Nghiên cứu hình thái học vật liệu, linh kiện nanô bằng công nghệ ảnh nổi 3d trên kính hiển vi điện tử quét ( 3d stereo sem imaging)

Nghiên cứu hình thái học vật liệu, linh kiện nanô bằng công nghệ ảnh nổi 3D trên kính hiển vi điện tử quét 3D Stereo Sem Imaging Chu Anh Tuấn Trường Đại học Công nghệ Luận văn ThS n

Nghiên cứu hình thái học vật liệu, linh kiện nanô bằng công

nghệ ảnh nổi 3D trên kính hiển vi điện tử quét

( 3D Stereo Sem Imaging)

Chu Anh Tuấn

Trường Đại học Công nghệ Luận văn ThS ngành: Công nghệ thông tin; Mã số: 1 01 10

Người hướng dẫn: TS Phạm Hồng Dương

Năm bảo vệ: 2007

Abstract: Tổng quan về khái niệm, nguyên lý hình ảnh 3D, lịch sử phát triển của công

nghệ 3D trong nước và trên thế giới Nghiên cứu chụp và hiển thị ảnh 3D trên kính hiển

vi điện tử quét (SEM ), nguyên lý tạo ảnh SEM, các ảnh hưởng qua lại giữa các thông số

và các hiện tượng xảy ra trong quá trình ghi ảnh Trình bày quy trình đầy đủ từ việc chụp,

xử lý và hiển thị ảnh SEM bằng hiển vi Mô tả quá trình tổng hợp các nanô tinh thể ZnO bằng phương pháp bốc bay nhiệt có sự tham gia của xúc tác Au, nghiên cứu hình thái các

nanô tinh thể ZnO bằng ảnh 3D SEM

Keywords: Công nghệ ảnh nổi 3D; Hình thái học vật liệu; Kính hiển vi điện tử; Linh

kiện Nanô; Vật liệu học

Content

MỞ ĐẦU

Công nghệ 3D – một công cụ tái hiện thế giới thực, với khả năng mô tả lại thế giới thực trung thực hơn, mang lại nhiều thông tin chi tiết hơn hẳn công nghệ 2D truyền thống, công nghệ 3D đã được ứng dụng rộng rãi trong phim ảnh 3D, trò chơi 3D, đồ hoạ 3D hay nhiếp ảnh 3D Tuy nhiên, ứng dụng công nghệ 3D vào nghiên cứu khoa học vẫn còn là một lĩnh vực mới mẻ, và chưa được khai thác nhiều

Kỹ thuật ảnh 3D hiển vi điện tử quét (3D SEM) là một bước phát triển mới quan trọng trong việc ứng dụng công nghệ 3D vào việc tạo ảnh hiển vi cũng như nghiên cứu hình thái các đối tượng vi mô, đang dần trở thành công cụ nghiên cứu mới cho các nhà khoa học Hiện nay, kỹ thuật này đang được nghiên cứu phát triển để chụp ảnh MEMS [9], chụp ảnh các vật liệu có kích

thước nanômét [2], chụp ảnh huỳnh quang 3D của các tế bào sinh học [43] hay chụp vi sinh vật [19]

Hiện nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học và công nghệ nanô, trong lĩnh vực chế tạo vật liệu và linh kiện có kích thước nanômét, việc chế tạo và khảo sát hình thái cũng đang

là một vấn đề rất được quan tâm nghiên cứu bởi nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước [1, 9,

10, 13, 20] Trên thực tế, hình thái phong phú và phức tạp của các cấu trúc nanô thường khó quan sát được bằng các phương pháp tạo hình ảnh đơn thị 2D truyền thống, người quan sát khó thấy được chiều sâu và các cấu trúc không gian của các vật thể

Với những lí do đó, chúng tôi đã chọn đề tài: “nghiên cứu hình thái học vật liệu, linh

kiện nanô bằng công nghệ ảnh nổi 3D trên kính hiển vi điện tử quét (3D stereo SEM imaging)” với mục tiêu ứng dụng và phát triển kỹ thuật ảnh nổi 3D hiển vi điện tử trong các

nghiên cứu hình thái học mẫu vật có kích thước micrômét và nanômét (vật liệu cấu trúc nanô, linh kiện quang tử cấu trúc nanô) Đây là đề tài luận văn lần đầu tiên được tiến hành nghiên cứu

và ứng dụng ở Việt Nam

Nội dung nghiên cứu chủ yếu của luận văn như sau:

 Nghiên cứu chụp ảnh 3D stereo trên kính hiển vi điện tử quét (SEM)

 Nghiên cứu các thông số ảnh hưởng tới chất lượng của ảnh nguồn như độ sâu hội tụ, độ sâu trường ảnh, độ tương phản và các phương pháp tăng cường chất lượng ảnh

 Nghiên cứu phương pháp hiển thị ảnh 3D hiển vi trên màn hình vi tính và kỹ thuật in dán ảnh nổi 3D autostereo hiển vi

 Chế tạo mẫu vật liệu có cấu trúc nanô và ứng dụng ảnh 3D hiển vi nghiên cứu hình thái học các mẫu vật đó

Bố cục của luận văn bao gồm 3 chương:

Chương 1 - Nguyên lý hình ảnh 3D

Trong chương 1, tác giả trình bày một cách tổng quan về khái niệm, nguyên lý hình ảnh 3D, lịch sử cũng như tình hình phát triển của công nghệ 3D trong nước và trên thế giới Bên cạnh đó một số đặc tính của thị giác hai mắt như sự cạnh tranh (rivalry), sự hợp thị (convergence) và sự chênh lệch (disparity) cũng được nhắc lại

Chương 2 - Nghiên cứu chụp và hiển thị ảnh 3D trên kính hiển vi điện tử quét (SEM)

Chương 2 trình bày về nguyên lý tạo ảnh SEM cũng như các ảnh hưởng qua lại giữa các thông số và các hiện tượng xảy ra trong quá trình ghi ảnh Một quy trình đầy đủ từ việc chụp, xử

lý và hiển thị ảnh SEM bằng kỹ thuật 3D hiển vi đã được xây dựng và hoàn thiện trong chương này Ngoài ra, phương pháp đo chiều sâu bằng kỹ thuật chụp và hiển thị 3D cũng đã được đề xuất

Chương 3 - Tổng hợp nanô tinh thể ZnO, nghiên cứu hình thái các nanô tinh thể ZnO bằng ảnh 3D SEM

Chương này mô tả quá trình tổng hợp các nanô tinh thể ZnO bằng phương pháp bốc bay nhiệt có sự tham gia của xúc tác Au Sản phẩm thu được là các nanô tinh thể ZnO có hình thái khác nhau Hình thái và vi cấu trúc của các sản phẩm này đã được khảo sát bằng kỹ thuật 3D SEM, kết quả khảo sát cấu trúc tinh thể, tính chất quang cũng được trình bày và thảo luận ở đây

Cuối cùng, phần kết luận và kiến nghị trình bày các kết quả đạt được và đưa ra các kết

luận rút ra từ những kết quả nghiên cứu của tác giả Đồng thời, một số ý kiến đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài cũng được nêu ra ở đây

References

1 Chul Yic, Jinkyoung Yoo (2006), “Optical properties of ZnO nanorods and nanowires”,

Science Direct 39, 358-365

2 Acta Materialia 54 1369, (2006), See also: “Nanostructure in 3D”, Max Planck Society Press

Release Feb 22 nd , 2006

3 Audrey, M Glauert (1974), Practical Methods in Electron Microscopy, North-Holand

Publishing Company

4 BC Breton, JTL Thong, WC Nixon (1990), “Advances in stereo SEM techniques”, Inst Phys

Conf Series No.98, pp 617-620

5 Blade, R A., Padgett M L., in Stanney, K M (2002), Handbook of Virtual Environments,

Lawrence Erlbaum Associates, Inc., New Jersey, United States, pp 15-27

6 Chandler, A., (1975), “The Vision of Hyperspace” Stereo World (Nat'I Stereo Assoc., USA) 2:6,Nov-Dec 1975 Cf: Paul Wing, "Hyperspace A Comment," Stereo World 3:1, J/F 1976

7 Chau K.L (1993), Automated Control in High Resolution Scanning Electron Microscopy, PhD

Dissertation, Cambridge University

8 Chinkyo Kim, Won I Park and Gyu-Chul Yi, Miyoung Kim (2006), "Formation and photoluminescent properties of embedded ZnO quantum dots in ZnO/ZnMgO

multiple-quantum-well-structured nanorods”, Appl Phys Nos 89, 113106

9 Chris Kammerud, Besma Abidi, Shafik Huq, and Mongi Abidi (2005),“3D nanovision for the

inspection of MEMS systems” The IEEE International Conference on Electronics, Circuits,

and Systems, Gammarth, Tunisia December 11-14 2005

10 Chun Li, Guojia Fang, Wenjie Guan, Xingzhong Zhao (2007), “Multipod ZnO 3D

microstructures” Materials Letters 61, 3310–3313

11 Cowley, J.M (1976), Principles and Techniques of Electron Microscopy, vol 6 (Hayat, M.A

ed.) van Nostrand Reinhold Co New York, pp 40-84

12 Durlach, N I., Mavor, A S (1995): Virtual Reality: Scientific and Technological Challenges,

National Academy Press

13 E M Wong, P C Searson (1999), Appl Phys Lett 74, 2939

14 Eric Lifshin, James Evertsen, Edward Princip, and John Friel (2004), “Three Dimensional

Imaging of Microelectronic Devices Using a CrossBeam FIB”, Proceedings from the 30 th

International Symposium for Testing and Failure Analysis, Worcester Massachusetts

November 14 - 18, 2004

15 Fuller K., Thong J.T.L., Chambers T.J., Breton B.C (1994), “Automated 3-D characterisation

of osteoclast resorption lacunae by stereoscopic scanning electron microscopy”, Journal of

Bone and Mineral Metabolis

16 G.H Du, F Xu, Z.Y Yuan, G Van Tendeloo, (2006), Appl Phys Lett 88, 243101

17 Gao P X, Song J, Liu J and Wang Z L 2006 Adv Mater 19 67–72

18 Harold A Layer, (1979),“Stereoscopy: Where Did It Come From? Where Will It Lead?”

published originally in: EXPOSURE: 17:3 Fall 1979, pp 34-48

19 Hayat, M A 1989 Principles and Techniques of Electron Microscopy: Biological

Applications CRC Press, Boca Raton, FL

20 He J H, Hsu J H, Wang C W, Lin H N, Chen L J and Wang Z L (2006), J Phys Chem B 110,

50–3

21 Hsu C L, Chang S J, Lin Y R, Li P C, Lin T S, Tsai S Y, Lu T H and Chen I C 2005 Chem

Phys Lett 416, 75–8

22 Hyeong-Jin Kim, Chul-Ho Lee, Dong-Wook Kim and Gyu-Chul Yi (2006), “Fabrication and electrical characteristics of dual-gate ZnO nanorod metal–oxide semiconductor field-effect

transistors”, Nanotechnology 17, S327–S331

23 Jun Young Bae, Jinkyoung Yoo, and Gyu-Chul Yia (2006), “Fabrication and photoluminescent characteristics of ZnO/Mg0.2Zn0.8O coaxial nanorod single quantum well structures”, Appl

Phys Nos 89, 173114

24 Kar S, Pal B N, Chaudhuri S and Chakravorty D (2006) J Phys Chem B 110 4605–11

25 Lathan C E., in Stanney, K M (2002): Handbook of Virtual Environments, Lawrence

Erlbaum Associates, Inc., New Jersey, United States, pp.404-414

26 Lowden, Jr., R.D., (1975), "Heywood A Mysterious Stereo Artist" Stereo World Nat' I

Stereo Assoc., USA) l:l, Jan.-Feb 1975; Part 2, 1:2, March-April 1975

27 Melanie Kirkham, Xudong Wang, Zhong Lin Wang and Robert L Snyder (2007), “Solid Au nanoparticles as a catalyst for growing aligned ZnO nanowires: a new understanding of the

vapour–liquid–solid process”, Nanotechnology 18, 365304 (5pp)

28 Okoshi, (1976), Three-Dimensional Imaging Technique, New York Academic

29 Philosophical Transactions of the Royal Society of London, Vol 142, pp 1 – 17

30 Philosophical Transactions of the Royal Society of London, Vol 128, pp 371 – 394

31 Pinchbeck, P., (1972), "Structure of Reality in image and Word" Arts Magazine, April 1972

32 Reiko HATTORI, Keisuke KAMETANI, Hiroshi IMAMOTO, Shizuo FUJITA (2006), “Direct Fabrication of ZnO Whiskers Bridging Between Micron-gap Electrodes in Aqueous Solution

for Highly Gas Sensing”, Material Research Society

33 Rubio-Sierra F J, Heckl W M and Stark R W (2005), Adv Eng Mater 7, 1936

34 S.-J An1, W.I Park1, G.-C Yi1, S.Cho (2002), “Laser–MBE growth of high-quality ZnO thin

films on Al2O3(0001) and SiO2/Si(100) using the third harmonics of a Nd:YAGlaser” Appl

Phys A 74, 509–512

35 Senden, M., (1960), Space and Sight (London: Methuen & Co., 1960) Spies, Werner, Vasarely

(NY: Abrams, 1969)

36 Stanney, K M (2002): Handbook of Virtual Environments, Lawrence Erlbaum Associates,

Inc., New Jersey, United States

37 Takashi YATSUI, Motoich OHTSU, Sung Jin AN, Jinkyoung YOO and Gyu-Chul YI (2006),

“Evaluating the Quantum Confinement Effect of Isolated ZnO Nanorod Single-Quantum-Well

Structures Using Near-Field Ultraviolet Photoluminescence Spectroscopy”, Opt Rev Vol 13,

No 4, 218–221

38 Tandra Ghoshal et al (2008), “Direct synthesis of ZnO nanowire arrays on Zn foil by a simple

thermal evaporation process”, Nanotechnology 19, 065606

39 W I Park, D H Kim, S.-W Jung, and Gyu-Chul Yi (2002), “Metalorganic vapor-phase

epitaxial growth of vertically well-aligned ZnO nanorods” Appl Phys Vol 80, Nos 22

40 Wagner R S and Ellis W C (1964), Appl Phys Lett 4 89–90

41 Won I Park, Dong-Wook Kim, Sug Woo Jung and Gyu-Chul Yi (2006), “Catalyst-free growth

of ZnO nanorods and their nanodevice applications”, Int J Nanotechnology, Vol 3, Nos 2/3

42 Won I Park, Jinkyoung Yoo, Dong-Wook Kim, and Gyu-Chul Yi (2006), “Fabrication and Photoluminescent Properties of Heteroepitaxial ZnO/Zn0.8Mg0.2O Coaxial Nanorod

Heterostructures”, The Journal of Physical Chemistry Letters, 110, 1516-1519

43 Xiang Chen and Robert F Murphy (2004), “Robust Classification of Subcellular Location

Patterns in High Resolution 3D Fluorescence Microscope Images” Proceedings of the 26 th

Annual International Conference of the IEEE EMBS, San Francisco, CA, USA September 1-5,

2004

44 Yong Ding, Pu Xian Gao, and Zhong Lin Wang (2003), “Catalyst-Nanostructure Interfacial Lattice Mismatch in Determining the Shape of VLS Grown Nanowires and Nanobelts: A Case

of Sn/ZnO”, JACS

45 Yong-Jin Kim, Chul-Ho Lee, Young Joon Hong, and Gyu-Chul Yi (2006), “Controlled selective growth of ZnO nanorod and microrod arrays on Si substrates by a wet chemical

method”, Appl Phys Nos 89, 163128