CHƢƠNG 2 KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM
2.2. Các phƣơng pháp nghiên cứu tính chất mẫu
2.2.3. Kính hiển vi lực nguyên tử
Kính hiển vi lực nguyên tử (AFM-atomic force microscope) đƣợc phát minh vào năm 1986 bởi Binnig, Quate và Gerber. Giống nhƣ các kính hiển vi qt mũi dị khác, AFM quét một mũi dò nhọn trên bề mặt của mẫu và đo sự thay đổi lực giữa mũi dị và mẫu. Hình 2.6 biểu diễn cách vận hành của một thiết bị đo AFM. Một mũi dò nhọn gắn trên cần rung (cantilever) đƣợc định vị ngay phía trên bề mặt mẫu. Mũi nhọn thƣờng đƣợc làm bằng Si hoặc SiN và kích thƣớc của đầu mũi nhọn là một nguyên tử. Khi mũi nhọn quét gần bề mặt mẫu vật, sẽ xuất hiện lực Van der Waals giữa các nguyên tử tại bề mặt mẫu và nguyên tử tại đầu mũi nhọn (lực nguyên tử) làm rung thanh cantilever. Lực này phụ thuộc vào khoảng cách giữa đầu mũi dò và bề mặt của mẫu. Dao động của thanh rung do lực tƣơng tác đƣợc ghi lại nhờ một tia laser chiếu qua bề mặt của thanh rung, dao động của thanh rung làm thay đổi góc lệch của tia lase và đƣợc detector ghi lại. Tùy vào khoảng cách giữa mũi nhọn và mẫu, tƣơng tác giữa chúng sẽ là lực phạm vi gần hay xa (Hình 2.7). Lực này đƣợc đo bởi sự thay đổi độ cong của cần rung nhờ kĩ thuật quang học nhƣ sau: một chùm laser đƣợc chiếu vào mặt sau của cần gắn mũi dò nhọn và một đầu thu quang học sẽ đo tia phản xạ. Lực nhỏ sẽ khiến tia phản xạ lệch ít hơn là lực lớn. Bằng cách quét mũi dò trên bề mặt mẫu và ghi lại lực này, chúng ta có thể thu lại hình ảnh bề mặt mẫu và các tính chất khác của mẫu có thể tạo ra.
AFM là phƣơng pháp rất hữu hiệu để thu đƣợc thông tin ba chiều của cấu trúc cách điện và cấu trúc dẫn điện với độ phân giải ngang đạt tới 1,5 nm và độ phân giải dọc đạt tới 0,05 nm. Những mẫu này có thể là cấu trúc nguyên tử và phân tử, siêu phân tử hoặc mẫu sinh học (tế bào, DNA, protein, …). Mẫu có thể đo trong khí gas, chất lỏng và có thể đo tính chất vật lý nhƣ độ đàn hồi, độ kết dính, độ cứng, ma sát và chức năng hóa học. Về nguyên tắc, AFM là một máy ghi và máy đo cấu trúc. Khả năng thu đƣợc độ phân giải cỡ nguyên tử của AFM phụ thuộc vào 3 bộ phận chính: một cần giữ với mũi dò nhọn, một bộ quét điều khiển ba chiều x-y-z (sử dụng vật liệu áp điện) và bộ phận thu nhận -hồi đáp tín hiệu. AFM có thể hoạt động với bộ phận hồi đáp bật hoặc tắt. Nếu bật, khi mũi dò quét trên bề mặt, bộ áp điện sẽ điều chỉnh khoảng cách giữa mũi dò và bề mặt sao cho độ lệch của tia phản xạ là khơng đổi và do đó, lực tƣơng tác là không đổi. Chế độ này đƣợc gọi là chế độ lực không đổi và ln cho hình ảnh bề mặt khá trung thực, cho nên có tên gọi khác là chế độ độ cao (height mode). Nếu bộ phận hồi đáp tắt, AFM làm việc trong chế độ độ cao khơng đổi. Chế độ này có ích với mẫu rất phẳng.
Hình 2.7: Sơ đồ hoạt động của kính hiển vi lực và đường cong đặc tuyến lực- khoảng cách của tương tác giữa mũi dị và mẫu.
Có 3 chế độ hoạt động (1) chế độ tiếp xúc, (2) chế độ rung và (3) chế độ không tiếp
xúc
- Chế độ tiếp xúc (contact mode) là phƣơng pháp phổ biến của AFM để thu đƣợc
cấu trúc vi mô bề mặt. Trong phƣơng pháp này, mũi dò và mẫu đƣợc giữ rất gần nhau khi quét. “Tiếp xúc” gần sẽ khiến cho lực giữa mũi dò và mẫu là lực đẩy nội nguyên tử. Một trong những hạn chế khi để mũi dò tiếp xúc với mẫu là lực ngang khá lớn tác dụng lên thanh rung khi quét mà hầu hết các thanh rung có hệ số đàn hồi nhỏ hơn 1 N/m, tức là nhỏ hơn hệ số đàn hồi cần thiết để giữ các nguyên tử với nhau. Do đó, lực lớn có thể làm méo hình ảnh và làm hỏng mẫu. Tuy nhiên, lực ngang nhỏ lại hữu dụng cho ta thông tin về ma sát giữa mũi dò và mẫu trong chế độ hoạt động gọi là hiển vi lực ngang (lateral force microscopy-LFM).
- Chế độ rung: Trong chế độ này, mũi dị khơng phải lúc nào cũng tiếp xúc với bề
mặt. Khi quét, thanh rung dao động với tần số riêng ( cỡ kHz) nên thời gian tiếp xúc chỉ là phần rất nhỏ so với chu kì dao động, lực ngang giảm đi một cách đáng kể (Hình 2.8). Chế độ này đƣợc dùng với mẫu mềm (polymer, màng mỏng). Có 2 cơ chế tạo ảnh đƣợc trong chế độ này:
Biên độ không đổi: bộ phận hồi đáp điều chỉnh áp điện phƣơng dọc sao cho biên độ
dao động của thanh rung gần nhƣ không đổi. Điện áp cần để giữ biên độ khơng đổi có thể biến đổi thành tín hiệu hình ảnh. Cơ chế này tạo ra tƣơng phản cao giữa các cấu trúc trên bề mặt mẫu.
Pha: độ lệch pha giữa dao động của thanh rung và dao động thu đƣợc có thể cho
thơng tin về tính chất của vật liệu, ví dụ về hợp chất hóa học, độ kết dính, ma sát.
- Chế độ không tiếp xúc: Ở chế độ này, thanh rung dao động ở phía trên bề mặt mẫu tại một khoảng cách mà tƣơng tác giữa mũi dò và mẫu là lực hút (Hình 2.9). Chế độ này khơng thuận lợi khi mẫu nằm trong các mơi trƣờng do có một lớp nƣớc mỏng giữa mũi dò và bề mặt. Khi mũi dò đƣợc đƣa gần tới bề mặt, sẽ có một cầu cầu mao dẫn giữa chúng khiến cho mũi dị trở thành tiếp xúc với mẫu.
Hình 2.9: Hình ảnh mũi dị và mẫu trong chế độ khơng tiếp xúc.
Phép đo AFM trong luận văn đƣợc thực hiện trên hệ máy AFM XE-100 (Park Systems, Hàn quốc) tại Khoa Vật Lý, Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên.