Bài thuyết trình: Phát xạ lạnh (kính hiển vi STM)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN TP HỒ CHÍ MINH
KHOA VẬT LÝ
BỘ 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:



KÍNH HIỂN VI ĐIỆN TỬ XUYÊN
HẦM (STM)
1.NGUYÊN LÝ HO T NGẠ ĐỘ
2.C U T O C A STMẤ Ạ Ủ
•
H c khíệ ơ
•
H ch ng rungệ ố
•
H i u khi n ph n h iệ đ ề ể ả ồ
•
u dò STMĐầ
3. NG D NGỨ Ụ

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. NGUN LÝ HO T NGẠ ĐỘ
°Dựa trên nguyên lý xuyên hầm lượng tử của các điện tử
giữa 2 cực điện khi có điện trường đặt vào.
°Hệ số xuyên hầm được xác đònh theo công thức:
°Khi không có điện trường ngoài (không cung cấp năng
lượng cho điện tử) hệ số D vẫn khác không. D tỉ lệ nghòch
với a – khoảng cách giữa hai điện cực (khoảng cách giửa
mẫu và tip) và tỉ lệ thuận với năng lượng điện tử 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
  th mô t hi u  ng xuyên h m:
Electron có th xuyên h m t nguyên t này sang nguyên
t khác.
n(r) xác su t tìm
th y electron.
V(r) th c a
electron.

Quantum Tunneling
Bây gi chúng ta xem xét tr  ng h p sâu h n là electron xuyên
h m t kim lo i này sang kim lo i khác. E
F
là m c n ng l  ng
Fermi.Đặt một hiệu điện thế giữa hai bản kim loại có thể tạo ra
dòng electron xuyên hầm.
Tip
Sample

Quantum Tunneling
2
( ).

kd
I f E e
−
=
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  ó f(E) là hàm phân b Fermi.
( )/
1
( )
1
F
E E KT
f E
e
−
=
+

Quantum Tunneling
Các giá trị m, d, Φ xác định (Φ là công
thoát),d khoảng 1 Å.
Trong  ó:


Hiện tượng áp điện
Hi n 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   t m t  i n tr  ng vào tinh th áp
 i n, tinh th b bi n d ng. Hi n t  ng  ó g i là
hi n t  ng áp  i n.Sự biến dạng khoảng 0.01 A
0

đến vài micromet. Do đó giúp cho mẫu và tip
cách nhau khoảng 1 A
0
.
The tip
Pizos
Electric Field

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.

( )
( )
( )
nmd
nmeVC
CddVI
i
5,0
25,10
exp/

1
2/1
2/1
=
=
Φ−=
−

Để ghi hình ảnh tip (hoặc mẫu)
sẽ chuyển động còn mẫu (hoặc
tip) đứng yên, lúc đó dòng điện
xuyên hầm sẽï thay đổi (do D
thay đổi) tuỳ thuộc vào đòa hình
cao thấp của bề mặt mẫu hoặc
trạng thái điện tử của bề mặt
mẫu.

1.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


H c khí:ệ ơ
Một hệ cơ khí điều khiển sự
tiếp cận của mẫu và tip đến
khoảng cách cần thiết trước
khi quét. Việc dòch chuyển
tip được thực hiện bởi gốm
áp điện. Tip được gắn vào
gốm áp điện và có thể đặt
hiệu điện thế vào các cực
của áp điện để thực hiện sự
dòch chuyển này. Phạm vi
dòch chuyển có thể từ 0,01
A
0
đến vài
µ
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).

•
H ch ng rungệ ố
•
Yêu cầu bắt buộc là biên độ dao động không mong muốn

phải nhỏ hơn 0,1 A
0
để có thể tạo ảnh nguyên tử
•
Hệ thống chống rung trên đệm từ trong chén chì chứa heli
lỏng (đối với STM sử dụng trong chân không cao).
•
W-đầu dò bằng tungsten, A-giá đỡ đầu dò, PP- tấm áp
điện, F- chân đế, D- tấm điện môi, MP-tấm kim loại, M-
nam châm

•
Hệ thống chống rung đối với STM làm việc
trong môi trường không khí
•
(1)-hệ thống chống rung thuỷ lực
•
(2)-hệ thống chống rung bằng lò xo

•
H i u khi n ph n h i.ệ đ ề ể ả ồ
o
Nhiệm vụ giữ cho khoảng cách tip-mẫu không đổi
(chế độ độ cao không đổi) hoặc giữ cho dòng
tunnel giữa tip-mẫu không đổi (chế độ dòng không
đổi).
o
Dòng tunnel được chuyển thành điện áp và so sánh
với giá trò chuẩn tạo tín hiệu vi sai, tín hiệu này lại
được chuyển đổi thành điện áp để điều khiển vò trí

gốm áp điện theo hướng z (để tạo hiệu chỉnh cho độ
cao không đổi hoặc dòng không đổi).
o
Nhiệm vụ điều chỉnh vò trí gốm áp điện tín hiệu vi
sai này cũng được lưu giữ như một hàm của x, y để
tạo hình ảnh bề mặt.