Nghiên cứu ứng dụng các thiết bị và công nghệ tiên tiến trong đo lường và y tế

1





Viện khoa học và công nghệ việt nam
Viện Vật lý ứng dụng và Thiết bị khoa học
18 Hoàng quốc Việt , Hà Nội



Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật Đề tài cấp nhà nớc:
Nghiên cứu ứng dụng các thiết bị và công nghệ
tiên tiến trong đo lờng, y tế (AFM/STM).

M số kc 01-10

CNĐT: Trần xuân Hoài

Tài liệu này đợc chuẩn bị trên cơ sở kết quả thực hiện Đề tài cấp Nhà nớc,
mã số KC01-10, thuộc chơng trình
"Nghiên cứu Khoa học và Phát triển Công nghệ thông tin và truyền
thông",
Mã số: KC.01

6836
07/5/2008
Hà Nội, 9-2004



2

1 -Chơng I: Mở đầu 6
Error! Hyperlink reference not valid.
1.2 Những câu hỏi cần giải đáp 6
1.2.1 SPM là gì ?: 6
1.2.2 Vì sao cần dùng đến SPM ?: 6
1.2.3 Lịch sử phát triển: 6
1.2.4 Vì sao lại nghiên cứu chế tạo SPM: 7
1.2.4.1 Lý do nhu cầu: 7
1.2.4.2 Lý do kinh tế: 7
1.2.4.3 Lý do chuyên môn: 7
1.2.4.4 Lý do phát triển: 7
1.3 Nội dung đề tài phải thực hiện 7
1.3.1 Nội dung tóm tắt: 7
1.3.2 Nội dung nghiên cứu cụ thể 7
1.3.2.1 Khối điện-truyền động thô 7
1.3.2.2 Khối dịch chuyển và định vị nano 8
1.3.2.3 Khối Điện tử Analog-Digital 8
1.3.2.4 Phần mềm 8
1.3.2.5 Phát triển ứng dụng, đào tạo và hợp tác hỗ trợ ứng dụng 8
1.4 Cách tiếp cận và phơng pháp nghiên cứu 8

1.5 Bố cục và nội dung trình bày báo cáo 10
2 - Chơng ii- 11
tổng quan và những cơ sở khoa hoc của spm 11
2.1 Kính hiển vi và những giới hạn kỹ thuật của các loại hiển vi hiện tại
11

2.2 Nguyên lý hiển vi có trờng quan sát gần sát mẫu gọi tắt là Hiển vi
trờng gần (near field microscopy) 12

2.3 Cơ chế hoạt động của hiên vi điện tử quét đầu dò 14
( SPM: Scanning Probe Microscopy) 14
2.4 Những cơ sở vật lý kỹ thuật của hiển vi quét dòng Tunel 16
2.5 Hiệu ứng áp điện và ứng dụng cho SPM 19
2.5.1.1 Giới thiệu tóm tắt về áp điện 19
2.5.1.2 Vật liệu áp điện 20
2.5.1.2.1 Biến dạng đàn hồi của vật rắn: 20
2.5.1.2.2 Tinh thể áp điện : 21
2.5.1.2.3 Gốm fero điện : 22
2.5.1.2.4 Các hệ số đặc trng 22
2.5.1.2.5 Những biến đổi cơ - điện 25


3
2.5.1.3 ứng dụng của kĩ thuật áp điện trong SPM 28
3 -Chơng III- 31
hiển vi quét đầu dò-cấu trúc và thiết kế phát triển 31
3.1 Tình hình và kết quả nghiên cứu trong và ngoài nớc 31
3.1.1 Giới thiệu chung 31
3.1.2 Mô tả tóm tắt về kỹ thuật SPM 32
3.2 Chế tạo hiển vi quét lực nguyên tử (AFM) với công nghệ xử lý tín

hiệu số (DSP) trong môi trờng linux 35

3.2.1 Tóm tắt những đặc điểm thiêt kế chính 35
3.2.2 Tổng thể về Thiết kế chế tạo AFM 35
3.2.2.1 Sơ đồ khối 35
3.2.2.2 Các lớp phần mềm 36
3.2.2.2.1 Phần mềm bậc cao: 36
3.2.2.2.2 Phần mềm nhúng: 37
3.2.2.3 Phần cứng 37
3.2.2.3.1 Khối máy và chống rung. 37
3.2.2.3.2 Đầu đo. 38
3.2.2.3.3 XYZ vi chỉnh, Piezo scaner 39
3.2.2.3.4 Tiếp cận thô 39
3.2.2.3.5 Cơ chế phát hiện tín hiệu 40
3.2.2.3.6 Hệ thống điện tửDSP đo lờng và xử lí tín hiệu 40
3.2.3 Đo lờng trên mẫu chuẩn. 41
3.2.4 Kết luận 43
3.3 Thiết kế chế tạo kính hiển vi điện tử quét hiệu ứng đờng ngầm-
STM 44

3.3.1 Giới thiệu tóm tắt: 44
3.3.2 Thiết kế, chế tạo các công đoạn của thiết bị STM. 45
3.3.2.1 Làm mũi dò: 45
3.3.2.1.1 Nguyên lý. 45
3.3.2.1.2 Chế tạo mũi: 46
3.3.2.2 Bộ vi chỉnh 3 chiều bằng áp điện( Piezo) và môtơ bớc 46
3.3.2.2.1 Nguyên lý. 46
3.3.2.2.2 Quá trình thực hiện 46
3.3.3 Các dạng cấu tạo của STM 47
3.3.4 Hệ thống điện tử điều hành 47

3.3.5 Thiết kế khởi tạo hệ điều hành cho STM. 49
Hình 4.2 Lu đồ thuật toán phần mềm Potentialstate trên DSP 49
3.3.6 Kết quả và kết luận về STM 52
4 -Chơng V : Kỹ thuật DSP 55
4.1 Tại sao phải dùng DSP ? 55
4.2 Ngôn ngữ lập trình 55


4
4.3 Phần cứng 57
4.3.1 Đặc điểm chung 57
4.3.2 Card xử lí tín hiệu số Card Signal Ranger 57
4.3.2.1 Cấu hình chung 58
4.3.2.2 Cấu hình phần cứng 59
4.3.2.3 Cấu hình bộ nhớ Các thông số cơ bản 60
4.3.2.4 Ngôn ngữ giao tiếp 61
5 -Chơng 5 :Thiết kế chế tạo bộ điều khiển digital chuyển động đa năng
bằng mô tơ bớc 62

5.1 Tóm tắt: 62
5.2 Giới thiệu nội dung vấn đề nghiên cứu 63
5.3 Nguyên tắc hoạt động 63
5.4 Cấu tạo thực tế của động cơ bớc: 65
5.4.1 Các chế độ hoạt động 65
5.4.1.1 Chế độ kích một pha: 65
5.4.1.2 Chế độ kích hai pha: 65
5.5 Chế tạo hệ điều khiển động cơ bớc 66
5.5.1 Sơ đồ khối điều khiển động cơ bớc dùng vi điều khiển
AT89C51 67

5.5.2 Một số điểm cần chú ý về linh kiện: 68
5.6 Kết quả kiểm nghiệm và kết luận 69
6 -Chơng VI . 74
Các hệ thống điện tử chuyên dụng cho SPM 74
6.1 Thiết kế bộ khuếch đại tín hiệu nhỏ trong kính hiển vi điện tử quét
hiệu ứng đờng ngầm (STM) 74

6.1.1 Những vấn đề cơ sở về tạp nhiễu điên tử : 74
6.1.1.1 Nhiễu điện trở ( Nhiễu Johnson) : 74
6.1.1.2 Nhiễu dòng : 75
6.1.1.3 Nhiễu 1/f : 75
6.1.1.4 Nhiễu điện từ : 75
6.1.2 Chọn nguyên lý hoạt động cho bộ khuếch đại dòng Tunnel: 75
6.1.3 Tính toán,thiết kế 79
6.1.4 Mạch nguyên lý của bộ khuyếch đại tín hiệu. 81
6.2 Laser bán dẫn và Hệ điện tử nuôi laser bán dẫn trong SPM 83
6.2.1 Yêu cầu và các thông số kỹ thuật đợc chọn 83
6.2.2 Mạch nuôi Laser 84
6.3 Photodiode định vị tứ cực 85
6.3.1 Nguyên lý hoạt động và cấu trúc linh kiện 85
6.3.2 Hệ điện tử xử lý và khuếch đại tín hiệu định vị 86
6.4 Hệ thống điện tử điều hành 87
6.5 Phụ lục : Một số bản vẽ sơ đồ và bản thiết kế gia công mạch in 88


5
7 -Chơng VII : Phần mềm 89
8 -Chơng VIII: cơ khí STM 100
8.1 Hệ thống cơ khí dịch chuyển và định vị bằng áp điện 100
8.1.1 Những u điểm của hệ thống định vị áp điện 100

8.1.2 ống quét piezo (Piezo scanner) 101
8.2 Cách li giao động cơ học 103
8.3 Hình ảnh các bộ phận và chi tiêt cơ khí chủ yếu Error! Bookmark
not defined.

8.4 Phụ lục: Một số bản vẽ chính Error! Bookmark not defined.
9 - Chơng IX- 107
Thiết kế chế tạo PotentioStat và Phổ kế trở kháng Điện Hoá trên cơ sở xử lí
tín hiệu số 107

9.1 Giới thiệu tóm tắt 107
9.2 Thiết kế chế tạo Potentiostat 108
9.2.1 Nguyên lý chung 108
9.2.2 Thiết kế chế tạo Digital PotentioStat 108
9.3 Nghiên cứu phát triển phơng pháp đo phổ kế trở kháng điện hoá
(Electromechical Impedance Spectroscopy) 113

9.4 Đánh giá và kết luận 119

6

1-Chơng I: Mở đầu
Giới thiệu đề tài,Mục đích,Yêu cầu, Nội dung, Phơng pháp thực hiện






1.1
Mục tiêu của đề tài
Đề tài mang mã số KC01-10 có tên gọi và cũng chính là mục tiêu chung Nghiên cứu
ứng dụng các thiết bị và công nghệ tiên tiến trong đo lờng, y tế (AFM/STM). Đây
là một tên goi phản ảnh một nội dung rất rộng và tổng quát. Trên thực tế đề tài đợc
thực hiện và trình bày trong báo cáo này thực sự chỉ giải quyết việc nghiên cứu một loại
thiết bị công nghệ tiên tiến trong đo lờng (và chỉ ở một chừng mức nhất định ,có khả
năng ứng dụng gián tiếp cho y tế thông qua các khả năng ứng dụng cho nghiên cú sinh
học) đó là thiết bị hiển vi điện tử quét đầu dò (SPM) bao gồm hiển vi quét dòng Tunel

(STM)và hiển vi quét lực nguyên tử (AFM) đúng nh phần ghi rõ trong dấu ngoặc của
tên đề tài. Các mục tiêu cụ thể bao gồm:

Triển khai chế tạo hiển vi quét đàu dò (SPM- Scanning Probe Microscopy ) bao gồm hai
loại chính là kính hiển vi lực nguyên tử AFM, kính hiển vi quét xuyên hầm STM độ phân
giải dới 10
-9
m
Nghiên cứu, tiếp thu, phân tích ứng dụng loại thiết bị điện tử tiên tiến , chuyên dụng này
trong nghiên cứu,đo lờng, giáo dục, y tế và đa vào ứng dụng cụ thể ở quy mô nhỏ, đảm
bảo chất lợng cao, đạt trình độ trong vùng, giá thành hạ so với nhập ngoại, có thị trờng
và điều kiện mở rộng ứng dụng lâu dài
Xây dựng tiềm lực, công cụ vật chất cho chế tạo thiết bị điện tử tiên tiến (thế hệ mới, chủ
yếu bao gồm các yếu tố đo lờng điều khiển bằng công nghệ thông tin cao cấp nhất hiện
nay, thông minh, tính tơng tác, tính nối mạng) .Đào tạo đội ngũ cán bộ thiết kế phần
cứng và phần mềm, lắp ráp, chế tạo, thử nghiệm đánh giá chất lợng., sử dụng, bảo hành,
loại thiết bị điện tử tiên tiến , hiện đại,hàm lợng chất xám cao.

1.2
Những câu hỏi cần giải đáp
1.2.1 SPM là gì ?:
SPM - tên gọi chung cho một họ công cụ vật lý, là một loại kính hiển vi dùng nguyên lý
quét một mũi dò nguyên tử trên một bề mặt ở một khoảng cách nguyên tử để hiển thị,
nghiên cứu và xử lý các tình trạng bề mặt vật chất nh topo, các t/c lý, hoá, sinh
1.2.2 Vì sao cần dùng đến SPM ?:
Công nghệ Nano- Sinh học phân tử đang và sẽ là một trong những nền tảng cho sự phát
triển khoa học-kỹthuật trong thời gian tới. Một trong những lý do để Công nghệ nano
hình thành đợc là nhờ ngày nay đã có những công cụ để nhìn và xử lý ở kích thớc
nano- Trong số đó, kỹ thuật SPM là một công cụ mới và mạnh nhất.
1.2.3 Lịch sử phát triển:

7
1981 Phát minh ra STM do Binnig & Rohrer.
1985 Binnig, Gerber, and Quate chế tạo ra AFM đầu tiên
1986 Binnig & Rohrer nhận giải Nobel cho phát minh STM
Các công ty chế tạo SPM của các trờng Đại học ra đời: 1987 Digital Instruments của
Univ. of California - Santa Barbara .1988 Park Scientific của Stanford. 1991
Microfabricated AFM probes ra đời. 1998 Veeco Instruments mua Digital
Instruments.1999 Asylum Research do các thành viên cũ của Digital Instruments tái
lập
2000 đến nay: Các hãng chế tạo lớn nh SEIKO, JEOL, SHIMIZU vào cuộc. Các phòng
thí nghiệm tiếp tục phát triển họ các SPM mới ,ứng dụng cho Nano-sinh học phân tử. Một
giai đoạn phát triển mới lại bắt đầu. Một loạt các công ty và phòng thí nghiệm tham gia
nghiên cứu phơng pháp sử dụng SPM , phát triển các sản phẩm mới chất lợng cao, giá
cả hợp lý , trong số đó có IAPSI.
1.2.4 Vì sao lại nghiên cứu chế tạo SPM:
1.2.4.1 Lý do nhu cầu:
Cần thiết cho các ứng dụng trớc mắt và tơng lai, đăc biệt là công nghệ nano-sinh học
phân tử
1.2.4.2 Lý do kinh tế:
Các hãng cung cấp với giá thành quá cao , không phải phòng thí nghiệm nào cũng mua
đợc cho nên đó là lĩnh vực rất lý tởng cho các phòng thí nghiệm nghiên cứu tham
gia
1.2.4.3 Lý do chuyên môn:
Thiết bị thơng mại đắt và nhanh chóng lạc hâu. Vì là hệ đóng, bảo hộ bản quyền ,nên
ngời dùng không thể can thiệp để cập nhật .
1.2.4.4 Lý do phát triển:
Là thiết bị thuộc loại cao cấp nhất hiện nay cả về giá trị chất xám lẫn giá trị kinh tế, tổng
hợp nhiều công nghệ cao mà chủ yếu là chất xám ,nên rất khả thi cho các phòng thí

nghiệm trình độ cao nhng nghèo. Đây là môi truờng lý tởng để xây dựng cơ sở mũi
nhọn công nghệ cao, đào tạo cán bộ và phát triển ứng dụng.

1.3
Nội dung đề tài phải thực hiện
1.3.1 Nội dung tóm tắt:
Đề tài có nhiệm vụ thực hiện một hệ thốn
g
thiết bị côn
g
n
g
hệ cao , nền tản
g
khoa học là
một công trình đã đợc phát minh năm 1981 và đoạt giải Nobel vào năm 1986. Thiết bị
đã đợc tập trung nghiên cứu trên thế giơí trong khoảng 20 năm nay, tuy đã đợc thơng
mại hoá nhng vẫn đang trong giai đoạn hoàn thiện cả thiết bị lẫn phơng pháp.
Đề tài cần phải thực hiện các nội dung nghiên cứu cụ thể , để cuối cùng chủ động chế tạo
đựơc máy mẫu (prototype) hai chủng loại SPM phổ biến là STM và AFM chạy trong môi
trờng thờng , có tính năng cơ bản đủ sử dụng bớc đầu trong giáo dục đào tạo, nghiên
cứu khoa học mức trung bình .Tạo cơ sở để chế tạo theo yêu cầu trong nớc. Kèm theo đó
cũng tận dụng phát triển các bộ phận (modules) đã nghiên cứ trong ché tạo SPM thành
các thiết bị và phơng pháp sử dụng độc lập , nếu có thể đợc.
1.3.2 Nội dung nghiên cứu cụ thể


8
1.3.2.1 Khối điện-truyền động thô
Thiết kế chế tạo phần cứng cơ điện chân đế chống giao động

Thiết kế chế tạo C cấu dịch chuyển thô dùng môt bớc
1.3.2.2 Khối dịch chuyển và định vị nano
Thiết kế ,lấp ráp Bộ quét piezo 3 chiều phân gii Nanometer
Thiết kế lắp đặt bộ định vị nanometer bằng Laser bán dẫn và quadrand Photodiod (riêng
mũi dò AFM và bộ gá dao động phải mua và đặt chế tạo ở nớc ngoài)
Thiết kế chế tạo bộ đầu dò Tunel
1.3.2.3 Khối Điện tử Analog-Digital
Thiết kế chế tạo bộ nguồn nuôi hạ thế siêu ổn định
Thiết kế chế tạo bộ khuếch đại cao thế ít nhiễu và tác động nhanh
Thiết kế chế tạo bảng mạch điều khiển hệ thống quét X+/- Y+/-, Step Motor, Z+/-
Thiết kế chế tạo Bộ tổng hơp giao động digital và Lock-in Digital ( song song với việc sử
dụng Lock-in Analoge thng mại trong giai đoạn đầu).
Thiết kế chế tạo ADC và DAC 4 kênh tốc độ nhanh (100MHz)
Thiết kế chế tạo Tiền khuếch đại picoampe cho STM
Thiết kế chế tạo tiền khuếch đại vi sai cho Quadrand Photodiode.
Thiết kế chế tạo Digital Potentíotate
1.3.2.4 Phần mềm
Viết bộ phần mềm hệ thống nhúng cho DSP
Viết driver cho ADC, DAC
Viết phần mềm cho Digital Lock-In và Digital Generator
Viết bộ phần mềm tổng thể điều khiển ,đo lờng và xử lý sô liệu cho SPM
Viết phần mềm giao tiếp ,thu thập ,truyền và xử lý kết quả trên PC.
Viết MENU, kết nối các phần mềm xử lý ảnh, đồ hoạ , trình diễn và lu trữ kết quả.
Đồng thời Tiến hành song song viết phần mềm (Source Code) xử lý ảnh.
Phần mềm điều hành và xử lý kết quả đo Potentíostate
1.3.2.5 Phát triển ứng dụng, đào tạo và hợp tác hỗ trợ ứng dụng
Tổ chức các Seminar để phổ biến kỹ thuật và c sở vật lý cho các phòng thí
nghiệm ứng dụng
Xây dựng các phng pháp nghiên cứu, đo lờng dùng SPM trong Vâtlý, Hoá
học, sinh hoc, ytếđể đào tạo và phổ biến , hỗ trợ các c sở ứng dụng

Đào tạo sinh viên, cao học và nghiên cứu sinh cho các lĩnh vực Thiết bị và
NanoAnalysis

1.4
Cách tiếp cận và phơng pháp nghiên cứu

Cách tiếp cận và phơng pháp nghiên cứu sẽ đợc xây dựng sao cho đội ngũ cán bộ khoa
học Viêt nam làm chủ đợc tối đa các khâu thiết kế tổng thể,thiết kế chi tiết, lựa chọn
linh kiện cần đặt hoặc gia công, tự chế tạo chi tiết . thiết kế và phát triển phần mềm.
Công trình có mục tiêu dài hạn nhiều năm, trong 2,3 năm đầu tiên tập trung lấy việc thiết
kế chế tạo SPM làm đối tợng nghiên cứu phát triển vừa tạo ra sản phẩm cao cấp cho xã
hội, vừa làm cơ sở thực tế để đào tạo đội ngũ , hợp tác quốc tế và tích luỹ kiến thức. Các
phần cụ thể dự kiến nh sau:
- Phần cứng Cơ điện: Thiết bị STM đầu tiên đã hợp tác chế tạo thành công thời gian
qua sẽ là điểm xuất phát để hoàn thiện và phát triển tiếp. Sẽ tìm cách mua một thiết


9
bị hay từng bộ phận của một thiết bị SPM loai mới (hoác hợp tác trao đổi) để về tháo
ra cho cán bộ nghiên cứu, so sánh với thiết bị của mình để xác định các bớc cần
thiết hoặc là sao chép có cải tiến, hoặc mô phỏng lại hoặc sáng tạo bộ phận mới nếu
cần thiết. Nguyên tắc là không mày mò từ A đến Z mà tận dụng triệt để các kinh
nghiệm và trí thức của những ngời đi trớc. Việc này hoàn toàn khả thi vì đội ngũ
cán bộ đã có kinh nghiệm làm chủ chế tạo 1 thiết bị tơng tự. Hợp tác với các nhà
khoa học công nghệ nớc ngoài bằng mọi cách là điều kiện sống còn để làm chủ
đợc công nghệ này.
- Phần cứng điện tử-tin học: Sẽ sử dụng hoàn toàn kỹ thuật số hiện đại nhất trong đo
lờng điều khiển. Thiết bị dự kiến đợc chế tạo trên nền tảng kỹ thuật DSP, loại chip
công nghiệp xử lý song song tốc độ cao nhất hiện nay. Máy tính đợc giải phóng chỉ
để điều khiển giao tiếp và xử lý kết quả cuối cùng mà thôi. Trên thực chất , nhóm

thực nghiệm sẽ phải thiết kế riêng một máy tính tốc độ cực cao, xử lý thời gian thực.
Đây là một kỹ thuật cao của tơng lai phát triển , rất cần có điều kiện để đào tạo đội
ngũ.
- Phần mềm hệ thống: Là phần mềm nhúng điều khiển board mạch, phần cứng cơ khí
,đo lờng và truyền số liệu. Sẽ do cán bộ VN hoàn toàn tự thiết kế và thực hiện và
đợc giữ làm bí quyết công nghệ.
- Phần mềm xử lý số liệu và ảnh : Kết hợp tự viết với các phần mêm sẵn có hoăc hợp
tác trao đổi với các phòng thí nghiệm khác. Tiến tới làm chủ đợc mã nguỗn xử lý
ảnhsau khi hoàn thành để làm cơ sở cho các thiết bị chẩn đoán y tế hiện đại (nh
siêu âm3D chẳng hạn) về sau.

- Song song với việc chế tạo thiết bị ,cần phải tổ chức việc đào tạo huấn luyện cũng
nh phát triển phơng pháp ứng dụng SPM cho các ngành khác nhau. Theo mô hình
các nớc tiên tiến ,sẽ dần hình thành nên một phòng thí nghiệm phân tích nano (
Nano analysis) hiện đại của đất nớc ,vừa chủ động trong chế tạo thiết bị vừa phát
triển ứng dụng của thiết bị. Đây là việc nhất thiết phải làm vì kỹ thuật SPM mặc dù
rất quan trọng và thuân tiện nhng lại còn quá mới mẻ đối với hầu hết các cán bộ
khoa học hiện nay. Mặt khác PTN này cũng sẽ là một điểm khởi đầu cho việc chủ
động thiết kế, chế tạo và ứng dụng các thiết bị Hi-Tech trong đo lờng, ytế tiếp theo.

Các công nghệ và kỹ thuật sử dụng cho đề tài này thuộc loại những công nghệ cao cấp
nhất hiện tại. Có thể liệt kê một số công nghệ cần phát triển và sử dụng nh sau:
Phát hiện và đo lờng tín hiệu cực nhỏ nh dòng điện cỡ Picoampe (pA), lực cỡ
NanoNewton (nN), kích thớc cỡ Nanomet (nm)
Đo lờng và Điều khiển chính xác chuyển động liên tục trong khoảng cách từ rất
nhỏ cỡ Angstrom cho đến khoảng cách vĩ mô cỡ cm
Định vị với sai số dới 10
-10
m
Kỹ thuât phần mềm Xử lý tín hiệu (Digital Signal Procesing), thay thế phần cứng

analoge
Hệ điều hành thời gian thực
Chu trình điều khiển tự động kín PID hoàn toàn digital
Kỹ thuật phần cứng thu thập xử lý tín hiêụ
Kỳ thuật xử lý ảnh
Các kỹ thuật điện tử-vi điện tử analog hiện đại: Nguồn cao áp ổn định cao,
khuếch đại nhiễu thấp, lọc số, khuếch đại cao áp


10
Kỹ thuật cơ khí chính xác quang học
Kỹ thuật cách ly giao động cơ học
Lập trình chuyên nghiệp từ mức độ vật lý (physical level) đến mức độ ứng dụng
Phần mềm đóng gói với số dòng lệnh lớn (trên 25.000 dòng)

1.5
Bố cục và nội dung trình bày báo cáo
Trong các chơng sau chúng tôi sẽ trình bày những vấn đề khoa học công nghệ cơ
bản và các công việc chúng tôi đã thực hiện để phát triển các kỹ thuật này ,nhằm ứng
dụng chế tạo thành những hệ thiết bị SPM tại phòng thí nghiệm , theo đúng yêu cầu
của đề tài KC01-10.
Chúng tôi viết báo cáo này ngoài việc báo cáo công việc đã thực hiện còn có tham
vọng là một tài liệu phát triển khoa học công nghệ về một vấn đề tơng đối hoàn
chỉnh. Làm sao để cho ngời đọc nếu muốn hiểu vấn đề theo các mức độ khác nhau
đều có thể đọc đợc. Mặt khác đối với những ngời cần tham khảo các vấn đề Vật lý,
Công nghệ, Kỹ thuật, Thiết kế, Chế tạo SPM hoặc thiết bị tơng tự cũng có thể xem
đây là những t liệu có thể giúp ích cho công việc. Vì vậy tài liệu này đợc viết theo
nguyên tắc ngắn gọn nhng bảo đảm nội dung khoa học hoàn chỉnh , công nghệ và
kỹ thuật cụ thể ,rõ ràng ,có thể sử dụng đợc ngay (tất nhiên ,tham khảo với tác giả
thì tốt hơn). Theo nguyên tắc đó , báo cáo phân thành nhiều lớp. Lớp in chữ thờng

là phần mà ngời quan tâm nên đọc hết. Các vấn đề viết sâu không nhất thiết phải
đọc thì viết chữ nghiêng nhỏ . Các thiết kế và bản vẽ dành cho các nhà thiết kế
,công nghệ đợc đa vào phụ lục theo từng chơng. Mã nguồn phần mềm rất lớn
(300 trang) nên in kèm là không tiện dụng, chúng tôi ghi vào đĩa CD đi kèm . Tài
liêu tham khảo cũng đa vào sau từng chơng cho dễ theo dõi .
Để tiện theo dõi ,xin liệt kê những nội dung chính của các phần sau gồm:
Chơng II : Những cơ sở khoa học của hiển vi quét đầu dò và của các công nghệ và
kỹ thuật đặc biệt sử dụng cho chế tạo.Phần này có tính tổng quan, tuy đựợc viết ngắn
gọn nhng cần để có thể hiểu đợc cơ sở của đề tài và làm tài liệu cho huánn luyện,
đào tạo
Từ chơng III trở đi , trình bày nội dung các nghiên cứu phát triển đã đợc nhóm đề
tài thực hiện.
Chơng III trình bày việc thiết kế chế tạo STM và AFM. Trong nội dung thiết kế chế
tạo , cần phải phát triển các công nghệ chuyên biệt. Các công nghệ này đợc liệt kê
trong chơng III và đợc trình bày tỉ mỉ trong các chơng sau, cụ thể
Chơng IV : Kỹ thuật DSP
Chơng V: Kỹ thuật điều khiển chuyển động bằng Motơ bớc
Chơng VI: Điện tử chuyên dụng cho SPM bao gồm Nguồn nuôi cao áp và hạ áp,
Khuếch đại nhiễu thấp, Khuếch đại cao áp tôc độ nhanh, Các bộ mạch lọc, đệm
Chơng VII: Phần mềm
Chơng VIII: Phần cứng cơ khí
Chơng IX: Digital Potentiostate, EIS, Lock-in, Hệ đo đa năng





11

2- Chơng II

Tổng quan và những cơ sở khoa hoc của SPM
Chơng này đợc viết còn nhằm mục đích làm tài liệu giáo khoa cho huấn luyện (là một nội dung của
đề tài) vì vậy để bảo đảm tính khoa học và giáo khoa , có trình bày những vấn đề vật lý mới và sâu. Tuy
nhiên để thuận tiện, những phần này đợc viết bằng chữ nhỏ , nghiêng. Không cần đọc những phần
này nếu không cần thiết. Tính liên tục khoa học chung của nội dung tuy vây vẫn đợc bảo đảm.

2.1
Kính hiển vi và những giới hạn kỹ thuật của các loại hiển vi hiện tại
Kính hiển vi là một loại công cụ giúp cho con ngời có thể quan sát , đánh giá các đối
tợng kích thớc nhỏ mà mắt thờng không thể nhìn thây đợc. Kính hiển vi quang học
đã đơc phát minh từ mây trăm năm trớc , ngày càng đợc hoàn thiện và là một công cụ
không thể thiếu đợc trong cuôc sống, học tập và nghiên cú khoa học. Do bản chất sóng
của ánh sáng cho nên khả năng phân giải cuả kính hiển vi quang học bi giới hạn bởi định
luật nhiễu xạ Frauenhofer.
Theo định luật này thì sự phân bố cờng độ trong ảnh của một chấm sáng trên mặt phẳng ảnh là một hàm
số của góc nhìn ,biểu diễn bởi công thức

J1 là hàm Bessel bậc 1 và R là bán kính chùm sáng hay gần đúng bằng bán kính đối tựng quan sát. Nh
vậy ảnh của mộtvật chiếu sáng bởi một nguồn sáng điểm ,do định luật nhiễu xạ ,thực chất là một chuỗi
cácvết cực đại cờng độ khác nhau có giá trị giảm dần và đối xứng qua vết sáng nhất ở trung tâm. .Kích
thớc vết sáng nhất ở tâm mà ta có thể quan sát dễ dàng nhất đợc coi là ảnh của vật qua kính hiển vi ,
trong phép gần đúng bậc 1 ,đợc tính gần đúng là:

Định nghĩa NA là chỉ số góc mở của một thấu kính tiêu cự f đối với vật ảnh bán kính R theo công thức:
với ta sẽ có đợc giới hạn độ phân giải của hiển vi quang học theo tiêu chuẩn
Rayleigh ( Hai ảnh của hai đối tợng 1 và 2 cạnh nhau chỉ có thể phân biệt nếu cực đại cờng độ vết chính
giữa của đối tợng 1 chạm đến cực tiểu của vết nhiễu xạ đầu tiên của đối tợng 2) là:

Hình 1 minh hoạ các nội dung trình bày nói trên
Rõ ràng là bản chất sóng của ánh sáng đã không cho phép kính hiển vi quang học có độ

phân giải vợt quá vài bớc sóng , có nghĩa là khả năng phân giải của hiển vi quang học
vùng khả kiến thờng chỉ đến mức micromet , tức hệ số phóng đại tối đa chỉ cỡ 1500-
2000 lần mà thôi. Nếu dùng các bớc sóng nhỏ hơn nh UV, tia X hay chùm điện tử thì
do bản chất sóng , định luật phân giải cũng không thay đổi, ta có thể có độ phân giải cao
hơn do bớc sóng ngắn hơn , nhng lại phải trả giá cho độ phức tạp của công nghệ , kéo
theo là giá thành (nh hiển vi quang học hiện đại chỉ 5000$, còn hiển vi điện tử ~
1.000.000$), cha tính đến những yêu cầu khắt khe về môi trờng làm việc (Chân không
cao) và cách gia công mẫu.


12


:
Hình 1

Cộng đồng khoa học nhận rõ giới hạn vật lý này và từ những năm 30 thế kỷ trớc (Synge
1928, o'Keefe 1956 ,Ash & Nicholls 1972, Binnig &Rohrer 1982)
đã không ngừng tìm kiếm một công cụ hiển vi rẻ và phổ biến nh hiển vi quang học
nhng lại có độ phân giải của hiển vi điện tử. Điều này chỉ có thể thực hiện đợc bằng
cách tìm các quy luật vật lý mới không bị giới hạn bởi định luật nhiễu xạ của sóng truyền
trong không gian.


2.2
Nguyên lý hiển vi có trờng quan sát gần sát mẫu gọi tắt là Hiển vi
trờng gần (near field microscopy)
Điều kiện luôn luôn đúng đối với mọi loại hiển vi cổ điển nói trên, kể cả hiển vi điện tử,
là ở chỗ khoảng cách quan sát mẫu luôn lớn hơn nhiều chiều dài bớc sóng . Hãy lấy ví
dụ chúng ta muốn định vị vị trí của quả tim bằng sóng âm phát ra từ nhịp tim đập. Với tốc
độ âm khoảng 300m/s và tần số ví dụ 100Hz , ta có bớc sóng khoảng 3,3m. Nh vậy
theo công thức độ phân giải Abbe nói trên, nếu ta dùng kính hiển vi sóng âm ,ta chỉ có thể
định vị chính xác vị trí của quả tim trong lồng ngực với sai số nhỏ nhất là 1,2m ! Thực tế
thì một bác sĩ với cái ống nghe dò trên lồng ngực, có thể định vị vị trí của tim chỉ sai số
không quá cm. Vấn đề ở đây là khoảng cách từ đầu ống nghe (đầu dò quan sát) đến quả
tim (đối tợng quan sát ) chỉ độ 10cm, nhỏ hơn rất nhiều lần so với bớc sóng âm 330 cm
nói trên. Nh vậy , nếu ta áp dụng nguyên tắc này tức là nguyên tắc quan sát ở khoảng
cách nhỏ hơn bơc song ,hay con goi là nguyên tăc trờng gần , ta có thể vợt qua đợc
giới hạn phân giải do nhiễu xạ.

13

2.









Hình 2: So sánh độ phân giải của hiển vi thông thờng với hiển vi trờng gần



Về lý thuyết, thì bản chất khác nhau của trờng xa và trờng gần là hệ quả của một nguyên lý nổi tiếng
trong vật lý, đó là nguyên lý bất định Heisenberg.
Gọi r
i
và p
i
(i: x,y,z ) là độ bất định tơng ứng của toạ độ và xung lợng, theo nguyên lý bất định
Heisenberg thì r
i
x p
i
>= h/2
Với p= (h/2 )k , k= (k
2
x

+ k
2
y
+ k
2
z
)
1/2
= 2 / ta sẽ thấy hệ thức Heisenberg hoàn toàn thoả mãn trong
trờng hợp độ phân giải không gian r
i( i=x,y)
>> , khi đó thì cả ba giá trị k
x,
k
y ,
k
z
là ba giá trị thực, và
sóng sẽ lan truyên trong không gian một cách bình thờng , ta quan sát đợc ảnh. Trong trờng hợp ngợc
lại r
i( i=x,y)
<< sẽ dẫn đến điều kiện
1/ r
i( i=x,y
>>k và nh vậy sẽ suy ra k
z
là

giá trị ảo. Giá trị ảo này có nghĩa là sóng sẽ không đợc truyền
đi đến nơi quan sát xa , mà tắt dần theo định luật hàm số mũ, sóng này trong vật lý là một dạng photon ảo.

Trong sóng tắt dần này chứa đựng những thông tin của cấu trúc mẫu mà ta quan sát. Vì vậy muốn thu đợc
độ phân giải cao, phải tìm cách đa điểm quan sát đến vùng trờng gần . Đó chính là nguyên tắc của hiển
vi trờng gần. Hình số 2 trên đây minh hoạ độ phân giải của hai nguyên lý hiển vi nói trên



14

2.3
Cơ chế hoạt động của hiên vi điện tử quét đầu dò
( SPM: Scanning Probe Microscopy)
Kính hiển vi là phơng tiện đợc con ngời phát minh ra để nhìn những cấu trúc nhỏ bé
không cảm nhận đợc trực tiếp bằng giác quan thông thờng. Xét về phơng diện kĩ
thuật, thang độ hiển thị đợc của một họ kính hiển vi nói chung do hai yếu tố sau đây
quyết định:
Cơ chế hoạt động
Phơng tiện kĩ thuật thực hiện
Trong loại kính hiển vi quét đầu dò ( gọi tắt là SPM ) cơ chế hoạt động là hoàn toàn khác
với tất cả các loại hiển vi đã đợc biết đến nay. Đây là loại công cụ sử dụng nguyên tắc
trờng gần nói trên và sử dung các dạng tín hiệu tơng tác giữa đầu dò và cấu trúc mẫu
tuỳ theo chủng loại kính hiển vi. Đây là điểm mấu chốt quyết định đến khả năng cho độ
phân giải lí thuyết có thể đạt đợc.
Phơng tiện kĩ thuật thực hiện sẽ quyết định đến việc cho độ phân giải thực tế, quyết
định đến việc họ kính đó có khả dụng trong thực tế hay không
Phần này dành trình bày về cơ chế hoạt động cuả SPM , phần kỹ thuật thực hiện sẽ đợc
trình bày tỉ mỉ trong các phần và chơng khác.

Trong đại gia đình nhà kính hiển vi thì SPM là thế hệ tối tân nhất có thể hiện ảnh xuống
tới kích thớc nguyên tử. Điều mà các thế hệ trớc đó không thể làm đợc do có những
hạn chế xuất phát từ chính cơ chế hoạt động nh đã nói ở các phần trớc.

Nói một cách ngắn gọn , SPM hoạt động đợc bằng cách kết hợp những đặc điểm sau
đây:
Dùng một Mũi dò điểm có kích thớc nhỏ ,có thể đến mức nguyên tử đa đến
gần mẫu đến khoảng cách dới Angstrom .
Quét mũi dò trên bề mặt bằng phơng pháp cơ học ,khống chế đến kích thớc
nguyên tử .
Dùng một loại đại lợng vật lý nào đó sinh ra bởi tơng tác giữa mũi dò và mẫu
để khống chế khoảng cách giữa mẫu và mũi luôn luôn thoả mãn điều kiện tr
ờng
gần.
Cho đến nay SPM đã phát triển thành một họ tộc lớn đợc tóm tắt trong phả hệ ở hình 3. Mặc
dù có nhiều loại SPM nhng những nguyên tắc hoạt động cơ bản là giống nhau. Chúng chỉ khác
nhau bởi bản chất của đại lợng vật lý biểu hiện sự tơng tác của đầu dò với bề mặt mẫu.
Những nguyên tắc này tơng ứng với ba kĩ thuật cần phải giải quyết:
Chế tạo mũi dò kích thớc nguyên tử
Định vị chính xác mũi dò
Phát hiện và đo định lợng tín hiệu cực bé
Mặc dù các kỹ thuật này đều rất khó nhng ý tởng của SPM không phải là không thực
hiện đợc vì các kĩ thuật này đều đã ở trong tầm tay của các nhà chế tạo. Chúng tôi sẽ mô
tả tỉ mỉ trong các phần sau. Hình 4 trình bày một cách trực quan nguyên lý và kỹ thuật
thực hiện cuả một SPM



15

Hình 4: Nguyên lý SPM (trái ) và sơ đồ khối kính hiển vi SPM (phải)





Dòng họ SPM
Kính hiển vi quét dòng Tunell
(STM)1981-2
Kính hiển vi lực
nguyên tử (AFM) 1986

Kính hiển vi
lực từ (MFM)
Kính hiển vi
lực tính điện (EFM)
Kính hiển vi lực kéo
(Shear) (SHFM)
Kính hiển vi quét quang
học trờng gần (SNOM)
Kính hiển vi lợng tử
dòng Tunell (PSTM)
Kính hiển vi hiệu ứng
ion dẫn (SICM)
Kính hiển vi điện dung
(SCM)

Kính hiển vi quét thế
điện hoá (SCPM)
Kính hiển vi quét
hiệu ứng nhiệt (STHM)
Kính hiển vi
q
uét lực (SFM)
Hình 3: Phả hệ của SPM
Giản đồ tổng quát của SPM
Hiển thị
Bộ Scanner chuyển đổi điện áp thành
dịch chuyển XYZ
Bộ chống rung
Đo tín hiệu
hieu

Mẫu
Mũi dò
Kỹ thuật
phản hồi
Tiếp cận thô và xác
định vị trí
Giản đồ tổng quát của SPM
Hiển thị
Bộ Scanner chuyển đổi điện áp thành
dịch chuyển XYZ
Bộ chống rung
Đo tín hiệu
hieu
Mẫu
Mũi dò
Kỹ thuật
phản hồi
Tiếp cận thô và xác
định vị trí



16
Kính hiển vi đầu tiên hoạt động theo những nguyên tắc này là chiếc STM do Binnig và
Rohre phát minh ra từ năm 1981. và lập tức nhận đợc giải thởng Nobel năm 1986. Đó
cũng là cái mốc đánh dấu sự ra đời của thế hệ SPM. Chỉ trong một thời gian ngắn sau đó
rất nhiều chủng loại SPM khác nhau đã đợc chế tạo trên cơ sở của những tơng tác lợng
tử khác nhau.

Trong phần sau đây , cơ sở vật lý của một đại diện tiêu biểu nhất và là thuỷ tổ của mọi

SPM , Kính hiển vi quét dòng tunel STM , sẽ đợc trình bày làm ví dụ để hiểu rõ về cơ
chế và kỹ thuật cua SPM nói chung.

2.4
Những cơ sở vật lý kỹ thuật của hiển vi quét dòng Tunel
Cơ chế hoạt động của STM dựa trên một hiệu ứng lợng tử đặc biệt đó là hiệu ứng
Tunnel. Để xảy ra hiệu ứng khoảng cách giữa đầu mũi dò và bề mặt mẫu dẫn điện phải
vào cỡ A
0
. Giữa mũi dò và mẫu dẫn điện đợc đặt một thiên áp một chiều Vb. Tác dụng
thực sự của Vb sẽ đợc trình bày ở phần chữ nhỏ ở sau đây.

Dòng điện Tunnel thu đợc rất nhỏ (thờng chỉ cỡ nA) nên phải đợc khuếch đại đêna
giá tri thuận tiện để xử lí. Mạch khuếch đại là một bộ chuyển đổi dòng _áp có hệ số
chuyển đổi cực lớn. Kĩ thuật này rất khó thực hiện vì những nguồn tạp nhiễu thông thờng
có thể phát sinh nhiễu cùng cỡ với tín hiệu.

Trong Mode hoạt động cơ bản của STM, mũi dò đợc điều khiển quét trên bề mặt mẫu
sao cho dòng Tunnel thu đợc là không đổi và bằng với giá trị dòng yêu cầu trớc Io. ống
quét Piezo sẽ nhận tín hiệu điều khiển từ hệ điện tử để thực hiện công việc này. Tín hiệu
quét ngang X,Y nh thông thờng sẽ quét mũi dò theo từng hàng.Trong khi đó tín hiệu
điều khiển độ cao Z do khối điều khiển PID quyết định.
Trong Mode hoạt động thứ hai thì giữ cho vị trí toạ độ chiều cao cuả mũi (toạ độ Z) là cố
đinh và ta đo đòng tunel I
t
khi quét mũi tơng đối đối với mẫu theo toạ độ X,Y

Thông tin về toạ độ X,Y,Z ( thông qua tín hiệu điều khiển Ux,Uy,Uz đặt tới Piezo )
hoặc thông tin về toạ độ XY và I
t

bây giờ đã mang thông tin về tính chất của bề mặt, qua
hệ xử lý dữ liệu có thể đa tới màn hình hiển thị để quan sát trực tiếp bằng mắt thờng.


Hiệu ứng Tunnel




Hình 1.2 là giản đồ minh hoạ hiệu ứng
tunel trong bài toán một chiều. Hạt điện tử m có
thể chui ngầm (tunnelling) qua tờng rao thế
năng có chiều rộng là d mà không cần phải vợt
qua tờng rào có chiều cao là U
0.
. Đây là một
tính chất đặc biệt chỉ xẩy ra trong thế giới lợng
tử, khi các kích thớc cua d rất nhỏ ở mức
nguyên tử. Bản chất lợng tử của hiên tợng
đợc lý giải ở

Hình 1 3 và Hình 1.4. Hình 1 3
là mô hình một chiều thế năng của điện tử trong
mẫu và mũi dò ở trạng thái tách biệt.Tơng ứng
với mỗi dạng thế năng đó điện tử sẽ có
m
E
U
0
U

,
E
x
d
0
Hình 1.2 Hiệu ứng Tunnel
Trong bài toán một chiều


17
PsdVC
S
=

2
2
1
PtdVC
t
=

2
2
2
Pt
Ps
C
C
=
2

2
2
1
Hamiltonien H
02
, và H
01
với các hàm sóng riêng

s
và

t
. Khi mũi dò tiếp cận tới mẫu bức tranh thế năng
của hệ có thể coi nh chồng chất của hai hàm thế thành phần ( Hình 1.4 ).

Trong cách giải gần đúng ngời ta giả thiết rằng hệ mẫu mũi dò là tơng tác yếu nên có thể bỏ
qua những biến đổi của các

hàm riêng. Khe chân không ở giữa là vùng xen phủ các hàm sóng và xảy ra các chuyển dời Tunnel
từ các trạng thái

s




t
( và ngợc lại

t




s
) .

Theo nguyên lí chồng chất, hàm sóng của điện tử ở trong khe chân không :


Có thể thấy các hệ số C
1
, C
2
có liên quan đến xác suất có mặt của điện tử ở trong khe tính theo
các hàm sóng thành phần :





Các chuyển dời trạng thái của điện tử ở trong khe chân không có thể xác định qua vector mật độ dòng xác
suất J :

)(
2
**
=
m

i
J
h
2211

+= CC
H
02,

t
H
01,

s
1
M
a)
b)
Hình 1.3 Các hàm thế
thành
a. Trong mẫu
b.Tron
g
mũi dò
d

t

S
Vùng xen phủ trạng thái

và sảy ra chuyển dời
Tunnel
Hình 1.4 Thế năng của
hệ mẫu mũi dò


18

Thay

ở trên vào sẽ tìm đợc:


Trong đó:








Các thành phần J
s
, J
t
là mật độ dòng xác suất
giữ nguyên trạng thái. Hai thành phần J
st
và J

ts
là mật độ
dòng xác suất có xảy ra chuyển dời

s

t
và

t

s
, lu
ý một điều là chỉ có những chuyển dời này mới có thể tạo
thành dòng điện.
Các điện tử trong hệ mẫu-mũi dò thực tế là
một hệ hạt Spin S=1/2 do đó phải tính tới nguyên lý Pauli.
Một chuyển dời nào đó là khả dĩ khi trạng thái đích cha
bị một điện khác chiếm giữ. Phân bố Fermi Dirac sẽ giải
quyết vấn đề này.
Hình 1.5 là giản đồ năng lợng trong các trờng hợp
khác nhau

s
,

t
là công thoát của điện tử khỏi mẫu và mũi dò
E
F

là mức năng lợng Fermi ( mức rào thế nội tại của
bản thân các hệ nhiều hạt ).
Qua những sơ đồ này có thể thấy tác dụng của điện áp
định thiên Vb :
- Duy trì trạng thái không cân bằng năng lợng
- Tạo trạng thái đích trống để chuyển dời Tunnel
sảy ra thuận lợi
- Trị số của Vb có thể điều chỉnh để lựa chọn
những trạng thái tham gia chuyển dời (và do đó lựa chọn
đợc ảnh phổ thu đợc).
Kết thúc mục này là một công thức chung về dòng điện
Tunnel gói gọn tất cả những điều đã trình bày đơn giản ở
trên :
Với M
ts
là phần tử ma trận Tunnel:


)()(
2
2

==
tstsstts
JdSidS
m
M h
h

Tích phân đợc lấy trên mặt bất kì nằm trong khe chân không phân chia mẫu và mũi dò

f(E) hàm phân bố Fermi Dirac:

tssttS
JCCJCCJCJCJ
2
*
1
*
21
2
2
2
1
+++=
)(*)](1)(())(1)(([
2
2
,
tStsTSS
ts
T
EEMEfeUEfeUEfEf
e
I ++

=

h
TF
KEE
e
Ef
/)(
1
1
)(

+
=
)(
2
**
sssss
m
i
J =
h
)(
2
**
ttttt
m
i
J =
h
)(
2

**
sttsst
m
i
J =
h
)(
2
**
ts
s
tts
m
i
J =
h
M
ức chân khôn
g
E
FS
E
Ft

t

s
E
F

t

s


t

s


s


t
Hình 1.5 Các giản đồ
năng lợng
a. Mẫu tách biệt
mũi dò
b. Cân bằng nhiệt
c. Thiên áp mẫu dơng


19

2.5
Hiệu ứng áp điện và ứng dụng cho SPM
2.5.1.1 Giới thiệu tóm tắt về áp điện
áp điện ( Piezo từ đây về sau goi tắt là piezo) là hiện tợng phát sinh điện tích khi
vật thể chịu một ứng suất cơ học làm biến đổi hình dạng của nó hay là có sự thay đổi
kích thớc khi đặt một điện áp tác dụng.

Nhiều lĩnh vực của khoa học_kĩ thuật và cuộc sống con ngời đ đợc giải quyết hoàn
hảo bằng kĩ thuật áp điện. Hai ví dụ minh hoạ lấy từ những sản phẩm dân dụng sau
đây sẽ cho những ý niệm về hiệu ứng này













Tiền tố piezo xuất xứ từ một động từ trong ngôn ngữ Hy Lạp với nghĩa áp, lực( to press ). Hiện tợng
xuất hiện điện tích trên bề mặt đĩa cắt từ tinh thể thạch anh ( hiệu ứng thuận nh sau đó đợc đặt tên ) lần
đầu tiên đợc chứng minh bởi hai anh em Pierre và Jacques Curie vào năm 1880. Pierre _ngời mà sau đó
18 năm cùng với vợ của ông là Marrie Curie khám phá ra chất phóng xạ Radi, lúc đó mới 21 tuổi, còn
Jacques 24 tuổi. Trong cuốn tiểu sử về Pierre, Marrie đã viết rằng, khám phá của tuổi trẻ không phải là
một sự tình cờ mà là kết quả của những nghiên cứu rộng rãi lí thuyết và thực nghiệm về đối xứng tinh thể .
Theo sự phỏng đoán của Lippmann, năm 1881 họ cũng đã phát hiện đợc hiệu ứng áp điện nghịch.
Tinh thể học và lí thuyết toán học về áp điện đã đợc phát triển nhanh chóng ngay sau khám phá này .
Một số tinh thể đợc nghiên cứu trong giai đoạn đầu này bao gồm thạch anh, Tourmaline, muối Rochelle.
Những ứng dụng đầu tiên của áp điện là việc sử dụng trong đo lờng tĩnh điện. Chính những dụng cụ đo
tĩnh điện áp điện đã đợc Pierre và Marrie sử dụng trong những nghiên cứu của họ về chất phóng xạ Radi.
ứng dụng mang tính kĩ thuật đầu tiên bắt đầu vào khoảng năm 1916. Paul Langevin đã chế tạo một bộ
siêu âm dùng dới nớc bao gồm một phần tử áp điện thạch anh kẹp giữa hai điện cực thép, thiết bị này
đợc sử dụng trong việc phát hiện tầu ngầm.

Trong thời kì chiến tranh thế giới I , bằng thí nghiệm Walter G.Cady đã phát hiện đợc đặc tính cộng
hởng của tinh thể áp điện và do đó dẫn ông tới việc phát minh ra bộ điều khiển tần số bằng tinh thể thạch
anh. Với khả năng ổn định cao, thiết bị này nhanh chóng trở thành thiết yếu đối với sự gia tăng của nền
công nghiệp phát thanh và thông tin vô tuyến. Với cùng cơ chế các bộ lọc sóng bằng tinh thể áp điện cũng
đã đợc phát minh và đa vào sử dụng.
1917_1918 chu trình trễ tơng tự nh của vật liệu sắt từ đã đợc phát hiện trên muối Rochelle ( còn có
tên là muối Seignett _theo tên của nhà nghiên cứu phát hiện ra sự kiện này). Hiện tợng cũng đợc gọi tên
Hệ thốn
g
đánh lửa tron
g
bật lửa
g
as
Giao độn
g
âm
F
Chuông báo thức trong
đồng hồ điện tử
Tia lửa điện


20
là Seignett, nhng tên sắt điện ( Ferroelectric ) đợc chấp nhận rộng rãi hơn. Tính sắt điện là nguyên nhân
của tính áp điện mạnh của muối Seignett, đã đợc ứng dụng nhanh chóng trong Microphone và máy ghi âm.
Nhng ứng dụng của nó bị hạn chế vì nhiệt độ làm việc bị giới hạn ( <45
o
C ). Điều này đã thúc dẩy các
nhà nghiên cứu tìm tòi những tinh thể sắt điện mới có độ nhạy cao nh vậy nhng chịu đợc điều kiện làm

việc khắc nghiệt hơn.
1940 bản chất sắt điện của BaTiO
3
đã đợc phát hiện bởi Athur Von Hippel và cộng sự ở viện công nghệ
Manssachusett, và ngay sau đó là khả năng đảo hớng phân cực tự phát trong điện trờng mạnh của gốm
BaTiO3 để dẫn đến tính chất áp điện . Phát hiện này mở ra hớng phát triển mới cho vật liệu áp điện có thể
so sánh đợc với với muối Rochelle về độ nhậy và với thạch anh về tính ổn định cơ học. Đó chính là các vật
liệu gốm fero điện.
BaTiO3 là sắt điện chỉ ở dới 120
0
C. Giới hạn này đợc vợt qua vào năm 1950 bằng việc chế tạo ra gốm
chì PbNb
2
O
6
và PZT ,có khả năng làm việc nên tới 250
0
C. Đến gần cuối những năm 1950 các loại gốm
mới đã chiếm u thế trong nhiều lĩnh vực nh điện âm, điện tử
ứng dụng của áp điện trong lĩnh vực định vị chính xác mới chỉ bắt đầu khoảng 20
năm trở lại đây. Sự kiện nổi bật đánh dấu thành tựu của lĩnh vực này bắt đầu vào năm
1981, gắn liền với sự ra đời của STM .Với khả năng định vị với độ chính xác cao(
mức nguyên tử ), các bộ quét áp điện đã góp phần thực hiện thành công ý tởng đạt
độ phân giải kích thớc nguyên tử mà STM là khởi đầu cho thế hệ kính hiển vi mới
sau này_SPM. Ngày nay áp điện đã trở thành không thể thiếu trong hệ thống định vị
chính xác cao của SPM
Kĩ thuật áp điện ngày nay đã đợc ứng dụng hiệu quả trong rất nhiều lĩnh vực
khác nhau. Có thể liệt kê ra đây một vài lĩnh vực nh vậy:
Quang học, quang tử kĩ thuật đo lờng
Điều khiển ổ đĩa

Vi điện tử
Cơ khí chính xác
Y học, sinh học

Trong phần này chúng tôi chỉ trình bày một số mục cần thiết nhất có liên quan đến
ứng dụng của kĩ thuật áp điện trong hệ thống định vị của STM

2.5.1.2 Vật liệu áp điện
2.5.1.2.1 Biến dạng đàn hồi của vật rắn:
Hình sau minh hoạ những biến dạng cơ bản của vật rắn, mọi biến dạng ( đàn hồi ) khác đều có thể
biểu biễn qua những biến dạng cơ bản này:








V
ậ
t Kéo
(
nén
)
Tr
ợ
t

21
2.5.1.2.2
Tinh thể áp điện :
Vật rắn nói chung cấu tạo từ các hạt mang điện tích dơng và âm trung hoà lẫn nhau. Trong các
chất điện môi thông thờng sự phân cực trong điện trờng ngoài do sự dịch chuyển ngợc chiều nhau
của các điện tích này (điện tích dơng theo hớng điện trờng còn điện tích âm thì theo hớng ngợc
lại ) Vector phân cực điện xuất hiện do trọng tâm của hai loại điện tích đã lệch khỏi nhau.
Trong điện môi đặc biệt có tính áp điện, sự phân cực điện còn thể hiện ở các khía cạnh sau :
Thuận : Biến dạng

thay đổi trạng thái phân cực
Ngợc : Thay đổi trạng thái phân cực (do trờng)

Biến dạng .
Hiệu ứng áp điện tuyến tính ( bậc nhất ) mô tả sự kiện này có thể biểu diễn bằng những phơng trình :
Thuận

P
i
= d
ij
.T
j
i=1,2,3
Ngợc

S
j
=d
ij

.E
i
j=1 6
Trong đó ( các thành phần lấy với một hệ trục toạ độ trực giao nào đó gắn với vật )
E : điện trờng (có 3 thành phần ) với chỉ số i
P : độ phân cực (có 3 thành phần ) với chỉ số i
T : ứng suất (có 6 thành phần ) với chỉ số j
S : độ biến dạng ( có 6 thành phần ) với chỉ số j
Các thành phần với:
j = 1,2,3 ứng với sự kéo, nén
J = 4,5,6 ứng với sự trợt ( trên mặt trợt vuông góc với các trục 1,2,3 ).
d
ij
: các hệ số áp điện (có 18 thành phần ) trong đó chỉ số i liên hệ tới phần điện, chỉ số j liên hệ
tới phần cơ .
Hiệu ứng tuyến tính đối với các điện môi đẳng hớng nói chung là không có nhng lại có thể sảy ra đối
với các môi trờng bất đẳng hớng nh tinh thể. Trong 32 lớp tinh thể nhóm điểm, hệ số áp điện d có thành
phần nào đó khác không chỉ khi tinh thể tơng ứng không có tâm đối xứng. Có 20 lớp thoả mãn điều kiện
này, đợc chia tiếp thành hai nhóm với đặc trng riêng:
Nhóm 1 : không có véc tơ phân cực tự phát Ps , gồm 10 lớp.
Nhóm 2 : có véc tơ phân cực tự phát Ps, gồm 10 lớp còn lại, chia tiếp thành 2 nhóm nhỏ hơn :
- Nhóm hoả điện ( Pyroelectric ) : Có tên này vì nhiệt độ có thể làm thay đổi Ps
- Nhóm sắt điện ( Ferroelectric ) : Có tên này vì có những tính chất tơng tự với vật liệu sắt từ.
Sự khác nhau giữa nhóm hoả điện và nhóm sắt điện là ở khả năng đảo hớng vector phân cực tự phát P
S

E
Hoả điện
Sắt điện

22
trong điện trờng:
Tính chất đặc thù tơng tự nh vật liệu sắt từ của nhóm sắt điện có thể nêu tóm tắt nh sau :
- Nhiệt độ Curie
- Chu trình trễ
- Cấu trúc vùng Domain

2.5.1.2.3 Gốm fero điện :
Việc sử dụng vật liệu áp điện là đơn tinh thể có nhiều bất tiện mà một trong những bất tiện nhất là việc
tạo hình dáng theo ý muốn cho sản phẩm.
Các vật liệu gốm tổng hợp từ các tinh thể fero điện có tính áp điện mạnh mở ra một phơng hớng phát
triển đầy triển vọng cho vật liệu áp điện. Từ nguyên liệu fero cơ bản với tỉ lệ phối hợp và pha tạp thích hợp
có thể nhận đợc vật liệu có tính chất phù hợp với yêu cầu sử dụng. Hai u điểm dễ thấy nhất của gốm áp
điện là:
- Tính cứng
- Khả năng tạo hình dáng theo ý muốn
Sản phẩm gốm sau quá trình nung để có tính chất áp điện phải đợc đem phân cực trong điện trờng mạnh
và nhiệt độ cao thích hợp:

2.5.1.2.4 Các hệ số đặc
trng
Hệ trục toạ độ
Hình vẽ bên là ô cơ sở của tinh thể PZT và hệ
trục toạ độ trực giao tơng ứng để xem xét các
hiệu ứng áp điện.Với cấu trúc tinh thể ở pha fero
nh vậy, hệ số áp điện d chỉ có 3 thành phần độc
lập ứng với các chỉ số ij = 31, 33, 15

6

5
4
3
2
1
E
Gốm fero
đi
ệ
n
Phân cực Gốm áp điện


23
0 0 0 0 d
15
0
0 0 0 d
15
0 0
d
31
d
31
d
33
0 0 0

Thành phần d
15

trong thực tế không đợc sử dụng ( vì nói chung vật liệu gốm chịu biến dạng trợt
kém )
Các thành phần d
31
, d
32
= d
31
tơng ứng với sự kéo, nén sẽ gây ra hiệu ứng ngang (Biến dạng theo
hớng vuông góc với phơng phân cực d ).
Thành phần d
33
cũng tơng ứng với sự kéo, nén sẽ gây ra hiệu ứng dọc (Biến dạng theo phơng phân
cực d ).

Đối với vật liệu gốm PZT ( Cấu trúc đa tinh thể ), sau quá trình phân cực trong điện trờng mạnh hệ trục
toạ độ đợc hình thành một cách tự nhiên vơí trục 3 cùng hớng với với phơng phân cực d. Do d
32
= d
31

nên thực ra chỉ phải lu tâm tới hai hiệu ứng nh đã nói ở trên

Một số hệ số đặc trng ( bổ sung ) :

dij : Có hai định nghĩa có thể sử dụng
- Dùng cho hiệu ứng ngợc : Là độ biến dạng S ( không thứ nguyên ) tơng ứng với một đơn vị điện trờng
tác dụng E ( V/m ) :
d
ij

= S
j
/ E
i
= (

l / l

)
j
/ E
i
( m/V )
- Dùng cho hiệu ứng thuận : Mật độ điện tích mặt sinh ra

( C/m
2
) tơng ứng với một đơn vị ứng suất (
N/m
2
):
d
ij
=

i
/ T
j
( C/N )
g

ij
: Có hai định nghĩa có thể sử dụng :
- Dùng cho hiệu ứng ngợc : Độ biến dạng S tơng ứng với một đơn vị mật độ điện tích mặt tác dụng :
g
ij
= S
i
/

j
( m
2
/ C )

- Dùng cho hiệu ứng thuận : Điện trờng hở mạch E
open
tơng ứng với một đơn vị ứng suất T :
g
ij
= ( E
open
)
i
/ T
j
( mV / N )

k
IJ
: Hệ số cặp

Là tỉ số giữa năng lợng chuyển đổi đợc từ cơ sang điện (thuận) và từ điện sang cơ (nghịch ) :
k
ij
= (cơ năng )
j
/(điện năng )
i
= (điện năng )
i
/(cơ năng )
j

Hệ số chuyển đổi năng lợng toàn phần :
k
2


=

k
2
ij

chú ý :
- Chỉ số i liên hệ tới điện ( điện trờng, điện tích ) i =1,2,3
- Chỉ số j liên hệ tới phần cơ ( biến dạng, ứng suất ) j =1,2,3,4,5,6
- Hoạt động của actuator trong thực tế có thể tiến hành trong những điều kiện sau:
S : Biến dạng không đổi

24
T: ứng suất không đổi
E : Điện trờng không đổi
D : Điện dịch không đổi
Các thông số quan trọng khác :
- Suất Young Y (N/m
2
) : Liên hệ tới tính chất đàn hồi
- Hằng số điện môi

: Liên hệ tới điện dung

Các đặc trng chuyển dịch

Công thức chuyển dịch ( không tải )
- Chuyển dịch theo phơng dọc (V ) :


L
v
=S
V
.L
V
= d
33
.E
3
.L
V

- Chuyển dịch theo phơng ngang (H )


L
h
= S
h
.L
h
= d
31
.E
3
.L
h

Trong đó :
E
3
: Điện trờng dọc ( theo trục 3 )
E
3
= E =U/L
L
v
: Kích thớc dọc
L
h
: Kích thớc ngang
Hiện tợng trễ

.
Tơng ứng với hiện tợng phân cực trễ ( do ma sát phân tử ) của vật liệu Fero điện các bộ định vị
PZT cũng sẽ bị hiện tợng này tác động tới.













Chế độ điện áp lõng cực đối xứng:
ở chế độ này có điện áp ngỡng V
th
để véctơ phân cực d đảo hớng
luân phiên theo điện trờng điều khiển.




U
m
V
0

L


25












Hiện tợng trôi

Có cơ chế cũng bắt nguồn từ hiện tợng trễ phân cực. Điện áp điều khiển sau khi tăng ( giảm )
đến giá trị ổn định, sự phân cực tự nó không theo kịp và vẫn tiếp tục xảy ra ( tăng, giảm ) làm
chuyển dịch vẫn tiếp tục thay đổi mặc dù điện áp điều khiển đã ổn định từ lâu.
Công thức trôi thực nghiệm :

L(t) =

L[1+

lg( t / 0,1 ) ]

L : Chuyển dịch sau khi điện áp điều khiển ổn định đợc 0,1 giây:

: Hệ số trôi ( thờng 0,01
ữ
0,02 )
Sự già hoá :

Hiện tợng suy giảm của các hệ số chuyển đổi áp điện. Đây có thể là vấn đề đối với các ứng
dụng sensor ( chuyển đổi áp _ điện ) nhng lại không đáng kể với ứng dụng định vị vì sự tái phân
cực trong điện trờng mạnh luôn xảy ra khi chúng hoạt động.
2.5.1.2.5 Những biến đổi cơ - điện
Tơng quan giữa các đại lợng và hiện tợng trong hiệu ứng áp điện có thể nêu tóm tắt bằng sơ
đồ sau:









Giữa các hiện tợng cơ và hiện tợng điện có mối liên hệ chặt chẽ với nhau chính vì thế có thể
xem xét hiệu ứng áp điện chỉ trên một phơng diện.

V
th
lực
biến dạng
điện

trạng thái
phân cực
phần cơ
phần điện