Giới thiệu kính hiển vi lực nguyên tử(AFM)

Introduction to Nanotechnology
Atomic Force Microscopy
1.1
Giới thiệu kính hiển vi lực nguyên tử(AFM)
Introduction to Nanotechnology
Atomic Force Microscopy
1.2
Tương tác điện từ mạnh hơn gấp 40 lần tương tác hấp dẫn
Tương tác hấp dẫn van der Waals được gây ra bởi biến thiên trong chuyển động dipole điện của
nguyên tử và phân cực lẫn nhau. Chúng tồn tại giữa các loại phân tử và nguyên tử và hiệu quả ở
khoảng cách vài Å đến vài trăm Å. Lực giữa các nguyên tử ≈ r
-7
, giữa hai mặt ≈ r
-3
, giữa một hình cầu
và một mặt phẳng ≈ r
-2
Lực đẩy ở khoảng cách rất ngắn (≈ Å). F ≈ r
-n
, ở đó n > 8.
Lực mao dẫn: một lớp nước ngưng tụ trên bề mặt mẫu ở độ ẩm bình thường, tip sẽ bị hút về phía mẫu
bởi mặt lồi của giọt nước và bị dính trên mẫu. Đó là vấn đề quan trọng của ảnh AFM
Lực từ
Lực tĩnh điện
Lực hoá học: liên kết ion, cộng hoá trị, kim loại (bị hút ở khoảng cách ngắn cỡ vài Å)
Số nguyên tử của tip bị ảnh hưởng bởi phép đo, phụ thuộc bản chất của tương tác
Mội trường phải được chú ý(khí, lỏng, rắn). Hằng số điện môi và lực vander walls bị ảnh hưởng bởi
môi trường
Quét là quá trình động học chẳng hạn như lực ma sát
Mẫu không phải tinh thể rắn, biến dạng tĩnh điện hay phục hồi nguyên tử?
Liên kết giữa tip và mẫu có thể dẫn đến sự sắp xếp lại tip và nguyên tử mẫu

Introduction to Nanotechnology
Atomic Force Microscopy
1.3
Introduction to Nanotechnology
Atomic Force Microscopy
1.4
Introduction to Nanotechnology
Atomic Force Microscopy
1.5
Introduction to Nanotechnology
Atomic Force Microscopy
1.6
Introduction to Nanotechnology
Atomic Force Microscopy
Energy between charge pairs
•
Tương tác ion-ion E=(Z
1
e)(Z
2
e)/4πε
o
x
•
ion- dipole vĩnh cửu:
E=(Ze)µcosθ/4πε
o
x
2
•

Dipole vĩnh cửu-dipole vĩnh cửu:
E=(constant)µ
1
µ
2
/4πε
o
x
3
•
Tương tácVan der waals:
•
Tương tác dipole vĩnh cửu-dipole cảm ứng
E=(α
1
µ
2
1
+α
2
µ
2
2
)/4πε
o
x
6
Introduction to Nanotechnology
Atomic Force Microscopy
Tương tác

•
Tương tác mạnh, khoảng cách ngắn: ở khoảng cách rất gần, lực đẩy mạnh
phất triển với “x
12
” năng lượng E=ζ x
-12
•
Thế tương tác toàn phần, E=ζ x
-12
– βx
-6
•
Hấp dẫn giữa các hạt dạng hình cầu được giả sử là tổng của những
nguyên tử, phân tử riêng.
•
dE = -0.5 ρ
2
β/x
6
dV
1
dV
2
(ρ: số nguyên tử trong một đơn vị thể tích)
•
Hai quả cầu xác định, (R>> x) E=-AR/12x
•
Bán kính khác nhau, R
1
and R

2
 E=-AR
1
R
2
/6x(R
1
+ R
2
)
•
Hai bề mặt, E=-A/(12 πx
2
)
•
Trong tất cả các trường hợp, A= ρ
2
π
2
β được gọi là “hằng số Hamker”
Introduction to Nanotechnology
Atomic Force Microscopy
Kính hiển vi lực tĩnh điện
•
Hai cơ chế dịch chuyển, cái đầu tiên
là cho thấy địa hình
•
Cái thứ hai cho thấy, lực biến thiên
giữ không đối tương ứng với độ cao
nhận được trước đó,

•
Dò lực tĩng điện theo vị trí
Introduction to Nanotechnology
Atomic Force Microscopy
Sample
Cantilever
AFM
Tip
Không có dòng
giữa tip AFM và
mẫu, vì thế mẫu
không cần dẫn.
Nguyên tử của tip hấp dẫn nguyên tử mẫu bởi
lực tương tác van der Waals.
Introduction to Nanotechnology
Atomic Force Microscopy
Khi tip AFM được hút bởi bề mặt (gây cho cantilever bẻ cong), chùm laser lệch khỏi
đầu cantilever—cho phép chuyển động của tip được đánh dấu.
Laser
Introduction to Nanotechnology
Atomic Force MicroscopyKhi tip AFM được hút bởi bề mặt (gây cho cantilever bẻ cong),
chùm laser lệch khỏi đầu cantilever—cho phép chuyển động của tip
được đánh dấu.
Laser
~1 µm (1000 nm)
Cantilever dễ thấy đối với mắt nhưng tip
AFM quá nhỏ để thấy mà không khuếch
đại.
Introduction to Nanotechnology
Atomic Force Microscopy

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.
Introduction to Nanotechnology
Atomic Force Microscopy
Khi tip AFM quét bề mặt chuyển
động lên xuống vẽ số đường quét
của mẫu.
Lực trên tip AFM tip là đều (giống lò xo): tip được dịch chuyển hướng
đến bề mặt khoảng cách (Z) tỉ lệ với lực van der Waals.
Z
F
Restore
= lực phục hồi của
cantilever trên tip
F
Sample
= lực của mẫu kéo típ
(van der Waals)
F
Restore
= - kZ
k ~ 1 N/m ⇒ AFM có thể
đo lực cỡ pN (10
-12

Newton) và ngay cả fN
(10

-15
N)!
Introduction to Nanotechnology
Atomic Force Microscopy
To a
Photodetector
Vị trí ở đó chùm laser phản xạ đập vào màn hình đầu thu ichỉ ra rằng
cantilever bẻ cong bao và do đó tương tác giữa tip AFM và bề mặt
mạnh bao nhiêu.
Introduction to Nanotechnology
Atomic Force Microscopy
1. Dạng tiếp xúc— tip được kéo dọc theo bề mặt mẫu; độ lệch
cantilever được đo và và chuyển thành dạng bề mặt. Chú ý: dạng
này có thể làm hư hại bề mặt.
2. Dạng không tiếp xúc—cantilever dao động trên bề mặt mẫu và bị
ảnh hưởng bởi lực bề mặt và tip (van der Waals).
3. Dạng Tapping — tip AFM tiếp xúc gián đoạn trên bề mặt mẫu
trong suốt những điểm tiếp xúc gần nhất của chu trình dao động.
Contact Intermittent/Tapping
AFM có thể hoạt động theo ba cách khác nhau:
Introduction to Nanotechnology
Atomic Force Microscopy
Dạng tiếp xúc nhận thông tin về bề mặt từ tiếp xúc trực tiếp, nhưng
dạng tiếp xúc gián đoạn hay rời rạc hoạt động như thế nào?
IBM photo of an AFM
cantilever & tip
Giống trọng lực tác dụng lên chúng ta, bề
mặt không cần tiếp xúc với tip AFM để tác
dụng lực trên nó. Lực van der Waals gây
ra tần số dao động của cantilever/tip thay

đổi.
Trong dạng tapping, cantilever được truyền
động để dao động bằng cách bằng bộ kiểm
soát áp, điện—và vắng mặt bất kỳ lực bề
mặt nào mà cantilever có thể dao động ở
tần số (ω
o
) phụ thuộc vào hình dạng và độ
cứng của cantilever.
( )
2
2
22
2






+−
=
Q
k
F
z
o
o
o
ωω

ωω
ω
ω
ω
F
ω
= lực truyềng động
k = độ cứng cantilever
Tần số dao động
thật (ω) được nối
với độ lệch của tip
(z) do lực bề mặt
gây ra.
Introduction to Nanotechnology
Atomic Force Microscopy
1.18
Basic Principles of Scanning Probe Microscopy
Basic Principles of Scanning Probe Microscopy
•
STM AFM
Introduction to Nanotechnology
Atomic Force Microscopy
1.19
Atomic Force Microscopy
Scanning Probe Microscopy
Local Probes
Introduction to Nanotechnology
Atomic Force Microscopy
1.20
Introduction to Nanotechnology

Atomic Force Microscopy
1.21
•
Cần ‘mềm cantilever’ – comparable to độ
cứng của phân tử
•
This is k= N/m
•
Cần tần số dao động cộng ít hơn)
•
ω=√(k/m) – làm cantilevers nhỏ
A1 A2
B1 B2
Dấu hiệu độ võng (A-B) = ( A1+ A2) – (B1+ B2)
Dấu hiệu lực ma sát(1-2) = ( A1+ B1) – (A2+ B2)
AFM Basics-Cantilever and photo detector
Introduction to Nanotechnology
Atomic Force Microscopy
1.22
Quad photodetector arrangement. Different segments of the
photodetector are used for generating AFM and LFM
signals.
Introduction to Nanotechnology
Atomic Force Microscopy
1.23
Introduction to Nanotechnology
Atomic Force Microscopy
1.24
Tip Scanning AFM
Introduction to Nanotechnology

Atomic Force Microscopy
1.25
Closed-loop XY Scanning stage
Heating /Cooling
Fluid imaging
Untraditional sample size
Tip Scanning AFM