Bài giảng Giới thiệu kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) bao gồm những nội dung về kính hiển vi lực tĩnh điện, AFM Basics-Cantilever and photo detector, Tip Scanning AFM, Influence of tip geometry in imaging surface features,... Mời các bạn tham khảo.
AMBIENT/
Chủ đề:
Nội dung Text: Bài giảng Giới thiệu kính hiển vi lực nguyên tử (AFM)
- Introduction to Nanotechnology Atomic Force Microscopy
Giới thiệu kính hiển vi lực nguyên tử(AFM)
1.1
- Introduction to Nanotechnology Atomic Force Microscopy
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
1.2
- Introduction to Nanotechnology
1.3
Atomic Force Microscopy
- Introduction to Nanotechnology
1.4
Atomic Force Microscopy
- Introduction to Nanotechnology
1.5
Atomic Force Microscopy
- Introduction to Nanotechnology
1.6
Atomic Force Microscopy
- Energy between charge pairs
Atomic Force Microscopy
Introduction to Nanotechnology
• Tương tác ion-ion E=(Z1e)(Z2e)/4πεo x
• ion- dipole vĩnh cửu:
E=(Ze)µcosθ/4πεo x2
• Dipole vĩnh cửu-dipole vĩnh cửu:
E=(constant)µ1µ2/4πεo x3
• Tương tácVan der waals:
• Tương tác dipole vĩnh cửu-dipole cảm ứng
E=(α1µ21+α2µ22)/4πεo x6
- Tương tác
Introduction to Nanotechnology Atomic Force Microscopy
• Tương tác mạnh, khoảng cách ngắn: ở khoảng cách rất gần, lực đẩy mạnh
phất triển với ―x12‖ 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 ρ2β/x6 dV1 dV2 (ρ: số nguyên tử trong một đơn vị thể tích)
• Hai quả cầu xác định, (R>> x) E=-AR/12x
• Bán kính khác nhau, R1 and R2 E=-AR1R2 /6x(R1 + R2)
• Hai bề mặt, E=-A/(12 πx2)
• Trong tất cả các trường hợp, A= ρ2 π2 β được gọi là ―hằng số Hamker‖
- Kính hiển vi lực tĩnh điện
Introduction to Nanotechnology Atomic Force Microscopy
• 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
Cantilever AFM
Tip
Không có dòng
giữa tip AFM và
mẫu, vì thế mẫu Sample
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
- Khi tip AFM được hút bởi bề mặt (gây cho cantilever bẻ cong),
Atomic Force Microscopy
chùm laser lệch khỏi đầu cantilever—cho phép chuyển động của tip
được đánh dấu.
Introduction to Nanotechnology
Laser
~1 m (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.
- Atomic Force Microscopy
Khi tip AFM quét bề mặt chuyển
Introduction to Nanotechnology
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.
FRestore = - kZ FRestore = lực phục hồi của
cantilever trên tip
Z
k ~ 1 N/m AFM có thể
đo lực cỡ pN (10-12 FSample = lực của mẫu kéo típ
Newton) và ngay cả fN (van der Waals)
(10-15 N)!
- Atomic Force Microscopy
To a
Introduction to Nanotechnology
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.
- Atomic Force Microscopy
AFM có thể hoạt động theo ba cách khác nhau:
1. Dạng tiếp xúc— tip được kéo dọc theo bề mặt mẫu; độ lệch
Introduction to Nanotechnology
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
- Dạng tiếp xúc nhận thông tin về bề mặt từ tiếp xúc trực
Atomic Forcetiếp, nhưng
Microscopy
dạng tiếp xúc gián đoạn hay rời rạc hoạt động như thế nào?
Introduction to Nanotechnology
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
IBM photo of an AFM
động để dao động bằng cách bằng bộ kiểm
cantilever & tip
soát áp, điện—và vắng mặt bất kỳ lực bề
mặt nào mà cantilever có thể dao động ở F ω = lực truyềng động
tần số (ωo) phụ thuộc vào hình dạng và độ k = độ cứng cantilever
2
cứng củaFcantilever. o Tần số dao động
z
k 2 thật (ω) được nối
2 2 2
o với độ lệch của tip
o Q (z) do lực bề mặt
gây ra.
- Introduction to Nanotechnology Atomic Force Microscopy
Basic Principles of Scanning Probe Microscopy
• STM AFM
1.18
- Introduction to Nanotechnology Atomic Force Microscopy
Atomic Force Microscopy
Scanning Probe Microscopy
Local Probes
1.19
- Introduction to Nanotechnology Atomic Force Microscopy
1.20
Thêm vào BST
Báo xấu
Download
Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ
