I. LỊCH SỬ KÍNH HIỂN VI LỰC NGUYÊN TỬ • Kính hiển vi quét đầu dò (Scanning probe microscopy- SPM) là tên gọi chung của nhóm kính hiển vi mà việc tạo ảnh bề mặt của mẫu vật được thực hiện bằng cách quét một mũi dò nhỏ trên bề mặt của mẫu vật • Năm 1981, hai nhà khoa học Đức là Binnig và Rohror phát minh ra hiển vi quét hiệu ứng đường hầm (STM-Scanning tunneling microscope). Do ý nghĩa ứng dụng to lớn của phát minh này, mà chỉ 5 năm sau đó, Binnig và Rohror đã được nhận giải Nobel Vật lý. • STM là một loại kính hiển vi phi quang học, được sử dụng để quan sát hình thái học bề mặt của vật rắn hoạt động dựa trên việc ghi lại dòng chui hầm của điện tử khi sử dụng một mũi dò quét trên bề mặt mẫu. STM là một công cụ mạnh để quan sát cấu trúc bề mặt của vật rắn với độ phân giải tới cấp độ nguyên tử . • AFM lần đầu tiên được phát triển vào năm 1985 để khắc phục nhược điểm của STM chỉ có thể thực hiện được trên mẫu dẫn điện, bởi G. Binnig, C. F. Quate v à Ch. Gerber, kết quả của sự hợp tác giữa IBM và Đại học Stanford. • Đến năm 1987, T. Albrecht đã lần đầu tiên phát triển AFM đạt độ phân giải cấp độ nguyên tử, cũng trong năm đó MFM được phát triển từ AFM. Năm 1988, AFM chính thức được thương mại hóa bởi Park Scientific (Stanford, Mỹ). II.CẤU TẠO III. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA AFM • Khi mũi nhọn quét gần bề mặt mẫu vậ t, sẽ xuất hiện lực Van der Waals giữa các nguyên tử tại bề mặt mẫu và nguyên tử tại đầu mũi nhọn (lực nguyên tử) làm rung thanh cantilever. L ực này phụ thuộc vào khoảng cách giữa đầu mũi dò và bề mặt của mẫu. • Một tia laser được chiếu vào mặt phản xạ của cần quét. Khi đầu dò quét lên bề mặt mẫu, do sự mấp mô, nó sẽ rung động theo trục z, chùm laser phản xạ trên cần quét sẽ bị xê dịch tương ứng với rung động đó. Đặc trưng dao động của chùm laser phản xạ sẽ được hệ thống photodetector ghi lại v à chuyển thành tín hiệu điện thế. Tín hiệu điện thế lại đ ược xử lý và diễn giải theo chiều cao z đặc trưng cho tính chất địa hình của mẫu. • Quá trình hồi tiếp sự khác nhau về tín hiệu giữa những cảm biến quang học, qua sự xử lý của phần mềm máy tính, cho phép duy tr ì hoặc là một lực không đổi, hoặc là một độ cao không đổi tr ên bề mặt mẫu. • Việc ghi lại lực tương tác trong quá tr ình thanh rung quét trên bề mặt sẽ cho hình ảnh cấu trúc bề mặt của mẫu vật. Trên thực tế, tùy vào chế độ và loại đầu dò mà có thể tạo ra các lực khác nhau v à hình ảnh cấu trúc khác nhau. • Ví dụ như lực Van der Waals cho hình ảnh hình thái học bề mặt, lực điện từ có thể cho cấu trúc điện từ (kính hiển vi lực từ), hay lực Casmir, lực liên kết hóa học, và dẫn đến việc có thể ghi lại nhiều thông tin khác nhau trên b ề mặt mẫu. Bộ phận chủ yếu của một kính hiển vi mới là hiển vi quét đầu dò SPM (Scanning probe microscpe) phóng đại lên hàng triệu lần,có thể thấy được từng nguyên tử trên bề mặt. Cách tạo ảnh như sau:Nếu mũi nhọn đến mức ở đầu mút chỉ có một nguyên tử thì lúc đưa sát bề mặt mẫu,nguyên tử của mũi nhọn bị nguyên tử bề mặt mẫu tác dụng, đó gọi là lực nguyên tử.Khi dịch chuyển mũi nhọn trên bề mặt mẫu chỗ nào mặt mẫu nhô lên tức là gần mũi nhọn hơn lực nguyên tử sẽ lớn hơn,mũi nhọn bị tác dụng mạnh.Và chỗ nào mặt mẫu lõm xuống các nguyên tử ở xa nhau mũi nhọn bị tác dụng yếu. Hình vẽ mô tả cách đo lực nguyên tử bằng lò xo lá: hiệu hai dòng quang điện ở hai nửa pin có giá trị nào đó ứng với lò xo cong nhiều hay ít, đó là do mặt mẫu lồi hay lõm.Khi khuếch đại lên trên màn chỗ sáng tối tương ứng với chỗ lồi lõm trên mẫu Cách đo lực theo cộng hưởng nhạy hơn và trực tiếp đo được độ lồi lõm ở từng điểm tạo ra ảnh ba chiều thực sự. Đặc biệt ở chỗ hiển vi AFM làm việc cả trong môi trường nước ,không khí,dung dịch…để nghiên cứu tế bào hay virut. Bộ quét này cho phép quét nhiều loại mũi nhọn khác dùng để đo dòng điện xuyên hầm, đo ma sát, đo sức điện động…hoạt động dựa trên nguyên tắc đầu dò trên mẫu để thu thập tín hiệu tạo ra ảnh. Đây là hiển vi của thời đại công nghệ nanô III.Bộ quét áp điện Hoạt động của bộ quét như sau: Một thanh bằng vật liệu áp điện hai bên có phủ lớp dẫn điện làm các điện cực. Đặt hiệu điện thế 2 vào các cực thanh áp điện co vào hay dãn ra tuỳ thuộc vào chiều và độ lớn của hiệu điện thế.Ví dụ 1 thanh dài 1cm tác dụng u=100v có thể dịch chuyển hai đầu cỡ 10m. Muốn di chuyển theo 3 chiều thì ghép 3 thanh áp điện vuông góc với nhau và nối đuôi nhau.Đó chính là bộ quét áp điện cho phép tạo ra dịch chuyển tuỳ ý chính xác cỡ nguyên tử Khi có hiệu điện thế tác dụng thanh áp điện co lại Cách dịch chuyển cơ học rất tinh vi bằng bộ quét áp điện có rất nhiều ứng dụng trong công nghệ hiện đại Đặc biệt là công nghệ nanô Các nhà nghiên cứu ở Thụy Sĩ và Hà Lan vừa lần đầu tiên thiết kế thành công một dạng kính hiển vi lực nguyên tử có khả năng chụp ảnh từng nguyên tử riêng biệt trong một phân tử. Kết quả này là một bước đột phá trong ngành hiển vi bề mặt và có thể đem đến một cái nhìn hoàn toàn mới mẻ vào trong từng tương tác hóa học cũng như là phát triển các các linh kiện đơn điện tử, theo lời của các nhà nghiên cứu Kính hiển vi lực nguyên tử (Atomic force microscope – AFM) được phát minh hơn 20 năm trước, có thể giúp các nhà khoa học có một cái nhìn tốt nhất để kiểm tra các nguyên tử trên bề mặt của cả các mẫu dẫn điện và cách điện. Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật này là quét một mũi nhọn kim loại trên bề mặt một mẫu để tạo ra ảnh, dựa trên sự cân bằng cách lực vô cùng nhỏ giữa mẫu và mũi dò. Các cải tiến mới nhất của kỹ thuật có thể cho phép các nhà nghiên cứu quan sát bề mặt ở một mức độ chi tiết chưa từng có tiền lệ, kể cả bước nhảy vọt đáng kể vào năm 2007 khi các nhà nghiên cứu có thể tạo ra độ phân giải ở mức độ các nguyên tử cô lập trên bề mặt một vật liệu lần đần tiên.Trên thực tế, bức tranh sớm nhất về các nguyên tử riêng biệt được chụp vào những năm 1970 bằng cách bắn phá một mẫu kim loại nhờ một chùm điện tử, và quan sát nhờ kỹ thuật được biết là kính hiển vi điện tử truyền qua. Tiến bộ mới nhất của kỹ thuật này là đạt tới độ phân giải nhỏ hơn bán kính nguyên tử hydro, nhưng nó đòi hỏi mẫu siêu mỏng tới vài lớp tinh thể, và mẫu dễ dàng bị phá hủy bởi năng lượng cao của chùm điện tử. Để cải tiến AFM đến độ phân giải tốt hơn, các nhà nghiên cứu cần phải dịch chuyển mũi dò của kính hiển vi trong khoảng cách 1 nm, và ở khoảng cách nhỏ này, hàng loạt thử thách đã xuất hiện. Vấn đề lớn nhất là mũi dò sẽ ở trong tình trạng “nguy hiểm” do sự dịch chuyển rất nhỏ, hoặc thậm chí bị hút mạnh bởi mẫu do lực tương tác Van der Waals. Hơn nữa, khi mũi dò rất gần mẫu, việc biết chính xác thành phần nguyên tử và hình dạng của mũi dò trở nên cực kỳ quan trọng, và với các mũi dò truyền thống, thông tin này không phải lúc nào cũng rõ ràng. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu lãnh đạo bởi Leo của Phòng thí nghiệm IBM Zurich (Thụy Sĩ) đã vượt qua vấn đề này để đạt tới mức phân giải từng nguyên tử riêng biệt cũng như liên kết trong một đơn phân tử. Nhóm đã nhận ra rằng nguyên tử hay phân tử ở gần đầu mũi dò của AFM sẽ chi phối độ tương phản cũng như độ phân giải của kính hiển vi. Vì lý do này, họ đã thay thế mũi dò kim loại truyền thống của AFM bằng một đơn phân tử carbon monoxide (CO), vốn rất bền cũng như là tạo ra lực Van der Waals nhỏ hơn khi ở khoảng cách raats gần mẫu. Và một kết quả rất đẹp được tạo ra thành công là hình ảnh phân tử hydrocarbon C22H14 (pentacen) với 5 vòng benzene, và được đo với chiều dài chỉ 1,4 nm. Bức ảnh này cho thấy 5 vòng carbon, cũng như là các nguyên tử carbon, hydro riêng biệt trong phân tử, khoảng cách giữa các nguyên tử riêng biệt chỉ là 0,14 nm – là độ phân giải tốt nhất chưa từng có với một AFM. Các nhà nghiên cứu đã nhanh tróng nhận ra rằng cải tiến này rất có ý nghĩa khoa học bởi thực ra CO đã được dùng trong kính hiển vi quét chui hầm (STM) trong nhiều năm để tăng cường độ phân giải với cùng lý do. Hình 1. Một kết quả rất đẹp của công trình nghiên cứu chụp ảnh các phân tử C22H14 ở các mức độ phân giải các nhau (ảnh A là mô hình phân tử) – Theo Science 325, 1110. Gross nói rằng ông cùng với nhóm của mình đang dự kiến phát triển nghiên cứu này với một mục tiêu trước mắt là tăng cường độ phân giải và xây dựng một catalogue các đặc trưng hóa học cho nhiều nguyên tử và phân tử. Rốt cục thì mũi dò AFM CO có thể sử dụng để xác định đặc trưng của các phân tử khác nhau để sử dụng trong phân tích hóa học. Xa hơn, các dạng mới của AFM có thể ứng dụng để nghiên cứu các tương tác hóa học, hoặc xúc tác ở mức độ nguyên tử.Công nghiệp điện tử cũng có thể thu được lợi nhuận từ kính hiển vi mới này bởi vì các thông tin tốt hơn rất nhiều từ cấu trúc phân tử có thể giúp cho việc phát triển các linh kiện đơn điện tử. “Mặc dù chúng tôi mới đang tập trung vào các cải tiến thực nghiệm ở kích thước nhỏ, nhưng đó cũng sẽ là mục tiêu dài hạn” – Gross nói – “Một hiểu biết nhiều hơn nữa về các quá trình điện tử ở thang phân tử có thể thiết lập ở mức độ các CMOS”. Từ khi được phát hiện lần đầu hồi 2004 cho đến nay, graphene – lớp các nguyên tử carbon (C) đan với nhau thành lưới tổ ong – đang là một “ngôi sao” trong lòng các nhà nghiên cứu vật liệu. Nó được chú ý nhiều nhất bởi các nhà khoa học máy tính. Mới đây, một kết quả thăm dò thực nghiệm từ ĐH Illinois (Mỹ) cho thấy : đặc tính nhiệt điện (thermoelectric) của lớp tổ ong này có thể là lời giải mới cho kỹ thuật tản nhiệt chip. Mọi vật liệu đều có đặc tính nhiệt : khả năng sinh nhiệt (a) & tản nhiệt vào môi trường (b). Trong nhiều trường hợp, giá trị của (a) > (b), do vậy càng hoạt động lâu thì thiết bị càng nóng lên. Chip máy tính hiện nay là một ví dụ điển hình như thế. Đơn giản vì lượng delta nhiệt phát sinh trên một đơn vị thể tích cao hơn lượng delta nhiệt bay đi. Giáo sư William King, một trong hai người dẫn đầu nhóm nghiên cứu tại ĐH Illinois, mô tả : Với silicon và hầu hết các vật liệu, mức nhiệt phát sinh do dòng điện lớn hớn mức (mà vật liệu) tự giải nhiệt. Thế nhưng, chúng tôi phát hiện ra rằng với các transistor graphene, có những khu vực mà mức làm mát nhiệt điện lớn hơn nhiệt phát sinh do kháng trở, điều này cho phép các thiết bị trên tự làm mát chính nó. Hiệu ứng tự giải nhiệt này chưa từng được thấy trên các thiết bị graphene trước đây Đầu dò AFM bên trên 1 lớp nguyên tử carbon Nhưng làm sao nhóm của King biết được điều trên ? Chỉ 1 lớp nguyên tử C rất khó quan sát. Song nhờ kỹ thuật quan sát dựa trên đầu dò (tip) của kính hiển vi lực nguyên tử (atomic force microscope – AFM), họ ghi nhận được mức biến thiên nhiệt ở độ phân giải nhỏ đến từng nguyên tử. Và phần trên là kết quả quan sát của nhóm King – graphene có mức tản nhiệt cao hơn mức sinh nhiệt. Sau phát hiện này, nhóm của King lên kế hoạch dùng đầu dò AFM để nghiên cứu tiếp đặc tính nhiệt của các vật liệu nano khác. Và có lẽ không chỉ người Mỹ biết điều này, một đơn vị sản xuất bộ nhớ Đài Loan đã từng ứng dụng thành công khả năng làm mát với lớp tản nhiệt nano – Nano Thermal Dissipation (NTD). Ah, tôi muốn nhắc đến Kingmax … . I. LỊCH SỬ KÍNH HIỂN VI LỰC NGUYÊN TỬ • Kính hiển vi quét đầu dò (Scanning probe microscopy- SPM) là tên gọi chung của nhóm kính hiển vi mà vi c tạo ảnh bề mặt của mẫu vật. kế thành công một dạng kính hiển vi lực nguyên tử có khả năng chụp ảnh từng nguyên tử riêng biệt trong một phân tử. Kết quả này là một bước đột phá trong ngành hiển vi bề mặt và có thể đem. lớp nguyên tử carbon Nhưng làm sao nhóm của King biết được điều trên ? Chỉ 1 lớp nguyên tử C rất khó quan sát. Song nhờ kỹ thuật quan sát dựa trên đầu dò (tip) của kính hiển vi lực nguyên tử