Chương 4 các phương pháp phân tích vật liệu nano

CHƯƠNG 3:PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH
Kính hi n vi quang h c:ể ọ

Kính hi n vi quang h c đ u tiên là m t t h p các th u kính, ch t o ể ọ ầ ộ ổ ợ ấ ế ạ
cu i th k XVI (1590) b i Giambattista della Porta Ý và Hà Lan ố ế ỷ ở ở ở
(1595) b i Hans Jensen. Ngư i phát tri n và s d ng nó th t s như ở ờ ể ử ụ ậ ự
m t công c khoa h c là Galilei Galileo vào năm 1610. Johannes ộ ụ ọ
Kepler sau đó phát tri n k thu t này hơn. Năm 1637, Rene ể ỹ ậ
Descartes đưa ra lý thuy t s d ng các kính hyperbol đ kh c u sai ế ử ụ ể ử ầ
nhưng không ch t o đư c v i k thu t lúc đó. Năm 1671, Isaac ế ạ ợ ớ ỹ ậ
Newton gi i thích lý do có hi n tư ng s c sai. K thu t s d ng các ả ệ ợ ắ ỹ ậ ử ụ
kính l i và lõm đ gi m s c sai đư c phát minh b i Chester Moor ồ ể ả ắ ợ ở
Hall vào năm 1733 và John Dollond thương m i hóa 25 năm sau đó.ạ

Giới hạn nhiễu xạ cho độ phân giải tối đa được xác định
bởi bước sóng ánh sáng xung quanh 100nm ở vùng UV

Kính hiển vi điện tử đầu tiên được chế tạo vào
năm 1931. Khi các electron được gia tốc, hội tụ,
và được dò, chúng có “bước sóng” ngắn hơn so
với ánh sáng nên cho độ phân giải cao hơn kính
hiển vi quang học.

Kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) lần đầu tiên được chế
tạo thành công năm 1986 bởi Gerd Binnig, Calvin Quate
và Christoph Geber, kết quả của sự hợp tác giữa IBM
và Đại học Stanford. Vào mùa thu năm 1985, Binnig và
Geber đã sử dụng một cantilever để khảo sát những bề
mặt cách điện. Một mũi dò nhỏ được gắn ở phần cuối
của cần quét, nó tỳ lên bề mặt mẫu trong quá trình quét.

Lực giữa đầu dò và mẫu được đo theo độ lệch của cần
quét. Điều này được thực hiện bởi việc quan sát dòng
tunnel (dòng hiệu ứng đường ngầm) ở đỉnh của một đầu
dò thứ hai đặt phía trên cần quét.

Dùng để đo độ gồ ghề của màng mỏng (đánh giá chất
lượng màng)

Đầu dò của kính AFM có khả năng đo được chiều cao
nên đo đồ gồ ghề trên bề mặt vật liệu rất tốt.

Khảo sát màng đa lớp lắng đọng trên chất rắn

Ứng dụng trong công nghệ ăn mòn nano và quang
khắc: đầu dò cứng của AFM có thể dùng để khắc trên
bề mặt các vật liệu mềm hơn, hoặc sử dụng nhiệt để
khắc

Ghi các đĩa quang cực nhỏ : đầu dò AFM lúc này đóng
vai trò như một đầu ghi, khắc những chỗ lõm thích
hợp lên đĩa có kích thước thang nano.

Kh o sát và phân tích c u trúc c a m t s v t li u như : ả ấ ủ ộ ố ậ ệ
màng kim lo i, màng ceramic, polymer, ch t bán d n,…ạ ấ ẫ

Xác đ nh đ c tính hóa h c c a nguyên tị ặ ọ ủ ử



Ứng dụng trong sinh học (cảm biến sinh học)
Các nhà nghiên cứu Nhật Bản vừa sáng chế ra một loại
kim tí hon, có khả năng phẫu thuật ngay trên tế bào sống
mà không làm tổn hại tế bào. Thiết bị này sẽ giúp đỡ các
nhà sinh học rất nhiều trong công cuộc tìm kiếm liệu pháp
gen và phát triển những loại thuốc mới.
Gần đây, các nhà nghiên cứu Nhật Bản đã biến kính hiển
vi lực nguyên tử (AFM) thành một công cụ phẫu thuật tế
bào có khả năng bổ sung hoặc lấy đi các mô tại những
địa điểm chính xác bên trong mà không hề làm tổn hại
đến tế bào.
Ưu đi m c a AFM:ể ủ

Độ phân giải cao: cỡ nanomet và nhỏ hơn ( theo trục z).

Xem được hình 3D.

Không làm hỏng mẫu.

Xác định đặc tính vật liệu: thành phần nguyên tố, tính chất cơ học.

Không cần quá trình xử lí mẫu phức tạp trước khi đo.

Có thể quan sát mẫu trong môi trường không khí bình thường và cả
môi trường chất lỏng.
Nhược điểm:

Tốc độ quét bề mặt mẫu chậm nên mất hàng phút mới cho được
ảnh.


Mẫu bị giới hạn kích thước: cỡ 150μm×150μm vì nếu mẫu lớn hơn
sẽ nặng và bộ gốm áp điện không tải nổi.
800nm
Hình AFM màng phủ SiO
2
/TiO
2
trên tấm lam kính
13
T%
λ,nm
(a)
(b)
800nm
200nm
200nm
(c)
Hình màng phủ
Al
2
O
3
/TiO
2
trên
tấm lam kính

SEM (Scanning Electron Microscopy) là loại kính
hiển vi điện tử cho phép chụp hình của bề mặt mẫu

bằng cách quét qua mẫu với chùm tia điện tử
nănglượng cao theo mô hình từng đường quét. Các
điện tử tương tác với các nguyên tử cấu thành mẫu
làm phát sinh ra những tín hiệu chứa đựng thông tin
về cấu trúc bề mặt mẫu, thành phần cấu tạo của
mẫu, cấu trúc tinh thể và những đặc tính khác
như tính dẫn điện, mật độ…
CHUẨN BỊ MẪU:

Mẫu phải có tính dẫn điện và được cắt với kích thước thích hợp
với buồng chứa mẫu và giá đỡ mẫu. Tính dẫn điện của mẫu nhằm
đảm bảo cho các electron khi tiếp xúc với mẫu sẽ được nối đất.


Các loại mẫu rắn không dẫn điện phải được phủ một lớp rất mỏng
vật liệu dẫn điện cực tốt như vàng, hợp kim vàng và palladium,
platin hay tungsten được lắng đọng trên bề mặt mẫu bằng phương
pháp phủ phún xạ chân không hay bốc bay chân không cao. Điều
này nhằm tránh sự tích điện trên bề mặt mẫu trong quá trình phát
xạ electron, không những thế mà những vùng bề mặt mẫu có độ
dẫn điện càng cao thì cho độ tương phản và độ phân giải càng
cao. Điều này đặc biệt phổ biến trong các máy SEM phát xạ
trường với mẫu có số hiệu nguyên tử thấp.

Với máy FE-SEM, mẫu ko phải có tính dẫn điện vì sử dung
súng phát xạ trường

Ưu điểm:

*Giá thành thấp
*Phân tích không phá hủy mẫu
*Có thể hoạt động ở chân không thấp
*Thao tác đơn giản

Nhược điểm:
*Không có độ phân giải cao như kính hiển vi điện tử truyền
qua (TEM)
*Yêu cầu mẫu phải có tính dẫn điện làm cho thao tác xử lý
mẫu khá phức tạp.
Ảnh FE-SEM của mẫu
polyurethane tẩm bạc nano
Phổ FE-SEM/EDS của mẫu polyurethane
tẩm bạc nano (C%:92,32; O%:1,39; Ag% 6,29)