ĐỀ TÀI KÍNH HIỂN VI ĐƯỜNG HẦM QUÉT STM ( The Scanning Tunneling Microscope )

QÚA TRÌNH LỊCH SỬ.Kính hiển vi quét chui hầm STM Scanning tunneling microscope là một loại kính hiển vi phi quang học, được sử dụng để quan sát hình thái học bề mặt của vật rắn hoạt động

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

VẬT LÝ ỨNG DỤNG CHUYÊN NGHÀNH: QUANG HỌC

KÍNH HIỂN VI ĐƯỜNG HẦM QUÉT

STM

( The Scanning Tunneling Microscope )

Hv: Lê Phúc Quý GVHD: Lê Vũ Tuấn Hùng Nhóm 1.

NỘI DUNG :

1.QÚA TRÌNH LỊCH SỬ.

2.NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG.

2.1 Hiệu ứng đường hầm lượng tử:

2.2 Nguyên lý hoạt động.

3.CẤU TẠO CỦA STM.

3.1 Đầu dò (tip)

3.2 Chống rung

3.3Hệ điều khiển truy hồi

3.4 Bộ áp điện

1. QÚA TRÌNH LỊCH SỬ.

Kính hiển vi quét chui hầm STM (Scanning tunneling

microscope) là một loại kính hiển vi phi quang học, được sử dụng

để quan sát hình thái học bề mặt của vật rắn hoạt động dựa trên

việc ghi lại dòng chui hầm của điện tử khi sử dụng một mũi dò

quét trên bề mặt mẫu STM là một công cụ mạnh để quan sát cấu

trúc bề mặt của vật rắn với độ phân giải tới cấp độ nguyên tử

Năm 1972 : Yuong là người đầu tiên sử dụng thiết bị không

tiếp xúc topogarfiner (phát triển từ năm 1965 và 1971) để đo địa hình vi

mô của bề mặt kim loại

Do không chống rung rung được cho hệ nên ảnh thu

được có độ phân giải thấp, không tạo được ảnh ở chế

độ tunnel

Lịch sử của STM bắt đầu từ năm 1981 với các thí nghiệm về quá trình chui hầm trong môi trường không khí thực hiện bởi Gerd Binnig và Heinrich Rohrer (IBM, Zürich)

và nâng cấp các hiệu ứng này trong chân không, kết hợp với quá trình quét để tạo ra STM vào năm 1982 STM được hoàn chỉnh vào cuối năm 1982 và bắt đầu được thương mại hóa

Hình 1: Russell D Young

Hình 3: Bức ảnh đầu tiên PROBE được chụp bởiTopografine

Hình 2: Topografiner

Lý thuyết về quá trình chui hầm trong STM được phát triển bởi N García, C Ocal, và F Flores (Đại học Autónoma, Madrid, Tây Ban Nha) từ năm 1983 và bởi nhóm J Tersoff và

D R Hamann (AT&T Bell Laboratories, Murray Hill, New Jersey) vào năm 1984

Năm 1986, G Binnig và H Rohrer hoàn thiện thế hệ STM thứ 4 và giành giải Nobel Vật lý cho phát minh này

Ngoài việc phân tích hình thái học bề mặt, STM còn được cải

tiến để tạo thành nhiều tính năng khác Trong kỹ thuật

liệu từ trên mũi dò để ghi nhận dòng điện tử chui hầm bị

phân cực spin, cho phép ghi nhận cấu trúc từ bề mặt với độ phân

giải rất cao Thiết bị này được gọi là Kính hiển vi quét chui hầm

phân cực spin (Spin-polarized scanning tunnelling

microscopd) Ngoài ra, người ta còn có thể tạo ra các tính năng chui hầm khác ví

dụ như chui hầm với photon hoặc ghi nhận hiệu điện

thế để có các phân tích bổ sung khác

Một trong những tính năng khác đang được phát triển gần đây của STM là việc thao tác các nguyên tử với độ chính xác cao trên bề mặt vật rắn, cho phép tạo các chi tiết siêu nhỏ với độ chính xác cao và đang trở thành một phép chế tạo quan trọng trong công nghệ nano

2.NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG.

Hình 4: Gerd Binnig và Heinrich Rohrer

Hình 5

Nguyên lý: -Kính hiển vi tunnel dựa trên nguyên lý của hiện tượng xuyên hầm lượng tử của các điện tử giữa hai cực điện có điện trường đặt vào Một trong 2 điện cực là mẫu đứng yên còn cực kia là mũi dò (tip) được quét trên mẫu hoặc ngược lại

2.1 Hiệu ứng đường hầm lượng

tử:

Đường hầm lượng tử (hay

hiệu ứng đường hầm lượng tử, chui

hầm lượng tử) là một hiệu ứng lượng

tử mô tả sự chuyển dịch của hệ vật

chất từ trạng thái này sang trạng thái khác

mà thông thường bị ngăn cấm bởi các

quy luật vật lý cổ điển

Trường hợp kinh điển là việc hệ vật chất đi xuyên qua "hàng rào năng lượng", giống như hệ này đã đào "đường hầm"

xuyên rào Trong cơ học cổ điển, nếu

có hai thung lũng và một ngọn đồi ngăn

cách, một hòn bi nằm trong thung lũng

thứ nhất sẽ không thể vượt qua ngọn đồi để sang thung lũng kia nếu nó không được cung cấp năng lượng lớn hơn thế năng trên đỉnh đồi

Trong cơ học lượng tử, vật chất không được miêu tả như các hòn bi, mà giống các

sóng hơn, trong đó hàm sóng miêu tả "hòn bi" lan tỏa sang cả bên thung lũng kia, ngay cả khi vị trítrung bình của nó ở bên thung lũng này Vì hàm sóng cho biết xác suất tìm thấy

"hòn bi", có một xác suất nhất định trong việc tìm thấy "hòn bi" ở bên thung lũng kia

Hình 6: Mũi dò được đặt sát bề mặt mẫu dẫn điện đến mức xuất hiện dòng điện tử tunnel giữa mũi

dò và mẫu

Hiệu ứng này, như các hiệu ứng lượng tử khác, dễ quan sát nhất đối với các hạt nhỏ ở cỡ

nanomet, khi tính chất sóng của chúng thể hiện rõ nét

Dòng điện thu được do điện tử "chui hầm lượng tử" từ bề mặt cần quan sát sang đầu đọc cho biết mức năng lượng của hàng rào và do đó mức độ lồi lõm của bề mặt

Trong cơ học lượng tử, chuyển động của electron:

) ( )

( )

(

H ψ + zψ = ψ

Nghiệm phương trình:

( )z (z 0)e αz

ψ =ψ = −

Trong đó:

( )

2

0 2

2m

V E h

( ) 2 ( ) 2 2

Ψ = Ψ

Khi z = d

( ) 2 ( ) 2 2

Hình 7,8: mô hình xuyên hình lượng tử

F

F

E

z

E e V

− ∆

= ∑ Ψ

1 ( )

1

F

E E KT

f E

e −

=

+ Trong đó f(E) là hàm phân bố Fermi

Vậy ta có được dòng chui hầm:

2 d

I ≈ e − α

Trong đó:

2m

h

d: khoảng cách giữa đầu dò và mẫu Ф: chiều cao hố thế

m: khối lượng e

I giảm theo hệ số 10 khi khoảng cách tăng 1 Ao

I co giá trị từ 10pA – 1nA ( Ф cỡ vài eV,d cỡ 0,5 nm)

Khi electron vượt đường ngầm ra ngoài tạo một dòng điện nhỏ được đầu dò ghi lại sau

đó chuyển về máy tính ghi nhận tín hiệu và dựng lại bề mặt mẫu

2.2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG.

Có hai cơ chế hoạt động chính: Dòng không đổi và Độ cao không đổi

Hình 9: mô hình dòng xuyên hầm lượng tử

a Dòng không đổi

- Độ cao đầu dò thay đổi sao cho dòng xuyên ngầm là không đổi ghi nhận sự thay đổi của đầu dò

Kiểu quét dòng không đổi: quét chậm vì bộ phận hồi tiếp phải điều chỉnh khoảng cách giữa đầu dò và mẫu

b Độ cao không đổi

- Độ cao của mẫu được giử nguyên , sự thay đổi ở bề mặt mẫu thay đổi ghi theo dạng tín hịêu điện

Hinh 10: chế độ dòng không đổi Hinh 11 : chế độ độ cao không đổi

Kiểu quét chiều cao không đổi tốc độ nhanh hơn vì không điều chỉnh trục z nhưng chỉ giới hạn ở mẫu có bề mặt phẳng

-Tip được gắn trên gốm áp điện và có thể dịch chuyển theo ba phương khi có điện trường

-Mũi dò được đặt sát bề mặt mẫu dẫn điện đến mức xuất hiện dòng điện tử tunnel giữa mũi dò và mẫu Dòng tunnel này phụ thuộc chủ yếu và khoảng cách tip-mẫu và cấu trúc điện tử của mẫu ở dưới đầu dò

-Như vậy đối với mẫu dẫn điện có cấu trúc điện tử và mật độ trạng thái không đồng đều, khi cho đầu dò quét trên một diện tích nhỏ bề mặt theo 2 phương x,y ta sẽ thu được dòng tunnel I ở từng vị trí Tập hợp các giá trị x,y, I sẽ tạo nên ảnh địa hình bề mặt nơi nhô cao

ứng với dòng tunnel lớn, điểm ảnh có cường độ sáng mạnh

và ngược lại Trong trường hợp mẫu rất phẳng, có thể xem như k/c giữa tip-mẫu không đổi trong khi quét thì cường độ dòng tunnel sẽ liên quan đến sự thay đổi cấu trúc điện tử, mật độ trạng thái của mẫu

-Ta có thể nói dòng tunnel là 1 hàm của vị trí phản ánh cấu trúc điện tử và cấu trúc nguyên tử bề mặt STM có độ phân giải ngang là 0,1nm, độ phân giải đứng là 0,01nm vì vậy có thể thấy rõ từng nguyên tử riêng biệt

-Không chỉ theo dõi được bề mặt với độ chính xác đến mức nguyên tử, STM còn là công

cụ để đào lấy ra hay đắp thêm vào bề ặt vật dẫn những nhóm nhỏ vài chục nguyên tử, thậm chí 1 vài nguyên tử (khắc hình bằng STM) là một công cụ quan trọng của công nghệ nano

3.CẤU TẠO CỦA STM

Hình 11: Tip và gốm áp điện

dịch chuyển trên bề mặt mẫu.

Cấu tạo chính của STM gồm :

•Đầu dò (tip)

•Bệ đặt mẫu

•Bộ khuếch đại

•Hệ điều khiển truy hồi

•Máy tính xử lý

•Bộ áp điện

•Hệ chống rung

3.1 Đầu dò (tip)

Mũi dò là thành phần then chốt của STM Hình ảnh sắc nét phụ thuộc vào độ sắc nhọn của đầu dò Mũi dò quyết định bộ phận phân giải và tính lặp lại của kết quả Độ phân giải ảnh thu được phụ thuộc vào bán kính cong và dạng hình học của tip

Tip được chế tạo bằng cắt cơ học, mài bóng và ngâm vào dung dịch khắc (kiềm) Bán kính của tip nhỏ hơn 1000 Å

Tip thường được làm từ W (bền chắc nhưng dần bị oxy hóa) hoặc Pt/Ir (trơ hóa học trong không khí và trong dung môi)

Hình12: sơ đồ cấu tạo máy STM

3.2. Chống rung

Biên độ giao động của tip và mẫu phải nhỏ hơn biên độ phân giải yêu cầu của thiết bị Rung động của tịa nhà, đi lại của con người, âm thanh ….cung ảnh hưởng đến độ chính xác của STM Để hạn chế điều đĩ bằng cách đăth thiết bị trong buồng cách âm

Khi STM hoạt động trong khơng khí khơng yêu cầu độ phân giải cao thí STM được đặt trên một khối lớn treo bằng dây đàn hồi Đối với STM hoạt động trong chân khơng thi hệ thống chống rung phải yêu cầu chân khơng siêu cao, khi ấy sử dụng chống rung đặc biệt

Trong chân khơng cao

• Đối với STM hoạt động trong chân khơng thi hệ thống chống rung phải yêu cầu cao, khi ấy sử dụng chống rung đặc biệt

Hệ chống rung trên đệm từ chứa Heli lỏng

•

• W-đầu dò bằng tungsten

• A-giá đỡ đầu dò

Hình 13: tip và cách chế tạo típ

Hình 14: hê chống rung thơng thường

• PP- tấm áp điện

• F- chân đế

• D- tấm điện môi

• MP-tấm kim loại

• M- nam châm

3.3. Hệ điều khiển truy hồi

Nhiệm vụ giữ khoảng cách tip- mẫu khơng (chế độ cao khơng đổi ) hoặc giữ cho dịng tunnel giữa tip-mẫu khơng đổi(chế độ dịng khơng đổi) Dịng tunnel được chuyển thành điện áp và so sánh với giá trị chuẩn tạo tín hiệu vi sai, tín hiệu này lại được chuyển đổi thành điện áp để điều khiển vị trí gốm áp điện theo hướng z (để tạo hiệu chỉnh cho độ cao khơng đổi hoặc dịng khơng đổi)

Nhiệm vụ điều chỉnh vị trí gốm áp điện tín hiệu vi sai này cũng được lưu giữ như hàm của

x, y, z

3.4. Bộ áp điện

Là trung tâm vận hành Tip của STM Giúp mũi dị di chuyển tinh tế hơn

Tiêu chuẩn thiết kế cho STM là độ điều chỉnh vị trí tip – mẫu phải tốt hơn độ phân giải yêu cầu

Yêu cầu quét được thỏa mãn bằng việc sử dụng gốm áp điện Gốm áp điện cĩ khả năng điều chỉnh vị trí xuống tới 0,01 A0 hoặc tốt hơn ở thang đo vài Tip được gắn vào gốm áp điện hình ống đơn giản

Hình 15: hê chống rung trong chân khơng cao

Hình 16: hệ điều khiển truy hồi

Để thu được ảnh chất lượng cao người ta sử dụng một cảm biến vị trí quang học hai trục đơn giản để đo vị trí x và y của bộ quét áp điện trụ Cảm biến được sử dụng để xử lý ảnh và hiệu chỉnh quét thời gian thực hiện thông qua bộ điều khiển phản hồi

Một số yếu tố ảnh hưởng đến khả năng của STM là tần số cộng hưởng của gốm áp điện Tần số cộng hưởng xác định tốc độ quét của kính hiển vi và độ bền vững chống rung của nó

Có 2 loại áp điện: tripod và tube

Hoạt động của hộ áp điện:

Chất áp điện giãn nở dọc theo trục của nó

khi điện thế đặt vào cùng chiều phân cực của chất

áp điện (V +) Khi đó chất áp điện co lại theo

phương vuông góc với trục

Ngược lại chất áp điện sẽ co lại dọc theo trục của

nó khi điện thế đặt vào ngược chiều phân cưc của

chất áp điện (V -) Khi đó

chất áp điện giãn nở theo

phương vuông góc với

trục

13 Hình 17: bộ áp điện tripod và tube

Hình 18: bộ áp điện tube