BÀI GIẢNG KÍNH HIỂN VI LỰC NGUYÊN TỬ (AFM)

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.58 MB, 34 trang )

KÍNH HIỂN VI LỰC NGUYÊN TỬ
AFM

Giới thiệu.

Cấu tạo

Ứng dụng

Nguyên lý

Ưu-Nhượcđiểm
I. GIỚI THIỆU.
LỊCH SỬ RA ĐỜI.

AFM(Atomic Force Microscopy ) thuộc nhóm kính hiển vi quét
đầu dò Scanning Probe Mircoscopy (SPM).

Ra đời 1985 khắc phục nhược điểm của STM=>Quét được bề mặt
dẫn điện, cách điện và cả chất lỏng.

Do Gerd Binnig và Christoph Gerber phát minh.

Cho ảnh 3D bề mặt mẫu vật ở độ phân giải nanomet.
HOW DOES IT WORK?
Hình. 18 Đầu dò AFM.
Đo lực tương tác giữa mũi dò (tip) và
bề mặt mẫu, bằng cách sử dụng một đầu
dò đặc biệt được tạo bởi một cantilever
đàn hồi với một mũi dò nhọn (tip) được
gắn ở đầu mút của cantilever.

Chiếc AFM đầu tiên gồm một mảnh kim
cương gắn vào một dải lá vàng.
Được lưu giữ tại viện bảo tàng khoa học
Luân Đôn.
Chiếc AFM ngày nay.
Gerd Bennig.
II. CẤU TẠO
Gồm 6 bộ phận chính:
•
Một mũi nhọn( tip)
•
Cần quét(cantilever)
•
Nguồn laser
•
Phản xạ gương( miroir)
•
Hai tấm pin quang điện( photodiod)
•
Bộ quét áp điện( Piezo Scanner)
II. CẤU TẠO
1.Mũi nhọn(tip)
Làm từ Si hoặc SiN, độ cứng không
vượt quá 0,1N/m.
Bán kính cong tại đỉnh của mũi dò AFM khoảng 1-50 nanomet,
góc gần đỉnh mũi dò khoảng 10 – 20 độ
~1 µm (1000 nm)
II. CẤU TẠO
2. Cần quét( Cantilever)
•

Được cấu tạo từ Si3N4 hoặc Si vô định hình, hoặc oxitsilic với kích thước và
hình dạng khác nhau ( hình chữ nhật, tam giác, hình trụ, ), phía trên cần quét
được phủ 1 lớp vàng mỏng để phản xạ ánh sáng.
•
Chức năng: Đóng vai trò là một lò xo lá cực nhạy. Là phần cảm biến vi lực và
đóng vai trò trọng yếu trong hiển vi lực.
II. CẤU TẠO
3. Nguồn laser: Chiếu qua thấu kính tập trung tại một điểm trên cần quét, độ lệch
tia laser là độ lệch của cần quét
II. CẤU TẠO
4. Gương phản xạ: có tác dụng lái tia laser đi đúng hướng .
II. CẤU TẠO
5. Hai nửa tấm pin quang điện: Khi hai nửa tấm quang điện không được chiếu đều như
nhau dòng quang điện sinh ra chênh lệch nhau tạo thành tín hiệu vi sai.
II. CẤU TẠO
6. Bộ quét áp điện: Mẫu được gắn liền với bộ quét và được điều khiển đầu dò quét trên
mẫu theo 2 chiều x, y
III.NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG.
1.Đo độ lệch của Cần quét
•
Khi cần quét không bị lệch =>Hiệu dòng quang điện bằng 0
Sơ đồ mô tả hệ quang học để phát hiện ra độ
cong của cantilever.
•
Hệ quang học được thiết lập
sao cho chùm tia phát ra từ diode
laser hội tụ trên cantilever và tia
phản xạ hội tụ tại tâm của
photodiod thành một đường tròn
bán kính 5mm.

III.NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG.
Độ cong của cantilever do lực hút hay lực đẩy (Fz) và độ xoắn của
cantilever do thành phần lực ngang (FL) của lực tương tác mũi dò
và bề mặt.
Mối liên hệ giữa loại biến dạng uốn của
cantilever (dưới) và sự thay đổi vị trí
của chùm ánh sáng hội tụ tại mỗi phần
của diode quang (trên).
Dòng chênh lệch từ những phần
khác nhau của diode quang sẽ xác
định đặc điểm và độ biến dạng của
cantilever: bị uốn cong hay bị xoắn.
).()(
4321
IIIII
z
∆+∆−∆+∆=∆
).()(
3241
IIIII
L
∆+∆−∆+∆=∆
Hiệu dòng quang điện này sẽ được
khuếch đại vi sai
To a Photodetector
Vị trí ở đó chùm laser phản xạ đập vào màn hình đầu thu chỉ ra rằng
cantilever bẻ cong bao và do đó tương tác giữa tip AFM và bề mặt
mạnh bao nhiêu.
III.NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG.

•
Mẫu gắn liền với bộ quét và
được điều khiển để tip quét trên
mẫu theo 2 chiều x,y.
•
Hệ hồi tiếp (feedbeck system - FS) giữ
∆IZ không đổi bằng cách sử dụng bộ quét
áp điện điều khiển khoảng cách mũi dò và
mẫu để làm cho độ cong ∆Z bằng giá trị
∆Z được thiết lập trước đó.
Sơ đồ khối của hệ hồi tiếp.
Sử dụng các số liệu x,y,z
ta thu được ảnh 3 chiều
mức độ tinh vi nhất.
Khi đó, mũi dò di chuyển dọc theo bề mặt,
vì vậy thế áp vào bộ quét áp điện theo
chiều Z của bộ quét được ghi nhận trong
bộ nhớ máy tính như là thông tin về cấu
trúc bề mặt Z=f(x,y).
2,LỰC TƯƠNG TÁC GIỮA MŨI DÒ VÀ BỀ MẶT MẪU
•
Khi hai nguyên tử hoặc hai phân tử đặt sát nhau, năng lượng tương
tác có thể biễu diễn bằng thế Lennard- Jones.
•
Đồ thị biễu diễn sự phụ thuộc lực vào khoảng cách:

Khoảng cách nhỏ: lực đẩy
->Lực đẩy ion.


Khoảng cách lớn: lực hút
->Lực Van Der Waals.

Ngoài ra còn một số lực:
Lực mao dẫn, lực từ, lực ma sát…
.2)(
12
0
6
0
0
















+







−=
r
r
r
r
UrU
LD
Lực đẩy ion:

Phát sinh do sự phủ nhau của đám mây điện tử xung quanh hai nguyên tử.

Tác dụng mạnh ở khoảng cách ngắn (≈ Å).

Thế tương tác: U(r) = A r-12 Với A=2.U0 r012

Lực đẩy thường cho ảnh địa hình ở độ phân giải nguyên tử.
Lực Van Der Waals.

Phát sinh do hiện tượng phân cực của đám mây điện tử xung quanh hạt nhân
nguyên tử, hiện tượng cảm ứng và hiệu ứng phân tán.

Là lực có dải đo rộng, tồn tại khi hai nguyên tử-phẩn tử cách nhau vài Å đến
vài trăm Å.

Thế tương tác:
U(r)=-B.r-6 Với B=2.U0 r06

2,LỰC TƯƠNG TÁC GIỮA MŨI DÒ VÀ BỀ MẶT MẪU
AFM tip
Surface of
sample
Tương tác hấp dẫn vander waals hoạt động ở mức độ nguyên tử hay
phân tử, giữa tip AFM và những nguyên tử định xứ ở bề mặt mẫu.
Lực Mao Dẫn:

Phát sinh do kính hiển vi làm việc trong môi trường không khí ẩm
->tạo thành lớp chất lỏng bên trên bề mặt và hiện tượng mao dẫn
khi mũi nhọn tiếp cận lớp màng chất lỏng->tip bị hút về phía mẫu
bởi mặt lồi của giọt nước và bị dính trên mẫu

Là loại lực gây nhiễu ảnh.
Lực Ma Sát

Phát sinh do hai bề mặt tiếp xúc và chuyển động tương đối với nhau

Là loại lực tác dụng ngang làm cần quét bị biến dạng uốn.

Những kính hiển vi chuyên đo loại lực này gọi là FFM, nghiên cứu
hệ số ma sát.
2,LỰC TƯƠNG TÁC GIỮA MŨI DÒ VÀ BỀ MẶT MẪU
Hợp lực tương tác F của mũi dò với bề mặt có thể được đánh
giá từ định luật Hook:
FRestore = - k ∆z k hằng số đàn hồi của cần quét.
∆z: độ biến dạng của cần quét.
Tần số cộng hưởng :
Lực thay đổi theo khoảng cách giữa tip và mẫu, ta có thể viết:
Giữ tần số cộng hưởng không đổi =>Lực không đổi=>∆z không đổi.

2,LỰC TƯƠNG TÁC GIỮA MŨI DÒ VÀ BỀ MẶT MẪU
.
m
k
n
=
ω
0
( )
F
F F Z KZ
Z
∂
= + ∆ =
∂
0
( )
F
F k z
z
∂
=> = − ∆
∂
F
k
z
m
ω
∂
−

∂
=> =
2,LỰC TƯƠNG TÁC GIỮA MŨI DÒ VÀ BỀ MẶT MẪU
Z
Khi tip AFM quét bề mặt chuyển động lên
xuống vẽ số đường quét của mẫu.
FSample = lực của mẫu td lên
tip
FRestore=lực phục hồi
FRestore = -
kZ
3.CÁC CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH
1. Chế độ tiếp xúc (Contact mode).
.
Tip được kéo lê trên bề mặt mẫu.
.
Cho ảnh địa hình.
.
Lực tác dụng là lực đẩy
khoảng 10-9 N.
.
Ưu: tốc độ quét nhanh.
.
Nhược:
.
Phá hủy bề mặt mẫu.
.
Lớp nước trên bề mặt tạo lực mao dẫn và lực ma sát=> Nhiễu lực
đẩy=> Hình ảnh nhiễu
.

Phải làm việc trong môi trường chân không, hoặc nhúng mẫu vào chất
lỏng=>phá hủy mẫu.
3.CÁC CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH
2.Chế độ không tiếp xúc (Non-contact mode).

Tip được giữ cách mẫu 10-15nm.

Cho ảnh 3D.

Lực tác dụng là lực hút
khoảng 10-12 N.

Ưu: không phá bề mặt mẫu.

Nhược:

Lực Van Der Waals yếu.

Bị nhiễu bởi lực mao dẫn và lực ma sát.=> Hình ảnh nhiễu

Lực Van Der Waals yếu hơn khi nhúng mẫu vào chất lỏng.
3.CÁC CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH
3.Chế độ tapping.

Bộ áp điện điều khiển cần quét dao động

Tần số 50.000-500.000Hz
gần bằng tần số dao động riêng.

Tín hiệu hồi tiếp giữ biên độ dao

động của cần quét không đổi.

Cho ảnh địa hình hay biên độ.

Ưu:

Không phá bề mặt mẫu.

Tip gõ vào mặt mẫu với năng lượng lớn, khử lực nhiễu.

Cho ảnh rõ cả trong không khí và chất lỏng=> Ứng dụng trong sinh
học.

BÀI GIẢNG KÍNH HIỂN VI LỰC NGUYÊN TỬ (AFM)

Tài liệu liên quan

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về