Các kỹ thuật hiển vi điện tử và vi phân tích (từ cơ bản đến ứng dụng trong vật lý, vật liệu, hóa học, y sinh học)

IWU©

NGÔ ĐỨC THẾ

CÁC KỸ THUẬT

NỂNVIẠIỆNTl
VẠVIPIÂÍilTÌCH
ĨIION.GVẬĨLtVỆĨLtyDHHỌC.Y-MHỌC

[ủ SÁCH KHOAHCX:
MS:222-KHTN-2017

NHÀ XUẤT BẢN ĐAI H O C Q U Ố C G IA HÀ NÔI


CÁC KỸ THUẬT HIỂN VI ĐIỆN TỬ VÀ VI PHÂN TÍCH
Từ Cơ BẢN ĐẾN ỨNG DỤNG
TRONG VẬT LÝ, VẶT LIỆU, HÓA HỌC, Y-SINH HỌC


NGÔ ĐỨC THẾ

CÁC KỸ THUẬT HIỂN VI ĐIỆN TỬ VÀ VI PHÂN TÍCH
Tìl Cơ BẢN ĐẾN ỨNG DỤNG
TRONG VẬT LÝ, VẬT LIỆU, HÓA HỌC, Y-SINH HỌC

N H À X U Ấ T B Ả N Đ Ạ I H Ọ C Q U Ố C G IA H À N Ộ I


MỤC LỤC

Lời nói đầu......................................................................................... 9
Lời cảm ơn........................................................................................ 11

Chưúng 1
ĐIỆN TỬ, SÓNG ĐIỆN TỬ VÀ CẤU TRÚC VẬT CHẤT
1. Điện tử và sự phát hiện ra điện tử...................................................... 13
1.1. Sự phát hiện ra điện tử.................................................................................. 13
1.2. Đặc trưng của điện tử.................................................................................... 18

2. Sóng điện tử và sự phát xạ điện tử...................................................... 18
2.1. Sóng điện tử.................................................................................................. 19
2.2. Phát xạ điện tử...............................................................................................22

3. Sự ghi nhận điện t ử ......................................................................... 27
3.1. Màn huỳnh quang......................................................................................... 27
3.2. CCD camera..................................................................................................28
3.3. Cảm biến bán dắn......................................................................................... 29
3.4. Ống nhân quang điện và nhấp nháy............................................................30

4. Cấu trúc tinh th ể ............................................................................. 31
4.1. Tinh thể và mạng tinh thể.............................................................................32
4.2. Chỉ sốM iller..................................................................................................33
4.3. Trục vùng......................................................................................................34
4.4. Mạng Bravais................................................................................................ 36
4.4. Mạng đảo......................................................................................................39
4.6. Nhiễu xạ điện tử trên tinh thể....................................................................... 40
Tài liệu tham khảo.................................................................................................. 44


CÀC KỸ THUẬT HIỂN VI ĐIỆN TỬ VÀ VI PHÂN TÍCH TỪ

cơ BẢN ĐẾN ỨNG DỤNG...

Chưửng 2
KÍNH HIỂN VI ĐIỆN TỬ TRUYỀN QUA
1. Kính hiển vi quang học và giới hạn độ phân giải................................... 47
1.1. Kính hiển vi quang học................................................................................. 47
1.2. Giới hạn phân giải......................................................................................... 51

2. Sóng điện tử và những tíển để của hiển vi điện tử..................................54
2.1. Điện tử và sóng điện tử................................................................................ 54
2.2. Sự điêu khiển chùm điện tử bằng trường điện từ........................................55
2.3. Sự ra đời của kính hiển vi điện tử truyển qua............................................. 56

3. Cấu trúc cơ bản của TEM ................................................................. 57
3.1. Nguổn phát điện tử (Electron source)......................................................... 59
3.2. Các thấu kính từ (magnetic lens).................................................................67
3.3. Hệ các khẩu đ ộ ............................................................................................ 73
3.4. Hệ các cuộn dây........................................................................................... 74
3.5. Bộ phận ghi nhận điện tử.............................................................................76
3.6. Hệ thống bơm chân không...........................................................................76
3.7. Thanh giữ máu và tẩng điểu khiển m ẫu......................................................78
3.8. Cảm biến ghi phổ.........................................................................................79

4. CTEM và STEM................................................................................80
4.1. CTEM - Kính hiển vi điện tử truyền qua truyền thống................................ 81
4.2. STEM - Kính hiển vi điện tử truyền qua quét truyên qua............................ 81

5. Cơ chế tưởng phản ở ảnh TEM............................................................82
6. Khả năng của TEM ............................................................ ..............84

6.1. Nhiễu xạ điện tử ở TEM ....................... .........................................................86
6.2. Ảnh trường tối, ảnh trường sáng...................................................................91
6.3. Tạo ảnh phẫn giải siêu cao và phân tích phổ.......................................... 92

7. Phân íích phổ ở thiết bị TEM ..................................... ........................ 92
7.1. Phổ tán sắc năng iượng tia X
(Energy dispersỉve X-ray specíroscopy, EDS hoặc EDX).......................... 92
7.2. Phổ tổn hao năng lượng điện tử
(Electron energy loss spectroscopy, E E L S )............................................... 96

8. TEM phân giải c a o ............... .......................... ............................. 99


Mục lục

7

9. Vận hành thiết bị TEM trong thực tế.................................................. 102
9.1. Các thao tác với chùm tia trong T E M .......................................................103
9.2. Các bước vận hành chụp ảnh TEM........................................................... 104
9.3. Các yêu cầu chính cho một phòngthí nghiệm TEM................................. 110

10. Các dạng thức của TEM cho cấc phân tích cao c ấ p ............................ 111
10.1. LorẽnừTEM ..............................................................................................112
10.2. Toàn ảnh điện tử....................................................................................... 117
10.3. ETEM và Cryo-TEM................................................................................... 120
10.3. Aberration-corrected TEM/STEM............................................................. 126

11.ln-situ TEM................................................................................. 131
Tài liệu tham khảo...................................................................................................141

Chương 3
KÍNH HIỂN VI ĐIỆN TỬ QUÉT
1. Sự ra đời của S E M ......................................................................... 149
2. Cấu trúc của S E M .......................................................................... 151
2.1. Nguổn điện tử (hay súng điện tử, electron gun).......................................152
2.2. Hẹ thống thấu kính

...................... ............................................. 152

2.3. Hệ thống các cuộn dây lái tia (deflection coils,scanning co ils).......... 153
2.4. Hệ các khẩu đ ộ ........................................................................................153
2.5. Hệ các cảm biến thu nhận điện tử (electron detectors)........................154
2.6. Cảm biến thu nhận các bức xạ đặc trưng................................................ 155
2.7. Buổng chân không, giá mẫu...................................................................... 155

3. Cơ chế làm việc và sự tạo ảnh ở SEM ............................................... 156
3.1. Tương tác điện tử - mẫu ở SEM.................................................................156
3.2. Cơ chế tương phản ở ảnh SEM .................................................................160
3.3. Độ phân giải và cơ chế phóng đại ở SEM .............................................163

4. Nhiễu xạ điện tử ở SEM .................................................................. 164
5. Phân tích phổ: phổ EDX và phổ Auger............................................... 167
5.1. Phổ ED X Ở SEM ......................................................................................... 167
5.2. Phổ điện tử Auger (Auger electron spectroscopy)...................................169

6. Các biến thể của SEM hiện đ ạ i........................................................ 171
6.1. Thiết bị chùm ion hội tụ ............................................................................172

8

CÁC KỸ THUẬT HIỂN VI ĐIỆN TỬ VÀ VI PHÂN TÍCH TỪ

cơ BẢN ĐẾN ỨNG DỤNG...

6.2. Phân tích cấu trúc từ với SEM (SEM with Polarisation Analysis, SEMPA)..... 174
6.3. ESEM và Cryo-SEM .................................................................................176
6.4. Kính hiển vi ion helium quét.................................................................... 178
6.5. Chụp ảnh STEM ở SEM............................................................................179

7. Yêu cầu mẫu đối với phép đo SEM và vận hành SEM trong thực t ế ....... 180
7.1. Tải mẫu và khởi động SE M ........................................................................181
7.2. Căn chỉnh và chuẩn trực............................................................................182
7.3. Loại trừ loạn thị và chụp ảnh..................................................................... 183

8. Phòng thí nghiệm SEM trong thực tế................................................. 184
Tài liệu tham khảo...................................................................................................185

Chưtíng 4
XỬ LÝ MẪU CHO CÁC PHÉP ĐO HlỂN VI ĐIỆN TỬ
A. Xử lý mẫu cho chụp ảnh SE M ......................................................... 189
1. Mẫu SEM và giá gắn mẫu ở SEM ................................................................. 189
2. Nguyên lý chung cho việc xử lý mẫu chụp ảnh SEM .................................. 190
3. Phủ dẫn điện bề mặt cho mẫu chụp SEM .................................................... 191
4. Xử lý bề mặt cho chụp ảnh EBSD ................................................................. 192
5. Xử lý mẫu tiêu bản sinh học để chụp ảnh SEM ......................................... 193

B. Xử lý mẫu chụp ảnh TEM ............................................................... 195
1. Xử lý mẫu bằng ăn mòn chùm ion................................................................196

2. Xử lý mẫu bằng ăn mòn điện hóa................................................................. 198
3. Xử iý mẫu bằng thiết bị chùm ion hội tụ (FIB)............................................. 200
4. Xử lý mẫu bằng phương pháp uitramicrotomỵ............. ............................... 203
5. Xử lý mẫu bằng cách sao chép cấu trúc (Replica technique).................... 205
6. Xử iý mẫu đối với các mẫu bột.................................... ...........................

206

Tài liệu tham khảo......................................................... ..........................................208

Phụ iục......................................................................................... 211
index...........................................................................................................225


Lời nói đẩu
Kính hiển vi điện tử là công cụ phân tích dùng cho nghiên cứu
cấu trúc và thành phần của các vật liệu rắn (hoặc thậm chí vật liệu
lỏng). Chúng vừa đồng thời là những công cụ quan sát tối tân với
khả năng quan sát các nguyên tử, đổng thời lại là những công cụ
xác định chính xác thành phần và liên kết hóa học trong vật liệu, ở
những biến thể hiện đại, nhiều kính hiển vi điện tử có thể là công cụ
phân tích câu trúc điện từ hoặc thậm chí là các công cụ chế tạo các
linh kiện micro, nano vói độ chuẩn xác cực cao. Vì thế, kính hiển vi
điện tà hiện đang là những công cụ không thể thiếu cho các nghiên
cứu Vật lý, Vật liệu, Hóa học, Sinh học,... như một con mắt thông
minh và mạnh mẽ.
Trong bài giảng khai sinh ra ngành khoa học và công nghệ
nano "There's Plenty o f Room at the Bottom" vào ngày 29/12/1959 ở
Học viện Công nghệ Caliíomia (Caltech, Hoa Kỳ), nhà vật lý học
Richard Peynman (1918 -1988) đã dự đoán rằng ngành khoa học mà

ông giới thiệu trong bài giảng này (mà sau này là công nghệ nano)
chỉ có thể trở thành hiện thực nếu kính hiển vi điện tử được cải tiến
thành một công cụ mạnh mẽ. Dự đoán của Peynman là chính xác, vì
sau đó, sự phát triển của kỹ thuật hiển vi điện tử đã giúp con người
hiếu được cơ chế tạo thành tính chất của vật châ't ở thang nanomet,
giúp ích đắc lực cho công nghệ nano. Hoàn toàn không quá khi có
người cho rằng kính hiển vi điện tử là con mắt của khoa học và công
nghệ nano để nói lên tầm quan trọng của chúng.
Kính hiển vi điện tử, bao gồm SEM (rất phổ biến) và TEM (hiện
đại hơn và ít phổ biêh hơn SEM) đang ngày càng ưở nên phổ biến
trên tììế giới và đã xuâ't hiện ở Việt Nam trong nhiều năm qua. Một
số trường đại học và viện nghiên cứu ở Việt Nam cũng đã được ữang
bị SEM và TEM. Lý do TEM khó phổ biến hơn ở Việt Nam là vì nó


10

CÁC KỸ THUẬT HIỂN VI ĐIỆN TỬ VÀ VI PHÂN TÍCH TỪ

cơ BẢN ĐẾN ỨNG DỤNG...

là công cụ râ't đắt tiền (cả về giá thành và chi phí vận hành), phức
tạp, khó điều khiển và tốn kém trong việc duy trì thiê't bị. Nhu cầu
học tập một cách bài bản các kiến thức về TEM, SEM cũng ngày một
nhiều trong cộng đồng nhà nghiên cứu và sinh viên các ngành học
liên quan tới các kỹ thuật này trong khi các tài liệu tham khảo tiêhg
Việt còn khá hạn chế. Đó là động lực giúp chúng tôi biên soạn cuốn
sách này, vód mong muốn truyền tải những kiêh thức cơ bản và chúih
xác tới những nhà nghiên cứu và sữìh viên Việt Nam.
Tác giả đã cô' gắng ữình bày cuốn sách theo hình thức đơn giản,

sử dụng tối giản các biểu diễn toán học phức tạp, với mong muôn
độc giả có thể dễ dàng tiếp cận các kiến thức. Cùng với các kiến thức
nền tảng cơ bản về kỹ thuật, tác giả cũng cô'gắng trình bày các chi tiê't
kỹ thuật và những vâii đề mới trong nghiên cứu về các lĩnh vực này,
dựa trên những kinh nghiệm được tích lũy trong nhiều năm làm việc
trực tiêp trên TEM, SEM. Bên cạnh đó, đôi nét về lịch sử phát triến
của kỹ thuật và những vâh đề khoa học liên quan, cùng với sơ lược
về những nhà khoa học có đóng góp cũng được điểm qua theo dòng
phát triển của kỹ thuật. Sách củng được đi kèm với một sô'thuật ngữ
tiếng Ai-ửi để độc giả có thể phát triển kiến thức của mình qua những
tài liệu gốc tiếng Anh có châ't lượng.
Mặc dù tác giả đã rất cố gắng tuy nhiên, kiến thức thì mênh
mông mà kíiả năng cá nhân chỉ là râ't hạn chê', nên chắc chắn cuốn
sách không thể tránh khỏi những thiếu sót nhất định. Những ý kiến
đóng góp của độc giả luôn được hoan nghênh và cảm tạ.
Trân trọng!
Ngô Đức Thế


Lờỉ cảm ơn
Sự động viên và ủng hộ của gia đình, mà trực tiêp từ người
bạn đời Ngô Ngọc Lan và con trai Johnny là động lực lớn để tác giả
hoàn thành cuốn sách này. Lời cảm ơn đầu tiên xin được gửi tới họ.
Cuốn sách được hoàn thành nhờ sự hỗ trợ không nhỏ từ nhiều
người thân và đồng nghiệp. Tác giả xừi được gửi lời cảm ơn PGS.
Nguyễn Hoàng Hải (Phó Giám đốc Đại học Quôc gia Hà Nội) và TS.
Phạm Thị Trâm (Giám đốc Nhà xuất bản ĐHQGHN), những người
đã dành sự ủng hộ to lớn để cuốn sách được xuâ't bản. Tác giả cũng
xũì gửi lời cảm ơn TS. Nguyễn Xuân Xanh, Chủ nhiệm Diễn đàn
Humbodlt đã dành nhiều sự động viên và ủng hộ để cuôn sách

được hoàn thành.
Lời cảm ơn tiếp theo xin được dành cho những độc giả đầu tiên
của bản nháp cuốn sách với những lời góp ý chân thành và rất thực
tế. Những độc giả đầu tiên này bao gồm bạn Trần Thu Thủy, một
nhà nghiên cihi trong lĩnh vực hóa dược, anh Hoàng Đức Quang,
một nhà nghiên cứu vể lĩnh vực vật liệu,... và một số bạn bè khác.
Sau cùng là lời cảm ơn gửi tới tất cả những bạn bè, đồng nghiệp
và người thân đã cổ vũ tác giả viết cuốn sách này.
Tác giả


Chương 1

ĐIỆN TỬ, SÓNG ĐIỆN TỬ VÀ CẤU TRÚC VẬT CHÁT
■

7

«

■

Điện tử, hạt cơ bản cấu thành nên thế giới vật chất, là một phđn của
vỏ nguyên tử. Điện tử được biết đến từ cuôĩ thể kỷ XIX, còn sóng điện
tử được chính thức ghi nhận vào đẩu thếkỷ XX. Sóng điện tử chính là
thành tố chiếu sáng cho các hệ quang học điện tử, công cụ quan sát thê'
giới với độ phân giải siêu cao, cao hơn bất cứ phương tiện quan sát cấu
trúc nào. Chương này sẽ làm nền tảng cho các chương sau, đưa đến cho
bạn đọc những kiến thức đẩu tiên vê'cấu trúc nguyên tử, điện tử, sóng
điện tử và cấu trúc vật chất.

Điện tử và sự phát hiện ra điện tử
1.1. Sự phát hiện ra điện tử
Nguyên tử, một thành phần tạo nên vật châ't đã được con người
biết đến tò rất lâu. Mãi đến đầu thế kỷ XIX, người ta vẫn tin rằng
nguyên tó như những hòn bi đặc. Những hiện tượng tĩnh điện bắt
đầu khiến nhiều rửià khoa học đặt câu hỏi về thực châ't nguyên tử là
gì. Cho tới đầu thế kỷ XIX (khoảng thời gian tò 1838 tới 1851), một
nhà khoa học người Anh là Richard Laming^ đưa ra một mô hình
về nguyên tử rằng nguyên tử có câu tạo là một nhân đặc vód lớp vỏ
bao gồm các phần mang điện tích âm và dương (Laming, 1845). Lý
thuyết của Laming không gây nhiều ảnh hưởng tới giới khoa học,
nhvmg cũng có thể xếp vào những công trình đầu tiên về câu trúc
nguyên tử.
Richard Laming (1798-1879), một nhà phẫu thuật, kiêm nhà phát mứìh, nhà hóa học
và triết học tự nhiên người Anh. Lý thuyết vê' nguyên tử của ông phần lớn đến từ
những nghiên cứu về điện tử của Michael Paraday.


14

CÁC KỸ THUẬT HIỂN VI ĐIỆN TỬ VÀ VI PHÂN TÍCH TỪ

cơ BẢN ĐẾN ỨNG DỤNG...

Năm 1874, một nhà vật lý người Ireland là George Stoney ' đã
đưa ra một giả thiết rằng trong vật châ't nhâ't định sẽ tồn tại một
thành phần mang điện tích đơn vị tạo nên các hiện tượng điện, và
thành phần này có liên kết với nguyên tử, và không thể tách rời ra
khỏi vật châ't. Và ông gọi tên các thành phần này là "elecirolion",
và sau đó ông đổi lại tên gọi là "electron" (Stoney, 1894). Cái tên

electron được nhà vật lý học người Hà Lan là Hendrik Lorentz^
chính thức sử dụng và cố định trong lý thuyết điện động lực học nổi
tiếng của ông (Lorentz, 1906), và được giới khoa học giữ lại làm tên
gọi cho hạt điện tử (mặc dù mô hình của Stoney không chính xác).
Trong thời gian từ năm 1869 cho tới năm 1876, nhiều nhà vật lý
ở Anh và Đức đồng thời phát hiện ra sự phát các tia cathode trong
môi trường khí kém, và đặc biệt là những đóng góp của các nhà
vật lý ở Anh, VVilliam Crookes (người đã phát minh ra ôhg phát tia
cathode trong chân không cao)/ Arthur Schuster (người đã dùng
bản cực tụ điện để chỉ ra rằng tia cathode bị lệch dưới điện trường
và ước tính tỉ sô' điện tích trên khối lượng của tía cathode)/ Sự tồn
tại của điện tử như một hạt mang điện chính thức được khẳng định
bởi rứìững nghiên cứu của nhà vật lý học Joseph ITiomson vào
George Johnstone Stoney (1826 - 1911), một nhà vật Ịý người ĩreland, lò giáo sư vật lý
ở Queen's ưniversity of Ireland (ngôi tnrờng sau này được tách thành ba trường là
Queen's ưniversitv Belíast ở Belíast University CoOege Cork ở Cork và National
University of Ireland, Galway).
Hendrik A. Lorentz (1853 -1928), nhà vật lý hục vĩ đại người Hà Lan, vởi nhiều công
tràih lý thuyết về điện động lực học, và nổi bật rdìất là nhữỉig công thức chuyển đổi
Lorentz được Einstein sử dụng trong lý thuyết tương đối hẹp.
Sir William Crookes (1832 - 1919), một nhà vật iv, hóa học người Anh ờ ỉmperiaỉ
Colỉege London (khi đó, ngôi trường này mcVi ỉà Royal College of Cheiĩiistry).
Sir Fraiìz Arthur Priedrich Schuster (1851 -1934), một nhà vật ]ý người Anli gốc Đức,
làm việc tại Đại học Manchester (khi ấy, ngôi trường này mới có tên gọi là Owen
College). Schuster giữ ghế giáo sư vặt lý Langworthy ờ Owen Collge (sau khi từng
làm việc với Maxwell, Rayleigh,...). ông là người tiến cử Ernest Rutherford kế nhiệm
ông giữ chức giáo sư này với khẳiig định Rutherford sẽ thành công (và điều nàv là rất
chírử\ xác).

Chương 1. Điện tử, sóng điện tử và cấu trúc vật chất

15

nàm 1896.' J.J. Thomson đã cùng với hai cộng sự khác là John Sealy
Townsend (1868-1957) và Harold A. Wilson (1874-1964) hoàn thành
nghiên cứu về tia âm cực (tia cathode) để kết luận tia âm cực là một
chùm hạt cơ bản mang điện tích âm, là một phần của nguyên tử, mà
sau đó được gọi là "electron" Lorentz là người đề xuất đặt tên gọi này
dựa trên đề xuâ't của Stoney. Phát hiện này nằm trong đề tài nghiên
cứu của Thomson về sự dẫn điện trong môi trường khí mà ông mâ't
tód 12 năm theo đuổi kể từ khi bắt đầu được bổ nhiệm làm giáo sư
ở Cambridge. Thomson ngay từ đầu tữi rằng tia âm cực phải là một
chùm hạt, nhvmg nhiều nhà khoa học ở Châu Âu thời đó coi rằng tia
âm cực là một nhiễu loạn ether {etherial disturbance). Nhà vật lý ngưòd
Đức Hemrich R. Hertz (1857-1894) đã từng nghiên cứu và phát hiện
rằng tia âm cực có thể đi xuyên qua các bản kim loại mỏng. Nhưng
Herzt lại thực hiện sai thí nghiệm và cho rằng tia âm cực không bị bẻ
cong bởi điện từ trường.

Hình 1.1. Joseph Thomson trong phòng thí nghiệm của ông ở Cambrìdge,
và hình ảnh chụp tia cathode bị bè cong trong điện từ trường • di sàn của
Thomson còn được lưu lại (hình từCavendish Laboratory).

Sir Joseph John Thomson (1856 - 1940), là giáo sư vật lý thực nghiệm Cavendish ở
Đại học Cambridge (Anh), ông từng theo học vật lý ở Owen College và những nghiên
cứu cùa Arthur Schuster đã truyền cảm hứng rất lớn cho ông đề tìm ra hạt điện tử.
Thomson là một nhà khoa học vĩ đại một nhà lãnh đạo xuất chúng đã đưa Cavendish
Laboratory trở thành một trường phái vật lý hàng đầu thế giới, là một nhà sư phạm lỗi
lạc với 7 học trò đạt giải Nobel và 17 học trò là những nhà vật lý danh tiếng ủ\ế giới

(bàn thân ông được trao giải Nobel nám 1906 cho phát hiện của ông về điện tử).


16

CÁC KỸ THUẬT HIỂN VI ĐIỆN TỬ VÀ VI PHÂN TÍCH TỪ

cơ BẢN ĐẾN ỨNG DỤNG...

Công trình của nhóm Thomson (J. J. Thomson, 1897) đã chi ra
rằng, tia âm cực có thể bị bẻ cong bởi điện trường (khi cho tia âm
cực đi qua điện trường giữa hai bản kim loại). Hertz cũng từng
làm tương tự nhưng ông đã sai lầm khi duy trì áp suất khí trong
Ống quá lớn làm cho vùng khí giữa hai bản kim loại bị ion hóa
do điện trường, khiến cho điện trường bị giảm mạnh và tia âm
cực khi đó bị bẻ cong rất ít nên Hertz đã không thể phát hiện ra
sự bẻ cong đó. Thomson đã hút chân không cao trong ống tia âm
cực, và quan sát thây tia âm cực bị hút về phía bản kim loại mang
điện tích dương, (có nghĩa là tia âm cực phải mang điện tích âm).
Thomson còn bô' trí các cuộn dây có dòng điện chạy qua (các cặp
cuộn dây đôl xứng cho phép tạo ra từ trường đều), và đã quan
sát tia âm cực bị bẻ cong thành một cung tròn do tác động của từ
trường. Thomson đã bố trí các bản kim loại (tạo điện trường) và
cuộn dây (tạo từ trường) sao cho tác động của từ trường và điện
trường lên tia âm cực là ngược chiều nhau và bù trừ nhau. Điều
này cho phép xác được vận tốc của chùm tia âm cực là tỉ sô' của
điện trường và từ trường: V = E/B (J. J. Thomson, 1897). Thomson
đã đo đạc điện tích riêng của hạt này (nó lớn hơn 2000 lần so với
điện tích riêng của ion hydro), và khẳng định hạt này nhẹ hơn
hydro tới 2000 lần. Thử nghiệm tia âm cực sinh ra bởi nhiều loại

cathode khác nhau, Thomson đã đi đến kết luận tia âm cực được
câu thành bởi một loại hạt mang điện tích riêng, phổ quát trong
vũ trụ, là một thành phần của nguyên tử, và dường như nằm ờ lóp
vỏ của nguyên tử. Có thể nói rằng công trình của Joseph Thomson
đã lật ra bộ mặt thật của tia âm cực, ỉà nó được cấu tạo bởi các hạt
mang điện tích âm (mà chúng ta sau này được biêì; đó là điện tử,
hạt mang điện tích nguyên tô), là một phần của ngu 5^ên tử. Tuy
ỉà người kê't luận chính thức về sự tổn tại của điện tử như một
hạt mang điện tích âm, là một thành phẩn của nguyên tử, nhưng
J. ]. Thomson cũng chưa đưa ra được vị trí của điện tử trong nguyên
tử là gì (J. J. Thomson, 1904). Thomson cũng tin rằng nguyên tử
như một hòn bi đặc mà điện tử như một phần trong đó, như là
những hạt nho trộn lẫn trong chiếc bánh pudding.


17

Chiơng 1. Điện tử, sống điện tử và cấu trúc vật chất
Hat tán xa mạnh

Hạt tán xạ yếu
(a)

(c)
Hạt nhân (+)

ỳ

Điện tử (-)
Màn huỳnh quang

Nguồn phóng xạ

Hình 1.2. (a) Thí nghiêm chùm tia alpha bắn phá lá vàng mỏng của Rutheríord,
(b) so sánh hệ quả của chùm alpha chiếu qua nguyên tử nếu có cấu trúc kiểu
mô hình Thomson (không có tán xạ), và cấu trúc kiểu lõi (điện tích dương) và vỏ
(điện tích âm) thì có tán xạ, và (c) mẫu hành tinh nguyên tử của Rutheríord với
lõi hạt nhân mang điện tích dương và vỏ điện tử chuyển động quanh hạt nhân
như các hành tinh trong hệ Mặt trời (hình chỉnh sửa từ TutorVista.com).

Nhân loại phải chờ tới gần 15 năm (kể từ ngày điện tử chính
XEC

được xác nhận từ năm 1897) khi Emest Rutheríord tiến hành

thí nghiệm cho một chùm hạt alpha (hạt nhân He) bắn phá một lá
vàng, và quan sát sự tán xạ của các hạt alpha tán xạ trên nguyên tử
(Rutheríord, 1911).^ Kết quả này khẳng định nguyên tử gồm hai
phần: một phần nhân mang điện tích dương chiếm phần lớn khối
luợng nguyên tử, tập trong vào lõi rất nhỏ (hạt alpha bị tán xạ trên
pliần hạt nhân), phần vỏ mang điện tích âm. Dựa trên thí nghiệm
nay/ Rutherford đã đề xuất ra mô hình nguyên tử (thường được gọi
là mẫu hành tinh nguyên tử - hình 1.2), với các điện tử xoay xung
quanh hạt nhân rửiư các hành tinh (Rutheríord, 1911). Tất nhiên, mô
hình này cũng chưa hoàn thiện và sau này nó tiếp tục được bổ sung

Emest Ruữierford (1871 -1937), nhà vật lý người Anh gốc New Zealand, giáo sư vật lý
Langworthy ở Đại học Manchester (1907 - 1919). Rutheríord là học trò của Joseph
Thomson ở Cambridge, nhận giải Nobel Hóa học (1908) nhò tìm ra hạt alpha trong
phóng xạ là hạt nhân helium. Từ năm 1920-1937, ông là Giám đốc PTN Cavendish ở
Cambridge.

Trong khoảng từ năm 1908-1913, thí nghiệm của Rutheríord nhiều lần được lặp lại
ở Manchester bởi hai học trò của Rutheríord là Hans Geiger và Em est Marsden để
đưa ra sự phân tích tỉ mi về sự tán xạ của các hạt alpha, beta trên vật châ't. Xem thêm:
H. Geiger, E. Marsden, "On a Diffuse Re/lection of the a495-500 (1909) 2Frspa.l90^.(J(j^f^Q y ^ M TH ÔN G TIN


18

CÁC KỸ THUẬT HIỂN VI ĐIỆN TỬ VÀ VI PHÂN TÍCH TỪ

cơ BẢN ĐẾN ỨNG DỤNG...

bởi các mô hình của Niels Bohr,’ và cuôl cùng là mô hình cơ học
lượng tò với lớp vỏ nguyên tử là các đám mây điện tử (hình 1.2),
nhưng mô hình của Rutheríord chính thức xác lập điện tử là thành
tố ở lớp vỏ nguyên tử.
1.2. Đặc trưng của điện tử
Cho đến ngày nay, điện tử chẳng còn xa lạ gì với nhân loại, và
bạn có thể đọc được thông tin về nó ở vô vàn các sách giáo khoa vật
lý. Điện tử là một hạt cơ bản hạ nguyên tử mang điện tích nguyên tô'
và thuộc nhóm các hạt cơ bản íermion (spin bán nguyên, tuân theo
phân bố Permi), có phản hạt là hạt positron, là hạt dẫn điện cơ bản,
có những đặc trưng như bảng 1.1.
Bảng 1.1. Những đặc trưng tĩnh của điện tử

2.

Khối lượng

kg

9.10938356x10-3'

Điện tích

c

-1.602176565x10-18

Mômen từ
Spin

Bohr magneton

-1,001159652
’/2

Sóng điện tử và sự phát xạ điện tử
Khi mới được phát hiện, điện tử được coi là một hạt inang điện

tích âm; là thành phần của vỏ nguyên tử, là hạt tải điện cơ bản, là
phần tương tác chứih trong các phản ứng hóa học,.. Vị trí của nó
trong nguyên tử được hiểu rõ hơn nhờ sự phát triên của cơ học lượng
tử, mà ở đó, chuyến động của điện tà trong nguyên tử không còn
rõ ràng như các quỹ đạo xác định như mô hình a ia Rutheríord hay
Bohr. Thay vào đó, người ta coi rằng lớp vỏ điện tử của nguyên tử có
dạng là các đám mây điện tử (orbital), mà hình dạng của các đám mây
này tạo nên tìi' xác suâ't có mặt của điện tử trong quá trình chuyển
động. Tứih toán hình dạng các orbital này dựa ữên khái niệm sóng,
mà ở đó chuyêh động của điện tử được coi rửiư một sóng.

^ Niels Henrik David Bohr (1885 - 1962), n h à vật lý vĩ đại ngiTÒá Đan Mạch, người đặt
nền móng cho cơ học lượng từ. Bohr từng làm việc ở Manchester dưới sự hướng dẫn
của Rutheríord.


Chương 1. Điện tử, sóng điện tử và cấu trúc vật chất

19

2.1. Sóng điện tử
Bản chất sóng của vật chất nói chung và điện tử nói riêng
xuâ't phát từ cơ học lượng tử, mà người đầu tiên đề ra ý tưởng này
là Louis de Broglie/ trong luận án tiến sĩ của ông năm 1924 (de
Broglie, 1924) ở Đại học Paris (Pháp). Theo giả thuyết này, mọi vật
châ't chuyển động có thể coi như một sóng mà ở đó với bước sóng
(A,) liên hệ vói xung lượng (p) theo hệ thức:
( 1 .1)

p
Vói V là vận tốc chuyển động của h ạ t m là khối lượng (cụ thể
ở trường hợp này là khôi lượng điện tử), h = 6,625.10'^“ J.s là hằng
số Planck.
Bảng 1.2. Giá trị của sóng điện tử ờ một số thế tăng tốc khác nhau

Thế tăng
tốc (kV)

Bước sóng khi
không kể hiệu ứng
tương đối tính (nm)

Bước sóng khi tính đến
Khối lượng
hiệu ứng tương đối
động (xm j
tính (nm)

100

0.00386

0.00370

1.196

1.644

120

0.00352

0.00335

1.235

1.759

200

0.00273

0.00251

1.391

2.086

300

0.00223

0.00197

1.587

2.330

400

0.00193

0.00164

1.783

2.484

1000

0.00122

0.00087

2.957

2.823

Vận tốc
(x10« m/s)

Vói trường hợp của điện tử, ta có thể ưóc tính được bước sóng
của sóng điện tử như một bài toán đơn giản dưới đây. Nếu xét một
điện tử chuyển động trong điện trường có hiệu điện th ế v thì nó sẽ
thu được động năng là:
£ k = ±2>^m ey = e V

(1.2)

Thay thế (1.2) vào (1.1), bước sóng điện tử thu được sẽ là:
h
h
x=
(1.3)
m V ^2m^eV
^ Louis-Victor-Pierre-Raymond de Broglie (1892 - 1987), một nhà vật lý ngưòà Pháp,
một trong những người đặt nền móng cho Cơ học lượng tử. Công trình của ông được
trao giải Nobel Vặt lý năm 1929.


20

CÁC KỸ THUẬT HIỂN VI ĐIỆN TỬ VÀ VI PHÂN TÍCH TỪ

cơ BẢN ĐẾN ỨNG DỤNG...

Nêu điện tử chuyển động với vận tốc râìt lớn tới gần vận tôc
ánh sáng (ví dụ như điện trưcmg tăng tốc trên 100 kV) thì hiệu xing
tương đối tính sẽ trở nên rất đáng kể. Và khi đó, bước sóng của sóng
điện tử sẽ khác đi đôi chút so với công thức (1.3) vì được bổ chính
thêm hiệu lÌTig tương đô'i tính (VVilliams & Carter, 2009);
(1.4)

1/2

Im eV

1 + eV
2m ỵ ^

Bảng 1.2 trên đây ước tính bước sóng của sóng điện tử ở một số giá
trị ửiếtăng tốc khác nhau: nó cho ửiây hiệu ứng tương đối tính ữở nên rõ
nét đối với tììếtăng tôc cao như ử\ếnào (VVilliams & Carter, 2009).

Súng phóng điện tử
Ghi nhận điện tử

(c)

ị
Tinh thề Ni

l ị

ỉ ị ị _ ..

i-N rm Ẳ
W | Ỵ | Y r p w 1.
^ .1
I l a Xí i Xì II Ị 4-]'ỉí í 'ệ ĩX2. 491 'ấ ? Ì'si. 9
èí'éi'ỉtỉ'ử
ír^'3íĩ'vfĩ
A2tM
crmAM
ỉit
X 2.

.V -

ĩí .

^

^

Hình 1.3. (a,b) Thí nghỉệm nhiễu xạ điện tử và ảnh nhiễu xạ thu được trong
thí nghiệm nảm 1927 của G. R Thomson (G. p. Thomson, 1927);
(c,d) thí nghiệm nhiễu xạ điện tử và phổ nhiễu xạ thu được bởi
c. Davisson và L. Germer (Davisson & Germer, 1927).

Giả thuvê't về sóng vật châ't của de Broglie ngav lập tức được

kiếm chứng chỉ vài năm sau khi nó được công bố và điện tử chính
là đối tượng được sử dụng. Năm 1927, hiện tượiig nhiễu xạ điện
tử (một tính chất cơ bản của sóng vật chất) được độc lập quan sát
bằng thực nghiệm ở Vương quốc Anh (bởi George Paget Thomson


21

Chưdng 1. Điện tử, sóng điện tử và cấu trúc vật chất

ỏ Đại học Aberdeen, Scotland)^ và ở Mỹ (bởi Clũìton Davisson^ và
Lester Germer’ ở Bell Labs). G. Thomson đã sử dụng một chùm tia
cathode chiếu tới một tấm mỏng celluloid có chiều dày 30 rưn, và ghi
nhận được các vân tròn nhiễu xạ trên một tâm phim quang học đặt
sau tấm mỏng celluloid ở khoảng cách IG cm (G. p. Thomson, 1927) hình 1.3(a,b). Đây chính là sự nhiễu xạ điện tử tương tự như ở kính
hiển vi điện tử truyền qua sẽ được miêu tả chi tiết hơn ở chương 2.
Trong khi đó, nhóm của Davisson và Germer đã cho một chùm
điện tử chiếu phản xạ trên bề mặt của một tinh thể Ni và cũng
thu được những hình ảnh nhiễu xạ (Davisson & Germer, 1927)
- hình 1.3(c,d). Phương pháp của Davisson và Germer hiện nay
được phát triển thành kỹ thuật nhiễu xạ điện tử năng lượng cao phản
xạ {Reflectỉon High Energy Electron DỈỊỷraction, RHEED - hình 1.4),
hoặc nhiễu xạ điện tử năng lượng thâp {Loĩv energy electron
diffraction, LEED) được sử dụng nhiều trong các phân tích bề mặt
(Laukkanen, Sadowski, & Guina, 2012; Price, 2003).
2D-tike

3D-10-2D

Isiand

Quayvà đỗt mẳUs.

(a)
Kiếm soát dòng phân tứ

Ị
{RHEED}
Ị
Ị
,-e=^ 1=3-.

Buông chân
/không siêu cao

cứa ngăn các

guồn vật liệu

Chuyến mẫu—

Cửa sổ quan sát
Giá mẩu

M ànquansátphổ
RHEED

Hình 1.4. (a) Nguyên lý một hệ chế tạo màng mỏng bằng phương pháp epitaxy chùm
phân tửiMolecularbeam epitaxy-MBE) sửdụng nhỉễu xạ điện tửRHEED như
một công cụ phân tích trực tiếp chất lượng màng ngay trong quá trình mọc

màng (hình từ Openstax CNX), và (b) một phổ RHEED được ghi trong quá
trình mọc màng
trên đế SrTiOj (Moyer, Gao, Schiffer, & Martin, 2015).

Sir George Paget Thomson (1892 - 1975), là giáo sư vật lý ở Đại học Aberdeen, một
nhà vật lý học người Anh. ông chính là con trai của nhà vật lý Joseph Thomson
đã phát hiện ra điện tử. Phát hiện ra hiện tượng nhiêu xạ điện tử đã đưa đến cho
G. Thomson giải Nobel Vật lý năm 1937 (chia giải cùng Davisson).
Clinton Joseph Davisson (1881 -1958) là một nhà vật lý ngưòâ Mỹ, làm việc ở Bell Labs.
Lester Germer (1896 - 1971) là một nhà vật lý người Mỹ, làm việc ở Bell Labs cùng
với Davisson trong nghiên cứu về tứứì chất sóng điện tử.


22

CÁC KỸ THUẬT HIỂN VI ĐIỆN TỬ VÀ VI PHÂN TÍCH TỪ

cơ BẢN ĐẾN ỨNG DỤNG...

2.2. Phát xạ điện tử
Sự phát xạ điện tử được các nhà vật lý học nghiên cxiu từ trước
khi điện tử được phát hiện. Năm 1837, Michaeal Paraday' lần đầu
tiên chỉ ra những tia hổ quang sinh ra từ cathode và kê't thúc ở
anode (Paraday, 1837), có thể coi như bằng chiỉng thực nghiệm
đầu tiên về các hiện tượng phát xạ điện tử. Hiện tượng này được
Heinrich Geissler^ ứng dụng để tạo ra các ống Geissler, là các ống
phát sáng do phóng điện trong môi trường khí kém. Vào khoảng
những năm 1870, William Crookes đã phát triển các ôhg Geissler
thành một linh kiện phát xạ điện tử, gọi là các ông Crookes, mà
n g ày nay thường gọi là các ống phát tia cathode {cathode ray tube).

Ong này là một ống chân không cao, mà sử dụng một điện thế cao
áp đặt vào giữa cathode và anode, cho phép phát ra các tia âm cực
chạy từ cathode đến anode. ố n g Crookes là một linh kiện nhiều nhà
khoa học sử dụng để nghiên cứu bản châ't về tia âm cực, và giúp cho
. J. Thomson tìm ra điện tử.
Cực âm

Cực dương

*

(a) ựấmì
Hình 1.5. (a) Hình vẽ linh kiện diode bóng chân không trong bằng phát tninh sáng chế
của Pleming (Fleming, 1904), (b,c) sự hoạt động cùa diode khi trong nguồn
điện (b) không có dòng điện, (c) có dòng đĩện và (d) ảnh chụp diode đẩu tiên
của Flemìng (ảnh từ wikipedia.org).

Michael Paraday (1791 - Ỉ867), nhà vật lý, hóa học thực nghiệm người Anh, người
đã có những đóng góp vl đại trong các nghiên cứu về các hiện tượng điện, từ, điện
hóa, quang học,.. Michael Paraday có thể coi là nhà vật lý có những nghiên aVu ảnh
hưởng nhiều nhất cho nhân ỉoại ở cuối thế kỷ XIX, đầu ứìếkỳ XX.
lohan Heinrich VViỉhelm Geissler (1814 -1879), một nhà vật Iv học ngưòi Đức.


23

Chưdng 1 . Điện tử, sóng điện tử và cấu trúc vật chất

Năm 1873, Prederick Guthrie’ ở London đã phát hiện ra rằng

các hạt sắt nóng đỏ luôn bị mất điện tích âm (Guthrie, 1873) và
đây là nguồn gốc của tia cathode (âm cực), và đây chính là hiện
tượng phát xạ nhiệt điện tử. Phát hiện này giúp cho John Ambrose
Pleming,^ một nhà nghiên cứu làm việc dưới sự hướng dẫn của
Guthrie phát minh ra linh kiện điện tử đầu tiên, diode nhiệt điện tử
(hình 1.5) và bằng phát minh sáng chế của ông được cấp vào năm
1904 (Pleming, 1904). Linh kiện này (xem hình 1.5) bao gồm hai điện
cực, âm cực và dương cực đặt trong ống chân không cao. Âm cực
được đốt nóng bởi một nguồn điện cho phép phát xạ các điện tử.
Khi đặt vào hiệu điện thế dương giữa dương cực và âm cực [hình
1.5(c)], dòng điện sẽ dễ dàng tạo ra do điện tử phát xạ và chuyển
động ngược chiều điện trường (từ dương cực tới âm cực). Ngược
lại, nếu điện thế đổi chiều, điện tử không thể chuyển động từ âm
cực tód dương cực do điện trường hút lại và không tạo ra dòng điện
[hìrửi 1.5(b)]. Linh kiện điện tử bóng chân không được dùng trong
các mạch điện tử cho tới tận giữa thếkỷ XX trước khi bị thay thếbởi
linh kiện bán dẫn được phát minh năm 1947.
Owen Richardson^* là người đã xây dựng các quy luật vật lý
của hiện tượng phát xạ nhiệt điện tử và nhận giải thưởng Nobel
Vật lý năm 1928 cho những đóng góp này. Năm 1901, Richardson
đã phát biểu định luật phát xạ nhiệt điện tử (sau này được gọi là
địrửi luật Richardson) mà ở đó cường độ dòng điện tử phát xạ (/) là
một hàm của nhiệt độ cathode (T) theo dạng thức của phương trình
Arrhenius (Richardson, 1901):
-W

Prederick Guthrie (1833 - 1886)/ một nhà vật lý, hóa học người Anh, là giáo sư của
Imperial College London. Guthrie đã hướng dẫn John A. Pleming tiến hành các
nghiên cứu về điện.
Sir John Ambrose Pleming (1849 -194), một nhà vật lý và kỹ sư điện người Anh, đã có

những đóng góp lớn trong kỹ thuật điện tử chân không với các phát minh về diode
và triode bóng chân không.
Owen VVillans Richardson (1879 -1959), một nhà vật lý học người Anh. ông công bố
công trình lý thuyết về hiện tượng phát xạ nhiệt điện tử khi vừa tốt nghiệp đại học
(Trinity College, Đại học Cambridge).


cơ BẢN ĐẾN ỨNG DỤNG...

24

CÁC KỸ THUẬT HIỂN VI ĐIỆN TỬ VÀ VI PHÂN TÍCH TỪ

với

là một tham số vật liệu, w là công thoát nhiệt,

là hằng sô'

Boltzmann. Ban đầu, người ta chỉ xác định được rằng
hằng

SỐ

là một

- hằng sỐRichardson (Crowell, 1965).
= Ag =

= 1.2 X10' (A.m-2K-2)

Tuy nhiên, các nghiên cứu về sau cho thây rằng

(1.6)
thay đổi tùy

theo tàng vật liệu, tham số khôi lượng điện tử trong công thức (1.6)
sẽ được thay bằng khôi lượng hiệu dụng. Và khi đó, người ta có
hằng sô' Richardson hiệu dụng thay đổi theo từng vật liệu và từng
hướng khác nhau của tinh thể (Crowell, 1965):
(1.7)
Với các tham số r và Ằ,g đặc trưng cho vật liệu và các hướng
tinh thể khác nhau, và hai tham số này chính là yếu tô' dẫn tới việc
h ằn g SỐ Richardson th ay đổi theo từ n g v ật liệu.

Bảng 1.3 dưới đây thống kê hằng sô'Richardson cho một sô' loại
vật liệu. Nhìn vào bảng 1.3, bạn có thể thây w, Ta, Mo là các kim
loại có khả năng tốt dùng cho các cathode phát xạ nhiệt điện tử, bởi
chúng có nhiệt độ nóng chảy cao (tức là có khả năng chịu được sự
đốt ở nhiệt độ cao), có công thoát trung bình và hằng số Richardson
cao. Trong nhóm này, w là tối ưu hơn cả vì tuổi thọ của dây tóc w là
tô't nhất. LaBg {Hexaboride Imrthanum) là vật ỉiệu phổ biêh nhâ't hiện
nay cho các nguổn phát xạ nhiệt điện tử. Nó có công thoát thâ'p hơn
so với w nên chỉ cần đốt ở nhiệt độ thấp hơiì, do đó cho phép tăng
tuổi thọ cathode lên gấp 10-15 lần so với w, và đồng thòi nó cho
chùm điện tò có độ sáng gâp 10 lần so với w. Cesium có công thoát
thấp (rất dễ phát xạ) đổng thời hằng số Richardson rất cao, nhưng
nó lại không khả dĩ cho việc dùng làm cathode phát xạ vì nhiệt độ
nóng chảy quá íhâp (khoảng xung quanh nhiệt độ phòng).

Chíớng 1. Điện tử, sóng điện tử và cấu trúc vật chất

25

Bảng 1.3. Hằng số Richardson, nhiệt độ nóng chảy và công thoát
ở một số vật liệu khác nhau (Gao, Li, & Sammes, 2011)
Vật liệu

Nhiệt độ
nóng chày (K)

Công thoát
(eV)

Hằng số Richardson
(A.cm-^K-=')

1000

2,1

60

1,6

1,5

Barium
Berium/W

Cesium

301,7

1,8

160

CsO

2670

0,8

10-

Iridium

2719

5,4

170

Molybdenum

2896

4,2

55

Nbkel

1728

4,6

30

Platinum

2041

5,3

32

Tantalum

3290

4.1

60

Rhenium

3459

4,9

100

Thorium

2023

2,6

3.0

Tingsten (W)

3695

4,5

60

LaB,

2480

2,7

40

Hiện tượng phát xạ nhiệt điện tử được Richardson mô tả là sự
phát xạ điện tó thuần túy do nhiệt, mà ở đó, năng lượng nhiệt (đốt

cathode) được dùng cho hai việc: (1) cung cấp cho điện tử năng
lượng đế thoát ra khỏi liên kết với bề mặt cathode, (2) cung câp cho
điện tử một động năng ban đẩu để bật ra ngoài bề mặt cathode,
tạo thành dòng phát xạ. Năm 1914,

w. Schottky'

đã bổ sting vào

phương trình Richardson phần phụ thuộc vào điện trường, mà ở
đo, điện trường đặt vào cathode có thể làm tăng cường sự phát xạ
điện tử (Schottky, 1914):
J = A J^ e

^

^

Mà ở đây, thành phần Aw là sự đóng góp của điện trường ngoài
(£) vào sự phát xạ nhiệt điện tử:
AW =

e^E

(1.9)

^ Walter Hermann Schottky (1886 - 1976), một nhà vật lý học ngưòd Đức, có nhiều
đóng góp cho các nghiên cứu vể bán dẫn, vật lý kỹ thuật.

26

CÁC KỸ THUẬT HIỂN VI ĐIỆN TỬ VÀ VI PHÂN TÍCH TỪ

cơ BẢN ĐẾN ỨNG DỤNG...

Sự phát xạ này được gọi là sự phát xạ Schottky, và ngày nay
là một hiệu ling quan trọng trong các nguồn phát điện tử cho các
kính hiển vi điện tử. Hiệu ling phát xạ Schottky là sự lai giữa phát
xạ trường và phát xạ nhiệt giúp tạo ra các nguồn phát điện tử hoạt
động ở nhiệt độ thâp hơn (tuổi thọ dài hơn) so với nguồn phát xạ
nhiệt, có độ sáng lớn hơn rất nhiều đổng thời có độ đơn sắc tốt hơn
nhiều so với nguồn phát xạ nhiệt.
Một hiện tượng phát xạ điện tử khác cũng đóng vai trò vô cùng
quan trọng trong việc chê'tạo các nguồn phát điện tử là hiện tượng
phát xạ trường (fieỉd emission). Hiện tượng này đã được quan sát
thây một cách đơn giản tà thế kỷ XIX dẫn tới việc phát hiện ra
điện tử, nhưng chưa được hiểu một cách rõ ràng. Khi một điện
trường mạnh được đặt vào giữa anode và cathode, nó sẽ dẫn tới
việc phát xạ các điện tử ở cathode (do sự kích thích của năng lượng
đến từ điện trường). Vật lý của hiệu ứng này được hiểu rõ nhờ các
mô tả toán học vào năm 1928 bởi Fowler' và Nordheim^ (Fowler &
Nordheim, 1928). Bản chất của hiệu ứng phát xạ trường ở các kim
loại là sự chui hầm của các điện tử {Fowler-Nordheim tunnelling) ở

gần mức Fermi khi điện trường (E^) đặt vào có cường độ đủ lớn.
Và việc này chỉ có thể xảy ra được khi cathode được đặt trong chân
không. Cường độ dòng điện tử phát xạ sẽ được cho bởi phương
trình Fowler - Nordheim (Fowler & Nordheim, 1928);
/=

ở đây,

(1.10)

ỉà h ằng số p h át xạ tùy th u ộc vào vật liệu, (p là công

thoát điện tử, B = 6,12,10® là hằng sô' Hiệu ứng phát xạ trường cũng
xảy ra trong sự phát xạ Schottky, khi đó, năng lượng nhiệt và năng
lượng điện truxmg cùng đóng vai trò kích thích. Khi điện tnròng đủ
ỉớn, sự phát xạ do điện trường ữở nên chiếm ưư thế, Hoặc ở một số
‘ Sir Ralph Howard Fowler (1889 -1944), một nhà vật ìý, thiên văn học ngưòd Anh, là
giáo sư Đại học Cambridge. Fowler chmh là người hướng dẫn khoa học của nhà vật
lý học Paul Dirac.
^ Lothar Wolfgang Nordheim (1899' 1985), một nlià vật lý người Mỹ gốc Đức. ôn g ỉà
giáo sư của Đại học Duke.


Chướng 1. Điện tử, sóng điện tử và cấu trúc vật chất

27

vật liệu trong điều kiện chân không siêu cao, sự phát xạ trường có
thể xảy ra mà không cần tới sự đốt nóng catììode. Đó là sự phát xạ
trường lạnh {coldỷield emission). Cách thức để làm tăng điện trường
phát xạ là chế tạo cathode sao cho nó có dạng mũi nhọn có kích thước
mũi nhọn cực nhỏ, như một chỏm cầu (bán kúih r), và khi đó, điện
trường kích thích sẽ phụ thuộc vào thếkích thích {V ) theo công thức:
F
3.

(1-11)

Sự ghi nhận điện tử
Điện tử có thể được ghi nhận bằng nhiều cách thức khác nhau

tùy theo mục đích và cơ chê'sử dụng điện tử. Trong các thiết bị hiển
vi điện tử, điện tử được ghi nhận bằng các camera, các cảm biến ghi
nhận điện tử với mục đích ghi lại các ảnh và quang phổ.
3.1. Màn huỳnh quang
Màn huỳnh quang ựluorescent screen) là một trong những phương
pháp quan sát điện tử đơn giản và được sử dụng lâu đời nhất, kể từ
khi các thiết bị hiển vi điện tử ra đời cho đêh ngày nay. Đây là một
màn ảnh (thường có màu trắng) phủ chất huỳnh quang (phổ biến
nhâ't là ZnS). Khi chùm điện tử chiêíi tới màn huỳnh quang, nó sẽ gây
ra sự phát xạ ánh sáng khả biêh mà mắt thường có thể nhìn thây. Lúc
này, chùm điện tử sẽ được "nhìn thây" trên màn huỳnh quang dưới
dạng một chùm sáng màu xanh lá cây (bước sóng khoảng 550 nm).

Hình 1.6. (a) Màn hmh huỳnh quang sử dụng trong thiết bị TEM JE O L 1400 (University
of Missourỉ-Columbia, ÚS): (1) màn huỳnh quang chính lớn, (2) màn huỳnh
quang nhỏ, (3) ống nhòm; (b) Ảnh TEM hình thành trên màn huỳnh quang ở
thiết bị TEM FEI Tecnai T20 (TU Berlin, Đức).