1.5.5.1. Giới thiệu
Phương pháp hiển vi quét xuyên hầm lượng tử (STM) được phát minh năm 1986 bởi Gerd Binnig và Heinrich Rohrer, IBM Zurich đạt giải Nobel vật lý naem 1986. Phương pháp hiển vi quét xuyên hầm lượng tử là một phương pháp chụp ảnh vi cấu trúc bề mặt bằng cách dùng một mũi dò nhỏ quét trên bề mặt mẫu, ghi lại dòng điện xuyên hầm lượng tử từ bề mặt mẫu tới mũi dò. Mũi dò có kích thước siêu nhỏ quét trên bề mặt để ghi lại ảnh theo từng điểm (nhờ ghi lại dòng xuyên hầm). Phương pháp STM có thể khôi phục ảnh bề mặt với độ phân giải cao tới cấp độ nguyên tử, yêu cầu chân không siêu cao, quét nhờ bộ áp điện với độ chính xác rất cao và chỉ hoạt động được với mẫu dẫn điện.
Hiện tượng electron xuyên hầm lượng tử (STM) được sử dụng lần đầu tiên trong môi trường siêu chân không (UHV) để nghiên cứu tính chất bề mặt của vật liệu dẫn điện. Sau đó, các nghiên cứu được mở rộng trong môi trường không khí và chất lỏng. STM đầu tiên hoạt động tại bề mặt phân cách rắn - lỏng được giới thiệu bởi Sonnenfeld và Hansma vào năm 1986.
1.5.5.2. Nguyên lí hoạt động của STM
Một đầu dò (tip) làm bằng hợp kim hoặc kim loại đủ nhọn được quét trên bề mặt vật liệu dẫn điện cần khảo sát (Hình 1.15).
Hình 1. 15. Nguyên tắc hoạt động của kính hiển vi quét xuyên hầm (STM): Ub: điện thế bias; It: dòng điện xuyên hầm; Ux và Uy: điện thế theo trục ngang - song song với
bề mặt mẫu; Uz: điện thế theo trục dọc - vuông góc với bề mặt mẫu
Đầu dò được cố định vào một máy quét (scanner) - đó là một ống áp điện (piezo) làm từ gốm và chứa 3 hợp phần tương ứng với 3 điện cực: Px, Py, Pz. Ống điện áp này đóng vai trò như một bộ biến năng cơ điện có tác dụng chuyển đổi các tín hiệu điện Vx, Vy, Vz từ 1 mV đến 1 kV (được áp dụng cho các điện cực Px, Py, Pz tương ứng) thành chuyển động cơ từ 1 Å đến vài µm của một điện cực bên trong ống áp điện. Khi tác dụng một điện áp lên hai vật hoàn toàn không tiếp xúc với nhau thì một dòng điện có thể xuất hiện gọi là dòng xuyên hầm. Do đó, khi đầu dò quét trên bề mặt mẫu sẽ xuất hiện các điện tử di chuyển từ bề mặt mẫu sang đầu dò hoặc ngược lại do hiệu ứng
xuyên hầm lượng tử và việc ghi lại dòng xuyên hầm này sẽ cho các thông tin về cấu trúc bề mặt với độ phân giải ở cấp độ nguyên tử/phân tử.
Độ lớn của dòng xuyên hầm này phụ thuộc chủ yếu vào khoảng cách đầu dò - mẫu và cấu trúc điện tử của mẫu, thay đổi 1 A0 dẫn đến dòng xuyên hầm thay đổi gấp 10 lần [30], [31], [32].
Về nguyên tắc, hai chế độ làm việc có thể được sử dụng cho phép đo STM: chế độ dòng điện không đổi và chế độ chiều cao đầu dò không đổi (Hình 1.16).
Hình 1. 16. Chế độ làm việc của STM; a) Dòng điện không đổi; b) Chiều cao không đổi
- Chế độ dòng điện không đổi (a): Ở chế độ này, mạch điều chỉnh cấp điện áp cho thành phần áp điện z của khối piezo thay đổi theo địa hình bề mặt sao cho tín hiệu điện ( dòng xuyên hầm) nhận được có giá trị không đổi tín hiệu. Do đó, I và V được giữ không đổi, x và y biến đổi theo đường quét của đầu dò, tín hiệu z được xem như một hàm của x và y. Chế độ này có thể dùng để đo những bề mặt mẫu không bằng phẳng, diện tích đặc trưng lớn mà không gây hư hỏng đầu dò (do va chạm với bề mặt mẫu). Tuy nhiên nhược điểm của chế độ này là tốc độ quét giới hạn, phải được giữ đủ chậm để hệ thống phản hồi có thể kiểm soát được vị trí của đầu dò vàcó vấn đề với tạp cho ảnh bề mặt.
- Chế độ chiều cao không đổi (b): Ở chế độ này, quét đầu dò trên bề mặt mẫu, ghi lại dòng xuyên hầm theo vị trí. Do đó, tín hiệu z và V được giữ không đổi, x và y biến đổi theo đường quét của đầu dò và I được xem như là một hàm của x và y. Ưu điểm của chế độ này là tốc độ quét nhanh và do đó có
thể loại bỏ được hiệu ứng “trôi” (tức là hình ảnh bị biến dạng) đối với những phép đo với độ phân giải cao (phép đo ở kích thước hình ảnh STM nhỏ). Nhược điểm của chế độ này là hầu như khó thực hiện phép đo trên diện tích lớn hay bề mặt mẫu gồ ghề bởi dễ xảy ra hiện tượng va chạm giữa đầu dò và mẫu.
CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM