Transcript TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA VẬT LÍ BỘ MÔN VẬT LÍ ỨNG DỤNG KÍNH HIỂN VI LỰC NGUYÊN TỬ AFM (ATOMIC.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA VẬT LÍ
BỘ MÔN VẬT LÍ ỨNG DỤNG
KÍNH HIỂN VI LỰC NGUYÊN TỬ AFM
(ATOMIC FORCE MICROSCOPE)
Những người thực hiện: HOÀNG VĂN ANH
VÕ THỊ NGỌC THUỶ
LÊ NGUYỄN BẢO THƯ
Trường đại học khoa học tự nhiên thành phố Hồ Chí Minh
Bộ môn vật lí ứng dụng
Lớp cao học quang điện tử khóa 18
KÍNH HIỂN VI LỰC NGUYÊN TỬ
(AFM)
( Atomic Force Microscope)
1. Lịch sử phát triển
• Được sáng chế bởi Gerd Binnig và Christoph Gerber
vào năm 1986.
• Loại kính này được phát triển từ một loại kính hiển vi
tunen cũng do hai ông chế tạo vào năm 1982.
• Kính có độ phân giải ở cấp độ nanômét
• Thuộc nhóm kính hiển vi quét đầu dò hoạt động trên
nguyên tắc quét đầu dò trên bề mặt.
The inventors
Ảnh chụp chiếc AFM đầu tiên lưu giữ
tại bảo tàng khoa học Luân Đôn
2/ Chức năng của máy AFM
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, có thể quan sát ở độ phân giải
nanômet.
3. Cấu tạo của AFM
Gồm có 6 bộ phận chính
• Một mũi nhọn. Cần quét ( cantilever).
• Nguồn Laser.
• Phản xạ gương (miroir ).
• Hai nữa tấm pin quang điện (photodiod)
• Bộ quét áp điện
3.1.Mũi nhọn:
• Được làm bằng silic nitrit(Si3N4), kích thước khoảng một
nguyên tử.
3. 2.Cantilever(cần quét):
Nó cũng được cấu tạo từ Si3N4
3. 3.Nguồn laser
3. 4.Miroir( phản xạ phương)
3. 5.Hai nửa tấm pin quang điện
(photodiode)
3. 6.Bộ quét áp điện:
4. Nguyên lý của AFM
• Khi mũi nhọn quét gần bề mặt mẫu sẽ xuất hiện lực
VandeWalt giữa các nguyên tử làm rung thanh rung.
• Dao động của thanh rung do lực tương tác được 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 laser và được detector ghi lại.
=> Việc ghi lại lực tương tác trong quá trình thanh rung
quét trên bề mặt sẽ cho hình ảnh cấu trúc bề mặt của
mẫu vật
Chiếu chùm tia laze vào mặt phản xạ của
cần quét
Chiếu chùm tia laser vào mặt phản xạ của
cần quét(tiếp theo)
Khi đầu dò quét
lên bề mặt mẫu,do
sự mấp mô của bề
mặt mẫu đầu dò
sẽ rung lên theo
phương thẳng
đứng, chùm tia
laze phản xạ trên
cần quét sẽ bị xê
dịch.
( tiếp theo )
Khi đầu dò
đưa lại gần
bề mặt mẫu
thì xuất
hiện những
lực giữa
đẫu dò và
bề mặt
mẫu.
Sơ đồ giải thích cơ chế làm việc của kính hiển vi
lực nguyên tử
Máy AFM có thể thao tác trong nhiều chế độ
khác nhau
•Chế độ tiếp
xúc ( Contact
Mode)
• Chế độ không
tiếp xúc ( NonContact Mode)
•Chế dộ
tapping.
CHEÁ ÑOÄ TIEÁP XUÙC CONTACT MODE
• Tip ñöôïc tieáp xuùc vaø keùo leâ treân beà maët maãu vaø cho aûnh ñòa hình
• Löïc taùc duïng laø löïc ñaåy khoaûng 10-9N
• Nhöôïc ñieåm cuûa phöông phaùp: deã phaù huyû beà maët maãu vaø tip, hình aûnh
deã bò meùo (nhieãu) do lôùp vaät chaát haáp phuï treân beà maët maãu laøm nhieãu
löïc ñaåy. Chæ coù theå khaéc phuïc neáu AFM hoaït ñoäng trong moâi tröôøng
chaân khoâng cao
CHEÁ ÑOÄ KHOÂNG TIEÁP XUÙC
NON-CONTACT MODE
• Trong cheá ñoä naøy ñaàu doø luoân ñöôïc giöõ ôû moät khoaûng caùch raát nhoû ngay saùt beà maët
maãu (10-15 nm), söï thay ñoåi ñoä leäch cuûa loø xo laù do thay ñoåi löïc huùt seõ ñöôïc ghi nhaän
vaø taïo aûnh 3 chieàu treân beà maët maãu.
• Khuyeát ñieåm: löïc huùt quaù yeáu vaø ñaàu doø phaûi ñaët saùt beà maët maãu deã bò keùo xuoáng
beà maët maãu do löïc caêng beà maët cuûa nhöõng lôùp khí haáp phuï treân maët maãu. Hình aûnh
coù ñoä phaân giaûi keùm vaø deã bò sai leäch
CHEÁ ÑOÄ TAPPING
TAPPING MODE
• Cheá ñoä naøy traùnh ñöôïc keùo le ñaàu doø treân beá maët maãu laøm hoûng maãu cuõng
nhö traùnh ñöôïc löïc baùm dính giöõa maãu vaø ñaàu doø, traùnh ñöôïc nhieãu hình aûnh
do nhöõng lôùp chaát loûng baùm treân beà maët maãu
• Trong cheá ñoä naøy ñaàu doø goõ leân beà maët maãu vôùi naêng löôïng ñuû lôùn ñöôïc
tieán haønh baèng caùch cho tip tieáp xuùc beà maët maãu sau ñoù tieáp ñöôïc naâng leân
ñeå traùnh caøo xöôùc beà maët maãu
Sự biến đổi của lực tương tác giữa mũi
dò và bề mặt mẫu theo khoảng cách.
5. Phân tích phổ của AFM
• Vì AFM hoạt động dựa trên việc đo lực tác dụng
nên nó có một chế độ phân tích phổ, gọi là phổ
lực AFM (force spectrocopy), là phổ phân bố lực
theo khoảng cách.
• Các phổ này có thể cung cấp nhiều thông tin về
cấu trúc nguyên tử của bề mặt cũng như các
liên kết hóa học.
5. Ưu điểm của AFM
1.
5.1/ Đo được cả vật dẫn điện và vật không dẫn điện.
•
5.2./ AFM không đòi hỏi môi trường chân không cao, có thể
hoạt động ngay trong môi trường bình thường.
•
5.3./ AFM cũng có thể tiến hành các thao tác di chuyển và
xây dựng ở cấp độ từng nguyên tử, một tính năng mạnh cho
công nghệ nano.
•
5.4./ Mẫu chuẩn bị đơn giản, cho thông tin đầy đủ hơn so
với hình ảnh của hiển vi điện tử truyền qua.
•
5.5/AFM cung cấp những phép đo độ cao trực tiếp về địa
hình của mẫu và những hình ảnh khá rõ ràng về những đặc
trưng bề mặt mẫu (không cần lớp bao phủ mẫu)
5.6/ AFM cung cấp thông tin ba chiều của bề
mặt mẫu.
6. Nhược điểm của AFM
• AFM quét ảnh trên một diện tích hẹp (tối đa đến
150 micromet).
• Tốc độ ghi ảnh chậm do hoạt động ở chế độ
quét.
• Chất lượng ảnh bị ảnh hưởng bởi quá trình trễ
của bộ quét áp điện.
• Đầu dò rung trên bề mặt nên kém an toàn, đồng
thời đòi hỏi mẫu có bề mặt sạch và sự chống
rung.
7. Ứng dụng của AFM
 AFM có các ứng dụng như:
•
•
•
•
Chụp ảnh cắt lớp nhanh.
Mô tả, phân tích, xác định đặc điểm bề mặt.
Kiểm soát chất lượng, kiểm tra khuyết tật vật liệu,.
Đo cơ học đơn phân tử.
 AFM có ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như: công nghệ
nano(nanotechnology), công nghệ bán dẫn, dược phẩm,
sinh học,công nghệ vật liệu.v.v.
Một số hình ảnh về ứng dụng của AFM
Đây là hình ảnh của hình cầu
GaAs đường kính trong đo
được là 30 nm. Hình ảnh này
đã được đo trongchế độ
“Close-Contact”.
Lớp vàng dày 400
nanometer bốc hơi trên một
lớp bề mặt silicon. Sau khi
ngâm trong dung dịch axit
KI va I2, hình ảnh này đã
được chụp bởi máy AFM ở
chế độ “tapping mode” với
độ phóng đại 20000
Hình ảnh 2-D của đĩa
ghi DVD hiển thị các
liên kết của bit. Bất kỳ
khuyết tật trên bề mặt
được dễ dàng xác định
trong hình ảnh 2-D.
Hình ảnh của một khối vật
chất bị khiếm khuyết chụp
bằng máy AFM
Hình ảnh chụp bằng
AFM của lớp phủ
polymer mềm trên cạnh
của một lưỡi dao giúp
làm sáng tỏ cơ chế của
sự tích tụ polymer trên
bề mặt thép
Hình chụp bằng AFM của một chuỗi DNA
được hình dung như một phức hợp màng
RecA protein. Cả 2 hình là của cùng một
phân tử, ngoài trừ màu sắc khác nhau
Scan courtesy J. Brockman, F. Harmon and
S. Kowalczykowski, University of California,
USA
Tài liệu tham khảo
• http://pacificnanotech.com/nanoparticles.html
• http://www.iis.ee.ethz.ch/research/physchar/microscopy.en.h
tml
• http://www.veeco.com/library/nanotheater
• http://www.msmacrosystem.nl/3Dsurf/Shots/sem_cirquit.ht
ml.
• http://www.sciencegl.com/multiple_layers/multilayer.htm
• http://www.asmicro.com/