Giới thiệu kính hiển vi lực nguyên tử(AFM).DOC

Giới thiệu kính hiển vi, lực nguyên tử(AFM)

CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO

I KÍNH HIỂN VI LỰC NGUYÊN TỬ (AFM)

Kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) được phát minh năm 1986 bởi Gerd Binnig, Calvin F Quate và Christopher Herber

1 Nguyên tắc hoạt động

Nguyên tắc làm việc của AFM là 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

Lực tác dụng lên mũi

dò tại bề mặt làm cho

cantilever bị uốn cong

Bằng cách đo độ lệch

của cantilever có thể

xác định lực tương tác giữa mũi dò và bề mặt

Lực tương tác được đo bởi AFM có thể được giải thích một cách định tính,

ví dụ: lực tương tác van der Walls Năng lượng tương tác van der Walls của hai nguyên tử ở khoảng cách r được gần đúng theo hàm thế Lennard-Jones:

2

) (

12 0 6 0 0















































r

r r

r U

r

U LD

Số hạng đầu tiên của tổng diễn tả rằng ở khoảng cách xa lực hút được sinh

ra bởi tương tác dipole-dipole, và số hạng thứ hai giải thích lực đẩy ở khoảng cách ngắn do nguyên lý loại trừ Pauly Tham số r0 là khoảng cách cân bằng giữa các nguyên tử, khi đó năng lượng đạt giá trị cực tiểu

Hình 18 Đầu dò AFM.

Thế Lennard-Jones cho phép đánh giá lực tương tác giữa mũi dò và mẫu.

Thực tế, năng lượng tương tác của mũi dò và mẫu có thể thu được bằng cách thêm vào những tương tác cơ bản cho toàn bộ nguyên tử của mũi

dò và mẫu

Khi đó năng lượng tương tác nhận được là:

 



S

P V

V

S P LD

W ( ' ) ( ' ) ( ) 'ở đó, n s (r) và n p (r' ) là mật độ nguyên tử trong mũi dò và mẫu Do đó lực tác động lên mũi dò từ bề mặt có thể tính được như sau:

).

( PS

PS grad W

F  

Nói chung,

lực có cả thành

phần thông

thường gây ra từ

bề mặt mẫu và

thành phần ngang

(nằm trên mặt

phẳng của bề mặt

mẫu) Lực tương

tác thực sự giữa

mũi dò và mẫu có những đặc tính phức tạp hơn, tuy nhiên những tương tác cơ bản thì như nhau: mũi dò AFM bị bề mặt hút ở khoảng cách lớn và bị đẩy ở khoảng cách nhỏ

2 Phương pháp đo độ lệch của cantilever

Hình 20 Sự tương tác giữ những nguyên tử mũi dò

và mẫu

Hình 19: Giản đồ thế năng

Lennard-Jones

Việc thu nhận cấu trúc bề mặt được thực hiện bằng cách ghi nhận độ lệch nhỏ của cantilever đàn hồi Phương pháp quang (Hình ) được sử dụng phổ biến

trong AFM để đo độ lệch này (phương pháp này có tên beam - bounce).

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

Hai đại lượng có

thể đo được bởi hệ

quang: 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 Giá

trị xác định của dòng quang điện trong mỗi phần của diode quang được thiết lập bằng I01, I02, I03, I04 và I1, I2,I3, I4 là giá trị hiện tại sau khi vị trí của cantilever thay đổi Dòng chênh lệch từ những phần khác nhau của diode

Hình 21: Sơ đồ mô tả hệ quang học để phát hiện ra độ

cong của cantilever.

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)

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

I z        

 Tương ứng với độ cong của của cantilever do lực thông thường tác dụng từ

bề mặt, và độ chênh lệch dòng:

).

( ) ( I1 I4 I2 I3

I L        



Xác định độ cong của cantilever do thành phần lực ngang

Giá trị I z được

sử dụng làm thông số

được đưa vào bộ hồi

tiếp của AFM 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

Khi quét mẫu trong chế độ Z không đổi, 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

Hình 23: Sơ đồ khối của hệ hồi tiếp

Hình 24: Hình ảnh sơ lược của đầu dò AFM

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

Một phương pháp khác để đo độ lệch của cantilever là sử dụng mũi dò của

kính hiển vi đường ngầm quét đặt phía trên cantilever để đo sự thay đổi dòng xuyên ngầm Một kỹ thuật đặc biệt nữa là chế tạo cantilever từ vật liệu áp điện

để độ lệch của cantilever có thể đo được thông qua tín hiệu điện

3.Đầu dò AFM (AFM probes)

Cấu trúc bề mặt được ghi nhận trong AFM được thực hiện bởi một đầu dò (probe) đặc biệt được tạo bởi một cantilever đàn hồi với một mũi dò nhọn được gắn ở đầu mút của cantilever Đầu dò như vậy 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

Một đầu của cantilever được giữ cố định bởi đế Si (bộ phận giữ), mũi dò được gắn vào đầu còn lại Bán kính cong tại đỉnh của mũi dò AFM khoảng

1-50 nanomet, phụ thuộc vào kỹ thuật sản xuất 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

F  

k là hằng số đàn hồi của cantilever, Z là sự thay đổi vị trí của mũi dò tương ứng với sự thay đội độ cong do tương tác với bề mặt Giá trị của k trong khoảng 10  3  10N / m phụ thuộc vào vật liệu và cấu trúc hình học của cantilever Tần số cộng hưởng của cantilever rất quan trọng trong hoạt động

Hình 25: Những mode dao động chủ yếu của cantilever.

của AFM ở chế độ dao động Tần số dao động riêng của cantilever được xác định bởi công thức:

.

EJ l

i n





 

l: độ dài của cantilever; E là mođun Young; J: moment quán tính của cantilever;  : khối lượng riêng của vật liệu; S: tiết diện ngang; và i là hệ số phụ thuộc mode dao động (khoảng tử 1-100) Tần số của những mode dao động chính thường được sử dụng trong phạm vi 10-100 khz Hệ số phẩm chất Q của cantilever phụ thuộc chủ yếu vào cách thức hoạt động Giá trị điển hình của Q trong chân không 10  3 10 4 Trong không khí hệ số phẩm chất giảm xuống còn 300-500, trong chất lỏng chỉ còn 10-100

Về cơ bản có hai kiểu đầu dò được sử dụng trong AFM: đầu dò với cantilever có tiết diện hình chữ nhật và tam giác Hình ảnh sơ lược của cantilever chữ nhật được chỉ ra ở hình 26

Ảnh hiển vi điện tử của cantilever thương mại với tiết diện hình chữ nhật

Hình 26: Mặt cắt của cantilever hình chữ nhật

Thình thoảng đầu dò AFM có một vài cantilever với độ dài khác nhau (do

đó độ cứng khác nhau) Trong trường hợp này cantilever hoạt động được lựa chọn bởi sự sắp đặt tương ứng

của hệ quang trong AFM

Đầu dò với cantilever hình

tam giác có độ cứng cao hơn và

do đó tần số cộng hưởng cao

hơn Nó thường được sử dụng

trong kỹ thuật AFM dao động

Hình ảnh sơ lược của cantilever

tam giác được chỉ ra ở hình và

ảnh SEM ở hình 28

Mũi dò AFM được

chế tạo có ba dạng hình

học: hình tháp, hình tứ

diện và hình nón Mũi

dò hình nón có thể

được làm nhọn với tỷ

lệ giữa các cạnh cao (tỷ

lệ giữa chiều dài với

chiều rộng) Bán kính

của mũi dò khoảng 50

Ăngstrong Mũi dò

hình tháp có tỷ lệ giữa

các cạnh thấp hơn,

thông thường bán kính

của mũi dò khoảng vài trăm Ăngstrong, nhưng mũi dò hình tháp có độ bền cao

Hình 27: Ảnh SEM của mũi dò AFM trên

cantilever hình chữ nhật

Hình 28: Hình ảnh sơ lược của cantilever

tam giác

Mũi dò AFM được sản xuất từ silíc hoặc là silic nitric Mỗi loại vật liệu có quá trình sản xuất khác nhau Những đặc trưng của mũi dò từ mỗi loại vật liệu

bị chi phối bởi quá trình sản xuất cũng như là tính chất của vật liệu Mũi dò hình nón được chế tạo bằng phương pháp khắc axit của silic được phủ một lớp silic dioxide Tỷ lệ các cạnh cao của mũi dò hình nón làm cho nó phù hợp để ghi nhận ảnh bề mặt có đặc điểm là sâu, hẹp như là các hốc Nhưng nó bị gãy

dễ hơn là cấu trúc hình tháp hoặc là tứ diện Silic có những ưu điểm khi nó được pha tạp, khi đó mũi dò trở thành chất dẫn điện Mũi dò dẫn điện thuận lợi cho việc điều khiển điện áp giữa mũi dò với bề mặt để ngăn ngừa những tác động không mong muốn lên mũi dò

Hình 29: Ảnh SEM của mũi dò trên cantilever tam

giác

Mũi dò silic được sản xuất bằng cách lắng đọng lớp silic nitric trên hốc bị

ăn mòn của bề mặt tinh thể silic (Hình) Phương pháp này tạo ra mũi dò có dạng hình tháp hoặc hình tứ diện Tỷ lệ các cạnh của mũi dò silic nitric bị giới hạn bởi

cấu trúc

tinh thể

của của

vật liệu

được ăn

mòn để tạo

thành hố

nhọn

Những

mũi dò

này rộng hơn mũi dò hình nón, nên nó cứng hơn nhưng không phù hợp với bề mặt có đặc điểm sâu, hẹp Silic nitric cứng hơn silic nên mũi dò bằng silic nitric bền hơn mũi dò làm bằng silic Tuy nhiên, màng silic chứa ứng suất dư, điều này làm cho nó bị biến dạng khi độ dày màng tăng Vì nguyên nhân đó những cantilever dày với tần số cộng hưởng cao được làm từ silic Độ dày của cantilever silic nitric thường nhỏ hơn một micromét, trong khi đó cantilever silic có thể dày tới vài micro

4 Các chế độ hoạt động trong AFM

Những phương pháp cơ bản được sử dụng để thu được ảnh có thể chia thành hai nhóm: chế độ tiếp xúc (tĩnh) và chế độ không tiếp xúc (dao động) Ngoài ra, còn có chế độ tapping

a Chế độ tiếp xúc trong AFM (contact mode AFM)

Hình 25 Chế tạo đầu đò silic nitric

Trong chế độ tiếp xúc, đỉnh của mũi dò tiếp xúc trực tiếp với bề mặt và lực tác dụng gây ra giữa những nguyên tử của mũi dò và bề mặt tương đương với

lực đàn hồi được tạo bởi việc làm lệch cantilever Cantilever sử dụng trong chế

độ tiếp xúc phải có độ cứng tương đối nhỏ (độ cứng của cantilever phải nhỏ hơn độ cứng của bề mặt mẫu), để cung cấp độ nhạy cao và tránh những ảnh hưởng quá mức của mũi dò lên bề mặt mẫu Nếu độ cứng của đầu dò lớn hơn

bề mặt, bề mặt bị biến dạng

Chế độ tiếp xúc có thể được thực hiện tại lực không đổi hoặc tại khoảng cách không đổi (giữa đầu dò và bề mặt) Trong suốt quá trình quét trong chế độ lực không đổi, bộ hồi tiếp qui định giá trị của độ lệch của cantilever không đổi

(do đó lực tương tác cũng không đổi) (hình 27) Vì vậy trong việc điều khiển

áp điện ở bộ hồi tiếp, điện áp được đặt vào điện cực Z của bộ quét tương ứng với thông tin cấu trúc bề mặt mẫu

Hình 28 Thu nhận ảnh AFM tại khoảng cách không đổi

Hình 27 Thu nhận ảnh AFM tại lực không đổi

Việc quét tại khoảng cách không đổi giữa mũi dò và mẫu (Z không đổi) thường được sử dụng cho mẫu có độ gồ ghề nhỏ (vài Ăngtrong) Trong chế độ này (còn gọi là chế độ độ cao không đổi), đầu dò di chuyển tại một độ cao trung bình nào đó trên mẫu và độ cong của cantilever Z tương ứng với lực tác dụng được ghi nhận tại mỗi điểm trên bề mặt Ảnh AFM trong trường hợp này mô tả sự phân bố không gian của lực tương tác

Trong chế độ lực không đổi mặc dù tốc độ quét phụ thuộc vào thời gian đáp ứng của mạch hồi tiếp nhưng lực tác dụng lên mẫu được điều khiển tốt Chế độ lực không đổi nói chung được yêu thích trong hầu hết các ứng dụng Chế độ chiều cao không đổi được được dùng để tạo ảnh nguyên tử của những bề mặt nguyên

tử phẳng khi độ lệch

của cantilever và độ

biến thiên lực tác

dụng nhỏ Chế độ này

cũng cần thiết cho

việc tạo ảnh theo thời

gian thực của sự biến

đổi bề mặt, ở đó tốc

độ quét nhanh là cần

thiết

Nhược điểm của

chế độ tiếp xúc là tương tác cơ học trực tiếp giữa mũi dò và mẫu Điều này dẫn đến việc mũi dò bị nứt và bề mặt bị phá hủy Kỹ thuật tiếp xúc thực tế không phù hợp cho mẫu mềm như là vật liệu hữu cơ và sinh học

b Chế độ không tiếp xúc (non-contact mode AFM)

Chế độ không tiếp xúc là kỹ thuật sử dụng cantilever dao động, tức là catilever AFM được dao động ở gần bề mặt của mẫu Khoảng cách giữa mũi dò

và bề mặt trong chế độ không tiếp xúc khoảng 10 đến 100 Ăngtrong Khoảng cách này được chỉ ra trên đường cong van der Wall ở hình dưới:

Hình 30: Sự phụ thuộc của lực tác dụng

vào khoảng cách mũi dò và mẫu

Chế độ không tiếp xúc được ưa thích bởi vì nó cung cấp một phương pháp

để xác định cấu trúc bề mặt mà không có sự tiếp xúc giữa mũi dò và bề mặt Giống như ở chế độ tiếp xúc, chế độ không tiếp xúc có thể được sử dụng để xác định cấu trúc bề mặt của vật liệu cách điện và bán dẫn cũng như là vật liệu dẫn điện Lực tổng cộng giữa mũi dò và mẫu trong vùng không tiếp xúc là rất thấp, vào khoảng 10-12 N Lực yếu như vậy thuận lợi cho việc nghiên cứu mẫu mềm hay dẻo Một tiến bộ xa hơn nữa là những mẫu như là wafer silicon không bị nhiễm bẩn do tiếp xúc với mũi dò

Bởi vì lực giữa mũi dò và mẫu trong vùng không tiếp xúc thì thấp, việc xác định lực tương tác khó hơn nhiều so với trong vùng tiếp xúc Hơn nữa, cantilever được sử dụng trong chế độ không tiếp xúc phải cứng hơn so với trong chế độ tiếp xúc bởi vì cantilever mềm có thể bị kéo về phía bề mặt dẫn đến sự tiếp xúc với bề mặt mẫu Giá trị lực thấp trong vùng không tiếp xúc và

độ cứng lớn của cantilever được sử dụng trong chế độ tiếp xúc là hai yếu tố làm cho tín hiệu thu được trong chế độ không tiếp xúc nhỏ, và vì vậy rất khó để xác định tín hiệu đó

Trong chế độ không tiếp xúc, cantilever được cho dao động gần với tần số cộng hưởng riêng (từ 100 đến 400 kHz) với biên độ khoảng vài chục Ăngstrong Sau đó nó phát hiện sự thay đổi trong tần số cộng hưởng hoặc biên

độ khi mũi dò đến gần bề mặt mẫu Độ nhạy của hệ detector cung cấp độ phân theo chiều thẳng đứng ở khoảng ăngstrong, giống chế độ tiếp xúc

Mối liên hệ giữa tần số cộng hưởng của cantilever và sự biến đổi trong địa hình bề mặt có thể giải thích như sau Tần số cộng hưởng của cantilever biến thiên theo căn bậc hai của hằng số đàn hồi của nó Hơn nữa, hằng số đàn hồi của cantilever biến thiên theo gradient lực tác động lên cantilever Cuối cùng gradient lực bắt nguồn từ đường cong lực – khoảng cách được chỉ ra ở hình 1, thay đổi khi mũi dò tiến tới mẫu Vì vậy, sư thay đổi tần số cộng hưởng của cantilever có thể được sử dụng để đo sự thay đổi trong gradient lực, nó phản ánh sự thay đổi theo khoảng cách mũi dò - bề mặt hoặc địa hình mẫu

Hằng số đàn hồi của cantilever liên hệ với khoảng cách dịch chuyển Z

của điểm mút cantilever và lực F tác dụng lên điểm mút này bởi quan hệ:

F  k z

Tần số cộng hưởng  của cantilever liên hệ với khối lượng và hằng số đàn hồi bởi công thức

m

k





Trạng thái này giữ nguyên nếu lực tác dụng lên cantilever không thay đổi theo vị trí z của cantilever Nói chung, không tồn tại trường hợp này Lực sẽ thay đổi theo khoảng cách giữa mũi dò và mẫu Như vậy ta có thể biểu diễn như sau:

z k z z

F F

















 0

z z

F k



















0

Từ đó ta thấy rằng hằng số đàn hồi hiệu dụng thay đổi khi có gradient trường lực Khi ấy tần số cộng hưởng trở thành

m z

F





















Sự thay đổi tần số cộng hưởng tại mỗi vị trí trên bề mặt tạo ra dữ liệu để tạo ra ảnh bề mặt