BÀI GIẢNG KÍNH HIỂN VI LỰC NGUYÊN TỬ (AFM)

KÍNH HIỂN VI LỰC NGUYÊN TỬ AFM  Giới thiệu.  Cấu tạo  Ứng dụng  Nguyên lý  Ưu-Nhượcđiểm I. GIỚI THIỆU. LỊCH SỬ RA ĐỜI.  AFM(Atomic Force Microscopy ) thuộc nhóm kính hiển vi quét đầu dò Scanning Probe Mircoscopy (SPM).  Ra đời 1985 khắc phục nhược điểm của STM=>Quét được bề mặt dẫn điện, cách điện và cả chất lỏng.  Do Gerd Binnig và Christoph Gerber phát minh.  Cho ảnh 3D bề mặt mẫu vật ở độ phân giải nanomet. HOW DOES IT WORK? Hình. 18 Đầu dò AFM. Đo lực tương tác giữa mũi dò (tip) và bề mặt mẫu, bằng cách sử dụng một đầu dò đặc biệt được tạo bởi một cantilever đàn hồi với một mũi dò nhọn (tip) được gắn ở đầu mút của cantilever. Chiếc AFM đầu tiên gồm một mảnh kim cương gắn vào một dải lá vàng. Được lưu giữ tại viện bảo tàng khoa học Luân Đôn. Chiếc AFM ngày nay. Gerd Bennig. II. CẤU TẠO Gồm 6 bộ phận chính: • Một mũi nhọn( tip) • Cần quét(cantilever) • Nguồn laser • Phản xạ gương( miroir) • Hai tấm pin quang điện( photodiod) • Bộ quét áp điện( Piezo Scanner) II. CẤU TẠO 1.Mũi nhọn(tip) Làm từ Si hoặc SiN, độ cứng không vượt quá 0,1N/m. Bán kính cong tại đỉnh của mũi dò AFM khoảng 1-50 nanomet, góc gần đỉnh mũi dò khoảng 10 – 20 độ ~1 µm (1000 nm) II. CẤU TẠO 2. Cần quét( Cantilever) • Được cấu tạo từ Si3N4 hoặc Si vô định hình, hoặc oxitsilic với kích thước và hình dạng khác nhau ( hình chữ nhật, tam giác, hình trụ, ), phía trên cần quét được phủ 1 lớp vàng mỏng để phản xạ ánh sáng. • Chức năng: Đóng vai trò là một lò xo lá cực nhạy. Là phần cảm biến vi lực và đóng vai trò trọng yếu trong hiển vi lực. II. CẤU TẠO 3. Nguồn laser: Chiếu qua thấu kính tập trung tại một điểm trên cần quét, độ lệch tia laser là độ lệch của cần quét II. CẤU TẠO 4. Gương phản xạ: có tác dụng lái tia laser đi đúng hướng . II. CẤU TẠO 5. Hai nửa tấm pin quang điện: Khi hai nửa tấm quang điện không được chiếu đều như nhau dòng quang điện sinh ra chênh lệch nhau tạo thành tín hiệu vi sai. II. CẤU TẠO 6. Bộ quét áp điện: Mẫu được gắn liền với bộ quét và được điều khiển đầu dò quét trên mẫu theo 2 chiều x, y [...]... - >Lực Van Der Waals  Ngoài ra còn một số lực: Lực mao dẫn, lực từ, lực ma sát… 2,LỰC TƯƠNG TÁC GIỮA MŨI DÒ VÀ BỀ MẶT MẪU Lực đẩy ion:  Phát sinh do sự phủ nhau của đám mây điện tử xung quanh hai nguyên tử  Tác dụng mạnh ở khoảng cách ngắn (≈ Å)  Thế tương tác: U(r) = A r-12 Với A=2.U0 r012  Lực đẩy thường cho ảnh địa hình ở độ phân giải nguyên tử. .. tinh vi nhất 2,LỰC TƯƠNG TÁC GIỮA MŨI DÒ VÀ BỀ MẶT MẪU • Khi hai nguyên tử hoặc hai phân tử đặt sát nhau, năng lượng tương tác có thể biễu diễn bằng thế Lennard- Jones   r0  6  r0 12    U LD (r ) = U 0 − 2  +     r r    • Đồ thị biễu diễn sự phụ thuộc lực vào khoảng cách:  Khoảng cách nhỏ: lực đẩy - >Lực đẩy ion  Khoảng cách lớn: lực. .. nguyên tử Lực Van Der Waals  Phát sinh do hiện tượng phân cực của đám mây điện tử xung quanh hạt nhân nguyên tử, hiện tượng cảm ứng và hiệu ứng phân tán  Là lực có dải đo rộng, tồn tại khi hai nguyên tử- phẩn tử cách nhau vài Å đến vài trăm Å  Thế tương tác: U(r)=-B.r-6 Với B=2.U0 r06 AFM tip Surface of sample Tương tác hấp dẫn vander waals hoạt động ở mức độ nguyên. .. nguyên tử định xứ ở bề mặt mẫu 2,LỰC TƯƠNG TÁC GIỮA MŨI DÒ VÀ BỀ MẶT MẪU Lực Mao Dẫn:  Phát sinh do kính hiển vi làm vi ̣c trong môi trường không khí ẩm ->tạo thành lớp chất lỏng bên trên bề mặt và hiện tượng mao dẫn khi mũi nhọn tiếp cận lớp màng chất lỏng->tip bị hút về phía mẫu bởi mặt lồi của giọt nước và bị dính trên mẫu  Là loại lực gây nhiễu ảnh Lực. .. được giữ cách mẫu 10-15nm  Cho ảnh 3D  Lực tác dụng là lực hút khoảng 10-12 N  Ưu: không phá bề mặt mẫu  Nhược:  Lực Van Der Waals yếu  Bị nhiễu bởi lực mao dẫn và lực ma sát.=> Hình ảnh nhiễu  Lực Van Der Waals yếu hơn khi nhúng mẫu vào chất lỏng 3.CÁC CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH 3.Chế độ tapping  Bộ áp điện điều khiển cần quét dao động  Tần số 50.000-500.000Hz... lực gây nhiễu ảnh Lực Ma Sát  Phát sinh do hai bề mặt tiếp xúc và chuyển động tương đối với nhau  Là loại lực tác dụng ngang làm cần quét bị biến dạng uốn  Những kính hiển vi chuyên đo loại lực này gọi là FFM, nghiên cứu hệ số ma sát 2,LỰC TƯƠNG TÁC GIỮA MŨI DÒ VÀ BỀ MẶT MẪU Hợp lực tương tác F của mũi dò với bề mặt có thể được đánh giá từ định luật... xúc (Contact mode)  được kéo lê trên bề mặt mẫu Tip  Cho ảnh địa hình  c tác dụng là lực đẩy Lự khoảng 10-9 N  Ưu: tốc độ quét nhanh  Nhược:  Phá hủy bề mặt mẫu  Lớp nước trên bề mặt tạo lực mao dẫn và lực ma sát=> Nhiễu lực đẩy=> Hình ảnh nhiễu  Phải làm vi ̣c trong môi trường chân không, hoặc nhúng mẫu vào chất lỏng=>phá hủy mẫu 3.CÁC CHẾ... đàn hồi của cần quét ∆z: độ biến dạng của cầk quét n Tần số cộng hưởng : ωn = m Lực thay đổi theo khoảng cách giữa tip và mẫu, ta có thể vi ́t : ∂F F = F0 + ( )∆Z = KZ ∂Z => ω = ∂F => F0 = (k − )∆z ∂z ∂F ∂z m k− Giữ tần số cộng hưởng không đổi = >Lực không đổi=>∆z không đổi 2,LỰC TƯƠNG TÁC GIỮA MŨI DÒ VÀ BỀ MẶT MẪU Khi tip AFM quét bề mặt chuyển động lên xuống... được cả vật dẫn điện và vật không dẫn điện  AFM không đòi hỏi môi trường chân không cao, có thể làm vi c trong không khí, trong môi trường tự nhiên nước, dung dịch rất quan trọng cho vi c nghiên cứu vật sống như tế bào virut  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, cho... ∆I 4 ) − (∆I 2 + ∆I 3 ) Hiệu dòng quang điện này sẽ được khuếch đại vi sai To a Photodetector Vị trí ở đó chùm laser phản xạ đập vào màn hình đầu thu chỉ ra rằng cantilever bẻ cong bao và do đó tương tác giữa tip AFM và bề mặt mạnh bao nhiêu III.NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG • Mẫu gắn liền với bộ quét và được điều khiển để tip quét trên mẫu theo 2 chiều x,y •Hệ hồi tiếp (feedbeck system . KÍNH HIỂN VI LỰC NGUYÊN TỬ AFM  Giới thiệu.  Cấu tạo  Ứng dụng  Nguyên lý  Ưu-Nhượcđiểm I. GIỚI THIỆU. LỊCH SỬ RA ĐỜI.  AFM(Atomic Force Microscopy ) thuộc nhóm kính hiển. thuộc lực vào khoảng cách:  Khoảng cách nhỏ: lực đẩy -> ;Lực đẩy ion.  Khoảng cách lớn: lực hút -> ;Lực Van Der Waals.  Ngoài ra còn một số lực: Lực mao dẫn, lực. r012  Lực đẩy thường cho ảnh địa hình ở độ phân giải nguyên tử. Lực Van Der Waals.  Phát sinh do hiện tượng phân cực của đám mây điện tử xung quanh hạt nhân nguyên tử,