Nghiên cứu ứng dụng các thiết bị và công nghệ tiên tiến trong đo lường và y tế

1 Viện khoa học và công nghệ việt nam Viện Vật lý ứng dụng và Thiết bị khoa học 18 Hoàng quốc Việt , Hà Nội Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật Đề tài cấp nhà nớc: Nghiên cứu ứng dụng các thiết bị và công nghệ tiên tiến trong đo lờng, y tế (AFM/STM). M số kc 01-10 CNĐT: Trần xuân Hoài Tài liệu này đợc chuẩn bị trên cơ sở kết quả thực hiện Đề tài cấp Nhà nớc, mã số KC01-10, thuộc chơng trình "Nghiên cứu Khoa học và Phát triển Công nghệ thông tin và truyền thông", Mã số: KC.01 6836 07/5/2008 Hà Nội, 9-2004 2 1 -Chơng I: Mở đầu 6 Error! Hyperlink reference not valid. 1.2 Những câu hỏi cần giải đáp 6 1.2.1 SPM là gì ?: 6 1.2.2 Vì sao cần dùng đến SPM ?: 6 1.2.3 Lịch sử phát triển: 6 1.2.4 Vì sao lại nghiên cứu chế tạo SPM: 7 1.2.4.1 Lý do nhu cầu: 7 1.2.4.2 Lý do kinh tế: 7 1.2.4.3 Lý do chuyên môn: 7 1.2.4.4 Lý do phát triển: 7 1.3 Nội dung đề tài phải thực hiện 7 1.3.1 Nội dung tóm tắt: 7 1.3.2 Nội dung nghiên cứu cụ thể 7 1.3.2.1 Khối điện-truyền động thô 7 1.3.2.2 Khối dịch chuyển và định vị nano 8 1.3.2.3 Khối Điện tử Analog-Digital 8 1.3.2.4 Phần mềm 8 1.3.2.5 Phát triển ứng dụng, đào tạo và hợp tác hỗ trợ ứng dụng 8 1.4 Cách tiếp cận và phơng pháp nghiên cứu 8 1.5 Bố cục và nội dung trình bày báo cáo 10 2 - Chơng ii- 11 tổng quan và những cơ sở khoa hoc của spm 11 2.1 Kính hiển vi và những giới hạn kỹ thuật của các loại hiển vi hiện tại 11 2.2 Nguyên lý hiển vi có trờng quan sát gần sát mẫu gọi tắt là Hiển vi trờng gần (near field microscopy) 12 2.3 Cơ chế hoạt động của hiên vi điện tử quét đầu dò 14 ( SPM: Scanning Probe Microscopy) 14 2.4 Những cơ sở vật lý kỹ thuật của hiển vi quét dòng Tunel 16 2.5 Hiệu ứng áp điện và ứng dụng cho SPM 19 2.5.1.1 Giới thiệu tóm tắt về áp điện 19 2.5.1.2 Vật liệu áp điện 20 2.5.1.2.1 Biến dạng đàn hồi của vật rắn: 20 2.5.1.2.2 Tinh thể áp điện : 21 2.5.1.2.3 Gốm fero điện : 22 2.5.1.2.4 Các hệ số đặc trng 22 2.5.1.2.5 Những biến đổi cơ - điện 25 3 2.5.1.3 ứng dụng của kĩ thuật áp điện trong SPM 28 3 -Chơng III- 31 hiển vi quét đầu dò-cấu trúc và thiết kế phát triển 31 3.1 Tình hình và kết quả nghiên cứu trong và ngoài nớc 31 3.1.1 Giới thiệu chung 31 3.1.2 Mô tả tóm tắt về kỹ thuật SPM 32 3.2 Chế tạo hiển vi quét lực nguyên tử (AFM) với công nghệ xử lý tín hiệu số (DSP) trong môi trờng linux 35 3.2.1 Tóm tắt những đặc điểm thiêt kế chính 35 3.2.2 Tổng thể về Thiết kế chế tạo AFM 35 3.2.2.1 Sơ đồ khối 35 3.2.2.2 Các lớp phần mềm 36 3.2.2.2.1 Phần mềm bậc cao: 36 3.2.2.2.2 Phần mềm nhúng: 37 3.2.2.3 Phần cứng 37 3.2.2.3.1 Khối máy và chống rung. 37 3.2.2.3.2 Đầu đo. 38 3.2.2.3.3 XYZ vi chỉnh, Piezo scaner 39 3.2.2.3.4 Tiếp cận thô 39 3.2.2.3.5 Cơ chế phát hiện tín hiệu 40 3.2.2.3.6 Hệ thống điện tửDSP đo lờng và xử lí tín hiệu 40 3.2.3 Đo lờng trên mẫu chuẩn. 41 3.2.4 Kết luận 43 3.3 Thiết kế chế tạo kính hiển vi điện tử quét hiệu ứng đờng ngầm- STM 44 3.3.1 Giới thiệu tóm tắt: 44 3.3.2 Thiết kế, chế tạo các công đoạn của thiết bị STM. 45 3.3.2.1 Làm mũi dò: 45 3.3.2.1.1 Nguyên lý. 45 3.3.2.1.2 Chế tạo mũi: 46 3.3.2.2 Bộ vi chỉnh 3 chiều bằng áp điện( Piezo) và môtơ bớc 46 3.3.2.2.1 Nguyên lý. 46 3.3.2.2.2 Quá trình thực hiện 46 3.3.3 Các dạng cấu tạo của STM 47 3.3.4 Hệ thống điện tử điều hành 47 3.3.5 Thiết kế khởi tạo hệ điều hành cho STM. 49 Hình 4.2 Lu đồ thuật toán phần mềm Potentialstate trên DSP 49 3.3.6 Kết quả và kết luận về STM 52 4 -Chơng V : Kỹ thuật DSP 55 4.1 Tại sao phải dùng DSP ? 55 4.2 Ngôn ngữ lập trình 55 4 4.3 Phần cứng 57 4.3.1 Đặc điểm chung 57 4.3.2 Card xử lí tín hiệu số Card Signal Ranger 57 4.3.2.1 Cấu hình chung 58 4.3.2.2 Cấu hình phần cứng 59 4.3.2.3 Cấu hình bộ nhớ Các thông số cơ bản 60 4.3.2.4 Ngôn ngữ giao tiếp 61 5 -Chơng 5 :Thiết kế chế tạo bộ điều khiển digital chuyển động đa năng bằng mô tơ bớc 62 5.1 Tóm tắt: 62 5.2 Giới thiệu nội dung vấn đề nghiên cứu 63 5.3 Nguyên tắc hoạt động 63 5.4 Cấu tạo thực tế của động cơ bớc: 65 5.4.1 Các chế độ hoạt động 65 5.4.1.1 Chế độ kích một pha: 65 5.4.1.2 Chế độ kích hai pha: 65 5.5 Chế tạo hệ điều khiển động cơ bớc 66 5.5.1 Sơ đồ khối điều khiển động cơ bớc dùng vi điều khiển AT89C51 67 5.5.2 Một số điểm cần chú ý về linh kiện: 68 5.6 Kết quả kiểm nghiệm và kết luận 69 6 -Chơng VI . 74 Các hệ thống điện tử chuyên dụng cho SPM 74 6.1 Thiết kế bộ khuếch đại tín hiệu nhỏ trong kính hiển vi điện tử quét hiệu ứng đờng ngầm (STM) 74 6.1.1 Những vấn đề cơ sở về tạp nhiễu điên tử : 74 6.1.1.1 Nhiễu điện trở ( Nhiễu Johnson) : 74 6.1.1.2 Nhiễu dòng : 75 6.1.1.3 Nhiễu 1/f : 75 6.1.1.4 Nhiễu điện từ : 75 6.1.2 Chọn nguyên lý hoạt động cho bộ khuếch đại dòng Tunnel: 75 6.1.3 Tính toán,thiết kế 79 6.1.4 Mạch nguyên lý của bộ khuyếch đại tín hiệu. 81 6.2 Laser bán dẫn và Hệ điện tử nuôi laser bán dẫn trong SPM 83 6.2.1 Yêu cầu và các thông số kỹ thuật đợc chọn 83 6.2.2 Mạch nuôi Laser 84 6.3 Photodiode định vị tứ cực 85 6.3.1 Nguyên lý hoạt động và cấu trúc linh kiện 85 6.3.2 Hệ điện tử xử lý và khuếch đại tín hiệu định vị 86 6.4 Hệ thống điện tử điều hành 87 6.5 Phụ lục : Một số bản vẽ sơ đồ và bản thiết kế gia công mạch in 88 5 7 -Chơng VII : Phần mềm 89 8 -Chơng VIII: cơ khí STM 100 8.1 Hệ thống cơ khí dịch chuyển và định vị bằng áp điện 100 8.1.1 Những u điểm của hệ thống định vị áp điện 100 8.1.2 ống quét piezo (Piezo scanner) 101 8.2 Cách li giao động cơ học 103 8.3 Hình ảnh các bộ phận và chi tiêt cơ khí chủ yếu Error! Bookmark not defined. 8.4 Phụ lục: Một số bản vẽ chính Error! Bookmark not defined. 9 - Chơng IX- 107 Thiết kế chế tạo PotentioStat và Phổ kế trở kháng Điện Hoá trên cơ sở xử lí tín hiệu số 107 9.1 Giới thiệu tóm tắt 107 9.2 Thiết kế chế tạo Potentiostat 108 9.2.1 Nguyên lý chung 108 9.2.2 Thiết kế chế tạo Digital PotentioStat 108 9.3 Nghiên cứu phát triển phơng pháp đo phổ kế trở kháng điện hoá (Electromechical Impedance Spectroscopy) 113 9.4 Đánh giá và kết luận 119 6 1-Chơng I: Mở đầu Giới thiệu đề tài,Mục đích,Yêu cầu, Nội dung, Phơng pháp thực hiện 1.1 Mục tiêu của đề tài Đề tài mang mã số KC01-10 có tên gọi và cũng chính là mục tiêu chung Nghiên cứu ứng dụng các thiết bị và công nghệ tiên tiến trong đo lờng, y tế (AFM/STM). Đây là một tên goi phản ảnh một nội dung rất rộng và tổng quát. Trên thực tế đề tài đợc thực hiện và trình bày trong báo cáo này thực sự chỉ giải quyết việc nghiên cứu một loại thiết bị công nghệ tiên tiến trong đo lờng (và chỉ ở một chừng mức nhất định ,có khả năng ứng dụng gián tiếp cho y tế thông qua các khả năng ứng dụng cho nghiên cú sinh học) đó là thiết bị hiển vi điện tử quét đầu dò (SPM) bao gồm hiển vi quét dòng Tunel (STM)và hiển vi quét lực nguyên tử (AFM) đúng nh phần ghi rõ trong dấu ngoặc của tên đề tài. Các mục tiêu cụ thể bao gồm: Triển khai chế tạo hiển vi quét đàu dò (SPM- Scanning Probe Microscopy ) bao gồm hai loại chính là kính hiển vi lực nguyên tử AFM, kính hiển vi quét xuyên hầm STM độ phân giải dới 10 -9 m Nghiên cứu, tiếp thu, phân tích ứng dụng loại thiết bị điện tử tiên tiến , chuyên dụng này trong nghiên cứu,đo lờng, giáo dục, y tế và đa vào ứng dụng cụ thể ở quy mô nhỏ, đảm bảo chất lợng cao, đạt trình độ trong vùng, giá thành hạ so với nhập ngoại, có thị trờng và điều kiện mở rộng ứng dụng lâu dài Xây dựng tiềm lực, công cụ vật chất cho chế tạo thiết bị điện tử tiên tiến (thế hệ mới, chủ yếu bao gồm các yếu tố đo lờng điều khiển bằng công nghệ thông tin cao cấp nhất hiện nay, thông minh, tính tơng tác, tính nối mạng) .Đào tạo đội ngũ cán bộ thiết kế phần cứng và phần mềm, lắp ráp, chế tạo, thử nghiệm đánh giá chất lợng., sử dụng, bảo hành, loại thiết bị điện tử tiên tiến , hiện đại,hàm lợng chất xám cao. 1.2 Những câu hỏi cần giải đáp 1.2.1 SPM là gì ?: SPM - tên gọi chung cho một họ công cụ vật lý, là một loại kính hiển vi dùng nguyên lý quét một mũi dò nguyên tử trên một bề mặt ở một khoảng cách nguyên tử để hiển thị, nghiên cứu và xử lý các tình trạng bề mặt vật chất nh topo, các t/c lý, hoá, sinh 1.2.2 Vì sao cần dùng đến SPM ?: Công nghệ Nano- Sinh học phân tử đang và sẽ là một trong những nền tảng cho sự phát triển khoa học-kỹthuật trong thời gian tới. Một trong những lý do để Công nghệ nano hình thành đợc là nhờ ngày nay đã có những công cụ để nhìn và xử lý ở kích thớc nano- Trong số đó, kỹ thuật SPM là một công cụ mới và mạnh nhất. 1.2.3 Lịch sử phát triển: 7 1981 Phát minh ra STM do Binnig & Rohrer. 1985 Binnig, Gerber, and Quate chế tạo ra AFM đầu tiên 1986 Binnig & Rohrer nhận giải Nobel cho phát minh STM Các công ty chế tạo SPM của các trờng Đại học ra đời: 1987 Digital Instruments của Univ. of California - Santa Barbara .1988 Park Scientific của Stanford. 1991 Microfabricated AFM probes ra đời. 1998 Veeco Instruments mua Digital Instruments.1999 Asylum Research do các thành viên cũ của Digital Instruments tái lập 2000 đến nay: Các hãng chế tạo lớn nh SEIKO, JEOL, SHIMIZU vào cuộc. Các phòng thí nghiệm tiếp tục phát triển họ các SPM mới ,ứng dụng cho Nano-sinh học phân tử. Một giai đoạn phát triển mới lại bắt đầu. Một loạt các công ty và phòng thí nghiệm tham gia nghiên cứu phơng pháp sử dụng SPM , phát triển các sản phẩm mới chất lợng cao, giá cả hợp lý , trong số đó có IAPSI. 1.2.4 Vì sao lại nghiên cứu chế tạo SPM: 1.2.4.1 Lý do nhu cầu: Cần thiết cho các ứng dụng trớc mắt và tơng lai, đăc biệt là công nghệ nano-sinh học phân tử 1.2.4.2 Lý do kinh tế: Các hãng cung cấp với giá thành quá cao , không phải phòng thí nghiệm nào cũng mua đợc cho nên đó là lĩnh vực rất lý tởng cho các phòng thí nghiệm nghiên cứu tham gia 1.2.4.3 Lý do chuyên môn: Thiết bị thơng mại đắt và nhanh chóng lạc hâu. Vì là hệ đóng, bảo hộ bản quyền ,nên ngời dùng không thể can thiệp để cập nhật . 1.2.4.4 Lý do phát triển: Là thiết bị thuộc loại cao cấp nhất hiện nay cả về giá trị chất xám lẫn giá trị kinh tế, tổng hợp nhiều công nghệ cao mà chủ yếu là chất xám ,nên rất khả thi cho các phòng thí nghiệm trình độ cao nhng nghèo. Đây là môi truờng lý tởng để xây dựng cơ sở mũi nhọn công nghệ cao, đào tạo cán bộ và phát triển ứng dụng. 1.3 Nội dung đề tài phải thực hiện 1.3.1 Nội dung tóm tắt: Đề tài có nhiệm vụ thực hiện một hệ thốn g thiết bị côn g n g hệ cao , nền tản g khoa học là một công trình đã đợc phát minh năm 1981 và đoạt giải Nobel vào năm 1986. Thiết bị đã đợc tập trung nghiên cứu trên thế giơí trong khoảng 20 năm nay, tuy đã đợc thơng mại hoá nhng vẫn đang trong giai đoạn hoàn thiện cả thiết bị lẫn phơng pháp. Đề tài cần phải thực hiện các nội dung nghiên cứu cụ thể , để cuối cùng chủ động chế tạo đựơc máy mẫu (prototype) hai chủng loại SPM phổ biến là STM và AFM chạy trong môi trờng thờng , có tính năng cơ bản đủ sử dụng bớc đầu trong giáo dục đào tạo, nghiên cứu khoa học mức trung bình .Tạo cơ sở để chế tạo theo yêu cầu trong nớc. Kèm theo đó cũng tận dụng phát triển các bộ phận (modules) đã nghiên cứ trong ché tạo SPM thành các thiết bị và phơng pháp sử dụng độc lập , nếu có thể đợc. 1.3.2 Nội dung nghiên cứu cụ thể 8 1.3.2.1 Khối điện-truyền động thô Thiết kế chế tạo phần cứng cơ điện chân đế chống giao động Thiết kế chế tạo C cấu dịch chuyển thô dùng môt bớc 1.3.2.2 Khối dịch chuyển và định vị nano Thiết kế ,lấp ráp Bộ quét piezo 3 chiều phân gii Nanometer Thiết kế lắp đặt bộ định vị nanometer bằng Laser bán dẫn và quadrand Photodiod (riêng mũi dò AFM và bộ gá dao động phải mua và đặt chế tạo ở nớc ngoài) Thiết kế chế tạo bộ đầu dò Tunel 1.3.2.3 Khối Điện tử Analog-Digital Thiết kế chế tạo bộ nguồn nuôi hạ thế siêu ổn định Thiết kế chế tạo bộ khuếch đại cao thế ít nhiễu và tác động nhanh Thiết kế chế tạo bảng mạch điều khiển hệ thống quét X+/- Y+/-, Step Motor, Z+/- Thiết kế chế tạo Bộ tổng hơp giao động digital và Lock-in Digital ( song song với việc sử dụng Lock-in Analoge thng mại trong giai đoạn đầu). Thiết kế chế tạo ADC và DAC 4 kênh tốc độ nhanh (100MHz) Thiết kế chế tạo Tiền khuếch đại picoampe cho STM Thiết kế chế tạo tiền khuếch đại vi sai cho Quadrand Photodiode. Thiết kế chế tạo Digital Potentíotate 1.3.2.4 Phần mềm Viết bộ phần mềm hệ thống nhúng cho DSP Viết driver cho ADC, DAC Viết phần mềm cho Digital Lock-In và Digital Generator Viết bộ phần mềm tổng thể điều khiển ,đo lờng và xử lý sô liệu cho SPM Viết phần mềm giao tiếp ,thu thập ,truyền và xử lý kết quả trên PC. Viết MENU, kết nối các phần mềm xử lý ảnh, đồ hoạ , trình diễn và lu trữ kết quả. Đồng thời Tiến hành song song viết phần mềm (Source Code) xử lý ảnh. Phần mềm điều hành và xử lý kết quả đo Potentíostate 1.3.2.5 Phát triển ứng dụng, đào tạo và hợp tác hỗ trợ ứng dụng Tổ chức các Seminar để phổ biến kỹ thuật và c sở vật lý cho các phòng thí nghiệm ứng dụng Xây dựng các phng pháp nghiên cứu, đo lờng dùng SPM trong Vâtlý, Hoá học, sinh hoc, ytếđể đào tạo và phổ biến , hỗ trợ các c sở ứng dụng Đào tạo sinh viên, cao học và nghiên cứu sinh cho các lĩnh vực Thiết bị và NanoAnalysis 1.4 Cách tiếp cận và phơng pháp nghiên cứu Cách tiếp cận và phơng pháp nghiên cứu sẽ đợc xây dựng sao cho đội ngũ cán bộ khoa học Viêt nam làm chủ đợc tối đa các khâu thiết kế tổng thể,thiết kế chi tiết, lựa chọn linh kiện cần đặt hoặc gia công, tự chế tạo chi tiết . thiết kế và phát triển phần mềm. Công trình có mục tiêu dài hạn nhiều năm, trong 2,3 năm đầu tiên tập trung lấy việc thiết kế chế tạo SPM làm đối tợng nghiên cứu phát triển vừa tạo ra sản phẩm cao cấp cho xã hội, vừa làm cơ sở thực tế để đào tạo đội ngũ , hợp tác quốc tế và tích luỹ kiến thức. Các phần cụ thể dự kiến nh sau: - Phần cứng Cơ điện: Thiết bị STM đầu tiên đã hợp tác chế tạo thành công thời gian qua sẽ là điểm xuất phát để hoàn thiện và phát triển tiếp. Sẽ tìm cách mua một thiết 9 bị hay từng bộ phận của một thiết bị SPM loai mới (hoác hợp tác trao đổi) để về tháo ra cho cán bộ nghiên cứu, so sánh với thiết bị của mình để xác định các bớc cần thiết hoặc là sao chép có cải tiến, hoặc mô phỏng lại hoặc sáng tạo bộ phận mới nếu cần thiết. Nguyên tắc là không mày mò từ A đến Z mà tận dụng triệt để các kinh nghiệm và trí thức của những ngời đi trớc. Việc này hoàn toàn khả thi vì đội ngũ cán bộ đã có kinh nghiệm làm chủ chế tạo 1 thiết bị tơng tự. Hợp tác với các nhà khoa học công nghệ nớc ngoài bằng mọi cách là điều kiện sống còn để làm chủ đợc công nghệ này. - Phần cứng điện tử-tin học: Sẽ sử dụng hoàn toàn kỹ thuật số hiện đại nhất trong đo lờng điều khiển. Thiết bị dự kiến đợc chế tạo trên nền tảng kỹ thuật DSP, loại chip công nghiệp xử lý song song tốc độ cao nhất hiện nay. Máy tính đợc giải phóng chỉ để điều khiển giao tiếp và xử lý kết quả cuối cùng mà thôi. Trên thực chất , nhóm thực nghiệm sẽ phải thiết kế riêng một máy tính tốc độ cực cao, xử lý thời gian thực. Đây là một kỹ thuật cao của tơng lai phát triển , rất cần có điều kiện để đào tạo đội ngũ. - Phần mềm hệ thống: Là phần mềm nhúng điều khiển board mạch, phần cứng cơ khí ,đo lờng và truyền số liệu. Sẽ do cán bộ VN hoàn toàn tự thiết kế và thực hiện và đợc giữ làm bí quyết công nghệ. - Phần mềm xử lý số liệu và ảnh : Kết hợp tự viết với các phần mêm sẵn có hoăc hợp tác trao đổi với các phòng thí nghiệm khác. Tiến tới làm chủ đợc mã nguỗn xử lý ảnhsau khi hoàn thành để làm cơ sở cho các thiết bị chẩn đoán y tế hiện đại (nh siêu âm3D chẳng hạn) về sau. - Song song với việc chế tạo thiết bị ,cần phải tổ chức việc đào tạo huấn luyện cũng nh phát triển phơng pháp ứng dụng SPM cho các ngành khác nhau. Theo mô hình các nớc tiên tiến ,sẽ dần hình thành nên một phòng thí nghiệm phân tích nano ( Nano analysis) hiện đại của đất nớc ,vừa chủ động trong chế tạo thiết bị vừa phát triển ứng dụng của thiết bị. Đây là việc nhất thiết phải làm vì kỹ thuật SPM mặc dù rất quan trọng và thuân tiện nhng lại còn quá mới mẻ đối với hầu hết các cán bộ khoa học hiện nay. Mặt khác PTN này cũng sẽ là một điểm khởi đầu cho việc chủ động thiết kế, chế tạo và ứng dụng các thiết bị Hi-Tech trong đo lờng, ytế tiếp theo. Các công nghệ và kỹ thuật sử dụng cho đề tài này thuộc loại những công nghệ cao cấp nhất hiện tại. Có thể liệt kê một số công nghệ cần phát triển và sử dụng nh sau: Phát hiện và đo lờng tín hiệu cực nhỏ nh dòng điện cỡ Picoampe (pA), lực cỡ NanoNewton (nN), kích thớc cỡ Nanomet (nm) Đo lờng và Điều khiển chính xác chuyển động liên tục trong khoảng cách từ rất nhỏ cỡ Angstrom cho đến khoảng cách vĩ mô cỡ cm Định vị với sai số dới 10 -10 m Kỹ thuât phần mềm Xử lý tín hiệu (Digital Signal Procesing), thay thế phần cứng analoge Hệ điều hành thời gian thực Chu trình điều khiển tự động kín PID hoàn toàn digital Kỹ thuật phần cứng thu thập xử lý tín hiêụ Kỳ thuật xử lý ảnh Các kỹ thuật điện tử-vi điện tử analog hiện đại: Nguồn cao áp ổn định cao, khuếch đại nhiễu thấp, lọc số, khuếch đại cao áp 10 Kỹ thuật cơ khí chính xác quang học Kỹ thuật cách ly giao động cơ học Lập trình chuyên nghiệp từ mức độ vật lý (physical level) đến mức độ ứng dụng Phần mềm đóng gói với số dòng lệnh lớn (trên 25.000 dòng) 1.5 Bố cục và nội dung trình bày báo cáo Trong các chơng sau chúng tôi sẽ trình bày những vấn đề khoa học công nghệ cơ bản và các công việc chúng tôi đã thực hiện để phát triển các kỹ thuật này ,nhằm ứng dụng chế tạo thành những hệ thiết bị SPM tại phòng thí nghiệm , theo đúng yêu cầu của đề tài KC01-10. Chúng tôi viết báo cáo này ngoài việc báo cáo công việc đã thực hiện còn có tham vọng là một tài liệu phát triển khoa học công nghệ về một vấn đề tơng đối hoàn chỉnh. Làm sao để cho ngời đọc nếu muốn hiểu vấn đề theo các mức độ khác nhau đều có thể đọc đợc. Mặt khác đối với những ngời cần tham khảo các vấn đề Vật lý, Công nghệ, Kỹ thuật, Thiết kế, Chế tạo SPM hoặc thiết bị tơng tự cũng có thể xem đây là những t liệu có thể giúp ích cho công việc. Vì vậy tài liệu này đợc viết theo nguyên tắc ngắn gọn nhng bảo đảm nội dung khoa học hoàn chỉnh , công nghệ và kỹ thuật cụ thể ,rõ ràng ,có thể sử dụng đợc ngay (tất nhiên ,tham khảo với tác giả thì tốt hơn). Theo nguyên tắc đó , báo cáo phân thành nhiều lớp. Lớp in chữ thờng là phần mà ngời quan tâm nên đọc hết. Các vấn đề viết sâu không nhất thiết phải đọc thì viết chữ nghiêng nhỏ . Các thiết kế và bản vẽ dành cho các nhà thiết kế ,công nghệ đợc đa vào phụ lục theo từng chơng. Mã nguồn phần mềm rất lớn (300 trang) nên in kèm là không tiện dụng, chúng tôi ghi vào đĩa CD đi kèm . Tài liêu tham khảo cũng đa vào sau từng chơng cho dễ theo dõi . Để tiện theo dõi ,xin liệt kê những nội dung chính của các phần sau gồm: Chơng II : Những cơ sở khoa học của hiển vi quét đầu dò và của các công nghệ và kỹ thuật đặc biệt sử dụng cho chế tạo.Phần này có tính tổng quan, tuy đựợc viết ngắn gọn nhng cần để có thể hiểu đợc cơ sở của đề tài và làm tài liệu cho huánn luyện, đào tạo Từ chơng III trở đi , trình bày nội dung các nghiên cứu phát triển đã đợc nhóm đề tài thực hiện. Chơng III trình bày việc thiết kế chế tạo STM và AFM. Trong nội dung thiết kế chế tạo , cần phải phát triển các công nghệ chuyên biệt. Các công nghệ này đợc liệt kê trong chơng III và đợc trình bày tỉ mỉ trong các chơng sau, cụ thể Chơng IV : Kỹ thuật DSP Chơng V: Kỹ thuật điều khiển chuyển động bằng Motơ bớc Chơng VI: Điện tử chuyên dụng cho SPM bao gồm Nguồn nuôi cao áp và hạ áp, Khuếch đại nhiễu thấp, Khuếch đại cao áp tôc độ nhanh, Các bộ mạch lọc, đệm Chơng VII: Phần mềm Chơng VIII: Phần cứng cơ khí Chơng IX: Digital Potentiostate, EIS, Lock-in, Hệ đo đa năng [...]... đợc hiệu ứng áp điện nghịch Tinh thể học và lí thuyết toán học về áp điện đã đợc phát triển nhanh chóng ngay sau khám phá n y Một số tinh thể đợc nghiên cứu trong giai đo n đầu n y bao gồm thạch anh, Tourmaline, muối Rochelle Những ứng dụng đầu tiên của áp điện là việc sử dụng trong đo lờng tĩnh điện Chính những dụng cụ đo tĩnh điện áp điện đã đợc Pierre và Marrie sử dụng trong những nghiên cứu của... giới đã tạp trung nghiên cứu cải tiên kỹ thuật và tính năng, cũng nh đem áp dụng cho khoa học , đã tạo nên những tiến bộ khổng lồ và một số công ty lớn đã tiếp thu và thơng mại hoá vào đầu thập kỷ 90 Việc phát triển và ứng dụng những thành tựu mới của công nghệ thông tin đã đem lại một bơc nh y vọt cho kỹ thuật Ng y nay toàn bộ kỹ thuật đo lờng điều khiển chụp ảnh cua STM đều đã thay đổi hoàn toàn so... 1.000.000USD), do đó đối với các phòng thí nghiệm chế tạo thiết bị, đ y còn là một lĩnh vực kỹ thuật cao đ y triển vọng phát triển , hạ giá thành để cung cấp cho nền kinh tế trong thế kỷ 21 Công nghệ Nanomet , Kỹ thuật gen, sinh học phân tửđang là lĩnh vực cực kỳ quan trọng cho ứng dụng trớc mắt và tơng lai Để phát triển những công nghệ n y tất y u phải có các thiết bị đo lờng ,phân tích ,gia công có độ phân giải... dùng ngay ống quét và con trợt để đa mũi dò tiến về phía mẫu 29 Trong thiết kế của công trình n y ,chúng tôi chủ y u áp dụng loại ống quét hình trụ Chi tiết về thiết kế bộ quét bằng ống áp điện hình trụ sẽ đợc trình b y trong chơng VIII: Cơ khí SPM 30 3-Chơng III- Hiển vi quét đầu dò-cấu trúc và thiết kế phát triển 3.1 Tình hình và kết quả nghiên cứu trong và ngoài nớc 3.1.1 Giới thiệu chung Nguyên lý... tất cả các SPM việc sử dụng thiết bị thiết bị có khả năng thay đổi khoảng cách giữa vật mẫu và đầu dò ở mức A0 theo cả 3 chiều Thiết bị n y đợc điều khiển bởi tín hiệu thế từ mạch phản hồi và thiết bị quét Thiết bị thờng đợc dùng nhất cho mục đích trên là 1 piezo quét bằng điện Vật liệu làm Piezo ện có khả năng co/giãn khi có thế đặt vào nó Khi STM đợc phát minh lần đầu tiên, m y quét đợc cấu tạo ra... dò có thể di chuyển dễ dàng khi các thanh co dãn dọc theo các trục của nó Sự chuyển dịch dựa trên hiệu ứng áp điện ngang ống quét (Tube Scanner) : một kiểu thiết kế hoàn hảo hơn do Binnig và Smith đề xuất Do tiện dụng nên ng y nay đợc sử dụng rất rộng rãi trong spm Đó là một ông hình trụ rỗng áp điện duy nhất đợc sử dụng với một điện cực bên trong và bốn điện cực bên ngoài Sử dụng hiệu ứng áp điện ngang,... một trong những chìa khoá của lĩnh vực mới mẻ n y Tơng lai phát triển của SPM đang nằm phía trớc , và khả năng ứng dụng, thị trờng tiêu thụ còn đang mở rộng không ngừng trong hàng chục năm tới Do y u cầu ứng dụng của kỹ thuật n y rất lớn, nên nhiều phòng thí nghiệm vật lý kỹ thuật đã và đang không ngừng tìm tòi các giai pháp công nghệ hiện đại , thuận tiện với giá cả phải chăng để chế tạo các thiết bị. .. Ferroelectric ) đợc chấp nhận rộng rãi hơn Tính sắt điện là nguyên nhân của tính áp điện mạnh của muối Seignett, đã đợc ứng dụng nhanh chóng trong Microphone và m y ghi âm Nhng ứng dụng của nó bị hạn chế vì nhiệt độ làm việc bị giới hạn ( . giải quyết việc nghiên cứu một loại thiết bị công nghệ tiên tiến trong đo lờng (và chỉ ở một chừng mức nhất định ,có khả năng ứng dụng gián tiếp cho y tế thông qua các khả năng ứng dụng cho nghiên. sinh viên, cao học và nghiên cứu sinh cho các lĩnh vực Thiết bị và NanoAnalysis 1.4 Cách tiếp cận và phơng pháp nghiên cứu Cách tiếp cận và phơng pháp nghiên cứu sẽ đợc x y dựng sao cho đội. hết các cán bộ khoa học hiện nay. Mặt khác PTN n y cũng sẽ là một điểm khởi đầu cho việc chủ động thiết kế, chế tạo và ứng dụng các thiết bị Hi-Tech trong đo lờng, ytế tiếp theo. Các công nghệ