nhỏ hơn 2% kích thước ảnh

Một yếu tố khác có ảnh hưởng đến khả năng của SŠTM là tần số cộng hưởng của gốm áp điện Tần số cộng hưởng xác định tốc độ quét của kính hiển vi

209

HI!EN vi DAU DO QUET íng với thành phần tần số cao và vài ngàn angstrom ứng với thành phần tần

ố thấp Dao động này được sinh ra bởi các thiết bị hoạt động có phổ đao

lộng từ 15-20 Hz với biên độ trong khoảng từ 1000 Á đến 5000 A

các nguồn kích thích khác là các dao động không quy luật được sinh ra bởi

sự di chuyển của con người tạo nên tần số từ 1 đến 3 Hz Biên độ của các

dao động này tương tự như biên độ lớn nhất của dao động toà nhà Thiết bị

SIM cũng nhạy cảm với đao động âm thanh Có thể hạn chế các dao động

âm thanh này bằng cách đặt thiết bị trong buồng cách âm

Để tạo ảnh nguyên | tử, biên độ của các dao động không mong muốn trên đây phải nhỏ hơn 0,1 Ả Một số phương pháp hữu hiệu cho hệ chống rung thụ

động được sử dụng cho STM Khi STM hoạt động trong không khí, không yêu cầu độ phân giải cao thì STM được đặt trên một khối lớn treo bang day

đàn hồi - một hệ chống rung đơn giản và rẻ tiền Tần số cộng hưởng của hệ này có giá trị cỡ 1 Hz Đối với STM hoat dong trong chan không, hệ thống

chống rung phải thoả mãn yêu cầu chân không siêu cao, khi ấy cần sử dụng

hệ thống chống rung đặc biệt

6.1.2.4 Hệ điện tử

Dé gift tip trong khoang cách tunnel của bề mặt người ta sử dụng bộ phan hồi Sơ đồ điện tử cho STM được trình bày trong hình 6.3 Dong tunnel giữa tip va mau được chuyển đổi thành điện áp nhờ mạch thu dòng Điện áp này được so sánh với giá trị chuẩn để tạo nên tín hiệu vi sai Một bộ tích phân

làm nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu vi sai này thành điện áp ra để điều chỉnh

vị trí gốm áp điện theo hướng z Khi ấy đòng tunnel được lấy làm chuẩn và mạch phản hồi được lặp lại Điện áp gửi tới gốm áp điện Z đồng thời được

lưu giữ như một hàm của vị trí x và y để tạo ảnh địa hình bề mặt

Điều khiển phản hồi, quét x và y, thu số liệu và xử lý ảnh được thực hiện

bằng may tính =hờ bộ xử lý tín hiệu số Điều đó đã làm giảm rõ rệt độ phức tạp của mạch điện !1ệ thống thu và phân tích số liệu có thể thấy được trong

sơ đồ điện tử ở hình 6.3

6.1.2.5 Dau dd STM

Mũi dò (tip) là thành phần then chố: của STM Mũi dò quyết định độ phân giải và tính lặp lại của kết quả Độ phân giải ảnh thu được phụ thuộc vào bán kính cong và hình dạng của tip Đối với bề mặt mẫu phẳng ở mức độ nguyên

tử thì chỉ các nguyên tử ở đỉnh tip là quan trọng Với phép đo địa hình, ảnh

nhận được là nhờ độ sắc nhọn của tip và địa hình bề mặt

211

HIẾN VI ĐẦU DỊ QUÉT

Hình 6.4 Ảnh từng nguyên tử siic (Si) là một thi du thuyết phục hồn

tồn về độ phân giải nguyên tử tạo được trong STM

Ở chế độ chiều cao khơng đổi, mạch phản hồi mở và vị trí z cla tip gilt

khơng đổi Dịng tip-mẫu nhận được nhờ hệ thống thu trong khi tip quét trên

bề mặt Trong trường hợp này độ biến thiên dịng Ạ sẽ phản ánh địa hình bề mặt mẫu Vì tip chỉ cách bé mat chimg vai angstrom do vậy chế độ này được

sử dụng cho mạch quét nhỏ hơn 100 Á trên bể mặt phẳng Trong thực tế, SỰ

dịch chuyển z của tip cĩ thể được phép thay đổi chậm bằng cách sử dụng hệ

thống phản hồi với hệ số khuếch đại mạch rất thấp và điều này cho

phép hiệu chỉnh sự trơi nhiệt và nghiêng mẫu

6.1.3 Ung dung cla STM

6.1.3.1 Định hướng nguyên tử

Trong cơng bố ban đầu về ảnh độ phân giải nguyên tử của Si(111), hình 6.4,

biên giới pha

STM cũng được sử dụng để nghiên cứu sự hấp phụ như sự sắp xếp

các nguyên tử lưu huỳnh trên bề mặt Mo(001) ở áp suất khí quyền, sự hấp phụ

Ga trên Si(100), B trên Si(111) Ảnh các nguyên tử cacbon trên graphit hỏa

phân định hướng cao (HOPG) cĩ thể thu được dé dang trong khơng khí, chất

lỏng và trong chân khơng bằng STM, hình 6.1 (b)

213

HIẾN VI ĐẦU DÒ QUÉT

đường cong mật độ trạng thái lý thuyết cho thấy rằng mật độ trạng thái được chiếm chỗ tập trung xung quanh các nguyên tử As bể mặt và mật độ trạng thái không chiếm chỗ là quanh các nguyên tử Ga

6.1.3.3 Điện hoá

Hiển vi tunnel không chỉ thực hiện được trong không khí, chân không, chất lỏng mà còn mở rộng ứng dụng cho điện hoá và nghiên cứu ăn mòn Ứng dung dau tién cua STM cho điện hoá là tạo ảnh phân giải nguyên tử của HOPG trong nước và địa hình bể mặt vàng trong dung dịch cloruanatri Cũng có thể thực hiện hiển vi tunnel trong sự có mật của dòng điện hoá, quan sát được sự biến đổi của các chỗ đắp cao lên trên cực điện Au do hấp thu Cl’, chup anh các bề mặt cực điện nhờ STM 4 cực, quan sát sự lắng đọng ngay trong môi trường tự nhiên (in situ) và sự tách của màng điện hoá Các bậc đơn của Au(111) cũng được tạo ảnh STM trong quá trình lắng đọng và

sự tách của đơn lớp Pb trong chất điện phân axit

Khi ứng dụng STM trong dung dịch, dòng tunnel là dòng không cảm ứng và không đóng góp vào sự biến đổi hoá học trong dung dịch hoặc tai bé mat giá Các dong cam ứng sinh ra do quá trình Oxy hoá khử tại tip và mẫu cũng

có thể được sử dụng để điều khiển hoạt động của cực điện trên giá Sự thực hiện này của STM được gọi là kính hiển vi điện hoá quét (Scanning

khiển bằng các phản ứng: tại tip và mẫu Độ phân giải của SECM phụ thuộc vào khoảng cách tip- -mẫu, kích thước và hình dáng tip, tro khang dung dich

và tốc độ van chuyển khối lượng/điện tích Tip được sử dụng trong SECM là dây kim loại được bao kín bằng lớp thuỷ tỉnh với bán kính nhỏ hơn micromet Ứng dụng của SECM bao gồm các phép đo địa hình bề mặt và chế tạo vi mô

Trong ứng dụng của STM cho điện hoá mũi dò tunnel phải được cách điện, chỉ có đỉnh tip là trong dung dịch Chất cách điện phải tro trong dung dịch điện hoá Có nhiều phương pháp khác nhau được sử dụng để cách điện cho mũi dò tunnel và giảm thiểu các dòng cảm ứng Thí dụ, mũi dò tunnel được cách điện bằng cách lắng đọng một lớp màng SiO day 100 nm trong chan không

Bề mặt phân cách cực điện/chất điện phân đóng vai trò trọng yếu trong hệ điện hoá Ứng dụng của STM và SECM trong nghiên cứu ¡in situ các bề mặt

cực điện cho ta cách nhìn nhận sâu sắc hơn về đặc tính điện và hình học của vật liệu Những thành tựu mới trong sản xuất mũi dò tunnel cách điện và các

215

Hình 6.8 Kinh hiển vi lực nguyên tử AFM

đây độ lệch rất nhỏ của cantilever bởi sự nhạy cảm lực của nó đóng vai trò

vô cùng quan trọng vì có liên quan đến dia hinh -bé mat mẫu Cả hai loại

kính hiển vi đầu dò quét trên đây đều tạo được ảnh bề mặt với độ phân giải nguyên tử Tuy nhiên STM chỉ sử dụng được cho mẫu dẫn điện trong khi AFM str dung được cho vật liệu dẫn điện và cả vật liệu không dẫn điện, một

sự trợ giúp đáng kể cho STM STM cho ảnh liên quan đến năng lượng điện

tử bể mặt gần mức Fermi còn ảnh AFM liên quan đến năng lượng điện tử

trên mức Fermi Trong cả hai loại STM và AFM tương tác quan tâm là tương

tác giữa một nguyên tử ở đỉnh mũi đò với một nguyên tử trên bề mặt mẫu Thông thường, kính hiển vi lực nguyên tử được sử dụng để nghiên cứu một

số tương tác khác nhau giữa bề mặt và mũi dò như lực giữa các nguyên tử, lực ma sát, lực từ, lực tính điện và lực dính bám cũng như lực Van Der Walls dải rộng Vì nhiều ứng dụng khác nhau như vậy của kính hiển vi lực nên

người ta gọi nó là kính hiển vi lực quét (Scanning Force Microscope-SFM)

để khái quát hoá cho kính hiển vi lực nguyên từ AFM là thuật ngữ của những người phát minh ra loại hiển vi đầu dò quét này

219

HIEN Vi DAU DO QUET

0.8 0.6 0+4 0.2

~-0.6|_

Khoảng cách giữa các hạt, đơn vị tuỳ ý

Hình 6.10 Lực tương tác giữa hai vi hat

độ mấp mô bề mặt trong quá trình quét Sử dụng các số liệu X, y va z ta sé

thu được ảnh ba chiều bề mặt ở mức độ tinh vi nhất và thấy rõ từng nguyên

tử trên bề mặt mẫu _ :

Có ba chế độ vận hành Trong chế độ lực không đổi, độ lệch của cantilever

được giữ không đổi bằng cách điều chỉnh vị trí theo chiều đứng của mũi đò

(hoặc của mẫu) nhờ hệ thống phản hồi tương tự như trong STM Ở chế độ thứ hai, mẫu được giữ ở độ cao không đổi và ghi nhận độ lệch của cantilever

Độ lệch của cantilever được sử dụng để tái tạo ảnh địa hình bề mặt Chế độ

thứ ba hầu hết được sử dụng để đo các lực trong một thang đo rộng Ở kiểu

đo này cantilever dugc dao dong gần tần số cong hưởng riêng của nó và biên

độ của dao động được điều chỉnh sao cho mũi dò được nâng ở gần bề mặt

mẫu

Hầu hết các yêu cầu về thiết bị và thiết kế cơ khí cho ho SFM là tương tự

như đối với STM Chỉ có một số yêu cầu thêm là sử dụng hệ thống cơ và điện tử kết hợp với kỹ thuật để đo độ lệch của cantilever như sẽ được trình

bày trong các mục sau

6.2.2 Lực tương tác

Lực, đại lượng bằng građien của thế tương tác, dễ dàng đo được bằng các

thiết bị vật lý Khi hai nguyên tử hoặc phân tử được đặt sát nhau năng lượng tương tác có thể được biểu diễn bằng thế Lennard-Jones Lực giữa các hạt là

một hàm của khoảng cách giữa chúng như được minh hoạ trong hình 6.10

Có hai miền, miền trái của cực tiểu thế, ở đó các hạt đẩy nhau và miền bên

phải, ở đó các hạt hút nhau

221

HIEN vi DAU DO QUET

Fạ =(k -ôF !ôz)Az (6.5)

Từ đó thấy rằng hằng số đàn hồi hiệu dụng thay đổi khi có gradien trường

lực Khi ấy tần số cộng hưởng trở thành:

Sự thay đổi này cho ta phương pháp điều chỉnh khoảng cách giữa tip va mẫu

Vì được gắn trên bộ dao động áp điện nên cantilever có thể được dịch

chuyển theo phương z bằng cách giữ cho tần số cộng hưởng không đổi Điều

đó có nghĩa tip dịch chuyển trong một khoảng mà ở đó gradien lực là không

đổi Từ đó suy ra rằng khoảng cách giữa tip và mẫu không đổi vì gradien 1a hàm đơn trị của khoảng cách z

6.2.3 Lò xo lá và mũi dò

Ld xo 14 (cantilever) 1a phan tir cam bién vi lực và đóng vai trò trọng yếu trong hiển vi luc Lò xo lá phải có tính lap lại trong các phép đo và phải đủ mềm để nhạy cảm với lực nhỏ Thực nghiệm cho thấy, lực cần thiết cho các phép đo vào cỡ 10°-10''N, Giả sử độ nhạy của phép đo cho độ lệch của

‘cantilever 14 1 A thì cantilever phải có hằng số đàn hồi từ 0,1 đến 100 N/m

Cantilever phải có tần số cộng hưởng cao để tạo ảnh nhanh Hơn thế nữa -cantilever phải có tần số cộng hưởng cỡ 100 lần lớn hơn tốc độ quét nhanh

hơn 2 Ả Loại cantilever chữ nhật thường được dùng để đo mẫu cứng và hình

tam giác được sử dụng cho mẫu mềm

Cantilever và mũi đò trong SEM có thể được chế tạo bằng phương pháp tẩm

thực dị hướng silic Đây là một nghệ thuật trong lĩnh vực chế tạo vi cơ Khi

silic được tẩm thực trong dung dịch KOH thì mặt (111) bị tầm thực chậm hơn so với các mặt khác Đặc điểm này đã làm cho nó dễ dàng tẩm thực được hình tháp với các mặt (100) của silic Các hố tầm thực có dạng hình tháp ngược Một màng nitric silic được lắng đọng trên bề mặt này sẽ lấp đầy

223

HIEN vi DAU DO QUET

Hình 6.12 So dé hé do dé léch 16 xo ld ctta SFM Phuong phap dong tunnel

(a), dién dung (b), homodyne (c), heterodyne (d), phan héi laze-didt (e), phân

cuc (f) va dé léch quang hoc (g) L - b6 phat laze, T - dau do tunnel, C, - cdc

tu dién, SG - bé phat tin hiéu, M, - cac guong, PD, - cde detecto cam quang,

BS - bộ tách tia, AO - bộ điều biển âm quang, Q - đĩa một phần tư bước sóng,

Ó - thấu kính tụ, W và C - lăng kinh Wollaston va Calcite, SB - bộ bù Soleil

Babinet, t - tip, | - cantilever, S - mau

2 nN can

HIEN Vi DAU DO QUET 6.2.5.1 Chế độ tiếp xúc

Trong chế độ tiếp xúc đầu dò được tiếp xúc và kéo lê đơn giản trên bề mặt mẫu và cho ảnh địa hình bề mặt Lực tác dụng lên tip là lực đẩy có giá trị

trung bình cỡ 10N Lực này được thiết lập bằng cách nhấn mạnh cantilever

lên bề mặt mẫu nhờ phần tử định vị áp điện Tuy kỹ thuật này đã thành công

với nhiều loại mẫu khác nhau, song nó có một số nhược điểm khá lớn Quá trình chuyển động quét trên bề mặt mẫu của đầu dò đã tạo ra các lực ma sát

và lực bám dính giữa đầu đò và bề mặt Điều này có thể gây nên sự phá huỷ

cả bể mặt mẫu-và đầu dò, đồng thời cũng làm sai lệch dữ liệu hình ảnh Trong điều kiện môi trường tự nhiên hầu hết các bể mặt được phủ một lớp

rất mỏng các chất khí hấp phụ (bao gồm hơi nước và các khí khác trong môi

trường) có bề dày cỡ vài nanomet Khi đầu dò quét trên bề mặt mẫu chạm

vào lớp mỏng đó thì sự mao dẫn sẽ tạo ra một mặt khum và sức căng bề mặt

kéo lò xo lá vào lớp nước này Đồng thời các điện tích bị bẫy trên đầu dò và

bề mặt mẫu tạo ra các lực tính điện đóng góp thêm vào lực bám dính Chính các lực hướng xuống phía dưới này làm tăng lực nhiễu tổng cộng trên bề mặt

mẫu và kết hợp với các lực cắt và lực ngang gây bởi quá trình chuyển động

quét làm nhiễu tín hiệu đo, phá huỷ bề mặt mẫu và cũng có thể gây nên sự

thay đổi các đặc tính bề mặt

Có thể khắc phục được những khó khăn liên quan đến các lực bám dính và

nh điện này bằng cách nhúng mẫu trong chất lỏng Tuy nhiên không phải

bất cứ mẫu nào cũng có thể nhúng được trong chất lỏng mà không làm thay đổi đặc tính ban đầu của nó, thí dụ như các mẫu bán dẫn Ngoài ra, vì các mẫu ưới thường mềm hơn các mẫu khô nên khi đầu dò thực hiện việc quét sẽ

làm biến dạng, sai hỏng bề mặt và tạo ra các vết làm giảm chất lượng ảnh và

cũng có thể gây phá huỷ mẫu

Một số thiết bị noạt động trong chân không siêu cao nhưng hầu hết hoạt động trong không khí hoặc trong chất lỏng Khôzg khí là môi trường thuận

tiện và thông tin nhận được từ ảnh trong không khí là rất quan trọng trong

nghiên cứu vật liệu

6.2.5.2 Chế độ không tiếp xúc

Có thể khắc phục được những khó khăn trong chế độ tiếp xúc khi điều khiển

AFM ở chế độ không tiếp xúc Ở chế độ này đầu dò luôn được giữ ở một

khoảng cách rất nhỏ (5-15 nm) ngay sát trên bể mặt mẫu Sự thay đổi lực hút Van Der Waals giữa đầu dò và mẫu khi quết trên bể mặt sẽ được phát hiện

227

H!1EN Vi DAU DO QuET

HIẾN VI ĐẦU ĐÒÖ QUÉT

Hinh 6.19 So sánh ảnh tiếp xúc (a) và ảnh TappingMode trong chất lỏng

(b) của các hạt latex polyme hấp thụ trên mica trong nước Lưu ý rằng

các vệt và bóng mờ thường san bằng ảnh tiếp xúc với lực nhỏ trong chất

lỏng không xuất hiện trong ảnh TappingMode trong chất lỏng Đường

kính hạt trung bình là 120 nm Quét 3 tum

khoảng 5.000 đến 40.000 chu kỳ/giây) thì biên độ cantilever sẽ giảm khi tip

bắt đầu gõ lên mẫu tương tự như chế độ tapping trong không khí

Ngay khi dao động của cantilever được thiết lập, hệ thống phản hồi sẽ điều chỉnh vị trí của tip để duy trì biên độ dao động không đổi Khác với trường hợp trong không khí, dao động của lò xo lá trong chất lỏng khử được các lực

ma sát và lực cắt tác dụng lên mẫu Hơn thế nữa, quá trình lặp tiếp xúc bề mặt và kéo tip lên với tốc độ cao cho phép giữ lực nhấn không đổi ở một giá

trị nhỏ nhất

Hình 6.19 giới thiệu các ảnh mẫu polyme nhận được trong chất lỏng cho thấy sự cải thiện rõ rệt về chất lượng ảnh ở chế độ tapping so với chế độ tiếp

xúc thông thường

6.2.6 Các kiểu hiển vi lực quét khác

AFM được tạo ra từ công nghệ ŠTM Tiếp theo, công nghệ AFM lại sinh ra nhiều dạng khác của hiển vi lực tạo thành họ SEM như đã giới thiệu ở trên

Kính hiển vi lực ma sát (Friction Force Microscope-FEM) dùng để đo lực

ngang tác dụng lên mũi dò quét đã được sử dụng rất hiệu quả để nghiên cứu

233

thuận từ được gắn trên cantilever Hệ này được đặt trong từ trường làm phân cực các điện tử spin Điện trường từ cuộn tần số cộng hưởng được sử dụng

để điều khiển cộng hưởng spin điện tử Từ trường ấn định tần số cộng hưởng

và khi trường này bị điều biến thì lực tác dụng lên cantilever sẽ bị điều biến

theo cách tương tự Nếu tần số điều biến của từ trường được điều chỉnh để

kích thích cộng hưởng cơ học của cantilever thì biên độ chuyển động của

cantilever sẽ đạt độ lớn tới mức có thể thu nhận được Kết quả nghiên cứu cho thấy nền nhiễu của cantilever dao động là 10!'N trong điều kiện chân không và nhiệt độ phòng Người ta dự đoán rằng độ nhạy có thể được nâng

cao đáng kể nếu cantilever được thiết kế lại và được làm lạnh tới nhiệt độ heli lỏng Kính hiển vi lực cộng hưởng từ có một số đặc điểm đáng chú ý

Cộng hưởng spin điện tử tại 1000 MHz có thể ghi được bằng thiết bị cơ học

cộng hưởifg cỡ 10 kHz Vi trí đặc biệt này của spin trong mặt phẳng ngang

có thể tạo ảnh được khi xuất hiện građien từ trường Một kính hiển vi dựa trên hiện tượng cộng hưởng từ với độ nhạy đủ để tạo ảnh của spin đơn có thể

sẽ được sáng chế trong tương lai

6.2.7 Ứng dụng của SFM

6.2.7.1 Tượng tác Van Der Waals

Khi hai vật tiếp cận nhau chúng sẽ tương tác với nhau thông qua lực Van Der Waals (khi không có lực tĩnh điện hoặc lực từ) Lực Van Der Waals là loại lực có thang đo rộng và phát sinh do sự phân cực, cảm ứng và hiệu ứng phân tán Lực phân cực sinh ra do sự tương tác của các mômen đa cực vĩnh

cửu của phân từ Lực cảm ứng tạo thành do tương tác của mômen đa cực của vật này với mômen cảm ứng của vật kia Lực phân tán là kết quả của sự

tương tác lưỡng cực cảm ứng do sự thăng giáng điện tử xung quanh hạt nhân

Nhìn chung, sự đóng góp lớn vào lực Van Der Waals là từ hiện tượng phân

tán Thế tương tác giữa hai nguyên tử là

trong đó C; là hằng số phân tán London và z là khoảng cách giữa hai nguyên

tử Đối với mô hình quả cầu và mặt phằng, thế tương tác là

trong đó A là hằng số Hamaker và # là bán kính quả cầu Lực này có thể là lực hút hoặc lực đẩy

9 oN) in

Hình 6.22 Hình thái học bề mặt của các lớp Si,,Ge, dugc xử lý nhiệt phát

triển định hướng trên silic Quét 5 fun

U(r) =C, /r® (6.9)

Anh dia hinh SFM thường thu được ở chế độ lực đẩy Sự phụ thuộc rất mạnh của lực vào khoảng cách giữa các nguyên tử đã cho phép tạo ảnh với độ phân

giải nguyên tử nhờ SEM

Các ảnh phân giải nguyên tử đạt được bằng cách sử dụng lực đẩy ở thang đo

vi mô Albrecht và Quate (1987) lần đầu tiên nhận được ảnh phân giải nguyên tử của mẫu không dẫn điện nitrit bo hỏa phân định hướng cao

Srinivas Manne và Scot Groud đã sử dụng SEM với loại tip thông thường

nhưng đã thu được ảnh phân giải nguyên tử của graphit, hình 6.21, v.v

SFM có thể được sử dụng để tạo ảnh hình thái bề mặt ở kích thước nguyên tử với diện tích 100x100 km Khả năng tái tạo địa hình bề mặt cho phép nhận

được ảnh các chỉ tiết cực nhỏ, hình 6.21 và 6.22 Khi công nghệ mạch tích phân tiến tới kích thước siêu nhỏ thì SFM sẽ trở thành công cụ đắc lực cho công việc nghiên cứu và phát triển Thiết bị SEM kết hợp với kính hiển vi

quang học được dùng để điều khiển quá trình sản xuất Tiến bộ tương lai

trong công nghệ đầu dò và bộ quét mã hoá sẽ cho phép SEM được sử dụng

như một công cụ đo lường cho các phép đo ở kích thước tới hạn

6.2.7.3 Ma sát

Hai bề mặt bất kỳ nào tiếp xúc nhau và dịch chuyển tương đối so với nhau

đều sinh ra lực ma sát Việc nghiên cứu lực ma sát và kiểm tra su mai mon

bề mặt là rất quan trọng trong hàng loạt công nghệ từ các chỉ tiết động cơ ô

237

HIEN VI BAU DO QUET

đường kính tip và vào cỡ 10 - 100 nm Kỹ thuật này cũng có thể được sử

dụng để đo nồng độ pha tạp từ 10° tới 10” cm” Ngoài việc đo profin pha

tạp, SFM còn được dùng để thu nhận đồng thời bản đồ địa hình bề mặt Điều

này thật thuận tiện cho việc nghiên cứu các linh kiện như tranzito hiệu ứng

trường và tiếp xúc p-n trong điôt

6.2.7.5 Thiết bị từ

Việc lưu trữ các số liệu từ đang hướng tới mật độ cao và thời gian dọc/ghi nhanh hơn Vì lý do này đầu đọc/ghi phải chuyển động với tốc độ rất cao trong khoảng vài ngàn angstrom bề mặt Điều này đòi hỏi các điều kiện nghiêm ngặt trên màng mỏng và đế được dùng cho sản xuất các thiết bị từ SEM va STM da được sử dụng để điều khiển và kiểm tra sự hoàn thiện bề mặt ở mỗi quá trình với độ phân giải cao Thi du, ding SFM để nghiên cứu

độ mấp mô của tấm và đĩa từ cứng được chuẩn bị bằng các cách khác nhau Kết quả đã cho thấy tính thống kê địa hình bề mặt nhận được từ số liệu SFM

đã thể hiện sự khác biệt rõ rệt so với các số liệu của máy đo profin quang

học không tiếp xúc

SFM cũng có thể được sử dụng để đo sự phân bố màng chất lỏng trên bể mặt Màng mỏng bôi trơn được sử dụng trên đĩa từ cứng để nâng cao chất lượng mài mòn Sự nhận biết về phân bố của các lớp màng này có thể đi tới

sự hiểu biết rõ ràng về tính chất mài mòn của chúng Chiều dày lớp màng chất lỏng trên bề mặt có thể đo được bằng đường cong lực phụ thuộc khoảng

cách tip-mẫu trong SFM Điều này được thực hiện bằng cách dịch mẫu về

phía tip trong khi điều khiển chuyển động của cantilever Khi tip tiến tới gần

bề mặt, chất lỏng sẽ bám lên xung quanh tip và hình thành mặt khum gây nên lực hút đối với cantilever Khi mẫu tiếp tục tiến sát tip, lực tác dụng lên catilever vẫn không đổi cho đến khi tip và mẫu tiếp xúc nhau Tại điểm này lực trở thành lực day Sự khác nhau về vị trí giữa điểm tại đó lực trở thành lực hút và vị trí điểm tại đó lực trở thành lực đẩy là tương đương với chiều đày lớp chất lỏng Như vậy có thể vẽ được bản đồ phân bố màng mỏng chất lỏng trên đế bằng cách, trước hết, đo bề mặt chất lỏng nhờ SFM ở chế độ lực

hút Sau đó ghi ảnh đế bằng SEM ở chế độ lực đẩy Sự khác nhau ở hai ảnh

này được biểu diễn như là sự phân bố màng chất lỏng trên bề mặt

SFM cũng còn được sử dụng để thiết lập bản đồ đomen từ của các phương tiện từ với độ phân giải cao Trong trường hợp này SFM được sử dụng là

kinh hién vi luc tit MFM Cantilever ding cho MFM co thể được chế tạo trực

tiếp bằng dây hoặc lá sắt từ hoặc được phủ bằng màng sắt từ Cả hai loại

239

a

ee

sự mở rộng của STM gọi là hiển vi điện tử năng lượng xung kích (Ballistic Energy Electron Microscopy-BEEM) đã được phát triển cho các mục đích nghiên cứu vật liệu Kỹ thuật này cho phép đánh giá không phá huỷ về rào Schottky tại mặt phân giới của màng mỏng (chiều dày < 100 A) Phương pháp bao gồm ba cực điện: tip, mang mong và dé Tip được đưa sát màng mỏng để tạo dòng tunnel trong một SM thông thường Khi quãng đường tự

do trung bình của các điện tử tunnel năng lượng thấp lớn hon 100 A thi mot

số điện tử nay di chuyển tới mặt phân cách Nếu năng lượng của các điện tử này nhỏ hơn chiều cao rào thế tại mặt phân giới thì chúng bị phản xạ Vì năng lượng điện tử được tăng lên bởi sự tăng của điện áp tip nên một số sẽ

vượt qua rào bể mặt và sẽ được thu lại tại điện cực đế Dòng này được sử

dụng để vẽ bản đồ tính chất điện mặt phân giới ngoài đặc tính địa hình bề mặt

Thí dụ, người ta đã sử dụng BEEM để nghiên cứu mặt phân cách NiSi,/Si

(111) Hai định hướng của NiSi; có thể phát triển trên Si(11 1): loai A va B

6 loại A, NiSi; có cùng định hướng như đế Trong loại B, NiSi, xoay 180 độ

so với hướng (L1) Ngoài ra chiều cao rào Schottky của các mặt phân cách này cũng đã đo được và phù hợp tốt với các nghiên cứu trước đây

6.3.3 Thiết bị profin nhiệt quét

Thiết bị profin nhiệt quét (Scanning Thermal Profiler-STP) sử dụng một cảm biến được nung nóng có miền tiếp xúc tương tác nhiệt kích thước cỡ 100 nm Khi tip nung nóng tiếp cận bề mặt mẫu thì nhiệt độ của tip giảm xuống do

tương tác nhiệt giữa tip và mẫu Vì thế, nhiệt độ tip là một hàm của độ rộng khe tip-mẫu Trong quá trình đo profin bề mật nhiệt độ của tip bị thay đổi theo hình sin Nhiệt độ biến thiên của tip được sử dụng cho mạch điều khiển tương tự như trong STM Khi ấy đầu dò được quét trên bề mặt để nhận được profin ba chiều Kỹ thuật này có độ phân giải ngàng 100 nm va do phan giai đứng 3 nm không phụ thuộc vào bề mặt được dò Thiết bị profin có thể được

sử dụng cho độ rộng khe > 10 nm va do đó nó rất hữu ích để tạo profin

không tiếp xúc đối với vật liệu không dẫn điện

6.3.4 Kính hiển vi dẫn ion quét

Kính hiển vi dẫn ion quét (Scanning lon-Conductance Microscope-SICM) dựa trên dòng các ion qua ống mao dẫn Ống mao dẫn được đặt trong dung

địch điện phân và được quét sát mẫu Khi ống mao dẫn tiếp cận hơn bề mặt

243

Chuong 7

PHO DIEN TU QUANG TIA X

7.1 Nguyén ly

Kỹ thuật phổ điện tử quang (X-ray Photoelectron Spectroscopy-XPS) str

dụng các photon để ion hoá các nguyên tử bề mặt, đồng thời thu nhận và đo năng lượng của điện tử quang bật ra Trong kỹ thuật này, bề mặt mẫu được bin phá bởi tia x năng lượng thấp từ nguồn nhôm hoặc magiê trong đó sử dụng pic Kœ Đôi khi các photon năng lượng thấp hơn hoặc cao hơn được sử dụng như photon được phát ra từ bia silic và các nguồn tia cực tím trong phổ điện tử quang cực tím (Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy- -UPS) Hinh 7.1 minh hoa qué trinh phat xa dién tt quang trong XPS va UPS khi bé mặt mẫu được bắn phá bởi các photon năng lượng È, = hv va dién tit bat ra

hoặc từ lớp điện tử hoá trị hoặc từ lớp điện tử trong cùng Năng lượng È của

điện tử quang này được cho bởi biểu thức:

E=hv-E,-® (7.1) trong d6 v 1A tần số của photon, E, là năng lượng liên kết điện tử và Ø là công thoát của mẫu Mỗi nguyên tố sẽ có một tập pic đặc trưng trong phổ điện tử quang tại các động năng được xác định bởi năng lượng photon và các năng lượng liên kết tương ứng Bằng cách đo động nang điện tử quang

và biết năng lượng photon tới thì năng lượng liên kết điện tử có thể xác định được Năng lượng liên kết chính là đại lượng đặc trưng cho nguyên tử mà từ

đó có thể nhận được một số thông tin quan trọng về mẫu nghiên cứu như: 1) các nguyên tố có mặt trong mẫu, 2) hàm lượng phần trăm của mỗi nguyên

tố và 3) trạng thái hoá học của các nguyên tố có mặt

Ứng dụng chính của kỹ thuật phổ điện tử quang tia x là để nghiên cứu các phan ứng hoá học có thể phát sinh ở vài lớp nguyên tử ngoài cùng của bề mặt vật liệu

t2 + ch

Bộ phân tích bán cầu Nguồn tia x

Hình 7.2 Sơ đồ phổ kế điện tử quang tia x ˆ

vô cùng lớn Phổ kế có thể có một số channeltron tại cửa ra để tăng cường tốc độ thu nhận của bộ phân tích Tốt nhất nên có hơn một nguồn phát photon trong một thiết bị XPS, bởi vì ít nhất cần hai năng lượng photon để phân biệt giữa pic phổ Auger và pic phổ điện tử quang tia x (xem ở phần sau) Sẽ rất thuận lợi khi có một nguồn chuẩn mạnh voi độ chính xác cao

7.2.1 Nguồn tỉa x

Sơ đồ thiết kế nguồn tia x hai anot được chỉ ra trên hình 7:3 Anot làm lạnh bằng nước được chế tạo bằng đồng có hai mặt chung đỉnh mà mỗi mặt được

phủ một vật liệu phát tia x khác nhau Hai catot được đặt về hai phía ở vị trí

thấp hơn các mặt anot này và có thể lựa chọn một trong hai để tạo tia x từ bể mặt anot tương ứng Điện tử từ catot được tăng tốc đến 15 keV để cho công

suất cực đại 1 kW và bắn phá bề mặt anot để tạo phổ tia x đặc trưng từ vật

liệu phủ anot, hình 7.3

Phổ tia x từ các nguồn này gồm có phổ đặc trưng trên nền phổ liên tục kéo

dài tới năng lượng 15 keV cùng với các pic đặc trưng phụ Các pic phụ cũng

có thể kích thích điện tử quang và tạo pic trên phổ XPS Hầu hết các thiết bị XPS thương mại được chế tạo sao cho có thể lắp được anot kép phủ lớp

247

mang điện được gia tốc nó sẽ bức xạ và nguyên lý này được sử dụng trong

xincrotron, ở đó các điện tử được gia tốc tới năng lượng cao và bị cưỡng bức

xung quanh chu vi vòng tròn Cực đại cường độ của bức xạ điện từ phát ra tỉ

249