Kính hiển vi lực nguyên tử và ứng dụng

Kính hiển vi lực nguyên tử và ứng dụng

KÍNH HIỂN VI LỰC NGUYÊN TỬ

VÀ ỨNG DỤNG (AFM - ATOMIC FORCE MICROSCOPE)

Những người thực hiện:

Chu Đắc Đức Nguyễn Quốc Hảo Vật lý kỹ thuật k57

Mục lục

I.Lịch sử phát triển 3

II.Cấu tạo 4

III.Nguyên lý làm việc 5

IV.Chế độ làm việc 43

V.Ưu và nhược điểm 2

VI.Ứng dụng 4

I LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN

Kính hiển vi lực nguyên tử là một thiết bị quan sát cấu trúc vi mô bề mặt chất rắn dựa trên nguyên tắc xác định lực tương tác nguyên tử giữa một đầu mũi dò nhọn với bề mặt của mẫu

Được phát minh bởi Gird Binnig, Calvin Quate và Christoph Gerber năm 1986

Năm 1987, T.Albrecht đã lần đầu tiên phát triển AFM đạt độ phân giải cấp

độ nguyên tử

Kính có khả năng quan sát ở độ phân giải nm

Thuộc nhóm kính hiển vi quét đầu dò (SPM - Scanning Probe Microscopy) hoạt động trên nguyên tắc quét đầu dò trên bề mặt

Ngày nay, AFM đã phát triển lên hệ máy mới AFM fastscan có tốc độ quét nhanh hơn và có thể ứng dụng vào đo các tế bào còn sống

II CẤU TẠO CỦA AFM

Hình 1 Sơ đồ cấu tạo của hiển vi lực nguyên tử

Kính hiển vi lực nguyên tử gồm 4 bộ phận chính

1 Đầu dò và lò xo lá

Đầu dò và lò xo lá có thể được chế tạo bằng vật liệu silic Si, silic vô định hình, oxit silic SiO2 hoặc nitrit silic Si3N4 với kích thước và hình dạng khác nhau

2 Bộ quét

Làm bằng vật liệu áp điện

Có thể di chuyển mẫu theo trục X, Y, Z

3 Hệ thống thu tín hiệu

Gồm 3 bộ phận

Nguồn laser

Gương phẳng

Cảm biến quang

4.Bộ hiển thị

Hệ thống máy tính và màn hình giúp hiển thị ảnh của vật

thể

III NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA AFM

Đầu dò được gắn trên một ló xo lá có hình tam giác rỗng, hình chữ nhật hoặc hình trụ được làm bằng vật liệu Si3N4 hoặc SiO2 Phía trên lò xo lá

có phủ một lớp vàng mỏng để phản xạ ánh sáng Chùm tia laser chiếu vào lớp vàng này rồi tiếp tục bị gương phản xạ, khi đến detector đã loe rộng ra thành đường tròn bán kính 5mm

Khi đầu dò lại gần nguyên tử ở bề mặt, lực tương tác giữa 2 nguyên tử làm

lò xo lá bị uốn cong, vệt sáng tròn dịch chuyển, hai nửa tấm quang điện không được chiếu đều như nhau, dòng quang điện sinh ra chênh lệch nhau tạo tín hiệu vi sai Bộ khuếch đại vi sai sẽ cho dòng điện lớn hay nhỏ tùy thuộc vào lò xo lá bị uốn cong nhiều hay ít, tức là lực tương tác giữa hai nguyên tử là mạnh hay yếu

Mẫu nghiên cứu được gắn liền với bộ quét và được điều khiển để đầu dò quét trên mẫu theo hai chiều x, y Dùng dòng quang điện ở bộ khuếch đại

vi sai để tạo ảnh bề mặt ứng với các điểm sáng tối Dòng quang diện phản hồi vè bộ quét điều khiển mẫu dịch chuyển lên xuống theo trục z sao cho dòng quang điện không đổi Nhờ vậy đầu dò đã lượn theo đúng độ mấp mô

bề mặt trong quá trình quét Sử dụng số liệu x, y và z sẽ thu được ảnh 3 chiều bề mặt có thể thấy rõ từng nguyên tử

IV CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA AFM

4.1.Chế độ tiếp xúc

Hình 2

Trong chế độ này 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 10-9N Lực này được thiết lập bằng cách nhấn mạnh lò xo lá lên bề mặt mẫu nhờ phần tử định vị áp điện Tuy nhiên kĩ thuật này có 1 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 dò và bề mặt Điều này có thể gây nên sự phá hủy cả bề mặt mẫu và đầu dò, đồng thời làm sai lệch dữ liệu hình ảnh

Trong điều kiện môi trường tự nhiên hầu hết các bề mặt được phủ một lớp rất mỏng các chất khí hấp phụ (hơi nước và các khí khác) có bề dày cỡ vài nanomet Khi đầu dò quét trên bề mặt vật 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 tĩnh 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 hủy 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 tĩnh 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, như các mẫu bán dẫn Ngoài ra, vì các mẫu ướt 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 hủy mẫu

4.2.Chế độ không tiếp xúc

Những khó khăn khi điều khiển ở chế độ tiếp xúc được khắc phục ở chế độ không tiếp xúc Ở chế độ này đầu dò luôn được giữ ở một khoảng cách rất nhỏ (5-15nm) ngay sát trên bề mặt mẫu Sự thay đổi lực hút Van Der Waals giữa đầu dò và mẫu sẽ được phát hiện và sử dụng để tạo ảnh 3 chiều bề mặt mẫu Nhưng các lực này quá yếu so với lực ở chế độ tiếp xúc, hơn nữa lực hút chỉ xuất hiện ở một dải khoảng cách rất nhỏ trên bề mặt mà trên đó lớp khí hấp phụ chiếm phần lớn dải sử dụng này Vì vậy thậm chí khi khoảng cách đàu dò và mẫu được duy trì đúng yêu cầu, chế độ không tiếp xúc cũng chỉ cho độ phân giải rất thấp so với các chế độ khác Trên thực tế, đầu dò ngay lấp tức bị kéo xuống bề mặt mẫu do sức căng bề mặt của lớp khí hấp phụ, kết quả là tín hiệu hình ảnh bị sai lệch và bề mặt mẫu cũng bị phá hủy như ở chế độ tiếp xúc Ngoài ra chế độ này thường không thể thực hiện trong chất lỏng vì lực Van Der Waals ở đây còn yếu hơn,đây là hạn chế chủ yếu trong việc nghiên cứu các mẫu sinh học

4.3.Chế độ gõ

Chế độ này tránh được việc kéo lê đầu dò trên bề mặt làm phá hủy mẫu trong quá trình quét do các lực luôn có phương thẳng đứng Khác hai chế

độ tiếp xúc và không tiếp xúc, trong quá trình gõ đầu dò gõ vào bề mặt với năng lượng đủ lớn để có thể bỏ qua lực bám dính giữa mẫu và đầu dò Một lợi ích khác của kĩ thuật gõ là miền hoạt động tuyến tính rất rộng của nó Điều này khiến cho hệ thống phản hồi theo phương thẳng đứng có độ ổn định rất cao Chế độ này tránh được tính không ổn định lực do sự trôi nhiệt

ở chế độ tiếp xúc, do vậy chất lượng ảnh và phép đo được nâng cao và tiết kiệm được thời gian Lực tạo ảnh ổn định đo được trong hoạt động ở chế

độ gõ nhỏ hơn 200pN

V.ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA AFM

5.1.Ưu điểm của AFM

AFM khắc phục nhược điểm của STM, có thể chụp ảnh bề mặt của tất cả các loại mẫu kể cả mẫu không dẫn điện

AFM không đòi hỏi môi trường chân không cao, có thể hoạt động ngay trong môi trường bình thường

AFM có thể cho ảnh bề mặt đến độ phân giải phân tử, tạo ảnh ba chiều của mẫu

Cung cấp những phép đo độ cao trực tiếp về địa hình của mẫu và hình ảnh chi tiết về đặc trưng bề mặt mẫu

5.2.Nhược điểm của AFM

AFM quét ảnh trên một diện tích hẹp (dưới 150µm)

Tốc độ ghi ảnh chậm

Chất lượng ảnh bị ảnh hưởng bởi quá trình trễ của bộ quét áp điện

Đầu dò rung trên bề mặt có thể phá hủy bề mặt, yêu cầu bề mặt phải sạch

VI.ỨNG DỤNG CỦA AFM

AFM có các ứng dụng:

Chụp ảnh bề mặt màng mỏng

Mô tả, phân tích, xác định đặc điểm bề mặt

Kiểm soát chất lượng,kiểm tra khuyết tật vật liệu

Đo cơ học đơn phân tử

AFM có ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như: công nghệ nano, công nghệ bán dẫn, dược phẩm, sinh học, công nghệ vật liệu…

Chụp ảnh cắt lớp

Đây là hình ảnh của hình cầu GaAs đường kính trong đo được là 30 nm

Hình Lớp vàng dày 400nm bốc hơi trên một lớp bề mặt silicon

Kiểm soát chất lượng kiểm tra khuyết tật vật liệu

Hình 2D của đĩa DVD hiển thị các liên kết của bit

Hình ảnh thể hiện rõ bề mặt của vật mẫu

Mô tả, phân tích, xác định đặc điểm bề mặt

Lớp phủ polymer mềm trên cạnh của một lưỡi dao

Bề mặt của một vật liệu polymer

ảnh chụp P(VDF-TrFE) ở các nhiệt độ khác nhau

Trong sinh học

Tế bào gốc C2C12 di chuyển trên bề mặt thủy tinh

Khuẩn E-coli

Máy Dimension-fastscan-bio : chụp ở kích thước quét của 300nm Thể hiện khuẩn E-coli sống cá nhân

Khuẩn E-coli

Dimension-fastscan-bio: 1 tế bàoE-coli chụp ở kích thước quét của 3um

Trong công nghệ y sinh

Hình xxx ADN đang nối lại trên tấm Mica

Chuỗi AND của phân tử protein