quan sát thao tac nano

Khái niệm Kính hiển vi điện tử truyền qua tiếng Anh: transmission electron microscopy, viết tắt: TEM là một thiết bị nghiên cứu vi cấu trúc vật rắn, sử dụng chùm điện tử có năng lượng ca

MỤC LỤC

2.1 Súng phóng điện tử 7

2.2 Các hệ thấu kính và lăng kính 9

2.3 Các khẩu độ 10

4 Xử lý mẫu cho phép đo TEM 14

MỞ ĐẦU

Ngày nay, có thể ta tình cờ nghe một vài vấn đề nào đó hoặc một sản phẩmnào đó có liên quan đến hai chữ “nano” Ở khoảng nửa thế kỷ trước, đây thực sự làmột vấn đề mang nhiều sự hoài nghi về tính khả thi, nhưng trong thời đại ngày nay

ta có thể thấy được công nghệ nano trở thành một vấn đề hết sức thời sự và được sựquan tâm nhiều hơn của các nhà khoa học Các nước trên thế giới hiện nay đangbước vào một cuộc chạy đua mới về phát triển và ứng dụng công nghệ nano Điều

đó được thể hiện bằng số các công trình khoa học, số các bằng phát minh sáng chế,

số các công ty có liên quan đến khoa học, công nghệ nano gia tăng theo cấp số mũ.Con số ước tính về số tiền đầu tư vào lĩnh vực này lên đến 8,6 tỷ đô la vào năm

2004 Cộng nghệ nano đã được biết đến ở Việt Nam trong những năm gần đây vàchúng ta đã có những nghiên cứu thành công đầu tiên trong lĩnh vực mới mẻ này,đặc biệt là những thành công bước đầu trong việc chế tạo vật liệu nano Nghiên cứukhoa học công nghệ vật liệu nano ở Việt Nam được tiến sĩ Nguyễn Văn Hiệu phátđộng đầu tiên tại hội nghị vật lý chất rắn toàn quốc lần thứ hai năm 1997 và ngaysau đó được hưởng ứng triển khai tại viện Khoa học vật liệu

Với tầm quan trọng như trên của công nghệ nano, trong bài tiểu luận này nhómchúng em xin trình bày về một lĩnh vực nhỏ của công nghệ nano là quan sát các thaotác nano dưới sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy giáo Thạc sĩ Phạm Minh Tân

Do sự hiểu biết của chúng em còn hạn hẹp nên không thể tránh khỏi những thiếu sót trong bài tiểu luận, nhóm rất mong sự góp ý của thầy và tất cả các bạn để bài tiểu luận hoàn chỉnh hơn

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NANO

1 Hạt nano là gì?

Hạt nano là những hạt có cỡ từ vài đến vài trăm nanomet, bao gồm hàng trămđến hàng nghìn nguyên tử giống nhau Do kích thước nhỏ nên các tính chất lý hóacủa chúng bị phụ thuộc nhiều vào trạng thái bề mặt hơn là thể tích khối Trạng tháicủa các hạt tải tự do trong hạt nano bị lượng tử hóa Đối với các hạt nano tinh thểdạng cầu, các điện tử và lỗ trống bị cầm giữ cả ba chiều thì chuyển động của các hạttải bị quyết định bởi cơ học lượng tử, vì vậy các mức năng lượng của các hạt nanophụ thuộc vào kích thước hạt của chúng Bằng cách khống chế kích thước hạt trongquá trình tổng hợp người ta có thể thu được các hạt với tính chất mong muốn

Chất lượng của hạt nano được quyết định bởi 3 tính chất quan trọng sau:Các hạt nano tinh thể phải có cấu trúc tinh thể, vì vậy chúng thường làm từmột loại vật liệu

Phân bố hình dạng càng đồng đều càng tốt

Hình thái hạt phải có dạng đồng nhất, giống nhau cho từng kim loại

Các hạt nano tinh thể được phân tán trong dung môi, vì vậy phải áp dụng cácbiện pháp để tránh hiện tượng kết đám Các hạt nano tinh thể thường có dạng cầu,ngoài ra các dạng khác như thanh, trụ, lăng trụ, và tứ giác…

2 Vật liệu nano

Vật liệu nano là vật liệu trong đó ít nhất một chiều có kích thước nano mét Vềtrạng thái của vật liệu, người ta phân chia thành ba trạng thái, rắn, lỏng và khí Vậtliệu nano được tập trung nghiên cứu hiện nay, chủ yếu là vật liệu rắn, sau đó mới đếnchất lỏng và khí Về hình dáng vật liệu, người ta phân ra thành các loại sau:

Vật liệu nano không chiều (cả ba chiều đều có kích thước nano, không cònchiều tự do nào cho điện tử), ví dụ, đám nano, hạt nano

Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước nano,điện tử được tự do trên một chiều (hai chiều cầm tù), ví dụ, dây nano, ống nano,

Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano, haichiều tự do, ví dụ, màng mỏng,

Ngoài ra còn có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite trong đó chỉ cómột phần của vật liệu có kích thước nm, hoặc cấu trúc của nó có nano không chiều,một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau

3 Công nghệ nano

Công nghệ nanô hay nanotechnology là ngành công nghệ liên quan đến việcthiết kế, phân tích, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc

nghệ nano bao gồm các vấn đề chính sau đây:

Cơ sở khoa học nano

Phương pháp quan sát và can thiệp ở qui mô nm

Chế tạo vật liệu nano

Ứng dụng vật liệu nano

Trong giới hạn của bài tiểu luận này nhóm chúng tôi tìm hiểu về các phươngpháp quan sát và can thiệp ở quy mô nm

CHƯƠNG II: QUAN SÁT CÁC THAO TÁC NANO

I Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM – Transmission Electron Microscope)

1 Khái niệm

Kính hiển vi điện tử truyền qua (tiếng Anh: transmission electron

microscopy, viết tắt: TEM) là một thiết bị nghiên cứu vi cấu trúc vật rắn, sử dụng

chùm điện tử có năng lượng cao chiếu xuyên qua mẫu vật rắn mỏng và sử dụngcác thấu kính từ để tạo ảnh với độ phóng đại lớn (có thể tới hàng triệu lần), ảnh cóthể tạo ra trên màn huỳnh quang, hay trên film quang học, hay ghi nhận bằng cácmáy chụp kỹ thuật số

Hình 1.1Kính hiển vi điện tử truyền qua TECNAI T20 ở Khoa Vật lý và

Thiên văn, Đại học Glasgow

Ta biết rằng kính hiển vi quang học sử dụng ánh sáng khả kiến để quan sát cácvật nhỏ, do đó độ phân giải của kính hiển vi quang học bị giới hạn bởi bướcsóng ánh sáng khả kiến, và không thể cho phép nhìn thấy các vật có kích thước nhỏhơn

tương ứng với một sóng có bước sóng cho bởi hệ thức de Broglie:

Ta thấy rằng bước sóng của điện tử nhỏ hơn rất nhiều so với bước sóng ánhsáng khả kiến nên việc sử dụng sóng điện tử thay cho sóng ánh sáng sẽ tạo ra thiết

bị có độ phân giải tốt hơn nhiều kính hiển vi quang học

Năm 1931, lần đầu tiên Ernst August Friedrich Ruska cùng với một kỹ sưđiện là Max Knoll lần đầu tiên dựng nên mô hình kính hiển vi điện tử truyền qua sơkhai, sử dụng các thấu kính từ để tạo ảnh của các sóng điện tử Thiết bị thực sự đầutiên được xây dựng vào năm 1938 bởi Albert Presbus và James Hillier (1915-2007)

ở Đại học Toronto (Canada) là một thiết bị hoàn chỉnh thực sự Nguyên tắc tạo ảnhcủa TEM gần giống với kính hiển vi quang học, điểm khác quan trọng là sử dụngsóng điện tử thay cho sóng ánh sáng và thấu kính từ thay cho thấu kính thủy tinh.

2 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của kính hiển vi điện tử truyền qua.

Đối tượng sử dụng của TEM là chùm điện tử có năng lượng cao, vì thế cáccấu kiện chính của TEM được đặt trong cột chân không siêu cao được tạo ra nhờcác hệ bơm chân không (bơm turbo, bơm iôn )

2.1 Súng phóng điện tử

Hình 1.2Cấu tạo của súng phóng điện tử.

Trong TEM, điện tử được sử dụng thay cho ánh sáng (trong kính hiển viquang học) Điện tử được phát ra từ súng phóng điện tử Có hai cách để tạo ra

Sử dụng nguồn phát xạ nhiệt điện tử: Điện tử được phát ra từ một catốt đượcđốt nóng (năng lượng nhiệt do đốt nóng sẽ cung cấp cho điện tử động năng để thoát

ra khỏi liên kết với kim loại Do bị đốt nóng nên súng phát xạ nhiệt thường có tuổithọ không cao và độ đơn sắc của chùm điện tử thường kém Nhưng ưu điểm của nó

là rất rẻ tiền và không đòi hỏi chân không siêu cao Các chất phổ biến dùng làmcatốt là W, Pt, La B6

Sử dụng súng phát xạ trường (Field Emission Gun, các TEM sử dụng nguyên

lý này thường được viết là FEG TEM): Điện tử phát ra từ catốt nhờ một điện

thế lớn đặt vào vì thế nguồn phát điện tử có tuổi thọ rất cao, cường độ chùm điện tửlớn và độ đơn sắc rất cao, nhưng có nhược điểm là rất đắt tiền và đòi hỏi môitrường chân không siêu cao

Sau khi thoát ra khỏi catốt, điện tử di truyển đến anốt rỗng và được tăng tốcdưới thế tăng tốc V (một thông số quan trọng của TEM) Lúc đó, điện tử sẽ thuđược một động năng:

Và xung lượng p sẽ được cho bởi công thức:

Như vậy, bước sóng của điện tử quan hệ với thế tăng tốc V theo công thức:

Với thế tăng tốc V = 100 kV, ta có bước sóng điện tử là 0,00386 nm Nhưngvới thế tăng tốc cỡ 200 kV trở nên, vận tốc của điện tử trở nên đáng kể so với vậntốc ánh sáng, và khối lượng của điện tử thay đổi đáng kể, do đó phải tính theo côngthức tổng quát (có hiệu ứng tương đối tính):

2.2 Các hệ thấu kính và lăng kính

Vì trong TEM sử dụng chùm tia điện tử thay cho ánh sáng khả kiến nên việcđiều khiển sự tạo ảnh không còn là thấu kính thủy tinh nữa mà thay vào đó làcác thấu kính từ Thấu kính từ thực chất là một nam châm điện có cấu trúc là mộtcuộn dây cuốn trên lõi làm bằng vật liệu từ mềm Từ trường sinh ra ở khe từ sẽđược tính toán để có sự phân bố sao cho chùm tia điện tử truyền qua sẽ có độ lệchthích hợp với từng loại thấu kính Tiêu cự của thấu kính được điều chỉnh thôngqua từ trường ở khe từ, có nghĩa là điều khiển cường độ dòng điện chạy qua cuộndây Vì có dòng điện chạy qua, cuộn dây sẽ bị nóng lên do đó cần được làm lạnhbằng nước hoặc nitơ lỏng

Hình1.3 Nguyên lý hoạt động của một thấu kính từ trong TEM

Trong TEM, có nhiều thấu kính có vai trò khác nhau:

- Hệ kính hội tụ và tạo chùm tia song song Đây là hệ thấu kính có tác dụng

tập trung chùm điện tử vừa phát ra khỏi súng phóng và điều khiển kích thước cũngnhư độ hội tụ của chùm tia Hệ hội tụ C1 có vai trò điều khiển chùm tia vừa phát rakhỏi hệ phát điện tử được tập trung vào quỹ đạo của trục quang học Khi truyền đến

hệ C2, chùm tia sẽ được điều khiển sao cho tạo thành chùm song song (cho cácCTEM) hoặc thành chùm hội tụ hẹp (cho các STEM, hoặc nhiễu xạ điện tử chùmtia hội tụ) nhờ việc điều khiển dòng qua thấu kính hoặc điều khiển độ lớn của khẩu

độ hội tụ C2

- Vật kính:Là thấu kính ghi nhận chùm điện tử đầu tiên từ mẫu vật và luôn

được điều khiển sao cho vật sẽ ở vị trí có khả năng lấy nét khi độ phóng đại của hệđược thay đổi Vật kính có vai trò tạo ảnh, việc điều chỉnh lấy nét được thực hiệnbằng cách thay đổi dòng điện chạy qua cuộn dây, qua đó làm thay đổi tiêu cực củathấu kính

- Thấu kính nhiễu xạ: Có vai trò hội tụ chùm tia nhiễu xạ từ các góc khácnhau và tạo ra ảnh nhiễu xạ điện tử trên mặt phẳng tiêu của thấu kính

- Thấu kính Lorentz : Được sử dụng trong kính hiển vi Lorentz để ghi ảnhcấu trúc từ của vật rắn Thấu kính Lorentz khác vật kính thông thường ở việc nó cótiêu cự lớn hơn và vị trí lấy nét là vị trí mà các chùm tia điện tử truyền qua hội tụtại mặt phẳng tiêu sau, trùng với mặt phẳng khẩu độ vật kính Thấu kính Lorentzthường bị đặt xa để đủ khả năng ghi góc lệch do từ tính (vốn rất nhỏ)

- Thấu kính phóng đại: Là hệ thấu kính sau vật kính, và độ phóng đại của hệđược thay đổi bằng cách thay đổi tiệu cự của thấu kính

Ngoài ra, trong TEM còn có các hệ lăng kính có tác dụng bẻ đường đi củađiện tử để lật ảnh hoặc điều khiển việc ghi nhận điện tử trong các phép phân tíchkhác nhau

2.3 Các khẩu độ

Là hệ thống các màn chắn có lỗ với độ rộng có thể thay đổi nhằm thay đổicác tính chất của chùm điện tử như khả năng hội tụ, độ rộng, lựa chọn các vùngnhiễu xạ của điện tử

Khẩu độ hội tụ :Là hệ khẩu độ được dùng cùng với hệ thấu kính hội tụ, cótác dụng điều khiển sự hội tụ của chùm tia điện tử, thay đổi kích thước chùm tia vàgóc hội tụ của chùm tia, thường mang ký hiệu C1 và C2

Khẩu độ vật : Được đặt phía bên dưới vật có tác dụng hứng chùm tia điện tửvừa xuyên qua mẫu vật nhằm: thay đổi độ tương phản của ảnh, hoặc lựa chọn chùmtia ở các góc lệch khác nhau (khi điện tử bị tán xạ khi truyền qua vật)

Khẩu độ lựa chọn vùng: Được dùng để lựa chọn diện tích vùng mẫu vật sẽ ghiảnh nhiễu xạ điện tử, được dùng khi sử dụng kỹ thuật nhiễu xạ điện tử lựa chọn vùng

3 Sự tạo ảnh trong TEM

Xét trên nguyên lý, ảnh của TEM vẫn được tạo theo các cơ chế quang học,nhưng tính chất ảnh tùy thuộc vào từng chế độ ghi ảnh Điểm khác cơ bản của ảnhTEM so với ảnh quang học là độ tương phản khác so với ảnh trong kính hiển viquang học và các loại kính hiển vi khác Nếu như ảnh trong kính hiển vi quanghọc có độ tương phản chủ yếu đem lại do hiệu ứng hấp thụ ánh sáng thì độ tươngphản của ảnh TEM lại chủ yếu xuất phát từ khả năng tán xạ điện tử Các chế độtương phản trong TEM:

Tương phản biên độ: Đem lại do hiệu ứng hấp thụ điện tử (do độ dày, dothành phần hóa học) của mẫu vật

Tương phản pha: Có nguồn gốc từ việc các điện tử bị tán xạ dưới các góckhác nhau

Tương phản nhiễu xạ: Liên quan đến việc các điện tử bị tán xạ theo cáchướng khác nhau do tính chất của vật rắn tinh thể

Bộ phận ghi nhận và quan sát ảnh

Khác với kính hiển vi quang học, TEM sử dụng chùm điện tử thay cho

nguồn sáng khả kiến nên cách quan sát ghi nhận cũng khác Để quan sát ảnh, cácdụng cụ ghi nhận phải là các thiết bị chuyển đổi tín hiệu, hoạt động dựa trênnguyên lý ghi nhận sự tương tác của điện tử với chất rắn

Màn huỳnh quang và phim quang học: Là dụng cụ ghi nhận điện tử dựa trên

nguyên lý phát quang của chất phủ trên bề mặt Trên bề mặt của màn hình,người ta phủ một lớp vật liệu huỳnh quang Khi điện tử va đập vào màn hình,vật liệu sẽ phát quang và ảnh được ghi nhận thông qua ánh sáng phát quang

này Cũng tương tự nguyên lý này, người ta có thể sử dụng phim ảnh để ghi lại ảnh và ảnh ban đầu được lưu dưới dạng phim âm bản và sẽ được tráng

rửa sau khi sử dụng

Điều kiện tương điểm

Điều kiện tương điểm có nguyên lý giống như điều kiện tương điểm trongquang học, tức là điều kiện để ảnh của một vật phẳng nằm trên một mặt phẳng.Trong TEM, điều kiện tương điểm liên quan đến việc điều chỉnh cân bằng cácchùm tia và các hệ thấu kính.

Điều kiện tương điểm hệ hội tụ: Là việc điều chỉnh hệ thấu kính hội tụ saocho chùm tia có tính chất đối xứng trục quang học Khi quan sát trên màn ảnh,chùm tia phải có hình tròn và hội tụ đồng tâm tại một điểu (khi mở rộng và thuhẹp) Nguyên lý của việc điều chỉnh này là điều chỉnh sự cân bằng của từ trườngsinh ra trong các cuộn dây của thấu kính hội tụ

Điều kiện tương điểm vật: Là việc điều chỉnh vật kính sao cho mặt phẳngcủa mẫu vật song song với mặt phẳng quang học của vật kính, sao cho các chùm tiaxuất phát từ các điểm trên cùng một mặt phẳng sẽ hội tụ tại một mặt phẳng songsong với vật

Điều kiện tương điểm nhiễu xạ: Tương điểm nhiễu xạ là điều chỉnh cho trụcquang học của chùm tia trùng với trục quang học của quang hệ Khi đó, vân nhiễu

xạ trung tâm trên mặt phẳng tiêu của vật kính sẽ phải đối xứng đồng tâm qua trụcquang học, và sẽ nằm đúng trên mặt phẳng của khẩu độ vật kính

Hình1.4 Nguyên lý hoạt động của điều kiện tương điểm.

Ảnh hưởng của tính tương điểm lên chất lượng ảnh ở điều kiện độ phóng đạithấp là rất nhỏ, nhưng khi tăng độ phóng đại đến cỡ lớn (cỡ trên 50 ngàn lần) thìảnh hưởng của tính tương điểm trở nên rõ rệt Khi đó, nếu quang hệ không thỏamãn tính chất tương điểm sẽ có thể dẫn đến việc ảnh có thể bị bóp méo, không thể

lấy nét hoặc độ phân giải rất kém Đặc biệt ở chế độ ghi ảnh có độ phân giải cao,yêu cầu về độ tương điểm càng lớn.

Ảnh trường sáng, trường tối

Là chế độ ghi ảnh phổ thông của các TEM dựa trên nguyên lý ghi nhận cácchùm tia bị lệch đi với các góc (nhỏ) khác nhau sau khi truyền qua mẫu vật

Ảnh trường sáng : Là chế độ ghi ảnh mà khẩu độ vật kính sẽ được đưa vào để hứngchùm tia truyền theo hướng thẳng góc Như vậy, các vùng mẫu cho phép chùm tiatruyền thẳng góc sẽ sáng và các vùng gây ra sự lệch tia sẽ bị tối Ảnh trường sáng

về mặt cơ bản có độ sáng lớn

Ảnh trường tối: Là chế độ ghi ảnh mà chùm tia sẽ bị chiếu lệch góc sao chokhẩu độ vật kính sẽ hứng chùm tia bị lệch một góc nhỏ (việc này được thực hiệnnhờ việc tạo phổ nhiễu xạ trước đó, mỗi vạch nhiễu xạ sẽ tương ứng với một góclệch) Ảnh thu được sẽ là các các đốm sáng trắng trên nền tối Nền sáng tương ứngvới các vùng mẫu có góc lệch được chọn, nền tối là từ các vùng khác

Ảnh trường tối rất nhạy với cấu trúc tinh thể và cho độ sắc nét từ các hạt tinhthể cao

Hình 1.5: Ảnh trường sáng ( a ), ảnh trường tối ( b ) của mẫu hợp kim Fe Si B Nb Cu

3.1 Ảnh hiển vi điện tử truyền qua độ phân giải cao

Là một trong những tính năng mạnh của kính hiển vi điện tử truyền qua, cho phép quan độ phân giải từ các lớptinh thể của chất rắn Trong thuật ngữ khoa học,

ảnh hiển vi điện tử độ phân giải cao thường được viết tắt làHRTEM (là chữ viết

tắt High-Resolution Transmission Electron Microscopy)

Chế độ HRTEM chỉ có thể thực hiện được khi:

Kính hiển vi có khả năng thực hiện việc ghi ảnh ở độ phóng đại lớn

Quang sai của hệ đỏ nhỏ cho phép (liên quan đến độ đơn sắc của chùmtia điện tử và sự hoàn hảo của các hệ thấu kính

Việc điều chỉnh tương điểm phải đạt mức tối ưu

Độ dày của mẫu phải đủ mỏng (thường dưới 70 nm)

HRTEM là một công cụ mạnh để nghiên cứu cấu trúc tinh thể của các vật liệu rắn

3.2 Ảnh cấu trúc từ

Đối với các mẫu có từ tính, khi điện tử truyền qua sẽ bị lệch đi do tác dụngcủa lực Lorentz và việc ghi lại ảnh theo cơ chế này sẽ cung cấp các thông tin liênquan đến cấu trúc từ và cho phép nghiên cứu các tính chất từ vi mô của vật liệu.Chế độ ghi ảnh này đã phát triển thành hai kiểu:

Kính hiển vi Lorentz

Toàn ảnh điện tử

Ưu điểm của TEM là cho phép ghi ảnh với độ phân giải cao và có độ nhạycao với sự thay đổi cấu trúc nên các chế độ ghi ảnh từ tính cũng là các công cụmạnh trong các nghiên cứu về vi từ

4 Xử lý mẫu cho phép đo TEM

Vì sử dụng chế độ điện tử đâm xuyên qua mẫu vật nên mẫu vật quan sáttrong TEM luôn phải đủ mỏng Xét trên nguyên tắc, TEM bắt đầu ghi nhận đượcảnh với các mẫu có chiều dày dưới 500 nm, tuy nhiên, ảnh chỉ trở nên có chấtlượng tốt khi mẫu mỏng dưới 150 nm Vì thế, việc xử lý (tạo mẫu mỏng) cho phép

đo TEM là cực kỳ quan trọng

Phương pháp truyền thống: Phương pháp truyền thống là sử dụng hệ thốngmài cắt cơ học Mẫu vật liệu được cắt ra thành các đĩa tròn (có kích thước đủ vớigiá mẫu) và ban đầu được mài mỏng đến độ dày dưới 10 μmm (cho phép ánh sángkhả kiến truyền qua) Tiếp đó, việc mài đến độ dày thích hợp được thực hiện nhờ

thiết bị mài bằng chùm iôn, sử dụng các iôn khí hiếm(được gia tốc với năng lượngdưới 10 kV) bắn phá đến độ dày thích hợp Cách thức xử lý này tốn nhiều thời gian

và đòi hỏi mức độ tỉ mỉ rất cao

Sử dụng kỹ thuật chùm iôn hội tụ: Kỹ thuật chùm iôn hội tụ là thực hiện việc

xử lý mẫu trên thiết bị cùng tên Người ta dùng một chùm iôn (của kim loại lỏng,thường là Ga), được gia tốc tới năng lượng cao (cỡ 30 - 50 kV) được hội tụ thànhmột chùm rất nhỏ và được điều khiển nhờ hệ thấu kính điện từ để cắt ra các látmỏng, hàn gắn trên giá mẫu và mài mỏng đến mức độ đủ mỏng Các công việcđược tiến hành nhờ điều khiển bằng máy tính và trong chân không cao Phép xử lýnày tiến hành rất nhanh và có thể cho mẫu rất mỏng, nhưng đôi khi mẫu bị nhiễmbẩn từ các iôn Ga

5 Ưu điểm và nhược điểm của STM.

Đòi hỏi nhiều phép xử lý mẫu phức tạp cần phải phá hủy mẫu

Việc điều khiển TEM rất phức tạp và đòi hỏi nhiều bước thực hiện chính xác cao

6 Ứng dụng

Trong các lĩnh vực như: Khoa học vật liệu cũng như ô nhiễm môi trường ,ung thư, Virus học, công nghệ nano, nghiên cứu chất bán dẫn……

II Kính hiển vi điện tử quét (SEM - Scanning Electron Microscope)

1 Lược sử về kính hiển vi điện tử quét

Kính hiển vi điện tử quét lần đầu tiên được phát triển bởi Zworykin vào năm

1942 là một thiết bị gồm một súng phóng điện tử theo chiều từ dưới lên, ba thấu

kính tĩnh điện và hệ thống các cuộn quét điện từ đặt giữa thấu kính thứ hai và thứ

ba, và ghi nhận chùm điện tử thứ cấp bằng một ống nhân quang điện

Hình 2.1: Kính hiển vi điện tử quét tại viện Khoa học vật liệu.

Năm 1948, C W Oatley ở Đại học Cambridge (Vương quốc Anh) phát triểnkính hiển vi điện tử quét trên mô hình này và công bố trong luận án tiến sĩ củaD.McMullan với chùm điện tử hẹp có độ phân giải đến 500 Angstrom Trên thực tế,kính hiển vi điện tử quét thương phẩm đầu tiên được sản xuất vào năm 1965 bởiCambridge Scientific Instruments Mark I

Kính hiển vi điện tử quét (SEM) là công cụ được sử dụng rất rộng để quansát vi cấu trúc ở trên bề mặt của vật chất với độ phóng đại và độ phân giải lớn gấphàng nghìn lần so với kính hiển vi quang học Độ phóng đại của SEM nằm tronggiải rộng từ 10 đến 1 triệu lần (của hiển vi quang học tử 10 đến 1000 lần) Độ phângiải của SEM khoảng vài nm trong khi của kính hiển vi quang học là vài µm, nghĩa

là SEM có thể phân biệt được các phân tử cỡ như protein hay các phân tử axit hữu

cơ Tuy nhiên mẫu dùng để quan sát bằng SEM phải được xử lí đặc biệt và thao táccủa SEM là ở trong chân không cao

Phương pháp này cho phép nghiên cứu bề mặt và thành phần của mẫu nghiêncứu thông qua hai loại ảnh là ảnh địa hình và ảnh thành phần Độ phóng đại cao,tạo ảnh rõ nét cho phép xác định được kích thước hạt và hình dạng bề mặt của mẫunghiên cứu.

2 Khái niệm

Kính hiển vi điện tử quét (tiếng Anh: Scanning Electron Microscope, thườngviết tắt là SEM), là một loại kính hiển vi điện tử có thể tạo ra ảnh với độ phân giảicao của bề mặt mẫu vật bằng cách sử dụng một chùm điện tử (chùm các electron)hẹp quét trên bề mặt mẫu Việc tạo ảnh của mẫu vật được thực hiện thông qua việcghi nhận và phân tích các bức xạ phát ra từ tương tác của chùm điện tử với bề mặtmẫu vật

3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động.

Về mặt cơ bản cấu tạo và nguyên lý hoạt động của kính hiển vi điện tử quétSEM cũng tương tự như kính hiển vi điện tử truyền qua TEM Tuy nhiên SEM sửdụng một chùm điện tử hẹp quét trên bề mặt của mẫu mà không truyền qua mẫu

Cấu tạo bao gồm:

Hình 2.2: Cấu tạo của kính hiển vi điện tử quét SEM

Việc phát các chùm điện tử trong SEM cũng giống như việc tạo ra chùm điện

tử trong kính hiển vi điện tử truyền qua, tức là điện tử được phát ra từ súng phóngđiện tử (có thể là phát xạ nhiệt, hay phát xạ trường ), sau đó được tăng tốc

Tuy nhiên, thế tăng tốc của SEM thường chỉ từ 10 kV đến 50 kV vì sự hạnchế của thấu kính từ, việc hội tụ các chùm điện tử có bước sóng quá nhỏ vào mộtđiểm kích thước nhỏ sẽ rất khó khăn Điện tử được phát ra, tăng tốc và hội tụ thànhmột chùm điện tử hẹp (cỡ vài răm Angstrong đến vài nanomet) nhờ hệ thống thấukính từ, sau đó quét trên bề mặt mẫu nhờ các cuộn quét tĩnh điện

Độ phân giải của SEM được xác định từ kích thước chùm điện tử hội tụ, màkích thước của chùm điện tử này bị hạn chế bởi quang sai, chính vì thế mà SEMkhông thể đạt được độ phân giải tốt như TEM

Ngoài ra, độ phân giải của SEM còn phụ thuộc vào tương tác giữa vật liệu tại

bề mặt mẫu vật và điện tử Khi điện tử tương tác với bề mặt mẫu vật, sẽ có các bức

xạ phát ra, sự tạo ảnh trong SEM và các phép phân tích được thực hiện thông quaviệc phân tích các bức xạ này

Các bức xạ chủ yếu gồm:

Đây l à chế độ ghi ảnh thông dụng nhất của kính hiển vi điện tử quét, chùmđiện tử thứ cấp có năng lượng thấp (thường nhỏ hơn 50 eV) được ghi nhận bằngống nhân quang nhấp nháy Vì chúng có năng lượng thấp nên chủ yếu là các điện tửphát ra từ bề mặt mẫu với độ sâu chỉ vài nanomet, do vậy chúng tạo ra ảnh haichiều của bề mặt mẫu

Điện tử tán xạ ngược là chum điện tử ban đầu khi tương tác với bề mặt mẫu

bị bật ngược trở lại, do đó chúng thường có năng lượng cao Sự tán xạ này phụthuộc rất nhiều vào vào thành phần hóa học ở bề mặt mẫu, do đó ảnh điện tử tán xạngược rất hữu ích cho phân tích về độ tương phản thành phần hóa học Ngoài ra,điện tử tán xạ ngược có thể dùng để ghi nhận ảnh nhiễu xạ điện tử tán xạ ngược,giúp cho việc phân tích cấu trúc tinh thể (chế độ phân cực điện tử) Ngoài ra, điện tử tán xạ ngược phụ thuộc vào các liên kết điện tại bề mặt mẫu nên

có thể đem lại thông tin về các đômen sắt điện

4 Một số phép phân tích trong SEM

Nguyên lý tạo ảnh SEM là quét trên bề mặt mẫu bằng một chùm tia điện tửhội tụ rất mảnh (cỡ vài chục nanomet), tín hiệu phát ra được detector thu nhận đổithành tín hiệu được khuếch đại và được đưa đến điều khiển tia điện tử của ống hiểnthị catốt, nghĩa là điều khiển sự sáng tối của điểm được quét trên mẫu và toàn bộdiện tích được quét sẽ tạo ra ảnh trên màn Nếu dùng được vùng quét trên mẫu cókích thước l và vùng hiển thị tương ứng trên màn có kích thước L thì độ phóng đạicủa ảnh là L/l Như vậy là ta đã quan sát được hình thái bề mặt của mẫu

Ngoài ra nếu sử dụng những chùm tia kích thước khác nhau thì phương pháphiển vi điện tử quét (SEM) còn có nhiều ứng dụng khác như quan sát thành phần vàđịa hình bề mặt, phân tích nguyên tố có trong mẫu, khảo sát các đặc trưng bên

Huỳnh quang catốt (Cathodoluminesence): Là các ánh sáng phát ra do tươngtác của chùm điện tử với bề mặt mẫu Phép phân tích này rất phổ biến và rất hữuích cho việc phân tích các tính chất quang, điện của vật liệu

Phân tích phổ tia X (X-ray microanalysis): Tương tác giữa điện tử với vậtchất có thể sản sinh phổ tia X đặc trưng, rất hữu ích cho phân tích thành phần hóahọc của vật liệu Các phép phân tích có thể là phổ tán sắc năng lượng tia X (EnergyDispersive X-ray Spectroscopy - EDXS) hay phổ tán sắc bước sóng tia XWavelength Dispersive X-ray Spectroscopy - WDXS)

Một số kính hiển vi điện tử quét hoạt động ở chân không si êu cao có thể phântích phổ điện tử Auger, rất hữu ích cho các phân tích tinh tế bề mặt: SEMPA (Kínhhiển vi điện tử quét có phân tích phân cực tiếng Anh: Scanning ElectronMicroscopy with Polarisation Analysis) là một chế độ ghi ảnh của SEM mà ở đó,các điện tử thứ cấp phát ra từ mẫu sẽ được ghi nhận nhờ một detector đặc biệt cóthể tách các điện tử phân cực spin từ mẫu, do đó cho phép chụp lại ảnh cấu trúc từcủa mẫu

5 Ưu điểm,nhược điểm của kính hiển vi điện tử quét SEM

Ưu điểm:

Mặc dù không thể có độ phân giải tốt như kính hiển vi điện tử truyền quanhưng kính hiển vi điện tử quét lại có điểm mạnh là phân tích mà không cần pháhủy mẫu vật và có thể hoạt động ở chân không thấp

Một điểm mạnh khác của SEM l à các thao tác điều khiển đơn giản hơn rấtnhiều so với TEM khiến cho nó rất dễ sử dụng

Một điều khác là giá thành của SEM thấp hơn rất nhiều so với TEM, vì thếSEM phổ biến hơn rất nhiều so với TEM

Nhược điểm

Là thiết bị đắt tiền

Tốn nhiều thời gian sử lý mẫu để hạn chế việc phá hủy cấu trúc mẫu

Phải tạo môi trường chân không cao cho các thiết bị

Và người vận hành phải có kinh nghiệm

6 Ứng dụng

Trong các lĩnh vực như: Luyện kim và sinh học, xác định thành phần hóa

học, xác định độ dài, góc liên kết, xác định cấu trúc điện tử …

III Hiển vi điển tử quét truyền qua (STEM – Scanning Transmission Electron Microscope)

1 Khái niệm

Một quét kính hiển vi điện tử truyền qua (STEM) là một loại kính hiển viđiện tử truyền qua (TEM) phát âm là [gốc] hay [ước tính: i: em] Như với bất kỳchương trình chiếu sáng truyền dẫn, các electron đi qua một mẫu đủ mỏng Tuynhiên, STEM được phân biệt với kính hiển vi điện tử truyền thông thường (CTEM)bằng cách tập trung các chùm tia điện tử vào một vị trí hẹp mà được quét trên mẫutrong một raster

Các rastering của chùm tia trong mẫu làm cho các kính hiển vi phù hợp vớicác kỹ thuật phân tích như lập bản đồ bằng năng lượng phân tán tia X(EDX) quangphổ, quang phổ điện tử mất năng lượng (EELS) và hình ảnh tối lĩnh vực hìnhkhuyên (ADF) Những tín hiệu này có thể thu được cùng một lúc, cho phép tươngquan trực tiếp của hình ảnh và dữ liệu định lượng

Bằng cách sử dụng một STEM và một máy dò góc cao, nó có thể tạo thànhhình ảnh độ phân giải nguyên tử mà sự tương phản có liên quan trực tiếp đến sốnguyên tử (hình ảnh z tương phản) Hình ảnh z tương phản trực tiếp phiên dịch đượclàm cho hình ảnh STEM với một máy dò góc cao hấp dẫn Điều này trái ngược vớithông thường có độ phân giải cao hiển vi điện tử kỹ thuật, trong đó sử dụng giaiđoạn tương phản, và do đó tạo ra kết quả mà cần giải thích bằng cách mô phỏng

Thường là một STEM là một truyền thống kính hiển vi điện tử truyền trang

bị cuộn quét bổ sung, phát hiện và mạch cần thiết, tuy nhiên, bắt nguồn chuyêndụng cũng được sản xuất

Các chức năng quét kính hiển vi điện tử truyền qua (STEM) là một công cụhữu hiệu cho các đặc tính của cấu trúc nano, cung cấp một loạt các hình ảnh khácnhau chế độ với khả năng cung cấp thông tin về thành phần nguyên tố và cấu trúcđiện tử ở vào độ nhạy cuối cùng, đó là một nguyên tử Các STEM hoạt động trêncùng một nguyên tắc như bình thường hiển vi điện tử quét (SEM), bởi tạo thànhmột chùm tia tập trung của các điện tử được quét trên mẫu trong khi một số tín hiệumong muốn được thu thập để tạo thành một hình ảnh Sự khác biệt với SEM làmẫu vật mỏng được sử dụng để chế độ truyền tải hình ảnh cũng có sẵn.

Mặc dù nhu cầu vật liệu mỏng xuống để phân tích có thể là một nhiệm vụtrọng tâm, thường là không cần thiết đối với nguyên liệu cấu trúc nano Như trongSEM, điện tử thứ cấp hoặc tán xạ ngược có thể được sử dụng cho hình ảnh trongSTEM, nhưng mức độ tín hiệu cao hơn và độ phân giải không gian tốt hơn có sẵnbằng cách phát hiện các điện tử truyền Một lĩnh vực (BF) phát hiện sáng bao gồmchùm tia phát-ted và do đó các lỗ xuất hiện tươi sáng, trong khi một phát hiệntrường tối không bao gồm các chùm tia truyền qua và các hố xuất hiện tối Mỗiphát hiện cung cấp một khác nhau và nhìn bổ sung của mẫu vật Đây là một trongnhững lợi thế chính của STEM có nhiều phát hiện hoạt động đồng thời để thu thậptối đa thông tin có thể từ mỗi lần scan Mặc dù các máy dò điện tử truyền là hữu íchđược trang bị cho công cụ SEM thông thường làm việc tại tương đối thấp volt-độtuổi, có lợi thế lớn trong việc tăng điện thế gia tốc Tăng thâm nhập mẫu có nghĩa làmẫu vật dày hơn có thể được chấp nhận; nhưng hơn quan trọng, bước sóng điện tửgiảm dẫn đến độ phân giải không gian cao hơn và khả năng nhìn thấy các cấu hìnhthực tế nguyên tử trong cấu trúc nano

Do đó, STEM có thể có nhiều hình thức: Đơn giản phát hiện một tiêu chuẩnđiện áp thấp SEM, một chuyên dụng, dễ sử dụng, trung cấp điện áp với STEMthông nhanh chóng, hoặc một công cụ hơn so sánh với một độ phân giải cao xuyênnhiệm vụ điện tử kính hiển vi (TEM), có khả năng cung cấp các không gian cuối