Giới thiệu kính hiển vi lực nguyên tử(AFM).DOC

CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO
I. KÍNH HIỂN VI LỰC NGUYÊN TỬ (AFM)
Kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) được phát minh năm 1986 bởi Gerd
Binnig, Calvin F. Quate và Christopher Herber.
1. Nguyên tắc hoạt động
Nguyên tắc làm việc của AFM là 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.
Lực tác dụng lên mũi
dò tại bề mặt làm cho
cantilever bị uốn cong.
Bằng cách đo độ lệch
của cantilever có thể
xác định lực tương tác giữa mũi dò và bề mặt.
Lực tương tác được đo bởi AFM có thể được giải thích một cách định tính,
ví dụ: lực tương tác van der Walls. Năng lượng tương tác van der Walls của hai
nguyên tử ở khoảng cách r được gần đúng theo hàm thế Lennard-Jones:
.2)(
12
0
6
0
0

















+






−=
r
r
r
r
UrU
LD
Số hạng đầu tiên của tổng diễn tả rằng ở khoảng cách xa lực hút được sinh
ra bởi tương tác dipole-dipole, và số hạng thứ hai giải thích lực đẩy ở khoảng
cách ngắn do nguyên lý loại trừ Pauly. Tham số
0
r
là khoảng cách cân bằng

giữa các nguyên tử, khi đó năng lượng đạt giá trị cực tiểu.
Hình. 18 Đầu dò AFM.
Thế Lennard-Jones cho phép đánh giá lực tương tác giữa mũi dò và mẫu.
Thực tế, năng lượng tương tác của
mũi dò và mẫu có thể thu được bằng
cách thêm vào những tương tác cơ
bản cho toàn bộ nguyên tử của mũi
dò và mẫu.
Khi đó năng lượng tương tác
nhận được là:
∫∫
−=
SP
VV
SPLDPS
dVdVrnrnrrUW ')()'()'(
ở đó,
)(rn
s
và
)'(rn
p
là mật độ nguyên
tử trong mũi dò và mẫu. Do đó lực tác động lên mũi dò từ bề mặt có thể tính
được như sau:
).(
PSPS
WgradF
−=


Nói chung,
lực có cả thành
phần thông
thường gây ra từ
bề mặt mẫu và
thành phần ngang
(nằm trên mặt
phẳng của bề mặt
mẫu). Lực tương
tác thực sự giữa mũi dò và mẫu có những đặc tính phức tạp hơn, tuy nhiên
những tương tác cơ bản thì như nhau: mũi dò AFM bị bề mặt hút ở khoảng
cách lớn và bị đẩy ở khoảng cách nhỏ.
2. Phương pháp đo độ lệch của cantilever
Hình 20 Sự tương tác giữ những nguyên tử mũi dò
và mẫu.
Hình 19: Giản đồ thế năng
Lennard-Jones.
Việc thu nhận cấu trúc bề mặt được thực hiện bằng cách ghi nhận độ lệch
nhỏ của cantilever đàn hồi. Phương pháp quang (Hình ) được sử dụng phổ biến
trong AFM để đo độ lệch này (phương pháp này có tên beam - bounce).
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 detector

quang, detector quang
bốn phần được sử
dụng như là môt
detector quang học xác
định vị trí.
Hai đại lượng có
thể đo được bởi hệ
quang: độ cong của
cantilever do lực hút
hay lực đẩy (F
z
) và độ
xoắn của cantilever do
thành phần lực ngang
(F
L
) của lực tương tác
mũi dò và bề mặt. Giá
trị xác định của dòng quang điện trong mỗi phần của diode quang được thiết
lập bằng
01
I
,
02
I
,
03
I
,
04

I
và
1
I
,
2
I
,
3
I
,
4
I
là giá trị hiện tại sau khi vị trí của
cantilever thay đổi. Dòng chênh lệch từ những phần khác nhau của diode quang
Hình 21: Sơ đồ mô tả hệ quang học để phát hiện ra độ
cong của cantilever.
Hình 22: 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).
sẽ xác định đặc điểm và độ biến dạng của cantilever: bị uốn cong hay bị xoắn.
Thật vậy, dòng chênh lệch:
).()(
4321
IIIII
z
∆+∆−∆+∆=∆
Tương ứng với độ cong của của cantilever do lực thông thường tác dụng từ
bề mặt, và độ chênh lệch dòng:

).()(
3241
IIIII
L
∆+∆−∆+∆=∆
Xác định độ cong
của cantilever do thành
phần lực ngang.
Giá trị
z
I∆
được sử
dụng làm thông số
được đưa vào bộ hồi tiếp của AFM. Hệ hồi tiếp (feedbeck system - FS) giữ
z
I∆

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.
Khi quét mẫu trong chế độ
Z∆
không đổi, 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
Hình 23: Sơ đồ khối của hệ hồi tiếp.
Hình 24: Hình ảnh sơ lược của đầu dò AFM.
trong bộ nhớ máy tính như là thông tin về cấu trúc bề mặt Z=f(x,y). Độ phân

giải ngang của AFM được xác định bởi bán kính cong của mũi dò và độ nhạy
của hệ thống xác định độ lệch của cantilever. Hiện tại AFM cho phép thu được
ảnh có độ phân giải nguyên tử.
Một phương pháp khác để đo độ lệch của cantilever là sử dụng mũi dò của
kính hiển vi đường ngầm quét đặt phía trên cantilever để đo sự thay đổi dòng
xuyên ngầm. Một kỹ thuật đặc biệt nữa là chế tạo cantilever từ vật liệu áp điện
để độ lệch của cantilever có thể đo được thông qua tín hiệu điện.
3.Đầu dò AFM (AFM probes)
Cấu trúc bề mặt được ghi nhận trong AFM được thực hiện bởi một đầu dò
(probe) đặc biệt được tạo bởi một cantilever đàn hồi với một mũi dò nhọn được
gắn ở đầu mút của cantilever. Đầu dò như vậy được chế tạo bởi kỹ thuật quang
khắc và ăn mòn axit của silic, lớp silic oxide hoặc silic nitric được lắng đọng
trên wafer silic.
Một đầu của cantilever được giữ cố định bởi đế Si (bộ phận giữ), mũi dò
được gắn vào đầu còn lại. Bán kính cong tại đỉnh của mũi dò AFM khoảng 1-
50 nanomet, phụ thuộc vào kỹ thuật sản xuất. Góc gần đỉnh mũi dò khoảng 10
– 20 độ. Lực tương tác F của mũi dò với bề mặt có thể được đánh giá từ định
luật Hook:
ZkF ∆= .
k là hằng số đàn hồi của cantilever,
Z∆
là sự thay đổi vị trí của mũi dò
tương ứng với sự thay đội độ cong do tương tác với bề mặt. Giá trị của k trong
khoảng
mN /1010
3
÷
−
phụ thuộc vào vật liệu và cấu trúc hình học của
cantilever. Tần số cộng hưởng của cantilever rất quan trọng trong hoạt động

Hình 25: Những mode dao động chủ yếu của cantilever.
của AFM ở chế độ dao động. Tần số dao động riêng của cantilever được xác
định bởi công thức:
.
2
S
EJ
l
i
n
ρ
λ
ω
=
l: độ dài của cantilever; E là mođun Young; J: moment quán tính của
cantilever;
ρ
: khối lượng riêng của vật liệu; S: tiết diện ngang; và
i
λ
là hệ số
phụ thuộc mode dao động
(khoảng tử 1-100). Tần số
của những mode dao động
chính thường được sử dụng
trong phạm vi 10-100 khz.
Hệ số phẩm chất Q của
cantilever phụ thuộc chủ
yếu vào cách thức hoạt
động. Giá trị điển hình của

Q trong chân không
43
1010 −
. Trong không khí
hệ số phẩm chất giảm xuống còn 300-500, trong chất lỏng chỉ còn 10-100.
Về cơ bản có hai kiểu đầu dò được sử dụng trong AFM: đầu dò với
cantilever có tiết diện hình chữ nhật và tam giác. Hình ảnh sơ lược của
cantilever chữ nhật được chỉ ra ở hình 26.
Ảnh hiển vi điện tử của cantilever thương mại với tiết diện hình chữ nhật.
Hình 26: Mặt cắt của cantilever hình chữ nhật.
Thình thoảng đầu dò AFM có một vài cantilever với độ dài khác nhau (do
đó độ cứng khác nhau). Trong trường hợp này cantilever hoạt động được lựa
chọn bởi sự sắp đặt tương ứng
của hệ quang trong AFM.
Đầu dò với cantilever hình
tam giác có độ cứng cao hơn và
do đó tần số cộng hưởng cao
hơn. Nó thường được sử dụng
trong kỹ thuật AFM dao động.
Hình ảnh sơ lược của cantilever
tam giác được chỉ ra ở hình và
ảnh SEM ở hình 28
Mũi dò AFM được
chế tạo có ba dạng hình
học: hình tháp, hình tứ
diện và hình nón. Mũi
dò hình nón có thể
được làm nhọn với tỷ
lệ giữa các cạnh cao (tỷ
lệ giữa chiều dài với

chiều rộng). Bán kính
của mũi dò khoảng 50
Ăngstrong. Mũi dò
hình tháp có tỷ lệ giữa
các cạnh thấp hơn,
thông thường bán kính
của mũi dò khoảng vài trăm Ăngstrong, nhưng mũi dò hình tháp có độ bền cao.
Hình 27: Ảnh SEM của mũi dò AFM trên
cantilever hình chữ nhật.
Hình 28: Hình ảnh sơ lược của
cantilever tam giác.
Mũi dò AFM được sản xuất từ silíc hoặc là silic nitric. Mỗi loại vật liệu có
quá trình sản xuất khác nhau. Những đặc trưng của mũi dò từ mỗi loại vật liệu
bị chi phối bởi quá trình sản xuất cũng như là tính chất của vật liệu. Mũi dò
hình nón được chế tạo bằng phương pháp khắc axit của silic được phủ một lớp
silic dioxide. Tỷ lệ các cạnh cao của mũi dò hình nón làm cho nó phù hợp để
ghi nhận ảnh bề mặt có đặc điểm là sâu, hẹp như là các hốc. Nhưng nó bị gãy
dễ hơn là cấu trúc hình tháp hoặc là tứ diện. Silic có những ưu điểm khi nó
được pha tạp, khi đó mũi dò trở thành chất dẫn điện. Mũi dò dẫn điện thuận lợi
cho việc điều khiển điện áp giữa mũi dò với bề mặt để ngăn ngừa những tác
động không mong muốn lên mũi dò.
Hình 29: Ảnh SEM của mũi dò trên cantilever tam
giác.
Mũi dò silic được sản xuất bằng cách lắng đọng lớp silic nitric trên hốc bị
ăn mòn của bề mặt tinh thể silic (Hình). Phương pháp này tạo ra mũi dò có
dạng hình tháp hoặc hình tứ diện. Tỷ lệ các cạnh của mũi dò silic nitric bị giới
hạn bởi
cấu trúc
tinh thể
của của

vật liệu
được ăn
mòn để tạo
thành hố
nhọn.
Những
mũi dò
này rộng hơn mũi dò hình nón, nên nó cứng hơn nhưng không phù hợp với bề
mặt có đặc điểm sâu, hẹp. Silic nitric cứng hơn silic nên mũi dò bằng silic
nitric bền hơn mũi dò làm bằng silic. Tuy nhiên, màng silic chứa ứng suất dư,
điều này làm cho nó bị biến dạng khi độ dày màng tăng. Vì nguyên nhân đó
những cantilever dày với tần số cộng hưởng cao được làm từ silic. Độ dày của
cantilever silic nitric thường nhỏ hơn một micromét, trong khi đó cantilever
silic có thể dày tới vài micro.
4. Các chế độ hoạt động trong AFM
Những phương pháp cơ bản được sử dụng để thu được ảnh có thể chia
thành hai nhóm: chế độ tiếp xúc (tĩnh) và chế độ không tiếp xúc (dao động).
Ngoài ra, còn có chế độ tapping
a. Chế độ tiếp xúc trong AFM (contact mode AFM)
Hình. 25 Chế tạo đầu đò silic nitric.
Trong chế độ tiếp xúc, đỉnh của mũi dò tiếp xúc trực tiếp với bề mặt và lực
tác dụng gây ra giữa những nguyên tử của mũi dò và bề mặt tương đương với
lực đàn hồi được tạo bởi việc làm lệch cantilever. Cantilever sử dụng trong chế
độ tiếp xúc phải có độ cứng tương đối nhỏ (độ cứng của cantilever phải nhỏ
hơn độ cứng của bề mặt mẫu), để cung cấp độ nhạy cao và tránh những ảnh
hưởng quá mức của mũi dò lên bề mặt mẫu. Nếu độ cứng của đầu dò lớn hơn
bề mặt, bề mặt bị biến dạng.
Chế độ tiếp xúc có thể được thực hiện tại lực không đổi hoặc tại khoảng
cách không đổi (giữa đầu dò và bề mặt). Trong suốt quá trình quét trong chế độ
lực không đổi, bộ hồi tiếp qui định giá trị của độ lệch của cantilever không đổi

(do đó lực tương tác cũng không đổi) (hình 27). Vì vậy trong việc điều khiển
áp điện ở bộ hồi tiếp, điện áp được đặt vào điện cực Z của bộ quét tương ứng
với thông tin cấu trúc bề mặt mẫu.
Hình 28 Thu nhận ảnh AFM tại khoảng cách không đổi.
Hình 27 Thu nhận ảnh AFM tại lực không đổi.
Việc quét tại khoảng cách không đổi giữa mũi dò và mẫu (Z không đổi)
thường được sử dụng cho mẫu có độ gồ ghề nhỏ (vài Ăngtrong). Trong chế độ
này (còn gọi là chế độ độ cao không đổi), đầu dò di chuyển tại một độ cao
trung bình nào đó trên mẫu và độ cong của cantilever
Z∆
tương ứng với lực tác
dụng được ghi nhận tại mỗi điểm trên bề mặt. Ảnh AFM trong trường hợp này
mô tả sự phân bố không gian của lực tương tác.
Trong chế độ lực không đổi mặc dù tốc độ quét phụ thuộc vào thời gian
đáp ứng của mạch hồi tiếp nhưng lực tác dụng lên mẫu được điều khiển tốt.
Chế độ lực không đổi nói chung được yêu thích trong hầu hết các ứng dụng.
Chế độ chiều cao không đổi được được dùng để tạo ảnh nguyên tử của
những bề mặt nguyên
tử phẳng khi độ lệch
của cantilever và độ
biến thiên lực tác
dụng nhỏ. Chế độ này
cũng cần thiết cho
việc tạo ảnh theo thời
gian thực của sự biến
đổi bề mặt, ở đó tốc
độ quét nhanh là cần
thiết.
Nhược điểm của
chế độ tiếp xúc là tương tác cơ học trực tiếp giữa mũi dò và mẫu. Điều này dẫn

đến việc mũi dò bị nứt và bề mặt bị phá hủy. Kỹ thuật tiếp xúc thực tế không
phù hợp cho mẫu mềm như là vật liệu hữu cơ và sinh học.
b. Chế độ không tiếp xúc (non-contact mode AFM)
Chế độ không tiếp xúc là kỹ thuật sử dụng cantilever dao động, tức là
catilever AFM được dao động ở gần bề mặt của mẫu. Khoảng cách giữa mũi dò
và bề mặt trong chế độ không tiếp xúc khoảng 10 đến 100 Ăngtrong. Khoảng
cách này được chỉ ra trên đường cong van der Wall ở hình dưới:
Hình 30: Sự phụ thuộc của lực tác dụng
vào khoảng cách mũi dò và mẫu.
Chế độ không tiếp xúc được ưa thích bởi vì nó cung cấp một phương pháp
để xác định cấu trúc bề mặt mà không có sự tiếp xúc giữa mũi dò và bề mặt.
Giống như ở chế độ tiếp xúc, chế độ không tiếp xúc có thể được sử dụng để xác
định cấu trúc bề mặt của vật liệu cách điện và bán dẫn cũng như là vật liệu dẫn
điện. Lực tổng cộng giữa mũi dò và mẫu trong vùng không tiếp xúc là rất thấp,
vào khoảng 10
-12
N. Lực yếu như vậy thuận lợi cho việc nghiên cứu mẫu mềm
hay dẻo. Một tiến bộ xa hơn nữa là những mẫu như là wafer silicon không bị
nhiễm bẩn do tiếp xúc với mũi dò.
Bởi vì lực giữa mũi dò và mẫu trong vùng không tiếp xúc thì thấp, việc xác
định lực tương tác khó hơn nhiều so với trong vùng tiếp xúc. Hơn nữa,
cantilever được sử dụng trong chế độ không tiếp xúc phải cứng hơn so với
trong chế độ tiếp xúc bởi vì cantilever mềm có thể bị kéo về phía bề mặt dẫn
đến sự tiếp xúc với bề mặt mẫu. Giá trị lực thấp trong vùng không tiếp xúc và
độ cứng lớn của cantilever được sử dụng trong chế độ tiếp xúc là hai yếu tố làm
cho tín hiệu thu được trong chế độ không tiếp xúc nhỏ, và vì vậy rất khó để xác
định tín hiệu đó.
Trong chế độ không tiếp xúc, cantilever được cho dao động gần với tần số
cộng hưởng riêng (từ 100 đến 400 kHz) với biên độ khoảng vài chục
Ăngstrong. Sau đó nó phát hiện sự thay đổi trong tần số cộng hưởng hoặc biên

độ khi mũi dò đến gần bề mặt mẫu. Độ nhạy của hệ detector cung cấp độ phân
theo chiều thẳng đứng ở khoảng ăngstrong, giống chế độ tiếp xúc.
Mối liên hệ giữa tần số cộng hưởng của cantilever và sự biến đổi trong địa
hình bề mặt có thể giải thích như sau. Tần số cộng hưởng của cantilever biến
thiên theo căn bậc hai của hằng số đàn hồi của nó. Hơn nữa, hằng số đàn hồi
của cantilever biến thiên theo gradient lực tác động lên cantilever. Cuối cùng
gradient lực bắt nguồn từ đường cong lực – khoảng cách được chỉ ra ở hình 1,
thay đổi khi mũi dò tiến tới mẫu. Vì vậy, sư thay đổi tần số cộng hưởng của
cantilever có thể được sử dụng để đo sự thay đổi trong gradient lực, nó phản
ánh sự thay đổi theo khoảng cách mũi dò - bề mặt hoặc địa hình mẫu.
Hằng số đàn hồi của cantilever liên hệ với khoảng cách dịch chuyển
Z∆

của điểm mút cantilever và lực F tác dụng lên điểm mút này bởi quan hệ:
F k z= ∆
Tần số cộng hưởng
ω
của cantilever liên hệ với khối lượng và hằng số đàn
hồi bởi công thức
m
k
=
ω
Trạng thái này giữ nguyên nếu lực tác dụng lên cantilever không thay đổi
theo vị trí z của cantilever. Nói chung, không tồn tại trường hợp này. Lực sẽ
thay đổi theo khoảng cách giữa mũi dò và mẫu. Như vậy ta có thể biểu diễn
như sau:
zkz
z
F

FF
∆=∆






∂
∂
+=
0
z
z
F
kF
∆






∂
∂
−=
0
Từ đó ta thấy rằng hằng số đàn hồi hiệu dụng thay đổi khi có gradient
trường lực. Khi ấy tần số cộng hưởng trở thành
m

z
F
k






∂
∂
−=
ω
Sự thay đổi tần số cộng hưởng tại mỗi vị trí trên bề mặt tạo ra dữ liệu để
tạo ra ảnh bề mặt.
Trong chế độ không tiếp xúc, hệ thống điều khiển tần số cộng hưởng hoặc
biên độ dao động của cantilever và giữ nó bằng hằng số bằng cách sử dụng hệ
thống hồi tiếp để di chuyển
bộ quét lên và xuống. Bằng
cách giữ tần số cộng hưởng
hoặc biên độ không đổi, hệ
thống cũng giữ cho khoảng
cách trung bình giữa mũi dò
và bề mặt không đổi. Cũng
như chế độ tiếp xúc, chuyển
động của bộ quét được sử
dụng để tạo ra tập hợp dữ
liệu.
Chế độ không tiếp xúc
không gây ra sự ảnh hưởng

lên chất lượng của mũi dò và
mẫu như ở chế độ tiếp xúc.
Như đã đề cập ở trên, chế độ
tiếp xúc được ưa thích hơn
chế độ tiếp xúc để phân tích
mẫu mềm. Trong trường hợp
mẫu rắn, hình ảnh ở chế độ
tiếp xúc và chế độ không tiếp
xúc là như nhau. Tuy nhiên, nếu có vài lớp nước ngưng tụ trên bề mặt của mẫu
rắn thì ảnh thu được sẽ hoàn toàn khác nhau. AFM hoạt động ở chế độ tiếp xúc
sẽ xuyên qua lớp nước để vẽ hình bề mặt dưới lớp nước, trong khi ở chế độ
không tiếp xúc AFM sẽ mô tả bề mặt lớp nước hấp phụ. Hình dưới:
d. Chế độ tapping
Chế độ tapping là một bước tiến quan trọng trong AFM. Kỹ thuật mãnh mẽ
này cho phép tạo ảnh địa hình bề mặt có độ phân giải cao mà bề mặt mẫu
không bị phá hủy, không bị ảnh hưởng của lớp chất lỏng trên bề mặt mẫu, và
khó tạo hình bởi những kỹ thuật AFM khác. Chế độ tapping loại bỏ được
những vấn đề liên quan đến lực ma sát, lực bám dính, lực điện từ và những khó
khăn khác ảnh hưởng đến các chế độ quét AFM thông thường bằng cách cho
mũi dò tiếp xúc liên tiếp với bề mặt
để tạo ảnh có độ phân giải cao và
sau đó nâng mũi dò khỏi bề mặt
mẫu để tránh kéo lê mũi dò từ bên
này sang bên kia bề mặt. Chế độ
tapping được thực hiện trong không
khí bởi dao động của cantilever tại
hoặc gần tần số cộng hưởng của nó
bằng cách sử dụng tinh thể áp điện.
Chuyển động áp điện làm cho
cantilver dao động với biên độ lớn (thông thường lớn hơn 20nm) khi mũi dò

không tiếp xúc với bề mặt. Dao động của mũi dò được giữ nguyên khi di
chuyển đến bề mặt cho đến khi bắt đầu chạm nhẹ vào bề mặt hoặc gõ nhẹ vào
bề mặt. Trong khi quét, mũi dò dao động theo phương thẳng đứng và luân
phiên tiếp xúc và nâng lên khỏi bề mặt, thông thường ở tần số khoảng 50.000
đên 500.000 chu kỳ trên giây. Dao động của cantilever bắt đầu tiếp xúc gián
đoạn với bề mặt, dao động của cantilever tất yếu bị giảm do năng lượng giảm,
nguyên nhân là do mũi dò tiếp xúc với bề mặt. Sự giảm biên độ dao động được
sủ dụng để nhận biết và đo những đặc trưng bề mặt.
Trong khi hoạt động ở chế độ tapping, biên độ dao động của cantilever
được duy trì không đổi bởi bộ hồi tiếp. Sự lựa chọn tần số dao động tốt nhất
được giúp đỡ bởi phần mềm lực tác dụng lên mẫu được tự động thiết lập và
duy trì tại mức thấp nhất có thể. Khi mũi dò đi ngang qua chỗ lồi trên bề mặt,
cantilever bị giảm khả năng dao động và biên độ dao động giảm. Ngược lại khi
mũi dò đi ngang qua chỗ lõm, cantilever tăng khả năng dao động và biên độ
tăng ( gần giá trị biên độ dao động tự do lớn nhất trong không khí). Biên độ dao
động của mũi dò được đo bởi máy dò và truyền vào bộ điều khiển điện tử. Sau
Hình 35: Sự thay đổi biên độ trong
chế độ tapping
đó bộ hồi tiếp vòng số điều chỉnh lại khoảng cách giữa mũi dò và mẫu để duy
trì biên độ dao động và lực tác dụng lên bề mặt không đổi.
Khi mũi dò tiếp xúc với bề mặt, tần số dao động cao (50k – 500 kHz) làm
cho bề mặt không bị tác động, và lực bám dính giữa mũi dò và mẫu giảm
mạnh. Chế độ tapping ngăn ngừa mũi dò dính vào bề mặt mẫu và gây ra sự phá
hủy mẫu trong quá trình quét. Không giống chế độ tiếp xúc và chế độ không
tiếp xúc, khi mũi dò tiếp xúc bề mặt, nó có đủ biên độ dao động để vượt qua
lực kết dính giữa mũi dò và mẫu. Vì vậy, bề mặt vật liệu không bị kéo về một
bên bởi lực ngang vì lực tác dụng luôn luôn thẳng đứng. Một tiến bộ khác của
kỹ thuật tapping là nó có phạm vi hoạt động tuyến tính rất rộng. Điều này làm
hệ thống hồi tiếp thẳng đứng có độ ổn định cao.
Hoạt động ở chế độ tapping trong chất lỏng cũng thuận lợi như trong

không khí hay chân không. Tuy nhiên dựng hình ảnh trong môi trường lỏng có
xu hướng cản lại tần số dao động cộng hưởng của cantilever. Trong trường hợp
này, toàn bộ khối chất lỏng có thể dao động để điều khiển cantilever dao động.
Sự khác biệt giữa chế độ tapping và chế độ không tiếp xúc hoạt động trong
không khí hoặc chân không là cantilever được dao động. Khi tần số thích hợp
được chọn, biên độ của cantilever sẽ giảm khi mũi dò bắt đầu gõ nhẹ vào mẫu,
tương tự như hoạt động trong không khí. Sự khác biệt ở đây là cantilever rất
mềm được sử dụng để đạt kết quả tốt nhất trong chất lỏng. Hằng số đàn hồi vào
khoảng 0.1 N/m, trong khi chế độ tapping trong không khí hằng số đàn hồi nằm
trong phạm vi từ 1 – 100N/m.
• Nhận xét
Trong chế độ tiếp xúc AFM, lực tĩnh điện và sức căng bề mặt của lớp khí
hấp phụ kéo mũi dò quét về phía bề mặt. Nó có thể phá hủy mẫu và sai dữ liệu
hình ảnh. Vì vậy, dựng hình bằng chế độ tiếp xúc bị ảnh hưởng mạnh bởi lực
ma sát và lực bám dính.
Tạo hình bằng chế độ không tiếp xúc cung cấp ảnh có độ phân giải thấp và
cũng bị cản trở bởi lớp nhiễm bẩn.
Chế độ tapping tỏ ra là một phương pháp thu được hình ảnh có độ phân
giải cao mà không bị ảnh hưởng bởi lực ma sát trong cả môi trường khí và
lỏng. Với kỹ thuật tapping, mẫu mềm và dễ vỡ có thể được dựng hình thành
công. Hơn nữa sự kết hợp chặt chẽ với việc tạo ảnh pha, chế độ tapping có thể
được sử dụng để phân tích thành phần màng.
Tài liệu tham khảo
1. V.L.Mironov, Fundamentals of scanning probe microscopy, Nizhniy
Novgorod, 2004.
2. U.Hartmann, An Elementary Introduction to Atomic Force
Microscopy and Related Methods.
3. G. Binnig, H. Rohrer, In touch with atoms, Rev. Mod. Phys., Vol.
71, No. 2, Centenary, 1999.
4. SPM lecture, website

5. Hong-Qiang Li, General Ideas About AFM, website
/>