Kính hiển vi lực nguyên tử _ AFM

2/ Chức năng của máy AFM Là một thiết bị quan sát cấu trúc vi mô bề mặt của vật rắn dựa trên nguyên tắc xác định lực tương tác nguyên tử giữa một đầu mũi dò nhọn với bề mặt của mẫu, có t

KÍNH HIỂN VI LỰC NGUYÊN TỬ AFM

(ATOMIC FORCE MICROSCOPE)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

KHOA VẬT LÍ

BỘ MÔN VẬT LÍ ỨNG DỤNG

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

KÍNH HIỂN VI LỰC NGUYÊN TỬ

(AFM) ( Atomic Force Microscope)

• Kính có độ phân giải ở cấp độ nanômét

• Thuộc nhóm kính hiển vi quét đầu dò hoạt động trên nguyên tắc quét đầu dò trên bề mặt

The inventors

Ảnh chụp chiếc AFM đầu tiên lưu giữ

2/ Chức năng của máy AFM

Là một thiết bị quan sát cấu trúc vi mô bề mặt của vật rắn dựa trên nguyên tắc xác định lực tương tác nguyên tử giữa một đầu mũi dò nhọn với bề mặt của mẫu, có thể quan sát ở độ phân giải

nanômet

3 Cấu tạo của AFM

3.1.Mũi nhọn:

• Được làm bằng silic nitrit(Si3N4), kích thước khoảng một nguyên tử.

3 2.Cantilever(cần quét):

Nó cũng được cấu tạo từ Si3N4

3 3.Nguồn laser

3 4.Miroir( phản xạ phương)

3 5.Hai nửa tấm pin quang điện

(photodiode )

3 6.Bộ quét áp điện :

4 Nguyên lý của AFM

• Khi mũi nhọn quét gần bề mặt mẫu sẽ xuất hiện lực VandeWalt giữa các nguyên tử làm rung thanh rung

• Dao động của thanh rung do lực tương tác được ghi lại nhờ một tia laser chiếu qua bề mặt của thanh rung

• Dao động của thanh rung làm thay đổi góc lệch của tia laser và được detector ghi lại

=> Việc ghi lại lực tương tác trong quá trình thanh rung quét trên bề mặt sẽ cho hình ảnh cấu trúc bề mặt của mẫu vật

Chiếu chùm tia laze vào mặt phản xạ của

cần quét

Chiếu chùm tia laser vào mặt phản xạ của

cần quét(tiếp theo)

Khi đầu dò quét lên bề mặt mẫu,do

sự mấp mô của bề mặt mẫu đầu dò

sẽ rung lên theo phương thẳng đứng, chùm tia laze phản xạ trên cần quét sẽ bị xê dịch

( tiếp theo )

Khi đầu dò đưa lại gần

bề mặt mẫu thì xuất

hiện những lực giữa

đẫu dò và

bề mặt mẫu

Sơ đồ giải thích cơ chế làm việc của kính hiển vi lực nguyên tử

Máy AFM có thể thao tác trong nhiều chế độ

khác nhau

•Chế độ tiếp

xúc ( Contact Mode)

• Chế độ không

tiếp xúc ( Non- Contact Mode)

•Chế dộ

tapping .

CHẾ ĐỘ TIẾP XÚC CONTACT MODE

• Tip được tiếp xúc và kéo lê trên bề mặt mẫu và cho ảnh địa hình

• Lực tác dụng là lực đẩy khoảng 10 -9 N

• Nhược điểm của phương pháp: dễ phá huỷ bề mặt mẫu và tip, hình ảnh dễ bị méo (nhiễu) do lớp vật chất hấp phụ trên bề mặt mẫu làm nhiễu lực đẩy Chỉ có thể khắc phục nếu AFM hoạt động trong môi trường chân không cao

CHẾ ĐỘ KHÔNG TIẾP XÚC NON-CONTACT MODE

• Trong chế độ này đầu dò luôn được giữ ở một khoảng cách rất nhỏ ngay sát bề mặt mẫu (10-15 nm), sự thay đổi độ lệch của lò xo lá do thay đổi lực hút sẽ được ghi nhận và tạo ảnh 3 chiều trên bề mặt

mẫu.

• Khuyết điểm: lực hút quá yếu và đầu dò phải đặt sát bề mặt mẫu dễ

bị kéo xuống bề mặt mẫu do lực căng bề mặt của những lớp khí hấp phụ trên mặt mẫu Hình ảnh có độ phân giải kém và dễ bị sai lệch

CHẾ ĐỘ TAPPING TAPPING MODE

• Chế độ này tránh được kéo le đầu dò trên bế mặt mẫu làm hỏng mẫu cũng như tránh được lực bám dính giữa mẫu và đầu dò, tránh được nhiễu hình ảnh do những lớp chất lỏng bám trên bề mặt mẫu

• Trong chế độ này đầu dò gõ lên bề mặt mẫu với năng lượng đủ lớn được tiến hành bằng cách cho tip tiếp xúc bề mặt mẫu sau đó tiếp được nâng lên để tránh cào xước bề mặt mẫu

Sự biến đổi của lực tương tác giữa mũi

dò và bề mặt mẫu theo khoảng cách.

5 Phân tích phổ của AFM

• Vì AFM hoạt động dựa trên việc đo lực tác dụng nên nó có một chế độ phân tích phổ, gọi là phổ

lực AFM (force spectrocopy), là phổ phân bố lực

theo khoảng cách

• Các phổ này có thể cung cấp nhiều thông tin về cấu trúc nguyên tử của bề mặt cũng như các

liên kết hóa học

5 Ưu điểm của AFM

1 5.1/ Đo được cả vật dẫn điện và vật không dẫn điện

• 5.2./ AFM không đòi hỏi môi trường chân không cao, có thể

hoạt động ngay trong môi trường bình thường.

• 5.3./ AFM cũng có thể tiến hành các thao tác di chuyển và

xây dựng ở cấp độ từng nguyên tử, một tính năng mạnh cho công nghệ nano.

• 5.4./ Mẫu chuẩn bị đơn giản, cho thông tin đầy đủ hơn so

với hình ảnh của hiển vi điện tử truyền qua.

• 5.5/AFM cung cấp những phép đo độ cao trực tiếp về địa

hình của mẫu và những hình ảnh khá rõ ràng về những đặc trưng bề mặt mẫu (không cần lớp bao phủ mẫu)

5.6/ AFM cung cấp thông tin ba chiều của bề

mặt mẫu.

6 Nhược điểm của AFM

• AFM quét ảnh trên một diện tích hẹp (tối đa đến

7 Ứng dụng của AFM

 AFM có các ứng dụng như:

• Chụp ảnh cắt lớp nhanh

• Mô tả, phân tích, xác định đặc điểm bề mặt

• Kiểm soát chất lượng, kiểm tra khuyết tật vật liệu,

• Đo cơ học đơn phân tử

 AFM có ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như: công nghệ nano(nanotechnology), công nghệ bán dẫn, dược phẩm, sinh học,công nghệ vật liệu.v.v

Một số hình ảnh về ứng dụng của AFM

Đây là hình ảnh của hình cầu

GaAs đường kính trong đo

được là 30 nm Hình ảnh này

đã được đo trongchế độ

“Close-Contact”

Lớp vàng dày 400 nanometer bốc hơi trên một lớp bề mặt silicon Sau khi ngâm trong dung dịch axit

KI va I2, hình ảnh này đã được chụp bởi máy AFM ở chế độ “tapping mode” với

độ phóng đại 20000

Scan courtesy J Brockman, F Harmon and S Kowalczykowski , University of California, USA

Tài liệu tham khảo