Kính Hiển Vi Lực Nguyên Tử potx

I. LỊCH SỬ KÍNH HIỂN VI LỰC NGUYÊN TỬ
• Kính hiển vi quét đầu dò (Scanning probe microscopy- SPM) là tên gọi
chung của nhóm kính hiển vi mà việc tạo ảnh bề mặt của mẫu vật được thực
hiện bằng cách quét một mũi dò nhỏ trên bề mặt của mẫu vật
• Năm 1981, hai nhà khoa học Đức là Binnig và Rohror phát minh ra hiển vi
quét hiệu ứng đường hầm (STM-Scanning tunneling microscope). Do ý
nghĩa ứng dụng to lớn của phát minh này, mà chỉ 5 năm sau đó, Binnig và
Rohror đã được nhận giải Nobel Vật lý.
• STM là một loại kính hiển vi phi quang học, được sử dụng để quan sát hình
thái học bề mặt của vật rắn hoạt động dựa trên việc ghi lại dòng chui hầm
của điện tử khi sử dụng một mũi dò quét trên bề mặt mẫu. STM là một công
cụ mạnh để quan sát cấu trúc bề mặt của vật rắn với độ phân giải tới cấp
độ nguyên tử .
• AFM lần đầu tiên được phát triển vào năm 1985 để khắc phục nhược điểm
của STM chỉ có thể thực hiện được trên mẫu dẫn điện, bởi G. Binnig, C. F.
Quate v à Ch. Gerber, kết quả của sự hợp tác giữa IBM và Đại học Stanford.
• Đến năm 1987, T. Albrecht đã lần đầu tiên phát triển AFM đạt độ phân giải
cấp độ nguyên tử, cũng trong năm đó MFM được phát triển từ AFM. Năm
1988, AFM chính thức được thương mại hóa bởi Park Scientific (Stanford,
Mỹ).
II.CẤU TẠO
III. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA AFM
• Khi mũi nhọn quét gần bề mặt mẫu vậ t, sẽ xuất hiện lực Van der Waals giữa
các nguyên tử tại bề mặt mẫu và nguyên tử tại đầu mũi nhọn (lực nguyên tử)
làm rung thanh cantilever. L ực này phụ thuộc vào khoảng cách giữa đầu
mũi dò và bề mặt của mẫu.
• Một tia laser được chiếu vào mặt phản xạ của cần quét. Khi đầu dò quét lên
bề mặt mẫu, do sự mấp mô, nó sẽ rung động theo trục z, chùm laser phản xạ
trên cần quét sẽ bị xê dịch tương ứng với rung động đó. Đặc trưng dao động
của chùm laser phản xạ sẽ được hệ thống photodetector ghi lại v à chuyển
thành tín hiệu điện thế. Tín hiệu điện thế lại đ ược xử lý và diễn giải theo

chiều cao z đặc trưng cho tính chất địa hình của mẫu.
• Quá trình hồi tiếp sự khác nhau về tín hiệu giữa những cảm biến quang học,
qua sự xử lý của phần mềm máy tính, cho phép duy tr ì hoặc là một lực
không đổi, hoặc là một độ cao không đổi tr ên bề mặt mẫu.
• Việc ghi lại lực tương tác trong quá tr ình thanh rung quét trên bề mặt sẽ cho
hình ảnh cấu trúc bề mặt của mẫu vật. Trên thực tế, tùy vào chế độ và loại
đầu dò mà có thể tạo ra các lực khác nhau v à hình ảnh cấu trúc khác nhau.
• Ví dụ như lực Van der Waals cho hình ảnh hình thái học bề mặt, lực điện từ
có thể cho cấu trúc điện từ (kính hiển vi lực từ), hay lực Casmir, lực liên kết
hóa học, và dẫn đến việc có thể ghi lại nhiều thông tin khác nhau trên b ề
mặt mẫu.
Bộ phận chủ yếu của một kính hiển vi mới là hiển vi quét đầu dò SPM (Scanning
probe microscpe) phóng đại lên hàng triệu lần,có thể thấy được từng nguyên tử
trên bề mặt.

Cách tạo ảnh như sau:Nếu mũi nhọn đến mức ở đầu mút chỉ có một nguyên tử thì
lúc đưa sát bề mặt mẫu,nguyên tử của mũi nhọn bị nguyên tử bề mặt mẫu tác dụng,
đó gọi là lực nguyên tử.Khi dịch chuyển mũi nhọn trên bề mặt mẫu chỗ nào mặt
mẫu nhô lên tức là gần mũi nhọn hơn lực nguyên tử sẽ lớn hơn,mũi nhọn bị tác
dụng mạnh.Và chỗ nào mặt mẫu lõm xuống các nguyên tử ở xa nhau mũi nhọn bị
tác dụng yếu.
Hình vẽ mô tả cách đo lực nguyên tử bằng lò xo lá: hiệu hai dòng quang điện ở hai
nửa pin có giá trị nào đó ứng với lò xo cong nhiều hay ít, đó là do mặt mẫu lồi hay
lõm.Khi khuếch đại lên trên màn chỗ sáng tối tương ứng với chỗ lồi lõm trên mẫu
Cách đo lực theo cộng hưởng nhạy hơn và trực tiếp đo được độ lồi lõm ở từng
điểm tạo ra ảnh ba chiều thực sự. Đặc biệt ở chỗ hiển vi AFM làm việc cả trong
môi trường nước ,không khí,dung dịch…để nghiên cứu tế bào hay virut.
Bộ quét này cho phép quét nhiều loại mũi nhọn khác dùng để đo dòng điện xuyên
hầm, đo ma sát, đo sức điện động…hoạt động dựa trên nguyên tắc đầu dò trên mẫu
để thu thập tín hiệu tạo ra ảnh. Đây là hiển vi của thời đại công nghệ nanô

III.Bộ quét áp điện
Hoạt động của bộ quét như sau:
Một thanh bằng vật liệu áp điện hai bên có phủ lớp dẫn điện làm các điện cực. Đặt
hiệu điện thế 2 vào các cực thanh áp điện co vào hay dãn ra tuỳ thuộc vào chiều và
độ lớn của hiệu điện thế.Ví dụ 1 thanh dài 1cm tác dụng u=100v có thể dịch
chuyển hai đầu cỡ 10m.
Muốn di chuyển theo 3 chiều thì ghép 3 thanh áp điện vuông góc với nhau và nối
đuôi nhau.Đó chính là bộ quét áp điện cho phép tạo ra dịch chuyển tuỳ ý chính xác
cỡ nguyên tử
Khi có hiệu điện thế tác dụng thanh áp điện co lại
Cách dịch chuyển cơ học rất tinh vi bằng bộ quét áp điện có rất nhiều ứng dụng
trong công nghệ hiện đại Đặc biệt là công nghệ nanô
Các nhà nghiên cứu ở Thụy Sĩ và Hà Lan vừa lần đầu tiên thiết kế thành công
một dạng kính hiển vi lực nguyên tử có khả năng chụp ảnh từng nguyên tử
riêng biệt trong một phân tử. Kết quả này là một bước đột phá trong ngành hiển
vi bề mặt và có thể đem đến một cái nhìn hoàn toàn mới mẻ vào trong từng
tương tác hóa học cũng như là phát triển các các linh kiện đơn điện tử, theo lời
của các nhà nghiên cứu
Kính hiển vi lực nguyên tử (Atomic force microscope – AFM) được phát minh hơn
20 năm trước, có thể giúp các nhà khoa học có một cái nhìn tốt nhất để kiểm tra
các nguyên tử trên bề mặt của cả các mẫu dẫn điện và cách điện. Nguyên lý cơ bản
của kỹ thuật này là quét một mũi nhọn kim loại trên bề mặt một mẫu để tạo ra ảnh,
dựa trên sự cân bằng cách lực vô cùng nhỏ giữa mẫu và mũi dò. Các cải tiến mới
nhất của kỹ thuật có thể cho phép các nhà nghiên cứu quan sát bề mặt ở một mức
độ chi tiết chưa từng có tiền lệ, kể cả bước nhảy vọt đáng kể vào năm 2007 khi các
nhà nghiên cứu có thể tạo ra độ phân giải ở mức độ các nguyên tử cô lập trên bề
mặt một vật liệu lần đần tiên.Trên thực tế, bức tranh sớm nhất về các nguyên tử
riêng biệt được chụp vào những năm 1970 bằng cách bắn phá một mẫu kim loại
nhờ một chùm điện tử, và quan sát nhờ kỹ thuật được biết là kính hiển vi điện tử
truyền qua. Tiến bộ mới nhất của kỹ thuật này là đạt tới độ phân giải nhỏ hơn bán

kính nguyên tử hydro, nhưng nó đòi hỏi mẫu siêu mỏng tới vài lớp tinh thể, và mẫu
dễ dàng bị phá hủy bởi năng lượng cao của chùm điện tử.
Để cải tiến AFM đến độ phân giải tốt hơn, các nhà nghiên cứu cần phải dịch
chuyển mũi dò của kính hiển vi trong khoảng cách 1 nm, và ở khoảng cách nhỏ
này, hàng loạt thử thách đã xuất hiện. Vấn đề lớn nhất là mũi dò sẽ ở trong tình
trạng “nguy hiểm” do sự dịch chuyển rất nhỏ, hoặc thậm chí bị hút mạnh bởi mẫu
do lực tương tác Van der Waals. Hơn nữa, khi mũi dò rất gần mẫu, việc biết chính
xác thành phần nguyên tử và hình dạng của mũi dò trở nên cực kỳ quan trọng, và
với các mũi dò truyền thống, thông tin này không phải lúc nào cũng rõ ràng.
Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu lãnh đạo bởi Leo của Phòng thí nghiệm IBM Zurich
(Thụy Sĩ) đã vượt qua vấn đề này để đạt tới mức phân giải từng nguyên tử riêng
biệt cũng như liên kết trong một đơn phân tử. Nhóm đã nhận ra rằng nguyên tử hay
phân tử ở gần đầu mũi dò của AFM sẽ chi phối độ tương phản cũng như độ phân
giải của kính hiển vi. Vì lý do này, họ đã thay thế mũi dò kim loại truyền thống của
AFM bằng một đơn phân tử carbon monoxide (CO), vốn rất bền cũng như là tạo ra
lực Van der Waals nhỏ hơn khi ở khoảng cách raats gần mẫu. Và một kết quả rất
đẹp được tạo ra thành công là hình ảnh phân tử hydrocarbon C22H14 (pentacen)
với 5 vòng benzene, và được đo với chiều dài chỉ 1,4 nm. Bức ảnh này cho thấy 5
vòng carbon, cũng như là các nguyên tử carbon, hydro riêng biệt trong phân tử,
khoảng cách giữa các nguyên tử riêng biệt chỉ là 0,14 nm – là độ phân giải tốt nhất
chưa từng có với một AFM. Các nhà nghiên cứu đã nhanh tróng nhận ra rằng cải
tiến này rất có ý nghĩa khoa học bởi thực ra CO đã được dùng trong kính hiển vi
quét chui hầm (STM) trong nhiều năm để tăng cường độ phân giải với cùng lý do.
Hình 1. Một kết quả rất đẹp của công trình nghiên cứu chụp ảnh các phân tử
C22H14 ở các mức độ phân giải các nhau (ảnh A là mô hình phân tử) –
Theo Science 325, 1110.
Gross nói rằng ông cùng với nhóm của mình đang dự kiến phát triển nghiên cứu
này với một mục tiêu trước mắt là tăng cường độ phân giải và xây dựng một
catalogue các đặc trưng hóa học cho nhiều nguyên tử và phân tử. Rốt cục thì mũi
dò AFM CO có thể sử dụng để xác định đặc trưng của các phân tử khác nhau để sử

dụng trong phân tích hóa học. Xa hơn, các dạng mới của AFM có thể ứng dụng để
nghiên cứu các tương tác hóa học, hoặc xúc tác ở mức độ nguyên tử.Công nghiệp
điện tử cũng có thể thu được lợi nhuận từ kính hiển vi mới này bởi vì các thông tin
tốt hơn rất nhiều từ cấu trúc phân tử có thể giúp cho việc phát triển các linh kiện
đơn điện tử. “Mặc dù chúng tôi mới đang tập trung vào các cải tiến thực nghiệm
ở kích thước nhỏ, nhưng đó cũng sẽ là mục tiêu dài hạn” – Gross nói – “Một
hiểu biết nhiều hơn nữa về các quá trình điện tử ở thang phân tử có thể thiết lập
ở mức độ các CMOS”.
Từ khi được phát hiện lần đầu hồi 2004 cho đến nay, graphene – lớp các nguyên tử
carbon (C) đan với nhau thành lưới tổ ong – đang là một “ngôi sao” trong lòng các
nhà nghiên cứu vật liệu. Nó được chú ý nhiều nhất bởi các nhà khoa học máy tính.
Mới đây, một kết quả thăm dò thực nghiệm từ ĐH Illinois (Mỹ) cho thấy : đặc tính
nhiệt điện (thermoelectric) của lớp tổ ong này có thể là lời giải mới cho kỹ thuật
tản nhiệt chip.
Mọi vật liệu đều có đặc tính nhiệt : khả năng sinh nhiệt (a) & tản nhiệt vào môi
trường (b). Trong nhiều trường hợp, giá trị của (a) > (b), do vậy càng hoạt động lâu
thì thiết bị càng nóng lên. Chip máy tính hiện nay là một ví dụ điển hình như thế.
Đơn giản vì lượng delta nhiệt phát sinh trên một đơn vị thể tích cao hơn lượng
delta nhiệt bay đi.
Giáo sư William King, một trong hai người dẫn đầu nhóm nghiên cứu tại ĐH
Illinois, mô tả :
Với silicon và hầu hết các vật liệu, mức nhiệt phát sinh do dòng điện lớn hớn mức
(mà vật liệu) tự giải nhiệt. Thế nhưng, chúng tôi phát hiện ra rằng với các transistor
graphene, có những khu vực mà mức làm mát nhiệt điện lớn hơn nhiệt phát sinh do
kháng trở, điều này cho phép các thiết bị trên tự làm mát chính nó. Hiệu ứng tự giải
nhiệt này chưa từng được thấy trên các thiết bị graphene trước đây

Đầu dò AFM bên trên 1 lớp nguyên tử carbon
Nhưng làm sao nhóm của King biết được điều trên ? Chỉ 1 lớp nguyên tử C rất khó
quan sát. Song nhờ kỹ thuật quan sát dựa trên đầu dò (tip) của kính hiển vi lực

nguyên tử (atomic force microscope – AFM), họ ghi nhận được mức biến thiên
nhiệt ở độ phân giải nhỏ đến từng nguyên tử. Và phần trên là kết quả quan sát của
nhóm King – graphene có mức tản nhiệt cao hơn mức sinh nhiệt.
Sau phát hiện này, nhóm của King lên kế hoạch dùng đầu dò AFM để nghiên cứu
tiếp đặc tính nhiệt của các vật liệu nano khác. Và có lẽ không chỉ người Mỹ biết
điều này, một đơn vị sản xuất bộ nhớ Đài Loan đã từng ứng dụng thành công khả
năng làm mát với lớp tản nhiệt nano – Nano Thermal Dissipation (NTD). Ah, tôi
muốn nhắc đến Kingmax …