Lock-in trong AFM

3. Ý nghĩa khoa học và khả năng ứng dụng thực tiễn của đề tài

2.5.Lock-in trong AFM

Kể từ giữa những năm 1980, kính hiển vi lực nguyên tử là một trong những công cụ mạnh mẽ nhất để thực hiện công việc kiểm tra bề mặt, và từ năm 1995 kính hiển vi lực nguyên tử không tiếp xúc (Non-Contact AFM) đã đạt được độ phân giải nguyên tử thực sự. Kính hiển vi lực nguyên tử điều tần (FM-AFM) hoạt động theo phương thức động lực học, có nghĩa là hệ thống điều khiển của FM-AFM buộc các cantilever (cần quét) vi cơ dao động với biên độ và tần số không đổi. Tuy nhiên, lực tương tác giữa đầu dò-mẫu gây ra sự điều biến trong lúc cantilever vi cơ chuyển động. Một vòng khóa pha (PLL) được sử dụng để giải điều chế các lực tương tác giữa đầu dò-mẫu từ sự chuyển động của cần quét (cantilever) vi cơ. Tín hiệu giải điều chế được sử dụng như tín hiệu phản hồi đến hệ thống điều khiển, tạo ra đồng thời hình ảnh về cả địa hình và sự mài mòn. Vì vậy, một thiết kế thích hợp của PLL là quan trọng đến hiệu suất của FM-AFM. Trong công đoạn này, với việc sử dụng phép phân tích phân nhánh, phạm vi lock-in của PLL được xác định như là một chức năng của sự dịch tần () của cantilever vi cơ và các thông số thiết kế khác, cung cấp một kỹ thuật để thiết kế phù hợp PLL trong hệ thống FM-AFM.

Mô phỏng hoạt động của một AFM theo phương thức động lực học có biên độ không đổi đã được mô tả. Việc thực hiện theo mô phỏng bằng mạch điện tử của một thiết lập thực tế bao gồm một vòng khóa pha kỹ thuật số (PLL). Vòng khóa pha PLL không chỉ được sử dụng như một máy dò tần số rất nhạy, mà còn để tạo ra tín hiệu dịch pha phụ thuộc thời gian để điều khiển đầu dò. Những điều chỉnh tối ưu của các khối chức năng riêng biệt và hiệu suất chung của chúng trong các thí nghiệm điển hình được xác định một cách chi tiết. Trước khi thử nghiệm các thiết lập hoàn chỉnh, hiệu suất của các PLL và của bộ điều khiển biên độ được xác định chắc chắn được thỏa đáng so với các thành phần thực tế. Sự chú ý cũng tập trung vào các vấn đề về sự tiêu hao biểu kiến, đó là sự biến đổi sai trong việc điều chỉnh biên độ được gây ra bởi sự tương tác phi tuyến xảy

ra giữa đầu dò với bề mặt mẫu và thời gian đáp ứng hữu hạn của các bộ điều khiển khác nhau. Để làm như vậy, một sự đánh giá năng lượng suy hao tối thiểu mà có thể phát hiện bởi các thiết bị với điều kiện hoạt động ở trên đã được đưa ra. Điều này cho phép chúng tôi thảo luận về sự liên quan của sự suy hao biểu kiến có thể được tạo ra có điều kiện với các giả lập trong việc so sánh với các giá trị báo cáo thực nghiệm. Phân tích nhấn mạnh rằng sự suy hao biểu kiến có thể góp phần đo đạt sự suy hao lên đến 15% của suy hao năng lượng nội tại do tương tác giữa cantilever với bề mặt, nhưng có thể suy hao là không đáng kể khi điều chỉnh đúng các bộ điều khiển, độ lợi PLL và tốc độ quét. Suy ra rằng các giá trị thực nghiệm của sự suy hao thường được báo cáo trong các tài liệu có thể không chỉ bắt nguồn từ sự suy hao biểu kiến, trong đó nghiêng về giả thuyết các kênh "vật lý" của sự suy hao.

CHƢƠNG 3: NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO LOCK-IN TƢƠNG TỰ. KẾT QUẢ, THẢO LUẬN

3.1. Phát triển bộ khuếch đại Lock-in tƣơng tự trong phòng thí nghiệm

Những nỗ lực để hiện đại hóa các phòng thí nghiệm giảng dạy ngành vật lý và hóa phân tích thường bị cản trở bởi việc thiếu hụt ngân sách, nhưng điều đó lại khả thi đối với sinh viên, như là một phần của khóa học trong phòng thí nghiệm hoặc dành cho các dự án phát triển nâng cao, để xây dựng thiết bị khoa học mà sau đó có thể được sử dụng trong các thí nghiệm. Ví dụ bao gồm việc xây dựng một máy đo quang phổ đơn giản [13] hay việc thiết kế và xây dựng một lưới điện thế chòm sao ba điện cực [11]. Đối với nhiều thí nghiệm, việc đo một tín hiệu yếu bị trộn lẫn trong nhiễu là điều cần thiết. Một bộ khuếch đại Lock-in (LIA) thực hiện điều này bằng cách chỉ dò tìm và khuếch đại những thành phần của tín hiệu cùng pha với một tín hiệu tham chiếu gọi là tín hiệu Reference. Thiết bị này được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu hóa học [15], cũng như việc ứng dụng nó trong giảng dạy môn hóa học cũng đã được đưa ra thảo luận [7,8]. Thiết bị này nếu phát triển thành công sẽ được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu vật lý. Đó cũng là mục tiêu của nhóm tác giả: phát triển độc lập một bộ khuếch đại Lock-in, sau đó sẽ ứng dụng nó trong các thiết bị đo khác nhau, trong đó có họ kính hiển vi lực nguyên tử Atomic force microscopy (AFM).

Trong quá trình phát triển các thí nghiệm về vật lý học, đặc biệt là quang phổ, nhằm hiện đại hóa các phòng thí nghiệm giảng dạy hóa lý, các nhà khoa học thường sử dụng bộ khuếch đại Lock-in thương mại dành cho các thí nghiệm kể cả máy quang phổ trong ngành nhãn khoa [16], đo hiệu ứng quang điện [16], và phát hiện khí amoniac bằng hấp thụ ánh sáng có bước sóng 2,2m [17]. Trong các thí nghiệm này, một laser diode hoặc diode phát sáng được kích thích bởi một máy phát, và tín hiệu phát hiện được đưa đến bộ khuếch đại Lock-in có sử dụng máy phát phát ra tín hiệu giống như tín hiệu Reference đưa vào tham chiếu. Bộ khuếch đại Lock-in được xây dựng dựa trên cả hai phương pháp, đó là kỹ thuật tương tự hoặc kỹ thuật số [5]. Tuy nhiên, các thiết bị trên thị trường thường có giá từ 500 đến vài nghìn đôla. Ngoài ra, người sử dụng sẽ rất khó khăn để tiếp cận phần cứng cũng như phần mềm kèm theo. Có thể nói việc mua trọn gói và bản cập nhật hằng năm đòi hỏi chi phí thương mại là rất lớn. Những

hệ thống như vậy chỉ hữu ích nhất cho các phòng thí nghiệm được cấp các khoản đầu tư khá lớn về phần cứng và phần mềm.

Trong chương này chúng tôi mô tả việc xây dựng một bộ khuếch đại Lock- in đơn giản, chi phí thấp, phù hợp để sử dụng trong các phòng thí nghiệm hóa lý. Triết lý thiết kế của chúng tôi là các thiết bị cần được tương đối dễ dàng để xây dựng và tổng chi phí là phù hợp. Điều này được thực hiện bằng cách sử dụng các mạch tích hợp và vài thành phần cần thiết để thực hiện đầy đủ mạch khuếch đại Lock-in. Thiết kế này dựa trên mạch tích hợp (IC) điều chế-giải điều chế Analog Devices AD630 [20]. IC này đã được sử dụng như một mạch khuếch đại Lock-in trong một số ứng dụng chuyên dụng [2, 10, 19].

3.2. Mô tả nguyên lý mạch Lock-in

Sơ đồ mạch được thể hiện như ở Hình 3.1. Hình 3.2 thể hiện mạch điện tử và mạch in của thiết bị này. Mạch có thể được tạm chia thành ba phần: một IC thực hiện việc tách sóng nhạy pha (ví dụ, mạch dò Lock-in), một bộ khuếch đại lối vào để nâng tín hiệu trước khi nó được gửi đến mạch dò pha này, và một bộ khuếch đại-lọc ở lối ra. Chip dò nhạy pha thuộc họ IC AD630 được cung cấp bởi hãng Analog Devices. Theo sơ đồ kết nối ở Hình 3.1, các thiết bị được kết cấu ở hai mode tương đồng, nhằm đáp ứng yêu cầu thay đổi ở bộ khuếch đại lối vào. Chúng tôi đã thử nghiệm cả hai trường hợp sử dụng IC AD630J và AD630K. IC AD630J ít tốn kém hơn, đáp ứng đầy đủ các ứng dụng của chúng tôi về mạch này và phù hợp với hầu hết các phòng thí nghiệm sinh viên.

Vấn đề được nêu ra ở đây là một sóng sin hay sóng vuông được sử dụng cho tín hiệu Reference của bộ khuếch đại Lock-in. Thử nghiệm với lối ra "TTL" từ các loại máy phát chức năng chi phí thấp thường được tìm thấy trong các phòng thí nghiệm giảng dạy đã thu được ít hơn kết quả mong muốn do chất lượng kém của tín hiệu "TTL". Ngõ vào 9 và 10 có thể được kết nối với tín hiệu Reference và đất tương ứng, nếu không muốn thay đổi pha. Ngoài ra, như trong Hình 3.1, chúng có thể được kết nối với tín hiệu Reference và đất thông qua một chuyển mạch phân cực đảo ngược hai cực đôi (DPDT). Tác động này như một sự dịch chuyển pha 1800 cho tín hiệu Reference, cho phép người sử dụng được lựa chọn các cực ở lối ra. Để đơn giản, thường thì giai đoạn kiểm soát pha được loại bỏ ở cấp độ nghiên cứu bộ khuếch đại Lock-in. Đây cũng là trường hợp trong hầu hết các mục đích thương mại hóa bộ khuếch đại Lock-in ở "cấp độ

sinh viên". Tương tự như vậy, một máy phát dao động ký để phát tín hiệu Reference thay vì được cung cấp từ máy phát chức năng chi phí thấp là có sẵn và là thiết bị tiêu chuẩn trong hầu hết các phòng thí nghiệm giảng dạy.

Hình 3.2. Sơ đồ mạch điện tử và mạch in của hệ LIA sử dụng 3 mạch tích hợp

Phần thứ hai, bộ khuếch đại đầu vào, là một thiết bị khuếch đại vi mạch chuẩn, và độ lợi được thiết lập bằng cách đóng ngắt một điện trở duy nhất. Chúng tôi đã sử dụng cả hai linh kiện đó là Texas Instruments (Burr-Brown) INA114 và Analog Divices AD620. Loại đầu tiên INA114 có bảo vệ lối vào tốt hơn (lên đến 40V), trong khi loại còn lại AD620 đạt được độ lợi lớn tại băng thông cao hơn (>10 kHz so với 1kHz của INA114). Việc kích hoạt linh kiện làm

việc ở chế độ khuếch đại thấp hơn và việc bổ sung một op-amp giai đoạn khuếch đại thứ hai sẽ mở rộng băng thông. Một ví dụ về một thiết kế như vậy được tìm thấy trong mạch tiền khuếch đại của LIA kỹ thuật số ở mục tham khảo [22]. Đối với các thiết kế hiện hành, chúng tôi đã lựa chọn để giảm thiểu lượng chip thay thế. Việc kết nối đầu vào ở một chế độ khác biệt sẽ cung cấp việc loại bỏ nhiễu tốt hơn chế độ thông thường, nhưng tất cả các thí nghiệm của sinh viên chúng tôi đều cung cấp kết quả đầu ra duy nhất đến LIA. Tuy nhiên chúng tôi kết nối lối vào thấp của bộ khuếch đại với đất thông qua một điện trở 10 để giảm tác động của các vòng lặp nối đất (sai số đầu vào). Lưu ý rằng việc thiết kế những điện trở có sẵn tăng độ lợi bên trong các linh kiện khuếch đại sẽ có chi phí cao hơn. Tuy nhiên số lượng các lợi ích có sẵn lại bị hạn chế. Chúng tôi đã sử dụng điện trở kim loại màng mỏng dung sai 1% cung cấp độ chính xác đầy đủ về độ lợi cho hầu hết các thí nghiệm của sinh viên. Nếu đạt được độ chính xác cao hơn, điện trở với dung sai chặt chẽ hơn hoặc biến trở thu nhỏ, có thể được sử dụng để điều chỉnh giá trị chính xác. Lưu ý rằng các phương trình cho các giá trị tăng so với mức tăng điện trở tương tự nhưng hơi khác nhau cho INA114 và AD620. Trong Hình 3.1. chúng tôi sẽ biểu diễn các giá trị dành cho INA114.

Lối vào được khớp nối AC bằng cách chèn một tụ điện giữa khớp nối lối vào với mạch tiền khuếch đại. Người ta thích chọn khớp nối AC hơn vì khi tín hiệu lối vào có chứa một thành phần DC đáng kể có thể sẽ làm quá tải các bộ khuếch đại đầu vào, đặc biệt là khi cần tăng độ khuếch đại. Tụ điện và điện trở ở lối vào tạo thành bộ lọc thông cao ở khớp nối AC, khớp nối DC được ưa thích hơn khi tần số tham chiếu (và do đó kéo theo tần số tín hiệu mong muốn) là thấp và sự suy giảm và dịch pha đến bộ lọc này phải được tránh. Đối với hầu hết các thí nghiệm trong ngành giáo dục mà chúng tôi đã phát triển thì khớp nối AC là điều mong muốn. Hình 3.1 mô tả khớp nối AC thông qua tụ 0,47F.

Phần thứ ba của mạch bao gồm bộ lọc thông thấp và mạch khuếch đại DC lối ra. Bộ lọc là một mạch lọc phân nhánh RC đơn giản với một điện trở cố định 1M và tụ điện có thể chuyển đổi để thay đổi hằng số thời gian. Hằng số thời gian từ 0,01 đến 2.2s có sẵn với các thành phần được hiển thị, một vài trong số những tụ điện này có thể được loại bỏ để đơn giản hóa việc xây thiết kế mạch. Ngoài ra, việc kết hợp một bộ lọc hai giai đoạn sẽ lọc bỏ tiếng ồn tốt hơn. Một chip Texas Instruments OP-27 (các nhà sản xuất khác cũng có tung ra thị trường chip này) được sử dụng làm mạch khuếch đại lối ra. Nó có thể hoạt động ở cả

hai chế độ đơn nhất hoặc "x10". Điện trở 10 k có tác dụng hạn chế dòng ở lối vào khi hằng số thời gian thay đổi.

Hình 3.3. Mạch tạo nguồn lƣỡng cực

Hình 3.4. Mạch Lock-in tƣơng tự hoàn chỉnh

Hình 3.3 cho thấy nguồn được sử dụng ở đây là một bộ nguồn lưỡng cực 15V, nhưng cũng có thể thay thế bằng một bộ nguồn 12V với chỉ một sự mất

mát hiệu suất không đáng kể. Tuy nhiên ở đây, nhóm tác giả đã thiết kế bộ nguồn 15V khá ổn định dựa trên VAT1-S5-D15-SMT. Dòng tiêu thụ của toàn bộ mạch nhỏ hơn 50mA. Hình ảnh mạch Lock-in bước đầu hoàn thiện của bộ chuyển đổi được thể hiện trong Hình 3.4.

3.3. Đánh giá, kiểm tra thiết bị

Để chứng minh và kiểm tra các LIA, một thử nghiệm đã được thực hiện, khảo sát tín hiệu đi qua mẫu áp điện trong phương pháp đo đường trễ sắt điện của nhóm tác giả Hoàng Lê Châu Huy đang thực hiện trong luận văn thạc sĩ tại phòng thí nghiệm Vật lý chất rắn, khoa Vật lý, trường Đại học Khoa học Huế (thí nghiệm trong Hình 3.5). Tín hiệu đi qua mẫu trong buồng cao áp là khá bé, cỡ micro đến nano ampe. Để thu nhận tín hiệu này, nhóm tác giả Hoàng Lê Châu Huy đã thực hiện phương pháp mạch “đất ảo” mà thực chất là khuếch đại với hệ số lớn. Tuy nhiên, đối với hệ này phải sử dụng cao áp nên mạch đo “đất ảo” sẽ có tín hiệu điện áp khá lớn nếu hệ số khuếch đại lớn. Điều này đòi hỏi phải sử dụng các Op Amps chuyên dụng điện áp cao đắt tiền. Ngược lại nếu mạch có hệ số khuếch đại bé thì tín hiệu thu được sẽ rất bé và đặc biệt có nhiều nhiễu, kết quả là đường trễ điện môi không đạt yêu cầu đo (Hình 3.5, Hình 3.6)

Hình 3.6. Đƣờng trễ của mẫu BZT-50BCT đƣợc đo bằng phƣơng pháp mạch “đất ảo”

Hình 3.7. Kết nối hệ Lock-in với mạch đo đƣờng trễ để kháo sát tín hiệu đo

Trong thí nghiệm kiểm tra tín hiệu đo, sóng sin cũng được sử dụng làm lối vào tham chiếu của LIA thông qua việc sử dụng một đầu nối BNC hình chữ T ở ngõ ra của máy phát chức năng (DFG-9020-20MHz). Tín hiệu sau khi qua mẫu ở buồng cao áp, lối ra của nó được khuếch đại bé và đưa đến các đầu vào của các thành phần của mạch khuếch đại Lock-in. Tín hiệu đầu ra được hiển thị và

quan sát trên dao động ký số TDS1000B. Đồng thời để so sánh, tín hiệu sau khi qua mẫu cũng sẽ được tách ra (một lần nữa thông qua việc sử dụng một đầu nối BNC hình chữ T) và kết nối trên một kênh của dao động ký. Tổng thể mạch đo sử dụng Lock-in được trình bày trong Hình 3.7.

Kết quả thử nghiệm với Lock-in được trình bày ở Hình 3.8. Ở đây chúng tôi thay đổi các giá trị của điện trở tại ngõ vào và các tụ điện của bộ lọc thông thấp. Hình 3.8 (a-c) trình bày kết quả khi thay đổi các giá trị của trở và tụ điện.