Nghiên cứu hình thái học vật liệu, linh kiện nanô bằng công nghệ ảnh nổi 3D trên kính hiển vi điện tử quét ( 3D Stereo Sem Imaging) Chu Anh Tuấn Trường Đại học Công nghệ Luận văn ThS ngành: Công nghệ thông tin; Mã số: 1 01 10 Người hướng dẫn: TS. Phạm Hồng Dương Năm bảo vệ: 2007 Abstract: Tổng quan về khái niệm, nguyên lý hình ảnh 3D, lịch sử phát triển của công nghệ 3D trong nước và trên thế giới. Nghiên cứu chụp và hiển thị ảnh 3D trên kính hiển vi điện tử quét (SEM ), nguyên lý tạo ảnh SEM, các ảnh hưởng qua lại giữa các thông số và các hiện tượng xảy ra trong quá trình ghi ảnh. Trình bày quy trình đầy đủ từ việc chụp, xử lý và hiển thị ảnh SEM bằng hiển vi . Mô tả quá trình tổng hợp các nanô tinh thể ZnO bằng phương pháp bốc bay nhiệt có sự tham gia của xúc tác Au, nghiên cứu hình thái các nanô tinh thể ZnO bằng ảnh 3D SEM Keywords: Công nghệ ảnh nổi 3D; Hình thái học vật liệu; Kính hiển vi điện tử; Linh kiện Nanô; Vật liệu học Content MỞ ĐẦU Công nghệ 3D – một công cụ tái hiện thế giới thực, với khả năng mô tả lại thế giới thực trung thực hơn, mang lại nhiều thông tin chi tiết hơn hẳn công nghệ 2D truyền thống, công nghệ 3D đã được ứng dụng rộng rãi trong phim ảnh 3D, trò chơi 3D, đồ hoạ 3D hay nhiếp ảnh 3D. Tuy nhiên, ứng dụng công nghệ 3D vào nghiên cứu khoa học vẫn còn là một lĩnh vực mới mẻ, và chưa được khai thác nhiều. Kỹ thuật ảnh 3D hiển vi điện tử quét (3D SEM) là một bước phát triển mới quan trọng trong việc ứng dụng công nghệ 3D vào việc tạo ảnh hiển vi cũng như nghiên cứu hình thái các đối tượng vi mô, đang dần trở thành công cụ nghiên cứu mới cho các nhà khoa học. Hiện nay, kỹ thuật này đang được nghiên cứu phát triển để chụp ảnh MEMS [9], chụp ảnh các vật liệu có kích thước nanômét [2], chụp ảnh huỳnh quang 3D của các tế bào sinh học [43] hay chụp vi sinh vật [19]. Hiện nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học và công nghệ nanô, trong lĩnh vực chế tạo vật liệu và linh kiện có kích thước nanômét, việc chế tạo và khảo sát hình thái cũng đang là một vấn đề rất được quan tâm nghiên cứu bởi nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước [1, 9, 10, 13, 20]. Trên thực tế, hình thái phong phú và phức tạp của các cấu trúc nanô thường khó quan sát được bằng các phương pháp tạo hình ảnh đơn thị 2D truyền thống, người quan sát khó thấy được chiều sâu và các cấu trúc không gian của các vật thể. Với những lí do đó, chúng tôi đã chọn đề tài: “nghiên cứu hình thái học vật liệu, linh kiện nanô bằng công nghệ ảnh nổi 3D trên kính hiển vi điện tử quét (3D stereo SEM imaging)” với mục tiêu ứng dụng và phát triển kỹ thuật ảnh nổi 3D hiển vi điện tử trong các nghiên cứu hình thái học mẫu vật có kích thước micrômét và nanômét (vật liệu cấu trúc nanô, linh kiện quang tử cấu trúc nanô). Đây là đề tài luận văn lần đầu tiên được tiến hành nghiên cứu và ứng dụng ở Việt Nam. Nội dung nghiên cứu chủ yếu của luận văn như sau: Nghiên cứu chụp ảnh 3D stereo trên kính hiển vi điện tử quét (SEM). Nghiên cứu các thông số ảnh hưởng tới chất lượng của ảnh nguồn như độ sâu hội tụ, độ sâu trường ảnh, độ tương phản và các phương pháp tăng cường chất lượng ảnh. Nghiên cứu phương pháp hiển thị ảnh 3D hiển vi trên màn hình vi tính và kỹ thuật in dán ảnh nổi 3D autostereo hiển vi. Chế tạo mẫu vật liệu có cấu trúc nanô và ứng dụng ảnh 3D hiển vi nghiên cứu hình thái học các mẫu vật đó. Bố cục của luận văn bao gồm 3 chương: Chương 1 - Nguyên lý hình ảnh 3D. Trong chương 1, tác giả trình bày một cách tổng quan về khái niệm, nguyên lý hình ảnh 3D, lịch sử cũng như tình hình phát triển của công nghệ 3D trong nước và trên thế giới. Bên cạnh đó một số đặc tính của thị giác hai mắt như sự cạnh tranh (rivalry), sự hợp thị (convergence) và sự chênh lệch (disparity) cũng được nhắc lại. Chương 2 - Nghiên cứu chụp và hiển thị ảnh 3D trên kính hiển vi điện tử quét (SEM). Chương 2 trình bày về nguyên lý tạo ảnh SEM cũng như các ảnh hưởng qua lại giữa các thông số và các hiện tượng xảy ra trong quá trình ghi ảnh. Một quy trình đầy đủ từ việc chụp, xử lý và hiển thị ảnh SEM bằng kỹ thuật 3D hiển vi đã được xây dựng và hoàn thiện trong chương này. Ngoài ra, phương pháp đo chiều sâu bằng kỹ thuật chụp và hiển thị 3D cũng đã được đề xuất. Chương 3 - Tổng hợp nanô tinh thể ZnO, nghiên cứu hình thái các nanô tinh thể ZnO bằng ảnh 3D SEM. Chương này mô tả quá trình tổng hợp các nanô tinh thể ZnO bằng phương pháp bốc bay nhiệt có sự tham gia của xúc tác Au. Sản phẩm thu được là các nanô tinh thể ZnO có hình thái khác nhau. Hình thái và vi cấu trúc của các sản phẩm này đã được khảo sát bằng kỹ thuật 3D SEM, kết quả khảo sát cấu trúc tinh thể, tính chất quang cũng được trình bày và thảo luận ở đây. Cuối cùng, phần kết luận và kiến nghị trình bày các kết quả đạt được và đưa ra các kết luận rút ra từ những kết quả nghiên cứu của tác giả. Đồng thời, một số ý kiến đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài cũng được nêu ra ở đây. References 1. Chul Yic, Jinkyoung Yoo (2006), “Optical properties of ZnO nanorods and nanowires”, Science Direct 39, 358-365. 2. Acta Materialia 54. 1369, (2006), See also: “Nanostructure in 3D”, Max Planck Society Press Release Feb. 22 nd , 2006. 3. Audrey, M. Glauert. (1974), Practical Methods in Electron Microscopy, North-Holand Publishing Company. 4. BC Breton, JTL Thong, WC Nixon. (1990), “Advances in stereo SEM techniques”, Inst. Phys. Conf. Series No.98, pp 617-620. 5. Blade, R. A., Padgett M. L., in Stanney, K. M. (2002), Handbook of Virtual Environments, Lawrence Erlbaum Associates, Inc., New Jersey, United States, pp. 15-27 6. Chandler, A., (1975), “The Vision of Hyperspace” Stereo World (Nat'I. Stereo. Assoc., USA) 2:6,Nov-Dec. 1975. Cf: Paul Wing, "Hyperspace A Comment," Stereo World 3:1, J/F 1976. 7. Chau K.L. (1993), Automated Control in High Resolution Scanning Electron Microscopy, PhD Dissertation, Cambridge University. 8. Chinkyo Kim, Won I Park and Gyu-Chul Yi, Miyoung Kim (2006), "Formation and photoluminescent properties of embedded ZnO quantum dots in ZnO/ZnMgO multiple- quantum-well-structured nanorods”, Appl. Phys. Nos 89, 113106. 9. Chris Kammerud, Besma Abidi, Shafik Huq, and Mongi Abidi. (2005),“3D nanovision for the inspection of MEMS systems”. The IEEE International Conference on Electronics, Circuits, and Systems, Gammarth, Tunisia. December 11-14 2005. 10. Chun Li, Guojia Fang, Wenjie Guan, Xingzhong Zhao (2007), “Multipod ZnO 3D microstructures” Materials Letters 61, 3310–3313. 11. Cowley, J.M. (1976), Principles and Techniques of Electron Microscopy, vol. 6 (Hayat, M.A. ed.) van Nostrand Reinhold Co. New York, pp 40-84. 12. Durlach, N. I., Mavor, A. S. (1995): Virtual Reality: Scientific and Technological Challenges, National Academy Press. 13. E. M. Wong, P. C. Searson (1999), Appl. Phys. Lett. 74, 2939. 14. Eric Lifshin, James Evertsen, Edward Princip, and John Friel (2004), “Three Dimensional Imaging of Microelectronic Devices Using a CrossBeam FIB”, Proceedings from the 30 th International Symposium for Testing and Failure Analysis, Worcester Massachusetts. November 14 - 18, 2004. 15. Fuller K., Thong J.T.L., Chambers T.J., Breton B.C. (1994), “Automated 3-D characterisation of osteoclast resorption lacunae by stereoscopic scanning electron microscopy”, Journal of Bone and Mineral Metabolis. 16. G.H. Du, F. Xu, Z.Y. Yuan, G. Van Tendeloo, (2006), Appl. Phys. Lett. 88, 243101. 17. Gao P X, Song J, Liu J and Wang Z L 2006 Adv. Mater. 19 67–72. 18. Harold A. Layer, (1979),“Stereoscopy: Where Did It Come From? Where Will It Lead?” published originally in: EXPOSURE: 17:3 Fall 1979, pp 34-48. 19. Hayat, M. A. 1989. Principles and Techniques of Electron Microscopy: Biological Applications. CRC Press, Boca Raton, FL. 20. He J H, Hsu J H, Wang C W, Lin H N, Chen L J and Wang Z L (2006), J. Phys. Chem. B 110, 50–3. 21. Hsu C L, Chang S J, Lin Y R, Li P C, Lin T S, Tsai S Y, Lu T H and Chen I C 2005 Chem. Phys. Lett. 416, 75–8. 22. Hyeong-Jin Kim, Chul-Ho Lee, Dong-Wook Kim and Gyu-Chul Yi (2006), “Fabrication and electrical characteristics of dual-gate ZnO nanorod metal–oxide semiconductor field-effect transistors”, Nanotechnology 17, S327–S331. 23. Jun Young Bae, Jinkyoung Yoo, and Gyu-Chul Yia (2006), “Fabrication and photoluminescent characteristics of ZnO/Mg 0.2 Zn 0.8 O coaxial nanorod single quantum well structures”, Appl. Phys. Nos 89, 173114. 24. Kar S, Pal B N, Chaudhuri S and Chakravorty D. (2006) J. Phys. Chem. B 110 4605–11. 25. Lathan C. E., in Stanney, K. M. (2002): Handbook of Virtual Environments, Lawrence Erlbaum Associates, Inc., New Jersey, United States, pp.404-414 26. Lowden, Jr., R.D., (1975), "Heywood A Mysterious Stereo Artist" Stereo World Nat' I. Stereo. Assoc., USA) l:l, Jan Feb. 1975; Part 2, 1:2, March-April 1975. 27. Melanie Kirkham, Xudong Wang, Zhong Lin Wang and Robert L Snyder (2007), “Solid Au nanoparticles as a catalyst for growing aligned ZnO nanowires: a new understanding of the vapour–liquid–solid process”, Nanotechnology 18, 365304 (5pp). 28. Okoshi, (1976), Three-Dimensional Imaging Technique, New York Academic. 29. Philosophical Transactions of the Royal Society of London, Vol. 142, pp. 1 – 17. 30. Philosophical Transactions of the Royal Society of London, Vol. 128, pp. 371 – 394. 31. Pinchbeck, P., (1972), "Structure of Reality in image and Word" Arts Magazine, April 1972. 32. Reiko HATTORI, Keisuke KAMETANI, Hiroshi IMAMOTO, Shizuo FUJITA (2006), “Direct Fabrication of ZnO Whiskers Bridging Between Micron-gap Electrodes in Aqueous Solution for Highly Gas Sensing”, Material Research Society. 33. Rubio-Sierra F J, Heckl W M and Stark R W (2005), Adv. Eng. Mater. 7, 1936. 34. S J. An1, W.I. Park1, G C. Yi1, S.Cho (2002), “Laser–MBE growth of high-quality ZnO thin films on Al2O3(0001) and SiO2/Si(100) using the third harmonics of a Nd:YAGlaser” Appl. Phys. A 74, 509–512. 35. Senden, M., (1960), Space and Sight (London: Methuen & Co., 1960). Spies, Werner, Vasarely (NY: Abrams, 1969). 36. Stanney, K. M. (2002): Handbook of Virtual Environments, Lawrence Erlbaum Associates, Inc., New Jersey, United States. 37. Takashi YATSUI, Motoich OHTSU, Sung Jin AN, Jinkyoung YOO and Gyu-Chul YI (2006), “Evaluating the Quantum Confinement Effect of Isolated ZnO Nanorod Single-Quantum-Well Structures Using Near-Field Ultraviolet Photoluminescence Spectroscopy”, Opt. Rev. Vol. 13, No. 4, 218–221. 38. Tandra Ghoshal et al (2008), “Direct synthesis of ZnO nanowire arrays on Zn foil by a simple thermal evaporation process”, Nanotechnology 19, 065606. 39. W. I. Park, D. H. Kim, S W. Jung, and Gyu-Chul Yi (2002), “Metalorganic vapor-phase epitaxial growth of vertically well-aligned ZnO nanorods” Appl. Phys. Vol. 80, Nos. 22. 40. Wagner R S and Ellis W C (1964), Appl. Phys. Lett. 4 89–90. 41. Won I Park, Dong-Wook Kim, Sug Woo Jung and Gyu-Chul Yi (2006), “Catalyst-free growth of ZnO nanorods and their nanodevice applications”, Int. J. Nanotechnology, Vol. 3, Nos. 2/3. 42. Won I Park, Jinkyoung Yoo, Dong-Wook Kim, and Gyu-Chul Yi (2006), “Fabrication and Photoluminescent Properties of Heteroepitaxial ZnO/Zn0.8Mg0.2O Coaxial Nanorod Heterostructures”, The Journal of Physical Chemistry Letters, 110, 1516-1519. 43. Xiang Chen and Robert F. Murphy (2004), “Robust Classification of Subcellular Location Patterns in High Resolution 3D Fluorescence Microscope Images” Proceedings of the 26 th Annual International Conference of the IEEE EMBS, San Francisco, CA, USA. September 1-5, 2004. 44. Yong Ding, Pu Xian Gao, and Zhong Lin Wang (2003), “Catalyst-Nanostructure Interfacial Lattice Mismatch in Determining the Shape of VLS Grown Nanowires and Nanobelts: A Case of Sn/ZnO”, JACS. 45. Yong-Jin Kim, Chul-Ho Lee, Young Joon Hong, and Gyu-Chul Yi (2006), “Controlled selective growth of ZnO nanorod and microrod arrays on Si substrates by a wet chemical method”, Appl. Phys. Nos 89, 163128. . nghiên cứu hình thái học vật liệu, linh kiện nanô bằng công nghệ ảnh nổi 3D trên kính hiển vi điện tử quét (3 D stereo SEM imaging) với mục tiêu ứng dụng và phát triển kỹ thuật ảnh nổi 3D hiển. Nghiên cứu hình thái học vật liệu, linh kiện nanô bằng công nghệ ảnh nổi 3D trên kính hiển vi điện tử quét ( 3D Stereo Sem Imaging) Chu Anh Tuấn Trường Đại học Công nghệ Luận. Au, nghiên cứu hình thái các nanô tinh thể ZnO bằng ảnh 3D SEM Keywords: Công nghệ ảnh nổi 3D; Hình thái học vật liệu; Kính hiển vi điện tử; Linh kiện Nanô; Vật liệu học Content MỞ ĐẦU Công