Bài giảng Kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) nêu lên nguyên tắc hoạt động của kính hiển vi lực nguyên tử, phương pháp đo độ lệch của cantilever, đầu dò AFM (AFM probes), hệ quét cantilever/tip, lý thuyết vĩ mô của ma sát và một số nội dung khác.
AMBIENT/
Chủ đề:
Nội dung Text: Bài giảng Kính hiển vi lực nguyên tử (AFM)
- kính hiển vi lực nguyên tử
(AFM)
- 1. Nguyên tắc hoạt động
Đo lực tương tác giữa mũi dò (tip) và bề mặt mẫu,
bằng cách sử dụng một đầu dò đặc biệt được tạo bởi
r0
một cantilever đàn hồi với một mũi dò nhọn (tip) được
gắn ở đầu mút của cantilever.
Đo độ lệch của cantilever có thể xác định lực tương
tác giữa mũi dò và bề mặt. Hình. 18 Đầu dò AFM.
Năng lượng tương tác van der Walls của hai nguyên tử ở khoảng cách r được gần
đúng theo hàm thế Lennard-Jones:
6 12
r r0
U LD (r ) U 0 2 0 .
r r
Số hạng đầu tiên đặc trưng cho lực hút được sinh ra bởi tương tác dipole-dipole ở
khoảng cách xa, và số hạng thứ hai giải thích lực đẩy ở khoảng cách ngắn do nguyên lý
loại trừ Pauly. khoảng cách cân bằng giữa các nguyên tử đạt được khi năng lượng cực
tiểu.
- 2. Phương pháp đo độ lệch của cantilever
Ghi nhận độ lệch nhỏ của cantilever đàn hồi
Hệ quang học được thiết lập sao cho chùm tia phát ra từ
diode laser hội tụ trên cantilever và tia phản xạ hội tụ tại
tâm của detector quang, detector quang bốn phần được sử
dụng như là môt detector quang học xác định vị trí.
Hình 21: Sơ đồ mô tả hệ quang học để
phát hiện ra độ cong của cantilever.
Độ cong của cantilever do lực hút hay lực đẩy (Fz) và
độ xoắn của cantilever do thành phần lực ngang (FL)
của lực tương tác mũi dò và bề mặt.
Dòng chênh lệch từ những phần khác nhau của
diode quang sẽ xác định đặc điểm và độ biến dạng
của cantilever: bị uốn cong hay bị xoắn. Thật vậy,
Hình 22: Mối liên hệ giữa loại biến dạng uốn dòng chênh lệch:
của cantilever (dưới) và sự thay đổi vị trí của Iz ( I1 I2 ) ( I3 I 4 ).
chùm ánh sáng hội tụ tại mỗi phần của diode
quang (trên). IL ( I1 I4 ) ( I2 I 3 ).
- bằng giá trị
Hệ hồi tiếp (feedbeck system - FS) giữ ∆IZ không
đổi bằng cách sử dụng bộ quét áp điện điều khiển
khoảng cách mũi dò và mẫu để làm cho độ cong ∆Z
bằng giá trị ∆Z được thiết lập trước đó.
Khi đó, mũi dò di chuyển dọc theo bề mặt, vì vậy
thế áp vào bộ quét áp điện theo chiều Z của bộ
quét được ghi nhận trong bộ nhớ máy tính như là
thông tin về cấu trúc bề mặt Z=f(x,y).
Hình 23: Sơ đồ khối của hệ hồi tiếp.
Độ phân giải ngang của AFM được xác định bởi bán kính cong của mũi dò và độ nhạy của
hệ thống xác định độ lệch của cantilever. Hiện tại AFM cho phép thu được ảnh có độ phân giải
nguyên tử.
- 1.5
- 1.6
- 3.Đầu dò AFM (AFM probes)
Đầu dò AFM được chế tạo bởi kỹ thuật quang khắc và ăn mòn axit của silic, lớp silic
oxide hoặc silic nitric được lắng đọng trên wafer silic.
Hình 25: Những mode dao động chủ yếu của
cantilever.
Bán kính cong tại đỉnh của mũi dò AFM khoảng 1-50 nanomet, góc gần đỉnh mũi dò khoảng
10 – 20 độ. Lực tương tác F của mũi dò với bề mặt có thể được đánh giá từ định luật Hook:
F k. Z
k là hằng số đàn hồi của cantilever, ∆Z là sự thay đổi vị trí của mũi dò tương ứng với sự thay đội độ
cong do tương tác với bề mặt
k khoảng 10 3
10N / m Phụ thuộc vật liệu và cấu trúc hình học của cantilever
- Tần số dao động riêng của cantilever
i EJ
n 2
.
l S
l: độ dài
E: môđun Young
J: Moment quán tính của cantilever
là khối lượng riêng của vật liệu
S là tiết diện ngang
là hệ số phụ thuộc mode dao động (khoảng tử 1-100)
- 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 đipôn
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?
1.9
Liên kết giữa tip và mẫu có thể dẫn đến sự sắp xếp lại tip và nguyên tử mẫu
- Năng giữa các cặp điện tích
Tương tác ion-ion
E=(Z1e)(Z2e)/4πεox
ion- dipole vĩnh cửu
E=(Ze)µcosθ/4πεox2
Dipole vĩnh cửu-dipole vĩnh cửu
E=(constant)µ1µ2/4πεo x3
Tương tác Van der waals
Tương tác dipole vĩnh cửu-dipole cảm ứng
E=(α1µ21+α2µ22)/4πεo x6
- Tương tác
Tương tác mạnh, khoảng cách ngắn: 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”
- Cantilever AFM
Tip
Không có dòng
giữa tip AFM
và mẫu, vì thế Sample
mẫu không cần
dẫn.
Nguyên tử của tip hấp dẫn nguyên tử mẫu bởi
lực tương tác van der Waals.
- 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
~1 m (1000 nm)
Cantilever dễ thấy đối với mắt nhưng tip AFM
quá nhỏ để thấy mà không khuếch đại.
- 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.
- Khi tip AFM quét bề mặt chuyển động
lên xuống vẽ số đường quét của mẫu.
Lực trên tip AFM 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
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)!
- To a 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.
- 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.
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.
- 1.18
- 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?
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 động để dao động bằng cách bằng bộ kiểm soát
áp, điện—và vắng mặt bất kỳ lực bề mặt nào mà cantilever có thể dao động ở tần số (ωo)
phụ thuộc vào hình dạng và độ cứng của cantilever.
2
F o
z
k 2 2 2
2
o
o Q
F ω = lực truyềng động
k = độ cứng cantilever
Tần số dao động thật (ω) được nối với độ lệch của tip (z) do lực bề mặt gây ra.
- Basic Principles of Scanning Probe Microscopy
1.20
Thêm vào BST
Báo xấu
Download
Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ
