Giới thiệu về kính hiển vi điện tử

Kính hiển vi điện tử truyền qua Transmision Electron Microscope - TEM Kính hiển vi điện tử truyền qua hoạt động trên nguyên tắc giống thấu kính quang học, chỉ khác là sử dụng sóng điện

Giới thiệu về Kính hiển vi Điện tử

[13/11/2006]

Kính hiển vi điện tử (Electron Microscope) là một thiết bị dùng để nghiên cứu cấu trúc, vi cấu trúc của vật chất, dùng phổ biến trong vật lý và công nghệ Hiện nay, một xu hướng mới của khoa học là công nghệ nano thì kính hiển vi điện tử lại là một dụng cụ không thể thiếu của công nghệ này Bài viết sau trình bày một cách khái quát về kính hiển vi điện tử (cấu tạo, nguyên lý hoạt động và một số hình ảnh).

1 Kính hiển vi quang học Trước khi nói về kính hiển vi quang học, chúng ta đều biết đến kính hiển vi quang học (thực tập VLĐC năm I đều được sử dụng, xem hình dưới)

Kính hiển vi quang học (Optical Microscope - OM) sử dụng ánh sáng chiếu qua vật, tạo hình ảnh của vật (lớn hơn vật thật) thông qua các thấu kính quang học (Optical lens)

Ta biết rằng, ánh sáng không thể nhiễu xạ trên các vật có kích thươc quá bé, nên do đó, độ phân dải của OM bị giới hạn bởi nửa bước sóng ánh sáng khả kiến

2 Kính hiển vi điện tử truyền qua (Transmision Electron Microscope - TEM)

Kính hiển vi điện tử truyền qua hoạt động trên nguyên tắc giống thấu kính quang học, chỉ khác

là sử dụng sóng điện tử (thay cho bước sóng ánh sáng) nên có bước sóng rất ngắn (Chúng ta biết rằng bước sóng của sóng điện tử tỉ lệ nghịch với động năng của điện tử) và sử dụng các thấu kính điện từ - magnetic lens (thay cho thấu kính quang học) (xem hình dưới)

Mô hình nguyên lý của TEM so với kính hiển vi quang học

Điện tử đước phát ra từ nguồn phát điện tử Nguồn phát có thể là ống phóng tia cathode

(Cathode Ray Tube - CRT), hoặc dùng ống phát xạ trường (không dùng sợi đốt như ống CRT)

Ưu điểm của ống phát xạ trường là không dùng sợi đốt nên có tuổi thọ rất cao, ít phải thay thế, nhưng giá thành cao gấp nhiều lần so với ống CRT.

Sơ đồ nguyên lý ống phát xạ trường (Field Emission Tube)

Sơ đồ nguyên lý thấu kính từ

3 Kính hiển vi điện tử quét

a Nguyên tắc hoạt động của SEM

b Một ảnh chi tiết của EDS

4 Cơ chế tạo chùm điện

a Tia cathode

b Ống phát xạ trường (Field Emission Gun)

5 Thấu kính từ và sự tạo ảnh

a Tạo ảnh thật

b Tạo ảnh nhiễu xạ điện tử

Mời bạn theo dõi ở link dưới đây

Giới thiệu về Kính hiển vi Điện tử

Một trong những hướng được coi là tiên tiến và "hot" nhất hiện nay của vật lý và công nghệ là khoa học và công nghệ nano (nanoscience and nanotechnology) Đã nói đến

"nano" là nói đến các vật liệu và linh kiện ở kích thước nanomet Vậy làm thế nào để

"nhìn" chúng? Ta biết rằng từ hàng vài trăm năm trước, nhân loại đã chế tạo ra những kính hiển vi quang học để quan sát những vật nhỏ như tế bào, sợi tóc Vậy với những vật thể chỉ ở kích thước cỡ nanomet, kích thước mà bước sóng ánh sáng khả kiến khó có thể nhiễu xạ được thì quan sát bằng gì? Xin thưa, bằng những kính hiển vi điện tử, bằng kính hiển vi lực nguyên tử Bài này sẽ giới thiệu một cách khái quát về dụng cụ phổ biến mà mạnh nhất là kính hiển vi điện tử (mà chi tiết là kính hiển vi điện tử truyền qua)

1 Kính hiển vi quang học

Trong các sách giáo khoa về Vật lý ở Việt Nam, kính hiển vi quang học được nhắc đến ngay từ phần Quang học lớp 12 Nhưng thực ra chỉ ở mức độ khái niệm và bài tập, còn biết rõ hơn chỉ những ai học Vật lý ở đại học Các bạn là sinh viên Khoa Vật lý hoặc Khoa Sinh học chắc chẳng lạ gì những kính hiển vi quang học được làm quen ngay từ năm thứ nhất Bức ảnh dưới đây là một ví dụ về kính hiển vi quang học

Hình 1 Kính hiển vi quang học.

Kính hiển vi quang học (Optical Microscope - OM) sử dụng ánh sáng chiếu qua vật, tạo hình ảnh của vật (lớn hơn vật thật) thông qua các thấu kính quang học (Optical lens).Ta biết rằng, ánh sáng không thể nhiễu xạ trên các vật có kích thươc quá bé, nên do đó, độ phân dải của OM bị giới hạn bởi nửa bước sóng ánh sáng khả kiến Tất nhiên hiện nay người ta chế tạo ra rất nhiều kính hiển vi quang học hiện đại, có thể quay phim trực tiếp, chụp ảnh kỹ thuật số nhưng giới hạn kích thước của nó là không thể khắc phục (xin

đừng nhầm với kính hiển vi quang học quét trường gần có thể quan sát kích thước nhỏ hơn nhưng sử dụng nguyên lý khác)

2 Kính hiển vi điện tử (Electron Microscope)

Kính hiển vi điện tử, có thể hiểu đơn giản như việc thay vì ta dùng chùm sáng để nhìn vật thể, thì ta dùng chùm điện tử để quan sát Ta biết rằng, theo một nguyên lý của cơ học

lượng tử, một hạt khi chuyển động với xung lượng p, sẽ tương ứng với 1 sóng có bước

Như vậy, ta có thể dễ dàng hiểu được nguyên lý làm việc của kính hiển vi điện tử khi coi chùm điện tử như chùm sáng, và dùng "chùm sáng" này để "nhìn" các vật thể nhỏ Ta biết

là với ánh sáng khả kiến, ta dùng thấu kính thủy tinh để hội tụ và tạo ảnh, vậy với sóng điện tử, ta hội tụ và tạo ảnh bằng gì? Không thể bằng thấu kính quang học được, mà phải bằng loại thấu kính khác, đó là thấu kính từ (magnetic lens), sẽ được trình bày chi tiết hơn

ở dưới

2.1 Kính hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electron Microscope - TEM)

Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) sử dụng một chùm điện tử hẹp chiếu xuyên qua mẫu, và tạo ảnh của vật thể giống như tạo ảnh quang học trong kính hiển vi quang học (xem hình so sánh bên dưới)

Hình 2 So sánh kính hiển vi điện tử và kính hiển vi quang học.

Điện tử được phát ra từ súng phóng điện tử được tăng tốc bởi một điện trường lớn (khoảng vài trăm kV) và hội tụ thành một chùm điện tử hẹp (nhờ hệ diaphragm và thấu kính từ), rồi chiếu xuyên qua mẫu mỏng, từ đó tạo ra ảnh thật của vật trên màn huỳnh quang Trước tiên ta nói về cách tạo ra chùm điện tử

a) Cách tạo ra chùm điện tử

- Cách thứ nhất: Dùng ống cathode sợi đốt (Thermo-ionic gun)

Ống cathode là một sợi dây tóc được nung nóng đặt trong chân không, điện tử phát ra do

bị nung nóng (phát xạ nhiệt điện tử) Cường độ chùm điện tử phát ra sẽ tuân theo định luật Richardson:

ảnh của ống phóng điện tử tia Cathode

Hình 3 Ống phóng tia Cathode.

Điện tử phát ra từ filament sẽ đi đến một điện cực gọi là điện cực Wehnett có tác dụng như một thấu kính tĩnh điện, vừa tăng tốc sơ cấp, vừa có tác dụng định hướng chuyển động của chùm điện tử chuyển động theo một phương nhất định Và sau đó nó đi đến Anode và được tăng tốc Ta biết rằng, dưới thế tăng tốc V, điện tử thu được động năng E

vậy, nếu chưa tính đến hiệu ứng tương đối tính, bước sóng của điện tử có thể tính theo công thức:

Nếu thế tăng tốc lớn (cỡ trên 200 kV), vận tốc của điện tử rất lớn, và lúc đó hiệu ứng tương đối tính trở nên đáng kể, và ta phải sử dụng các hệ thức tương đối tính, do vậy bước sóng phải được tính theo công thức tổng quát:

Bảng dưới đây cho ta một cái nhìn về mối quan hệ giữa bước sóng, vận tốc và khối lượng

Bảng 1 Sự phụ thuộc của bước sóng, khối lượng và vận tốc điện tử vào thế tăng tốc (theo Williams and Carter, Transmission Electron Microscope, Vol I, pp.13).

V (kV)

Bước sóng (phi tương đối tính, nm)

Bước sóng (tương đối tính, nm)

Khối lượng (x m0)

Vận tốc (x10 8 m/s)

Ống tia cathode có ưu điểm là rẻ tiền, không đòi hỏi điều kiện chân không cao, nhưng có tuổi thọ không cao, đồng thời cường độ chùm điện tử cũng như độ kết hợp (hay độ "đơn sắc") của chùm điện tử không cao (xem bảng 2)

- Cách thứ hai: Sử dụng ống phát xạ trường (Field Emission Gun)

Đây là một cách đang dần phổ biến và thay thế ống phát tia cathode Thực chất, về mặt vật lý, nó có cùng bản chất với cách trên Nếu như tia cathode sử dụng năng lượng nhiệt

để giúp điện tử thoát ra khỏi bề mặt, thì ống phát xạ trường sử dụng điện trường để giúp điện tử thoát ra.

và không được ôxi hoá, do đó nó bắt buộc phải đặt trong chân không siêu cao (UHV - Ultra High Vacuum) Anode thứ hai có vai trò tăng tốc điện tử giống như trong ống cathode.Như bảng 1, với hiệu điện thế tăng tốc 100 kV, ta có thể tạo ra điện tử có bước sóng nhỏ tới 0,0038nm, tức là trên lý thuyết, ta có thể tạo ra độ phân giải tốt nhất đến 0,0038nm Tuy nhiên đó chỉ là trên lý thuyết vì ta không thể tạo được thấu kính từ hoàn hảo để có thể tập trung chùm điện tử với độ phóng đại cực lớn được

Bảng dưới đây so sánh các tính chất của hai loại súng phóng điện tử là ống cathode và ống phát xạ trường

Bảng 2 So sánh ống phóng tia cathode và ống phát xạ trường (PXT).

Đơn vị Tungsten LaB 6 PXT

Ta có thể thấy rõ ràng là ống phát xạ trường tốt hơn rất nhiều so với ống tia cathode:

- Hoạt động không cần nhiệt độ cao, do đó có độ bền (tuổi thọ) rất cao

- Độ "đơn sắc" rất cao, tức là độ sai lệch về bước sóng giữa các điện tử rất nhỏ, điều này cực kỳ hữu ích khi quan sát ảnh

nhiễu xạ điện tử

- Cường độ dòng điện tử cực lớn và tạo ra ảnh có độ sáng cao

Tuy nhiên, do phải hoạt động ở chân không siêu cao và công nghệ chế tạo phức tạp nên giá thành của ống phát xạ trường còn rất cao so với ống phát tia cathode, do đó hiện nay ống phát xạ trường vẫn chưa hoàn toàn thay thế cho ống tia cathode

b) Thấu kính từ (magnetic lens)

Hình 5 Cấu tạo của thấu kính từ.

Kính hiển vi quang học tạo ra ảnh thật lớn hơn vật rất nhiều lần thông qua thấu kính quang học (ví dụ như thấu kính thủy tinh) theo các nguyên lý khúc xạ của quang học Kính hiển vi điện tử cũng tạo ảnh theo các quy tắc khúc xạ quang học như thế, có điều là dùng thấu kính từ (xem hình 5) Và ta có quang học sóng điện tử Thấu kính từ hoạt động dựa trên nguyên lý lệch đường đi của điện tử trong từ trường dưới tác dụng của lực Lorentz Ta có thể dễ dàng tính bán kính quỹ đạo điện tử dưới tác dụng của lực Lorentz theo công thức:

với E, E0, B lần lượt là năng lượng của điện tử dưới thế tăng tốc V, năng lượng nghỉ và cảm ứng từ trong

Nhưng vậy, ta có thể điều khiển quỹ đạo của điện tử bằng cách điều khiển sự phân bố của

từ trường B trong khe từ tạo cho điện tử chuyển động giống như sự khúc xạ của ánh sáng trong thấu kính quang học Thấu kính từ thực chất là một hệ vòng dây cuốn trên lõi sắt từ mềm được làm lạnh bằng nước hoặc nito lỏng Khe từ tạo ra sẽ có từ trường phân bố thích hợp để điều khiển quỹ đạo của điện tử (xem hình 5 và 6)

Hình 6 Sự truyền qua của điện tử qua thấu kính từ.

Nhìn vào bảng 1, ta thấy rằng chỉ cần thế tăng tốc 100 kV, ta có thể có chùm điện tử với bước sóng nhỏ tới 0,0038 nm, có nghĩa là về mặt lý thuyết, ta có thể có kính hiển vi có độ phân giải tới 0,0038 nm Nhưng trên thực tế, việc tạo các thấu kính từ hoàn hảo là vô cùng phức tạp, do đó chưa thể có những thấu kính từ hoàn hảo cho độ phóng đại cao, và

độ phân giải chưa thể đạt tốt như lý thuyết

Hiện nay, người ta bắt đầu sử dụng các cuộn dây siêu dẫn làm thấu kính từ, bởi cuộn dây siêu dẫn có khả năng cho từ trường cực lớn trong phạm vi nhỏ gọn do vậy có thể tạo ra các thấu kính từ cực kỳ hoàn hảo Điểm yếu nhất của thấu kính từ sử dụng cuộn siêu dẫn

là khó điều khiển dòng điện dẫn đến việc khó điều khiển từ trường (tức là điều khiển tiêu cự)

c) Sự tạo ảnh trong TEM

Có ba kiểu tạo ảnh cơ bản (phổ biến) trong TEM đó là tạo hình ảnh thật của vật thể

(trường tối, trường sáng), tạo ảnh nhiễu xạ điện tử (electron diffraction) và ảnh cấu trúc domain (ảnh Lorentz)

- Tạo ảnh thật:

Hình 7 Tạo ảnh qua thấu kính: in focus (b) và defocus (a, c).

Ảnh thật của vật thể được tạo ra theo quy tắc quang hình học, tức là ta coi các chùm điện

tử như tia sáng chiếu qua vật, và khúc xạ qua thấu kính từ để tạo ảnh trên màn huỳnh quang Ảnh đó gọi là ảnh trường sáng (Bright Field Image) Ảnh có thể tạo ra trên đúng vị trí theo sự tạo hình quang học gọi là chế độ in focus, nhưng nếu ảnh thu trên màn không rơi vào mặt phẳng tạo ảnh mà ở trước hay sau, người ta gọi là chế độ defocus Defocus được sử dụng để quan sát ảnh Lorentz

Một kiểu tạo ảnh khác là ảnh trường tối (Dark Field Image), nhằm quan sát các độ tương phản khác nhau Nguyên lý của DF là tạo ảnh từ các chùm tia điện tử bị tán xạ theo những góc khác nhau (xem hình 8)

Hình 8 Tạo ảnh trường sáng (BF) và trường tối (DF).

Ảnh trường tối có thể cho các độ tương phản rõ giữa các hạt nhưng khó tạo ra ở độ phóng đại lớn, trong khi ảnh trường sáng dễ dàng tạo ra ở độ phóng đại lớn

- Tạo ảnh nhiễu xạ điện tử

Ta biết rằng, điện tử là một sóng, mà một sóng khi chiếu qua mẫu vật sẽ có sự nhiễu xạ trên các mặt phẳng tinh thể Tính tuần hoàn của các mặt tinh thể đóng vai trò như các cách tử nhiễu xạ, và nếu ta điều chỉnh màn ảnh tại vị trí mặt phẳng tiêu của kính ảnh, sẽ thu được ảnh nhiễu xạ điện tử

+ Phương pháp nhiễu xạ lựa chọn vùng điện tử (Selected Area Electron Diffraction - SAED): có thể hiểu đơn giản là dùng chùm điện tử song song chiếu vuông góc với mẫu Ảnh tạo ra giống như hình ảnh giao thoa quang học qua lỗ tròn, tức là gồm các vòng tròn đồng tâm (như vân Newton)

Hình 9 Ảnh SAED - các vân nhiễu xạ là các đường tròn đồng tâm (J Chapman et al.).

Nếu mẫu là đơn tinh thể, ảnh sẽ gồm các điểm sáng sắp xếp trên các vòng tròn đồng tâm Mỗi vòng tròn tương ứng với họ các mặt phẳng tinh thể Còn nếu mẫu là đa tinh thể , các vành sáng sẽ rõ nét là các vòng tròn sắc nét, còn nếu mẫu là vô định hình (do chỉ có trật

tự gần) thì hình ảnh là các vòng tròn nhưng không rõ nét (xem hình 9)

Phương pháp SAED là phương pháp dễ thực hiện, có thể xác định các hằng số mạng nhưng độ chính xác không cao, và khó xác định định hướng và tính đối xứng tinh thể.+ Phương pháp nhiễu xạ bằng chùm điện tử hội tụ (Convergent Beam Electron Diffraction

- CBED) Hiểu đơn giản là dùng chùm điện tử hội tụ chiếu xuyên qua mẫu để tạo ảnh nhiễu xạ (hình 10)

Hình 10 Tạo ảnh CBED.

Cách làm này khó thực hiện hơn, nhưng cho phép xác định cấu trúc tinh thể, đối xứng tinh thể và định hướng tinh thể với độ chính xác cao Ảnh nhiễu xạ là các điểm sáng rõ nét (nếu mẫu đơn tinh thể), tinh thể càng hoàn hảo càng rõ nét

Hình 11 Ảnh nhiễu xạ điện tử chùm hội tụ (CBED).

Trong hai phương pháp trên, để xác định cấu trúc tinh thể, ta có các công thức về nhiễu

2d.sin(θ)=λ hay 2sin(θ)=λd

Mặt khác ta có, do góc θ rất nhỏ, có thể tính xấp xỉ sin(θ)≈tan(θ)=xL với x,L lần lượt là khoảng cách từ vân trung tâm đến vị trí vân sáng, và khoảng cách từ thấu kính đến màn tạo ảnh (hình 12)

Do vậy, ta có công thức:

d=λ.L/(2.x)

Hình 12 Sự tạo ảnh nhiễu xạ theo quy tắc quang học

Như vậy, khi muốn tính toán dựa trên ảnh nhiễu xạ điện tử, ta cần biết các thông số:

- Bước sóng của điện tử (liên quan đến thế tăng tốc, xem ở phần trên)

- Khoảng cách L từ thấu kính từ trên màn (có thể xác định trong quá trình điều chỉnh máy)

- Khoảng cách x có thể đo trực tiếp từ trên ảnh nhiễu xạ

Ảnh nhiễu xạ điện tử cực kỳ quan trọng trong các phân tích cấu trúc nano Từ các dữ liệu

về nhiễu xạ điện tử, ta có thể xác định cấu trúc tinh thể các hạt nano, loại tinh thể, sự định hướng, các thông số mạng tinh thể từ đó cho ta các thông tin chính xác về hạt

- Ảnh cấu trúc domain (ảnh Fresnel)

Khi một mẫu sắt từ được phân chia thành các domain, tức là các mô men từ định hướng khác nhau trong các domain ấy Khi điện tử truyền qua mẫu đó, sẽ tán xạ khác nhau ở các vùng mà mô men từ định hướng khác nhau, người ta dựa trên sự lệch hướng của điện tử sau khi truyền qua đó để thu ảnh Fresnel cấu trúc domain (như hình vẽ dưới đây)

Hình 13 Sự tạo ảnh cấu trúc domain trong TEM (J Chapman et al.)

Để quan sát ảnh Fresnel, người ta thường đặt ở chế độ với độ phóng đại thấp, điều chỉnh thu ảnh ở chế độ defocus (xem hình 7) Ảnh Fresnel cho ta thông tin về cấu trúc domain của các vật liệu từ tính, đồng thời người ta có thể quan sát động học từ tính từ ảnh Fresnel nếu ta đặt thêm từ trường vào mẫu trong quá trình quan sát

d) Mẫu như thế nào thì có thể quan sát bằng TEM?

Phần này nói về việc phải xử lý mẫu như thế nào trước các phép đo đạc của TEM Ta biết

là điện tử là một chùm hạt, TEM hoạt động bằng cách chiếu xuyên qua mẫu, có nghĩa là hoàn toàn điện tử có thể bị tương tác với mẫu gây ra các hiệu ứng:

- Có điện tử bị bật ngược trở lại (điện tử tán xạ ngược)

- Phát ra tia X

- Mẫu hấp thụ điện tử

Có nghĩa là nếu mẫu dày quá thì điện tử khó mà xuyên qua được mẫu, như vậy đừng hòng

ta mong quan sát được gì Vậy, làm thế nào để có mẫu mỏng? Câu trả lời là phải xử lý thôi!

- Mài cơ học: Mài cơ học có thể cho các mẫu có độ dày tới xung quanh 50 m, và các phép mài tinh tế hơn có thể cho độ dày xuống cỡ 30 m

- Ăn mòn: Ăn mòn điện hóa, ăn mòn bằng chùm ion (hình 14)

- Hoặc cắt các lát cắt mỏng bằng chùm ion hội tụ (xem ảnh 15)