quan sát thao tac nano

------------

BÀI TIỂU LUẬN
MÔN: CÔNG NGHỆ NANO VÀ ỨNG DỤNG
ĐỀ TÀI: QUAN SÁT CÁC THAO TÁC NANO

1


MỤC LỤC
2.1. Súng phóng điện tử....................................................................................................................................7
2.2. Các hệ thấu kính và lăng kính.....................................................................................................................9
2.3. Các khẩu độ..............................................................................................................................................10
4. Xử lý mẫu cho phép đo TEM.......................................................................................................................14

2


MỞ ĐẦU
Ngày nay, có thể ta tình cờ nghe một vài vấn đề nào đó hoặc một sản phẩm
nào đó có liên quan đến hai chữ “nano”. Ở khoảng nửa thế kỷ trước, đây thực sự là
một vấn đề mang nhiều sự hoài nghi về tính khả thi, nhưng trong thời đại ngày nay
ta có thể thấy được công nghệ nano trở thành một vấn đề hết sức thời sự và được sự
quan tâm nhiều hơn của các nhà khoa học. Các nước trên thế giới hiện nay đang
bước vào một cuộc chạy đua mới về phát triển và ứng dụng công nghệ nano. Điều
đó được thể hiện bằng số các công trình khoa học, số các bằng phát minh sáng chế,
số các công ty có liên quan đến khoa học, công nghệ nano gia tăng theo cấp số mũ.
Con số ước tính về số tiền đầu tư vào lĩnh vực này lên đến 8,6 tỷ đô la vào năm
2004. Cộng nghệ nano đã được biết đến ở Việt Nam trong những năm gần đây và
chúng ta đã có những nghiên cứu thành công đầu tiên trong lĩnh vực mới mẻ này,
đặc biệt là những thành công bước đầu trong việc chế tạo vật liệu nano. Nghiên cứu

khoa học công nghệ vật liệu nano ở Việt Nam được tiến sĩ Nguyễn Văn Hiệu phát
động đầu tiên tại hội nghị vật lý chất rắn toàn quốc lần thứ hai năm 1997 và ngay
sau đó được hưởng ứng triển khai tại viện Khoa học vật liệu.
Với tầm quan trọng như trên của công nghệ nano, trong bài tiểu luận này nhóm
chúng em xin trình bày về một lĩnh vực nhỏ của công nghệ nano là quan sát các thao
tác nano dưới sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy giáo Thạc sĩ Phạm Minh Tân.
Do sự hiểu biết của chúng em còn hạn hẹp nên không thể tránh khỏi những
thiếu sót trong bài tiểu luận, nhóm rất mong sự góp ý của thầy và tất cả các bạn để
bài tiểu luận hoàn chỉnh hơn.

3


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NANO
1. Hạt nano là gì?
Hạt nano là những hạt có cỡ từ vài đến vài trăm nanomet, bao gồm hàng trăm
đến hàng nghìn nguyên tử giống nhau. Do kích thước nhỏ nên các tính chất lý hóa
của chúng bị phụ thuộc nhiều vào trạng thái bề mặt hơn là thể tích khối. Trạng thái
của các hạt tải tự do trong hạt nano bị lượng tử hóa. Đối với các hạt nano tinh thể
dạng cầu, các điện tử và lỗ trống bị cầm giữ cả ba chiều thì chuyển động của các hạt
tải bị quyết định bởi cơ học lượng tử, vì vậy các mức năng lượng của các hạt nano
phụ thuộc vào kích thước hạt của chúng. Bằng cách khống chế kích thước hạt trong
quá trình tổng hợp người ta có thể thu được các hạt với tính chất mong muốn.
Chất lượng của hạt nano được quyết định bởi 3 tính chất quan trọng sau:
Các hạt nano tinh thể phải có cấu trúc tinh thể, vì vậy chúng thường làm từ
một loại vật liệu.
Phân bố hình dạng càng đồng đều càng tốt.
Hình thái hạt phải có dạng đồng nhất, giống nhau cho từng kim loại.
Các hạt nano tinh thể được phân tán trong dung môi, vì vậy phải áp dụng các
biện pháp để tránh hiện tượng kết đám. Các hạt nano tinh thể thường có dạng cầu,

ngoài ra các dạng khác như thanh, trụ, lăng trụ, và tứ giác…
2. Vật liệu nano
Vật liệu nano là vật liệu trong đó ít nhất một chiều có kích thước nano mét. Về
trạng thái của vật liệu, người ta phân chia thành ba trạng thái, rắn, lỏng và khí. Vật
liệu nano được tập trung nghiên cứu hiện nay, chủ yếu là vật liệu rắn, sau đó mới đến
chất lỏng và khí. Về hình dáng vật liệu, người ta phân ra thành các loại sau:
Vật liệu nano không chiều (cả ba chiều đều có kích thước nano, không còn
chiều tự do nào cho điện tử), ví dụ, đám nano, hạt nano...
Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước nano,
điện tử được tự do trên một chiều (hai chiều cầm tù), ví dụ, dây nano, ống nano,...

4


Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano, hai
chiều tự do, ví dụ, màng mỏng,...
Ngoài ra còn có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite trong đó chỉ có
một phần của vật liệu có kích thước nm, hoặc cấu trúc của nó có nano không chiều,
một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau.
3. Công nghệ nano
Công nghệ nanô hay nanotechnology là ngành công nghệ liên quan đến việc
thiết kế, phân tích, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc
điều khiển hình dáng, kích thước trên quy mônanômét (nm, 1 nm = 10-9 m). Công
nghệ nano bao gồm các vấn đề chính sau đây:
Cơ sở khoa học nano
Phương pháp quan sát và can thiệp ở qui mô nm
Chế tạo vật liệu nano
Ứng dụng vật liệu nano
Trong giới hạn của bài tiểu luận này nhóm chúng tôi tìm hiểu về các phương
pháp quan sát và can thiệp ở quy mô nm.

5


CHƯƠNG II: QUAN SÁT CÁC THAO TÁC NANO
I. Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM – Transmission Electron Microscope)
1. Khái niệm
Kính hiển vi điện tử truyền qua (tiếng Anh: transmission electron
microscopy, viết tắt: TEM) là một thiết bị nghiên cứu vi cấu trúc vật rắn, sử dụng
chùm điện tử có năng lượng cao chiếu xuyên qua mẫu vật rắn mỏng và sử dụng
các thấu kính từ để tạo ảnh với độ phóng đại lớn (có thể tới hàng triệu lần), ảnh có
thể tạo ra trên màn huỳnh quang, hay trên film quang học, hay ghi nhận bằng các
máy chụp kỹ thuật số.

Hình 1.1Kính hiển vi điện tử truyền qua TECNAI T20 ở Khoa Vật lý và
Thiên văn, Đại học Glasgow
Ta biết rằng kính hiển vi quang học sử dụng ánh sáng khả kiến để quan sát các
vật nhỏ, do đó độ phân giải của kính hiển vi quang học bị giới hạn bởi bước
sóng ánh sáng khả kiến, và không thể cho phép nhìn thấy các vật có kích thước nhỏ
hơn.
Một điện tử chuyển động với vận tốc v, sẽ có xung lượng
tương ứng với một sóng có bước sóng cho bởi hệ thức de Broglie:

6

, và nó


Ta thấy rằng bước sóng của điện tử nhỏ hơn rất nhiều so với bước sóng ánh
sáng khả kiến nên việc sử dụng sóng điện tử thay cho sóng ánh sáng sẽ tạo ra thiết

bị có độ phân giải tốt hơn nhiều kính hiển vi quang học.
Năm 1931, lần đầu tiên Ernst August Friedrich Ruska cùng với một kỹ sư
điện là Max Knoll lần đầu tiên dựng nên mô hình kính hiển vi điện tử truyền qua sơ
khai, sử dụng các thấu kính từ để tạo ảnh của các sóng điện tử. Thiết bị thực sự đầu
tiên được xây dựng vào năm 1938 bởi Albert Presbus và James Hillier (1915-2007)
ở Đại học Toronto (Canada) là một thiết bị hoàn chỉnh thực sự. Nguyên tắc tạo ảnh
của TEM gần giống với kính hiển vi quang học, điểm khác quan trọng là sử dụng
sóng điện tử thay cho sóng ánh sáng và thấu kính từ thay cho thấu kính thủy tinh.
2. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của kính hiển vi điện tử truyền qua.
Đối tượng sử dụng của TEM là chùm điện tử có năng lượng cao, vì thế các
cấu kiện chính của TEM được đặt trong cột chân không siêu cao được tạo ra nhờ
các hệ bơm chân không (bơm turbo, bơm iôn..).
2.1. Súng phóng điện tử

Hình 1.2Cấu tạo của súng phóng điện tử.
Trong TEM, điện tử được sử dụng thay cho ánh sáng (trong kính hiển vi
quang học). Điện tử được phát ra từ súng phóng điện tử. Có hai cách để tạo ra
chùm điện tử:
7


Sử dụng nguồn phát xạ nhiệt điện tử: Điện tử được phát ra từ một catốt được
đốt nóng (năng lượng nhiệt do đốt nóng sẽ cung cấp cho điện tử động năng để thoát
ra khỏi liên kết với kim loại. Do bị đốt nóng nên súng phát xạ nhiệt thường có tuổi
thọ không cao và độ đơn sắc của chùm điện tử thường kém. Nhưng ưu điểm của nó
là rất rẻ tiền và không đòi hỏi chân không siêu cao. Các chất phổ biến dùng làm
catốt là W, Pt, LaB6...
Sử dụng súng phát xạ trường (Field Emission Gun, các TEM sử dụng nguyên
lý này thường được viết là FEG TEM): Điện tử phát ra từ catốt nhờ một điện
thế lớn đặt vào vì thế nguồn phát điện tử có tuổi thọ rất cao, cường độ chùm điện tử

lớn và độ đơn sắc rất cao, nhưng có nhược điểm là rất đắt tiền và đòi hỏi môi
trường chân không siêu cao.
Sau khi thoát ra khỏi catốt, điện tử di truyển đến anốt rỗng và được tăng tốc
dưới thế tăng tốc V (một thông số quan trọng của TEM). Lúc đó, điện tử sẽ thu
được một động năng:

Và xung lượng p sẽ được cho bởi công thức:

Như vậy, bước sóng của điện tử quan hệ với thế tăng tốc V theo công thức:

Với thế tăng tốc V = 100 kV, ta có bước sóng điện tử là 0,00386 nm. Nhưng
với thế tăng tốc cỡ 200 kV trở nên, vận tốc của điện tử trở nên đáng kể so với vận
tốc ánh sáng, và khối lượng của điện tử thay đổi đáng kể, do đó phải tính theo công
thức tổng quát (có hiệu ứng tương đối tính):

8


2.2. Các hệ thấu kính và lăng kính
Vì trong TEM sử dụng chùm tia điện tử thay cho ánh sáng khả kiến nên việc
điều khiển sự tạo ảnh không còn là thấu kính thủy tinh nữa mà thay vào đó là
các thấu kính từ. Thấu kính từ thực chất là một nam châm điện có cấu trúc là một
cuộn dây cuốn trên lõi làm bằng vật liệu từ mềm. Từ trường sinh ra ở khe từ sẽ
được tính toán để có sự phân bố sao cho chùm tia điện tử truyền qua sẽ có độ lệch
thích hợp với từng loại thấu kính. Tiêu cự của thấu kính được điều chỉnh thông
qua từ trường ở khe từ, có nghĩa là điều khiển cường độ dòng điện chạy qua cuộn
dây. Vì có dòng điện chạy qua, cuộn dây sẽ bị nóng lên do đó cần được làm lạnh
bằng nước hoặc nitơ lỏng.

Hình1.3 Nguyên lý hoạt động của một thấu kính từ trong TEM

Trong TEM, có nhiều thấu kính có vai trò khác nhau:
- Hệ kính hội tụ và tạo chùm tia song song Đây là hệ thấu kính có tác dụng
tập trung chùm điện tử vừa phát ra khỏi súng phóng và điều khiển kích thước cũng
như độ hội tụ của chùm tia. Hệ hội tụ C1 có vai trò điều khiển chùm tia vừa phát ra
khỏi hệ phát điện tử được tập trung vào quỹ đạo của trục quang học. Khi truyền đến
hệ C2, chùm tia sẽ được điều khiển sao cho tạo thành chùm song song (cho các
CTEM) hoặc thành chùm hội tụ hẹp (cho các STEM, hoặc nhiễu xạ điện tử chùm
tia hội tụ) nhờ việc điều khiển dòng qua thấu kính hoặc điều khiển độ lớn của khẩu
độ hội tụ C2.
9


- Vật kính:Là thấu kính ghi nhận chùm điện tử đầu tiên từ mẫu vật và luôn
được điều khiển sao cho vật sẽ ở vị trí có khả năng lấy nét khi độ phóng đại của hệ
được thay đổi. Vật kính có vai trò tạo ảnh, việc điều chỉnh lấy nét được thực hiện
bằng cách thay đổi dòng điện chạy qua cuộn dây, qua đó làm thay đổi tiêu cực của
thấu kính.
- Thấu kính nhiễu xạ: Có vai trò hội tụ chùm tia nhiễu xạ từ các góc khác
nhau và tạo ra ảnh nhiễu xạ điện tử trên mặt phẳng tiêu của thấu kính.
- Thấu kính Lorentz : Được sử dụng trong kính hiển vi Lorentz để ghi ảnh
cấu trúc từ của vật rắn. Thấu kính Lorentz khác vật kính thông thường ở việc nó có
tiêu cự lớn hơn và vị trí lấy nét là vị trí mà các chùm tia điện tử truyền qua hội tụ
tại mặt phẳng tiêu sau, trùng với mặt phẳng khẩu độ vật kính. Thấu kính Lorentz
thường bị đặt xa để đủ khả năng ghi góc lệch do từ tính (vốn rất nhỏ).
- Thấu kính phóng đại: Là hệ thấu kính sau vật kính, và độ phóng đại của hệ
được thay đổi bằng cách thay đổi tiệu cự của thấu kính.
Ngoài ra, trong TEM còn có các hệ lăng kính có tác dụng bẻ đường đi của
điện tử để lật ảnh hoặc điều khiển việc ghi nhận điện tử trong các phép phân tích
khác nhau.
2.3. Các khẩu độ

Là hệ thống các màn chắn có lỗ với độ rộng có thể thay đổi nhằm thay đổi
các tính chất của chùm điện tử như khả năng hội tụ, độ rộng, lựa chọn các vùng
nhiễu xạ của điện tử...
Khẩu độ hội tụ :Là hệ khẩu độ được dùng cùng với hệ thấu kính hội tụ, có
tác dụng điều khiển sự hội tụ của chùm tia điện tử, thay đổi kích thước chùm tia và
góc hội tụ của chùm tia, thường mang ký hiệu C1 và C2.
Khẩu độ vật : Được đặt phía bên dưới vật có tác dụng hứng chùm tia điện tử
vừa xuyên qua mẫu vật nhằm: thay đổi độ tương phản của ảnh, hoặc lựa chọn chùm
tia ở các góc lệch khác nhau (khi điện tử bị tán xạ khi truyền qua vật).
Khẩu độ lựa chọn vùng: Được dùng để lựa chọn diện tích vùng mẫu vật sẽ ghi
ảnh nhiễu xạ điện tử, được dùng khi sử dụng kỹ thuật nhiễu xạ điện tử lựa chọn vùng.
10


3. Sự tạo ảnh trong TEM
Xét trên nguyên lý, ảnh của TEM vẫn được tạo theo các cơ chế quang học,
nhưng tính chất ảnh tùy thuộc vào từng chế độ ghi ảnh. Điểm khác cơ bản của ảnh
TEM so với ảnh quang học là độ tương phản khác so với ảnh trong kính hiển vi
quang học và các loại kính hiển vi khác. Nếu như ảnh trong kính hiển vi quang
học có độ tương phản chủ yếu đem lại do hiệu ứng hấp thụ ánh sáng thì độ tương
phản của ảnh TEM lại chủ yếu xuất phát từ khả năng tán xạ điện tử. Các chế độ
tương phản trong TEM:
Tương phản biên độ: Đem lại do hiệu ứng hấp thụ điện tử (do độ dày, do
thành phần hóa học) của mẫu vật.
Tương phản pha: Có nguồn gốc từ việc các điện tử bị tán xạ dưới các góc
khác nhau.
Tương phản nhiễu xạ: Liên quan đến việc các điện tử bị tán xạ theo các
hướng khác nhau do tính chất của vật rắn tinh thể.
Bộ phận ghi nhận và quan sát ảnh
Khác với kính hiển vi quang học, TEM sử dụng chùm điện tử thay cho

nguồn sáng khả kiến nên cách quan sát ghi nhận cũng khác. Để quan sát ảnh, các
dụng cụ ghi nhận phải là các thiết bị chuyển đổi tín hiệu, hoạt động dựa trên
nguyên lý ghi nhận sự tương tác của điện tử với chất rắn.
Màn huỳnh quang và phim quang học: Là dụng cụ ghi nhận điện tử dựa trên
nguyên lý phát quang của chất phủ trên bề mặt. Trên bề mặt của màn hình,
người ta phủ một lớp vật liệu huỳnh quang. Khi điện tử va đập vào màn hình,
vật liệu sẽ phát quang và ảnh được ghi nhận thông qua ánh sáng phát quang
này. Cũng tương tự nguyên lý này, người ta có thể sử dụng phim ảnh để ghi
lại ảnh và ảnh ban đầu được lưu dưới dạng phim âm bản và sẽ được tráng
rửa sau khi sử dụng.
Điều kiện tương điểm

11


Điều kiện tương điểm có nguyên lý giống như điều kiện tương điểm trong
quang học, tức là điều kiện để ảnh của một vật phẳng nằm trên một mặt phẳng.
Trong TEM, điều kiện tương điểm liên quan đến việc điều chỉnh cân bằng các
chùm tia và các hệ thấu kính.
Điều kiện tương điểm hệ hội tụ: Là việc điều chỉnh hệ thấu kính hội tụ sao
cho chùm tia có tính chất đối xứng trục quang học. Khi quan sát trên màn ảnh,
chùm tia phải có hình tròn và hội tụ đồng tâm tại một điểu (khi mở rộng và thu
hẹp). Nguyên lý của việc điều chỉnh này là điều chỉnh sự cân bằng của từ trường
sinh ra trong các cuộn dây của thấu kính hội tụ.
Điều kiện tương điểm vật: Là việc điều chỉnh vật kính sao cho mặt phẳng
của mẫu vật song song với mặt phẳng quang học của vật kính, sao cho các chùm tia
xuất phát từ các điểm trên cùng một mặt phẳng sẽ hội tụ tại một mặt phẳng song
song với vật.
Điều kiện tương điểm nhiễu xạ: Tương điểm nhiễu xạ là điều chỉnh cho trục
quang học của chùm tia trùng với trục quang học của quang hệ. Khi đó, vân nhiễu

xạ trung tâm trên mặt phẳng tiêu của vật kính sẽ phải đối xứng đồng tâm qua trục
quang học, và sẽ nằm đúng trên mặt phẳng của khẩu độ vật kính.

Hình1.4 Nguyên lý hoạt động của điều kiện tương điểm.
Ảnh hưởng của tính tương điểm lên chất lượng ảnh ở điều kiện độ phóng đại
thấp là rất nhỏ, nhưng khi tăng độ phóng đại đến cỡ lớn (cỡ trên 50 ngàn lần) thì
ảnh hưởng của tính tương điểm trở nên rõ rệt. Khi đó, nếu quang hệ không thỏa
mãn tính chất tương điểm sẽ có thể dẫn đến việc ảnh có thể bị bóp méo, không thể
12


lấy nét hoặc độ phân giải rất kém. Đặc biệt ở chế độ ghi ảnh có độ phân giải cao,
yêu cầu về độ tương điểm càng lớn.
Ảnh trường sáng, trường tối
Là chế độ ghi ảnh phổ thông của các TEM dựa trên nguyên lý ghi nhận các
chùm tia bị lệch đi với các góc (nhỏ) khác nhau sau khi truyền qua mẫu vật.
Ảnh trường sáng : Là chế độ ghi ảnh mà khẩu độ vật kính sẽ được đưa vào để hứng
chùm tia truyền theo hướng thẳng góc. Như vậy, các vùng mẫu cho phép chùm tia
truyền thẳng góc sẽ sáng và các vùng gây ra sự lệch tia sẽ bị tối. Ảnh trường sáng
về mặt cơ bản có độ sáng lớn.
Ảnh trường tối: Là chế độ ghi ảnh mà chùm tia sẽ bị chiếu lệch góc sao cho
khẩu độ vật kính sẽ hứng chùm tia bị lệch một góc nhỏ (việc này được thực hiện
nhờ việc tạo phổ nhiễu xạ trước đó, mỗi vạch nhiễu xạ sẽ tương ứng với một góc
lệch). Ảnh thu được sẽ là các các đốm sáng trắng trên nền tối. Nền sáng tương ứng
với các vùng mẫu có góc lệch được chọn, nền tối là từ các vùng khác.
Ảnh trường tối rất nhạy với cấu trúc tinh thể và cho độ sắc nét từ các hạt tinh
thể cao

.
Hình 1.5: Ảnh trường sáng ( a ), ảnh trường tối ( b ) của mẫu hợp kim FeSiBNbCu

3.1. Ảnh hiển vi điện tử truyền qua độ phân giải cao
Là một trong những tính năng mạnh của kính hiển vi điện tử truyền qua, cho
phép quan độ phân giải từ các lớptinh thể của chất rắn. Trong thuật ngữ khoa học,
ảnh hiển vi điện tử độ phân giải cao thường được viết tắt làHRTEM (là chữ viết
13


tắt High-Resolution Transmission Electron Microscopy).
Chế độ HRTEM chỉ có thể thực hiện được khi:
Kính hiển vi có khả năng thực hiện việc ghi ảnh ở độ phóng đại lớn.
Quang sai của hệ đỏ nhỏ cho phép (liên quan đến độ đơn sắc của chùm
tia điện tử và sự hoàn hảo của các hệ thấu kính.
Việc điều chỉnh tương điểm phải đạt mức tối ưu.
Độ dày của mẫu phải đủ mỏng (thường dưới 70 nm).
HRTEM là một công cụ mạnh để nghiên cứu cấu trúc tinh thể của các vật liệu rắn
3.2. Ảnh cấu trúc từ
Đối với các mẫu có từ tính, khi điện tử truyền qua sẽ bị lệch đi do tác dụng
của lực Lorentz và việc ghi lại ảnh theo cơ chế này sẽ cung cấp các thông tin liên
quan đến cấu trúc từ và cho phép nghiên cứu các tính chất từ vi mô của vật liệu.
Chế độ ghi ảnh này đã phát triển thành hai kiểu:
Kính hiển vi Lorentz.
Toàn ảnh điện tử
Ưu điểm của TEM là cho phép ghi ảnh với độ phân giải cao và có độ nhạy
cao với sự thay đổi cấu trúc nên các chế độ ghi ảnh từ tính cũng là các công cụ
mạnh trong các nghiên cứu về vi từ.
4. Xử lý mẫu cho phép đo TEM
Vì sử dụng chế độ điện tử đâm xuyên qua mẫu vật nên mẫu vật quan sát
trong TEM luôn phải đủ mỏng. Xét trên nguyên tắc, TEM bắt đầu ghi nhận được
ảnh với các mẫu có chiều dày dưới 500 nm, tuy nhiên, ảnh chỉ trở nên có chất
lượng tốt khi mẫu mỏng dưới 150 nm. Vì thế, việc xử lý (tạo mẫu mỏng) cho phép

đo TEM là cực kỳ quan trọng.
Phương pháp truyền thống: Phương pháp truyền thống là sử dụng hệ thống
mài cắt cơ học. Mẫu vật liệu được cắt ra thành các đĩa tròn (có kích thước đủ với
giá mẫu) và ban đầu được mài mỏng đến độ dày dưới 10 μmm (cho phép ánh sáng
khả kiến truyền qua). Tiếp đó, việc mài đến độ dày thích hợp được thực hiện nhờ
14


thiết bị mài bằng chùm iôn, sử dụng các iôn khí hiếm(được gia tốc với năng lượng
dưới 10 kV) bắn phá đến độ dày thích hợp. Cách thức xử lý này tốn nhiều thời gian
và đòi hỏi mức độ tỉ mỉ rất cao.
Sử dụng kỹ thuật chùm iôn hội tụ: Kỹ thuật chùm iôn hội tụ là thực hiện việc
xử lý mẫu trên thiết bị cùng tên. Người ta dùng một chùm iôn (của kim loại lỏng,
thường là Ga), được gia tốc tới năng lượng cao (cỡ 30 - 50 kV) được hội tụ thành
một chùm rất nhỏ và được điều khiển nhờ hệ thấu kính điện từ để cắt ra các lát
mỏng, hàn gắn trên giá mẫu và mài mỏng đến mức độ đủ mỏng. Các công việc
được tiến hành nhờ điều khiển bằng máy tính và trong chân không cao. Phép xử lý
này tiến hành rất nhanh và có thể cho mẫu rất mỏng, nhưng đôi khi mẫu bị nhiễm
bẩn từ các iôn Ga.
5. Ưu điểm và nhược điểm của STM.
Ưu điểm:
Tạo ra ảnh cấu trúc vật rắn với độ tương phản, độ phân giải rất cao (cấp độ
nguyên tử)
Cho ảnh thật của cấu trúc bên trong vật rắn nên đem lại nhiều thông tin hơn
cho cấu trúc vật liệu
Nhược điểm:
Đắt tiền: TEM có nhiều tính năng mạnh và là thiết bị rất hiện đại do đó giá
thành của nó rất cao
Đòi hỏi nhiều phép xử lý mẫu phức tạp cần phải phá hủy mẫu
Việc điều khiển TEM rất phức tạp và đòi hỏi nhiều bước thực hiện chính xác cao.

6. Ứng dụng
Trong các lĩnh vực như: Khoa học vật liệu cũng như ô nhiễm môi trường ,
ung thư, Virus học, công nghệ nano, nghiên cứu chất bán dẫn……
II. Kính hiển vi điện tử quét (SEM - Scanning Electron Microscope)
1. Lược sử về kính hiển vi điện tử quét
Kính hiển vi điện tử quét lần đầu tiên được phát triển bởi Zworykin vào năm
1942 là một thiết bị gồm một súng phóng điện tử theo chiều từ dưới lên, ba thấu
15


kính tĩnh điện và hệ thống các cuộn quét điện từ đặt giữa thấu kính thứ hai và thứ
ba, và ghi nhận chùm điện tử thứ cấp bằng một ống nhân quang điện.

Hình 2.1: Kính hiển vi điện tử quét tại viện Khoa học vật liệu.
Năm 1948, C. W. Oatley ở Đại học Cambridge (Vương quốc Anh) phát triển
kính hiển vi điện tử quét trên mô hình này và công bố trong luận án tiến sĩ của
D.McMullan với chùm điện tử hẹp có độ phân giải đến 500 Angstrom. Trên thực tế,
kính hiển vi điện tử quét thương phẩm đầu tiên được sản xuất vào năm 1965 bởi
Cambridge Scientific Instruments Mark I.
Kính hiển vi điện tử quét (SEM) là công cụ được sử dụng rất rộng để quan
sát vi cấu trúc ở trên bề mặt của vật chất với độ phóng đại và độ phân giải lớn gấp
hàng nghìn lần so với kính hiển vi quang học. Độ phóng đại của SEM nằm trong
giải rộng từ 10 đến 1 triệu lần (của hiển vi quang học tử 10 đến 1000 lần). Độ phân
giải của SEM khoảng vài nm trong khi của kính hiển vi quang học là vài µm, nghĩa
là SEM có thể phân biệt được các phân tử cỡ như protein hay các phân tử axit hữu
cơ. Tuy nhiên mẫu dùng để quan sát bằng SEM phải được xử lí đặc biệt và thao tác
của SEM là ở trong chân không cao.

16

Phương pháp này cho phép nghiên cứu bề mặt và thành phần của mẫu nghiên
cứu thông qua hai loại ảnh là ảnh địa hình và ảnh thành phần. Độ phóng đại cao,
tạo ảnh rõ nét cho phép xác định được kích thước hạt và hình dạng bề mặt của mẫu
nghiên cứu.
2. Khái niệm
Kính hiển vi điện tử quét (tiếng Anh: Scanning Electron Microscope, thường
viết tắt là SEM), là một loại kính hiển vi điện tử có thể tạo ra ảnh với độ phân giải
cao của bề mặt mẫu vật bằng cách sử dụng một chùm điện tử (chùm các electron)
hẹp quét trên bề mặt mẫu. Việc tạo ảnh của mẫu vật được thực hiện thông qua việc
ghi nhận và phân tích các bức xạ phát ra từ tương tác của chùm điện tử với bề mặt
mẫu vật.
3. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động.
Về mặt cơ bản cấu tạo và nguyên lý hoạt động của kính hiển vi điện tử quét
SEM cũng tương tự như kính hiển vi điện tử truyền qua TEM. Tuy nhiên SEM sử
dụng một chùm điện tử hẹp quét trên bề mặt của mẫu mà không truyền qua mẫu.
Cấu tạo bao gồm:
Súng phóng điện tử
Hệ thống các thấu kính từ
Bộ phận thu nhận detecter
Buồng chân không chứa mẫu

17


Hình 2.2: Cấu tạo của kính hiển vi điện tử quét SEM
Việc phát các chùm điện tử trong SEM cũng giống như việc tạo ra chùm điện
tử trong kính hiển vi điện tử truyền qua, tức là điện tử được phát ra từ súng phóng
điện tử (có thể là phát xạ nhiệt, hay phát xạ trường...), sau đó được tăng tốc.
Tuy nhiên, thế tăng tốc của SEM thường chỉ từ 10 kV đến 50 kV vì sự hạn

chế của thấu kính từ, việc hội tụ các chùm điện tử có bước sóng quá nhỏ vào một
điểm kích thước nhỏ sẽ rất khó khăn. Điện tử được phát ra, tăng tốc và hội tụ thành
một chùm điện tử hẹp (cỡ vài răm Angstrong đến vài nanomet) nhờ hệ thống thấu
kính từ, sau đó quét trên bề mặt mẫu nhờ các cuộn quét tĩnh điện.
Độ phân giải của SEM được xác định từ kích thước chùm điện tử hội tụ, mà
kích thước của chùm điện tử này bị hạn chế bởi quang sai, chính vì thế mà SEM
không thể đạt được độ phân giải tốt như TEM.
Ngoài ra, độ phân giải của SEM còn phụ thuộc vào tương tác giữa vật liệu tại
bề mặt mẫu vật và điện tử. Khi điện tử tương tác với bề mặt mẫu vật, sẽ có các bức
xạ phát ra, sự tạo ảnh trong SEM và các phép phân tích được thực hiện thông qua
việc phân tích các bức xạ này.
18


Các bức xạ chủ yếu gồm:
-

Điện tử thứ cấp (Secondary electrons):
Đây l à chế độ ghi ảnh thông dụng nhất của kính hiển vi điện tử quét, chùm

điện tử thứ cấp có năng lượng thấp (thường nhỏ hơn 50 eV) được ghi nhận bằng
ống nhân quang nhấp nháy. Vì chúng có năng lượng thấp nên chủ yếu là các điện tử
phát ra từ bề mặt mẫu với độ sâu chỉ vài nanomet, do vậy chúng tạo ra ảnh hai
chiều của bề mặt mẫu.
-

Điện tử tán xạ ngược (Backscattered electrons):
Điện tử tán xạ ngược là chum điện tử ban đầu khi tương tác với bề mặt mẫu

bị bật ngược trở lại, do đó chúng thường có năng lượng cao. Sự tán xạ này phụ

thuộc rất nhiều vào vào thành phần hóa học ở bề mặt mẫu, do đó ảnh điện tử tán xạ
ngược rất hữu ích cho phân tích về độ tương phản thành phần hóa học. Ngoài ra,
điện tử tán xạ ngược có thể dùng để ghi nhận ảnh nhiễu xạ điện tử tán xạ ngược,
giúp cho việc phân tích cấu trúc tinh thể (chế độ phân cực điện tử).
Ngoài ra, điện tử tán xạ ngược phụ thuộc vào các liên kết điện tại bề mặt mẫu nên
có thể đem lại thông tin về các đômen sắt điện.
4. Một số phép phân tích trong SEM
Nguyên lý tạo ảnh SEM là quét trên bề mặt mẫu bằng một chùm tia điện tử
hội tụ rất mảnh (cỡ vài chục nanomet), tín hiệu phát ra được detector thu nhận đổi
thành tín hiệu được khuếch đại và được đưa đến điều khiển tia điện tử của ống hiển
thị catốt, nghĩa là điều khiển sự sáng tối của điểm được quét trên mẫu và toàn bộ
diện tích được quét sẽ tạo ra ảnh trên màn. Nếu dùng được vùng quét trên mẫu có
kích thước l và vùng hiển thị tương ứng trên màn có kích thước L thì độ phóng đại
của ảnh là L/l. Như vậy là ta đã quan sát được hình thái bề mặt của mẫu.
Ngoài ra nếu sử dụng những chùm tia kích thước khác nhau thì phương pháp
hiển vi điện tử quét (SEM) còn có nhiều ứng dụng khác như quan sát thành phần và
địa hình bề mặt, phân tích nguyên tố có trong mẫu, khảo sát các đặc trưng bên
trong của mẫu….
19


Huỳnh quang catốt (Cathodoluminesence): Là các ánh sáng phát ra do tương
tác của chùm điện tử với bề mặt mẫu. Phép phân tích này rất phổ biến và rất hữu
ích cho việc phân tích các tính chất quang, điện của vật liệu.
Phân tích phổ tia X (X-ray microanalysis): Tương tác giữa điện tử với vật
chất có thể sản sinh phổ tia X đặc trưng, rất hữu ích cho phân tích thành phần hóa
học của vật liệu. Các phép phân tích có thể là phổ tán sắc năng lượng tia X (Energy
Dispersive X-ray Spectroscopy - EDXS) hay phổ tán sắc bước sóng tia X
Wavelength Dispersive X-ray Spectroscopy - WDXS)...
Một số kính hiển vi điện tử quét hoạt động ở chân không si êu cao có thể phân

tích phổ điện tử Auger, rất hữu ích cho các phân tích tinh tế bề mặt: SEMPA (Kính
hiển vi điện tử quét có phân tích phân cực tiếng Anh: Scanning Electron
Microscopy with Polarisation Analysis) là một chế độ ghi ảnh của SEM mà ở đó,
các điện tử thứ cấp phát ra từ mẫu sẽ được ghi nhận nhờ một detector đặc biệt có
thể tách các điện tử phân cực spin từ mẫu, do đó cho phép chụp lại ảnh cấu trúc từ
của mẫu.
5. Ưu điểm,nhược điểm của kính hiển vi điện tử quét SEM
Ưu điểm:
Mặc dù không thể có độ phân giải tốt như kính hiển vi điện tử truyền qua
nhưng kính hiển vi điện tử quét lại có điểm mạnh là phân tích mà không cần phá
hủy mẫu vật và có thể hoạt động ở chân không thấp.
Một điểm mạnh khác của SEM l à các thao tác điều khiển đơn giản hơn rất
nhiều so với TEM khiến cho nó rất dễ sử dụng.
Một điều khác là giá thành của SEM thấp hơn rất nhiều so với TEM, vì thế
SEM phổ biến hơn rất nhiều so với TEM.
Nhược điểm
Là thiết bị đắt tiền.
Tốn nhiều thời gian sử lý mẫu để hạn chế việc phá hủy cấu trúc mẫu.
Phải tạo môi trường chân không cao cho các thiết bị.
20


Và người vận hành phải có kinh nghiệm
6. Ứng dụng
Trong các lĩnh vực như: Luyện kim và sinh học, xác định thành phần hóa
học, xác định độ dài, góc liên kết, xác định cấu trúc điện tử ….
III. Hiển vi điển tử quét truyền qua (STEM – Scanning Transmission Electron
Microscope)
1. Khái niệm
Một quét kính hiển vi điện tử truyền qua (STEM) là một loại kính hiển vi

điện tử truyền qua (TEM) phát âm là [gốc] hay [ước tính: i: em].. Như với bất kỳ
chương trình chiếu sáng truyền dẫn, các electron đi qua một mẫu đủ mỏng. Tuy
nhiên, STEM được phân biệt với kính hiển vi điện tử truyền thông thường (CTEM)
bằng cách tập trung các chùm tia điện tử vào một vị trí hẹp mà được quét trên mẫu
trong một raster.
Các rastering của chùm tia trong mẫu làm cho các kính hiển vi phù hợp với
các kỹ thuật phân tích như lập bản đồ bằng năng lượng phân tán tia X(EDX) quang
phổ, quang phổ điện tử mất năng lượng (EELS) và hình ảnh tối lĩnh vực hình
khuyên (ADF). Những tín hiệu này có thể thu được cùng một lúc, cho phép tương
quan trực tiếp của hình ảnh và dữ liệu định lượng.
Bằng cách sử dụng một STEM và một máy dò góc cao, nó có thể tạo thành
hình ảnh độ phân giải nguyên tử mà sự tương phản có liên quan trực tiếp đến số
nguyên tử (hình ảnh z tương phản). Hình ảnh z tương phản trực tiếp phiên dịch được
làm cho hình ảnh STEM với một máy dò góc cao hấp dẫn. Điều này trái ngược với
thông thường có độ phân giải cao hiển vi điện tử kỹ thuật, trong đó sử dụng giai
đoạn tương phản, và do đó tạo ra kết quả mà cần giải thích bằng cách mô phỏng.
Thường là một STEM là một truyền thống kính hiển vi điện tử truyền trang
bị cuộn quét bổ sung, phát hiện và mạch cần thiết, tuy nhiên, bắt nguồn chuyên
dụng cũng được sản xuất.

21


Các chức năng quét kính hiển vi điện tử truyền qua (STEM) là một công cụ
hữu hiệu cho các đặc tính của cấu trúc nano, cung cấp một loạt các hình ảnh khác
nhau chế độ với khả năng cung cấp thông tin về thành phần nguyên tố và cấu trúc
điện tử ở vào độ nhạy cuối cùng, đó là một nguyên tử. Các STEM hoạt động trên
cùng một nguyên tắc như bình thường hiển vi điện tử quét (SEM), bởi tạo thành
một chùm tia tập trung của các điện tử được quét trên mẫu trong khi một số tín hiệu
mong muốn được thu thập để tạo thành một hình ảnh . Sự khác biệt với SEM là

mẫu vật mỏng được sử dụng để chế độ truyền tải hình ảnh cũng có sẵn.
Mặc dù nhu cầu vật liệu mỏng xuống để phân tích có thể là một nhiệm vụ
trọng tâm, thường là không cần thiết đối với nguyên liệu cấu trúc nano. Như trong
SEM, điện tử thứ cấp hoặc tán xạ ngược có thể được sử dụng cho hình ảnh trong
STEM, nhưng mức độ tín hiệu cao hơn và độ phân giải không gian tốt hơn có sẵn
bằng cách phát hiện các điện tử truyền. Một lĩnh vực (BF) phát hiện sáng bao gồm
chùm tia phát-ted và do đó các lỗ xuất hiện tươi sáng, trong khi một phát hiện
trường tối không bao gồm các chùm tia truyền qua và các hố xuất hiện tối. Mỗi
phát hiện cung cấp một khác nhau và nhìn bổ sung của mẫu vật. Đây là một trong
những lợi thế chính của STEM có nhiều phát hiện hoạt động đồng thời để thu thập
tối đa thông tin có thể từ mỗi lần scan. Mặc dù các máy dò điện tử truyền là hữu ích
được trang bị cho công cụ SEM thông thường làm việc tại tương đối thấp volt-độ
tuổi, có lợi thế lớn trong việc tăng điện thế gia tốc. Tăng thâm nhập mẫu có nghĩa là
mẫu vật dày hơn có thể được chấp nhận; nhưng hơn quan trọng, bước sóng điện tử
giảm dẫn đến độ phân giải không gian cao hơn và khả năng nhìn thấy các cấu hình
thực tế nguyên tử trong cấu trúc nano.
Do đó, STEM có thể có nhiều hình thức: Đơn giản phát hiện một tiêu chuẩn
điện áp thấp SEM, một chuyên dụng, dễ sử dụng, trung cấp điện áp với STEM
thông nhanh chóng, hoặc một công cụ hơn so sánh với một độ phân giải cao xuyên
nhiệm vụ điện tử kính hiển vi (TEM), có khả năng cung cấp các không gian cuối

22


cùng độ phân giải và độ nhạy phân tích. Tất cả đều có vai trò quan trọng và bổ sung
trong cấu trúc nano đặc tính.
2. Nguyên lý tạo ảnh trong điện tử truyền quét
Xuất phát của loại này là thường dựa trên TEM có độ phân giải cao, hoạt động
ở 200-300 kV. Lý tưởng nhất, chúng tôi muốn nhìn thấy mỗi nguyên tử trong vị trí
3D của nó, một giấc mơ mà Feynman lần đầu tiên đặt ra trong bài giảng nổi tiếng

của ông: "Có rất nhiều phòng ở đáy" nơi ông không chỉ dự báo thời đại công nghệ
nano mà còn được gọi một cách rõ ràng cho Cải thiện 100 lần độ phân giải của kính
hiển vi điện tử [3]. Nếu chúng ta có thể nhìn thấy các nguyên tử rõ ràng, thì chắc
chắn chúng ta sẽ có thể xem như thế nào cấu trúc nano có chức năng. Hôm nay
chúng ta đang trên con đường dọc theo con đường này. Chúng tôi có thể nhìn thấy cá
nhân nguyên tử số nguyên tử cao (Z), hoặc trên bề mặt hoặc bên trong vật liệu rời
[4,5]. Chúng tôi thậm chí có thể xác định nguyên tử đơn và phân tích quang phổ

Hình: 3.1. (a) lĩnh vực sáng và (b) trường tối hình khuyên (Z-tương phản)
lây truyền qua đường điện tử hình ảnh của các hạt nano Au (2,2% khối lượng)
được hỗ trợ trong silica mao chức năng hóa với một phối tử
Hình ảnh lĩnh vực sáng cho thấy mao liên kết như các đường sọc dọc, với
các hạt Au hiện như đốm đen. Trong hình ảnh Z-tương phản các hạt Au là sáng, và
các hạt nhỏ hơn được tiết lộ rõ ràng hơn. hình ảnh ghi lại với một Hitachi HD2000

23


chuyên STEM Lee [được điều chỉnh từ ref. 2]. môi trường điện tử của quang phổ
điện tử mất năng lượng (EELS).
Các tiến bộ trong khả năng STEM trong vài năm qua đã được khá ấn tượng,
so sánh với tiến bộ trong hai thập kỷ trước, thông qua thành công thực hóa của một
sự đổi mới mà Feynman kêu gọi trong bài giảng của mình. Hình 2.1 cho thấy các
thành phần chính bao gồm các sai-sửa chữa STEM. Electron được gia tốc từ một
nguồn và tập trung vào một điểm trên mẫu của một tập hợp các ống kính bình
ngưng và một ống kính mục tiêu. Một aper-Mục tiêu giới hạn góc tối đa của ánh
sáng bao gồm trong cuộc điều tra vụ việc, được quét trên mẫu của hệ thống vòng
quét. Sản lượng của một loạt máy dò có thể sau đó có thể được sử dụng để tạo
thành một hình ảnh. Trong thực tế, nhiều detec tố này có thể được sử dụng đồng
thời để đưa ra quan điểm khác nhau của mẫu, cung cấp thông tin bổ sung khác. Các

máy dò thông thường bao gồm BF detector sẽ chặn chùm tia truyền qua và một
trường tối hình khuyên (ADF) phát hiện bao quanh chùm tia truyền qua việc thu
các electron phân tán. Góc bên trong của phát hiện này có thể được thay đổi với
ống kính từ ngoài sự cố tia hình nón, cho hiệu quả tối đa cho việc thu thập rải rác
điện tử, nhiều lần góc độ này, giúp nâng cao số lượng nguyên tử (Z) sự phụ thuộc
của sự tương phản hình ảnh. Cấu hình sau này thường được gọi là một Z-tương
phản hoặc góc cao ADF (HAADF) hình ảnh. Ngoài ra, thông thường, một phần của
STEM là một hệ thống EELS, bao gồm quang phổ kế và phát hiện song song hệ
thống sử dụng một thiết bị tích điện kép (CCD). Khớp nối ống kính có thể được
yêu cầu cung cấp đầy đủ hiệu quả thu vào máy quang phổ. Phát hiện khác cũng có
thể được; một máy dò tia X năng lượng phân tán là com-mon, cũng electron thứ
cấp, âm cực, hoặc chùm tia điện tử gây ra

24


Hình 3.2: Nguyên lý tạo ảnh của STEM
Hiện tại tất cả có thể được sử dụng để tạo thành một hình ảnh. Tuy nhiên,
những tín hiệu này có xu hướng thấp,có thể rất thấp hơn nhiều, cường độ và do đó
có thể không đủ để tạo thành rõ ràng, hình ảnh độ phân giải cao của một cấu trúc
nano trong một thời gian phơi sáng hợp lý. Thông thường, người ta sẽ hình ảnh cấu
trúc nano bằng cách sử dụng cường độ cao truyền máy dò điện tử, sau đó dừng lại
chùm tia trên các cấu trúc nano để phát hiện tia X hoặc EELS dữ liệu. Ngoài ra,
người ta có thể có khả năng quét với một lớn hơn, cao hơn hiện tại chùm để có
được đầy đủ tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu trong một số tín hiệu yếu quan tâm, hy sinh độ
phân giải không gian. Tính năng thấp mất trong quang phổ năng lượng mất mát
hoặc cạnh mất mát lõi năng lượng thấp đặc biệt hữu ích trong vấn đề này.
Trong những năm qua, độ phân giải có thể đạt được trong STEM có hơn đầu
Lấy máu, và hình ảnh trực tiếp đầu tiên của một tinh thể cho thấy độ phân
giải phụ Angstrom có đã đạt được với một STEM 300 kV (xem hình. 6.3) [15]. Lý

do cho điều này tiến bộ ấn tượng là nó đã trở thành có thể để sửa chữa lớn hình
học-cal quang sai của thấu kính đầu dò hình thành [16-18]. Vòng truyền thống
mag-ống kính di truyền có quang sai không thể tránh khỏi đã hạn chế khẩu độ hữu
25