Kính hiển vi lực nguyên tử (Atomic force microscope - AFM) được sáng chế bởi Gerd Binning, Calvin Quate và Christoph Gerber vào năm 1986. Đây là một thiết bị quan sát cấu trúc vi mô bề mặt của vật rắn dựa trên nguyên tắc xác định lực tương tác nguyên tử giữa một đầu mũi dò nhọn với bề mặt của mẫu. AFM thuộc nhóm kính hiển vi quét đầu dò hoạt động trên nguyên tắc quét đầu dò trên bề mặt, độ phân giải có thể lên đến nanomet. Phương pháp AFM có thể áp dụng để khảo sát mẫu rất mỏng, bởi vì ảnh tạo bởi phương pháp này là do lực nguyên tử của lớp ngoài cùng là chính.
Bộ phận chính của AFM là một mũi nhọn được gắn trên một thanh rung (cantilever) thường là vật liệu áp điện. Mũi nhọn thường được làm bằng Si hoặc SiN có kích thước cỡ một nguyên tử. Khi mũi nhọn quét gần bề mặt mẫu, sẽ xuất hiện lực Van der Waals giữa các nguyên tử tại bề mặt mẫu và nguyên tử tại đầu mũi nhọn làm rung thanh cantilever. Độ lớn của lực phụ thuộc vào khoảng cách giữa đầu mũi dò và bề mặt của mẫu. Dao động của thanh rung gây bởi lực tương tác được ghi lại nhờ một
tia laser chiếu lên bề mặt của thanh rung. Khi thanh rung dao động, tia laser phản xạ sẽ thay đổi hướng và được thu nhận bởi bộ diode quang và mạch điện tử xử lý. Tùy thuộc vào độ ráp, mấp mô của bề mặt mẫu, lực tương tác sẽ thay đổi dẫn đến sự biến thiên góc phản xạ của tia laser. Quá trình ghi lại lực tương tác khi thanh rung quét trên sẽ cho hình ảnh chính xác cấu trúc bề mặt của mẫu ở kích thước nguyên tử. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của kính hiển vi lực nguyên tử được mô tả như hình 2.19.
Hình 2.19. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của kính hiển vi lực nguyên tử
Trên thực tế, tùy vào chế độ và loại đầu dò sử dụng chúng ta có thể tạo ra các lực khác nhau và loại hình ảnh cấu trúc khác nhau. Ví dụ như lực Van der Waals cho ảnh về hình thái học bề mặt, lực điện từ có cho cấu trúc điện từ (kính hiển vi lực từ Magnetic Force Microscope - MFM), hay các loại lực khác (lực Casmir, lực liên kết hóa học, …) và cho các thông tin khác nhau về bề mặt mẫu.
AFM có thể đo được ở nhiều chế độ khác nhau như sau:
- Chế độ tiếp xúc (contact mode): mũi dò tiếp xúc mặt mẫu và được kéo lê trên bề mặt mẫu để cho ảnh bề mặt mẫu. Lực tương tác lúc này là lực đẩy.
- Chế độ không tiếp xúc (non-contact mode): đầu dò luôn giữ ở một khoảng cách rất nhỏ ngay sát bề mặt mẫu (10-15 nm), sự thay đổi độ lệch là do thay đổi lực hút sẽ được ghi nhận và tạo ảnh ba chiều trên bề mặt mẫu.
- Chế độ tapping: đầu dò gõ lên bề mặt mẫu với năng lượng đủ lớn, thực hiện bằng cách cho mũi dò tiếp xúc bề mặt mẫu và sau đó mũi dò được nâng lên để tránh cào xước bề mặt mẫu.
Hình 2.20. Kính hiển vi lực nguyên tử AFM
Hình thái học bề mặt của các mẫu trong luận văn được tiến hành trên kính hiển vi lực nguyên tử/lực từ AFM/MFM ND-MTD (Nga) đặt tại Phòng thí nghiệm Công nghệ micro và nano, trường Đại học Công nghệ (hình 2.20).
2.4. Khảo sát hiệu ứng tổ hợp