Bài giảng kính hiển vi lực nguyên tử (AFM): Giới thiệu chi tiết

Atomic Force Microscopy

Giới thiệu kính hiển vi lực nguyên tử(AFM)

y g o o n h c e

o n a N o

n o

i t c u d o r t

1.1

Atomic Force Microscopy

y g o o n h c e

o n a N o

n o

i t c u d o r t

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

Atomic Force Microscopy

y g o o n h c e

o n a N o

n o

i t c u d o r t

1.3

Atomic Force Microscopy

y g o o n h c e

o n a N o

n o

i t c u d o r t

1.4

Atomic Force Microscopy

y g o o n h c e

o n a N o

n o

i t c u d o r t

1.5

Atomic Force Microscopy

y g o o n h c e

o n a N o

n o

i t c u d o r t

1.6

Atomic Force Microscopy

Energy between charge pairs

• Tương tác ion-ion E=(Z1e)(Z2e)/4πεo x • ion- dipole vĩnh cửu:

y g o o n h c e

E=(Ze)µcosθ/4πεo x2

o n a N o

• Dipole vĩnh cửu-dipole vĩnh cửu: E=(constant)µ1µ2/4πεo x3

n o

• Tương tácVan der waals: • Tương tác dipole vĩnh cửu-dipole cảm ứng

E=(α1µ2

1+α2µ2

2)/4πεo x6

i t c u d o r t

Atomic Force Microscopy

Tương tác

• 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

y g o o n h c e

• Hấp dẫn giữa các hạt dạng hình cầu được giả sử là tổng của những

nguyên tử, phân tử riêng.

o n a N o

•

dE = -0.5 ρ2β/x6 dV1 dV2 (ρ: số nguyên tử trong một đơn vị thể tích)

n o

• Hai quả cầu xác định, (R>> x) E=-AR/12x

• Bán kính khác nhau, R1 and R2  E=-AR1R2 /6x(R1 + R2)

i t c u d o r t

• Hai bề mặt, E=-A/(12 πx2)

• Trong tất cả các trường hợp, A= ρ2 π2 β được gọi là ―hằng số Hamker‖

Atomic Force Microscopy

Kính hiển vi lực tĩnh điện

y g o o n h c e

• Hai cơ chế dịch chuyển, cái đầu tiên là

cho thấy địa hình

• Cái thứ hai cho thấy, lực biến thiên

o n a N o

giữ không đối tương ứng với độ cao

n o

nhận được trước đó,

• Dò lực tĩng điện theo vị trí

i t c u d o r t

Atomic Force Microscopy

Cantilever

y g o o n h c e

AFM Tip

o n a N o

n o

Sample

dòng Không có giữa tip AFM và thế mẫu mẫu, vì không cần dẫn.

i t c u d o r t

Nguyên tử của tip hấp dẫn nguyên tử mẫu bởi lực tương tác van der Waals.

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.

y g o o n h c e

Laser

o n a N o

n o

i t c u d o r t

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

y g o o n h c e

o n a N o

~1 m (1000 nm)

n o

i t c u d o r t

Cantilever dễ thấy đối với mắt nhưng tip AFM quá nhỏ để thấy mà không khuếch đại.

Atomic Force Microscopy

AFM tip

y g o o n h c e

o n Surface of a N sample o

n o

i t c u d o r t

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 động lên xuống vẽ số đường quét của mẫu.

y g o o n h c e

o n a N Lực trên tip AFM tip là đều (giống lò xo): tip được dịch chuyển hướng o đến bề mặt khoảng cách (Z) tỉ lệ với lực van der Waals. n o

FRestore = - kZ

FRestore = lực phục hồi của cantilever trên tip Z

i t c u d o r t

FSample = lực của mẫu kéo típ (van der Waals)

k ~ 1 N/m AFM có thể đo lực cỡ pN (10-12 Newton) và ngay cả fN (10-15 N)!

Atomic Force Microscopy

To a Photodetector

y g o o n h c e

o n a N o

n o

i t c Vị trí ở đó chùm laser phản xạ đập vào màn hình đầu thu ichỉ ra rằng u d o cantilever bẻ cong bao và do đó tương tác giữa tip AFM và bề mặt r t n 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

cantilever được đo và và chuyển thành dạng bề mặt. Chú ý: dạng này có thể làm hư hại bề mặt.

y g o o n h c e

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

o n a N o

n o

trong suốt những điểm tiếp xúc gần nhất của chu trình dao động. Contact

Intermittent/Tapping

i t c u d o r t

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

F ω = lực truyềng động

k = độ cứng cantilever

y g Giống trọng lực tác dụng lên chúng ta, bề o o mặt không cần tiếp xúc với tip AFM để tác n h dụng lực trên nó. Lực van der Waals gây ra c e tần số dao động của cantilever/tip thay đổi. o n a Trong dạng tapping, cantilever được truyền N động để dao động bằng cách bằng bộ kiểm o soát áp, điện—và vắng mặt bất kỳ lực bề n o mặt nào mà cantilever có thể dao động ở i t c tần số (ωo) phụ thuộc vào hình dạng và độ u d cứng của cantilever. o r t n

Tần số dao động thật (ω) được nối với độ lệch của tip (z) do lực bề mặt gây ra.

Atomic Force Microscopy

Basic Principles of Scanning Probe Microscopy AFM • STM

y g o o n h c e

o n a N o

n o

i t c u d o r t

1.18

Atomic Force Microscopy

Atomic Force Microscopy Scanning Probe Microscopy Local Probes

y g o o n h c e

o n a N o

n o

i t c u d o r t

1.19

Atomic Force Microscopy

y g o o n h c e

o n a N o

n o

i t c u d o r t

1.20

Atomic Force Microscopy

AFM Basics-Cantilever and photo detector

• Cần ‘mềm cantilever’ – comparable to độ

y g o o n h c e

cứng của phân tử This is k= N/m

• • Cần tần số dao động cộng ít hơn) • ω= (k/m) – làm cantilevers nhỏ

o n a N o

n o

i t c u d o r t

A1 A2

Dấu hiệu độ võng (A-B) = ( A1+ A2) – (B1+ B2)

Dấu hiệu lực ma sát(1-2) = ( A1+ B1) – (A2+ B2)

B1 B2

1.21

Atomic Force Microscopy

y g o o n h c e

o n a N o

n o

i t c u d o r t

1.22

Quad photodetector arrangement. Different segments of the photodetector are used for generating AFM and LFM signals.

Atomic Force Microscopy

y g o o n h c e

o n a N o

n o

i t c u d o r t

1.23

Atomic Force Microscopy

Tip Scanning AFM

y g o o n h c e

o n a N o

n o

i t c u d o r t

1.24

Atomic Force Microscopy

Tip Scanning AFM

y g o o n h c e

Untraditional sample size

o n a N o

Closed-loop XY Scanning stage

n o

i t c u d o r t

Fluid imaging

Heating /Cooling

1.25

Atomic Force Microscopy

y g o o n h c e

o n a N o

n o

i t c u d o r t

Typical scanner piezo tube and X-Y-Z electrical configurations. AC signals applied to conductive areas of the tube create piezo movement along the three major axes.

1.26

Atomic Force Microscopy

y g o o n h c e

o n a N o

n o

Voltages applied to the X- and Y-axes produce a raster scan pattern. Any angle may be designated as the ―fast axis‖ using the Scan Angle parameter.

i t c u d o r t

1.27

Atomic Force Microscopy

y g o o n h c e

o n a N o

n o

i t c u d o r t

Piezo-scanner movement

1.28

Atomic Force Microscopy

Veeco Multimode, Nanoscope III

y g o o n h c e

o n a N o

n o

i t c u d o r t

1.29

Atomic Force Microscopy

The scanned cantilever/tip system

y g o o n h c e

o n a N o

n o

i t c u d o r t

1.30

Atomic Force Microscopy

Cantilevers sizes range: from 100 to 200µm in length (l), 10 to 40 µm in width (w), and 0.3 to 2µm in thickness (t)

y g o o n h c e

o n a N o

n o

i t c u d o r t

Integrated cantilevers can be made from silicon or silicon nitride. More than 1,000 tips can be made on a single Si wafer. V-shaped cantilevers are the most popular because they provide low mechanical resistance to vertical deflection and high resistance to lateral torsion

1.31

Atomic Force Microscopy

Định luật Hooke kết nối những lực áp vào với độ lệch cantilever

y g o o n h c e

Tần số cộng hưởng của hệ spring-mass là

o n a N o

n o

An SEM image of bar-shaped AFM cantilevers and tips

Độ nhạy của dụng cụ được giới hạn bởi dao động nhiệt của cantilever. Chúng ta áp dụng lý thuyết phân bố đều (E ~kBT đối với mỗi bậc tự do)

i t c u d o r t

1.32

Atomic Force Microscopy

y g o o n h c e

o n a N o

n o

Zoom in the apex of a tip

i t c u d o r t

1.33

Atomic Force Microscopy

y g o o n h c e

o n a N o

n o

i t c u d o r t

1.34

Atomic Force Microscopy

Macroscopic Theory of Friction

Lực tỉ lệ với diện tích tiếp xúc(nghĩa là diện tích bao gồm tổng tất cả những vị trí tiếp xúc với kính hiển vi)

y g o o n h c e

Lực đưa vào tăng dẫn đến số tiếp xúc vĩ mô tăng và do đó dẫn đến diện tích tiếp xúc tổng tăng tỉ lệ:

o n a N o

n o

Kết hợp hai phương trình trên chúng ta suy ra định luật Amonton, mà trình bày rằng ma sát tỉ lệ với lực áp vào và độc lập với diện tích tiếp giáp giữa hai vật tiếp xúc nhau. Hằng số tỉ lệ µ mà là đặc trưng của vật liệu liên quan.

i t c u d o r t

1.35

Atomic Force Microscopy

y g o o n h c e

o n a N o

n o

i t c u d o r t

M. Manias, private communications

1.36

Atomic Force Microscopy

Microphase separation in polymers:

y g o o n h c e

Topography

o n a N o

Friction

n o

i t c u d o r t

1.37

A. Kraft, V. Koutsos

Atomic Force Microscopy

Độ phân giải ngang

y g o o n h c e

o n a N o

n o

i t c u d o r t

Độ phân giải ngang được xác định bởi: 1. Kích thước bậc thang của hình ảnh 2. Bán kính cực đại của Tip Tip đăc trưng – R ~ 5nm cho độ phân giải ngang cỡ ~2nm. Tuy nhiên, tips với ống nano trụ với R ~ 1nm đang được phát triển cho độ phân giải ngang cỡ ~0.05nm Xem vùng quét ảnh 1µm x 1µm lấy số điểm dữ liệu 512x512. vùng quét như thế có kích thước bậc thang (và độ phân giải ngang) cỡ 1µm/512 ~2nm.

1.38

Atomic Force Microscopy

Influence of tip geometry in imaging surface features

y g o o n h c e

o n a N o

n o

i t c u d o r t

1.39

Atomic Force Microscopy

y g o o n h c e

o n a N o

n o

i t c u d o r t

1.40

Atomic Force Microscopy

Tip - selection

y g o o n h c e

o n a N o

n o

i t c u d o r t

1.41

Atomic Force Microscopy

Tip-Shape Artefacts

y g o o n h c e

o n a N o

n o

i t c u d o r t

1.42

Atomic Force Microscopy

Tip artefacts at the atomic scale

y g o o n h c e

o n a N o

n o

i t c u d o r t

1.43

Atomic Force Microscopy

Ảnh hưởng của địa hình Tip lên cấu trúc bề mặt

y g o o n h c e

o n a N o

n o

i t c u d o r t

1.44

Atomic Force Microscopy

Đồ thị khoảng cách thay đổi theo lực

y g o o n h c e

o n a N o

n o

i t c u d o r t

1.45

Atomic Force Microscopy

Force

y g o o n h c e

Tiến gần

o n a N o

Co lại

Khoảng cách thật(D) giữa Tip và mẫu

n o

i t c u d o r t

1.46

Atomic Force Microscopy

y g o o n h c e

Độ không ổn định phát triển ở:

o n a N o

n o

i t c u d o r t

1.47

Atomic Force Microscopy

PAM stretching: Fd curves

Tip mạ vàng

Liên kết vàng-lưu quỳnh

1000

Phân tử polymer

)

retract approach

500

y g o o n h c e

Hai vòng

N p ( e c r o F

0

mica Kết dính

-500 0

500 1000

1500

2000

2500

distance (nm)

o n a N o

1000

retract approach

)

n o

500 N p ( e c r o F

0

i t c u d o r t

-500 0

500 1000

1500

2000

2500

distance (nm)

H. Haschke, M. J. Miles, V. Koutsos

1.48

Atomic Force Microscopy

PDMS stretching: Fd curves

y g o o n h c e

o n a N o

n o

Polymer Molecule Extension Laws:

•Freely Jointed Chain (FJC):

a : statistical segment length z : chain end-to-end separation distance L* : inverse Langevin function (L=coth(x)-1/x) N : number of chain segments

i t c u d o r t

•Wormlike Chain (WLC):

p : persistence length n : number of chain segments

1.49

Atomic Force Microscopy

y g o o n h c e

PMAA stretching: Fd curves

o n a N o

n o

i t c u d o r t

1.50

Atomic Force Microscopy

y g o o n h c e

o n a N o

ADHESION AND DEFORMATION OF LATEX PARTICLES

n o

i t c u d o r t

M. Portigliatti, L. Leger, V. Koutsos 1.51

Atomic Force Microscopy

Force-distance curves : retraction

y g o o n h c e







o n a N o



n o

i t c u d o r t

Isolated particle

Multilayer

Monolayer

1.52

Atomic Force Microscopy

Force Modulation

y g o o n h c e

o n a N o

n o

i t c u d o r t

1.53

Atomic Force Microscopy

Basic AFM Imaging Modes

y g o o n h c e

Contact mode AFM (1986) • Lực vuông góc nhỏ, nhưng cái dò kéo qua bề mặt gây ra lực ngang • mẫu mềm liên kết yếu di chuyển dễ dàng • ảnh không rõ

o n a N o

n o

i t c u d o r t

AC Mode AFM (1993) • Kiểu tiếp xúc gián đoạn (tapping mode) • bề mặt mềm được tăng cứng bởi đáp ứng lưu chất thế lực theo • Lực theo phương đứng trội, vì phương đứng lớn còn lực theo phương ngang nhỏ. •Hình ảnh rõ

1.54

Atomic Force Microscopy

AFM - Imaging Modes

Tapping Mode

y g o o n h c e

o n a N o

n o

i t c u d o r t

Atomic force microscopy of biomaterials surfaces and interfaces Jandt, Surface Science 491 (2001) 303-332

1.55

Atomic Force Microscopy

Acoustic AC Mode

y g o o n h c e

• A piezoelectric transducer shakes the cantilever holder

• Reduction of amplitude

o n a N o

signals contact

n o

i t c u d o r t

1.56

Atomic Force Microscopy

Basic Amplitude v.s. Distance of AC Mode

d

y g o o n h c e

Approach

o n a N o

n o

i t c u d o r t

Withdraw

Approach

1.57

Schematic of AC mode AFM

Atomic Force Microscopy

Probe is oscillated at resonance frequency

Change in amplitude provides topography

Lag in phase related to viscoelasticity or material stiffness

y g o o n h c e

o n a N o

n o

Free amplitude = Ao Damped amplitude at setpoint S = As

i t c u d o r t

Phase lag

1.58

Atomic Force Microscopy

MAC Mode

– Drive cantilever directly with magnetic field – Provide precise control of the cantilever

movement

y g o o n h c e

– Small oscillation amplitude and force – Works best in liquid

o n a N o

n o

i t c u d o r t

1.59

Imaging in a Liquid

Atomic Force Microscopy

AFM

Fluid in

Scanner

Substrate

y g o o n h c e

• Modular, symmetric plate design accommodates large sample size

• Outstanding thermal stability facilitates temperature-dependent experiments

o n a N o

• Self-contained cell assembly provides easy sample loading and exchange

n o

• Leak-proof cell design prevents damage to samples and instrumentation

i t c u d o r t

• Flow-through cell capability lets researchers monitor real-time changes while exchanging solutions

Sample Plate with Liquid Cell

1.60

Atomic Force Microscopy

Temperature Control System

• Temperature control

y g o o n h c e

- Thermal compensation - Fast settling time - Precise, accurate, and stable - No need to cool scanner while heating up to 250C

o n a N o

n o

i t c u d o r t

1.61

Atomic Force Microscopy

Magnetic Force Microscopy

y g o o n h c e

o n a N o

n o

i t c u d o r t

1.62

Atomic Force Microscopy

Electrostatic Force Microscopy

y g o o n h c e

o n a N o

n o

i t c u d o r t

1.63

Atomic Force Microscopy

Nanofabrication

y g o o n h c e

Bottom-up: Building or designing larger, more complex, objects by integration of smaller parts/building blocks or components. Nanotechnology seeks to use individual atoms and molecules as those building blocks (Molecular manufacturing)

o n a N o

Compare this to

n o

Top-down: Moulding, carving and fabricating small materials and components by using larger objects such as our hands, tools and lasers, respectively. (e.g. photolithographic approaches to making silicon chips.)

i t c u d o r t

1.64

Atomic Force Microscopy

Method 1: Mechanosynthesis or Positional assembly:

Adding positional control to chemical synthesis

y g o o n h c e

http://www.zyvex.com/nanotech/CDAarticle.html

Method 2: Self-assembly

o n a N o

n o

A method of integration in which the components spontaneously assemble, typically by bouncing around in a solution or gas phase until a stable structure of minimum energy is reached.

i t c u d o r t

1.65

Atomic Force Microscopy

―Dip-Pen‖ Nanolithography Richard D. Piner, Jin Zhu, Feng Xu, Seunghun Hong, Chad A. Mirkin SCIENCE VOL 283, p 661 This is a combination of Mechanosynthesis and Self-assembly

y g o o n h c e

o n a N o

n o

i t c u d o r t

1.66

Atomic Force Microscopy