Kính hiển vi lực nguyên tử và ứng dụng

KÍNH HIỂN VI LỰC NGUYÊN TỬ
VÀ ỨNG DỤNG
(AFM - ATOMIC FORCE MICROSCOPE)
Những người thực hiện:
Chu Đắc Đức
Nguyễn Quốc Hảo
Vật lý kỹ thuật k57
Mục lục
I.Lịch sử phát triển 3
II.Cấu tạo 4
III.Nguyên lý làm việc 5
IV.Chế độ làm việc 43
V.Ưu và nhược điểm 2
VI.Ứng dụng 4
2
I. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN
Kính hiển vi lực nguyên tử là một thiết bị quan sát cấu trúc vi mô bề mặt
chất rắn dựa trên nguyên tắc xác định lực tương tác nguyên tử giữa một đầu
mũi dò nhọn với bề mặt của mẫu
Được phát minh bởi Gird Binnig, Calvin Quate và Christoph Gerber năm
1986
Năm 1987, T.Albrecht đã lần đầu tiên phát triển AFM đạt độ phân giải cấp
độ nguyên tử
Kính có khả năng quan sát ở độ phân giải nm
Thuộc nhóm kính hiển vi quét đầu dò (SPM - Scanning Probe Microscopy)
hoạt động trên nguyên tắc quét đầu dò trên bề mặt
Ngày nay, AFM đã phát triển lên hệ máy mới AFM fastscan có tốc độ quét
nhanh hơn và có thể ứng dụng vào đo các tế bào còn sống
II. CẤU TẠO CỦA AFM
3
Hình 1. Sơ đồ cấu tạo của hiển vi lực nguyên tử

Kính hiển vi lực nguyên tử gồm 4 bộ phận chính
1. Đầu dò và lò xo lá
Đầu dò và lò xo lá có thể được chế tạo bằng vật liệu silic Si, silic vô định
hình, oxit silic SiO
2
hoặc nitrit silic Si
3
N
4
với kích thước và hình dạng khác
nhau
2. Bộ quét
Làm bằng vật liệu áp điện
Có thể di chuyển mẫu theo trục X, Y, Z
3. Hệ thống thu tín hiệu
Gồm 3 bộ phận
4
Nguồn laser
Gương phẳng
Cảm biến quang
4.Bộ hiển thị
Hệ thống máy tính và màn hình giúp hiển thị ảnh của vật
thể
III. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA AFM
Đầu dò được gắn trên một ló xo lá có hình tam giác rỗng, hình chữ nhật
hoặc hình trụ được làm bằng vật liệu Si3N4 hoặc SiO2. Phía trên lò xo lá
có phủ một lớp vàng mỏng để phản xạ ánh sáng. Chùm tia laser chiếu vào
lớp vàng này rồi tiếp tục bị gương phản xạ, khi đến detector đã loe rộng ra
thành đường tròn bán kính 5mm.
Khi đầu dò lại gần nguyên tử ở bề mặt, lực tương tác giữa 2 nguyên tử làm

lò xo lá bị uốn cong, vệt sáng tròn dịch chuyển, hai nửa tấm quang điện
không được chiếu đều như nhau, dòng quang điện sinh ra chênh lệch nhau
tạo tín hiệu vi sai. Bộ khuếch đại vi sai sẽ cho dòng điện lớn hay nhỏ tùy
thuộc vào lò xo lá bị uốn cong nhiều hay ít, tức là lực tương tác giữa hai
nguyên tử là mạnh hay yếu.
Mẫu nghiên cứu được gắn liền với bộ quét và được điều khiển để đầu dò
quét trên mẫu theo hai chiều x, y. Dùng dòng quang điện ở bộ khuếch đại
vi sai để tạo ảnh bề mặt ứng với các điểm sáng tối. Dòng quang diện phản
hồi vè bộ quét điều khiển mẫu dịch chuyển lên xuống theo trục z sao cho
dòng quang điện không đổi. Nhờ vậy đầu dò đã lượn theo đúng độ mấp mô
bề mặt trong quá trình quét. Sử dụng số liệu x, y và z sẽ thu được ảnh 3
chiều bề mặt có thể thấy rõ từng nguyên tử.
5
IV. CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA AFM
4.1.Chế độ tiếp xúc
Hình 2.
Trong chế độ này đầu dò được tiếp xúc và kéo lê đơn giản trên bề mặt mẫu
và cho ảnh địa hình bề mặt. Lực tác dụng lên tip là lực đẩy có giá trị trung
bình cỡ 10
-9
N. Lực này được thiết lập bằng cách nhấn mạnh lò xo lá lên bề
mặt mẫu nhờ phần tử định vị áp điện. Tuy nhiên kĩ thuật này có 1 nhược
điểm khá lớn. Quá trình chuyển động quét trên bề mặt mẫu của đầu dò đã
tạo ra các lực ma sát và lực bám dính giữa đầu dò và bề mặt. Điều này có
thể gây nên sự phá hủy cả bề mặt mẫu và đầu dò, đồng thời làm sai lệch dữ
liệu hình ảnh.
Trong điều kiện môi trường tự nhiên hầu hết các bề mặt được phủ một lớp
rất mỏng các chất khí hấp phụ (hơi nước và các khí khác) có bề dày cỡ vài
nanomet. Khi đầu dò quét trên bề mặt vật mẫu chạm vào lớp mỏng đó thì
6

sự mao dẫn sẽ tạo ra một mặt khum và sức căng bề mặt kéo lò xo lá vào lớp
nước này. Đồng thời các điện tích bị bẫy trên đầu dò và bề mặt mẫu tạo ra
các lực tĩnh điện đóng góp thêm vào lực bám dính. Chính các lực hướng
xuống phía dưới này làm tăng lực nhiễu tổng cộng trên bề mặt mẫu và kết
hợp với các lực cắt và lực ngang gây bởi quá trình chuyển động quét làm
nhiễu tín hiệu đo, phá hủy bề mặt mẫu và cũng có thể gây nên sự thay đổi
các đặc tính bề mặt.
Có thể khắc phục được những khó khăn liên quan đến các lực bám dính và
tĩnh điện này bằng cách nhúng mẫu trong chất lỏng. Tuy nhiên không phải
bất cứ mẫu nào cũng có thể nhúng được trong chất lỏng mà không làm thay
đổi đặc tính ban đầu của nó, như các mẫu bán dẫn. Ngoài ra, vì các mẫu
ướt thường mềm hơn các mẫu khô nên khi đầu dò thực hiện việc quét sẽ
làm biến dạng, sai hỏng bề mặt và tạo ra các vết làm giảm chất lượng ảnh
và cũng có thể gây phá hủy mẫu.
4.2.Chế độ không tiếp xúc
7
Những khó khăn khi điều khiển ở chế độ tiếp xúc được khắc phục ở chế độ
không tiếp xúc. Ở chế độ này đầu dò luôn được giữ ở một khoảng cách rất
nhỏ (5-15nm) ngay sát trên bề mặt mẫu. Sự thay đổi lực hút Van Der Waals
giữa đầu dò và mẫu sẽ được phát hiện và sử dụng để tạo ảnh 3 chiều bề mặt
mẫu. Nhưng các lực này quá yếu so với lực ở chế độ tiếp xúc, hơn nữa lực
hút chỉ xuất hiện ở một dải khoảng cách rất nhỏ trên bề mặt mà trên đó lớp
khí hấp phụ chiếm phần lớn dải sử dụng này. Vì vậy thậm chí khi khoảng
cách đàu dò và mẫu được duy trì đúng yêu cầu, chế độ không tiếp xúc cũng
chỉ cho độ phân giải rất thấp so với các chế độ khác. Trên thực tế, đầu dò
ngay lấp tức bị kéo xuống bề mặt mẫu do sức căng bề mặt của lớp khí hấp
phụ, kết quả là tín hiệu hình ảnh bị sai lệch và bề mặt mẫu cũng bị phá hủy
như ở chế độ tiếp xúc. Ngoài ra chế độ này thường không thể thực hiện
trong chất lỏng vì lực Van Der Waals ở đây còn yếu hơn,đây là hạn chế chủ
yếu trong việc nghiên cứu các mẫu sinh học.

4.3.Chế độ gõ
8
Chế độ này tránh được việc kéo lê đầu dò trên bề mặt làm phá hủy mẫu
trong quá trình quét do các lực luôn có phương thẳng đứng. Khác hai chế
độ tiếp xúc và không tiếp xúc, trong quá trình gõ đầu dò gõ vào bề mặt với
năng lượng đủ lớn để có thể bỏ qua lực bám dính giữa mẫu và đầu dò. Một
lợi ích khác của kĩ thuật gõ là miền hoạt động tuyến tính rất rộng của nó.
Điều này khiến cho hệ thống phản hồi theo phương thẳng đứng có độ ổn
định rất cao. Chế độ này tránh được tính không ổn định lực do sự trôi nhiệt
ở chế độ tiếp xúc, do vậy chất lượng ảnh và phép đo được nâng cao và tiết
kiệm được thời gian. Lực tạo ảnh ổn định đo được trong hoạt động ở chế
độ gõ nhỏ hơn 200pN.
V.ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA AFM
5.1.Ưu điểm của AFM
AFM khắc phục nhược điểm của STM, có thể chụp ảnh bề mặt của tất cả
các loại mẫu kể cả mẫu không dẫn điện.
AFM không đòi hỏi môi trường chân không cao, có thể hoạt động ngay
trong môi trường bình thường.
9
AFM có thể cho ảnh bề mặt đến độ phân giải phân tử, tạo ảnh ba chiều của
mẫu.
Cung cấp những phép đo độ cao trực tiếp về địa hình của mẫu và hình ảnh
chi tiết về đặc trưng bề mặt mẫu.
5.2.Nhược điểm của AFM
AFM quét ảnh trên một diện tích hẹp (dưới 150µm).
Tốc độ ghi ảnh chậm.
Chất lượng ảnh bị ảnh hưởng bởi quá trình trễ của bộ quét áp điện.
Đầu dò rung trên bề mặt có thể phá hủy bề mặt, yêu cầu bề mặt phải sạch.
VI.ỨNG DỤNG CỦA AFM
AFM có các ứng dụng:

Chụp ảnh bề mặt màng mỏng.
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, công nghệ
bán dẫn, dược phẩm, sinh học, công nghệ vật liệu…
Chụp ảnh cắt lớp
10
Đây là hình ảnh của hình cầu GaAs đường kính trong đo được là 30 nm
Hình . Lớp vàng dày 400nm bốc hơi trên một lớp bề mặt silicon
Kiểm soát chất lượng kiểm tra khuyết tật vật liệu
11
Hình 2D của đĩa DVD hiển thị các liên kết của bit
12
Hình ảnh thể hiện rõ bề mặt của vật mẫu
Mô tả, phân tích, xác định đặc điểm bề mặt
Lớp phủ polymer mềm trên cạnh của một lưỡi dao
13
Bề mặt của một vật liệu polymer
ảnh chụp P(VDF-TrFE) ở các nhiệt độ khác nhau
Trong sinh học
14
Tế bào gốc C2C12 di chuyển trên bề mặt thủy tinh
Khuẩn E-coli
Máy Dimension-fastscan-bio : chụp ở kích thước quét của 300nm. Thể hiện
khuẩn E-coli sống cá nhân
15
Khuẩn E-coli
Dimension-fastscan-bio: 1 tế bàoE-coli chụp ở kích thước quét của 3um
Trong công nghệ y sinh

Hình xxx. ADN đang nối lại trên tấm Mica
16
Chuỗi AND của phân tử protein
17