Kính hiển vi lực nguyên tử - Atomic Force Microscope

KÍNH HIỂN VI LỰC NGUYÊN TỬ AFM (ATOMIC FORCE MICROSCOPE) TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA VẬT LÍ BỘ MƠN VẬT LÍ ỨNG DỤNG Những người thực hiện: HỒNG VĂN ANH VÕ THỊ NGỌC THUỶ LÊ NGUYỄN BẢO THƯ Trường đại học khoa học tự nhiên thành phố Hồ Chí Minh Bộ mơn vật lí ứng dụng Lớp cao học quang điện tử khĩa 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 ơng chế tạo vào năm 1982. Kính cĩ độ phân giải ở cấp độ nanơmét Thuộc nhĩm kính hiển vi quét đầu dị hoạt động trên nguyên tắc quét đầu dị trên bề mặt.  The inventors Ảnh chụp chiếc AFM đầu tiên lưu giữ tại bảo tàng khoa học Luân Đơn 2/ Chức năng của máy AFM Là một thiết bị quan sát cấu trúc vi mơ bề mặt của vật rắn dựa trên nguyên tắc xác định lực tương tác nguyên tử giữa một đầu mũi dị nhọn với bề mặt của mẫu, cĩ thể quan sát ở độ phân giải nanơmet. 3. Cấu tạo của AFM Gồm cĩ 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): Nĩ 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 gĩc 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 dị quét lên bề mặt mẫu,do sự mấp mơ của bề mặt mẫu đầu dị sẽ rung lên theo phương thẳng đứng, chùm tia laze phản xạ trên cần quét sẽ bị xê dịch. ( tiếp theo ) Khi đầu dị đưa lại gần bề mặt mẫu thì xuất hiện những lực giữa đẫu dị và bề mặt mẫu.  Sơ đồ giải thích cơ chế làm việc của kính hiển vi lực nguyên tử Máy AFM cĩ thể thao tác trong nhiều chế độ khác nhau Chế độ tiếp xúc ( Contact Mode) Chế độ khơng tiếp xúc ( Non- Contact Mode) Chế dộ tapping. CHẾ ĐỘ TIẾP XÚC CONTACT MODE Tip được tiếp xúc và kéo lê trên bề mặt mẫu và cho ảnh địa hình Lực tác dụng là lực đẩy khoảng 10-9N Nhược điểm của phương pháp: dễ phá huỷ bề mặt mẫu và tip, hình ảnh dễ bị méo (nhiễu) do lớp vật chất hấp phụ trên bề mặt mẫu làm nhiễu lực đẩy. Chỉ có thể khắc phục nếu AFM hoạt động trong môi trường chân không cao CHẾ ĐỘ KHÔNG TIẾP XÚCNON-CONTACT MODE Trong chế độ này đầu dò luôn được giữ ở một khoảng cách rất nhỏ ngay sát bề mặt mẫu (10-15 nm), sự thay đổi độ lệch của lò xo lá do thay đổi lực hút sẽ được ghi nhận và tạo ảnh 3 chiều trên bề mặt mẫu. Khuyết điểm: lực hút quá yếu và đầu dò phải đặt sát bề mặt mẫu dễ bị kéo xuống bề mặt mẫu do lực căng bề mặt của những lớp khí hấp phụ trên mặt mẫu. Hình ảnh có độ phân giải kém và dễ bị sai lệch CHẾ ĐỘ TAPPINGTAPPING MODE Chế độ này tránh được kéo le đầu dò trên bế mặt mẫu làm hỏng mẫu cũng như tránh được lực bám dính giữa mẫu và đầu dò, tránh được nhiễu hình ảnh do những lớp chất lỏng bám trên bề mặt mẫu Trong chế độ này đầu dò gõ lên bề mặt mẫu với năng lượng đủ lớn được tiến hành bằng cách cho tip tiếp xúc bề mặt mẫu sau đó tiếp được nâng lên để tránh cào xước bề mặt mẫu Sự biến đổi của lực tương tác giữa mũi dị 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 nĩ cĩ một chế độ phân tích phổ, gọi là phổ lực AFM (force spectrocopy), là phổ phân bố lực theo khoảng cách. Các phổ này cĩ thể cung cấp nhiều thơng tin về cấu trúc nguyên tử của bề mặt cũng như các liên kết hĩa học. 5. Ưu điểm của AFM 5.1/ Đo được cả vật dẫn điện và vật khơng dẫn điện. 5.2./ AFM khơng địi hỏi mơi trường chân khơng cao, cĩ thể hoạt động ngay trong mơi trường bình thường. 5.3./ AFM cũng cĩ thể tiến hành các thao tác di chuyển và xây dựng ở cấp độ từng nguyên tử, một tính năng mạnh cho cơng nghệ nano. 5.4./ Mẫu chuẩn bị đơn giản, cho thơng 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 (khơng cần lớp bao phủ mẫu) 5.6/ AFM cung cấp thơng 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 dị rung trên bề mặt nên kém an tồn, đồng thời địi hỏi mẫu cĩ bề mặt sạch và sự chống rung. 7. Ứng dụng của AFM AFM cĩ các ứng dụng như: Chụp ảnh cắt lớp nhanh. Mơ tả, phân tích, xác định đặc điểm bề mặt. Kiểm sốt chất lượng, kiểm tra khuyết tật vật liệu,. Đo cơ học đơn phân tử. AFM cĩ ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như: cơng nghệ nano(nanotechnology), cơng nghệ bán dẫn, dược phẩm, sinh học,cơng 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 phĩng 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, ngồi trừ màu sắc khác nhau Scan courtesy J. Brockman, F. Harmon and S. Kowalczykowski, University of California, USA Tài liệu tham khảo