Vat lieu va linh kien dien tu

 Kỹ thuật kính hiển vi điện tử quét Scanning Electron Microscope - SEM + Là một loại kính hiển vi điện tử có thể tạo ra ảnh với độ phân giải cao của bề mặt mẫu vật bằng cách sử dụng một[r]

MSSV:09917424 MSSV:09917412 MSSV:09917423 4.NGUYễN HOÀI NAM MSSV:09917418 MỤC LỤC: 13.1 Mở đầu  Kỹ thuật kính hiển vi đầu dò quét (SPM) 13.2 Kính hiển vi đường hầm quét (STM) 13.2.1 Cơ sở lý thuyết kính hiển vi đường hầm quét 13.2.2 Các kiểu hoạt động kính hiển vi đường hầm quét MỤC LỤC: 13.2 Kính hiển vi đường hầm quét (STM) 13.2.3 Hiện thực thực nghiệm kính hiển vi điện tử đường hầm quét (STM) 13.2.4 Những ứng dụng kính hiển vi đường hầm quét (STM) MỤC LỤC: 13.3 Kính hiển vi lực quét (SFM) 13.3.1 Nguyên tắc lý thuyết kính hiển vi lực quét 13.3.2 Nguyên tắc hoạt động kính hiển vi lực quét (SFM) 13.3.3 Ứng Dụng kính hiển vi lực quét (SFM) 13.3.3.1 Những hiệu ứng vật liệu đặc biệt 13.3.3.2 Kính hiển vi lực quét từ (MFM) 13.3.3.3 Kính hiển vi lực quét tĩnh điện (SFM) MỤC LỤC: 13.3 Kính hiển vi lực quét (SFM) 13.3.4 Kính hiển vi lực hưởng ứng áp điện (Piezoresponse Force Microscopy-PFM) 13.4 Ảnh vật liệu hữu mềm MỤC LỤC: 13.5 Thao tác nguyên tử và phân tử 13.5.1 Thao tác ngang 13.5.2 Thao tác thẳng đứng 13.5.3 Các hiệu ứng dòng đường hầm gây 13.5.4 Các hiệu ứng hóa học phức tạp với STM 13.1 Mở đầu  Kỹ thuật kính hiển vi đầu dò quét (Scanning Probe Microscopy-SPM) Là tên gọi chung nhóm kính hiển vi mà việc tạo ảnh bề mặt mẫu vật thực cách quét mũi dò nhỏ trên bề mặt mẫu vật Nhóm kính hiển vi này đời vào năm 1981 với phát minh Gerd Binnig và Heinrich Rohrer (IBM Zürich) kính hiển vi quét chui hầm (cả hai đã giành giải Nobel Vật lý năm 1986 cho phát minh này)  Kỹ thuật kính hiển vi đầu dò quét (SPM) Sơ đồ nguyên tắc kính hiển vi đầu dò quét  Kỹ thuật kính hiển vi đầu dò quét (SPM) Kính hiển vi đầu dò quét  Kỹ thuật kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope - SEM) + Là loại kính hiển vi điện tử có thể tạo ảnh với độ phân giải cao bề mặt mẫu vật cách sử dụng chùm điện tử (chùm các electron) hẹp quét trên bề mặt mẫu Phát triển vào năm 1981 với phát minh kính hiển vi đường hầm quét  Kỹ thuật kính hiển vi điện tử quét (SEM) Thiết bị kính hiển vi điện tử quét Jeol 5410 LV Trung tâm Khoa học Vật liệu, Đại học Quốc gia Hà Nội  Kỹ thuật kính hiển vi điện tử quét (SEM) Ảnh chụp bào tử vi khuẩn phấn hoa kính hiển vi SEM  Kỹ thuật kính hiển vi điện tử quét (SEM) +Các loại kính hiển vi điện tử quét Kính hiển vi đường hầm quét( Scanning Tunnelling Microscope – STM)  Kỹ thuật kính hiển vi điện tử quét (SEM) +Các loại kính hiển vi điện tử quét Kính hiển vi lực quét ( Scanning Force Microscope – SFM, gọi là kính hiển vi lực nguyên tử “Atomic Force Microscope – AFM”)  Kỹ thuật kính hiển vi điện tử quét (SEM) +Các loại kính hiển vi điện tử quét Máy AFM Một số kính hiển vi phụ đã phát minh tất chúng có thể là Kính hiển vi quét quang gần trường ( Scanning Near-field Optical Microscope - SNOM) 13.2 Kính hiển vi đường hầm quét (STM) 13.2.1 Cơ sở lý thuyết kính hiển vi đường hầm quét Cấu tạo STM 13.2.1 Cơ sở lý thuyết kính hiển vi đường hầm quét Nguyên lý hoạt động STM STM sử dụng mũi dò nhọn mà đầu mũi dò có kích thước là nguyên tử, quét gần bề mặt mẫu Khi đầu dò quét trên bề mặt mẫu, xuất các điện tử di chuyển từ bề mặt mẫu sang mũi dò hiệu ứng chui hầm lượng tử và việc ghi lại dòng chui hầm (do hiệu điện đặt mũi dò và mẫu) này cho các thông tin cấu trúc bề mặt 13.2.1 Cơ sở lý thuyết kính hiển vi đường hầm quét Sơ đồ kính hiển vi đường hầm quét a ) Dòng đường hầm sử dụng tín hiệu đo 13.2.1 Cơ sở lý thuyết kính hiển vi đường hầm quét 50nm b )Ảnh kính hiển vi điện tử quét và truyền qua tương ứng đầu kim loại sử dụng cho kính hiển vi quét 13.2.1 Cơ sở lý thuyết kính hiển vi đường hầm quét Công thức dòng đường hầm là: I V  tip (WF ). sample (ro , WF ) dòng đường hầm thấp áp vào đầu dò Là mật độ trạng thái đầu Là mật độ cấu trúc bề mặt tâm r0 quỹ đạo đầu và lượng Fermi WF 13.2.1 Cơ sở lý thuyết kính hiển vi đường hầm quét Tunnelling tip R ro S- Orbital Z sample Hình biểu diễn sơ đồ hình học đường hầm mô hình Tersoff -Hamann 13.2.1 Cơ sở lý thuyết kính hiển vi đường hầm quét Mật độ trạng thái bề mặt giảm theo hàm mũ chân không với độ dài phân rã hiệu dụng: Trong đó: - k eff :Độ dài phân rã hiệu dụng - B: Là độ rào cản 2.me B keff   k  k - me : khối lượng điện tử B Với  tip và  tip   sample 2  :Là eV vectơ sóng song song điện tử đường hầm  sample :Là hàm công đầu và mẫu tương ứng 13.2.1 Cơ sở lý thuyết kính hiển vi đường hầm quét Dòng đường hầm giảm theo hàm số mũ với khoảng cách đầu – mẫu z I exp  2k eff z WF ,tip eV I  W . tip sample W  eV .T (W ,V ).dW WF ,tip Với T(W,V) là hệ số truyền phụ thuộc vào lượng điện tử và áp vào Trong thực nghiệm mật độ trạng thái xem là hàm lượng mức Fermi  sample  eV   dI dV   I V  13.2.1 Cơ sở lý thuyết kính hiển vi đường hầm quét e - Tại cao không các trạng thái gần lượng Fermi WF đóng góp vào dòng mà tất các trạng thái có lượng dải từ WF đến WF + eV 13.2.2 Các kiểu hoạt động kính hiển vi đường hầm quét Sơ đồ kính hiển vi điện tử với mạch phản hồi 13.2.2 Các kiểu hoạt động kính hiển vi đường hầm quét 13.2.3 Hiện thực thực nghiệm kính hiển vi điện tử đường hầm quét (STM) Bố trí kính hiển vi đường hầm quét: a) Nhìn tổng quát 13.2.3 Hiện thực thực nghiệm kính hiển vi điện tử đường hầm quét (STM) Bố trí kính hiển vi đường hầm quét: b) Nhìn chi tiết ống quét 13.2.3 Hiện thực thực nghiệm kính hiển vi điện tử đường hầm quét (STM) Bố trí kính hiển vi đường hầm quét : c) Cơ chế dịch giữ mẫu 13.2.4 Những ứng dụng kính hiển vi đường hầm quét (STM) Lỗ trống photpho trên: GaP(110) pha tạp a) p b) n; InP(110) pha tạp;d) p và c) n Bên trái hai lỗ trống tích điện dương Bên phải hai lỗ trống tích điện âm 13.2.4 Những ứng dụng kính hiển vi đường hầm quét Sơ đồ mật độ điện tử mức lượng khuyết tật trên bề mặt InP(110) pha tạp p và n và bề mặt Ga(110) Trên phía trái lỗ trống tích điện dương và phía phải tích điện âm 13.3 Kính hiển vi lực quét (SFM) 13.3.1 Nguyên tắc lý thuyết kính hiển vi lực quét Thế van der Waals U hai nguyên tử, dr là khoảng cách tới hạn trên đó hiệu ứng thời gian qua làm yếu tương tác 13.3.1 Nguyên tắc lý thuyết kính hiển vi lực quét (SFM) C I U   d C: là số tương tác van der Waals  AR1 R2 I U   6 R1 R2  d AR I U   d :Là mật độ chất rắn d: là khoảng cách các mặt cầu A: là số Hamaker R :là bán kính hình cầu 13.3.1 Nguyên tắc lý thuyết kính hiển vi lực quét (SFM) u Biểu diễn sơ đồ tương tác Van der Waals vào tần số dao động lò xo với đầu.Khi đầu gần bề mặt tần số cộng hưởng lò xo bị dịch 13.3.1 Nguyên tắc lý thuyết kính hiển vi lực quét a   a0  a a a0 / 0 a const  Đường cong cộng hưởng đầu không có và có tương tác với van der Waals.Tương tác dẫn tới dịch tới dịch tần số cộng hưởng  , kết là đầu bị kích thích với tần số  m có biên độ dao động a   bị suy giảm a 13.3.2 Nguyên tắc hoạt động kính hiển vi lực quét (SFM)   d 2 sin    S 2.S 3S  L Đối với các góc nhỏ sin    3 / L PA  PB 3S   PA  PB Ld PA P / 2. d  d  / PB P / 2. d  d  / d /  3S / L 13.3.2 Nguyên tắc hoạt động kính hiển vi lực quét (SFM) Khuếch đại chuyển động cantilever nhờ phương pháp cánh tay đòn bẩy quang học a) Đường dẫn quang học tia laser bố trí AFM chuẩn 13.3.2 Nguyên tắc hoạt động kính hiển vi lực quét (SFM) E a d 3C E-Young modulus of cantilever k   10 N m spring conslant k=(0.1 – 10N/m) L3 F  L3  3E  3 F  L2   2E  2L Khuếch đại chuyển động cantilever nhờ phương pháp cánh tay đòn bẩy quang học b) Chùm cantilever uốn cong 13.3.2 Nguyên tắc hoạt động kính hiển vi lực quét (SFM) Vi ảnh điện tử quét cantilever làm Si 13.3.3 Ứng Dụng kính hiển vi lực quét (SFM) 13.3.3.1 Những hiệu ứng vật liệu đặc biệt f1,tip  d1   f 2,tip  d  Với: f i ,tip  Aij / d i Aij  Aii A jj  0.5  A1.1 d1  d2  A2.2    Điều kiện: 13.3.3.1 Những hiệu ứng vật liệu đặc biệt Phác thảo liên quan đến phụ thuộc vật liệu 13.3.3.2 Kính hiển vi lực quét từ (MFM) Lực từ mẫu và đầu nhọn là: F mag  M tip H sample dV tip Hoặc Fmag  mtip .Bsample H sample: Là Bsample từ trường ký sinh : Là cảm ứng từ mẫu mtip : Là mômen từ M tip : Là từ hóa 13.3.3.2 Kính hiển vi lực quét từ (MFM) Nguyên tắc kính hiển vi lực quét từ 13.3.3.2 Kính hiển vi lực quét từ (MFM) Ảnh miền từ SFM :trình bày cấu trúc tinh vi miền 1800 Tường miền bao gồm các đoạn với định hướng thành khác nhau.Mũi tên đậm kí hiệu hướng miền 13.3.3.3 Kính hiển vi lực quét tĩnh điện (SFM) Sơ đồ kỹ thuật SFM hai đường 13.3.3.3 Kính hiển vi lực quét tĩnh điện (SFM) Lực tĩnh điện là hàm khoảng cách cho bằng: r Fel   0U d Với d/R >>1.Ta có thể thấy lực tĩnh điện có dải mở rộng lớn nhiều so với lực vander Waals và mạnh 13.3.3.3 Kính hiển vi lực quét tĩnh điện (SFM) So sánh phụ thuộc khoảng cách các lực van der Waals và lực điện đầu và điện tích bề mặt điện địa phương 2.10-6 C 13.3.4 Kính hiển vi lực hưởng ứng áp điện (Piezoresponse Force Microscopy-PFM) Hiệu ứng áp điện ngược địa phương kiểm tra cung cấp phương pháp phát phân bố ba chiều phân cực có chứa sắt Sự tương phản PFM: - Do tương tác đầu SFM thiên áp điện (Thế xoay ) và phân cực mẫu chứa V chiều V0 sin t sắt đo dò áp điện   - Do tương tác tĩnh điện cantilever và mẫu có cực : điện dẫn tới điện tích dao động q C.V0 sin t  C biểu thị điện dung đầu và điện cực phía 13.3.4 Kính hiển vi lực hưởng ứng áp điện (Piezoresponse Force Microscopy-PFM) Vì q thay đổi với  ,cho nên lực dao động trên cantilever tồn cho bằng: F q.E CVE sin  t  Độ tương phản phụ thuộc vào định hướng tương đối điện trường ngoài áp vào E và phân cực nội P theo cách sau: E.P  E P cos   : Là góc E và P Vì E áp đầu và cực đếm các vùng mặt bất kì biểu lộ vectơ phân cực song song với bề mặt mẫu có  90 13.3.4 Kính hiển vi lực hưởng ứng áp điện (Piezoresponse Force Microscopy-PFM) Piezoresponse Mode PFM Loại uốn cong khác cantilever hiệu ứng tương tác thiên áp đầu và các vectơ định hướng có phân cực tự phát tinh thể chứa sắt trình bày 13.4 Ảnh vật liệu hữu mềm Hiện phương pháp sử dụng phổ biến để mô tả vật liệu mềm là kiểu phân nhánh hay kiểu tiếp xúc không liên tục a) b) Ảnh SFM phức chất DNA-STV: a) Được quét chế độ hút với môđun phản hồi hoạt ( điều khiển Q); b) lấy chế độ đẩy 13.4 Ảnh vật liệu hữu mềm Ảnh STM diện tích 30x30 nm2 đơn lớp tự kết hợp tách pha (SAM) tạo thành hút bám từ dung dịch đẳng phân tử 1ATC9 và n-decanethiol (1 mM tổng thiol) Ảnh ghi thiên áp mẫu + 1.0 V và dòng đường hầm 1,0 pA 13.4 Ảnh vật liệu hữu mềm Độ cao thời gian cho phân tử điện tích trích 13.5 Thao tác nguyên tử và phân tử 13.5.1 Thao tác ngang Trình bày quá trình xây dựng vòng tròn lượng tử 48 nguyên tử Fe định vị trên bề mặt Cu(111) Cấu trúc tổng hợp và sóng đứng cảm ứng giam giữ các điện tử bề mặt cấu trúc thấy rõ ảnh ba chiều; e) Vòng tròn lượng tử 13.5 Thao tác nguyên tử và phân tử Trong kiểu ảnh STM dòng đường hầm là không đổi và cantilever nâng lên.Đối với thao tác đầu hạ xuống phía trên nguyên tử kéo nó tới vị trí mong muốn, việc nâng cantilever làm tương tác với nguyên tử 13.5 Thao tác nguyên tử và phân tử Phổ đường hầm quét thu các vị trí khác vòng tròn lượng tử Những phổ thu : a) Tại tâm vòng tròn; b) 0,9 nm, từ tâm vòng tròn Sự lượng tử hóa các trạng thái rõ ràng có thể nhìn thấy bên vòng tròn 13.5 Thao tác nguyên tử và phân tử Cấu trúc phân tử HB-DC 13.5 Thao tác nguyên tử và phân tử Ảnh STM mặt Cu(100) sau phơi sáng toàn lớp phủ đơn phân tử HB-DC nhiệt độ phòng Diện tích ảnh là 11,4 x11,4 nm 13.5 Thao tác nguyên tử và phân tử Mô hình mô học phân tử: a) Phân tử HB-DC vị trí đối xứng cao; b) Vị trí đối xứng thấp quay phân tử 13.5 Thao tác nguyên tử và phân tử a b 2nm Ảnh STM mặt Cu(100) sau phơi sáng lớp phủ đơn lớp các phân tử HB-DC nhiệt độ phòng a) Phân tử vẽ hình tròn và ví trí đó nó không cùng pha với lớp phân tử 3D, phân tử quay b) Cùng phân tử biến thành 0,26 nm và mô tả cấu trúc thùy với các phân tử xung quanh Diện tích ảnh là 5,75 x 5,75 nm 13.5 Thao tác nguyên tử và phân tử 13.5.2 Thao tác thẳng đứng CO CO Cu-Surface Cu-Surface Phác thảo quy trình nhặt các phân tử CO trên bề mặt Cu(111) 13.5 Thao tác nguyên tử và phân tử 13.5.3 Các hiệu ứng dòng đường hầm gây a b c d e f Sự di chuyển ba chỗ trống photpho trên bề mặt GaP(110) 13.5 Thao tác nguyên tử và phân tử 13.5.4 Các hiệu ứng hóa học phức tạp với STM C6 H I C6 H I Trình bày sơ đồ phản ứng Ullmann cảm ứng đầu a) tách iôt từ iodobenzên cảm ứng điện tử; c) Kéo nguyên tử iôt tới vị trí thềm 13.5 Thao tác nguyên tử và phân tử 13.5.4 Các hiệu ứng hóa học phức tạp với STM 2C6 H C12 H10 Trình bày sơ đồ phản ứng Ullmann cảm ứng đầu d) Mang hai phân tử phenyl với thao tác ngang và e) Kết hợp hóa học cảm ứng điện tử thành phenyl; f) Kéo phân tử tổng hợp đầu trước để chứng minh kết hợp 13.5 THAO TÁC NGUYÊN TỬ VÀ PHÂN TỬ 13.5.4 Các hiệu ứng hóa học phức tạp với STM Mô hình thành phần hóa học minh họa vị trí gắn phenyl và iôt trình bày trên vị trí trái phenyl, iôt và trên vị trí phải iodobenzene gắn lề bước loại (100)