3. Ý nghĩa khoa học và khả năng ứng dụng thực tiễn của đề tài
2.2. Nguyên lý hoạt động của AFM
2.2.1. Nguyên lý chung
Kính hiển vi lực nguyên tử (AFM), hoặc kính hiển vi lực quét (SFM) được Binning, Quate và Gerber phát minh năm 1986 [1]. Giống như tất cả các kính hiển vi lực khác, AFM sử dụng một mũi dò nhọn di chuyển trên bề mặt của mẫu trong một trường quét. Trong trường hợp của AFM, mũi dò được gắn vào đầu của một cần quét (cantilever), cần quét này bị uốn cong khi có lực xuất hiện giữa mũi dò và bề mặt mẫu. Lực giữa đầu dò và mẫu được đo theo độ lệch của cần quét. Điều này được thực hiện bởi việc quan sát dòng tunnel (dòng hiệu ứng đường ngầm) ở đỉnh của một đầu dò thứ hai đặt phía trên cần quét.
HỌ GIA ĐÌNH KÍNH HIỂN VI SPM
Kính hiển vi quét dòng Tunnel (STM)1981-2 Kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) 1986 Kính hiển vi lực từ (MFM) Kính hiển vi lực tĩnh điện (EFM) Kính hiển vi lực kéo (Shear) (SHFM)
Kính hiển vi quét quang học trƣờng gần (SNOM)
Kính hiển vi lƣợng tử dòng Tunnel (PSTM)
Kính hiển vi hiệu ứng ion dẫn (SICM) Scanning Capacitance Microscopy (SCM) Scanning Chemical Potential Microscopy (SCPM) Kính hiển vi quét hiệu ứng nhiệt (STHM) Họ gia đình kính hiển vi SPM
Chính vì vậy, ban đầu AFM sử dụng một STM ở đầu của mũi dò để phát hiện chỗ uốn cong của cần quét (cantilever), nhưng hiện nay hầu hết các AFM tận dụng kỹ thuật mũi dò quang.
Thiết bị đầu tiên do Binning phát minh là một đầu dò tunnel được đặt trên bề mặt phủ kim loại của cần quét. Hệ thống này làm cơ sở cho một kính hiển vi quét đường ngầm (STM - Scanning Tunnel Microscope), xác định độ lệch của cần quét. Về sau, người ta đã áp dụng các kỹ thuật quang học để nâng cao sự tiện dụng của AFM. Trong các phương pháp quang học thì phương pháp giao thoa là nhạy nhất, nhưng ở mức độ nào đó, nó phức tạp hơn phương pháp phản xạ chùm tia do Meyer và Amer nghĩ ra. Phương pháp phản xạ chùm laser hiện nay được sử dụng rộng rãi dựa trên kết quả nghiên cứu của Alexander và các cộng sự. Trong hệ này, một chùm tia laser được phản xạ từ bề mặt gương của cần quét đến một photodetector (thiết bị dò cảm biến quang học) rất nhạy (Hình 2.3). Trong sự bố trí này, một độ lệch nhỏ của cần quét sẽ làm xê dịch chùm phản xạ và thay đổi vị trí của chùm trên photodetector. Một hệ quang học thứ ba, được phát minh bởi Sarid, sử dụng cần quét như một trong những tấm gương của diode laser. Ở đây, chuyển động của cần quét gây nên sự ảnh hưởng mạnh đến tia laser phát ra. Tùy theo theo tương tác giữa đầu dò và bề mặt mẫu, AFM có thể được phân loại theo các chế độ hoạt động tiếp xúc hoặc không tiếp xúc. Ở chế độ tiếp xúc, lực giữa đầu dò và bề mặt mẫu là lực đẩy, còn ở chế độ không tiếp xúc, đó là lực hút.
Về nguyên lý chung [6,9], các AFM điển hình sử dụng một hệ photodetector mà trong đó đầu dò được gắn với bên dưới của một cần quét phản xạ (Hình 2.4). Một tia laser được chiếu vào mặt phản xạ của cần quét. Khi đầu dò quét lên bề mặt mẫu, do sự mấp mô, nó sẽ rung động theo trục z, chùm laser phản xạ trên cần quét sẽ bị xê dịch tương ứng với rung động đó. Đặc trưng dao động của chùm laser phản xạ sẽ được hệ thống photodetector ghi lại và chuyển thành tín hiệu điện thế. Tín hiệu điện thế lại được xử lý và diễn giải theo chiều cao z đặc trưng cho tính chất địa hình của mẫu. Quá trình hồi tiếp sự khác nhau về tín hiệu giữa những cảm biến quang học, qua sự xử lý của phần mềm máy tính, cho phép duy trì hoặc là một lực không đổi, hoặc là một độ cao không đổi trên bề mặt mẫu.
Hình 2.3. Sơ đồ nguyên lý rung và phản xạ tín hiệu của đầu dò
Hình 2.4. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của AFM
Ở chế độ lực không đổi, bộ chuyển đổi áp điện thực hiện việc quan sát sự xê dịch về độ cao theo thời gian thực để sao cho lực giữa mẫu và đầu dò có thể được giữ gần như không đổi. Ở chế độ tiếp xúc, đầu dò luôn được tiếp xúc với bề mặt mẫu. Các lực căng bề mặt và lực tĩnh điện có vai trò đẩy đầu dò về phía bề mặt. Chế độ này có thể phá hủy các mẫu và làm biến dạng dữ liệu hình ảnh. Do đó, so với chế độ không tiếp xúc, chế độ tiếp xúc chịu ảnh hưởng rất mạnh của các lực ma sát và lực bám dính. Chế độ không tiếp xúc nói chung là cho hình ảnh có độ phân giải thấp và có thể bị gây nhiễu bởi các lớp tạp chất. Chế độ dao động tapping của AFM được phát triển như một phương pháp để thu được độ phân giải cao mà không gây nên các lực ma sát có hại. Thay vì việc đầu dò luôn được tiếp xúc với mẫu, nó sẽ "nhảy" ("tap") trên bề mặt với một lực nhất định theo tần số điều hòa của cần quét. Với kĩ thuật tapping này, cả các mẫu
mềm và dễ vỡ đều có thể được quan sát một cách lý tưởng. Chi tiết hơn về các chế độ đo sẽ được trình bày trong phần sau.
Các biểu đồ trên miêu tả sự làm việc; như cantilever bị uốn cong, ánh sáng từ nguồn laser được phản xạ lên photo-diode. Bằng việc đo hiệu số tín hiệu (Q1+Q2)–(Q3+Q4), có thể đo được sự thay đổi độ cong của cantilever (Hình 2.5).
Hình 2.5. Nguyên lý thu nhận tín hiệu trên AFM
Bởi cantilever tuân theo định luật Hooke đối với sự dịch chuyển nhỏ nên có thể tìm được lực tương tác giữa mũi dò và mẫu theo sơ đồ lực nguyên tử (Hình 2.6).
Hình 2.6. Sơ đồ lực nguyên tử khi đầu dò quét trên bề mặt mẫu
Sự di chuyển của mũi dò hoặc mẫu được biểu diễn bởi một dụng cụ xác định vị trí vô cùng chính xác, dụng cụ này được làm từ gốm tĩnh điện, hầu hết chúng có hình dạng của một ống scanner. Scanner này có khả năng phân giải đến angstrom đối với các trục x, y, z. Trục z được quy ước là trục thẳng đứng.
Separation Lực Lực đẩy (tiếp xúc) LASER Tip Cantilever Photodiode Q1 Q2 Q3 Q4
2.2.2. Thiết bị dò
Thiết bị dò được biểu trưng bởi một cần quét (cantilever) vi cơ khí với một đầu nhọn, được đưa vào tương tác với bề mặt mẫu (Hình 2.7).
Mỗi đầu dò có chi tiết kỹ thuật và hình dạng khác nhau. Cantilever phổ biến nhất là có dạng hình chữ V (nhưng cũng có thể là hình chữ nhật), cung cấp trở kháng cơ khí thấp đối với sự biến dạng theo chiều dọc, và trở kháng cao đối với sự biến dạng theo chiều xoắn bên. Cantilever thường có chiều dài khoảng từ 100 đến 200m (l), chiều rộng trong khoảng 10-40m (w), và độ dày khoảng từ 0,3-2m (t).
Hình 2.7. Các hƣớng của cantilever
Cantilever tích hợp thường được làm từ silicon (Si) hoặc silicon nitride (Si3N4). Chúng được đặc trưng bởi hằng số lực và tần số cộng hưởng, được lựa chọn theo các mẫu đã được nghiên cứu.
Ngoài ra cần có một hệ thống phát hiện quang học và điện tử để quản lý chức năng quét và thu thập dữ liệu.
Đầu dò nguyên tử quét trên một bề mặt với các cơ chế hồi tiếp, các cơ chế này cho phép các bộ quét áp điện duy trì ở đầu dò một lực không đổi (để thu được thông tin về độ cao) hoặc một độ cao không đổi (để thu được thông tin về lực).
2.2.3. Sự phản hồi
Nếu bật bộ phản hồi điện tử thì gốm áp điện dùng để dịch chuyển mẫu (hoặc mũi) lên xuống có thể phản ứng với bất cứ sự thay đổi về lực nào mà nó xác định được, và chính khoảng cách giữa đầu đo và mẫu để duy trì giá trị xác định trước của lực. Chế độ hoạt động này gọi là lực không đổi và thường cho ta bức ảnh bề mặt khá tốt (vì thế nó có tên gọi khác là mode độ cao - height mode)
Nếu tắt bộ phản hồi điện tử, kính hiển vi sẽ hoạt động ở mode độ cao không đổi hay chế độ lệch. Chế độ này đặc biệt hữu dụng cho những bức ảnh mặt bề mặt mẫu rất phẳng ở độ phân giải cao. Thông thường nếu có thêm một vòng lặp phản hồi nhỏ thì tốt hơn vì nó tránh được sự trôi nhiệt hay sự phá hủy đầu dò/ hoặc cantilever do bề mặt gồ ghề. Một cách chính xác chế độ này được gọi là chế độ tín hiệu sai lệch (error mode).
Chế độ tín hiệu sai lệch này cũng có thể có khi chúng ta bật phản hồi; bức ảnh sẽ loại bỏ những biến thiên bề mặt chậm nhưng nhấn mạnh những yếu tố sắc cạch (gờ)
2.2.4. Tƣơng tác đầu dò - mẫu.
Có nhiều cách để thu được độ tương phản của bức ảnh. Ba cách tương tác chủ yếu là chế độ tiếp xúc, chế độ dao động và chế độ không tiếp xúc.
Phổ biến nhất trong AFM là chế độ tiếp xúc. Như tên gọi của nó, trong quá trình quét đầu dò và mẫu tiếp xúc với nhau. Ở đây tiếp xúc có nghĩa là ở trong vùng đẩy nhau của lực tương tác giữa các phần tử.
Vùng đẩy của đường cong nằm phía trên trục x (Hình 2.6)
2.3. Các chế độ hoạt động của AFM [9,14] 2.3.1. Chế độ tiếp xúc
Ở chế độ tiếp xúc của AFM, đầu dò cantilever nhẹ nhàng "tiếp xúc vật lý" với bề mặt của mẫu. Độ lệch của cantilever x tỷ lệ thuận với lực tác động lên đầu nhọn, thông qua định luật Hooke, F k x. , với k là hằng số đàn hồi của thanh rung. Ở chế độ tiếp xúc, đầu dò cantilever máy quét ở một độ cao không đổi trên bề mặt mẫu hoặc dưới các điều kiện của một lực không đổi. Ở mode độ cao không đổi thì độ cao của đầu dò là cố định, trong khi đó ở mode lực không đổi thì độ gập của cantilever là cố định và chuyển động của máy quét theo chiều z được ghi lại. Bằng cách sử dụng chế độ tiếp xúc AFM, thậm chí thu được cả hình ảnh về “độ phân giải nguyên tử”.
Đối với chế độ tiếp xúc AFM hình ảnh, cần có một cantilever đủ mềm để bị gập lại bởi lực rất nhỏ và có tần số cộng hưởng đủ cao để không dễ bị rung bất ổn định. Đầu dò bằng Silicon Nitrit được sử dụng cho chế độ tiếp xúc. Trong những đầu dò này, có 4 cantilever với hình dạng khác nhau gắn liền với mỗi bề mặt, kết quả thu được 4 hằng số đàn hồi khác nhau (hình 2.8).
Hình 2.8. Que dò với 4 cantilever khác nhau với hằng số đàn hồi khác nhau (N/m)
Để tránh những vấn đề gây ra bởi lực mao dẫn được tạo ra bởi một màng chất lỏng bị nhiễu thường hiện diện trên các bề mặt trong không khí, các mẫu có thể được nghiên cứu trong lúc bị dìm trong một chất lỏng. Phương thức này đặc biệt có lợi cho các mẫu sinh học.
2.3.2. Chế độ không tiếp xúc
Trong chế độ này, que dò hoạt động trong vùng lực hút và sự tương tác giữa đầu dò-mẫu được giảm thiểu. Việc sử dụng chế độ không tiếp xúc cho phép quét mà không ảnh hưởng đến hình dạng của mẫu do lực tương tác giữa đầu dò- mẫu. Trong hầu hết các trường hợp, cantilever được lựa chọn dành cho chế độ này là loại có hằng số đàn hồi từ 20-100 N/m để nó không dính vào bề mặt mẫu ở biên độ nhỏ. Những đầu dò được sử dụng chủ yếu cho chế độ này là những đầu dò silicon.
2.3.3. Chế độ dao động (Chế độ tiếp xúc liên tục)
Lực được đo bằng AFM có thể được phân thành lực tầm xa và lực tầm ngắn. Loại đầu tiên chiếm ưu thế khi chúng ta quét ở những khoảng cách lớn so với bề mặt và nó có thể là lực Van der Waals, lực mao dẫn (do lớp nước thường xuất hiện trong một môi trường xung quanh). Khi quá trình quét tiếp xúc với bề mặt thì các lực tầm ngắn là rất quan trọng, đặc biệt là lực cơ học lượng tử (lực nguyên lý loại trừ Pauli).
Ở chế dao động AFM, cantilever dao động gần với tần số cộng hưởng của nó. Một vòng lặp phản hồi điện tử đảm bảo rằng biên độ dao động vẫn liên tục, như vậy là một sự tương tác đầu dò-mẫu liên tục được duy trì trong khi quét.
Lực tác dụng giữa mẫu và đầu dò sẽ không chỉ gây ra một sự thay đổi trong biên độ dao động, mà còn thay đổi trong tần số cộng hưởng và pha của thanh rung. Biên độ được sử dụng cho sự hồi tiếp và điều chỉnh theo chiều dọc của máy quét áp tinh thể được ghi với một hình ảnh theo cao độ. Đồng thời, những thay đổi về pha được thể hiện bằng pha hình ảnh (địa hình).
Những ưu điểm của chế độ dao động là việc loại bỏ một phần lớn lực cắt vĩnh viễn và gây ra ít tổn hại cho bề mặt mẫu, thậm chí với các đầu dò cứng hơn. Các thành phần khác nhau của mẫu phô diễn sự khác biệt về tính kết dính và tính cơ học sẽ hiển thị một tương phản pha và do đó thậm chí cho một bảng phân tích thành phần. Với một tương phản pha tốt, lực đầu dò lớn hơn là lợi thế, trong khi việc giảm thiểu các lực này làm giảm diện tích tiếp xúc và tạo điều kiện cho việc ghi hình ảnh có độ phân giải cao. Vì vậy, trong các ứng dụng cần lựa chọn các giá trị đúng phù hợp với mục đích. Đầu dò silicon được sử dụng chủ yếu cho các ứng dụng chế độ dao động.
Bảng 2.1 là bảng tóm tắt các đặc điểm chính của ba chế độ đã được giải
thích ở trước. Trong các chế độ này chúng ta có thể làm việc trong các môi trường khác nhau như: không khí, chất lỏng và chân không. Trong chế độ tiếp xúc, đầu dò chạm vào bề mặt mẫu, dẫn đến một lực lớn và cho phép thao tác mẫu. Điểm bất lợi là đầu dò AFM có thể bị nhiễu bởi mẫu. Điều ngược lại sẽ xảy ra trong chế độ không tiếp xúc, nơi mà đầu dò vẫn ở một khoảng cách trên mẫu. Trong chế độ dao động, đầu dò chạm vào bề mặt mẫu một cách định kỳ, do đó việc thao tác mẫu cũng như việc bị nhiễu do tạp chất của đầu dò là có thể.
Bảng 2.1. Tính chất khác nhau của các chế độ hoạt động của AFM
Chế độ hoạt động Chế độ tiếp xúc Chế độ không tiếp
xúc Chế độ dao động
Lực tải đầu dò ThấpCao Thấp Thấp
Tiếp xúc với bề
mặt mẫu Có Không Có định kỳ
Thao tác mẫu Có Không Có
Bị nhiễu đầu dò
AFM Có Không Có
2.3.4. Ƣu điểm và nhƣợc điểm của các chế độ AFM. a. Chế độ tiếp xúc AFM.
Ưu điểm: - Tốc độ quét cao.
- "Độ phân giải nguyên tử" là khả thi.
- Dễ dàng quét những mẫu thô với thay đổi cao độ về địa hình theo chiều dọc. Nhược điểm:
- Các lực bên có thể làm méo hình ảnh.
- Lực mao dẫn từ một lớp chất lỏng có thể gây ra lực lớn đến sự tương tác giữa đầu dò-mẫu.
- Sự kết hợp của các lực này làm giảm độ phân giải không gian và có thể gây tổn hại cho các mẫu mềm.
b. Chế độ không tiếp xúc AFM.
Ưu điểm:
- Lực thấp được tác dụng lên bề mặt mẫu và không gây tổn hại cho các mẫu mềm.
Nhược điểm:
- Độ phân giải bên thấp hơn, bị hạn chế bởi sự ngăn cách đầu dò-mẫu. - Tốc độ quét chậm để tránh tiếp xúc với lớp chất lưu.
- Thông thường chỉ áp dụng trong những mẫu rất kỵ nước với một lớp chất lưu tối thiểu.
c. Chế độ dao động AFM.
Ưu điểm:
- Độ phân giải bên cao hơn (1 nm đến 5 nm).
- Lực thấp hơn và ít gây tổn hại cho mẫu mềm trong không khí. - Hầu như không có lực bên.
Nhược điểm:
- Tốc độ quét chậm hơn chế độ tiếp xúc.
2.4. AFM trong so sánh với các thiết bị khác [14,21]
Khái niệm về độ phân giải của AFM là khác với các kính hiển vi dùng các