Bài thuyết trình: Máy STM

Bài thuyết trình: Máy STM

NHÓM THỰC HIỆN:

VŨ THU HIỀN TRẦN THỊ THANH THỦY HUỲNH LÊ THÙY TRANG

SEMINAR:

MÁY STM (SCANNING TUNNELING

MICROSCOPE)

Trường đại học khoa học tự nhiên thành phố Hồ Chí Minh

Bộ môn vật lí ứng dụng Lớp cao học quang điện tử khóa 18

STM LÀ GÌ???

Được phát minh năm 1981 và hai nhà phát minh ra thiết bị này

là Gerd Binnig và Heinrich

Rohrer (đã giành giải Nobel Vật

lý năm 1986

Là kính hiển vi quét chui

ngầm ,được sử dụng để quan sát hình thái học bề mặt của vật rắn (kim loại, chất bán dẫn) ở cấp

độ nguyên tử

NGUYÊN LÝ

HOẠT ĐỘNG

CỦA STM

STM sử dụng một mũi dò nhọn mà đầu của mũi dò có kích

thước là một nguyên tử, quét rất gần bề mặt mẫu Khi đầu dò

được quét trên bề mặt mẫu, sẽ xuất hiện các điện tử di chuyển từ

bề mặt mẫu sang mũi dò do hiệu ứng chui ngầm lượng tử và

việc ghi lại dòng chui ngầm (do một hiệu điện thế đặt giữa mũi

dò và mẫu) này sẽ cho các thông tin về cấu trúc bề mặt với độ phân giải ở cấp độ nguyên tử

CẤU TẠO CHÍNH MÁY STM

 ĐẦU DÒ

 BỘ ÁP ĐIỆN:

+ BỘ ĐIỀU KHIỂN QUÉT XY

+ BỘ ĐIỀU KHIỂN HỒI TIẾP

 BỘ PHẬN CHỐNG RUNG

 MÁY TÍNH

ĐẦU DÒ

 Cách chế tạo:

_ Dây vonfram được

chế tạo bằng phương pháp khắc điện hóa hoặc được mài nhọn với bột Fe.

_ Được cắt từ dây Pt-Ir.

 Đường kính vài trăm

nm (kích thước cỡ

nguyên tử)

PHƯƠNG PHÁP KHẮC ĐIỆN HÓA

CÁCH QUÉT CỦA ĐẦU DÒ

HIỆU ỨNG ĐƯỜNG NGẦM

Theo cơ học cổ điển, khi E<U hạt không thể vượt qua rào thế.

Theo cơ học lượng tử, khi E<U vẫn tồn tại giá trị hàm sóng của điện tử ở bên kia rào thế, tức

là có xác suất tìm thấy điện tử bên ngoài rào thế Đây chính là hiệu ứng chui ngầm lượng tử

_Nếu mẫu gắn vào cực +, Ef của mẫu nhỏ hơn Ef của đầu dò -> dòng chui ngầm dịch chuyển từ đầu dò sang mẫu

_Nếu mẫu gắn vào cực -, Ef của mẫu > Ef của đầu dò -> dòng chui hầm dịch chuyển từ mẫu sang đầu dò.

DÒNG CHUI NGẦM

_d: khoảng cách giữa đầu dò và mẫu_Ф: 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)

Dòng chui ngầm đo mật độ e ở bề mặt ( e gần mức Fermi).

Do đó đo dòng chui ngầm có thể thay thế cho hình ảnh vật lý của bề mặt mẫu

_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 ĐIỀU KHIỂN QUÉT XY BỘ ĐIỀU KHIỂN HỒI TIẾP

Là bộ phận điều khiển định vị vị

trí mũi dò ( áp điện X và Y có thể

dãn nở khi đặt vào nó 1 hiệu điện

thế) khi nó di chuyển rất sát vật

mẫu và quét trên mặt phẳng XY

song song với bề mặt mẫu

Mạch hồi tiếp để giữ cho dòng chui ngầm không đổi,bằng cách điều chỉnh khoảng cách giữa mũi dò và mẫu( trục z),khoảng cách này được điều khiển bằng 1tinh thể

áp điện (áp điện z)có thể dãn nở khi đặt vào nó 1 hiệu điện thế

Kiểu quét dòng không đổi:

Quét chậm vì bộ phận hồi tiếp phải điều chỉnh khoảng cách giữa đầu dò và mẫu

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

BỘ PHẬN CHỐNG RUNG

Hình ảnh cấu trúc bề mặt Si (111) khi sử dung STM năm 1982

ỨNG DỤNG

Hình ảnh (35nm × 35nm)1 tạp chất Cr thế chỗ trên bề mặt của Fe(001)

Cấu trúc bề mặt mẫu Fe

Cấu trúc bề mặt mẫu Au

Qúa trình dịch chuyển cần 3 bước:

-Để vị trí mũi dò trên đỉnh của 1 nguyên tử bị hấp thụ muốn di chuyển ,sau đó dần dần tăng dòng chui ngầm -> mũi dò chuyển hướng đến nguyên tử bị hấp thu, 1 liên kết riêng được hình thành.

-Di chuyển mũi dò qua 1 bên để kéo nguyên tử

bị hấp thu đến 1 vị trí mong muốn _Giảm dần dòng chui ngầm -> mũi dò rời khỏi nguyên tử bị hấp thu và để nó lại vị trí mới

Nguyên tử xenon Trên bề mặt niken

ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHỆ NANO (KHẮC HÌNH STM)

ƯU ĐIỂM CỦA STM

_STM là một kỹ thuật ghi ảnh hình

thái học và cấu trúc (cấu trúc vật lý,

cấu trúc điện 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.

NHƯỢC ĐIỂM CỦA STM

_STM phải được thực hiện trong chân không cao

_Mẫu sử dụng trong STM phải là mẫu dẫn điện( kim loại và chất bán dẫn)

_Bề mặt mẫu siêu sạch và việc chống rung là một đòi hỏi lớn

_Tốc độ ghi ảnh trong STM thấp.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Theory of the scanning tunneling microscope ( J.Tersoff and D.R.Hamann)

Introduction to scanning tunneling microscopy ( C.Julian Chen)

Construction of an air-operated scanning tunneling

microscope (Chinese journal of physics)

en.wikipedia.org/wiki/Scanning_tunneling_microscope - 73k –