Phát xạ lạnh(kính hiển vi STM)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN TP HỒ CHÍ MINHKHOA VẬT LÝBỘ MÔN VẬT LÝ ỨNG DỤNG SEMINAR: PHÁT XẠ LẠNH(KÍNH HIỂN VI STM) GVHD: PGS.TS LÊ VĂN HIẾU Học viên: HOÀNG VĂN ANH Thắc mắc xin liên hệ: thanhlam1910_2006@yahoo.com KÍNH HIỂN VI ĐIỆN TỬ XUYÊN HẦM (STM) 1.NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 2.CẤU TẠO CỦA STM Hệ cơ khí Hệ chống rung Hệ điều khiển phản hồi Đầu dò STM 3.ỨNG DỤNG Lịch sử Kính hiển vi điện tử xuyên hầm được phát triển tại IBM Zürich năm 1981 bởi Gerd Binning và Heinrich Rohrer và sau đó hai người đoạt giải Nobel vật lý năm 1986 do phát minh ra kính hiển vi này. Gerd Binning Heinrich Rohrer 1. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG °Döïa treân nguyeân lyù xuyeân haàm löôïng töû cuûa caùc ñieän töû giöõa 2 cöïc ñieän khi coù ñieän tröôøng ñaët vaøo. °Heä soá xuyeân haàm ñöôïc xaùc ñònh theo coâng thöùc: °Khi khoâng coù ñieän tröôøng ngoaøi (khoâng cung caáp naêng löôïng cho ñieän töû) heä soá D vaãn khaùc khoâng. D tæ leä nghòch vôùi a – khoaûng caùch giöõa hai ñieän cöïc (khoaûng caùch giöûa maãu vaø tip) vaø tæ leä thuaän vôùi naêng löôïng ñieän töû W. STM là kính hiển vi điện tử đầu dò có độ phân giải đạt đến nguyên tử. The Scanning Tunneling Microscope (STM) Quantum Tunneling Trong cơ học cổ điển,khi một vật gặp một rào thế mà nó không có đủ năng lượng đi qua rào thế thì nó luôn bị phản xạ lại. Giống như đá quả bóng vào tường. Classical Wave Function For Finite Square Well Potential Where E<V Quantum Tunneling Trong cơ học lượng tử, khi ở bên trong giếng thế vuông,hàm sóng có dạng hàm số mũ.Khi một phần tử gặp một rào thế mà nó không đử năng lượng vượt qua.Nếu rào thế đủ hẹp có thể tìm thấy các phần tử ở bên kia rào thế. Quantum Wave Function For Finite Square Well Potential Where E<V Quantum Tunneling Đồ thị mô tả hiệu ứng xuyên hầm: Electron có thể xuyên hầm từ nguyên tử này sang nguyên tử khác. n(r) xác suất tìm thấy electron. V(r) thế của electron. Quantum Tunneling Bây giờ chúng ta xem xét trường hợp sâu hơn là electron xuyên hầm từ kim loại này sang kim loại khác. EF là mức năng lượng Fermi.Đặt một hiệu điện thế giữa hai bản kim loại có thể tạo ra dòng electron xuyên hầm. Quantum Tunneling Theo cơ học lượng tử hàm sóng là hàm mũ. Do đó xác suất tìm thấy electron sau rào thế có bề dày d: Và: Trong đó f(E) là hàm phân bố Fermi. Quantum Tunneling Các giá trị m, d, Φ xác định (Φ là công thoát),d khoảng 1 Å. Trong đó: Hiện tượng áp điện Hiện tượng áp điện xảy ra với các tinh thể,khi tinh thể bị nén thì tạo ra hiệu điện thế giữa hai mặt tinh thể. Khi chúng ta đặt một điện trường vào tinh thể áp điện, tinh thể bị biến dạng. Hiện tượng đó gọi là hiện tượng áp điện.Sự biến dạng khoảng 0.01 A0 đến vài micromet. Do đó giúp cho mẫu và tip cách nhau khoảng 1 A0. Típ được gắn vào 3 tinh thể gốm áp điện và có thể dịch chuyển theo 3 phương x,y, z khi có điện trường đặt và gốm áp điện này. Dòng tunnel phụ thuộc vào khoảng cách giữa tip – mẫu và cấu trúc điện tử của mẫu dưới đầu dò, như vậy hình ảnh tạo được do giá trị dòng xuyên hầm tạo nên theo phương x,y, điểm nhô cao dòng I lớn ảnh sáng, điểm lõm dòng I nhỏ sáng yếu. Ñeå ghi hình aûnh tip (hoaëc maãu) seõ chuyeån ñoäng coøn maãu (hoaëc tip) ñöùng yeân, luùc ñoù doøng ñieän xuyeân haàm seõï thay ñoåi (do D thay ñoåi) tuyø thuoäc vaøo ñòa hình cao thaáp cuûa beà maët maãu hoaëc traïng thaùi ñieän töû cuûa beà maët maãu. Chế độ hoạt động dòng không đổi. Dòng xuyên hầm được giữ không đổi qua hệ thống điều khiển phản hồi Feedback. Trong chế độ này tạo hình ảnh bề mặt qua sự thay đổi độ cao z của đầu dò. Sử dụng ở phạm vi quét lớn hơn 100 Å để đo địa hình bề mặt. 2.Chế độ chiều cao không đổi. Lúc này mạch phản hồi không hoạt động, vị trí z của tip được giữ không đổi, hình ảnh tạo được là do biến thiên của dòng tunnel. Sử dụng cho phạm vi quét nhỏ hơn 100 Å. CẤU TẠO Hệ cơ khí: Moät heä cô khí ñieàu khieån söï tieáp caän cuûa maãu vaø tip ñeán khoaûng caùch caàn thieát tröôùc khi queùt. Vieäc dòch chuyeån tip ñöôïc thöïc hieän bôûi goám aùp ñieän. Tip ñöôïc gaén vaøo goám aùp ñieän vaø coù theå ñaët hieäu ñieän theá vaøo caùc cöïc cuûa aùp ñieän ñeå thöïc hieän söï dòch chuyeån naøy. Phaïm vi dòch chuyeån coù theå töø 0,01 A0 ñeán vaøi m. Đầu Dò Hình ảnh sắc nét phụ thuộc vào độ sắc nhọn của đầu dò. Tip được chế tạo bằng cắt cơ học, mài bóng và tẩm thực điện hóa. Bán kính của tip nhỏ hơn 1000 Å. Tip thường được làm từ W (bền chắc nhưng dần bị oxy hóa) hoặc Pt/Ir (trơ hóa học trong không khí và trong dung môi). Hệ chống rung Yeâu caàu baét buoäc laø bieân ñoä dao ñoäng khoâng mong muoán phaûi nhoû hôn 0,1 A0 ñeå coù theå taïo aûnh nguyeân töû Heä thoáng choáng rung treân ñeäm töø trong cheùn chì chöùa heli loûng (ñoái vôùi STM söû duïng trong chaân khoâng cao). W-ñaàu doø baèng tungsten, A-giaù ñôõ ñaàu doø, PP- taám aùp ñieän, F- chaân ñeá, D- taám ñieän moâi, MP-taám kim loaïi, M- nam chaâm Heä thoáng choáng rung ñoái vôùi STM laøm vieäc trong moâi tröôøng khoâng khí (1)-heä thoáng choáng rung thuyû löïc (2)-heä thoáng choáng rung baèng loø xo Hệ điều khiển phản hồi. Nhieäm vuï giöõ cho khoaûng caùch tip-maãu khoâng ñoåi (cheá ñoä ñoä cao khoâng ñoåi) hoaëc giöõ cho doøng tunnel giöõa tip-maãu khoâng ñoåi (cheá ñoä doøng khoâng ñoåi). Doøng tunnel ñöôïc chuyeån thaønh ñieän aùp vaø so saùnh vôùi giaù trò chuaån taïo tín hieäu vi sai, tín hieäu naøy laïi ñöôïc chuyeån ñoåi thaønh ñieän aùp ñeå ñieàu khieån vò trí goám aùp ñieän theo höôùng z (ñeå taïo hieäu chænh cho ñoä cao khoâng ñoåi hoaëc doøng khoâng ñoåi). Nhieäm vuï ñieàu chænh vò trí goám aùp ñieän tín hieäu vi sai naøy cuõng ñöôïc löu giöõ nhö moät haøm cuûa x, y ñeå taïo hình aûnh beà maët. 3. Ứng dụng STM Vẽ bản đồ địa hình, tạo hình ảnh ở mức độ từng nguyên tử cho thấy sự phân bố sắp xếp của các nguyên tử cũng như quan sát được các khuyết tật mạng. Đây là một công cụ hữu hiệu để nghiên cứu vật liệu nano. Si mặt (100) Hình ảnh 7x7 nm của nguyên tử Cs (màu đỏ) trên nền GaAs và hình ảnh 35x35 nm của Cr trên nền Fe, Chế tạo vật liệu có kích thước nano: khắc nano, lắng đọng kim loại, tẩm thực bằng đầu dò là những phương pháp hữu hiệu để chế tạo các cấu trúc nano. Ứng dụng nhiều trong nghiên cứu vật liệu sinh học: cấu trúc ADN của sinh vật (sau khi được phủ một lớp dẫn điện). Một số loại máy STM STM chân không cao STM nhiệt độ thấp XIN CHÂN THÀNH CẢM ƠN!!!