Nghiên cứu ứng dụng các thiết bị và công nghệ tiên tiến trong đo lường và y tế

Trên thực tế đề tài được thực hiện và trình bày trong báo cáo này thực sự chỉ giải quyết việc nghiên cứu một loại thiết bị công nghệ tiên tiến trong đo lường và chỉ ở một chừng mức nhất

ViÖn khoa häc vµ c«ng nghÖ viÖt nam

ViÖn VËt lý øng dông vµ ThiÕt bÞ khoa häc

18 Hoµng quèc ViÖt , Hµ Néi

B¸o c¸o tæng kÕt khoa häc vµ kü thuËt §Ò tµi cÊp nhµ n−íc:

Nghiªn cøu øng dông c¸c thiÕt bÞ vµ c«ng nghÖ tiªn tiÕn trong ®o l−êng, y tÕ (AFM/STM)

6836

07/5/2008

Hµ Néi, 9-2004

1 -Chương I: Mở đầu 6

Error! Hyperlink reference not valid 1.2 Những câu hỏi cần giải đáp 6

1.2.1 SPM là gì ?: 6

1.2.2 Vì sao cần dùng đến SPM ?: 6

1.2.3 Lịch sử phát triển: 6

1.2.4 Vì sao lại nghiên cứu chế tạo SPM: 7

1.2.4.1 Lý do nhu cầu: 7

1.2.4.2 Lý do kinh tế: 7

1.2.4.3 Lý do chuyên môn: 7

1.2.4.4 Lý do phát triển: 7

1.3 Nội dung đề tài phải thực hiện 7

1.3.1 Nội dung tóm tắt: 7

1.3.2 Nội dung nghiên cứu cụ thể 7

1.3.2.1 Khối điện-truyền động thô 7

1.3.2.2 Khối dịch chuyển và định vị nano 8

1.3.2.3 Khối Điện tử Analog-Digital 8

1.3.2.4 Phần mềm 8

1.3.2.5 Phát triển ứng dụng, đào tạo và hợp tác hỗ trợ ứng dụng 8

1.4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 8

1.5 Bố cục và nội dung trình bày báo cáo 10

2 - Chương ii- 11

tổng quan và những cơ sở khoa hoc của spm 11

2.1 Kính hiển vi và những giới hạn kỹ thuật của các loại hiển vi hiện tại 11 2.2 Nguyên lý hiển vi có trường quan sát gần sát mẫu –gọi tắt là Hiển vi trường gần (near field microscopy) 12

2.3 Cơ chế hoạt động của hiên vi điện tử quét đầu dò 14

( SPM: Scanning Probe Microscopy) 14

2.4 Những cơ sở vật lý kỹ thuật của hiển vi quét dòng Tunel 16

2.5 Hiệu ứng áp điện và ứng dụng cho SPM 19

2.5.1.1 Giới thiệu tóm tắt về áp điện 19

2.5.1.2 Vật liệu áp điện 20

2.5.1.2.1 Biến dạng đàn hồi của vật rắn: 20

2.5.1.2.2 Tinh thể áp điện : 21

2.5.1.2.3 Gốm fero điện : 22

2.5.1.2.4 Các hệ số đặc trưng 22

2.5.1.2.5 Những biến đổi cơ - điện 25

2.5.1.3 ứng dụng của kĩ thuật áp điện trong SPM 28

3 -Chương III- 31

hiển vi quét đầu dò-cấu trúc và thiết kế phát triển 31

3.1 Tình hình và kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước 31

3.1.1 Giới thiệu chung 31

3.1.2 Mô tả tóm tắt về kỹ thuật SPM 32

3.2 Chế tạo hiển vi quét lực nguyên tử (AFM) với công nghệ xử lý tín hiệu số (DSP) trong môi trường linux 35

3.2.1 Tóm tắt những đặc điểm thiêt kế chính 35

3.2.2 Tổng thể về Thiết kế chế tạo AFM 35

3.2.2.1 Sơ đồ khối 35

3.2.2.2 Các lớp phần mềm 36

3.2.2.2.1 Phần mềm bậc cao: 36

3.2.2.2.2 Phần mềm nhúng: 37

3.2.2.3 Phần cứng 37

3.2.2.3.1 Khối máy và chống rung 37

3.2.2.3.2 Đầu đo 38

3.2.2.3.3 XYZ vi chỉnh, Piezo scaner 39

3.2.2.3.4 Tiếp cận thô 39

3.2.2.3.5 Cơ chế phát hiện tín hiệu 40

3.2.2.3.6 Hệ thống điện tử–DSP đo lường và xử lí tín hiệu 40

3.2.3 Đo lường trên mẫu chuẩn 41

3.2.4 Kết luận 43

3.3 Thiết kế chế tạo kính hiển vi điện tử quét hiệu ứng đường ngầm-STM 44 3.3.1 Giới thiệu tóm tắt: 44

3.3.2 Thiết kế, chế tạo các công đoạn của thiết bị STM 45

3.3.2.1 Làm mũi dò: 45

3.3.2.1.1 Nguyên lý 45

3.3.2.1.2 Chế tạo mũi: 46

3.3.2.2 Bộ vi chỉnh 3 chiều bằng áp điện( Piezo) và môtơ bước 46

3.3.2.2.1 Nguyên lý 46

3.3.2.2.2 Quá trình thực hiện 46

3.3.3 Các dạng cấu tạo của STM 47

3.3.4 Hệ thống điện tử điều hành 47

3.3.5 Thiết kế khởi tạo hệ điều hành cho STM 49

Hình 4.2 Lưu đồ thuật toán phần mềm Potentialstate trên DSP 49

3.3.6 Kết quả và kết luận về STM 52

4 -Chương V : Kỹ thuật DSP 55

4.1 Tại sao phải dùng DSP ? 55

4.3 Phần cứng 57

4.3.1 Đặc điểm chung 57

4.3.2 Card xử lí tín hiệu số – Card Signal Ranger 57

4.3.2.1 Cấu hình chung 58

4.3.2.2 Cấu hình phần cứng 59

4.3.2.3 Cấu hình bộ nhớ – Các thông số cơ bản 60

4.3.2.4 Ngôn ngữ giao tiếp 61

5 -Chương 5 :Thiết kế chế tạo bộ điều khiển digital chuyển động đa năng bằng mô tơ bước 62

5.1 Tóm tắt: 62

5.2 Giới thiệu nội dung vấn đề nghiên cứu 63

5.3 Nguyên tắc hoạt động 63

5.4 Cấu tạo thực tế của động cơ bước: 65

5.4.1 Các chế độ hoạt động 65

5.4.1.1 Chế độ kích một pha: 65

5.4.1.2 Chế độ kích hai pha: 65

5.5 Chế tạo hệ điều khiển động cơ bước 66

5.5.1 Sơ đồ khối điều khiển động cơ bước dùng vi điều khiển AT89C51 67

5.5.2 Một số điểm cần chú ý về linh kiện: 68

5.6 Kết quả kiểm nghiệm và kết luận 69

6 -Chương VI 74

Các hệ thống điện tử chuyên dụng cho SPM 74

6.1 Thiết kế bộ khuếch đại tín hiệu nhỏ trong kính hiển vi điện tử quét hiệu ứng đường ngầm (STM) 74

6.1.1 Những vấn đề cơ sở về tạp nhiễu điên tử : 74

6.1.1.1 Nhiễu điện trở ( Nhiễu Johnson) : 74

6.1.1.2 Nhiễu dòng : 75

6.1.1.3 Nhiễu 1/f : 75

6.1.1.4 Nhiễu điện từ : 75

6.1.2 Chọn nguyên lý hoạt động cho bộ khuếch đại dòng Tunnel: 75

6.1.3 Tính toán,thiết kế 79

6.1.4 Mạch nguyên lý của bộ khuyếch đại tín hiệu 81

6.2 Laser bán dẫn và Hệ điện tử nuôi laser bán dẫn trong SPM 83

6.2.1 Yêu cầu và các thông số kỹ thuật được chọn 83

6.2.2 Mạch nuôi Laser 84

6.3 Photodiode định vị tứ cực 85

6.3.1 Nguyên lý hoạt động và cấu trúc linh kiện 85

6.3.2 Hệ điện tử xử lý và khuếch đại tín hiệu định vị 86

6.4 Hệ thống điện tử điều hành 87

6.5 Phụ lục : Một số bản vẽ sơ đồ và bản thiết kế gia công mạch in 88

7 -Chương VII : Phần mềm 89

8 -Chương VIII: cơ khí STM 100

8.1 Hệ thống cơ khí dịch chuyển và định vị bằng áp điện 100

8.1.1 Những ưu điểm của hệ thống định vị áp điện 100

8.1.2 ống quét piezo (Piezo scanner) 101

8.2 Cách li giao động cơ học 103

8.3 Hình ảnh các bộ phận và chi tiêt cơ khí chủ yếu Error! Bookmark not defined 8.4 Phụ lục: Một số bản vẽ chính Error! Bookmark not defined. 9 - Chương IX- 107

Thiết kế chế tạo PotentioStat và Phổ kế trở kháng Điện Hoá trên cơ sở xử lí tín hiệu số 107

9.1 Giới thiệu tóm tắt 107

9.2 Thiết kế chế tạo Potentiostat 108

9.2.1 Nguyên lý chung 108

9.2.2 Thiết kế chế tạo Digital PotentioStat 108

9.3 Nghiên cứu phát triển phương pháp đo phổ kế trở kháng điện hoá (Electromechical Impedance Spectroscopy) 113

9.4 Đánh giá và kết luận 119

1-Chương I: Mở đầu

Giới thiệu đề tài,Mục đích,Yêu cầu, Nội dung, Phương pháp thực hiện

Đề tài mang mã số KC01-10 có tên gọi và cũng chính là mục tiêu chung “Nghiên cứu

ứng dụng các thiết bị và công nghệ tiên tiến trong đo lường, y tế (AFM/STM)“ Đây

là một tên goi phản ảnh một nội dung rất rộng và tổng quát Trên thực tế đề tài được thực hiện và trình bày trong báo cáo này thực sự chỉ giải quyết việc nghiên cứu một loại thiết bị công nghệ tiên tiến trong đo lường (và chỉ ở một chừng mức nhất định ,có khả năng ứng dụng gián tiếp cho y tế thông qua các khả năng ứng dụng cho nghiên cưú sinh học) đó là thiết bị hiển vi điện tử quét đầu dò (SPM) bao gồm hiển vi quét dòng Tunel (STM)và hiển vi quét lực nguyên tử (AFM) đúng như phần ghi rõ trong dấu ngoặc của tên đề tài Các mục tiêu cụ thể bao gồm:

Triển khai chế tạo hiển vi quét đàu dò (SPM- Scanning Probe Microscopy ) bao gồm hai loại chính là kính hiển vi lực nguyên tử AFM, kính hiển vi quét xuyên hầm STM độ phân giải dưới 10-9m

Nghiên cứu, tiếp thu, phân tích ứng dụng loại thiết bị điện tử tiên tiến , chuyên dụng này trong nghiên cứu,đo lường, giáo dục, y tế và đưa vào ứng dụng cụ thể ở quy mô nhỏ, đảm bảo chất lượng cao, đạt trình độ trong vùng, giá thành hạ so với nhập ngoại, có thị trường

và điều kiện mở rộng ứng dụng lâu dài

Xây dựng tiềm lực, công cụ vật chất cho chế tạo thiết bị điện tử tiên tiến (thế hệ mới, chủ yếu bao gồm các yếu tố đo lường điều khiển bằng công nghệ thông tin cao cấp nhất hiện nay, thông minh, tính tương tác, tính nối mạng) Đào tạo đội ngũ cán bộ thiết kế phần cứng và phần mềm, lắp ráp, chế tạo, thử nghiệm đánh giá chất lượng., sử dụng, bảo hành, loại thiết bị điện tử tiên tiến , hiện đại,hàm lượng chất xám cao

1.2 Những câu hỏi cần giải đáp

1.2.3 Lịch sử phát triển:

1981 Phát minh ra STM do Binnig & Rohrer

1985 Binnig, Gerber, and Quate chế tạo ra AFM đầu tiên

1986 Binnig & Rohrer nhận giải Nobel cho phát minh STM

Các công ty chế tạo SPM của các trường Đại học ra đời: 1987 Digital Instruments của Univ of California - Santa Barbara 1988 Park Scientific của Stanford 1991 Microfabricated AFM probes ra đời 1998 Veeco Instruments mua Digital Instruments.1999 Asylum Research do các thành viên cũ của Digital Instruments tái lập

2000 đến nay: Các hãng chế tạo lớn như SEIKO, JEOL, SHIMIZU vào cuộc Các phòng thí nghiệm tiếp tục phát triển họ các SPM mới ,ứng dụng cho Nano-sinh học phân tử Một giai đoạn phát triển mới lại bắt đầu Một loạt các công ty và phòng thí nghiệm tham gia nghiên cứu phương pháp sử dụng SPM , phát triển các sản phẩm mới chất lượng cao, giá cả hợp lý , trong số đó có IAPSI

1.2.4 Vì sao lại nghiên cứu chế tạo SPM:

1.2.4.1 Lý do nhu cầu:

Cần thiết cho các ứng dụng trước mắt và tương lai, đăc biệt là công nghệ nano-sinh học phân tử

1.2.4.2 Lý do kinh tế:

Các hãng cung cấp với giá thành quá cao , không phải phòng thí nghiệm nào cũng mua

được cho nên đó là lĩnh vực rất lý tưởng cho các phòng thí nghiệm nghiên cứu tham gia

Đề tài cần phải thực hiện các nội dung nghiên cứu cụ thể , để cuối cùng chủ động chế tạo

đựơc máy mẫu (prototype) hai chủng loại SPM phổ biến là STM và AFM chạy trong môi trường thường , có tính năng cơ bản đủ sử dụng bước đầu trong giáo dục đào tạo, nghiên cứu khoa học mức trung bình Tạo cơ sở để chế tạo theo yêu cầu trong nước Kèm theo đó cũng tận dụng phát triển các bộ phận (modules) đã nghiên cứư trong ché tạo SPM thành các thiết bị và phương pháp sử dụng độc lập , nếu có thể được

1.3.2 Nội dung nghiên cứu cụ thể

1.3.2.1 Khối điện-truyền động thô

Thiết kế chế tạo phần cứng cơ điện –chân đế chống giao động

Thiết kế chế tạo C cấu dịch chuyển thô dùng môt bước

1.3.2.2 Khối dịch chuyển và định vị nano

Thiết kế ,lấp ráp Bộ quét piezo 3 chiều phân gii Nanometer

Thiết kế lắp đặt bộ định vị nanometer bằng Laser bán dẫn và quadrand Photodiod (riêng mũi dò AFM và bộ gá dao động phải mua và đặt chế tạo ở nước ngoài)

Thiết kế chế tạo bộ đầu dò Tunel

1.3.2.3 Khối Điện tử Analog-Digital

Thiết kế chế tạo bộ nguồn nuôi hạ thế siêu ổn định

Thiết kế chế tạo bộ khuếch đại cao thế ít nhiễu và tác động nhanh

Thiết kế chế tạo bảng mạch điều khiển hệ thống quét X+/- Y+/-, Step Motor, Z+/-…

Thiết kế chế tạo Bộ tổng hơp giao động digital và Lock-in Digital ( song song với việc sử dụng Lock-in Analoge thưng mại trong giai đoạn đầu)

Thiết kế chế tạo ADC và DAC 4 kênh tốc độ nhanh (100MHz)

Thiết kế chế tạo Tiền khuếch đại picoampe cho STM

Thiết kế chế tạo tiền khuếch đại vi sai cho Quadrand Photodiode

Thiết kế chế tạo Digital Potentíotate

1.3.2.4 Phần mềm

Viết bộ phần mềm hệ thống nhúng cho DSP

Viết driver cho ADC, DAC

Viết phần mềm cho Digital Lock-In và Digital Generator

Viết bộ phần mềm tổng thể điều khiển ,đo lường và xử lý sô liệu cho SPM

Viết phần mềm giao tiếp ,thu thập ,truyền và xử lý kết quả trên PC

Viết MENU, kết nối các phần mềm xử lý ảnh, đồ hoạ , trình diễn và lưu trữ kết quả

Đồng thời Tiến hành song song viết phần mềm (Source Code) xử lý ảnh

Phần mềm điều hành và xử lý kết quả đo Potentíostate

1.3.2.5 Phát triển ứng dụng, đào tạo và hợp tác hỗ trợ ứng dụng

Tổ chức các Seminar để phổ biến kỹ thuật và c sở vật lý cho các phòng thí nghiệm ứng dụng

Xây dựng các phưng pháp nghiên cứu, đo lường dùng SPM trong Vâtlý, Hoá học, sinh hoc, ytế…để đào tạo và phổ biến , hỗ trợ các c sở ứng dụng

Đào tạo sinh viên, cao học và nghiên cứu sinh cho các lĩnh vực Thiết bị và NanoAnalysis

1.4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu sẽ được xây dựng sao cho đội ngũ cán bộ khoa học Viêt nam làm chủ được tối đa các khâu thiết kế tổng thể,thiết kế chi tiết, lựa chọn linh kiện cần đặt hoặc gia công, tự chế tạo chi tiết thiết kế và phát triển phần mềm Công trình có mục tiêu dài hạn nhiều năm, trong 2,3 năm đầu tiên tập trung lấy việc thiết

kế chế tạo SPM làm đối tượng nghiên cứu phát triển vừa tạo ra sản phẩm cao cấp cho xã hội, vừa làm cơ sở thực tế để đào tạo đội ngũ , hợp tác quốc tế và tích luỹ kiến thức Các phần cụ thể dự kiến như sau:

- Phần cứng Cơ điện: Thiết bị STM đầu tiên đã hợp tác chế tạo thành công thời gian qua sẽ là điểm xuất phát để hoàn thiện và phát triển tiếp Sẽ tìm cách mua một thiết

bị hay từng bộ phận của một thiết bị SPM loai mới (hoác hợp tác trao đổi) để về tháo

ra cho cán bộ nghiên cứu, so sánh với thiết bị của mình để xác định các bước cần

thiết hoặc là sao chép có cải tiến, hoặc mô phỏng lại hoặc sáng tạo bộ phận mới nếu

cần thiết Nguyên tắc là không mày mò từ A đến Z mà tận dụng triệt để các kinh

nghiệm và trí thức của những người đi trước Việc này hoàn toàn khả thi vì đội ngũ

cán bộ đã có kinh nghiệm làm chủ chế tạo 1 thiết bị tương tự Hợp tác với các nhà

khoa học công nghệ nước ngoài bằng mọi cách là điều kiện sống còn để làm chủ

được công nghệ này

- Phần cứng điện tử-tin học: Sẽ sử dụng hoàn toàn kỹ thuật số hiện đại nhất trong đo

lường điều khiển Thiết bị dự kiến được chế tạo trên nền tảng kỹ thuật DSP, loại chip

công nghiệp xử lý song song tốc độ cao nhất hiện nay Máy tính được giải phóng chỉ

để điều khiển giao tiếp và xử lý kết quả cuối cùng mà thôi Trên thực chất , nhóm

thực nghiệm sẽ phải thiết kế riêng một máy tính tốc độ cực cao, xử lý thời gian thực

Đây là một kỹ thuật cao của tương lai phát triển , rất cần có điều kiện để đào tạo đội

ngũ

- Phần mềm hệ thống: Là phần mềm nhúng điều khiển board mạch, phần cứng cơ khí

,đo lường và truyền số liệu Sẽ do cán bộ VN hoàn toàn tự thiết kế và thực hiện và

được giữ làm bí quyết công nghệ

- Phần mềm xử lý số liệu và ảnh : Kết hợp tự viết với các phần mêm sẵn có hoăc hợp

tác trao đổi với các phòng thí nghiệm khác Tiến tới làm chủ được mã nguỗn xử lý

ảnhsau khi hoàn thành để làm cơ sở cho các thiết bị chẩn đoán y tế hiện đại (như

siêu âm3D chẳng hạn) về sau

- Song song với việc chế tạo thiết bị ,cần phải tổ chức việc đào tạo huấn luyện cũng

như phát triển phương pháp ứng dụng SPM cho các ngành khác nhau Theo mô hình

các nước tiên tiến ,sẽ dần hình thành nên một phòng thí nghiệm phân tích nano (

Nano analysis) hiện đại của đất nước ,vừa chủ động trong chế tạo thiết bị vừa phát

triển ứng dụng của thiết bị Đây là việc nhất thiết phải làm vì kỹ thuật SPM mặc dù

rất quan trọng và thuân tiện nhưng lại còn quá mới mẻ đối với hầu hết các cán bộ

khoa học hiện nay Mặt khác PTN này cũng sẽ là một điểm khởi đầu cho việc chủ

động thiết kế, chế tạo và ứng dụng các thiết bị Hi-Tech trong đo lường, ytế tiếp theo

Các công nghệ và kỹ thuật sử dụng cho đề tài này thuộc loại những công nghệ cao cấp nhất hiện tại Có thể liệt kê một số công nghệ cần phát triển và sử dụng như sau:

• Phát hiện và đo lường tín hiệu cực nhỏ như dòng điện cỡ Picoampe (pA), lực cỡ NanoNewton (nN), kích thước cỡ Nanomet (nm)

• Đo lường và Điều khiển chính xác chuyển động liên tục trong khoảng cách từ rất

nhỏ cỡ Angstrom cho đến khoảng cách vĩ mô cỡ cm

• Định vị với sai số dưới 10-10

m

• Kỹ thuât phần mềm Xử lý tín hiệu (Digital Signal Procesing), thay thế phần cứng

analoge

• Hệ điều hành thời gian thực

• Chu trình điều khiển tự động kín PID hoàn toàn digital

• Kỹ thuật phần cứng thu thập xử lý tín hiêụ

• Kỳ thuật xử lý ảnh

• Các kỹ thuật điện tử-vi điện tử analog hiện đại: Nguồn cao áp ổn định cao,

• Kỹ thuật cơ khí chính xác quang học

• Kỹ thuật cách ly giao động cơ học

• Lập trình chuyên nghiệp từ mức độ vật lý (physical level) đến mức độ ứng dụng

• Phần mềm đóng gói với số dòng lệnh lớn (trên 25.000 dòng)

1.5 Bố cục và nội dung trình bày báo cáo

Trong các chương sau chúng tôi sẽ trình bày những vấn đề khoa học công nghệ cơ bản và các công việc chúng tôi đã thực hiện để phát triển các kỹ thuật này ,nhằm ứng dụng chế tạo thành những hệ thiết bị SPM tại phòng thí nghiệm , theo đúng yêu cầu của đề tài KC01-10

Chúng tôi viết báo cáo này ngoài việc báo cáo công việc đã thực hiện còn có tham vọng là một tài liệu phát triển khoa học công nghệ về một vấn đề tương đối hoàn chỉnh Làm sao để cho người đọc nếu muốn hiểu vấn đề theo các mức độ khác nhau

đều có thể đọc được Mặt khác đối với những người cần tham khảo các vấn đề Vật lý, Công nghệ, Kỹ thuật, Thiết kế, Chế tạo SPM hoặc thiết bị tương tự cũng có thể xem

đây là những tư liệu có thể giúp ích cho công việc Vì vậy tài liệu này được viết theo nguyên tắc ngắn gọn nhưng bảo đảm nội dung khoa học hoàn chỉnh , công nghệ và

kỹ thuật cụ thể ,rõ ràng ,có thể sử dụng được ngay (tất nhiên ,tham khảo với tác giả

thì tốt hơn) Theo nguyên tắc đó , báo cáo phân thành nhiều lớp Lớp in chữ thường

là phần mà người quan tâm nên đọc hết Các vấn đề viết sâu không nhất thiết phải

đọc thì viết chữ nghiêng nhỏ Các thiết kế và bản vẽ dành cho các nhà thiết kế

,công nghệ được đưa vào phụ lục theo từng chương Mã nguồn phần mềm rất lớn (300 trang) nên in kèm là không tiện dụng, chúng tôi ghi vào đĩa CD đi kèm Tài

liêu tham khảo cũng đưa vào sau từng chương cho dễ theo dõi

Để tiện theo dõi ,xin liệt kê những nội dung chính của các phần sau gồm:

Chương II : Những cơ sở khoa học của hiển vi quét đầu dò và của các công nghệ và

kỹ thuật đặc biệt sử dụng cho chế tạo.Phần này có tính tổng quan, tuy đựợc viết ngắn gọn nhưng cần để có thể hiểu được cơ sở của đề tài và làm tài liệu cho huánn luyện,

Chương IV : Kỹ thuật DSP

Chương V: Kỹ thuật điều khiển chuyển động bằng Motơ bước

Chương VI: Điện tử chuyên dụng cho SPM bao gồm Nguồn nuôi cao áp và hạ áp, Khuếch đại nhiễu thấp, Khuếch đại cao áp tôc độ nhanh, Các bộ mạch lọc, đệm Chương VII: Phần mềm

Chương VIII: Phần cứng cơ khí

Chương IX: Digital Potentiostate, EIS, Lock-in, Hệ đo đa năng

2- Chương II

Tổng quan và những cơ sở khoa hoc của SPM

Chương này được viết còn nhằm mục đích làm tài liệu giáo khoa cho huấn luyện (là một nội dung của

đề tài) vì vậy để bảo đảm tính khoa học và giáo khoa , có trình bày những vấn đề vật lý mới và sâu Tuy nhiên để thuận tiện, những phần này được viết bằng chữ nhỏ , nghiêng Không cần đọc những phần này nếu không cần thiết Tính liên tục khoa học chung của nội dung tuy vây vẫn được bảo đảm

Kính hiển vi là một loại công cụ giúp cho con người có thể quan sát , đánh giá các đối tượng kích thước nhỏ mà mắt thường không thể nhìn thây được Kính hiển vi quang học

đã đươc phát minh từ mây trăm năm trước , ngày càng được hoàn thiện và là một công cụ không thể thiếu được trong cuôc sống, học tập và nghiên cúư khoa học Do bản chất sóng của ánh sáng cho nên khả năng phân giải cuả kính hiển vi quang học bi giới hạn bởi định luật nhiễu xạ Frauenhofer

Theo định luật này thì sự phân bố cường độ trong ảnh của một chấm sáng trên mặt phẳng ảnh là một hàm

số của góc nhìn ,biểu diễn bởi công thức

J1 là hàm Bessel bậc 1 và R là bán kính chùm sáng hay gần đúng bằng bán kính đối tưựng quan sát Như vậy ảnh của mộtvật chiếu sáng bởi một nguồn sáng điểm ,do định luật nhiễu xạ ,thực chất là một chuỗi cácvết cực đại cường độ khác nhau có giá trị giảm dần và đối xứng qua vết sáng nhất ở trung tâm .Kích thước vết sáng nhất ở tâm mà ta có thể quan sát dễ dàng nhất được coi là ảnh của vật qua kính hiển vi , trong phép gần đúng bậc 1 ,được tính gần đúng là:

Định nghĩa NA là chỉ số góc mở của một thấu kính tiêu cự f đối với vật ảnh bán kính R theo công thức:

với ta sẽ có được giới hạn độ phân giải của hiển vi quang học theo tiêu chuẩn Rayleigh ( Hai ảnh của hai đối tượng 1 và 2 cạnh nhau chỉ có thể phân biệt nếu cực đại cường độ vết chính giữa của đối tượng 1 chạm đến cực tiểu của vết nhiễu xạ đầu tiên của đối tượng 2) là:

Hình 1 minh hoạ các nội dung trình bày nói trên

Rõ ràng là bản chất sóng của ánh sáng đã không cho phép kính hiển vi quang học có độ phân giải vượt quá vài bước sóng , có nghĩa là khả năng phân giải của hiển vi quang học vùng khả kiến thường chỉ đến mức micromet , tức hệ số phóng đại tối đa chỉ cỡ 1500-

2000 lần mà thôi Nếu dùng các bước sóng nhỏ hơn như UV, tia X hay chùm điện tử thì

do bản chất sóng , định luật phân giải cũng không thay đổi, ta có thể có độ phân giải cao hơn do bước sóng ngắn hơn , nhưng lại phải trả giá cho độ phức tạp của công nghệ , kéo theo là giá thành (như hiển vi quang học hiện đại chỉ 5000$, còn hiển vi điện tử ~ 1.000.000$), chưa tính đến những yêu cầu khắt khe về môi trường làm việc (Chân không cao) và cách gia công mẫu

:

Hình 1

Cộng đồng khoa học nhận rõ giới hạn vật lý này và từ những năm 30 thế kỷ trước (Synge

1928, o'Keefe 1956 ,Ash & Nicholls 1972, Binnig &Rohrer 1982)

đã không ngừng tìm kiếm một công cụ hiển vi rẻ và phổ biến như hiển vi quang học nhưng lại có độ phân giải của hiển vi điện tử Điều này chỉ có thể thực hiện được bằng cách tìm các quy luật vật lý mới không bị giới hạn bởi định luật nhiễu xạ của sóng truyền trong không gian

trường gần (near field microscopy)

Điều kiện luôn luôn đúng đối với mọi loại hiển vi cổ điển nói trên, kể cả hiển vi điện tử,

là ở chỗ khoảng cách quan sát mẫu luôn lớn hơn nhiều chiều dài bước sóng Hãy lấy ví

dụ chúng ta muốn định vị vị trí của quả tim bằng sóng âm phát ra từ nhịp tim đập Với tốc

độ âm khoảng 300m/s và tần số ví dụ 100Hz , ta có bước sóng khoảng 3,3m Như vậy theo công thức độ phân giải Abbe nói trên, nếu ta dùng kính hiển vi sóng âm ,ta chỉ có thể

định vị chính xác vị trí của quả tim trong lồng ngực với sai số nhỏ nhất là 1,2m ! Thực tế thì một bác sĩ với cái ống nghe dò trên lồng ngực, có thể định vị vị trí của tim chỉ sai số không quá cm Vấn đề ở đây là khoảng cách từ đầu ống nghe (đầu dò quan sát) đến quả tim (đối tượng quan sát ) chỉ độ 10cm, nhỏ hơn rất nhiều lần so với bước sóng âm 330 cm nói trên Như vậy , nếu ta áp dụng nguyên tắc này tức là nguyên tắc quan sát ở khoảng cách nhỏ hơn bươc song ,hay con goi là nguyên tăc trường gần , ta có thể vượt qua được giới hạn phân giải do nhiễu xạ

2

Hình 2: So sánh độ phân giải của hiển vi thông thường với hiển vi trường gần

Về lý thuyết, thì bản chất khác nhau của trường xa và trường gần là hệ quả của một nguyên lý nổi tiếng trong vật lý, đó là nguyên lý bất định Heisenberg

Gọi ∆r i và ∆p i (i: x,y,z ) là độ bất định tương ứng của toạ độ và xung lượng, theo nguyên lý bất định Heisenberg thì ∆r i x ∆p i >= h/2 Π

1/ ∆r i( i=x,y >>k và như vậy sẽ suy ra ∆k z là giá trị ảo Giá trị ảo này có nghĩa là sóng sẽ không được truyền

đi đến nơi quan sát xa , mà tắt dần theo định luật hàm số mũ, sóng này trong vật lý là một dạng photon ảo Trong sóng tắt dần này chứa đựng những thông tin của cấu trúc mẫu mà ta quan sát Vì vậy muốn thu được

độ phân giải cao, phải tìm cách đưa điểm quan sát đến vùng trường gần Đó chính là nguyên tắc của hiển

2.3 Cơ chế hoạt động của hiên vi điện tử quét đầu dò

( SPM: Scanning Probe Microscopy)

Kính hiển vi là phương tiện được con người phát minh ra để nhìn những cấu trúc nhỏ bé không cảm nhận được trực tiếp bằng giác quan thông thường Xét về phương diện kĩ thuật, thang độ hiển thị được của một họ kính hiển vi nói chung do hai yếu tố sau đây quyết định:

• Cơ chế hoạt động

• Phương tiện kĩ thuật thực hiện

Trong loại kính hiển vi quét đầu dò ( gọi tắt là SPM ) cơ chế hoạt động là hoàn toàn khác với tất cả các loại hiển vi đã được biết đến nay Đây là loại công cụ sử dụng nguyên tắc trường gần nói trên và sử dung các dạng tín hiệu tương tác giữa đầu dò và cấu trúc mẫu tuỳ theo chủng loại kính hiển vi Đây là điểm mấu chốt quyết định đến khả năng cho độ phân giải lí thuyết có thể đạt được

Phương tiện kĩ thuật thực hiện sẽ quyết định đến việc cho độ phân giải thực tế, quyết

định đến việc họ kính đó có khả dụng trong thực tế hay không

Phần này dành trình bày về cơ chế hoạt động cuả SPM , phần kỹ thuật thực hiện sẽ được trình bày tỉ mỉ trong các phần và chương khác

Trong đại gia đình nhà kính hiển vi thì SPM là thế hệ tối tân nhất có thể hiện ảnh xuống tới kích thước nguyên tử Điều mà các thế hệ trước đó không thể làm được do có những hạn chế xuất phát từ chính cơ chế hoạt động như đã nói ở các phần trước

Nói một cách ngắn gọn , SPM hoạt động được bằng cách kết hợp những đặc điểm sau

đây:

• Dùng một Mũi dò điểm có kích thước nhỏ ,có thể đến mức nguyên tử đưa đến gần mẫu đến khoảng cách dưới Angstrom

• Quét mũi dò trên bề mặt bằng phương pháp cơ học ,khống chế đến kích thước nguyên tử

• Dùng một loại đại lượng vật lý nào đó sinh ra bởi tương tác giữa mũi dò và mẫu

để khống chế khoảng cách giữa mẫu và mũi luôn luôn thoả mãn điều kiện trường gần

Cho đến nay SPM đã phát triển thành một họ tộc lớn được tóm tắt trong phả hệ ở hình 3 Mặc

dù có nhiều loại SPM nhưng những nguyên tắc hoạt động cơ bản là giống nhau Chúng chỉ khác nhau bởi bản chất của đại lượng vật lý biểu hiện sự tương tác của đầu dò với bề mặt mẫu

Những nguyên tắc này tương ứng với ba kĩ thuật cần phải giải quyết:

• Chế tạo mũi dò kích thước nguyên tử

• Định vị chính xác mũi dò

• Phát hiện và đo định lượng tín hiệu cực bé

Mặc dù các kỹ thuật này đều rất khó nhưng ý tưởng của SPM không phải là không thực hiện được vì các kĩ thuật này đều đã ở trong tầm tay của các nhà chế tạo Chúng tôi sẽ mô tả tỉ mỉ trong các phần sau Hình 4 trình bày một cách trực quan nguyên lý và kỹ thuật thực hiện cuả một SPM

Kính hiển vi lực từ (MFM)

Kính hiển vi lực tính điện (EFM)

Kính hiển vi lực kéo (Shear) (SHFM)

Kính hiển vi quét quang học trường gần (SNOM)

Kính hiển vi lượng tử dòng Tunell (PSTM)

Kính hiển vi hiệu ứng ion dẫn (SICM)

Kính hiển vi điện dung (SCM)

Kính hiển vi quét thế

điện hoá (SCPM)

Kính hiển vi quét hiệu ứng nhiệt (STHM)

Mẫu Mũi dò

Kỹ thuật phản hồi

Mẫu Mũi dò

Kỹ thuật phản hồi

Tiếp cận thô và xác

định vị trí

Kính hiển vi đầu tiên hoạt động theo những nguyên tắc này là chiếc STM do Binnig và Rohre phát minh ra từ năm 1981 và lập tức nhận được giải thưởng Nobel năm 1986 Đó cũng là cái mốc đánh dấu sự ra đời của thế hệ SPM Chỉ trong một thời gian ngắn sau đó rất nhiều chủng loại SPM khác nhau đã được chế tạo trên cơ sở của những tương tác lượng

tử khác nhau

Trong phần sau đây , cơ sở vật lý của một đại diện tiêu biểu nhất và là thuỷ tổ của mọi SPM , Kính hiển vi quét dòng tunel STM , sẽ được trình bày làm ví dụ để hiểu rõ về cơ chế và kỹ thuật cua SPM nói chung

Cơ chế hoạt động của STM dựa trên một hiệu ứng lượng tử đặc biệt đó là hiệu ứng Tunnel Để xảy ra hiệu ứng khoảng cách giữa đầu mũi dò và bề mặt mẫu dẫn điện phải vào cỡ A0 Giữa mũi dò và mẫu dẫn điện được đặt một thiên áp một chiều Vb Tác dụng thực sự của Vb sẽ được trình bày ở phần chữ nhỏ ở sau đây

Dòng điện Tunnel thu được rất nhỏ (thường chỉ cỡ nA) nên phải được khuếch đại đêna giá tri thuận tiện để xử lí Mạch khuếch đại là một bộ chuyển đổi dòng _áp có hệ số chuyển đổi cực lớn Kĩ thuật này rất khó thực hiện vì những nguồn tạp nhiễu thông thường

có thể phát sinh nhiễu cùng cỡ với tín hiệu

Trong Mode hoạt động cơ bản của STM, mũi dò được điều khiển quét trên bề mặt mẫu sao cho dòng Tunnel thu được là không đổi và bằng với giá trị dòng yêu cầu trước Io ống quét Piezo sẽ nhận tín hiệu điều khiển từ hệ điện tử để thực hiện công việc này Tín hiệu quét ngang X,Y như thông thường sẽ quét mũi dò theo từng hàng.Trong khi đó tín hiệu

điều khiển độ cao Z do khối điều khiển PID quyết định

Trong Mode hoạt động thứ hai thì giữ cho vị trí toạ độ chiều cao cuả mũi (toạ độ Z) là cố

đinh và ta đo đòng tunel It khi quét mũi tương đối đối với mẫu theo toạ độ X,Y

Thông tin về toạ độ X,Y,Z ( thông qua tín hiệu điều khiển Ux,Uy,Uz đặt tới Piezo ) hoặc thông tin về toạ độ XY và It bây giờ đã mang thông tin về tính chất của bề mặt, qua

hệ xử lý dữ liệu có thể đưa tới màn hình hiển thị để quan sát trực tiếp bằng mắt thường

Hiệu ứng Tunnel

Hình 1.2 là giản đồ minh hoạ hiệu ứng

tunel trong bài toán một chiều Hạt điện tử m có

thể chui ngầm (tunnelling) qua tường rao thế

năng có chiều rộng là d mà không cần phải vượt

qua tường rào có chiều cao là U 0 Đây là một

tính chất đặc biệt chỉ xẩy ra trong thế giới lượng

tử, khi các kích thước cua d rất nhỏ ở mức

nguyên tử Bản chất lượng tử của hiên tượng

được lý giải ở Hình 1 3 và Hình 1.4 Hình 1 3

là mô hình một chiều thế năng của điện tử trong

mẫu và mũi dò ở trạng thái tách biệt.Tương ứng

với mỗi dạng thế năng đó điện tử sẽ có

Hình 1.2 Hiệu ứng Tunnel

Trong bài toán một chiều

Ps dV

C 2 ∝∫ΨS 2 =

1

Pt dV

C 2 ∝∫ Ψt 2 =

2

Pt

Ps C

Hamiltonien H 02 , và H 01 với các hàm sóng riêng Ψs và Ψt Khi mũi dò tiếp cận tới mẫu bức tranh thế năng

của hệ có thể coi như chồng chất của hai hàm thế thành phần ( Hình 1.4 )

Trong cách giải gần đúng người ta giả thiết rằng hệ mẫu mũi dò là tương tác yếu nên có thể bỏ

qua những biến đổi của các

hàm riêng Khe chân không ở giữa là vùng xen phủ các hàm sóng và xảy ra các chuyển dời Tunnel

Thay ψ ở trên vào sẽ tìm được:

Trong đó:

Các thành phần J s , J t là mật độ dòng xác suất

giữ nguyên trạng thái Hai thành phần J st và J ts là mật độ

dòng xác suất có xảy ra chuyển dời Ψs→Ψt và Ψt→Ψs , lưu

ý một điều là chỉ có những chuyển dời này mới có thể tạo

thành dòng điện

Các điện tử trong hệ mẫu-mũi dò thực tế là

một hệ hạt Spin S=1/2 do đó phải tính tới nguyên lý Pauli

Một chuyển dời nào đó là khả dĩ khi trạng thái đích chưa

bị một điện khác chiếm giữ Phân bố Fermi Dirac sẽ giải

quyết vấn đề này

Hình 1.5 là giản đồ năng lượng trong các trường hợp

khác nhau

Φs , Φt là công thoát của điện tử khỏi mẫu và mũi dò

E F là mức năng lượng Fermi ( mức rào thế nội tại của

bản thân các hệ nhiều hạt )

Qua những sơ đồ này có thể thấy tác dụng của điện áp

định thiên Vb :

- Duy trì trạng thái không cân bằng năng lượng

- Tạo trạng thái đích trống để chuyển dời Tunnel

sảy ra thuận lợi

- Trị số của Vb có thể điều chỉnh để lựa chọn

những trạng thái tham gia chuyển dời (và do đó lựa chọn

được ảnh phổ thu được)

Kết thúc mục này là một công thức chung về dòng điện

Tunnel gói gọn tất cả những điều đã trình bày đơn giản ở

Tích phân được lấy trên mặt bất kì nằm trong khe chân không phân chia mẫu và mũi dò

f(E) hàm phân bố Fermi Dirac:

ts st

t

J C

1

* 2 1 2

2 2

=

) (

* )]

( 1 )(

( )) (

1 )(

( [

,

t S ts T

S S

t

s

E f

e

h

)(

2

*

*

s s s s s

m

i

J = h Ψ ∇Ψ ưΨ ∇Ψ

)(

2

*

*

t t t t

i

J = h Ψ∇Ψ ưΨ ∇Ψ

)(

2

*

*

s t t s st

m

i

J = h Ψ ∇Ψ ưΨ ∇Ψ

)(

2

*

*

t s s t ts

a Mẫu tách biệt mũi dò

b Cân bằng nhiệt

c. Thiên áp mẫu dương

2.5 Hiệu ứng áp điện và ứng dụng cho SPM

2.5.1.1 Giới thiệu tóm tắt về áp điện

vật thể chịu một ứng suất cơ học làm biến đổi hình dạng của nó hay là có sự thay đổi

kích thước khi đặt một điện áp tác dụng

Nhiều lĩnh vực của khoa học_kĩ thuật và cuộc sống con người đ¿ được giải quyết hoàn

hảo bằng kĩ thuật áp điện Hai ví dụ minh hoạ lấy từ những sản phẩm dân dụng sau

đây sẽ cho những ý niệm về hiệu ứng này

Tiền tố “piezo” xuất xứ từ một động từ trong ngôn ngữ Hy Lạp với nghĩa áp, lực( to press ) Hiện tượng

xuất hiện điện tích trên bề mặt đĩa cắt từ tinh thể thạch anh ( hiệu ứng thuận như sau đó được đặt tên ) lần

đầu tiên được chứng minh bởi hai anh em Pierre và Jacques Curie vào năm 1880 Pierre _người mà sau đó

18 năm cùng với vợ của ông là Marrie Curie khám phá ra chất phóng xạ Radi, lúc đó mới 21 tuổi, còn

Jacques 24 tuổi Trong cuốn tiểu sử về Pierre, Marrie đã viết rằng, khám phá của tuổi trẻ không phải là

một sự tình cờ mà là kết quả của những nghiên cứu rộng rãi lí thuyết và thực nghiệm về đối xứng tinh thể

Theo sự phỏng đoán của Lippmann, năm 1881 họ cũng đã phát hiện được hiệu ứng áp điện nghịch

Tinh thể học và lí thuyết toán học về áp điện đã được phát triển nhanh chóng ngay sau khám phá này

Một số tinh thể được nghiên cứu trong giai đoạn đầu này bao gồm thạch anh, Tourmaline, muối Rochelle

Những ứng dụng đầu tiên của áp điện là việc sử dụng trong đo lường tĩnh điện Chính những dụng cụ đo

tĩnh điện áp điện đã được Pierre và Marrie sử dụng trong những nghiên cứu của họ về chất phóng xạ Radi

ứng dụng mang tính kĩ thuật đầu tiên bắt đầu vào khoảng năm 1916 Paul Langevin đã chế tạo một bộ

siêu âm dùng dưới nước bao gồm một phần tử áp điện thạch anh kẹp giữa hai điện cực thép, thiết bị này

được sử dụng trong việc phát hiện tầu ngầm

Trong thời kì chiến tranh thế giới I , bằng thí nghiệm Walter G.Cady đã phát hiện được đặc tính cộng

hưởng của tinh thể áp điện và do đó dẫn ông tới việc phát minh ra bộ điều khiển tần số bằng tinh thể thạch

anh Với khả năng ổn định cao, thiết bị này nhanh chóng trở thành thiết yếu đối với sự gia tăng của nền

công nghiệp phát thanh và thông tin vô tuyến Với cùng cơ chế các bộ lọc sóng bằng tinh thể áp điện cũng

đã được phát minh và đưa vào sử dụng

1917_1918 chu trình trễ tương tự như của vật liệu sắt từ đã được phát hiện trên muối Rochelle ( còn có

Hệ thống đánh lửa trong bật lửa gas

Giao động âmF

Chuông báo thức trong

đồng hồ điện tử Tia lửa điện

là Seignett, nhưng tên sắt điện ( Ferroelectric ) được chấp nhận rộng rãi hơn Tính sắt điện là nguyên nhân của tính áp điện mạnh của muối Seignett, đã được ứng dụng nhanh chóng trong Microphone và máy ghi âm Nhưng ứng dụng của nó bị hạn chế vì nhiệt độ làm việc bị giới hạn ( <45 o

C ) Điều này đã thúc dẩy các nhà nghiên cứu tìm tòi những tinh thể sắt điện mới có độ nhạy cao như vậy nhưng chịu được điều kiện làm việc khắc nghiệt hơn

1940 bản chất sắt điện của BaTiO 3 đã được phát hiện bởi Athur Von Hippel và cộng sự ở viện công nghệ Manssachusett, và ngay sau đó là khả năng đảo hướng phân cực tự phát trong điện trường mạnh của gốm BaTiO3 để dẫn đến tính chất áp điện Phát hiện này mở ra hướng phát triển mới cho vật liệu áp điện có thể

so sánh được với với muối Rochelle về độ nhậy và với thạch anh về tính ổn định cơ học Đó chính là các vật liệu gốm fero điện

BaTiO3 là sắt điện chỉ ở dưới 120 0

C Giới hạn này được vượt qua vào năm 1950 bằng việc chế tạo ra gốm chì PbNb 2 O 6 và PZT ,có khả năng làm việc nên tới 250 0

C Đến gần cuối những năm 1950 các loại gốm mới đã chiếm ưu thế trong nhiều lĩnh vực như điện âm, điện tử

ứng dụng của áp điện trong lĩnh vực định vị chính xác mới chỉ bắt đầu khoảng 20 năm trở lại đây Sự kiện nổi bật đánh dấu thành tựu của lĩnh vực này bắt đầu vào năm

1981, gắn liền với sự ra đời của STM Với khả năng định vị với độ chính xác cao(

mức nguyên tử ), các bộ quét áp điện đã góp phần thực hiện thành công ý tưởng đạt

độ phân giải kích thước nguyên tử mà STM là khởi đầu cho thế hệ kính hiển vi mới sau này_SPM Ngày nay áp điện đã trở thành không thể thiếu trong hệ thống định vị chính xác cao của SPM

Kĩ thuật áp điện ngày nay đã được ứng dụng hiệu quả trong rất nhiều lĩnh vực

khác nhau Có thể liệt kê ra đây một vài lĩnh vực như vậy:

Quang học, quang tử kĩ thuật đo lường

Điều khiển ổ đĩa

2.5.1.2.1 Biến dạng đàn hồi của vật rắn:

biểu biễn qua những biến dạng cơ bản này:

2.5.1.2.2 Tinh thể áp điện :

Vật rắn nói chung cấu tạo từ các hạt mang điện tích dương và âm trung hoà lẫn nhau Trong các chất điện môi thông thường sự phân cực trong điện trường ngoài do sự dịch chuyển ngược chiều nhau của các điện tích này (điện tích dương theo hướng điện trường còn điện tích âm thì theo hướng ngược lại ) Vector phân cực điện xuất hiện do trọng tâm của hai loại điện tích đã lệch khỏi nhau

Trong điện môi đặc biệt có tính áp điện, sự phân cực điện còn thể hiện ở các khía cạnh sau :

Thuận : Biến dạng ⇒ thay đổi trạng thái phân cực

Ngược : Thay đổi trạng thái phân cực (do trường) ⇒Biến dạng

Hiệu ứng áp điện tuyến tính ( bậc nhất ) mô tả sự kiện này có thể biểu diễn bằng những phương trình :

Thuận ∆P i = d ij .T j i=1,2,3

Ngược ∆S j =d ij .E i j=1 6

Trong đó ( các thành phần lấy với một hệ trục toạ độ trực giao nào đó gắn với vật )

E : điện trường (có 3 thành phần ) với chỉ số i

P : độ phân cực (có 3 thành phần ) với chỉ số i

T : ứng suất (có 6 thành phần ) với chỉ số j

S : độ biến dạng ( có 6 thành phần ) với chỉ số j Các thành phần với:

j = 1,2,3 ứng với sự kéo, nén

J = 4,5,6 ứng với sự trượt ( trên mặt trượt vuông góc với các trục 1,2,3 )

d ij : các hệ số áp điện (có 18 thành phần ) trong đó chỉ số i liên hệ tới phần điện, chỉ số j liên hệ tới phần cơ

Hiệu ứng tuyến tính đối với các điện môi đẳng hướng nói chung là không có nhưng lại có thể sảy ra đối với các môi trường bất đẳng hướng như tinh thể Trong 32 lớp tinh thể nhóm điểm, hệ số áp điện d có thành phần nào đó khác không chỉ khi tinh thể tương ứng không có tâm đối xứng Có 20 lớp thoả mãn điều kiện này, được chia tiếp thành hai nhóm với đặc trưng riêng:

• Nhóm 1 : không có véc tơ phân cực tự phát Ps , gồm 10 lớp

• Nhóm 2 : có véc tơ phân cực tự phát Ps, gồm 10 lớp còn lại, chia tiếp thành 2 nhóm nhỏ hơn :

- Nhóm hoả điện ( Pyroelectric ) : Có tên này vì nhiệt độ có thể làm thay đổi Ps

- Nhóm sắt điện ( Ferroelectric ) : Có tên này vì có những tính chất tương tự với vật liệu sắt từ

Sự khác nhau giữa nhóm hoả điện và nhóm sắt điện là ở khả năng đảo hướng vector phân cực tự phát P S

E

Hoả điện

Sắt điện

trong điện trường:

Tính chất đặc thù tương tự như vật liệu sắt từ của nhóm sắt điện có thể nêu tóm tắt như sau :

- Khả năng tạo hình dáng theo ý muốn

Sản phẩm gốm sau quá trình nung để có tính chất áp điện phải được đem phân cực trong điện trường mạnh

trục toạ độ trực giao tương ứng để xem xét các

hiệu ứng áp điện.Với cấu trúc tinh thể ở pha fero

như vậy, hệ số áp điện d chỉ có 3 thành phần độc

lập ứng với các chỉ số ij = 31, 33, 15

6

5 4

• dij : Có hai định nghĩa có thể sử dụng

- Dùng cho hiệu ứng ngược : Là độ biến dạng S ( không thứ nguyên ) tương ứng với một đơn vị điện trường tác dụng E ( V/m ) :

d ij = S j / E i = ( ∆l / l ) j / E i ( m/V )

- Dùng cho hiệu ứng thuận : Mật độ điện tích mặt sinh ra σ ( C/m 2

) tương ứng với một đơn vị ứng suất ( N/m 2 ):

d ij = σi / T j ( C/N )

• g ij : C ó hai định nghĩa có thể sử dụng :

- Dùng cho hiệu ứng ngược : Độ biến dạng S tương ứng với một đơn vị mật độ điện tích mặt tác dụng :

- Chỉ số i liên hệ tới điện ( điện trường, điện tích ) i =1,2,3

- Chỉ số j liên hệ tới phần cơ ( biến dạng, ứng suất ) j =1,2,3,4,5,6

- Hoạt động của actuator trong thực tế có thể tiến hành trong những điều kiện sau:

T : ứng suất không đổi

E : Điện trường không đổi

D : Điện dịch không đổi

• Các thông số quan trọng khác :

- Suất Young Y (N/m 2 ) : Liên hệ tới tính chất đàn hồi

- Hằng số điện môi ∈ : Liên hệ tới điện dung

Chế độ điện áp lưõng cực đối xứng: ở chế độ này có điện áp ngưỡng V th để véctơ phân cực dư đảo hướng

luân phiên theo điện trường điều khiển

0

∆L

Hiện tượng trôi

Có cơ chế cũng bắt nguồn từ hiện tượng trễ phân cực Điện áp điều khiển sau khi tăng ( giảm )

đến giá trị ổn định, sự phân cực tự nó không theo kịp và vẫn tiếp tục xảy ra ( tăng, giảm ) làm chuyển dịch vẫn tiếp tục thay đổi mặc dù điện áp điều khiển đã ổn định từ lâu

2.5.1.2.5 Những biến đổi cơ - điện

Tương quan giữa các đại lượng và hiện tượng trong hiệu ứng áp điện có thể nêu tóm tắt bằng sơ

mô hình cơ học:

Các đại lượng:

• F in : Lực khối, do điện áp ( điện tích) trên hai

bản cực quyết định Để chuyển sang mô hình cơ học

cần sử dụng hệ số chuyển đổi điện-cơ:

in

Q F

U

• F ex : Lực bên ngoài do tải tác dụng nên gốm

F in và F ex có xu hướng ngược chiều nhau

• m eff : khối lượng hiệu dụng của gốm

• k T : độ cứng đàn hồi (theo một phương giao động

F = in ư T∆ ư c

mô hình điện:

Mô hình cơ học có thể rễ ràng chuyển sang mô hình điện nếu chú ý

đến sự tương tự điện cơ sau đây:

dt

di L

U L = Lực

dt

dV m

F = eff

Mô hình cơ đơn giản

∆Q C =∫I C dt Chuyển dời ∆L=∫Vdt

Biên độ ∆Q C =CU cm Biên độ

T

m k

• Khi có tải cần phải bổ xung thêm điện trở tải vào trong mạch

• Những phần tử trong mạch có ý nghĩa như sau :

- Điện áp điều khiển U đk + Nội trở nguồn R n

- C a điện dung của hệ

- Bộ chia áp tỉ lệ N:1 tương ứng với hệ số N

- C m [As/V] điện dung qui đổi của 1/k T [m/N]

- L [Vs/A] điện kháng qui đổi của m eff [ Kg ]

- R [Ω] điện trở qui đổi của k c [ Ns/m ]

- I [A] dòng qui đổi của vận tốc v[ m/s 2

] Các thông số này có thể xác định bằng thực nghiệm

Việc tính toán các yêu cầu của nguồn điều khiển tương ứng với các thông số cơ học yêu cầu có thể tiến hành trên mạch điện tương đương, một số công thức có thể sử dụng :

• Công suất điều khiển P C =UI

• Tổn hao P D =RI2

C

R Rn

2.5.1.3 ứng dụng của kĩ thuật áp điện trong SPM

Ước muốn “nhìn thấy” thế giới vật chất vi mô thực ra đã có từ rất lâu và được minh chứng qua rất nhiều loại kính hiển vi thông thường đã được biết đến (quang học, điện tử ), nhưng chỉ đến khi thế hệ kính hiển vi mới ra đời (đánh dấu bằng việc phát minh

ra STM năm 1981) đó là thế hệ SPM thì ước muốn “nhìn thấy” ,“sờ mó “ đến nguyên

tử mới trở thành hiện thực một cách rõ ràng hơn ý tưởng của SPM chỉ có thể thực hiện được nếu như khả năng định vị mũi dò với độ chính xác cũng phải vào cỡ kích thước nguyên tử ( AO ) Các bộ quét áp điện đã giải quyết dược nhiệm vụ khó khăn này và đến nay đã trở thành phần tử không thể thiếu của các hệ thống SPM

Có thể nói không quá rằng ,nhờ vận dụng ý tưởng sử dụng áp điện nên các tác giả

Binnig và Roehrer đã có được trong tay công cụ dịch chuyển cơ khí điều khiển được

đến mưc nguyên tử , và đó chính là điều kiện cơ bản để SPM có thể hoạt động được

Bộ quét 3 cọc (tripod scanner) : là kiểu thiết kế đầu tiên trong STM của Binnig và

Rohre Nó được tạo ra bằng 3 thanh áp điện ghép vuông góc với nhau Các thanh này phải rất mỏng và dài ( không tạo ra sự cứng nhắc khi ghép nối ) để mũi dò có thể di chuyển dễ dàng khi các thanh co dãn dọc theo các trục của nó Sự chuyển dịch dựa trên hiệu ứng áp điện ngang

ống quét (Tube Scanner) : một kiểu thiết kế hoàn hảo hơn do Binnig và Smith đề xuất

Do tiện dụng nên ngày nay được sử dụng rất rộng rãi trong spm Đó là một ông hình trụ rỗng áp điện duy nhất được sử dụng với một điện cực bên trong và bốn điện cực bên ngoài Sử dụng hiệu ứng áp điện ngang, khi có điện đặt giữa điện cực trong và một điện cực bên ngoài, phần ống nằm giữa các điện cực này sẽ bị co/giãn theo trục ống

Nếu bốn điện cực ngoài đặt cùng một thế (so với điện cực trong ) ống sẽ bị co giãn toàn bộ theo trục ống, dùng để định vị z

Một điện áp lệch giữa các cặp điện cực (X+/X-),(Y+/Y-) sẽ làm ống

bị uốn cong về phía tương ứng dùng để định vị X/Y

Các thông số cụ thể của ống quét:

- Dịch chuyển ngang( theo trục ống ): định vị z

Thiết bị này có thể tìm thấy

trong hệ thống AFM , sử dụng

trong chế độ không tiếp xúc hay

chế độ gõ (tapping )

Thiết kế để thực hiện nhiệm vụ này là một Bimorphs

-Con trượt quán tính :

Về nguyên tắc dựa trên chuyển động kiểu dính trượt

Khi piezo co (giãn) từ từ lực ma sát tĩnh đủ lớn dể kéo con

trượt chuyển động theo nhưng khi piezo được làm cho co (

giãn ) rất nhanh ( gia tốc lớn ) sao cho ngay cả lực ma sát

tĩnh cực đại cũng không kéo được con chuyển động theo với gia tốc này

nên thực tế là nó đứng yên

Hình vẽ bên là một đề xuất độc đáo, dùng ngay ống quét và con trượt để

đưa mũi dò tiến về phía mẫu

Trong thiÕt kÕ cña c«ng tr×nh nµy ,chóng t«i chñ yÕu ¸p dông lo¹i èng quÐt h×nh trô Chi tiÕt vÒ thiÕt kÕ bé quÐt b»ng èng ¸p ®iÖn h×nh trô sÏ ®−îc tr×nh bµy trong ch−¬ng VIII: C¬ khÝ SPM

3 -Chương III- Hiển vi quét đầu dò-cấu

trúc và thiết kế phát triển

3.1.1 Giới thiệu chung

Nguyên lý Hiển vi điện tử quét đường ngầm (STM) được thí nghiệm thành công đầu tiên hiện tại phòng thí nghiệm nghiên cứu IBM Zurich do G.Binnig, H.Rohher và các cộng sự tiến hành vào tháng 3 năm 1981, và công bố năm 1982 Chỉ sau 5 năm từ khi thí nghiệm

đầu tiên thành công hiển vi điện tử quét (một kỷ lục quá ngắn đối với một phát minh ra thiết bị thực nghiệm mới), Binnig và Rohrer đồng thời nhận giải thưởng Nobel về vật lí vào năm 1986 cùng với Ruska (phát minh ra hiển vi điện tử chân không đầu thập kỷ 50) cho sự đóng góp về sự phát triển của kính hiển vi điện tử Nguyên lý của STM có thể tóm tắt là: Tạo một mũi dò cực nhọn đến mức 1 nguyên tử và đưa đến gần mặt mẫu đến khoảng cách chừng nào đo được dòng tunel (cỡ 10-10 cm ) rồi quét mũi dỏ trên mặt mẫu với đọ phân giải đến mức nguyên tử bằng cách sử dụng nguyên lý áp điện 3 chiều Đo toạ

độ Z của mẫu ứng vơi từng điểm đo X,Y và dựng lại bằng máy tính sẽ thu đươc hĩnh ảnh

3 chiều của mặt mẫu chính xác đến từng nguyên tử

Sự ra đời của kính hiển vi điện tử quét đường ngầm STM ,với độ phân giải đến từng nguyên tử, có ý nghĩa cách mạng về nguyên tắc, tính năng và giá thành trong các kĩ thuật về quan sát phân tích ảnh vi mô của vật thể có thể đạt và vượt khả năng kính hiển vi quang học và hiển vi diện tử chân không Hơn 20 năm qua, lĩnh vực này đã phát triển rất nhanh chóng và không ngừng ảnh hưởng to lớn và trực tiếp đến các lĩnh vực khác của khoa học và công nghệ Ngay sau khi giải thưởng Nobel được trao cho phát minh STM, hàng trăm phòng thí nghiệm lớn trên thế giới đã tạp trung nghiên cứu cải tiên kỹ thuật và tính năng, cũng như đem áp dụng cho khoa học , đã tạo nên những tiến bộ khổng lồ và một số công ty lớn đã tiếp thu và thương mại hoá vào đầu thập kỷ 90 Việc phát triển và ứng dụng những thành tựu mới của công nghệ thông tin đã đem lại một bươc nhảy vọt cho

kỹ thuật Ngày nay toàn bộ kỹ thuật đo lường điều khiển chụp ảnh cua STM đều đã thay

đổi hoàn toàn so với khi mới phat minh ra Có thể nói hầu như tât cả những thành tựu của

kỹ thuật số hoá thông minh như DSP, Multimedia, xử lý ảnh, truyền số liệu đã được tập hợp lại vào thiết bị này và do đó ngày nay kích thước ,giá thành của thiết bị đã giảm đi hàng trăm lần

Lịch sử 20 năm phát triển cuả STM đã đánh dấu bởi những cột môc quan trọng Một mặt

đi sâu vào kỹ thuật STM cho Vật lý như chân không siêu cao, đo dạc dòng picoampe, STM ngoài việc cho ta khả năng quan sát đến từng cấu trúc nguyên tử, phân tử, tế bào…lại còn cung cấp phương tiện để tạo tương tác kết hợp phân ly các nguyên tử, gia công cắt dán.,nối ghép phân tử ,tế bào Đó là chính là công cụ tạo tiền đề của ngành kỹ thuật nano, sinh học phân tử Song song với hướng đi sâu đó, dựa trên cơ cấu sẵn có của STM các nhà khoa học tìm cách mở rộng áp dụng cho nhiều ngành khác nhau không yêu cầu đến mưc nguyên tử như Vật lý học và áp dụng được cho bất kỳ mẫu vật nào không yêu cầu mẫu phải dẫn điện Theo phương hướng đó, đầu những năm 90, các nhà Vậtlý tại trường Đại học Santa Barbara cùng với hãng Digital Instrument đã tìm được cách thay dòng tunel để điều khiển kính hiển vi bằng một tác nhân vật lý khác là lực

chung là hiển vi quét đầu dò (Scanning Probe Microscopy- SPM) Hiện nay trong họ SPM có đến hàng chục chủng loại dùng cho nhiều mục đich khac nhau, phổ biến nhất là STM và AFM Và khuynh hướng chung là kết hợp hai chức năng này trên một thiết bị chung SPM (Từ đây về sau sẽ gọi chung là SPM)

Việc ứng dụng SPM đã phổ biến khắp thế giới , nhưng chế tạo ra SPM thì chỉ ỏ một số phong thí nghiêm và hãng sản xuất hàng đầu của Mỹ, Đức ,Thuỵ sĩ Mặc dù đã có vài hãng sản xuất đứng ra đảm nhiệm việc thương mại hoá, nhưng các hãng này phần lớn là tách ra hoặc mua lại từ các phòng thí nghiệm Vật lý, cho nên một số phòng thí nghiệm Vật lý&TBKH ngày nay vẫn đảm nhiệm việc phát triển, chế tạo và cung cấp loại thiết bị này

Vì thiết bị rất gọn , nhẹ, sử dụng đễ dàng ,ứng dụng cho mọi loại mẫu, làm việc ở mọi môi trường không khí, nước bình thường ,không cần chân không cao cho nên tốc độ phát triển cực nhanh Tuy so với kính hiển vi điện tử chân không có cùng tính năng thì giá thành SPM ít hơn hàng chục lần, nhưng nói chung là vẫn còn quá cao để phổ biến rộng rãi ( thường có giá từ 20.000 đến 1.000.000USD), do đó đối với các phòng thí nghiệm chế tạo thiết bị, đây còn là một lĩnh vực kỹ thuật cao đầy triển vọng phát triển , hạ giá thành để cung cấp cho nền kinh tế trong thế kỷ 21

Công nghệ Nanomet , Kỹ thuật gen, sinh học phân tử…đang là lĩnh vực cực kỳ quan trọng cho ứng dụng trước mắt và tương lai Để phát triển những công nghệ này tất yếu phải có các thiết bị đo lường ,phân tích ,gia công có độ phân giải không gian nanomet Không nghi ngờ gì nữa SPM là một trong những chìa khoá của lĩnh vực mới mẻ này Tương lai phát triển của SPM đang nằm phía trước , và khả năng ứng dụng, thị trường tiêu thụ còn đang mở rộng không ngừng trong hàng chục năm tới

Do yêu cầu ứng dụng của kỹ thuật này rất lớn, nên nhiều phòng thí nghiệm vật lý kỹ thuật

đã và đang không ngừng tìm tòi các giai pháp công nghệ hiện đại , thuận tiện với giá cả phải chăng để chế tạo các thiết bị cao cấp này Đặc biệt là việc ứng dụng của kỹ thuật máy tính ngày nay đã tạo tiền đề cho việc thực hiện ước mơ đó

3.1.2 Mô tả tóm tắt về kỹ thuật SPM

1) Kính hiển vi quét đầu do SPM (Scanning Probe Microscopes) là thành viên của họ kính

hiển vi sử dụng để khảo sát bề mặt vật liệu với hình ảnh 3 chiều ở mức nguyên tử ở đây

đề cập đến 2 loại kính là hiển vi quét dòng STM (Scanning Tunneling Microscope) và hiển vi quét lực SFM (Scanning Force Microscope) Cả 2 loại này đều tương đối mới STM được phát minh năm 1981 còn SFM năm 1985

2) Nguyên lý hoạt động STM : Khi đầu dò tiến lại gần vật mẫu ở khoảng cách A0 sẽ xuất hiện dòng Tunnel giữa đầu dò và vật mẫu Dòng điện này có giá trị cỡ nA và mang thông tin về bề mặt vật mẫu thử Vì vậy khi thực hiện quét trên bề mặt vật mẫu sẽ cho ta được hình ảnh của nó Nguyên lý này áp dụng cho các mẫu thử dẫn điện Mấu chốt của công nghệ này là dòng Tunnel phụ thuộc vào khoảng cách từ vật mẫu đến đầu dò

3) Nguyên lý hoạt động của SFM : Khi đầu dò tiến lại gần bề mặt của mẫu thử sẽ xuất

hiện lực (thường là lực vander Waals), lực này sẽ làm cong cantilever Tia lazer sau khi phản xạ được hứng trên PSPD Dòng phản hồi sẽ mang thông tin về bề mặt của vật mẫu

Ưu điểm của phương pháp này là có thể dùng vật mẫu không nhất thiết phải là chất dẫn

- Hệ dẫn động : Hiệu chỉnh khoảng cách giữa đầu dò và mẫu thử

Các tip được định vị bằng các ốc ở trong đầu STM ở đây sự định hướng giữa tip với vật mẫu được cố định Sử dụng tip làm bằng tungsten thì đặc tính của hình ảnh sẽ đạt tỉ lệ cao nhất có thể Nếu tip bị lệch ra khỏi vị trí bình thường có thể dùng một kính quang học đề hiệu chỉnh lại Bằng cách sử dụng các bàn trượt định vị thô XY và kính hiển vi người dùng có thể đặt tip lên trên 1 vùng của vật thể với độ chính xác cao

Sersor STM : Đo trực tiếp dòng Tunnel Dòng từ tip STM đi qua bộ khuếch đại thế thì 1 dòng cỡ nA sẽ được khuếch đại lên 1 V, và tín hiệu được đưa vào mạch phản hồi

6) Đầu dò SFM

Cantilever : Microlever của các hãng ngày nay được chế tạo sử dụng công nghệ vi cơ trên

Si Kết quả là trên 1 wafer có hàng trăm chip, mỗi chip có 6 cantilever với các tip tich phân hình tháp Khi soi wafer dưới kính hiển vi quang học thì sẽ cho ta thấy một cái nhìn

rõ nét hơn về kích thước, vị trí của Microlever Các chip này được đặt cùng với nhau trong không gian của strip Do Microlever được đặt ở mặt trên của strip và nhô ra phía ngoài nên cần tránh chạm vào mặt trên và các mặt bên của strip

Mỗi chip có thể có nhiều Microlever, mỗi Microlever lại có hằng số lực khác nhau do đó

có thể tuỳ chọn trong khi sử dụng Microlever vào các ứng dụng cụ thể Các công cụ hỗ trợ cho tháo nắp Microlever được đặt trong hộp công cụ đi kèm

Cách thức giữ Microlever trong kính hiển vi và cách thức tip tương tác với vật mẫu là rất quan trọng Đối với SFM nói chung, chip được giữ bởi 1 kẹp kim loại mỏng Giá để giữ chip được đặt ở một vị trí đặc biệt Lazer được chỉnh lại khi chip được đặt vào, và tại một góc riêng, khoảng 150 so với bề mặt vật mẫu Góc này rất quan trọng bởi chỉ có tip và Microlever là tương tác với bề mặt vật mẫu

Nếu góc này nhỏ hơn 150 thì chip có thề sẽ chạm vào vật mẫu và nếu góc lớn hơn 150

điểm cuối của Microlever có thể chạm vào bề mặt vật mẫu Một lưu ý đặc biệt là phải đặt

đúng góc độ này khi bề mặt vật mẫu bị nghiêng Bằng cách điều chỉnh thô và điều chỉnh tinh góc này luôn được đặt đúng Vì vật tip sẽ chạm vào bề mặt vật mẫu đầu tiên

Yếu tố quan trọng thứ 2 về góc có thể dễ dàng nhận thấy là : mặt trước sau của chip phải song song với bề mặt vật mẫu Vì vậy cạnh chip sẽ không chạm vào vật mẫu trước Microlever

Nếu vật mẫu có tính phản xạ, chip có thể được đặt song song với mặt vật mẫu bằng cách

để cạnh chip song song với hình ảnh phản xạ của nó Điều này sẽ đảm bảo cho Microlever chạm vào vật mẫu trước tiên

Hệ thống phản xạ quang học : SFM sử dụng một hệ thống phản xạ mức quang học để đo mức phản xạ của cantilever Toàn bộ sensor, kể cả phần điện tử cũng được đặt trong đầu SFM

1 lazer cùng với hệ thống hội tụ quang học được đặt ở mặt trước Phần sau của lazer có thể nhìn thấy được từ phía sau của đầu SFM 1 thấu kính dùng để hội tụ ánh sáng Khi ánh sáng đã được hội tụ, nó được chiếu vào mặt sau của Microlever rồi phản xạ vào PSPD (position sensitive photo detector) PSPD được đặt sao cho hứng trọn ánh sáng phản xạ

7) ống Piezo

1 yếu tố quan trọng của tất cả các SPM việc sử dụng thiết bị thiết bị có khả năng thay đổi khoảng cách giữa vật mẫu và đầu dò ở mức A0 theo cả 3 chiều Thiết bị này được điều khiển bởi tín hiệu thế từ mạch phản hồi và thiết bị quét Thiết bị thường được dùng nhất cho mục đích trên là 1 piezo quét bằng điện Vật liệu làm Piezo ện có khả năng co/giãn khi có thế đặt vào nó

Khi STM được phát minh lần đầu tiên, máy quét được cấu tạo ra bởi 3 Piezo điện đặt trong 1 cái tripod cho phép thực hiện chuyển động theo 3 trục orthogonal Khoảng quét giới hạn khoảng 1àm Để tăng khoảng quét và tần số cộng hưởng của Piezo, năm 1985 Smith cùng cộng sự đã phát minh ra kiểu máy quét mới Máy quét này được làm bằng một ống Piezo điện đơn ống này có 5 điện cực Một điện cực bên trong và 4 điện cực bên ngoài Khi có điện áp điều khiển đặt vào các cực này sẽ làm ống co hoặc giãn Một điện

áp lệch sẽ làm ống bị uốn cong về phía trục tương ứng dùng cho định vi XY Tác dụng 1 tín hiệu quét mành đến 1 cặp cực theo 1 trục (trục X) và tác dụng tín hiện quét mành khác lên cặp cực kia (trục Y) Như vậy ống cần có thành rất mỏng để tăng khoảng quét Những ống này có tần số cộng hưởng cao và có thể quét gần tốc độ video

8) Hệ thống định vị :

Trong phần bệ kính hiển vi có 3 ốc định vị dùng cho cả đầu STM và SFM 2 ốc định vị

được thực hiện bằng tayđể đưa tip STM hoặc SFM đến gần vật mẫu.ốc thứ 3 được điều khiển bằng môtơ bước Môtơ bước này được điều khiển bởi bộ xử lý trung tâm CCU (Centrel Control Unit) Mặt trên của các ốc này có dạng hình cầu Có 3 điểm dùng để nâng và đặt đầu kính hiển vi vào hệ dẫn động

Hệ dẫn động : Đầu STM và SFM được đặt trên 3 chóp hình cầu của ốc định vị đặt trên bệ kính hiển vi

Một lỗ hình nón trên bộ phận chuyển động được đặt vào ốc chỉnh thô phía bên phải Còn khe thì được đặt trên ốc bên trái ốc chỉnh tinh tiếp xúc với mặt phẳng Với hệ dẫn động này thì phần đầu có thể tháo rời hoặc được dịch chuyển ở mức vài àm so với vị trí ban

đầu

Đầu lõm và khe được đặt trên cùng một mặt, chuyển động của chúng thông qua 2 ốc chỉnh Những ốc này cho phép định vị chính xác đầu đo STM hoặc SFM trong phạm vi 5mm x 5mm Vì vậy tip có thể được đặt chính xác trên vật mẫu trong phạm vi vài àm khi dùng kính hiển vi quang học

9) Dòng phản hồi & Modun điều khiển

Modun điều khiển STM và SFM sử dụng tín hiệu phát ra từ đầu STM và SFM trong 1 mạch phản hồi Tốc độ và hệ số của mạch phản hồi được điều khiển mặt trước của modun

điểu khiển Vị trí của Z Piezo có thể được điều khiển bởi mạch phản hồi này, hoặc được

điều khiển bằng tay trên modun điều khiển Trong phiên điểu khiển bằng máy thì máy tính sẽ điều khiển vị trị của Z Piezo bằng môtơ bước Tín hiệu của Z Piezo có thể được khuếch đại trước khi được đưa đến máy tính Điều đó cho phép sử dụng có hiệu quả bộ chuyển đổi A/D để thu được hình ảnh với độ phân giải cao nhất

9) Tạo quét XY (kênh điều khiển quét trên bộ điều khiển trung tâm( CCU)

CCU điều khiển tín hiêu quét gồm kích thước, vị trí và hướng của vùng quét ( CCU đồng thời cũng thực hiện việc điều khiển môtơ bước, đèn hiển thị, chỉ ra vị trí của X, Y và Z Piezo, và một dao động để hiển thị dữ liệu theo thời gian thực)

10) Hiển thị: Mọi kết quả đo lường và xử lý on-line hay off-liene được hiển thị trên màn

hình máy tính Có thể dùng thêm một giao động ký (là trang bị ngoài chức năng tiêu chuẩn cuả SPM) đẻ làm công cụ phụ trợ hiển thị các kiểm tra khi vận hành

Dao động ký này dùng cho việc hiển thị theo thời gian thực

hiệu số (DSP) trong môi trường linux

3.2.1 Tóm tắt những đặc điểm thiêt kế chính

Trong phần chúng tôi trình bày kỹ thuật chế tạo một AFM tại phòng thí nghiệm Kỹ thuật

Đo lường và Tin học của Viện VLƯD và TBKH Thiết bị AFM này được thiết kế hoàn toàn bằng kỹ thuật digital, có nhiều ưu điểm vượt trội so với các AFM thương mại trước

đây dùng kỹ thuật điều khiển tương tự

Toàn bộ hệ thống đo lường và điều khiển thời gian thực được tiến hành bằng kỹ thuật DSP tốc độ nhanh họ TSM320 C5402 của Texas Instrument Hệ chương trình nhúng DSP này hoạt động hầu như độc lập theo nguyên tắc của State Machine, sau khi nhận lệnh và tham

số từ máy chủ và gửi kết quả về máy chủ qua đường truyền USB Hệ thống phần mềm giao tiếp USB điều khiển thu nhận và xử lý tín hiệu được viết bằng C và assemble trên nền Linux (và cũng có một phiên bản khác cho Windows), bảo đảm sự hoạt động ổn định và luôn luôn có thể cập nhật nhờ vào mã nguồn mở Hệ thống phần cứng bao gồm: Bộ giảm chấn; Bộ phận điện tử đệm từ các DA, AD với thiết bị quét và đo tín hiệu; Nguồn và khuếch đại cao áp tốc độ nhanh Đầu SFM bao gồm một nguồn phát laser ( λ = 670nm , công suất = 1-3mW), một photodetector định vị loại tứ cực, một giá đỡ cantilever Toàn

bộ đầu đo được thiết kế đơn giản giúp việc sử dụng dễ dàng Khuếch đại vi phân tín hiệu, video camera, bộ tạo giao động cũng đặt trực tiếp trên đầu đo để giảm nhiễu đường

truyền Hai loại scanner được sử dụng để quét 3 trục XYZ với độ phân giải mức

Angstrom Loại có khoảng quét từ 5nm đến 30micromet được chế tạo bằng 3 khối piezo kiểu chồng lớp Trong khoảng quét từ dưới nm đến 3micromet chúng tôi sử dụng ống piezo có 4 cực mặt ngoài cho XY và trục Z ở mặt trong Hệ mô tơ bước điều khiển bằng Microprocessor dùng cho Tiếp cận thô còn chế độ Tiếp cận tự động là phối hợp giữa Motơ bước với trục Z của piezo-scanner theo một chương trình do DSP điều hành, khi phát hiện được tín hiệu thì tự động dừng motơ bước và chu trình kín điều hành bởi thuật toán PID sẽ đưa đầu dò vào trạng thái đo định trước

Toàn bộ hệ thống thiết bị hoàn toàn digital, mọi quá trình đo lường điều khiển đều thực hiện theo giao diện đồ hoạ GUI trong Linux, thuận tiện và trực quan Kết quả được hiển thị on-line đa kênh 1D, 2D và 3D ảnh có thể xử lý on-line hoặc off-line với hầu hết mọi thư viện thuật toán xử lý ảnh hiện có

Hệ thống thiết bị được kiểm chuẩn bằng mẫu chuẩn quốc tế đo ở kiểu tiếp xúc (contact mode) và cho kết quả hoàn toàn chính xác, đúng như mẫu chuẩn

3.2.2 Tổng thể về Thiết kế chế tạo AFM

3.2.2.1 Sơ đồ khối

Sơ đồ nguyên lý của SPM được biểu diễn ở hình 4 chươngII ,và được chúng tôi thiết

kế cụ thể thành 3 lớp cấu trúc: Phần chương trình gốc và các plug-in nằm trên máy chủ Linux, Bộ phận state machine là một hệ nhúng trên DSP và cuối cùng là lớp phần cứng

Analoge Chi tiết chức năng các bộ phận và mối tương tác giữa chúng được biểu diễn

ảnh và xử lý hình ảnh Phần mềm này mang tính vạn năng, có thể áp dụng cho bất kỳ nguồn tín hiệu thu thập được ở đâu và bằng cách nào [4] Vì vậy phần mềm này được thiết

kế chia thành 3 bộ phận Đầu tiên là bộ phận gốc (nhân hoặc lõi) chịu trách nhiệm hành xử (handling) và hiển thị dữ liệu Các tính năng của Bộ phận lõi sẽ được mở rộng nhờ vào bộ phận thứ hai là các Plug-in, đó là những

Hình 6: Giao diện phần mềm

khối phần mềm (hoàn chỉnh) liên kết động với phần lõi Bộ phận này sẽ được liên tục phát triển và cập nhật tuỳ theo yêu cầu của từng kỹ thuật đo, thuật toán xử lý và sự phát triển của phần cứng Người dùng chuyên nghiệp nào cần phát triển cho yêu cầu riêng của mình

đều có thể viết các plug-in riêng hoặc biến đổi các plug in cua người khác đã viết cho phù hợp với yêu cầu Bộ phận thứ ba là phần mềm tác nghiệp Đây là phần mềm viết riêng cho phần cứng như DSP chẳng hạn, có chức năng thực hiện việc đo lường điêu khiển và thu thập dữ liệu Bộ phận thứ ba này phần lớn là không nằm ở trên máy chủ mà hoạt động tự thân (state machine) Toàn bộ chương trình được phát triển cho Linux (C và ASM Codes)

sử dụng thư viện Gtk+/Gnome cho giao diện đồ hoạ Chi tiết thiết kế xin xem chương VII: Phần mềm

3.2.2.2.2 Phần mềm nhúng:

Bộ tác nghiệp là đặc thù của thiết bị, tuỳ thuộc vào thiết kế của thiết bị Trước đây, khi các DSP chưa phát triển bộ phận thứ ba này thường được thiết kế đa phần là theo kỹ thuật tương tự và sự tham gia của phần mềm chỉ ở mức là một bộ driver cho AD chuyển số liệu

đo ra dạng số Trong AFM của chúng tôi thiết kế, sử dụng DSP C5402 có tốc độ 100Mhz

là rất nhanh cho nên hầu hết chức năng tương tự của thiết bị như phát tín hiệu quét XY, detector tín hiệu, thực hiện vòng lặp kín tự động điều khiển mũi dò, tiếp cận thô, lọc và xử

lý tín hiệu thời gian thực đều đượcthực hiện bằng phần mềm nhúng (embeded software) thường trú trong bộ nhớ của phần cứng nằm ngoài PC [5] Đây là một hệ điều hành độc lập, hoạt động theo nguyên tắc state machine, viết bằng C và ASM, compile trong Code Studio và giao tiếp với máy chủ bằng giao thức cua UNIX Device qua cổng USB Trên

hình 7 trình bày thí dụ chu trình đo lường tự động đã được thực hiện bằng phần mềm

theo thuật toán PID (trên thực tế, chúng tôi không dùng đến D (vi phân) để tránh bớt

nhiễu) Chi tiết thiết kế xin xem chương VII: Phần mềm

Hình 7: Chu trình đo lường điều khiển thực hiện bằng phần mềm nhúng

3.2.2.3 Phần cứng

3.2.2.3.1 Khối máy và chống rung

Để loại trừ chuyển động tương đối giữa mẫu và mũi, chúng tôi đã gia công khối máy

chân của khối máy có thêm một tầng chống rung Hơn nữa khối máy này lại được để trên một chiếc bàn

Hình 8: Khối máy nằm trên bàn chống rung

chống rung để có thể làm giảm tối đa các ảnh hưởng của nhiễu cơ lên hệ thống Chi tiết thiết kế xin xem chương IX: Cơ khí SPM

3.2.2.3.2 Đầu đo

Đầu SFM bao gồm một nguồn phát laser ( λ = 670nm, công suất = 1-3mW), một

photodetector định vị loại tứ cực, một giá đỡ cantilever Toàn bộ đầu đo được thiết kế đơn giản giúp việc sử dụng dễ dàng hơn như: có thể dễ dàng thay mũi, điều chỉnh cho laze tụ trên mũi và điều chỉnh sự tập trung của vết laze lên trung tâm của photodiode v.v…

Hình 9: Đầu đo

3.2.2.3.3 XYZ vi chỉnh, Piezo scaner

Yếu tố chìa khoá của tất cả các SPM là thiết bị được sử dụng để thay đổi vị trí tương

đối của mũi và mẫu trên cả 3 trục Tiếp cận tinh trong dải nm nhờ vào kỹ thuật áp điện Một ống áp điện được sử dụng với một điện cực bên trong và 4 điện cực bên ngoài, sử dụng hiệu ứng áp điện ngang, khi có điện áp điều khiển đặt vào giữa điện cực trong và một điện cực bên ngoài, phần ống nằm giữa các điện cực này sẽ bị co lại hoặc giãn ra theo trục ống Như thế ống piezo hoàn toàn bị điều khiển cong sang trái, sang phải, phía trước hay phía sau Tức là ống piezo được điều khiển quét các trục X, Y Để mở rộng dải quét của piezo, các cặp điện cực của piezo được cung cấp với các điện thế có trị số đối xứng nhau Để thực hiện điều này, người ta dùng một cặp bộ khuếch đại công suất đầu ra với hệ số khuếch đại ngược dấu nhau Điện áp lệch giữa các cặp điện cực (X+/X-), (Y+/Y-)

sẽ làm ống bị uốn cong về các phía tương ứng dùng để định vị theo trục X hoặc trục Y Nếu 4 điện cực ngoài có cùng thế (so với điện cực trong) ống sẽ bị co gián toàn bộ theo

trục ống, dựa vào hiện tượng này có thể điều chỉnh độ cao theo trục Z Chi tiết thiết kế xin xem chương IX: Cơ khí SPM

3.2.2.3.4 Tiếp cận thô

Đây là vấn đề cần phải giải quyết trước khi hệ thống SPM bắt đầu hoạt động

ở đây, trên bề mặt của khối máy có ba chân dùng để tiếp cận thô Hai chân phía trước

được điều chỉnh bằng tay, chân phía sau được điều khiển bởi một môtơ bước Cơ chế hoạt

động của MÔTƠ bước dựa trên cấu tạo nguyên lý của động cơ bước điển hình (mỗi bước

đạt 1,80) ở đây chúng tôi thiết kế sao cho động cơ quay bằng 1/2 bước tức 0,90 Đồng thời với sự kết hợp hệ ren vi cấp 1/10mm có thể tạo ra chuyển động thẳng đứng chính xác

cỡ mà mỗi bước quay Chi tiết tgiết kế xin xem chương VI: Thiết kế hệ điều khiển chuyển

động bằng mô tơ bước

Hình 10: ống Piezo

EA/VP 31 X2 RESET 9 RD 17 WR 16

INT0

13 T0

P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8

R 10K a

e dp

1 Power

CON3 C4

5V

RESET

C3 10uF 5V

Quartz 12MHz C1 22pF C2 22pF

EA

1 2 Reset

X2 5V

S1

S1

S2

S3 S4

4N35 U2 4N35

R9 470

R10

U5

IRF630 U6

IRF630 R17

R18

R13

R14 D1

D2 R21 1 12V 12V

12V

U3 4N35

4N35 R11

R12

U7

IRF630 U8

IRF630 R19

R20

R15

R16 D3

D4 12V 12V 5V

1 C-Scan

CON4

1 5 DKMT

Motor u

C5 10nF 12V

5V R1

220

R2 220 R3 100

R4 100

R5 33K 5V

U10 4N35

U11 4N35

R6 33K 5V 1

RST

Serial

1 5 Display

LED1B LED7A4 b3 g3

LED1C LED7A4 b4 g4

LED1D LED7A4

1 2 3 4

C Scan CON4

150

1 2 3 Exchange-Inc

1 2 3 Exchange-Dec Auto Manual

Auto Manual

1 5 Parallel

CON5

1 5

C-Display CON8

1 2 CON2

1 K4 CON2

R7 10K

L1_1 L1_16

L1_1 L1_16

1 5 LED-DSP

CON5 VCC

1 5 LED-Parallel

CON5 R22 1K R23 1K

R25 1K VCC A

A

K2 CON2

R8 10K

C7 100nF

1 5 C-LED

CON5 D5

D7

3.2.2.3.5 Cơ chế phát hiện tín hiệu

ánh sáng từ nguồn phát laser được hướng đến đầu của Microlever, nó phản xạ trên photodetector (vị trí của photodiode có thể thay đổi được bằng các núm vặn) Photodiode thực chất được ghép bởi 4 photodiode độc lập Q1, Q2, Q3, Q4

Tín hiệu lối ra của nó bao gồm:

3.2.2.3.6 Hệ thống điện tử–DSP đo lường và xử lí tín hiệu

Đây là khối đảm nhận chức năng điều khiển xử lý tín hiệu Theo sự phát triển chung,

hệ điện tử tương tự trước kia được thay thế bằng hệ thống số hoạt động chính xác, ổn định

và linh động hơn

Có thể sử dụng một máy tính PC thông thường kết hợp với hệ ghép nối AD/DA để đảm nhận công việc điều hành hoạt động của toàn bộ hệ thống SFM Tuy nhiên do PC được thiết kế cho nhiều mục đích sử dụng khác nhau

nên không phù hợp với công việc mang tính

chuyên dụng này Xu hướng hiện nay là sử

dụng một hệ DSP chuyên dụng, gọn nhẹ, tốc

độ xử lý nhanh Thay vào đó PC được dùng

vào những việc có thế mạnh như: giao diện, xử

lý ảnh… Chi tiết thiết kế xin xem chương V:

Kỹ thuật DSP

Hình 11: Mạch điều khiển môtơ

bước

Hình 13: Cantilever và mũi