Bài giảng Kính hiển vi lực nguyên tử (AFM)

18 Đầu dò AFM.Đo lực tương tác giữa mũi dò tip và bề mặt mẫu, bằng cách sử dụng một đầu dò đặc biệt được tạo bởi một cantilever đàn hồi với một mũi dò nhọn tip được gắn ở đầu mút của

kính hiển vi lực nguyên tử

(AFM)

Hình 18 Đầu dò AFM.

Đo lực tương tác giữa mũi dò (tip) và bề mặt mẫu,

bằng cách sử dụng một đầu dò đặc biệt được tạo bởi

một cantilever đàn hồi với một mũi dò nhọn (tip) được

gắn ở đầu mút của cantilever.

Đo độ lệch của cantilever có thể xác định lực tương

tác giữa mũi dò và bề mặt.

1 Nguyên tắc hoạt động

.2

)(

12 0

6 0 0

r U

Hình 21: Sơ đồ mô tả hệ quang học để phát hiện ra độ cong của cantilever.

2 Phương pháp đo độ lệch của cantilever

Ghi nhận độ lệch nhỏ của cantilever đàn hồi

Hệ quang học được thiết lập sao cho chùm tia phát ra từ

diode laser hội tụ trên cantilever và tia phản xạ hội tụ tại tâm

của detector quang, detector quang bốn phần được sử dụng

như là môt detector quang học xác định vị trí.

Độ cong của cantilever do lực hút hay lực đẩy (F z ) và độ xoắn của cantilever do thành phần lực ngang (F L ) của lực tương tác mũi dò và bề mặt.

Hình 22: Mối liên hệ giữa loại biến dạng uốn

của cantilever (dưới) và sự thay đổi vị trí của

chùm ánh sáng hội tụ tại mỗi phần của diode

quang (trên).

Dòng chênh lệch từ những phần khác nhau của diode quang sẽ xác định đặc điểm và độ biến dạng của cantilever: bị uốn cong hay bị xoắn Thật vậy, dòng chênh lệch:

).

( ) ( I1 I2 I3 I4

Iz = ∆ + ∆ − ∆ + ∆

∆

).

( )

IL = ∆ + ∆ − ∆ + ∆

∆

Hình 23: Sơ đồ khối của hệ hồi tiếp.

Hệ hồi tiếp (feedbeck system - FS) giữ ∆I Z không

đổi bằng cách sử dụng bộ quét áp điện điều khiển

khoảng cách mũi dò và mẫu để làm cho độ cong ∆Z

bằng giá trị ∆Z được thiết lập trước đó.

bằn

g giá trị

Khi đó, mũi dò di chuyển dọc theo bề mặt, vì vậy

thế áp vào bộ quét áp điện theo chiều Z của bộ

quét được ghi nhận trong bộ nhớ máy tính như là

thông tin về cấu trúc bề mặt Z=f(x,y).

Độ phân giải ngang của AFM được xác định bởi bán kính cong của mũi dò và độ nhạy của

hệ thống xác định độ lệch của cantilever Hiện tại AFM cho phép thu được ảnh có độ phân giải nguyên tử.

1.5

3.Đầu dò AFM (AFM probes)

Đầu dò AFM được chế tạo bởi kỹ thuật quang khắc và ăn mòn axit của silic, lớp silic oxide hoặc silic nitric được lắng đọng trên wafer silic.

Hình 25: Những mode dao động chủ yếu của

cantilever.

Bán kính cong tại đỉnh của mũi dò AFM khoảng 1-50 nanomet, góc gần đỉnh mũi dò khoảng

10 – 20 độ Lực tương tác F của mũi dò với bề mặt có thể được đánh giá từ định luật Hook:

Z k

EJ l

i n

J: Moment quán tính của cantilever

ρ là khối lượng riêng của vật liệu

S là tiết diện ngang

λ là hệ số phụ thuộc mode dao động (khoảng tử 1-100)

Tương tác điện từ mạnh hơn gấp 40 lần tương tác hấp dẫn

Tương tác hấp dẫn van der Waals được gây ra bởi biến thiên trong chuyển động đipôn điện của nguyên tử và phân cực lẫn nhau Chúng tồn tại giữa các loại phân tử và nguyên

tử và hiệu quả ở khoảng cách vài Å đến vài trăm Å Lực giữa các nguyên tử ≈ r -7 , giữa hai mặt ≈ r -3 , giữa một hình cầu và một mặt phẳng ≈ r -2

Lực đẩy ở khoảng cách rất ngắn (≈ Å) F ≈ r -n , ở đó n > 8.

Lực mao dẫn: một lớp nước ngưng tụ trên bề mặt mẫu ở độ ẩm bình thường, tip sẽ bị hút

về phía mẫu bởi mặt lồi của giọt nước và bị dính trên mẫu Đó là vấn đề quan trọng của ảnh AFM

Lực từ

Lực tĩnh điện

Lực hoá học: liên kết ion, cộng hoá trị, kim loại (bị hút ở khoảng cách ngắn cỡ vài Å)

Số nguyên tử của tip bị ảnh hưởng bởi phép đo, phụ thuộc bản chất của tương tác

Mội trường phải được chú ý(khí, lỏng, rắn) Hằng số điện môi và lực vander walls bị ảnh hưởng bởi môi trường

Quét là quá trình động học chẳng hạn như lực ma sát

Mẫu không phải tinh thể rắn, biến dạng tĩnh điện hay phục hồi nguyên tử?

Liên kết giữa tip và mẫu có thể dẫn đến sự sắp xếp lại tip và nguyên tử mẫu

Năng giữa các cặp điện tích

Tương tác

nguyên tử trong một đơn vị thể tích)

 Hai quả cầu xác định: (R>> x) E = -AR/12x

 Bán kính khác nhau: R1 and R2  E = -AR 1 R 2 /6x(R 1 + R 2 )

 Hai bề mặt : E = -A/(12 πx 2 )

Hamker”

Khi tip AFM được hút bởi bề mặt (gây cho cantilever bẻ cong), chùm laser lệch khỏi đầu cantilever—cho phép chuyển động của tip được đánh dấu.

Laser

~1 µ m (1000 nm)

Cantilever dễ thấy đối với mắt nhưng tip AFM quá nhỏ để thấy mà không khuếch đại.

Khi tip AFM quét bề mặt chuyển động lên xuống vẽ số đường quét của mẫu.

Lực trên tip AFM là đều (giống lò xo): tip được dịch chuyển hướng đến bề mặt khoảng cách (Z) tỉ lệ với lực van der Waals.

Z F Restore = lực phục hồi của cantilever trên tip

F Sample = lực của mẫu kéo típ (van der Waals)

k ~ 1 N/m ⇒ AFM có thể đo lực cỡ pN (10 -12 Newton) và ngay cả fN (10 -15 N)!

To a Photodetector

Vị trí ở đó chùm laser phản xạ đập vào màn hình đầu thu ichỉ ra rằng cantilever bẻ cong bao và do đó tương tác giữa tip AFM và bề mặt mạnh bao nhiêu.

1 Dạng tiếp xúc— tip được kéo dọc theo bề mặt mẫu; độ lệch cantilever được đo và và

chuyển thành dạng bề mặt Chú ý: dạng này có thể làm hư hại bề mặt

2 Dạng không tiếp xúc—cantilever dao động trên bề mặt mẫu và bị ảnh hưởng bởi lực

bề mặt và tip (van der Waals).

3 Dạng Tapping — tip AFM tiếp xúc gián đoạn trên bề mặt mẫu trong suốt những

điểm tiếp xúc gần nhất của chu trình dao động.

AFM có thể hoạt động theo ba cách khác nhau:

1.18

Dạng tiếp xúc nhận thông tin về bề mặt từ tiếp xúc trực tiếp, nhưng dạng tiếp xúc gián đoạn hay rời rạc hoạt động như thế nào?

Giống trọng lực tác dụng lên chúng ta, bề mặt không cần tiếp xúc với tip AFM để tác dụng lực trên nó Lực van der Waals gây ra tần số dao động của cantilever/tip thay đổi.

Trong dạng tapping, cantilever được truyền động để dao động bằng cách bằng bộ kiểm soát

áp, điện—và vắng mặt bất kỳ lực bề mặt nào mà cantilever có thể dao động ở tần số (ω o ) phụ thuộc vào hình dạng và độ cứng của cantilever.

2 2 2

−

=

Q k

F z

o o

o

ω ω ω

ω

ω

ωω

F ω = lực truyềng động

k = độ cứng cantilever

Tần số dao động thật (ω) được nối với độ lệch của tip (z) do lực bề mặt gây ra.

Basic Principles of Scanning Probe Microscopy

1.21

1.23

Tip Scanning AFM

Closed-loop XY Scanning stage

Heating / Cooling Fluid imaging

Untraditional sample

size

Tip Scanning AFM

Veeco Multimode, Nanoscope III

Hệ quét cantilever/tip

they provide low mechanical resistance to vertical deflection and high resistance to lateral torsion

An SEM image of bar-shaped AFM

cantilevers and tips

Định luật Hooke kết nối những lực áp vào với độ lệch cantilever

F k z

∆ = ∆

0 k m

1.30

Lực tỉ lệ với diện tích tiếp xúc(nghĩa là diện tích bao gồm tổng tất

cả những vị trí tiếp xúc với kính hiển vi)

Lực đưa vào tăng dẫn đến số tiếp xúc vĩ mô tăng và do đó dẫn đến

diện tích tiếp xúc tổng tăng tỉ lệ:

Kết hợp hai phương trình trên chúng ta suy ra định luật Amonton,

mà trình bày rằng ma sát tỉ lệ với lực áp vào và độc lập với diện

tích tiếp giáp giữa hai vật tiếp xúc nhau Hằng số tỉ lệ µ mà là đặc

trưng của vật liệu liên quan.

Lý thuyết vĩ mô của ma sát

M Manias, private

communications

Độ phân giải ngang được xác định bởi:

1 Kích thước bậc thang của hình ảnh

2 Bán kính cực đại của Tip

Tip đăc trưng – R ~ 5nm cho độ phân giải ngang cỡ ~2nm Tuy nhiên, tips với ống nano trụ với

R ~ 1nm đang được phát triển cho độ phân giải ngang cỡ ~0.05nm

Xem vùng quét ảnh 1µm x 1µm lấy số điểm dữ liệu 512x512 vùng quét như thế có kích thước bậc thang (và độ phân giải ngang) cỡ 1µm/512 ~2nm.

Độ phân giải ngang

ảnh hưởng hình học của tip lên đặc trưng của bè mặt

ảnh hưởng hình học của tip lên đặc trưng của bè mặt

Tip - selection

Tip artefacts at the atomic scale

Ảnh hưởng của địa hình Tip lên cấu trúc bề mặt

Đồ thị khoảng cách thay đổi theo lực

Basic AFM Imaging Modes

Contact mode AFM (1986)

• Lực vuông góc nhỏ, nhưng cái dò kéo qua bề mặt gây ra lực

ngang

• mẫu mềm liên kết yếu di chuyển dễ dàng

• ảnh không rõ

AC Mode AFM (1993)

• Kiểu tiếp xúc gián đoạn (tapping mode)

• bề mặt mềm được tăng cứng bởi đáp ứng lưu chất

• Lực theo phương đứng trội, vì thế lực theo phương đứng lớn

còn lực theo phương ngang nhỏ.

• Hình ảnh rõ

F

F

Magnetic Force Microscopy

Electrostatic Force Microscopy