Giới thiệu kính hiển vi lực nguyên tử(AFM)

Introduction to Nanotechnology Atomic Force Microscopy Giới thiệu kính hiển vi lực nguyên tử(AFM) 1.1 Introduction to Nanotechnology Atomic Force Microscopy Tương tác điện từ mạnh gấp 40 lần tương tác hấp dẫn Tương tác hấp dẫn van der Waals gây biến thiên chuyển động dipole điện nguyên tử phân cực lẫn Chúng tồn loại phân tử nguyên tử hiệu khoảng cách vài Å đến vài trăm Å Lực nguyên tử ≈ r -7, hai mặt ≈ r-3, hình cầu mặt phẳng ≈ r-2 Lực đẩy khoảng cách ngắn (≈ Å) F ≈ r-n, n > Lực mao dẫn: lớp nước ngưng tụ bề mặt mẫu độ ẩm bình thường, tip bị hút phía mẫu mặt lồi giọt nước bị dính mẫu Đó vấn đề quan trọng ảnh AFM Lực từ Lực tĩnh điện Lực hoá học: liên kết ion, cộng hoá trị, kim loại (bị hút khoảng cách ngắn cỡ vài Å) Số nguyên tử tip bị ảnh hưởng phép đo, phụ thuộc chất tương tác Mội trường phải ý(khí, lỏng, rắn) Hằng số điện môi lực vander walls bị ảnh hưởng mơi trường Qt q trình động học chẳng hạn lực ma sát Mẫu tinh thể rắn, biến dạng tĩnh điện hay phục hồi nguyên tử? Liên kết tip mẫu dẫn đến xếp lại tip nguyên tử mẫu 1.2 Introduction to Nanotechnology Atomic Force Microscopy 1.3 Introduction to Nanotechnology Atomic Force Microscopy 1.4 Introduction to Nanotechnology Atomic Force Microscopy 1.5 Introduction to Nanotechnology Atomic Force Microscopy 1.6 Introduction to Nanotechnology Atomic Energy between charge pairs Force Microscopy • Tương tác ion-ion E=(Z1e)(Z2e)/4o x ã ion- dipole vnh cu: E=(Ze)àcos/4o x2 • Dipole vĩnh cửu-dipole vĩnh cửu: E=(constant)µ1µ2/4πεo x3 • Tương tácVan der waals: • Tương tác dipole vĩnh cửu-dipole cảm ứng E=(α1µ21+α2µ22)/4πεo x6 Introduction to Nanotechnology Tương tác Atomic Force Microscopy • Tương tác mạnh, khoảng cách ngắn: khoảng cách gần, lực đẩy mạnh phất triển với “x12” lượng E=ζ x-12 • Thế tương tác tồn phần, E=ζ x-12 – βx-6 • Hấp dẫn hạt dạng hình cầu giả sử tổng nguyên tử, phân tử riêng • dE = -0.5 ρ2β/x6 dV1 dV2 (ρ: số nguyên tử đơn vị thể tích) • Hai cầu xác định, (R>> x) E=-AR/12x • Bán kính khác nhau, R1 and R2  E=-AR1R2 /6x(R1 + R2) • Hai bề mặt, E=-A/(12 πx2) • Trong tất trường hợp, A= ρ2 π2 β gọi “hằng số Hamker” Introduction to Nanotechnology Kính hiển vi lực tĩnh điện • Hai chế dịch chuyển, cho thấy địa hình • Cái thứ hai cho thấy, lực biến thiên giữ không đối tương ứng với độ cao nhận trước đó, • Dị lực tĩng điện theo vị trí Atomic Force Microscopy Introduction to Nanotechnology Atomic Force Microscopy Cantilever Không có dịng tip AFM mẫu, mẫu không cần dẫn AFM Tip Sample Nguyên tử tip hấp dẫn nguyên tử mẫu lực tương tác van der Waals Introduction to Nanotechnology Atomic Force Microscopy Force Modulation 1.53 Introduction to Nanotechnology Atomic Force Microscopy Basic AFM Imaging Modes Contact mode AFM (1986) • Lực vng góc nhỏ, dò kéo qua bề mặt gây lực ngang • mẫu mềm liên kết yếu di chuyển dễ dàng • ảnh khơng rõ AC Mode AFM (1993) • Kiểu tiếp xúc gián đoạn (tapping mode) • bề mặt mềm tăng cứng đáp ứng lưu chất • Lực theo phương đứng trội, lực theo phương đứng lớn cịn lực theo phương ngang nhỏ •Hình ảnh rõ F F 1.54 Introduction to Nanotechnology AFM - Imaging Modes Atomic Force Microscopy Tapping Mode Atomic force microscopy of biomaterials surfaces and interfaces Jandt, Surface Science 491 (2001) 303-332 1.55 Introduction to Nanotechnology Atomic Force Microscopy Acoustic AC Mode • A piezoelectric transducer shakes the cantilever holder • Reduction of amplitude signals contact 1.56 Introduction to Nanotechnology Atomic Force Microscopy Basic Amplitude v.s Distance of AC Mode d Approach z Withdraw Approach 1.57 Schematic of AC mode AFM Atomic Force Microscopy Introduction to Nanotechnology Probe is oscillated at resonance frequency Change in amplitude provides topography Lag in phase related to viscoelasticity or material stiffness Free amplitude = Ao Damped amplitude at setpoint S = As Ao As Phase lag 1.58 Introduction to Nanotechnology Atomic Force Microscopy MAC Mode – Drive cantilever directly with magnetic field – Provide precise control of the cantilever movement – Small oscillation amplitude and force – Works best in liquid 1.59 Introduction to Nanotechnology Imaging in a Liquid Fluid in Atomic Force Microscopy AFM Scanner Substrate • Modular, symmetric plate design accommodates large sample size • Outstanding thermal stability facilitates temperature-dependent experiments • Self-contained cell assembly provides easy sample loading and exchange • Leak-proof cell design prevents damage to samples and instrumentation Sample Plate with Liquid Cell • Flow-through cell capability lets researchers monitor real-time changes while exchanging solutions 1.60 Introduction to Nanotechnology Temperature Control System • Atomic Force Microscopy Temperature control - Thermal compensation - Fast settling time - Precise, accurate, and stable - No need to cool scanner while heating up to 250C 1.61 Introduction to Nanotechnology Atomic Force Microscopy Magnetic Force Microscopy 1.62 Introduction to Nanotechnology Atomic Force Microscopy Electrostatic Force Microscopy 1.63 Introduction to Nanotechnology Atomic Force Microscopy Nanofabrication Bottom-up: Building or designing larger, more complex, objects by integration of smaller parts/building blocks or components Nanotechnology seeks to use individual atoms and molecules as those building blocks (Molecular manufacturing) Compare this to Top-down: Moulding, carving and fabricating small materials and components by using larger objects such as our hands, tools and lasers, respectively (e.g photolithographic approaches to making silicon chips.) 1.64 Introduction to Nanotechnology Atomic Force Microscopy Method 1: Mechanosynthesis or Positional assembly: Adding positional control to chemical synthesis http://www.zyvex.com/nanotech/CDAarticle.html Method 2: Self-assembly A method of integration in which the components spontaneously assemble, typically by bouncing around in a solution or gas phase until a stable structure of minimum energy is reached 1.65 Introduction to Nanotechnology Atomic Force Microscopy “Dip-Pen” Nanolithography Richard D Piner, Jin Zhu, Feng Xu, Seunghun Hong, Chad A Mirkin SCIENCE VOL 283, p 661 This is a combination of Mechanosynthesis and Self-assembly 1.66 Introduction to Nanotechnology Acknowledgements Atomic Force Microscopy Source of many images/drawings/slides (AFM manufacturers) • Veeco • Agilent Technologies 1.67 ... động dipole điện nguyên tử phân cực lẫn Chúng tồn loại phân tử nguyên tử hiệu khoảng cách vài Å đến vài trăm Å Lực nguyên tử ≈ r -7, hai mặt ≈ r-3, hình cầu mặt phẳng ≈ r-2 Lực đẩy khoảng cách... • Bán kính khác nhau, R1 and R2  E=-AR1R2 /6x(R1 + R2) • Hai bề mặt, E=-A/(12 πx2) • Trong tất trường hợp, A= ρ2 π2 β gọi “hằng số Hamker” Introduction to Nanotechnology Kính hiển vi lực tĩnh... Theory of Friction Atomic Force Microscopy Lực tỉ lệ với diện tích tiếp xúc(nghĩa diện tích bao gồm tổng tất vị trí tiếp xúc với kính hiển vi) F f µ Areal Lực đưa vào tăng dẫn đến số tiếp xúc vĩ