Bài thuyết trình Quang học: Kính hiển vi đường hầm quét STM

Dưới đây là bài thuyết trình Quang học: Kính hiển vi đường hầm quét STM, bài thuyết trình giới thiệu tới các bạn những nội dung về quá trình lịch sử, nguyên tắc hoạt động, cấu tạo, ưu - nhược điểm, ứng dụng của kính hiển vi đường hầm quét STM.

Kính hiển vi đường hầm quét

The Scanning Tunneling Microscope

HV: LÊ PHÚC QUÝ

TRẦN THỊ THỦY

M THỊ HỒNG HẠNH CBHD: TS LÊ VŨ TUẤN HÙNG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

C KHOA HỌC TỰ NHIÊN VẬT LÝ ỨNG DỤNG

CHUYÊN NGHÀNH: QUANG HỌC



Nội dung trình bày:

1.QÚA TRÌNH LỊCH SỬ.

2.NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 2.CẤU TẠO CỦA STM

3.ƯU ĐiỂM - NHƯỢC ĐiỂM 4.ỨNG DỤNG

1.QÚA TRÌNH LỊCH SỬ.

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.

Không tạo được ảnh

ở chế độ tunnel

rung

Russell D Young Ảnh độ phân giải thấp

Gerd Binning v à

Heinrich Rohner Chống rung

STM

Nhận được bức ảnh đầu tiên với

độ phân giải nguyên tử

Nobel vật lý

năm 1986

Năm 1982 : IBM Zürich, Thụy Sĩ

2.NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG

Dựa vào hiệu ứng xuyên đường hầm lượng tử của electron

Hiệu ứng xuyên hầm lượng tử của electron

Khi một vật gặp một rào thế mà nó không có đủ năng lượng đi qua rào thế thì nó luôn bị phản xạ lại.

Trong cơ học cổ điển

p

x 2

2

Năng lượng của một electron chuyển động

trong một U tiềm năng (x)

Điện tử có lực khác không khi E> U (x),

()

Theo cơ lương tử:

Hiệu ứng xuyên hầm lượng tử của electron

Trong đó:

d: khoảng cách giữa đầu dò và mẫuФ: 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.

Hiệu ứng xuyên hầm lượng tử của electron

Có hai cơ chế hoạt động chính

Dòng không đổi

Độ cao không đổi

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

Dòng không đổi

- Độ cao của mẫu được giử nguyên , sự thay đổi

ở bề mặt mẫu thay đổi ghi theo dạng tín hịêu điện

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

Kiểu quét dòng không đổi:

Quét chậm vì bộ phận hồi

tiếp phải điều chỉnh khoảng

cách giữa đầu dò và mẫu

Cấu tạo chính của STM gồm :

3.CẤU TẠO CỦA STM

Đầu dò

Hình ảnh sắc nét phụ thuộc vào độ sắc nhọn của đầu dò

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).

Bệ đặt mẫu

Hệ chống rung

Yêu cầu bắt buộc là biên dộ dao động không mong muốn phải

nhỏ hơn 0.1 A0 đđể có thể tạo ảnh nguyên tử

•Rung động của tòa nhà, đi lại của con người, âm thanh … ảnh hưởng đến độ chính xác của STM

Hệ chống rung làm việc trong môi

trường không khí

1 Hệ chống rung thủy lực

2 Hệ chống rung bằng lò xo

Khi STM hoạt động trong

không kh í không yêu cầu độ

phân giải cao

W-đầu dò bằng tungsten A-giá đỡ đầu dò

PP- tấm áp điện F- chân đế

D- tấm điện môi MP-tấm kim loại M- nam châm

Hệ chống rung trên đệm từ chứa Heli lỏng

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

Hệ điều khiển truy hồi.

Nhiệm vụ giữ khoảng cách tip- mẫu không (chế độ cao không

đổi ) hoặc giữ cho dòng tunnel giữa tip-mẫu không đổi(chế độ

dòng không đổi)

Dòng 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 không đổi hoặc dòng không 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

•Bộ áp điện Là trung tâm vận hành Tip của STM

Giúp mũi dò di chuyển tinh tế hơn

có 2 loại áp điện

HOẠT ĐỘNG

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.

•Bộ áp điện

Tiến hành đo

- Kiểm tra các thiết đặt,kết nối.

-Đo thử mẫu tiêu chuẩn để cân chỉnh máy

-Chống rung, va đập trong quá trình đo

-Chú ý sự biến đổi nhiệt độ trong quá trình đo

-Chuẩn bị đầu dò

-Chuẩn bị mẫu

ỨNG DỤNG

1 Định hướng nguyên tử

- STM được ứng dụng như một đầu dò khoa học bề mặt nghiên cứu tínhchất bề mặt của hàng loạt các vật liệu như cấu trúc nguyên tử của GaAs(110), dựng lại cấu trúc bề mặt GE-Si(111), Si(100), platin, germani,…

- STM cũng được sử dụng để nghiên cứu sự hấp phụ như sự sắp xếp cácnguyên tử lưu huỳnh trên bề mặt Mo(001) ở áp suất khí quyển, sự hấp phụ Gatrên Si(100), B trên Si(111).

Hình cấu trúc bề mặt của Si(111) sử dụng ATM năn

1982

Các dấu vết siêu dẫn vẫn hiện diện bên trong chất liệu bằng gốm

ỨNG DỤNG

3 Điện hóa

- STM không chỉ thực hiện trong không khí, chân không, chất lỏng mà còn mở rộng ứng dụng cho điện hóa và nghiên cứu ăn mòn.

4 Chế tạo cấu trúc kích thước nano

- Một ứng dụng đáng kể của STM là thục hiện gia công địa phương bề mặt Ứng dụng nổi bật là khắc nano, lắng đọng kim loại, tẩm thực vật liệu bán dẫn, chế tạo vi mô và lưu trữ

số liệu.

Ảnh STM chữ “IBM” được tạo trên bề mặt Niken Nguyên tử xenon ( lõm) trên bề mặt

Ni(110)

ỨNG DỤNG

5 Nghiên cứu vật liệu sinh học

- STM có độ phân giải cao vì vậy để nghiên cứu vật liệu sinh học là rất hấpdẫn Nhiều nghiên cứu trên phân tử AND đã hoàn thành với những thành côngđáng khích lệ Tuy nhiên đây là một nghiên cứu mới vì vậy muốn tiến xa hơnnữa đòi hỏi một sự hiểu biết sâu sắc hơn về cơ chế tương phản và dẫn điện

6 Phép đo địa hình

- STM cũng sử dụng như một công cụ đo lường

STM được ứng dụng cho việc xây dựng bản đồ

địa hình của bề mặt cách tử và bề mặt mài bóng

Xây dựng những nguyên

tử Sắt riêng lẻ trên bề măt kim loại đồng

ƯU- NHƯỢC ĐIỂM STM

ƯU ĐIỂM

• STM là một kỹ thuật ghi ảnh hình thái học và cấu trúc (cấu trúc vật lý, cấu trúcđiện từ ) bề mặt với độ phân giải rất cao và cho ảnh chất lượng cao

• STM không đòi hỏi việc phá hủy mẫu như kính hiển vi điện tử truyền qua (thiết

bị chụp ảnh với độ phân giải tương đương)

• STM còn cho phép tạo ra các phép thao tác trên bề mặt cho quá trình chế tạo

• STM có thể hoạt động trong môi trường chân không,không khí,dầu,nước,dungdịch dẫn điện

NHƯỢC ĐIỂM

• Mẫu sử dụng trong STM phải là mẫu dẫn điện hoặc bán dẫn

• Việc đo đạc STM đòi hỏi bề mặt mẫu siêu sạch và việc chống rung là một đòi hỏilớn

• Tốc độ ghi ảnh trong STM thấp

• STM chỉ giới hạn cho cấu trúc bề mặt

• Thời gian thực hiện thí nghiệm dài

• Đầu dò có độ bền không cao

XIN CHÂN THÀNH CẢM ƠN!!!