BÀI GIẢNG KÍNH HIỂN VI LỰC NGUYÊN TỬ (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... Cần

KÍNH HIỂN VI LỰC NGUYÊN TỬ

I GIỚI THIỆU

LỊCH SỬ RA ĐỜI

 AFM(Atomic Force Microscopy ) thuộc nhóm kính hiển vi quét đầu dò Scanning Probe Mircoscopy (SPM)

 Ra đời 1985 khắc phục nhược điểm của STM=>Quét được bề mặt dẫn điện, cách điện và cả chất lỏng

 Do Gerd Binnig và Christoph Gerber phát minh

 Cho ảnh 3D bề mặt mẫu vật ở độ phân giải nanomet

HOW DOES IT WORK?

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

Chiếc AFM đầu tiên gồm một mảnh kim

cương gắn vào một dải lá vàng.

Được lưu giữ tại viện bảo tàng khoa học

Luân Đôn.

II CẤU TẠO

• Hai tấm pin quang điện( photodiod)

• Bộ quét áp điện( Piezo Scanner)

II CẤU TẠO

II CẤU TẠO

2 Cần quét( Cantilever)

• Được cấu tạo từ Si3N4 hoặc Si vô định hình, hoặc oxitsilic với kích thước và hình dạng khác nhau ( hình chữ nhật, tam giác, hình trụ, ), phía trên cần quét được phủ 1 lớp vàng mỏng để phản xạ ánh sáng

• Chức năng: Đóng vai trò là một lò xo lá cực nhạy Là phần cảm biến vi lực và

đóng vai trò trọng yếu trong hiển vi lực

II CẤU TẠO

3 Nguồn laser: Chiếu qua thấu kính tập trung tại một điểm trên cần quét, độ lệch tia laser là độ lệch của cần quét

II CẤU TẠO

4 Gương phản xạ: có tác dụng lái tia laser đi đúng hướng

II CẤU TẠO

5 Hai nửa tấm pin quang điện: Khi hai nửa tấm quang điện không được chiếu đều như nhau dòng quang điện sinh ra chênh lệch nhau tạo thành tín hiệu vi sai

II CẤU TẠO

6 Bộ quét áp điện: Mẫu được gắn liền với bộ quét và được điều khiển đầu dò quét trên mẫu theo 2 chiều x, y

III.NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG.

1.Đo độ lệch của Cần quét

• Khi cần quét không bị lệch =>Hiệu dòng quang điện bằng 0

Sơ đồ mô tả hệ quang học để phát hiện ra độ

cong của cantilever.

•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

photodiod thành một đường tròn

bán kính 5mm

III.NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG.

Độ cong của cantilever do lực hút hay lực đẩy (Fz) và độ xoắn của cantilever do thành phần lực ngang (FL) của lực tương tác mũi dò

và bề mặt.

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

) (

)

∆

Hiệu dòng quang điện này sẽ được

khuếch đại vi sai

To a Photodetector

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

III.NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG.

• Mẫu gắn liền với bộ quét và

được điều khiển để tip quét trên

mẫu theo 2 chiều x,y.

•Hệ hồi tiếp (feedbeck system - FS) giữ

∆IZ 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. Sơ đồ khối của hệ hồi tiếp.

Sử dụng các số liệu x,y,z

ta thu được ảnh 3 chiều mức độ tinh vi nhất

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).

2,LỰC TƯƠNG TÁC GIỮA MŨI DÒ VÀ BỀ MẶT MẪU

• Khi hai nguyên tử hoặc hai phân tử đặt sát nhau, năng lượng tương tác có thể biễu diễn bằng thế Lennard- Jones.

• Đồ thị biễu diễn sự phụ thuộc lực vào khoảng cách:

 Khoảng cách nhỏ: lực đẩy

->Lực đẩy ion.

 Khoảng cách lớn: lực hút

->Lực Van Der Waals.

 Ngoài ra còn một số lực:

Lực mao dẫn, lực từ, lực ma sát…

2

) (

12 0

6 0 0

r U

r

U LD

Lực đẩy ion:

 Phát sinh do sự phủ nhau của đám mây điện tử xung quanh hai nguyên tử.

 Tác dụng mạnh ở khoảng cách ngắn (≈ Å)

 Thế tương tác: U(r) = A r-12 Với A=2.U0 r012

 Lực đẩy thường cho ảnh địa hình ở độ phân giải nguyên tử.

Lực Van Der Waals

 Phát sinh do hiện tượng phân cực của đám mây điện tử xung quanh hạt nhân nguyên tử, hiện tượng cảm ứng và hiệu ứng phân tán

 Là lực có dải đo rộng, tồn tại khi hai nguyên tử-phẩn tử cách nhau vài Å đến vài trăm Å.

 Thế tương tác:

U(r)=-B.r-6 Với B=2.U0 r06

2,LỰC TƯƠNG TÁC GIỮA MŨI DÒ VÀ BỀ MẶT MẪU

Lực Mao Dẫn:

 Phát sinh do kính hiển vi làm việc trong môi trường không khí ẩm ->tạo thành lớp chất lỏng bên trên bề mặt và hiện tượng mao dẫn khi mũi nhọn tiếp cận lớp màng chất lỏng->tip bị hút về phía mẫu bởi mặt lồi của giọt nước và bị dính trên mẫu

 Là loại lực gây nhiễu ảnh

Lực Ma Sát

 Phát sinh do hai bề mặt tiếp xúc và chuyển động tương đối với nhau

 Là loại lực tác dụng ngang làm cần quét bị biến dạng uốn.

 Những kính hiển vi chuyên đo loại lực này gọi là FFM, nghiên cứu hệ số ma sát.

2,LỰC TƯƠNG TÁC GIỮA MŨI DÒ VÀ BỀ MẶT MẪU

Hợp lực tương tác F của mũi dò với bề mặt có thể được đánh

giá từ định luật Hook:

FRestore = - k ∆z k hằng số đàn hồi của cần quét ∆z: độ biến dạng của cần quét.

Tần số cộng hưởng :

Lực thay đổi theo khoảng cách giữa tip và mẫu, ta có thể viết:

Giữ tần số cộng hưởng không đổi =>Lực không đổi=>∆z không đổi.

2,LỰC TƯƠNG TÁC GIỮA MŨI DÒ VÀ BỀ MẶT MẪU

.

m

k

n = ω

z m

2,LỰC TƯƠNG TÁC GIỮA MŨI DÒ VÀ BỀ MẶT MẪU

3.CÁC CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH

1 Chế độ tiếp xúc (Contact mode).

.Tip được kéo lê trên bề mặt mẫu.

.Cho ảnh địa hình.

.Lực tác dụng là lực đẩy

khoảng 10-9 N.

.Ưu: tốc độ quét nhanh.

.Nhược:

 Phá hủy bề mặt mẫu.

 Lớp nước trên bề mặt tạo lực mao dẫn và lực ma sát=> Nhiễu lực

đẩy=> Hình ảnh nhiễu

 Phải làm việc trong môi trường chân không, hoặc nhúng mẫu vào chất lỏng=>phá hủy mẫu.

3.CÁC CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH

2.Chế độ không tiếp xúc (Non-contact mode).

 Tip được giữ cách mẫu 10-15nm.

 Lực Van Der Waals yếu.

 Bị nhiễu bởi lực mao dẫn và lực ma sát.=> Hình ảnh nhiễu

 Lực Van Der Waals yếu hơn khi nhúng mẫu vào chất lỏng.

3.CÁC CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH

3.Chế độ tapping.

 Bộ áp điện điều khiển cần quét dao động

 Tần số 50.000-500.000Hz

gần bằng tần số dao động riêng.

 Tín hiệu hồi tiếp giữ biên độ dao

động của cần quét không đổi.

 Cho ảnh địa hình hay biên độ.

 Ưu:

 Không phá bề mặt mẫu.

 Tip gõ vào mặt mẫu với năng lượng lớn, khử lực nhiễu

 Cho ảnh rõ cả trong không khí và chất lỏng=> Ứng dụng trong sinh học.

IV.ỨNG DỤNG

 Mô tả, phân tích, xác định đặc điểm bề mặt vật dẫn điện cũng

như cách điện

Màng TiO2 và SiO2(11% SiO2). Bề mặt một tấm mica-Có thể thấy rõ

từng nguyên tử.

IV.ỨNG DỤNG

 Mô tả, phân tích, xác định đặc điểm bề mặt vật dẫn điện cũng

như cách điện

Lớp phủ polymer mềm trên cạnh của một

lưỡi dao giúp làm sáng tỏ cơ chế của sự tích

V.ƯU-KHUYẾT ĐIỂM CỦA AFM.

1 Ưu điểm.

 Đo được cả vật dẫn điện và vật không dẫn điện

 AFM không đòi hỏi môi trường chân không cao, có thể làm việc trong không khí, trong môi trường tự nhiên nước, dung dịch rất quan trọng cho việc nghiên cứu vật sống như tế bào virut

 AFM cũng có thể tiến hành các thao tác di chuyển và xây dựng ở cấp

độ từng nguyên tử, một tính năng mạnh cho công nghệ nano.

 Mẫu chuẩn bị đơn giản, cho thông tin đầy đủ, cho ảnh 3D.

 AFM có kích thước nhỏ gọn.

2 Khuyết điểm.

AFM quét ảnh trên một diện tích hẹp (tối đa đến 150 micromet).

Tốc độ ghi ảnh chậm do hoạt động ở chế độ quét.

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

Đầu dò rung trên bề mặt nên kém an toàn, đồng thời đòi hỏi mẫu có bề mặt sạch.

SO SÁNH AFM VÀ CÁC THIẾT BỊ KHÁC

 Độ phân giải phụ thuộc vào

hình dạng đầu dò và lực tương

tác giữa mũi dò và bề mặt.

 Áp dụng được mẫu dẫn điện,

không dẫn điện và chất lỏng.

 Điện thế và khoảng cách giữa

đầu dò và mẫu độc lập nhau.

• STM

 Độ phân giải là sự phụ thuộc hàm mũ tunnel vào khoảng cách=>Độ phân giải tốt hơn ở một số trường hợp.

 Chỉ chụp được ảnh mẫu dẫn điện

 Hai tham số này phụ thuộc vào nhau

So với SEM: AFM cho ảnh đo độ cao trực tiếp địa hình của mẫu và những hình ảnh

khá rõ về đặc trưng bề mặt mà không cần lớp bao phủ

So với TEM

AFM cho hình ảnh đầy đủ mà không chuẩn bị mẫu phức tạp, hình ảnh 3D cho thông tin đầy đủ hơn mặt cắt 2D của TEM

c

Hình ảnh của vật liệu mỏng

nhất thế giới Graphen được chụp lần lượt bằng AFM,SEM,OM, FQM

CÁM ƠN THẦY VÀ CÁC BẠN

ĐÃ CHÚ Ý LẮNG NGHE!

