BÁO CÁO HIỂN VI QUÉT ĐẦU DÒ

Hiển vi đầu dò là tên gọi chung của kính Hiển vi quét chui hầm (STM – Scanning Tunneling Microscope), Hiển vi lực nguyên tử (AFM – Atomic Force Microscope) ra đời từ sau năm 1981. Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh đã đưa phòng thí nghiệm công nghệ Nano vào hoạt động. Tổng mức đầu tư dành cho phòng thí nghiệm này là 4,5 triệu USD.

BÁO CÁO CÔNG NGHỆ NANO

HIỂN VI QUÉT ĐẦU DÒ ( SCANNING PROBE MICROSCOPE )

 HIỂN VI LỰC NGUYÊN TỬ (ATOMIC FORCE MICROSCOPE)

NHÓM 6: LÊ TUẤN PHƯƠNG ĐÔNG

NGUYỄN NGỌC BẢO

 HIỂN VI QUÉT CHUI HẦM (SCANNING TUNNELING MICROSCOPE)

 Lịch sử:

Hiển vi đầu dò là tên gọi chung của kính Hiển vi quét chui hầm (STM – Scanning Tunneling Microscope), Hiển vi lực nguyên tử (AFM – Atomic Force Microscope) ra đời từ sau năm 1981

 Công nghệ:

Công nghệ lọai hiển vi này là dùng 1 bộ áp điện để dịch chuyển đầu dò trên bề mặt mẫu, quét đầu dò với độ chính xác đến phần trăm nm Cách quét này do 2 nhà khoa học Binnig và Rohrer ở IBM Zurich nghĩ ra

A HIỂN VI LỰC NGUYÊN TỬ (ATOMIC FORCE MICROSCOPE)

Là 1 lọai hiển vi đầu dò có ứng dụng rộng rãi Đầu dò ở đây

nhạy với lực hút giữa các nguyên tử

H1: Chiếc AFM đầu tiên lưu giữ tại bảo tàng khoa học London

Chức năng AFM:

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

Cấu tạo AFM:

1 Đầu dò:

Được làm bằng Silic Nitric SI3N4

kích thước rất nhỏ và nhọn, xem

như là 1 nguyên tử Mũi nhọn

này được đặt trên cần quét

2 Cần quét: cũng làm bằng Silic

Nitric SI3N4, bề dày cỡ 1um

3 Nguồn laser.

4 Hai nửa tấm pin quang điện

5 Gương phản xạ

6 Bộ quét áp điện

Nguyên lý hoạt động:

Khi đưa đầu dò lại gần bề mặt mẫu,

nguyên tử ở đầu dò bị các nguyên tử bề

mặt mẫu tác dụng (hút hoặc đẩy tùy theo

xa hay gần bề mặt) làm dao động cần

quét.

Lúc cần quét dao động, vệt sáng này di chuyển, hai nửa tấm pin quang điện này được chiếu sáng lệch pha nhau Căn cứ vào chênh lệch dòng quang điện có thể biết được lực hút giữa các nguyên tử lớn hay bé.

Một tia laser tập trung chiếu lên đầu

thanh, tia này bị phản xạ rồi chiếu lên hai

nửa tấm pin quang điện thành 1 vệt sáng

Máy AFM có thể thao tác trong các chế độ sau:

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.

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.

Ưu điểm của AFM

 Đo được cả vật dẫn điện và vật 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

độ từng nguyên tử, một tính năng mạnh cho công nghệ nano.

 Mẫu chuẩn bị đơn giản, cho thông tin đầy đủ hơn so với hình ảnh của hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electron Microscope)

 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)

Nhược điểm của AFM

 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 nên kém an toàn, đồng thời đòi hỏi mẫu có bề mặt sạch và sự chống rung

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 được sử 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

Lớp vàng dày 400nm 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” với độ phóng đại

20000

Hình ảnh của một khối vật chất

bị khiếm khuyết chụp bằng máy AFM

Hình ảnh 2-D của đĩa ghi

tụ polymer trên bề mặt thép

B HIỀN VI QUÉT CHUI HẦM

(SCANNING TUNNELING MICROSCOPE)

 Lịch sử:

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

CẤU TẠO CỦA MÁY STM:

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)

BỘ PHẬN ÁP ĐIỆN

Là trung tâm vận hành của STM.Giúp mũi dò di chuyển tinh tế hơn có 2 loại áp điện:

 BỘ ĐIỀU KHIỂN QUÉT XY

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.

 BỘ ĐIỀU KHIỂN HỒI TIẾP

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.

BỘ PHẬN CHỐNG RUNG

HIỆU ỨNG ĐƯỜNG HẦM

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 làm 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 hầm lượng tử

Nếu mẫu gắn vào cực +, Ef của mẫu nhỏ hơn Ef của đầu dò -> dòng chui hầm 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

CÁC KIỂU QUÉT

KIỂU QUÉT CHIỀU

CAO KHÔNG ĐỔI

KIỂU QUÉT DÒNG CHUI

HẦM KHÔNG ĐỔI

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

Kiểu quét dòng không đổi:

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

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 hầm lượng tử và

việc ghi lại dòng chui hầm (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

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.

ỨNG DỤNG:

Hình (35nm × 35nm)

1 tạp chất Cr trên bề mặt của Fe Cấu trúc bề mặt mẫu Fe

Cấu trúc bề mặt mẫu Au Hình cấu trúc bề mặt Si (111)

khi sử dung STM năm 1982

ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHỆ NANO (KHẮC HÌNH STM)

Quá trình dịch chuyển:

 Để vị trí mũi dò trên đỉnh của 1 nguyên tử bị hấp thụ muốn di chuyển ,sau đó dần dần tăng dòng chui hầm

 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 hầm

 Mũi dò rời khỏi nguyên tử bị hấp thu và để nó lại

vị trí mới

Nguyên t ử xenon Trên bề mặt niken

Cảm ơn cô và các bạn đã theo dõi!