AFM potx

KÍNH HIỂN VI LỰC NGUYÊN TỬ. KÍNH HIỂN VI LỰC NGUYÊN TỬ - AFM. (ATOMIC FORCE MICROSCOPY) 11/2011. Page 1 KÍNH HIỂN VI LỰC NGUYÊN TỬ. MỤC LỤC. Lời mở đầu………………………………………………………………………….3 Nội dung……………………………………………………………………………4 I.Tổng quan…………………………………………………………………………4 1. Lịch sử phát triển…………………………………………………………….4 2. Chức năng……………………………………………………………………5 3. Cấu tạo……………………………………………………………………….6 4. Nguyên lý hoạt động……………………………………………………….12 II.Chi tiết………………………………………………………………………… 15 1. Lực tương tác………………………………………………………………15 2. Độ lệch lò xo lá…………………………………………………………….16 3. Chế độ làm việc…………………………………………………………….17 4. Ưu nhược điểm của AFM………………………………………………… 24 III.Ứng dụng………………………………………………………………………25 Tài liệu tham khảo………………………………………………………………31 11/2011. Page 2 KÍNH HIỂN VI LỰC NGUYÊN TỬ. LỜI MỞ ĐẦU. 11/2011. Page 3 KÍNH HIỂN VI LỰC NGUYÊN TỬ. NỘI DUNG. I.TỔNG QUAN. 1.LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN. AFM thuộc nhóm kính hiển vi quét đầu dò (SPM) hoạt động trên nguyên tắc quét đầu dò trên bề mặt. Năm 1972 Young và cộng sự là nhóm nghiên cứu đầu tiên sử dụng thiết bị không tiếp xúc topografiner đê đo địa hình vi mô của bề mặt kim loại, nhưng do sự chống rung kém nên họ chỉ nhận được ảnh ở độ phân giải thấp. Năm 1981 bằng việc nghiên cứu tương tự như Young với hệ thống chống rung tinh vi hai nhà nghiên cứu Binnig và Roher (IBM, Zurich) đã chế tạo được kính hiển vi tunnel (Scanning tunneling microscope - STM) cho ảnh với độ phân giải nguyên tử đối với các vật liệu dẫn điện. Năm 1986 chính nhờ nghiên cứu này Binnig và Roher đã giành giải Nobel Vật lý. Tuy nhiên, mũi dò STM thông qua các nguyên tử ở đỉnh tip đã tạo ra một lực lớn tác dụng lên bề mặt mẫu với biên độ cỡ biên độ của lực tương tác giữa các nguyên tử. Chính hiệu ứng này đã đặt nền móng cho Binnig, Quate và Gerber (1986) sáng chế ra kính hiển vi lực nguyên tử (Atomic force microscope - AFM) . Cũng trong năm đó MFM được phát triển từ AFM. Năm 1988, AFM chính thức được thương mại hóa bởi Park Scientific (Stanford, Mỹ). 11/2011. Page 4 KÍNH HIỂN VI LỰC NGUYÊN TỬ. Ảnh chụp chiếc AFM đầu tiên lưu giữ tại bảo tàng khoa học LonDon. 2.CHỨC NĂNG 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 nanômét . Ảnh chụp AFM bề mặt một tấm thủy tinh. 11/2011. Page 5 KÍNH HIỂN VI LỰC NGUYÊN TỬ. 3.CẤU TẠO. Gồm có 6 bộ phận chính : • Một mũi nhọn (Tip). • Lò xo lá (Cantilever). • Nguồn Laser. • Phản xạ gương (Miroir ). • Hai nửa tấm pin quang điện (Photodiod). • Bộ quét áp điện. 3.1 .Mũi dò (Tip) Tip thường được làm từ SiO 2 hoặc Si 3 N 4 , kích thước mũi dò là một nguyên tử. Được gắn trên bằng một lò xo lá (Cantilever). Có 3 dạng hình học : hình tháp, hình tứ diện, hình nón. 11/2011. Page 6 KÍNH HIỂN VI LỰC NGUYÊN TỬ. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu lãnh đạo bởi Leo của Phòng thí nghiệm IBM Zurich (Thụy Sĩ) đã đã thay thế mũi dò kim loại truyền thống của AFM bằng một đơn phân tử carbon monoxide (CO), để đạt tới mức phân giải từng nguyên tử riêng biệt cũng như liên kết trong một đơn phân tử. Nó tạo ra lực Van der Waals nhỏ hơn khi ở khoảng cách rất gần mẫu. Ảnh chụp sợi silica ở trạng thái tĩnh có đường kính 450 nm. Ảnh đốm sáng là tia sáng truyền ra từ bề mặt sau của sợi silica. 3.2. Lò xo lá (Cantilever) Cantilever là phần tử cảm biến vi lực và đóng vai trò trọng yếu trong kính hiển vi, có thể được chế tạo bằng vật liệu Si, Si vô định hình, SiO2, Si3N4 với kích thước và hình dạng khác nhau. Phía trên Cantilever có phủ một lớp vàng mỏng để phản xạ ánh sáng. Có hai kiểu cantilever: 11/2011. Page 7 KÍNH HIỂN VI LỰC NGUYÊN TỬ.  Hình chữ nhật.  Hình tam giác. Loại Cantilever tốt có thể đo được độ lẹch nhỏ hơn 2 . Loại Cantilever chữ nhật thường được dùng để đo mẫu cứng và hình tam giác được sử dụng để đo mẫu mềm. Cantilever phải có tính lặp lịa trong các phép đo và phải đủ mềm để nhạy cảm với lực nhỏ. Thực nghiêm cho thấy lực cần thiết cho các phép đo vào cỡ . Cantilever phải có tần số cộng hưởng cao để tạo ảnh nhanh. Hơn thế nữa Cantilever phải có tần số cộng hưởng cỡ 100 lần lớn hơn tốc độ quét nhanh nhất 10- 100 kHz. 3.3. Nguồn Laser Nguồn Laser là một nguồn năng lượng kích thích các nguyên tử trong môi trường hoạt động (chất khí, chất đặc, chất lỏng) để phát ra một bước sóng ánh sáng đặc biệt. Ánh sáng sinh ra được khuếch đại nhờ một hệ thống phản hồi quang học nó làm cho chùm sáng phản xạ qua lại trong môi trường hoạt động để làm tăng độ đồng pha nghĩa là toàn bộ năng lượng được truyền từ nguồn đều cùng pha cho đến khi ánh sáng được phát ra là một chùm tia laser. 11/2011. Page 8 KÍNH HIỂN VI LỰC NGUYÊN TỬ. 3.4. Phản xạ gương (Miroir) Phản xạ gương (Miroir) Được dùng để phản xạ ánh sáng laser vào Được dùng để phản xạ ánh sáng laser vào photodiod 3. 3. 5. Hai nửa tấm pin quang điện 5. Hai nửa tấm pin quang điện ( (Photodiod ) ) 11/2011. Page 9 KÍNH HIỂN VI LỰC NGUYÊN TỬ. Hệ quang học được thiết lập sao cho chùm tia phát ra từ Nguồn Laser hội tụ trên cantilever và tia phản xạ hội tụ tại tâm của detector quang. Detector quang bốn phần được sử dụng để xác định độ lệch của chùm phản xạ. Khi cantilever không bị lệch: dòng điện ở mỗi phần của diode quang là . Khi cantilever bị lệch: dòng điện ở mỗi phần của diode quang là . Giá trị lệch xác định độ cong của Cantilever 11/2011. Page 10 [...]... + Tốc độ quét chậm hơn so với các chế độ khác 4.Ưu nhược điểm của AFM: 4.1.Ưu điểm 11/2011 Page 24 KÍNH HIỂN VI LỰC NGUYÊN TỬ • AFM khắc phục nhược điểm của STM, có thể chụp ảnh bề mặt của tất cả các loại mẫu kể cả mẫu không dẫn điện • AFM không đòi hỏi môi trường chân không cao, có thể hoạt động ngay trong môi trường bình thường • AFM cũng có thể tiến hành các thao tác di chuyển và xây dựng ở cấp... loại mẫu đặc biệt cho mẫu mềm như polyme và các tế bào sống AND mà đối với các chế độ trước không có khả năng thực hiện chế độ tapping được coi là một bổ sung quan trọng cho hai chế độ truyền thống của AFM trong nghiên cứu vật liệu đặc biệt trong lĩnh vực nghiên cứu y sinh 3.1 Chế độ tiếp xúc (chế độ tĩnh) Đầu dò được tiếp xúc và kéo lê đơn giản trên bề mặt mẫu và cho ảnh địa hình bề mặt, lực tác dụng... Khi khảo sát mẫu mềm mẫu có thể bị phá hủy bởi sự cào lên bề mặt vì mũi dò tiếp xúc trực tiếp với bề mặt Chế độ không tiếp xúc Có thể khắc phục được những khó khăn trong chế độ tiếp xúc khi điều khiển AFM ở chế độ tiếp xúc ở chế độ này đầu dò luôn được giữ ở một khoảng cách rất nhỏ (5-15nm) ngay sát trên bề mặt mẫu Sự thay đổi lực hút vanderwaals giữa đầu dò và mẫu khi quét trên bề mặt sẽ được phát... điều chỉnh khoảng cách tip mẫu sao cho biên độ được duy trì không đổi đồng thời nó được dùng để tạo ảnh địa hình tapping hay ảnh tapping của bề mặt mẫu 3.3.2 Tạo ảnh pha Là sự mở rộng rất hiệu quả của AFM chế độ tapping tạo ảnh pha là bước tiến xa hơn tạo ảnh địa hình bề mặt đơn giản sự thay đổi về tính chất của vật liệu đã dẫn đến sự dịch pha giữa dao động của lực điều khiển kích thích từ ngoài và... một chùm laze hệ thống này được sử dụng rất phổ biển trong chế độ tiếp xúc của SFM và là hệ duy nhất có khả năng thương 11/2011 Page 16 KÍNH HIỂN VI LỰC NGUYÊN TỬ mại hiện nay 3.CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC Trong AFM có hai chế độ quét truyền thống là chế độ tiếp xúc và không tiếp xúc đã được sử dụng và nghiên cứu thành công cho nhiều loại vật liệu khác nhau Tuy nhiên mỗi chế độ đều có những hạn chế rất khó khắc... cao, có thể hoạt động ngay trong môi trường bình thường • 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 4.2 Nhược điểm • • AFM quét ảnh trên một diện tích hẹp (tối đa đến 150 micromet) Tốc độ ghi ảnh chậm do hoạt động ở chế độ quét • Chất lượng ảnh bị ảnh hưởng bởi quá trình trễ của bộ quét áp điện • Đầu dò rung trên bề mặt . sáng chế ra kính hiển vi lực nguyên tử (Atomic force microscope - AFM) . Cũng trong năm đó MFM được phát triển từ AFM. Năm 1988, AFM chính thức được thương mại hóa bởi Park Scientific (Stanford, Mỹ). 11/2011 (Stanford, Mỹ). 11/2011. Page 4 KÍNH HIỂN VI LỰC NGUYÊN TỬ. Ảnh chụp chiếc AFM đầu tiên lưu giữ tại bảo tàng khoa học LonDon. 2.CHỨC NĂNG AFM là một thiết bị quan sát cấu trúc vi mô bề mặt của vật rắn dựa. MỞ ĐẦU. 11/2011. Page 3 KÍNH HIỂN VI LỰC NGUYÊN TỬ. NỘI DUNG. I.TỔNG QUAN. 1.LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN. AFM thuộc nhóm kính hiển vi quét đầu dò (SPM) hoạt động trên nguyên tắc quét đầu dò trên bề mặt. Năm