Kính hiển vi lực nguyên tử AFM (atomic force microscope)

KÍNH HIỂN VI LỰC NGUYÊN TỬ AFM (ATOMIC FORCE MICROSCOPE) TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA VẬT LÍ BỘ MÔN VẬT LÍ ỨNG DỤNG 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 ( Non- Contact 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 XUÙCNON-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 TAPPINGTAPPING 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 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