Transcript Kính hiển vi quét chui hầm (STM)

SEMINAR:
MÁY STM
(SCANNING TUNNELING
MICROSCOPE)
NHÓM THỰC HIỆN:
VŨ THU HIỀN
TRẦN THỊ THANH THỦY
HUỲNH LÊ THÙY TRANG
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
STM LÀ GÌ???
 Được phát minh năm 1981 và
hai nhà phát minh ra thiết bị này
là Gerd Binnig và Heinrich
Rohrer (đã giành giải Nobel Vật
lý năm 1986
 Là kính hiển vi quét chui ngầm
,được sử dụng để quan sát hình
thái học bề mặt của vật rắn (kim
loại, chất bán dẫn) ở cấp độ
nguyên tử
NGUYÊN LÝ
HOẠT ĐỘNG
CỦA STM
 STM sử dụng một mũi dò nhọn mà đầu của mũi dò có kích
thước là một nguyên tử, quét rất gần bề mặt mẫu. Khi đầu dò
được quét trên bề mặt mẫu, sẽ xuất hiện các điện tử di chuyển từ
bề mặt mẫu sang mũi dò do hiệu ứng chui ngầm lượng tử và
việc ghi lại dòng chui ngầm (do một hiệu điện thế đặt giữa mũi
dò và mẫu) này sẽ cho các thông tin về cấu trúc bề mặt với độ
phân giải ở cấp độ nguyên tử
CẤU TẠO CHÍNH MÁY STM
 ĐẦU DÒ
 BỘ ÁP ĐIỆN:
+ BỘ ĐIỀU KHIỂN
QUÉT XY
+ BỘ ĐIỀU KHIỂN
HỒI TIẾP
 BỘ PHẬN CHỐNG
RUNG
 MÁY TÍNH
ĐẦU DÒ
 Cách chế tạo:
_ Dây vonfram được
chế tạo bằng phương
pháp khắc điện hóa
hoặc được mài nhọn
với bột Fe.
_ Được cắt từ dây Pt-Ir.
 Đường kính vài trăm
nm (kích thước cỡ
nguyên tử)
PHƯƠNG PHÁP KHẮC ĐIỆN HÓA
CÁCH QUÉT CỦA ĐẦU DÒ
HIỆU ỨNG ĐƯỜNG NGẦM
 Theo cơ học cổ điển, khi E<U
hạt không thể vượt qua rào
thế.
Theo cơ học lượng tử, khi E<U
vẫn tồn tại giá trị hàm sóng của
điện tử ở bên kia rào thế, tức là
có xác suất tìm thấy điện tử bên
ngoài rào thế. Đây chính là hiệu
ứng chui ngầm lượng tử
_Nếu mẫu gắn vào cực +, Ef của mẫu nhỏ hơn Ef của đầu dò ->
dòng chui ngầm dịch chuyển từ đầu dò sang mẫu
_Nếu mẫu gắn vào cực -, Ef của mẫu > Ef của đầu dò -> dòng chui
hầm dịch chuyển từ mẫu sang đầu dò.
DÒNG CHUI NGẦM
Dòng chui ngầm đo mật độ e ở bề mặt
( e gần mức Fermi).
Do đó đo dòng chui ngầm có thể thay
thế cho hình ảnh vật lý của bề mặt
mẫu.
_d: khoảng cách giữa đầu dò và mẫu
_Ф: chiều cao hố thế
_m: khối lượng e.
_I giảm theo hệ số 10 khi khoảng cách tăng 1 Ao
_I co giá trị từ 10pA – 1nA ( Ф cỡ vài eV,d cỡ 0,5 nm)
BỘ PHẬN ÁP ĐIỆN
_Là
trung tâm vận hành của
STM.Giúp mũi dò di chuyển tinh
tế hơn
_có
2 loại áp điện:
tripod
tube
CHẤT ÁP ĐIỆN HOẠT ĐỘNG NHƯ THẾ NÀO?
+
d
+
V=+
V=0
L+DL
+
V= -
L
L-DL
_Chất áp điện giãn nở dọc theo trục của nó khi điện thế đặt vào cùng
chiều phân cực của chất áp điện (V +). Khi đó chất áp điện co lại theo
phương vuông góc với trục.
_Ngược lại chất áp điện sẽ co lại dọc theo trục của nó khi điện thế đặt
vào ngược chiều phân cưc của chất áp điện (V -). Khi đó chất áp điện
giãn nở theo phương vuông góc với trục.
BỘ ĐIỀU KHIỂN QUÉT XY
Là bộ phận điều khiển định vị vị
trí mũi dò ( áp điện X và Y có thể
dãn nở khi đặt vào nó 1 hiệu điện
thế) khi nó di chuyển rất sát vật
mẫu và quét trên mặt phẳng XY
song song với bề mặt mẫu.
BỘ ĐIỀU KHIỂN HỒI TIẾP
Mạch hồi tiếp để giữ cho dòng chui ngầm
không đổi,bằng cách điều chỉnh khoảng
cách giữa mũi dò và mẫu( trục z),khoảng
cách này được điều khiển bằng 1tinh thể
áp điện (áp điện z)có thể dãn nở khi đặt
vào nó 1 hiệu điện thế.
CÁC KIỂU QUÉT
KIỂU QUÉT
CHIỀU CAO
KHÔNG ĐỔI
KIỂU QUÉT DÒNG
CHUI NGẦM
KHÔNG ĐỔI
Kiểu quét chiều cao không đổi
Tốc độ nhanh hơn vì không điều
chỉnh trục z nhưng chỉ giới hạn
ở mẫu có bề mặt phẳng
Kiểu quét dòng không đổi:
Quét chậm vì bộ phận hồi tiếp
phải điều chỉnh khoảng cách
giữa đầu dò và mẫu
BỘ PHẬN CHỐNG RUNG
ỨNG DỤNG
Hình ảnh cấu trúc bề mặt Si (111) khi sử dung STM năm 1982
Hình ảnh (35nm × 35nm)1 tạp chất Cr thế chỗ trên bề mặt của Fe(001
Cấu trúc bề mặt mẫu Fe
Cấu trúc bề mặt mẫu Au
ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHỆ NANO (KHẮC HÌNH STM)
Qúa trình dịch chuyển cần 3 bước:
-Để vị trí mũi dò trên đỉnh của 1 nguyên tử bị
hấp thụ muốn di chuyển ,sau đó dần dần tăng
dòng chui ngầm -> mũi dò chuyển hướng đến
nguyên tử bị hấp thu, 1 liên kết riêng được hình
thành.
-Di chuyển mũi dò qua 1 bên để kéo nguyên tử
bị hấp thu đến 1 vị trí mong muốn
_Giảm dần dòng chui ngầm -> mũi dò rời khỏi
nguyên tử bị hấp thu và để nó lại vị trí mới
Nguyên tử xenon
Trên bề mặt niken
ƯU ĐIỂM CỦA STM
_STM là một kỹ thuật ghi ảnh hình
thái học và cấu trúc (cấu trúc vật lý,
cấu trúc điện từ...) bề mặt với độ
phân giải rất cao và cho ảnh chất
lượng cao.
_STM không đòi hỏi việc phá hủy
mẫu như kính hiển vi điện tử truyền
qua (thiết bị chụp ảnh với độ phân
giải tương đương).
_STM còn cho phép tạo ra các phép
thao tác trên bề mặt cho quá trình
chế tạo.
NHƯỢC ĐIỂM CỦA STM
_STM phải được thực hiện trong
chân không cao.
_Mẫu sử dụng trong STM phải là
mẫu dẫn điện( kim loại và chất bán
dẫn)
_Bề mặt mẫu siêu sạch và việc chống
rung là một đòi hỏi lớn.
_Tốc độ ghi ảnh trong STM thấp.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
 Theory of the scanning tunneling microscope ( J.Tersoff and D.R.Hamann)
 Introduction to scanning tunneling microscopy ( C.Julian Chen)
 Construction of an air-operated scanning tunneling microscope (Chinese journal





of physics)
en.wikipedia.org/wiki/Scanning_tunneling_microscope - 73k –
physics.nist.gov/GenInt/STM/stm.html - 5k –
nobelprize.org/educational_games/physics/microscopes/.../index.html - 21k –
inventors.about.com/library/inventors/blstm.htm - 24k
www.mcallister.com/stmpg.html - 13k -