ĐỀ tài các LOẠI KÍNH HIỂN VI điện tử

TRƯỜNG……………………… KHOA…………………… ĐỀ tài " CÁC LOẠI KÍNH HIỂN VI ĐIỆN TỬ " LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Trần Văn Thảo Cao hoc VLLT DHKHTN K19 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TPHCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA VẬT LÍ BỘ MƠN VẬT LÍ ỨNG DỤNG ●●●● MƠN:VẬT LÍ ĐIỆN TỬ CÁC LOẠI KÍNH HIỂN VI ĐIỆN TỬ GVGD:PGS.Tiến Sĩ:Lê Văn Hiếu Nhóm:Trần Văn Thảo 0413205 Trần Văn Tiến 0413207 Thành Phố Hồ Chí Minh Ngày 19 Tháng Năm 2007 Tranvanthao1985@yahoo.com LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Trần Văn Thảo Cao hoc VLLT DHKHTN K19 Cho đến đầu kỉ XX,con người sâu vào giới tự nhiên tầm quan sát trực tiếp,Đã vào lĩnh vực giới vi mô(nguyên tử),đã thu thập khối lượng khổng lồ thông tin tri thức giới vi mô cấp độ phân tử,nguyên tử.Để quan sát nguyên tử nghiên cứu chúng cần phải có dụng cụ đặc biệt,đó Kính Hiển Vi Điện Tử,mà ta tìm hiểu sau I.TỪ KÍNH HIỂN VI QUANG HỌC ĐẾN KÍNH HIỂN VI ĐIỆN TỬ Lovenhuc người đột phá,ghép hai thấu kính lại thành kính hiển vi đầu tiên,giúp khám phá vi trùng.sau gần 100 năm cải tiến,kính hiển vi quang học trước phóng đại 100 lần lên 1000 lần,và lí thuyết cho biết kính hiển vi dùng ánh sáng phóng đại tới mức đó.thay ánh sáng tia điện tử,thay thấu kính thuỷ tinh thấu kính điện tử,kính hiển vi điện tử truyền qua cho độ phóng đại cỡ triệu lần.Song bắt chước cách phóng đại kiểu ghép thấu kính nên kính hiển vi điện tử có nhiều hạn chế.kính hiển vi điện tử quét dùng tia điện tử phóng đại phương pháp quét,ảnh có chiều sâu,thấy hơn,mẫu chụp dễ Nhưng ước vọng nhìn thấy nguyên tử chua đáp ứng được,chỉ thấy mờ mờ số trường hợp hãn hữu Năm 1986 với đời kính hiển vi tunel,lần người thâý rõ nguyên tử xếp hàng thẳng lối bề mặt,thậm chí thấy chỗ khuyết1 nguyên tử,chỗ có nguyên tử lạ bám vào.Rồi từ đó,có loại kính hiển vi cho ta nhìn mắt thường khơng trơng thấy như:kính hiển vi lực ngun tử,kính hiển vi lực ma sát,kính hiển vi điện hố.v.v… Cái làm thay đổi cũ.Những điều khẳng định đinh đóng cột trước đây,thí du như:kính hiển vi dùng ánh sáng bước sóng λ khơng thể thấy chi tiết nhỏ λ/2,kính hiển vi quang học cho ảnh chiều v.v…,đến khơng cịn nữa.Đó có nhiều điều đổi kính hiển vi:phóng đại theo kiểu mới,tạo ảnh theo kiểu mới,xử lí ảnh theo kiểu Theo dịng thời sự,ta tìm hiểu số loại kính hiển vi sau đay: - Kính hiển vi quang học Kính hiển vi điện tử truyền qua Kính hiển vi điện tử quét Kính hiển vi điên tử tunel hệ kính hiển vi quét đầu Kính hiển vi lực nguyên tử Kính hiên vi quét trường gần kính hiển vi đồng tiêu Ta tìm hiểu loại kính hiển vi điện tử: Kính hiển vi điện tử truyền qua, Kính hiển vi điện tử quét, Kính hiển vi điện tử tunel, Kính hiển vi lực ngun tử II●KÍNH HIỂN VI ĐIỆN TỬ TRUYỀN QUA Tranvanthao1985@yahoo.com LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Trần Văn Thảo Cao hoc VLLT DHKHTN K19 Năm 1924 luân án tiến sĩ mình,Louis De Broglie đưa giả thuyết:Các hạt vi mô điều có tính chất sóng,hạt có động lượng P=mv ứng với sóng có bước sóng có bước sóng λ=h/p=h/mv Khơng lâu sau,năm 1927 ,thí nghiệm nhiễu xạ điện tử cho thấy điện tử(electron)có tính chất sóng,và bước sóng giống cơng thức de Broglie.Tính tốn ra, dùng điện trường tăng tốc điện tử V=50kV bước sóng điện tử λ=0,005nm ,cịn V=100kVthì bước sóng điện tử λ=0,0037nm Vậy thay cho ánh sáng,dùng tia điện tử để làm kính hiển vi,năng suất phân giải khơng bị hạn chế bước sóng dài kính hiển vi quang học nữa.Cịn thấu kính, dùng điện từ trường để lái đường điện tử,tức dùng thấu kính điện tử Trên sở suy nghĩ trên,năm 1931 kính hiển vi điện tử truyền qua chế tạo (a) (b) 1.1.Kính hiển vi quang học(a).kính hiển vi điện tử truyền qua(b) Tranvanthao1985@yahoo.com LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Trần Văn Thảo Cao hoc VLLT DHKHTN K19 Có thể đối chiếu kinh hiển vi điện tử truyền qua với kính hiển vi quang học để thấy,2 loại kính khác bản,nhưng có chỗ tương đồng khuyếch đại thấu kính.thay cho bóng đèn tạo ánh sáng,ta dùng sóng điện tử tạo tia điện tử tăng tốc hiệu điện từ 50kV đến 100kV.Thay cho vật kính thị kính thuỷ tinh,ở vật kính thị kính điều thấu kính điện từ.Đó cuộn dây điện có lỗi rỗng sắt non,hình dạng đặc biệt.Dòng điện chạy cuộn dây lớn hay nhỏ làm cho lỗi sắt non bị từ hoá nhiều hay chùm tia điện tử hội tụ gần hay xa.nói cách khác,tiêu cự thấu kính điện từ thay đổi cách thay đổi dịng điện qua thấu kính Một điều khác với kính hiển vi quang học,là tia điện tử cần điện cao để tăng tốc,nếu đường điện tử có phân tử khơng khí điện tử va chạm bị tán xạ mạnh.Do đó,ở kính hiển vi điện tử truyền qua,từ nơi điện tử phát ra,qua thấu kính,cho đến nơi tạo ảnh cuối cùng,điều phải bảo đảm chân không cao,cỡ 10-5torr.Khi làm việc,thân máy phải hút chân không.Năng suất phân giải kính hiển vi điện tử truyền qua thật tuyệt vời,loại trung bình có suất phân giải 1nm ,loại tốt suất phân giải 0,1nm Việc khó đạt suất phân giải cao bước song λ tia điện tử mà khó chế tạo hồn chỉnh thấu kính điện từ Từ có kính hiển vi điện tử truyền qua,con người có bước tiến vượt bậc,đi sâu,quan sát kĩ giới nhỏ bé.Các nhà sinh vật thấy cấu trúc chi tiết tế bào,những loại siêu vi trùng gây dịch bệnh.Các nhà khoa học vật liệu thấy loại sai hỏng cách xếp nguyên tử tạo thành tinh thể.với kính hiển vi điện tử dễ dàng thực phương pháp nhiễu xạ điện tử,vì chùm tia điện tử chùm sóng đơn sắc cịn mẫu tinh thể cách tử khơng gian chiều.Ảnh nhiễu xạ phối hợp với ảnh hiển vi cho biết nhiều thông tin cấu trúc vật chất.Bên cạnh ưu điểm,kính hiển vi điển tử truyền qua,hay nói phương pháp hiển vi điện tử truyền qua có số nhược điểm Trước hết,mẫu nghiên cướu kính hiển vi điện tử truyền qua phải lát mỏng vào cỡ hàng chục nm,có điện tự truyền qua được.Nhiều trường hợp khó làm mẫu thành lát mỏng,lát mỏng làm dễ bị méo mó biến dạng,hình ảnh quan sát khơng trung thực,bị giả tạo.mặt khác mẫu phải đạt chân không cao,nếu mẫu ướt,có chất dễ bay đưa vào kính hiển vi,mẫu bị bay biến dạng Ngồi ra,ở dùng phương pháp tạo ảnh phóng đại cách ghép thấu kính,nên mẫu phải lát phẳng,ảnh có độ phóng đại tốt theo chiều ngang,dọc khơng cho biết xác chiều cao mẫu III●KÍNH HIỂN VI ĐIỆN TỬ QUÉT Từ năm 30,kĩ thuật điện tử phát triển,nhưng lúc chưa có điện tử bán dẫn,đèn điện tử lớp bóng đèn chân khơng cực,3 cực,4 cực.v.v…Tuy Tranvanthao1985@yahoo.com LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Trần Văn Thảo Cao hoc VLLT DHKHTN K19 1926,Ruska nhà khoa học đức chế kính hiển vi điện tử quét(KHVĐTQ),hoạt động theo nguyên tắc quét tia điện tử bề mặt mẫu,thu tín hiệu tạo ảnh phóng đại hình ống tia điện tử tương tự hình TIVI nay.KHVĐTQ làm thời cịn thơ sơ,độ phóng đại nhỏ suất phân giải kém,chỉ thiết bị chế thử phịng thí nghiệm.Cho đến đầu năm 60,nói đến KHVĐT,người ta nghĩ đến kính hiển vi điện tử truyền qua Nhưng từ năm 60,những KHVĐTQ loại tốt bắt đầu đời Anh Nhật.Loại kính hiển vi ngày tỏ có nhiều ưu điểm nên đến năm 70 số KHVĐT truyền qua số KHVĐTQ lưu hành giới xấp xỉ Ta xét cấu tạo nguyên lí hoat động số KHVĐTQ.Gọi quét người ta cho chùm tia điện tử không xuyên qua mẫu nghiên cứu mà quét lên bề mặt.Trước xem xét cách tạo ảnh khuyếch đại phương pháp quét ta tìm hiểu xảy chiếu tia diện tử vào vật rắn Bề mặt vật rắn xét đến kích thước cỡ nguyên tử thật lớp “thưa,xốp”,gồm có nguyên tử liên kếtvới chặt chẽ cách nhau,khoảng cách nguyên tử gần cỡ 0,3nm-0,4nm.nguyên tử lại gồm hạt nhân nhỏ mang điện dương điện tử tụ tập lại đám mây bao quanh hạt nhân.Tuỳ loại nguyên tử,kích thước đám mây điện tử vào cỡ 0,01nm tức nhiều lần nhỏ khoảnh cách nguyên tử vật rắn.vì vậy,khi chùm điện tử chiếu vào vật rắn,điện tử viên đạn va cham với điện tử nguyên tử hạt nhân.không phải điện tử tới va chạm với nguyên tử mà sâu vào trong,va chạm với nguyên tử lớp dưới.khi điện tăng tốc cho điện tử vào khoảng 5kV đến 30kV,tức điện tử có lượng 5keV đến 30keV,và dùng thấu kính tụ tiêu,tạo cho chùm tia điện tử chiếu vào bề mặt diện tích nhỏ cỡ 10nm ,ta hình dung điện tử vào,va chạm với nguyên tử lệch qua,lệch lại,tốc độ giảm dần đi,phạm vi mà điện tử dich dắc “quả lê”,thể tích nhỏ 1µm hình vẽ 1.2.có nhiều q trình xảy lê đó,ta xét 1số thí dụ liên quan đến hạt sóng từ” Lê” Tranvanthao1985@yahoo.com LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Trần Văn Thảo Cao hoc VLLT DHKHTN K19 ngồi Hình 1.2 Từ lớp có bề dày cỡ 0,5nm có điện tử lượng thấp,khoảng vài chục eV thoát ra.Đây phần điện tử sinh diện tử va chạm với lớp vỏ điện tử nguyên tử bị bắn phá.các điện tử có lượng nhỏ vào cỡ gọi điện tử thứ cấp.Chúng sinh lớp dưới,ờ sâu lượng thấp bị hấp thụ khơng khỏi bề mặt được,chỉ có từ lớp mỏng cỡ 0,5nm Từ lớp có bề dầy lớn hơn,cỡ 10nm có điện tử lượng cao,xấp xỉ lượng điện tử tới,thoát khỏi bề mặt.Người ta gọi điện tử tán xạ ngược giống điện tử tới bị quay ngược trở lại sau vào vật rắn Từ thể tích Lê có tia X khỏi bề mặt.Tia X sinh điện tử tới va chạm làm bật điện tử lớp vỏ điển tử gần sát hạt nhân.Khi điện tử lớp bị bật ngoài,điện tử lại nhảy vào để lấp đày lỗ trống trình phát sinh tia X.Tia X sóng điện từ,dễ vật rắn điện tử,nên từ sâu cỡ µm ngồi Trên vài thí dụ,từ chỗ tia điện tử chiếu vào bề mặt vật rắn cịn có tia hồng ngoại,ánh sáng,các loại điện tử khác Điều người ta quan tâm Tranvanthao1985@yahoo.com LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Trần Văn Thảo Cao hoc VLLT DHKHTN K19 đay loại điện tử,mỗi loại tia,mang số thông tin định bề mặt nghiên cứu,ở chỗ mà tia điện tử chiếu vào Hình 1.3.Nuyên lí hoạt dộng kính hiển vi điện tử quét Cấu tạo cách làm việc kính hiển vi điện tử quét đại sau (h1.3):ở cột kính có “súng” phát điện tử tăng tốc độ hiệu điện cỡ 5kV-30kV để chiếu thẳng vào bề mặt mẫu.Trên đường người ta dùng thấu kính điện từ để tập trung chùm tia điện tử điểm nhỏ bề mặt mẫu,đường kính điểm nhỏ vào cỡ 5nm đến 10nm phận quan phát quét,tạo điện “răng cưa” dẫn đến cuộn dây,điều khiển tia điện tử lần lược quét lên bề mặt mẫu,hết hàng đến hàng kia,diện tích quét hình vương có cạnh d ,có thể thay đổi được.Bộ phát quét đồng thời điều khiển tia điện tử đèn hình (ống tia điện tử-CRT) qt hình,diện tích qt lớn hơn,đó hình Tranvanthao1985@yahoo.com LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Trần Văn Thảo Cao hoc VLLT DHKHTN K19 vuông cạnh D,chiếm gần hình.Vì phát quét điều khiển nên việc quét tia điện tử mẫu đồng với việc quét tia đện tử hình.Để tạo ảnh phóng đại,người ta bố trí detector để thu tín hiệu từ mẫu phát ra,thí dụ detector thu đện tử thứ cấp.điện tử loại nhiều hay phụ thuộc mẫu(chỗ tia điện tử chiếu vào),đặc biệt độ lồi,lõm:chỗ lồi điện tử thứ cấp phát nhiều chỗ lõm.Khuyếch đại dòng điện tử thu từ detector,rồi dùng dòng điện làm thay đổi cường độ sáng tia điện tử qt hình.Do đó, mẫu,tia điện tử quét đến chỗ lồi,số điện tử thứ cấp phát nhiều,chỗ tương ứng hình sáng lên.Tương tự tia điện tử mẫu quét đến chỗ lõm,số điện tử thứ câp phát giảm,chỗ tương ứng hình tối đi,ứng với chỗ lõm mẫu.Độ phóng đại ảnh =D/d tia qt diện tích d.Tia điện tử quét diện tích D(điều khiển độ sáng hình)có độ phóng đại K=D/d Người ta thay đổi diện tích quét d mẫu để thay đổi độ phóng đại (D giữ ngun).thí dụ:D=200mm2 ,d=1mm2 K=200/1=200 (lần) D=200mm (không đổi), d=0,001mm2K=200/0,001=200000 (lần) Về mặt độ phân giải,rõ ràng phân biệt hai chi tiết cách khoảng nhỏ đường kính chùm tia điện tử chiếu vào mẫu.các loại kính hiển vi điện tử qt thơng thường,đường kính vào cỡ 5nm-10nm,ở loại kính hiển vi điện tử qt cao cấp đường kính nhỏ đến vài phần 10 nm Ưu điểm kính hiển vi diện tử qt gì?Có thể kể số ưu điểm bật sau: - - Làm mẫu dễ dàng,không phải cắt thành lát mỏng,trực tiếp đưa bề mặt mẫu ghồ ghề vào có hình ảnh rõ nét Tạo ảnh phóng đại phương pháp qt,khơng dùng phóng đại thấu kính kính hiển vi quang học kính hiển vi điện tử truyền qua,do bề mặt mẫu có chỗ cao chỗ thấp khác nhau,ảnh có rõ nét,người ta gọi ảnh có chiều sâu tốt.chụp ảnh muỗi chi tiết đầu muỗi,mắt muỗi,vòi muỗi đồng thời thấy rõ Có thể chụp nhiều kiểu ảnh mẫu,mỗi kiểu ảnh cho biết số đặc tính mẫu.Ở phần trên,ta lấy ví dụ dùng detector thu điện tử thứ cấp để tạo ảnh,đó kiểu ảnh điện tử thứ cấp cho ta biết đặc điểm lồi lõm bề mặt mẫu.Niếu bố trí detector thu điện tử tán xạ ngược ta có kiểu ảnh tán xạ ngược.Vì số điện tử tán xạ ngược thoát nhiều hay phụ thuộc vào nguyên tử số Z vật chất mẫu,do kiểu ảnh điện tử tán xạ ngược cho biết đặc điểm thay đổi nguyên tử số Z bề mặt mẫu Đặc biệt,tia X phát từ Lê có bước song λ đặc trưng cho nguyên tố có “quả Lê”.Do người ta bố trí detector để thu cường độ tia X ứng với bước sóng λ đặc trưng cho nguyên tố đấy.Dùng cường độ tia X để tạo ảnh,ta có kiểu ảnh tia X đặc trưng.Kiểu ảnh cho ta biết phân bố ngun tố bề mặt.Ví dụ,tìm hiểu mẫu quặng theo kiểu ảnh điện tử thứ cấp ta thấy có lốm đốm hạt tinh thể nhỏ hình lập Tranvanthao1985@yahoo.com LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Trần Văn Thảo Cao hoc VLLT DHKHTN K19 phương.Chụp kiểu ảnh tia X mẫu đó,điều chỉnh detector để thu bước song tia X vàng,nếu tương ứng với hình lập phương sáng lên,ta kết luận hình lập phương tinh thể vàng Nhờ có nhiều ưu điểm,kính hiển vi điện tử quét công cụ phổ biến nhiều ngành sử dụng: y học,vật liệu học,địa chất học,khoa học hình v.v… Tuy nhiên,mẫu quan sát kính hiển vi điện tử quét phải đưa vào môi trường đặc biệt chân không (hoặc gần với chân khơng),ảnh có độ sâu thực chất chiều,đặc biệt quan sát bề mặt.Năng suất phân giải kính hiển vi điện tử quét kính hiển vi điện tử truyền qua cịn xa thấy phân tử,nguyên tử Trên đường tìm tịi để thấy cho rõ hơn,chi tiết hơn,thấy cho nguyên tử,người ta chế tạo nhiều loại kính hiển vi nhhư kính hiển vi phát xạ,kính hiển vi ion…Một số trường hợp “thấy”được nguyên tử trường hợp đặc biệt,thí dụ mũi nhọn kim loại có độ nóng chảy cao Vơnphơram IV●KÍNH HIỂN VI TUNEL Chế tạo kính hiển vi,nâng cao độ phân giải để nhìn thấy nguyên tử gặp nhiều khó khăn khơng vượt qua được.Tuy nhiên đến năm 1982 tin làm chấn động khoa học:G.Binnig H.Rohrer chế tạo kính hiển vi tunel (Scanning Tunneling Microcope-STM) cho phép thấy rõ nguyên tử bề mặt Khơng lâu sau,kính hiển vi lực nguyên tử (Atomic Force Microscope-AFM) xuất hiện,cũng cho phấy rõ nguyên tử mẫu không cần dẫn điện,không phải đưa vào chân khơng,thẩm chí cịn làm việc với mẫu sống,ướt hay ngập nước.Một thời gjan ngắn sau hang loạt kính hiển vi đời như:kính hiển vi lực từ,kính hiển vi lực ma sát,kính hiển vi điện hoá… Để phân loại,người ta đưa danh từ chung:Kính hiển vi qt đầu dị (Scanning Probe Microscope – SPM) để loại kính hiển vi dùng cách qt học đầu dị,thu tín hiệu tạo ảnh phóng đại tương tự kính hiển vi tunel Để rõ ta thử nhìn lại 20 năm trước đây,hai nhà vật lí G Binnig H.Rohrer suy nghĩ để đưa giải pháp,từ khai sinh hệ kính hiển vi qt đầu dị mà kính hiển vi tunel đứa đầu lịng hệ Trước kính hiển vi tunel đời,ai nghĩ có kĩ thuật diện tử tinh vi tạo chùm điện tử kích thước nhỏ dùng làm mũi dị chiếu lên mẫu có kĩ thuật điện tử diều khiển mũi dò chum điện tử mảnh qt ngang,qt dọc đến hàng nghìn đường trến diện tích nhỏ cạnh vài chục µm Binnig Rohrer hồn tồn khơng phải nhà nghiên cứu chế tạo kính hiển vi.Hai ơng chuyển sang hướng nghiên cứu điện tử vật Tranvanthao1985@yahoo.com LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Trần Văn Thảo Cao hoc VLLT DHKHTN K19 rắn,theo hướng cần phải đo dòng điện tunel lân cận nguyên tử bề mặt vật rắn.Chữ tunel có nghĩa hầm Niếu hai vật dẫn nối với điện V cách lớp điện môi Thì điện tử khơng chạy từ vật dẫn sang vật dẫn ●Xét mặt năng,thì vật có hàng rào thế.phải cấp cho điện tử lương cao hàng rào qua hàng rào tạo thành dòng điện Lý thuyết lượng tử vật rắnkhông thiết Khi bề dầy d lớp điện môi (bề dầy hàng rào thế) khơng lớn khả electron “đào hầm”để chui qua rào có xác suất khác khơngtức có dịng điện xun hầm(dịng tunel) Dịng tunel tính: It=Ve-Cd V:điện d:bề C:đại lượng phụ thuộc cấu trúc e vật dẫn vật dẫn dầy Niếu làm kim kim loại có mũi nhọn nối với nguồn điện cho kim mẫu nghiên cứu(kim loại hay bán dẫn) có điện V cho mũi kim đến gần bề mặt mẫu(nhưng không chạm!),electron từ mũi nhọn chạy qua khoảng cách cách điện để vào mẫu,đó dịng tunel.Ý định Binnig vả rohrer ban đầu nghiên cứu xem dòng điện thay đổi mũi nhọn dịch chuyển lại gần xa nguyên tử bề mặt mẫu.Mũi kim làm cho thật nhọn khơng khó khăn lấy dây kim loại cứng vônfram mài sơ bộ,rồi cho điện phân,hiệu ứng điện trường mũi nhọn “mài” theo kiểu nguyên tử mũi nhọn đến mức đầu mút nguyên tử Nhưng khoảng cách nguyên tử vật rắn vào cỡ 0,3nm đến 0,4nm.Vậy phải làm cách để dịch chuyển xác 0,1nm phép đo dịng tunel đặt mục đích Hai ơng nghĩ đến tượng áp điện,đó tượng tìm thấy số tinh thể tự nhiên thạch anh gốm bari titanat,PZT.nếu lấy vật liệu cho áp suất tác dụng nén,ở mặt đối diện suất điện thế.Ngược lại tác dụng lên mặt hiệu điện thế,thanh chịu áp suất,và tất nhiên có áp suất có biến dạng,tức có thay đổi độ dài:thanh bị co lại dài ra.Vật liệu có hiệu ứng áp điện cao gốm PZT,tác dụng điện 100V ,thanh co lại 1µm Vậy gắn mũi nhọn vào đầu mút áp điện,tác dụng điện thay đổi miliVơn,mũi nhọn dịch chuyể xác đến 1/100000 µm,tức phần trăm nm,hồn tồn thoả mãn u cầu thí nghiệm đặt ra.(h.1.4) 10 Tranvanthao1985@yahoo.com LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Trần Văn Thảo Cao hoc VLLT DHKHTN K19 Hình 1.4 Nhưng từ ơng lại nghĩ khơng ghép áp điện vng góc để điều khiển mũi nhọn dịch chuyển theo chiều x y , tức thực quét mũi nhọn bề mặt mẫu.Vậy,tương tự kính hiển vi điện tử quét,nếu cho mũi nhọn quét mẫu dùng dòng tunel để điều khiển độ sáng tối tia điện tử quét hình,ta có ảnh dịng tunel bề mặt mẫu.Nếu ghép áp điện vng góc với điều khiển xác mũi nhọn dịch chuyển chiều,cho mũi nhọn quét dọc,ngang bề mặt theo x,y tiến vào gần lùi xa bề mặt theo chiều z vận dụng cách khuyếh đại theo phương pháp quét kính hiển vi quét,Binnig Rohrer quét mũi nhọn lên bề mặt mẫu khuyếch đại dòng tunel để dẫn tới làm thay đổi cường độ sáng tia điện tử qt hình.Do dịng tunel nhạy với vị trí mũi nhọn gần hay xa nguyên tử,cho nên hình thấy rõ chỗ sáng tối,đó chỗ có ngun tử khơng có nguyên tử mặt nguyên tử 11 Tranvanthao1985@yahoo.com LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Trần Văn Thảo Cao hoc VLLT DHKHTN K19 Hình 1.5 Như không chủ định từ đầu,nhưng cuối thi Binnig va Rohrer trở thành nhà chế tạo kính hiển vi đầy sáng tạo,chế tạo kính hiển vi làm việc ngun tắt hồn tồn mới,có độ phân giải cao nhất,kết thấy ngun tử.Cơng trình Binnig Rohrer tặng giải Nobel vật lí năm 1986 Điều quang trọng có ý nghĩa khoa học lớn khơng phải có ảnh kính hiển vi tunel với độ phóng đại hàng triệu lần,thấy nguyên tử.ảnh hưởng sâu rộng kính hiển vi điện tử tunel khai sinh phương pháp dùng hiệu ứng áp điện,quét học mũi nhọn với độ xác cao quét tia điện tử,hơn quét xác theo chiều Thật để quét, dịch chuyển mũi nhọn theo chiều,cách ghép áp điện trình bày cách làm ban đầu,nhìn đơn giản, dễ hiểu,nhưng có nhược điểm lớn dễ bị rung.người ta cải tiến lại ghép hình vẽ (h.1.4) để đỡ 12 Tranvanthao1985@yahoo.com LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Trần Văn Thảo Cao hoc VLLT DHKHTN K19 rung hơn,Hiện nay, người ta cải tiến làm gốm áp điện PZT có ống (h.1.6),mặt đơi điện cực đối diện làm cho ống bị bóp theo chiều x theo chiều y có điện tác dụng lên điện cực tương ứng.Ống đặt thớt tròn nhỏ,cũng vật liệu áp điện PZT,với điện cực mặt mặt thớt.Điện dẫn vào cực cho phép điều khiển dịch chuyển theo chiều z.Đó quét áp điện thơng dụng Hình 1.6 Có thể gắn mũi nhọn lên quét để điều khiển cho mũi nhọn dịch chuyển quét bề mặt mẫu cho mũi nhọn lại gần lùi xa mẫu.Ngược lại để mũi nhọn cố định,cịn mẫu gắn lên quét để quét dịch chuyển mẫu theo x, y,z Xét chuyển động tương đối cách quét nhau.Binnig va Rohrer 13 Tranvanthao1985@yahoo.com LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Trần Văn Thảo Cao hoc VLLT DHKHTN K19 lần sáng tạo kính hiển vi qt mũi nhọn làm đầu dị đo dòng tunel để tạo độ sáng tối cho ảnh,do có tên gọi loại kính hiển vi kính hiển vi tunel.Theo cách tương tự,có thể dùng mũi nhọn làm đầu dị để đo nhiều tín hiệu khác,thí dụ đo lực hút nguyên tử đầu mũi nhọn nguyên tử bề mặt ta có kính hiển vi lực ngun tử.Đo lực ma sát mũi nhọn bề mặt mẫu,khi ta có kính hiển vi lực ma sát v.v… Vì kính hiển vi dùng quét sở áp điện,qt đầu dị thu tín hiệu để tạo ảnh phóng đại có tên chung kính hiển vi qt đầu dị V●KÍNH HIỂN VI LỰC NGUN TỬ Ta tìm hiểu loại kính hiển vi qt đầu dị phổ biến kính hiển vi lực nguyên tử,cũng Binnig Rohrer sáng tạo Sau chế tạo kính hiển vi tunel,thấy nguyên tử bề mặt,Binnig Rohrer nhận thấy kính hiển vi tunel số mặt hạn chế.Hạn chế rõ rệt kính hiển vi tunel nghiên cứu mẫu dẫn điện (kim loại bán dẫn),vì điện tử từ mũi nhọn sau xuyên hầm chạy vào mẫu mẫu phải dẫn điện điện tử tạo thành dịng điện Theo lời tự thuật Binnig Rohrer,nhìn mũi nhọn tiến gần tới bề mặt mẫu,hai ông suy nghĩ,phân vân không hiểu nguyên tử đầu mút mũi nhọn nguyên tử bề mặt mẫu hút với lực bao nhiêu,nếu đo đo lực quét mũi nhọn mặt mẫu để tạo ảnh.Cóthể hình dung mũi nhọn nguyên tử,nó bị hút mạnh,cịn mũi nhọn vào khoảnh hai nguyên tử,mũi nhọn bị hút yếu ,thơng qua lực hút ta thấy ngun tử Với suy nghĩ vậy,hai ơng tìm cách tính lực hút ngun tử để tìm cách đo.Cách nhẩm tính lực hút này,sau nghĩ thấy đơn giản.Trong vật rắn,chính lực hút nguyên tử lò xo giữ cho nguyên tử vị trí cân bằng.Cũng lực hút kéo nguyên tử vị trí cân làm cho nguyê tử dao động nhiệt với tần số vào cỡ 10 13 dao động giây.khối lượng nguyên tử biết vào cỡ 10-25 kg dễ dàng tính số đàn hồi k lực kéo f= - kx Ta có phương trình vi phân mx = - kx Nếu nguyên tử dao động, đặt x = Acosωt giải phương trình vi phân ta có k = mω2 Vậy k ~10-25.1026 N/m.Kết tính cho thấy điều thú vị là,lực hút nguyên tử nhỏ.Tưởng tượng lấy nhôm từ vỏ lon bia cắt thành nhỏ hình chữ nhật,chiều dài 4mm,chiều rộng xấp xỉ 1mm đính vào đầu mút nhơm mũi nhọn,nhọn đến mức tận mũi nhọn nguyên tử.Nếu đưa mũi nhọn lại gần nguyên tử,trên bề mặt vật rắn,lực hút nguyên tử (mẫu) nguyên tử mũi nhọn làm cong nhôm đến mức nhận thấy Trên sở tính tốn đó,Binnig va Rohrer chế tạo kính hiển vi lực nguyên tử đầu tiên,cũng cho phép thấy nguyên tử không thiết mẫu phải dẫn điện kính hiển vi tunel,Sau nhiều cải tiến,đến kính hiển vi lực nguyên tử phổ biến có cấu tạo vẽ hình 1.7 14 Tranvanthao1985@yahoo.com LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Trần Văn Thảo Cao hoc VLLT DHKHTN K19 Hình 1.7 15 Tranvanthao1985@yahoo.com LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Trần Văn Thảo Cao hoc VLLT DHKHTN K19 Hình 1.8.kính hiển vi lực nguyê tử Lò xo làm silic nitric Sỉ3N4 mỏng cỡ µm,hình tam giác rỗng.Mũi nhọn làm Si3N4 dạng kim tự tháp đínhở gần chõm tam giác rỗng.Thực tế người ta điều khiển cho tinh thể Sỉ3N4 mọc gần đỉnh tam giác rỗng.Quá trình mọc tinh thể trình nguyên tử chạy đến làm phát triển mầm tinh thể,do đỉnh tinh thể mọc theo hình tháp có ngun tử chuyện bình thường Để đo độ uốn cong lị xo hình tam giác,người ta cho chùm tia laser tiêu tụ điểm lò xo (ở mặt sau,đối ngược với phía có mũi nhọn,mặt có phủ lớp kim loại phản xạ) tia laser bị phản xạ chiếu vào nửa pin quang điện.Vì đoạn đường dài,tia laser từ điểm tiêu tụ nhỏ lò xo lá,khi đến hai nửa pin quang học to thành vệt tròn.Nếu điều chỉnh cho khơng có lực tác dụng lên mũi nhọn,lị xo thẳng ngang,vệt tròn chiếu vào nửa pin quang điện,dòng điện sinh nửa pin nhau.Khi mũi nhọn bị lực hút,lò xo cong xuống,vệt trịn bị lệch gương quay góc σ ,tia phản xạ quay góc 2σ ,đoạn đường tia sáng dài nên nhạy) hai nửa pin quang điện khơng chiếu sáng điều nhau,dịng điện sinh có lệch.Bộ khuyếch đại dịng điện chênh lệch(khuyếch địa vi sai)cho ta biết lò xo cong nhiều hay cong tức biết 16 Tranvanthao1985@yahoo.com LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Trần Văn Thảo Cao hoc VLLT DHKHTN K19 lực hút nguyên tử mạnh hay yếu.Khi gắn mẫu lên quét,cho mẫu dịch chuyển theo x y,sao cho mũi nhọn quét lên bề mặt mẫu (mũi nhọn đứng yên,quét mẫu,tương đương với việc quét mũi nhọn,mẫu đứng yên),dùng dòng khuyếch đại vi sai(lực hút nguyên tử)để làm thay đổi độ sáng điểm vào tia điện tử qt hình,ta có ảnh lực ngun tử.Thực tế người ta dùng dòng khuyếch đại vi sai(ứng với lực hút nguyên tử)để đưa mạch phản hồi điều khiển mẫu dịch chuyển theo chiều z cho qt,dịng khuyếch đại vi sai khơng thay đổi.Thí dụ mũi nhọn cách bề mặt mẫu khoảng cách d,dịng điện vi sai có Id.Nếu lấy Id làm chuẩn,khi quét theo x,y chỗ mũi nhọn cách mặt mẫu khoảng lớn d lực hút nguyên tử yếu hơn,dòng khuyếch1đại vi sai nhỏ Id ,lập tức mạch phản hồi điều khiển nâng mẫu lên để khoảng cach trổ lại d tức dòng khuyếch đại vi sai trở lại Id Kết quét theo x,y ,mẫu lên xuống theo chiều z cho khoảng cách mũi nhọn bề mặt mẫu luôn d.Độ lên xuống theo z thể cao thấp bề mặt,có thể tin vi đến cỡ nguyên tử.Máy tính thu thập giá trị x,y,z vẽ lên hình, hình ành ba chiều bề mặt mẫu,chính xác đến nguyên tử Hơn nữa,các chương trình tính tốn cho phép từ số liệu x,y,z thu vẽ ra,tính tốn thí dụ mặt cắt ngang,mặt cắt dọc,đâu chỗ cao ngất,thấp bao nhiêu,biểu diễn thành màu hình vẽ nổi.sinh động Qua thí dụ kính hiển vi lực nguyên tử ta thấy khả phân giải cao,loại kính hiển vi qt đầu dị cho phép tạo ảnh thật ba chiều,việc đo đạt chiều thứ tức chiều x xác khơng chiều x y Đến ta hình dung kính hiển vi qt đầu dị phong phú đơn giản nào.Chỉ cần bố trí đầu dị nhạy,đo đại lượng vật lí,hố đó,thí dụ lực ma sát,suất điện động…phối hợp với qt ta có hình ảnh hiển vi đại lượng đó.Ta có dược ảnh phóng đại không trông thấy ảnh lực ma sát,ảnh lực từ,ảnh điện hoá v.v… Chúng ta thấy rõ,đối với kính hiển vi qt đầu dị khơng thiết mẫu phải đặt chân không kính hiển vi điện tử.Rất nhiều trường hợp để mẫu khơng khí bình thường,thẩm chí để mẫu chất lỏng,trong môi trường sinh học thích hợp THE END 17 Tranvanthao1985@yahoo.com LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Trần Văn Thảo Cao hoc VLLT DHKHTN K19 18 Tranvanthao1985@yahoo.com LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ... số loại kính hiển vi sau đay: - Kính hiển vi quang học Kính hiển vi điện tử truyền qua Kính hiển vi điện tử quét Kính hiển vi điên tử tunel hệ kính hiển vi quét đầu Kính hiển vi lực nguyên tử Kính. .. Kính hiên vi quét trường gần kính hiển vi đồng tiêu Ta tìm hiểu loại kính hiển vi điện tử: Kính hiển vi điện tử truyền qua, Kính hiển vi điện tử quét, Kính hiển vi điện tử tunel, Kính hiển vi lực... kính điện tử ,kính hiển vi điện tử truyền qua cho độ phóng đại cỡ triệu lần.Song bắt chước cách phóng đại kiểu ghép thấu kính nên kính hiển vi điện tử có nhiều hạn chế .kính hiển vi điện tử quét