quan sát thao tac nano

 BÀI TIỂU LUẬN MÔN: CÔNG NGHỆ NANO VÀ ỨNG DỤNG ĐỀ TÀI: QUAN SÁT CÁC THAO TÁC NANO MỤC LỤC 2.1 Súng phóng điện tử 2.2 Các hệ thấu kính lăng kính 2.3 Các độ 10 Xử lý mẫu cho phép đo TEM .14 MỞ ĐẦU Ngày nay, ta tình cờ nghe vài vấn đề sản phẩm có liên quan đến hai chữ “nano” Ở khoảng nửa kỷ trước, thực vấn đề mang nhiều hoài nghi tính khả thi, thời đại ngày ta thấy công nghệ nano trở thành vấn đề thời quan tâm nhiều nhà khoa học Các nước giới bước vào chạy đua phát triển ứng dụng công nghệ nano Điều thể số công trình khoa học, số phát minh sáng chế, số công ty có liên quan đến khoa học, công nghệ nano gia tăng theo cấp số mũ Con số ước tính số tiền đầu tư vào lĩnh vực lên đến 8,6 tỷ đô la vào năm 2004 Cộng nghệ nano biết đến Việt Nam năm gần có nghiên cứu thành công lĩnh vực mẻ này, đặc biệt thành công bước đầu việc chế tạo vật liệu nano Nghiên cứu khoa học công nghệ vật liệu nano Việt Nam tiến sĩ Nguyễn Văn Hiệu phát động hội nghị vật lý chất rắn toàn quốc lần thứ hai năm 1997 sau hưởng ứng triển khai viện Khoa học vật liệu Với tầm quan trọng công nghệ nano, tiểu luận nhóm chúng em xin trình bày lĩnh vực nhỏ công nghệ nano quan sát thao tác nano hướng dẫn nhiệt tình thầy giáo Thạc sĩ Phạm Minh Tân Do hiểu biết chúng em hạn hẹp nên tránh khỏi thiếu sót tiểu luận, nhóm mong góp ý thầy tất bạn để tiểu luận hoàn chỉnh CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NANO Hạt nano gì? Hạt nano hạt có cỡ từ vài đến vài trăm nanomet, bao gồm hàng trăm đến hàng nghìn nguyên tử giống Do kích thước nhỏ nên tính chất lý hóa chúng bị phụ thuộc nhiều vào trạng thái bề mặt thể tích khối Trạng thái hạt tải tự hạt nano bị lượng tử hóa Đối với hạt nano tinh thể dạng cầu, điện tử lỗ trống bị cầm giữ ba chiều chuyển động hạt tải bị định học lượng tử, mức lượng hạt nano phụ thuộc vào kích thước hạt chúng Bằng cách khống chế kích thước hạt trình tổng hợp người ta thu hạt với tính chất mong muốn Chất lượng hạt nano định tính chất quan trọng sau: Các hạt nano tinh thể phải có cấu trúc tinh thể, chúng thường làm từ loại vật liệu Phân bố hình dạng đồng tốt Hình thái hạt phải có dạng đồng nhất, giống cho kim loại Các hạt nano tinh thể phân tán dung môi, phải áp dụng biện pháp để tránh tượng kết đám Các hạt nano tinh thể thường có dạng cầu, dạng khác thanh, trụ, lăng trụ, tứ giác… Vật liệu nano Vật liệu nano vật liệu chiều có kích thước nano mét Về trạng thái vật liệu, người ta phân chia thành ba trạng thái, rắn, lỏng khí Vật liệu nano tập trung nghiên cứu nay, chủ yếu vật liệu rắn, sau đến chất lỏng khí Về hình dáng vật liệu, người ta phân thành loại sau: Vật liệu nano không chiều (cả ba chiều có kích thước nano, không chiều tự cho điện tử), ví dụ, đám nano, hạt nano Vật liệu nano chiều vật liệu hai chiều có kích thước nano, điện tử tự chiều (hai chiều cầm tù), ví dụ, dây nano, ống nano, Vật liệu nano hai chiều vật liệu chiều có kích thước nano, hai chiều tự do, ví dụ, màng mỏng, Ngoài có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite có phần vật liệu có kích thước nm, cấu trúc có nano không chiều, chiều, hai chiều đan xen lẫn Công nghệ nano Công nghệ nanô hay nanotechnology ngành công nghệ liên quan đến việc thiết kế, phân tích, chế tạo ứng dụng cấu trúc, thiết bị hệ thống việc điều khiển hình dáng, kích thước quy mônanômét (nm, nm = 10-9 m) Công nghệ nano bao gồm vấn đề sau đây: Cơ sở khoa học nano Phương pháp quan sát can thiệp qui mô nm Chế tạo vật liệu nano Ứng dụng vật liệu nano Trong giới hạn tiểu luận nhóm tìm hiểu phương pháp quan sát can thiệp quy mô nm CHƯƠNG II: QUAN SÁT CÁC THAO TÁC NANO I Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM – Transmission Electron Microscope) Khái niệm Kính hiển vi điện tử truyền qua (tiếng Anh: transmission electron microscopy, viết tắt: TEM) thiết bị nghiên cứu vi cấu trúc vật rắn, sử dụng chùm điện tử có lượng cao chiếu xuyên qua mẫu vật rắn mỏng sử dụng thấu kính từ để tạo ảnh với độ phóng đại lớn (có thể tới hàng triệu lần), ảnh tạo huỳnh quang, hay film quang học, hay ghi nhận máy chụp kỹ thuật số Hình 1.1Kính hiển vi điện tử truyền qua TECNAI T20 Khoa Vật lý Thiên văn, Đại học Glasgow Ta biết kính hiển vi quang học sử dụng ánh sáng khả kiến để quan sát vật nhỏ, độ phân giải kính hiển vi quang học bị giới hạn bước sóng ánh sáng khả kiến, cho phép nhìn thấy vật có kích thước nhỏ Một điện tử chuyển động với vận tốc v, có xung lượng tương ứng với sóng có bước sóng cho hệ thức de Broglie: , Ta thấy bước sóng điện tử nhỏ nhiều so với bước sóng ánh sáng khả kiến nên việc sử dụng sóng điện tử thay cho sóng ánh sáng tạo thiết bị có độ phân giải tốt nhiều kính hiển vi quang học Năm 1931, lần Ernst August Friedrich Ruska với kỹ sư điện Max Knoll lần dựng nên mô hình kính hiển vi điện tử truyền qua sơ khai, sử dụng thấu kính từ để tạo ảnh sóng điện tử Thiết bị thực xây dựng vào năm 1938 Albert Presbus James Hillier (1915-2007) Đại học Toronto (Canada) thiết bị hoàn chỉnh thực Nguyên tắc tạo ảnh TEM gần giống với kính hiển vi quang học, điểm khác quan trọng sử dụng sóng điện tử thay cho sóng ánh sáng thấu kính từ thay cho thấu kính thủy tinh Cấu tạo nguyên lý làm việc kính hiển vi điện tử truyền qua Đối tượng sử dụng TEM chùm điện tử có lượng cao, cấu kiện TEM đặt cột chân không siêu cao tạo nhờ hệ bơm chân không (bơm turbo, bơm iôn ) 2.1 Súng phóng điện tử Hình 1.2Cấu tạo súng phóng điện tử Trong TEM, điện tử sử dụng thay cho ánh sáng (trong kính hiển vi quang học) Điện tử phát từ súng phóng điện tử Có hai cách để tạo chùm điện tử: Sử dụng nguồn phát xạ nhiệt điện tử: Điện tử phát từ catốt đốt nóng (năng lượng nhiệt đốt nóng cung cấp cho điện tử động để thoát khỏi liên kết với kim loại Do bị đốt nóng nên súng phát xạ nhiệt thường có tuổi thọ không cao độ đơn sắc chùm điện tử thường Nhưng ưu điểm rẻ tiền không đòi hỏi chân không siêu cao Các chất phổ biến dùng làm catốt W, Pt, LaB6 Sử dụng súng phát xạ trường (Field Emission Gun, TEM sử dụng nguyên lý thường viết FEG TEM): Điện tử phát từ catốt nhờ điện lớn đặt vào nguồn phát điện tử có tuổi thọ cao, cường độ chùm điện tử lớn độ đơn sắc cao, có nhược điểm đắt tiền đòi hỏi môi trường chân không siêu cao Sau thoát khỏi catốt, điện tử di truyển đến anốt rỗng tăng tốc tăng tốc V (một thông số quan trọng TEM) Lúc đó, điện tử thu động năng: Và xung lượng p cho công thức: Như vậy, bước sóng điện tử quan hệ với tăng tốc V theo công thức: Với tăng tốc V = 100 kV, ta có bước sóng điện tử 0,00386 nm Nhưng với tăng tốc cỡ 200 kV trở nên, vận tốc điện tử trở nên đáng kể so với vận tốc ánh sáng, khối lượng điện tử thay đổi đáng kể, phải tính theo công thức tổng quát (có hiệu ứng tương đối tính): 2.2 Các hệ thấu kính lăng kính Vì TEM sử dụng chùm tia điện tử thay cho ánh sáng khả kiến nên việc điều khiển tạo ảnh không thấu kính thủy tinh mà thay vào thấu kính từ Thấu kính từ thực chất nam châm điện có cấu trúc cuộn dây lõi làm vật liệu từ mềm Từ trường sinh khe từ tính toán để có phân bố cho chùm tia điện tử truyền qua có độ lệch thích hợp với loại thấu kính Tiêu cự thấu kính điều chỉnh thông qua từ trường khe từ, có nghĩa điều khiển cường độ dòng điện chạy qua cuộn dây Vì có dòng điện chạy qua, cuộn dây bị nóng lên cần làm lạnh nước nitơ lỏng Hình1.3 Nguyên lý hoạt động thấu kính từ TEM Trong TEM, có nhiều thấu kính có vai trò khác nhau: - Hệ kính hội tụ tạo chùm tia song song Đây hệ thấu kính có tác dụng tập trung chùm điện tử vừa phát khỏi súng phóng điều khiển kích thước độ hội tụ chùm tia Hệ hội tụ C1 có vai trò điều khiển chùm tia vừa phát khỏi hệ phát điện tử tập trung vào quỹ đạo trục quang học Khi truyền đến hệ C2, chùm tia điều khiển cho tạo thành chùm song song (cho CTEM) thành chùm hội tụ hẹp (cho STEM, nhiễu xạ điện tử chùm tia hội tụ) nhờ việc điều khiển dòng qua thấu kính điều khiển độ lớn độ hội tụ C2 - Vật kính:Là thấu kính ghi nhận chùm điện tử từ mẫu vật điều khiển cho vật vị trí có khả lấy nét độ phóng đại hệ thay đổi Vật kính có vai trò tạo ảnh, việc điều chỉnh lấy nét thực cách thay đổi dòng điện chạy qua cuộn dây, qua làm thay đổi tiêu cực thấu kính - Thấu kính nhiễu xạ: Có vai trò hội tụ chùm tia nhiễu xạ từ góc khác tạo ảnh nhiễu xạ điện tử mặt phẳng tiêu thấu kính - Thấu kính Lorentz : Được sử dụng kính hiển vi Lorentz để ghi ảnh cấu trúc từ vật rắn Thấu kính Lorentz khác vật kính thông thường việc có tiêu cự lớn vị trí lấy nét vị trí mà chùm tia điện tử truyền qua hội tụ mặt phẳng tiêu sau, trùng với mặt phẳng độ vật kính Thấu kính Lorentz thường bị đặt xa để đủ khả ghi góc lệch từ tính (vốn nhỏ) - Thấu kính phóng đại: Là hệ thấu kính sau vật kính, độ phóng đại hệ thay đổi cách thay đổi tiệu cự thấu kính Ngoài ra, TEM có hệ lăng kính có tác dụng bẻ đường điện tử để lật ảnh điều khiển việc ghi nhận điện tử phép phân tích khác 2.3 Các độ Là hệ thống chắn có lỗ với độ rộng thay đổi nhằm thay đổi tính chất chùm điện tử khả hội tụ, độ rộng, lựa chọn vùng nhiễu xạ điện tử Khẩu độ hội tụ :Là hệ độ dùng với hệ thấu kính hội tụ, có tác dụng điều khiển hội tụ chùm tia điện tử, thay đổi kích thước chùm tia góc hội tụ chùm tia, thường mang ký hiệu C1 C2 Khẩu độ vật : Được đặt phía bên vật có tác dụng hứng chùm tia điện tử vừa xuyên qua mẫu vật nhằm: thay đổi độ tương phản ảnh, lựa chọn chùm tia góc lệch khác (khi điện tử bị tán xạ truyền qua vật) Khẩu độ lựa chọn vùng: Được dùng để lựa chọn diện tích vùng mẫu vật ghi ảnh nhiễu xạ điện tử, dùng sử dụng kỹ thuật nhiễu xạ điện tử lựa chọn vùng 10 - Quét kính hiển vi đường hầm (STM) biện pháp dòng điện yếu chạy đầu nhọn mẫu họ tổ chức xa Quét kính hiển vi quang học Near-Field (NSOM) quét nguồn sáng nhỏ gần với mẫu Phát lượng ánh sáng tạo hình ảnh NSOM cung cấp độ phân giải thấp so với kính hiển vi ánh sáng thông thường Ưu điểm nhược điểm SPM Ưu điểm: Quét kính hiển vi dò cung cấp cho nhà nghiên cứu với nhiều loại lớn môi trường quan sát mẫu cách sử dụng kính hiển vi tương tự, mẫu vật làm giảm thời gian cần thiết để chuẩn bị nghiên cứu mẫu vật Đầu dò đặc biệt, cải tiến sửa đổi để quét dụng cụ thăm dò tiếp tục cung cấp nhanh hơn, hiệu tiết lộ hình ảnh mẫu với nỗ lực nhỏ sửa đổi Nhược điểm: Một nhược điểm kính hiển vi quét đầu dò hình ảnh sản xuất màu đen trắng màu xám mà số trường hợp phóng đại mẫu vật hình dạng kích thước thực tế Máy tính sử dụng để bù đắp cho cường điệu sản xuất màu sắc hình ảnh thời gian thực mà nhà nghiên cứu cung cấp thông tin thời gian thực bao gồm tương tác cấu trúc tế bào, phản ứng hài hòa lượng từ trường Và nhà nghiên cứu tiếp tục cải thiện mở rộng khả kính hiển vi quét đầu dò phát triển công nghệ bao gồm thiết bị quan sát tốt hơn, cải thiện phân tích liệu, thiết bị chế biến Ngoài ra, vi thao tác phân tử, DNA, sinh học mẫu vật hữu sử dụng dụng cụ xác tạo hiểu biết lớn phương pháp để: • Điều trị bệnh • Sản xuất • Thiên văn học 30 • Vật lý • Năng lượng Kính hiển vi quét đầu dò kính hiển vi nghiên cứu cải thiện nhiều cách phát minh kính hiển vi cải thiện giới Như SPMs tiếp tục phát triển công cụ chuyên biệt phát triển mở đường cho nghiên cứu phát triển Do đó, lĩnh vực công nghệ nano trở thành tất hấp dẫn Kính Hiển vi lực nguyên tử AFM (Atom Force Microscope) AFM lần phát triển vào năm 1985 để khắc phục nhược điểm STM thực mẫu dẫn điện, G Binnig, C F Quate Ch Gerber, đến năm 1987, T Albrecht lần phát triển AFM đạt độ phân giải cấp độ nguyên tử, năm MFM phát triển từ AFM Năm 1988, AFM thức phát triển toàn diện Park Scientific (Stanford, Mỹ) 4.1 Khái niệm Kính hiển vi lực nguyên tử hay kính hiển vi nguyên tử lực (tiếng Anh: Atomic force microscope, viết tắt AFM) thiết bị quan sát cấu trúc vi mô bề mặt vật rắn dựa nguyên tắc xác định lực tương tác nguyên tử đầu mũi dò nhọn với bề mặt mẫu, quan sát độ phân giải nanômét, sáng chế Gerd Binnig, Calvin Quate Christoph Gerber vào năm 1986 AFM thuộc nhóm kính hiển vi quét đầu dò hoạt động nguyên tắc quét đầu dò bề mặt 4.2 Nguyên lý hoạt động AFM Bộ phận AFM mũi nhọn gắn rung (cantilever) Mũi nhọn thường làm Si SiN kích thước đầu mũi nhọn nguyên tử Khi mũi nhọn quét gần bề mặt mẫu vật, xuất lực Van der Waals cácnguyên tử bề mặt mẫu nguyên tử đầu mũi nhọn (lực nguyên tử) làm rung cantilever Lực phụ thuộc vào khoảng 31 cách đầu mũi dò bề mặt mẫu Dao động rung lực tương tác ghi lại nhờ tia laser chiếu qua bề mặt rung, dao động rung làm thay đổi góc lệch tia lase detector ghi lại Việc ghi lại lực tương tác trình rung quét bề mặt cho hình ảnh cấu trúc bề mặt mẫu vật Hình 4.1: Nguyên lý hoạt động AFM Trên thực tế, tùy vào chế độ loại đầu dò mà tạo lực khác hình ảnh cấu trúc khác Ví dụ lực Van der Waals cho hình ảnh hình thái học bề mặt, lực điện từ cho cấu trúc điện từ (kính hiển vi lực từ), hay lực Casmir, lực liên kết hóa học, dẫn đến việc ghi lại nhiều thông tin khác bề mặt mẫu 4.3 Chế độ ghi ảnh 32 AFM hoạt động nhiều chế độ khác nhau, chia thành nhóm chế độ: Chế độ tĩnh (Contact mode), chế độ động (Non-contact mode) chế độ đánh dấu (Tapping mode) Chế độ tiếp xúc ( chế độ tĩnh ):Chế độ contact chế độ mà khoảng cách đầu mũi dò bề mặt mẫu giữ không đổi trình quét, tín hiệu phản hồi từ tia laser tín hiệu tĩnh Ở khoảng cách này, lực hút trở nên mạnh cantilever bị kéo lại gần bề mặt (gần tiếp xúc) Tuy nhiên, điều khiển phản hồi điều chỉnh để khoảng cách mũi bề mặt không đổi suốt trình quét Chế độ không tiếp xúc (chế độ động): Chế độ động (hay chế độ không tiếp xúc) chế độ mà cantilever bị kích thích ngoại lực, dao động với tần số gần với tần số dao động riêng Tần số, biên độ pha dao động bị ảnh hưởng tương tác mẫu mũi dò, có thêm nhiều thông tin mẫu biến điệu tín hiệu Chế độ không tiếp xúc kỹ thuật tạo ảnh độ phân giải cao thực AFM môi trường chân không cao Phân tích phổ AFM: Vì AFM hoạt động dựa việc đo lực tác dụng nên có chế độ phân tích phổ, gọi phổ lực AFM (force spectrocopy), phổ phân bố lực theo khoảng cách [2]: lực Van der Waals, lực Casmir, lực liên kết nguyên tử với thời gian hồi đáp nhanh cỡ ps (10−12giây), độ xác tới pN (10−12 Newton) độ phân giải khoảng cách tới 0,1 nm Các phổ cung cấp nhiều thông tin cấu trúc nguyên tử bề mặt liên kết hóa học 4.4 Ưu điểm nhược điểm AFM Ưu điểm: AFM khắc phục nhược điểm STM, chụp ảnh bề mặt tất loại mẫu kể mẫu không dẫn điện AFM không đòi hỏi môi trường chân không cao, hoạt động môi trường bình thường 33 AFM tiến hành thao tác di chuyển xây dựng cấp độ nguyên tử, tính mạnh cho công nghệ nano Đồng thời AFM hoạt động mà không đòi hỏi phá hủy hay có dòng điện nên hữu ích cho tiêu sinh học Nhược điểm: AFM quét ảnh diện tích hẹp (tối đa đến 150 micromet) Tốc độ ghi ảnh chậm hoạt động chế độ quét Chất lượng ảnh bị ảnh hưởng trình trễ quét áp điện Đầu dò rung bề mặt nên an toàn, đồng thời đòi hỏi mẫu có bề mặt chống rung Hiển vi tunen (STM – Scanning Tuneling Microscope) 5.1 Lịch sử phát triển Lịch sử STM năm 1981 với thí nghiệm trình chui hầm môi trường không khí thực Gerd Binnig Heinrich Rohrer (IBM, Zürich) nâng cấp hiệu ứng chân không, kết hợp với trình quét để tạo STM vào năm 1982 STM hoàn chỉnh vào cuối năm 1982 bắt đầu thương mại hóa Lý thuyết trình chui hầm STM phát triển N García, C Ocal, F Flores ( Đại học Autónoma, Madrid, Tây Ban Nha ) từ năm 1983 nhóm J Tersoff D R Hamann (AT&T Bell Laboratories, Murray Hill, New Jersey) vào năm 1984 Năm 1986, G Binnig H Rohrer hoàn thiện hệ STM thứ giành giải Nobel Vật lý cho phát minh 5.2 Khái niệm Kính hiển vi quét chui hầm (tiếng Anh: Scanning tunneling microscope, viết tắt STM) loại kính hiển vi phi quang học, sử dụng để quan sát hình thái học bề mặt vật rắn hoạt động dựa việc ghi lại dòng chui hầm điện tử sử dụng mũi dò quét bề mặt mẫu STM công cụ mạnh ðể quan sát cấu trúc bề mặt vật rắn với ðộ phân giải tới cấp ðộ nguyên tử 34 5.3 Cấu tạo máy STM Hình 5.1: Sơ đồ cấu tạo hiển vi điện tử STM Gồm phần: Mẫu: Thường đặt chân không cao để tránh bị làm bẩn Đầu dò: Được gắn gốm áp điện v dịch chuyển theo phương có điện trường đặt gốm Mũi dò: Được đặt sát bề mặt mẫu đến nức xuất dòng điện tử ngầm mũi dò mẫu - Khoảng cách đầu dò mẫu phải giữ cố định khoảng 1/100 đường kính nguyên tử - Khi quét đầu dò lên vùng nhỏ bề mặt mẫu, di chuyển ghi lại hình ảnh bề mặt biểu hình 5.4 Nguyên lý hoạt động Dựa chế tượng xuyên ngầm 35 Hình 5.2: Hiện tượng xuyên hầm STM Mũi dò mẫu tạo thành cực điện Mũi dò đặt sát bề mặt mẫu dẫn điện tới mức xuất dòng điện tử chui hầm mũi dò mẫu Dòng điện tử chui hầm phụ thuộc vào khoảng cách tip - mẫu Nếu mẫu dẫn điện có cấu trúc điện tử mật độ trạng thái đồng đầu dò quét diện tích nhỏ bề mặt theo phương x, y, I thu dòng điện tích chui hầm I vị trí đó, tập hợp giá trị x, y, I tạo nên ảnh địa hình bề mặt Hình 5.3: Tip quét theo phương x, y 36 Nếu mẫu phẳng, khoảng cách tip - mẫu không đổi, -> dòng liên quan đến thay đổi cấu trúc điện, mật độ trạng thái mẫu Khi khoảng cách tip - mẫu vào khoảng 0.5 - nm hàm sóng điện tử tip-mẫu phủ nhau, tạo khả điện tử vượt qua rào tới tip hay mẫu -> tượng xuyên hầm Có chế độ hoạt động là: Dòng không đổi độ cao không đổi: Ở chế độ dòng không đổi: Dòng tip - mẫu không đổi qua hệ thống điều khiển phản hồi, tip dịch chuyển theo h ướng x, y, z tuân theo địa hình bề mặt, độ thay đổi theo chiều cao (z) sử dụng để tạo địa hình Hình5.4: Chế độ dòng không đổi Ở chế độ chiều cao không đổi , vị trí z tip giữ không đổi, dòng tip - mẫu nhận nhờ hệ thống thu tip quét bề mặt mẫu Trong trường hợp độ biến thiên dòng phản ánh địa hình bề mặt mẫu 37 Hình5.5: Chế độ chiều cao không đổi 5.5 Ưu điểm , nhược điểm STM Ưu điểm: Có thể hoạt động môi trường chân không ,không khí , dầu, nước Xác định vị trí nguyên tử bề mặt mẫu, dựa vào xác điịnh cấu trúc mẫu Có thể sử dụng kĩ thuật khắc với độ phân giải cỡ nguyên tử cách cọ xát bề mặt mẫu dùng dòng xuyên ngầm đốt bề mặt mẫu Nhược điểm: Chỉ dùng cho mẫu dẫn điện Thiết bị có giá thành cao Thời gian thực thí nghiệm dài Đầu dò có độ bề không cao Sự rung động đóng vai trò quan trọng: Do khoảng cách tip mẫu nhỏ, cần nhiễu loạn nhỏ làm sai kết cần đo Độ nhọn tip : Xác định độ phân giải hình ảnh Đầu dò lớn dẫn đến tượng chui hầm xuất khu vực lớn: Độ phân giải Chế tạo tip có kích thước cỡ nguyên tử 38 5.6 Ứng dụng Định hướng nguyên tử: Nghiên cứu tính chất bề mặt vật liệu, cấu trúc nguyên tử GaSa (110) Phổ học Ứng dụng công nghệ khắc, sản xuất nguyên tử với độ phân giải cấp nguyên tử: Dùng mũi nhọn cọ xát trực tiếp với bề mặt, dùng dòng tunnel để đốt bề mặt Ứng dụng hóa học, sinh học hữu cơ, khảo sát bề mặt, vi điện tử… Hiển vi quang học quét trường gần (NSOM – Near Field Scanning Optical Microscope) 6.1 Lịch sử Năm 1928, Edward Hutchinson Synge đề cử ý tưởng loại kính hiển vi quang học có khả phân giải tốt so với kính truyền thống khai thác tín hiệu phù du bề mặt mẫu vật Tuy nhiên, thiết kế sau gặp phải khó khăn điều kiện kỹ thuật chưa cho phép khó khăn việc điều chỉnh detector Năm 1956, John A O'Keefe gặp phải khó khăn tương tự nghiên cứu kỹ thuật khó sử dụng độ nhỏ để quét chùm sáng mẫu vật vùng nhỏ gần bề mặt Tới năm 1972, Ash Nicholls vượt qua thuyết giới hạn nhiễu xạ Abbe , nhờ sử dụng xạ sóng ngắn với bước sóng khoảng cm, độ phân giải λo/60 (bước sóng xạ/60) khoảng 0,05 cm hay micromet (do xạ thử nghiệm sóng dài nên độ phân giải không cao) Một thập kỷ sau đó, Pohl đưa ý tưởng dạng quang học trường gần vào năm 1984, xạ nhìn thấy (ánh sáng khả kiến) sử dụng để phát triển kính hiển vi quang học quét trường gần sơ khai, gọi tắt kỹ thuật NFO (near-field optics) Các thí nghiệm liên tiếp vào năm 1986 sau chứng minh kính hiển vi quang học quét trường gần có khả phân giải tốt nhiều kính hiển vi quang học truyền thống, vào khoảng 50 nm Ngày nay, kính hiển vi quang học quét trường gần thương mại hóa trở nên đại độ phân giải ngày tăng lên 39 6.2 Khái niệm Kính hiển vi quang học quét trường gần (near-field scanning optical microscope, viết tắt NSOM SNOM) kỹ thuật soi kính hiển vi cho phép nghiên cứu cấu trúc nano với độ phân giải vượt qua giới hạn phân giải (giới hạn nhiễu xạ; diffraction-limited system) cách ứng dụng tính chất sóng suy biến (evanescent wave) Kỹ thuật thực cách đặt đầu dò gần với mẫu (khoảng cách đầu dò mẫu nhỏ nhiều lần so với bước sóng λ) Nó cho phép quan sát bề mặt mẫu với độ phân giải hình ảnh cao (độ phân giải không gian , độ phân giải thời gian độ phân giải xạ) Với kỹ thuật này, độ phân giải hình ảnh bị giới hạn kích thước lỗ dò không phụ thuộc vào bước sóng tia sáng đầu dò Đặc biệt đạt độ phân giải ngang 20nm độ phân giải dọc từ 2-5 nm Hình 6.1: Hiển vi quang học quét trường gần NSOM Đối với kính hiển vi quang học thông thuờng ánh sáng từ mẫu phải đoạn đuờng tới vật kính để tạo ảnh nên gọi cách đầy đủ hiển vi quang học trường xa Tuy nhiên, ánh sáng chiếu đến mẫu có sóng ánh sáng đinh xứ sát bề mặt mẫu không xa đuợc Truờng sáng gần phản ánh chi tiết bề mặt mẫu Người ta bố trí đầu dò để dò đuợc ánh sáng định xứ bề mặt đo đuợc chỗ mạnh, chỗ yếu Cho đầu 40 dò quét bề mặt mẫuvà dùng cuờng độ sáng mà đâu dò thu đuợc để làm thay đổi độ sáng điểm ảnh hình Ảnh gọi ảnh truờng sáng gần bề mặt mẫu tạo cách quét nên có tên gọi hiển vi quang học quét truờng gần 6.3 Cấu tạo nguyên lí hoạt động Đầu dò: Có hai loại đầu dò đầu dò mũi nhọn đầu dò có lỗ Hình 6.2: Đầu dò mũi nhọn ( trái ), đầu dò có lỗ ( phải ) + Đầu dň mũi nhọn: Loại đầu dò sợi quang đuợc cắt ngang dùng cách ăn mòn để có mũi nhọn nhô Khi chiếu ánh sáng Laze vào mẫu đưa mũi nhọn quét sát gần bề mặt mẫu Ánh sáng truờng gần đến mũi nhọn đuơc dẫn theo cáp quang đẻ tạo ảnh theo phuơng pháp quét + Đầu dò có lỗ đuợc làm từ sợi quang, đầu sợi quang nhọn đuợc phủ lên lớp kim loại mỏng đủ ngăn không cho ánh sáng lọt qua chừa trốg đầu mũi diện tích tròn, lỗ để ánh sáng lọt qua Đưa đầu dò vào sát bề mặt mẫu, ánh sáng Laze theo sợi quang qua lỗ chiếu vào mẫu, ánh sáng truờng gần lọt 41 qua lỗ nguợc theo sợi quang đến máy đo Như ta thu đuợc ánh sáng truờng gần điểm mẫu Hình 6.3: Nguyên tắc làm việc đầu dò kính hiển vi quang học NSOM Kính hiển vi quang học gần dùng quét trường gần dùng quét áp điện để quét đầu dò thu ánh sáng truờng gần để tạo ảnh Hiển vi quang học quét trường gần độ phân giải cao hiển vi lực nguyên tử , hiển vi tunen Nhưng ưu điểm mẫu không cần dẫn điện, đầu dò không tác dụng lực không làm hỏng bề mặt mẫu hiển vi lực nguyên tử Năng suất phân giải hiển vi quang học quét trường gần vào kích cỡ nhạy cảm đầu dò Cũng kính hiển vi quang học, dùng ánh sáng nên hiển vi quang học quét trường gần mẫu cứng hay mềm, khô hay ướt quan sát không làm hư hại Hơn ánh sáng trường gần từ bề mặt mẫu dẫn đén máy phân tích quang phổ đẻ phân tích, đặc biệt phân tích theo phổ Raman đẻ biết thành phần Đó phép phân tích diện tích cỡ nhỏ micromet vuông Bộ quét áp điện đưa đầu dò quét diện tích 60×60μm với độ xác đến nm đưa đầu dò lên xuống bề mặt mẫu Kính thường làm việc đầu dò cách bề mặt mẫu vài nm 6.4 Ưu điểm,Nhược điểm NSOM Ưu điểm: 42 Kính hiển vi quang học quét trường gần có khả ghi ảnh với độ phân giải cao, lên tới 20 - 50 nm (ngang - x,y) khoảng - nm (đứng - z) Do đó, NSOM hữu dụng nghiên cứu chiều cao mẫu vật, đặc biệt quan trọng công nghiệp bán dẫn Hơn nữa, độ phân giải thoát khỏi hạn chế giới hạn nhiễu xạ gây kính trường xa, phụ thuộc vào kích thước độ bước quét mũi dò Khả ghi lại phổ: phổ lực, phổ Raman với độ xác cao Có khả ghi ảnh topo (topography) bề mặt mẫu nhằm phân biệt phân bố thành tố mẫu vật Nhược điểm: Bị giới hạn nghiên cứu bề mặt mẫu vật Ánh sáng phát mũi dò thường yếu mũi dò nhỏ, đồng thời bước quét ngắn nên tốc độ ghi ảnh NSOM cực chậm, gây hạn chế cho kiểu quay hình động (có thể tới vài chục phút để có ảnh chất lượng tốt Sự phát triển ăng ten quang học nano (nantenna) hứa hẹn bổ sung cho yếu điểm Giá thành NSOM nằm mức cao 6.5 Ứng dụng NSOM có ứng dụng lớn côn nghệ khắc nano ứng dụng sinh học, bán dẫn chưa phổ biến loại kính hiển vi quang học thông thường giá thành cao điều khiển phức tạp KẾT LUẬN Qua trình làm tiểu luận giúp chúng em rút kết luận sau: Biết tổng quan chấm lượng tử bán dẫn Biết thao tác quan sát như: Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM – Transmission Electron Microscope) 43 Kính hiển vi điện tử quét (SEM - Scanning Electron Microscope) Hiển vi điển tử quét truyền qua (STEM – Scanning Transmission Electron Microscope) Hiển vi quét đầu dò (SPM – Scanning Probe Microscope) Kính Hiển vi lực nguyên tử AFM (Atom Force Microscope) Hiển vi tunen (STM – Scanning Tuneling Microscope) Hiển vi quang học quét trường gần (NSOM – Near Field Scanning Optical Microscope) TÀI LIỆU THAM KHẢO http://www.rodenburg.org/guide/index.html http://en.wikipedia.org/wiki/Scanning_electron_microscope http://www.msm.cam.ac.uk/doipoms/tlplip/tem/index.php Giáo trình ứng dụng phát xạ điện tử, nxb Hồ Chí Minh, 2010, Phạm Thanh Tâm Công nghệ nano điều khiển đến phân tử, nguyên tử,nxb Khoa Học Kỹ Thuật, 2004,Vũ Đình Cự, Nguyễn Xuân Chánh 44 ... triển khai viện Khoa học vật liệu Với tầm quan trọng công nghệ nano, tiểu luận nhóm chúng em xin trình bày lĩnh vực nhỏ công nghệ nano quan sát thao tác nano hướng dẫn nhiệt tình thầy giáo Thạc... nghệ nano bao gồm vấn đề sau đây: Cơ sở khoa học nano Phương pháp quan sát can thiệp qui mô nm Chế tạo vật liệu nano Ứng dụng vật liệu nano Trong giới hạn tiểu luận nhóm tìm hiểu phương pháp quan. .. cầm tù), ví dụ, dây nano, ống nano, Vật liệu nano hai chiều vật liệu chiều có kích thước nano, hai chiều tự do, ví dụ, màng mỏng, Ngoài có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite có phần