Thiết kế và mô phỏng cấu trúc vi cơ từ tính ứng dụng cho hệ hiển vi lực nguyên tử

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ CHU THỊ PHƢƠNG DUNG THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG CẤU TRÚC VI CƠ TỪ TÍNH ỨNG DỤNG CHO HỆ HIỂN VI LỰC NGUYÊN TỬ NGƢỜI HƢỚNG DẪN: TS NGUYỄN THĂNG LONG HÀ NỘI, 2007 MỞ ĐẦU Trong năm gần đây, công nghệ micro nano trở thành công nghệ mũi nhọn nhiều lĩnh vực quan trọng điện tử, lưu trữ thông tin, y sinh học… Một ví dụ điển hình công nghệ hệ vi điện tử - MEMS (Micro Electro Mechanical Systems), phát triển công nghệ vi điện tử với việc tích hợp, tiểu hình hoá thành phần cơ, nhiệt, quang…, tạo cách mạng ứng dụng như… ví dụ gia tốc, quay, gương vi Bên cạnh phát triển công nghệ vi chế tạo công nghệ vi điện tử công nghệ MEMS, công nghệ nano không ngừng quan tâm nghiên cứu Đây công nghệ đa dạng, từ việc phát triển vật liệu chức với cấu trúc thấp chiều cho tính carbon nanotube, nano composite, nano wire, nano dot… đến việc phát triển linh kiện kích thước nano single electron transistor, quantum dot hay nanoresonator Một công cụ quan trọng công nghệ micro nano nói chung kính hiển vi lực nguyên tử (Atomic Force Microscope - AFM), phát minh năm 1986 Binnig, Quate Gerber Đây công cụ cho phép ghi lại hình ảnh bề mặt, đo đạc phân tích tính chất thao tác với vật liệu kích thước từ micromét đến kích thước nguyên tử Kính hiển vi lực nguyên tử có độ phân giải cao, tốt 1000 lần so với giới hạn nhiễu xạ quang học Ngoài ra, AFM sử dụng để nghiên cứu số tương tác khác bề mặt mũi dò lực tương tác nguyên tử, lực ma sát, lực từ, lực tĩnh điện lực bám dính, Từ phát triển trên, hệ thống gọi với tên chung SPM (Scanning Probe Microscope) Với số kính hiển vi phân giải cao hiển vi điện tử truyền qua (TEM) khảo sát mẫu dẫn điện SPM sử dụng cho mẫu dẫn điện mẫu không dẫn điện Hơn nữa, SPM đặc biệt thích hợp để nghiên cứu mẫu sinh học môi trường lỏng Một thành phần quan trọng hệ thống SPM đầu dò (probe) Đầu dò thường mũi nhọn với kích thước nano (1-70 nm) gắn dầm (cantilever) cho phép cảm nhận lực tác động nhỏ từ bề mặt mẫu Sau thời gian sử dụng, đầu dò cần thay Tuy nhiên giá thành chúng tương đối cao, việc nghiên cứu thiết kế chế tạo đầu dò cần thiết Mục đích luận văn nhằm nghiên cứu thiết kế mô đầu dò phục vụ cho hệ thống SPM Đây bước quan trọng cần thiết trước thực công đoạn chế tạo Luận án tập trung vào nghiên cứu ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) sử dụng phần mềm ANSYS để thiết kế mô đầu dò Ngoài đầu dò thông thường dựa vật liệu Silic, hoạt động môi trường không khí, luận án tập trung vào việc thiết kế loại đầu dò đặc biệt, kích thích lực từ, cho phép thực phép đo môi trường lỏng Ngoài phần mở đầu kết luận, luận văn gồm chương: Chương I: Giới thiệu hệ hiển vi lực nguyên tử Trong đưa nguyên lý hoạt động chung lý thuyết hoạt động đầu dò Chương II: Các lý thuyết từ học phương pháp phần tử hữu hạn Chương III: Thiết kế kết mô cuối phần tài liệu tham khảo CHƢƠNG I: GIỚI THIỆU VỀ HỆ HIỂN VI LỰC NGUYÊN TỬ Cấu tạo hệ hiển vi lực nguyên tử Hình 1.1: Kính hiển vi lực nguyên tử AFM Kính hiển vi lực nguyên tử (Atomic Force Microscope - AFM) phát minh vào năm 1986 Gerd Binnig, Calvin F.Quate Christopher Herber Nguyên lý làm việc AFM đo lực tương tác bề mặt mẫu típ sử dụng đầu dò đặc biệt làm dầm đàn hồi với đầu típ nhọn phía cuối (hình 1.2) Lực đặt vào típ với bề mặt làm cong dầm Bằng việc đo độ uốn dầm ta tính lực tương tác típ mẫu Hình 1.2 Ảnh lược đồ đầu dò AFM Thông thường lực gồm thành phần vuông góc với bề mặt mẫu thành phần bên ( nằm mặt phẳng bề mặt mẫu ) Tương tác thực típ-mẫu phức tạp nhiều nhiên chất nhau: tip AFM bị hút mẫu khoảng cách xa bị đẩy khoảng cách nhỏ Bề mặt địa hình mẫu AFM thu cách ghi lại độ uốn cong dầm đàn hồi Trong kính hiển vi lực nguyên tử ta sử dụng phương pháp quang học để đo độ uốn cong dầm đàn hồi Hình 1.3 Lược đồ mô tả hệ thống quang học để dò độ cong dầm Hệ thống quang học chỉnh cho tia phát từ laser diode hội tụ vào dầm tia phản xạ đập vào tâm dò quang (photodetector) Bốn phần chia photodiode sử dụng dò quang nhạy vị trí Hình 1.4 Mối liên hệ độ biến dạng cong dầm thay đổi vị trí chấm laser phần photodiode Chùm sáng Laze chiếu qua thấu kính tập trung điểm cực nhỏ gáy lỗ cantilever, tia phản xạ đoạn đường dài đến đetectơ loe rộng thành hình tròn cỡ mm Khi cantilever chưa bị uốn cong, vết sáng hình tròn chiếu vào đetectơ quang điện Khi đầu dò lại gần nguyên tử bề mặt, lực tương tác nguyên tử làm lò xo bị uốn cong, vết sáng tròn dịch chuyển, hai nửa quang điện không dược chiếu nhau, dòng quang điện sinh chênh lệch tạo thành tín hiệu vi sai cho dòng điện lớn hay nhỏ tùy thuộc vào lò xo bị uốn cong nhiều hay ít, tức lực tương tác hai nguyên tử mạnh hay yếu Mẫu nghiên cứu gắn liền với quét điều khiển để đầu dò quét mẫu theo hai chiều x, y Dùng dòng quang điện khuếch đại vi sai để tạo ảnh bề mặt ứng với điểm sáng, tối Trong AFM thường dùng dòng quang điện phản hồi để điều khiển mẫu dịch chuyển lên, xuống theo trục z cho dòng quang điện không đổi Bằng cách vậy, đầu dò lượn theo độ mấp mô bề mặt trình quét Sử dụng số liệu x, y, z ta thu ảnh ba chiều bề mặt mức độ tinh vi thấy rõ nguyên tử bề mặt mẫu 1.1.1 Phần đầu dò Phần đầu dò cần áp điện (caltilever) Độ dày cần áp điện khoảng vài m Đầu tip phủ lớp vật liệu sắt từ Loại vật liệu thường dùng để phủ tip hợp kim Co Fe Để có độ phân giải tốt tip nhọn tốt Độ cao tip vào khoảng 10  15 m Sau phủ lớp sắt từ, tip phủ lớp mỏng vật liệu dẫn điện có tác dụng chủ yếu bảo vệ lớp từ tính Hiện có nhiều kỹ thuật chế tạo màng mỏng khác áp dụng để chế tạo đầu dò Caltilever phần tử cảm biến vi lực đóng vai trò chủ yếu hệ hiển vi lực nguyên tử Caltilever phải có tính lặp lại phép đo phải đủ mềm để nhạy cảm với lực nhỏ Thực nghiệm cho thấy, lực cần thiết cho phép đo vào cỡ 10-8 ÷ 10-11 N, giả sử độ nhạy phép đo cho độ lệch cantilever 1Ǻ caltilever phải có hệ số đàn hồi từ 0,1 đến 100 N/m Caltilever phải có tần số cộng hưởng cao để tránh tạo ảnh nhanh Hơn cantilever phải có tần số cộng hưởng cỡ 100 lần lớn tốc độ quét nhanh nhất: 10÷100 kHz Caltilever chế tạo vật liệu Si, Silic vô định hình, oxit silic SiO2 nitrit silic (Si3N4) với kích thước hình dạng khác Mũi dò (tip), cantilever giá đỡ chế tạo đơn tinh thể silic giảm thiểu thay đổi không quy luật nhiệt độ Loại caltilever tốt đo độ lệch nhỏ 2Ǻ Loại cantilever chữ nhật thường dùng để đo mẫu cứng loại cantilever hình tam giác thường sử dụng cho mẫu mềm  Lực tƣơng tác Lực, đại lượng građien tương tác, dễ dàng đo thiết bị vật lý Khi hai nguyên tử phân tử đặt sát lượng tương tác biểu diễn Lennard – Jones Lực hạt hàm khoảng cách chúng minh họa hình 1.5 Có hai miền, miền trái cực tiểu thế, hạt đẩy miền bên phải, hạt hút Hình 1.5: Dạng định tính Lennard Jones Hình học kính hiển vi lực không tương ứng với nguyên tử đặt sát mà giống cầu nhỏ đặt mặt phẳng Có thể xác định đường cong lực phụ thuộc khoảng cách cho mô hình Hình 1.5 cho thấy lực đẩy ứng với khoảng cách nhỏ lực hút ứng với khoảng cách lớn Phần lớn kính hiển vi lực hoạt động chế độ tiếp xúc hay chế độ lực đẩy Mặc dù lực nhỏ (10-7÷10-11N), song phá hủy bề mặt mẫu xảy Để tránh tác hại sử dụng chế độ lực hút tiếp xúc tip mẫu Lực hút hay lực Van Der Waals phát sinh tượng phân cực đám mây điện tử xung quanh hạt nhân nguyên tử Lực Van Der Waals cầu mặt phẳng thay đổi tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách tip - mẫu Trong kính hiển vi lực với tip kích thước cỡ nanomet, lực hút phân cực cảm ứng nhỏ lực mạnh từ điều khiển chuyển động tip Kính hiển vi lực thường hoạt động không khí ẩm nơi sinh tượng tĩnh điện Hơn nữa, độ ẩm không khí dẫn đến tạo thành lớp chất lỏng bề mặt tượng mao dẫn típ tiếp cận với lớp màng chất lỏng Lực mao dẫn lực tĩnh điện lực chủ yếu phân cực Van Der Waals Trong chế độ lực hút, tip quét bề mặt khoảng cách 50 ÷ 200 Ǻ Khoảng cách điều khiển điều chỉnh tần số cộng hưởng caltilever Đây đặc điểm quan trọng phương pháp giải thích sau: Hằng số đàn hồi k cantilever liên hệ với khoảng cách dịch chuyển z điểm mút caltilever lực F sau: F = kz 1.1 Tần số cộng hưởng ω caltilever với khối lượng m cho biểu = thức: 1.2 k /m Trạng thái giữ nguyên lực tác dụng lên caltilever không thay đổi theo vị trí z caltilever Nói chung, trường hợp không xảy Lực thay đổi theo khoảng cách tip mẫu Như vậy, ta viết sau: F = F0 + (F/z)z = kz 1.3 F0 = (k - F/z)z 1.4 Từ thấy rằng, số đàn hồi hiệu dụng thay đổi có gradient trường lực Khi đó, tần số cộng hưởng trở thành: = (k - F/z)/m 1.5 Sự thay đổi cho ta phương pháp điều chỉnh khoảng cách tip mẫu Vì gắn dao động điện áp nên caltilever dịch chuyển theo phương z cách giữ cho tần số cộng hưởng không đổi Điều có nghĩa tip dịch chuyển khoảng cách mà gradient lực không đổi Từ suy khoảng cách típ mẫu không đổi gradien hàm đơn trị khoảng cách z  Đo độ lệch caltilever Kính hiển vi lực nguyên tử không đo lực, đo độ lệch caltilever cực nhỏ Quan hệ tuyến tính thể phương trình 1.1 lực độ dài dịch chuyển cho phép ta sử dụng số liệu độ dịch chuyển để đo lực Có bảy (07) phương pháp để xác định độ lệch cantilever Hai phương pháp điện tử phương pháp tunnel điện dung Năm phương pháp quang học bao gồm homodyne, heterodyne, phản hồi laze-diot, phân cực phương pháp đo độ lệch quang học hay phương pháp đòn bẩy quang học - Phương pháp tunnel: Ngoài đầu dò với cantilever thông thường, phương pháp tunnel sử dụng đầu dò thứ hai đầu dò tunnel để điều khiển độ lệch cantilever Khi lực tác động lên đầu dò thay đổi cantilever bị uốn cong làm cho khoảng cách cantilever đầu dò tunnel thay đổi, dòng tunnel bị thay đổi tín hiệu vi sai sử dụng để điều khiển cantilever Phương pháp có nhược điểm đầu dò tunnel hoạt động bề mặt cantilever có khả dẫn điện Hệ thống điều khiển điện dung dựa thay đổi điện dung cantilever cực cố định cantilever bị lệch khỏi vị trí ban đầu - Phương pháp điện dung: Tương tự phương pháp tunnel, phương pháp điện dung cần cantilever dẫn điện hoạt động tụ điện - Kỹ thuật homodyne sử dụng hai photodetector trình điều khiển độ lệch cantilever chế độ vi sai, để đo tín hiệu laze dầu vào đo tín hiệu laze sau bị phản xạ bề mặt cantilever Phương pháp có ưu điểm khử tín hiệu nhiễu chùm laze - Phương pháp heterodyne: Hệ thống có điểm khác biệt sử dụng photodetector để thu tín hiệu vào tín hiệu sử dụng thêm hai bù Soleil Babinet Phương pháp khử tượng trôi tín hiệu lại không hoạt động chế độ chiều - Phương pháp phản hồ laze – diot: Có ưu điểm đơn giản gọn nhẹ so với tất hệ thống điều khiển quang học khác lại hoạt động chế độ vi sai - Phương pháp phân cực: Sử dụng lăng kính Wollaton lăng kính Calcite để phân cực ánh sáng trước sau phản xạ cantilever Hai photodetector sử dụng để thu chum ánh sáng phân cực tín hiệu vi sai điều khiển hoạt động cantilever - Phương pháp đòn bảy quang học: Sử dụng dụng cụ quang học mà độ lệch caltilever phát từ xa chùm laze Hệ thống sử dụng phổ biến chế độ tiếp xúc AFM hệ có khả thương mại 1.1.2 Hệ thống điều khiển Mạch hệ thống điều khiển AFM với hoạt động dầm chế độ tiếp xúc (hình vẽ) Hình 1.6 Hệ thống điều khiển AFM hoạt động chế độ tiếp xúc Hệ thống điều khiển bao gồm khối số học thực máy tính, khối tương tự, thường đứng riêng Khối số học bao gồm chuyển đổi số sang tương tự (DAC) tương tự sang số (ADC) Hai kênh số tương tự chuyển đổi DAC-X DAC-Y cung cấp quét mành mẫu Vòng lặp phản hồi gồm cấu trúc tiền khuếch đại PA định vị đầu đo AFM, khuếch đại vi phân (DA), khuếch đại điện cao A2 chuyển đổi áp điện để điều chỉnh giá trị độ cong dầm hay điều chỉnh lực tương tác típ -bề mặt.Trong trạng thái ban đầu khoá tương tự SW1 bị đóng SW2 mở Đầu tiên điều khiển chỉnh hệ thống quang học, hội tụ chấm laser vào dầm tối đa dòng tổng photodiode, cực tiểu hoá chênh lệch phần 10 photodiode đối diện Điện U0 xấp xỉ giá trị làm việc độ uốn dầm ΔZ (nó đựơc giữ không đổi nhờ hệ thống phản hồi) thực DAC-Set Sau thủ tục để típ-mẫu tiến gần mở: điều khiển từ DAC-SM đặt vào môtơ bước Trạng thái ban đầu điện vòng phản hồi ( xấp xỉ dòng chênh lệch phần photodiode dọc ) nhỏ giá trị đặt DAC-Set, máy quét mở rộng hết cỡ theo hướng típ Trong trình tip-mẫu tiến đến gần dầm bị cong, dòng photodiode vi phân tăng phạm vi hoạt động máy quét tối ưu hoá Môtơ bước điều khiển chuyển động mẫu phía típ đồng thời máy quét điều khiển xa mẫu ( phản hồi giữ dầm cong không đổi ) đến tận mặt phẳng bề mặt mẫu đặt vào vị trí tương ứng phạm vi hoạt động máy quét Sau kính hiển vi sẵn sàng hoạt động Cho điện hình cưa vào cực bên máy quét hình ống thông qua hai kênh chuyển đổi DAC-X DAC-Y hai kênh khuếch đại điện cao A4, A5 trình quét mẫu bắt đầu Trong trình quét mẫu giá trị dòng vi phân photodiode chọn điều khiển ( tương ứng với giá trị làm cong dầm) giữ không đổi Trong chế độ lực không đổi (Fz=const) điện cho vào cực Z máy quét tỉ lệ với địa hình bề mặt Giá trị thời gian thực điện U tỉ lệ với dòng photodiode vi phân, so sánh khuếch đại vi phân (DA) với giá trị U0 (đặt điều khiển) Điện vi phân (cũng gọi tín hiệu lỗi) ΔU =U-U0 khuếch đại A2 đặt vào cực Z bên máy quét Máy quét mở rộng hay thu hẹp (quy chiếu với vị trí thực đặt DAC-Z), phụ thuộc vào dấu tín hiệu ΔU, đến tiến tới Vì quét điện đặt vào cực Z máy quét tỉ lệ với độ dịch chuyển z thực máy quét để giữ khoảng cách tip-mẫu không đổi tức điều biến bề mặt chiều Z ADC ghi lại tín hiệu đầu khuếch đại vi phân thông tin địa hình bề mặt Trong điểm chọn mẫu độ uốn dầm phụ thuộc vào khoảng cách đầu dò-mẫu:ΔZ =f(z) Do khoá tương tự SW1 ngắt phản hồi, điện dạng cưa đặt vào cực Z máy quét từ DAC-Z Đồng thời điện lối tiền khuếch đại PA tỉ lệ với độ uốn dầm tỉ lệ với lực tương tác tip-mẫu ADC ghi lại Dữ liệu thu dạng đường cong ΔZ=f(z) hiển thị dạng đồ thị máy tính 11 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Phú Thùy, “Vật lý tượng từ”, Nhà xuất ĐHQGHN, 2003 [2] Phạm Hồng Quang, “Các phép đo từ”, Nhà xuất ĐHQGHN, 2007 [3] Phạm Ngọc Nguyên, “Giáo trình kỹ thuật phân tích vật lý”, Nhà xuất KHKT, 2004 [4] Nhóm tác giả Nguyễn Văn Phái, Trương Tích Thiện, Nguyễn Tường Long, Nguyễn Định Giang, “Giải toán kỹ thuật chương trình Ansys”, NXB KH&KT, 2003 [5] S Chikazumi, “Physics of Magnetism”, John Wiley and Sons, Inc., New York, 1964 [6] K.S.Birdi – “Scanning Probe Microscopes: Applications in Science and Technology”, CRC Press 2003 [7] E.Meyer, H.Hug, R Benneewitz – “Scanning Probe Microscopy: The Lab on a Tip” Springer-Verlag Berlin and Heidelberg GmbH & Co.K , 2003 [8] T.Sakurai, Y Watanabe - “Advances in Scanning Probe Microscopy”, Springer Verlag, 2000 [9] R Weisendanger – “Scanning Probe Microscopy and Spectroscopy: Methods and Applications”, Cambridge Univ.Pr, 1995 [10] R Weisendenger - “Scanning Probe Microscopy: Analytical Methods”, Springer Verlag, 1998 Nguồn internet : http://www.google.com http://www.ntmdt.com http://www1.ansys.com/customer/content/documentation/80/ansys/index.html 12 [...]... photodiode vi phân tăng và phạm vi hoạt động của máy quét được tối ưu hoá Môtơ bước điều khiển chuyển động của mẫu về phía típ và đồng thời máy quét điều khiển sự ra xa của mẫu ( trong khi phản hồi giữ thanh dầm cong không đổi ) đến tận khi mặt phẳng bề mặt mẫu đặt vào vị trí tương ứng ở giữa phạm vi hoạt động của máy quét Sau đó kính hiển vi sẵn sàng hoạt động Cho điện thế hình răng cưa vào các cực... của máy quét hình ống thông qua hai kênh chuyển đổi DAC-X và DAC-Y và hai kênh khuếch đại điện thế cao A4, A5 thế là quá trình quét mẫu được bắt đầu Trong quá trình quét mẫu giá trị dòng vi phân photodiode được chọn bởi bộ điều khiển ( tương ứng với giá trị làm cong thanh dầm) được giữ không đổi Trong chế độ lực không đổi (Fz=const) điện thế cho vào cực Z của máy quét tỉ lệ với địa hình bề mặt Giá trị... photodiode vi phân, được so sánh bởi bộ khuếch đại vi phân (DA) với giá trị U0 (đặt bởi bộ điều khiển) Điện thế vi phân (cũng có thể được gọi là tín hiệu lỗi) ΔU =U-U0 được khuếch đại bởi A2 và đặt vào cực Z bên trong của máy quét Máy quét mở rộng hay thu hẹp (quy chiếu với vị trí thực đặt bởi DAC-Z), phụ thuộc vào dấu của tín hiệu ΔU, đến khi tiến tới 0 Vì vậy trong khi quét điện thế đặt vào cực Z... diện Điện thế U0 xấp xỉ giá trị làm vi c của độ uốn thanh dầm ΔZ (nó đựơc giữ không đổi nhờ hệ thống phản hồi) được thực hiện bởi bộ DAC-Set Sau đó thủ tục để típ-mẫu tiến gần nhau được mở: thế điều khiển từ DAC-SM đặt vào môtơ bước Trạng thái ban đầu điện thế trong vòng phản hồi ( xấp xỉ dòng chênh lệch giữa các phần photodiode dọc ) nhỏ hơn giá trị đặt bởi bộ DAC-Set, và máy quét được mở rộng hết cỡ... được hiển thị dưới dạng đồ thị trên máy tính 11 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Phú Thùy, “Vật lý các hiện tượng từ , Nhà xuất bản ĐHQGHN, 2003 [2] Phạm Hồng Quang, “Các phép đo từ , Nhà xuất bản ĐHQGHN, 2007 [3] Phạm Ngọc Nguyên, “Giáo trình kỹ thuật phân tích vật lý”, Nhà xuất bản KHKT, 2004 [4] Nhóm tác giả Nguyễn Văn Phái, Trương Tích Thiện, Nguyễn Tường Long, Nguyễn Định Giang, “Giải bài toán cơ. .. tín hiệu đầu ra của khuếch đại vi phân là thông tin trên địa hình bề mặt Trong điểm được chọn của mẫu độ uốn của thanh dầm phụ thuộc vào khoảng cách đầu dò-mẫu:ΔZ =f(z) Do đó khoá tương tự SW1 ngắt phản hồi, điện thế dạng răng cưa được đặt vào cực Z của máy quét từ DAC-Z Đồng thời điện thế lối ra của bộ tiền khuếch đại PA tỉ lệ với độ uốn của thanh dầm hay là tỉ lệ với lực tương tác tip-mẫu được ADC