Bài thuyết trình: Phát xạ lạnh (kính hiển vi STM)

TR

NG Đ I H C KHOA H C T NHIÊN TP H CHÍ MINH

ƯỜ

Ạ Ọ

Ồ

Ọ Ự Ậ

KHOA V T LÝ B MÔN V T LÝ NG D NG

Ứ

Ộ

Ụ

Ậ

SEMINAR: PHÁT X L NH(KÍNH HI N VI STM)

Ạ Ạ

Ể

GVHD: PGS.TS LÊ VĂN HI UẾ H c viên: HOÀNG VĂN ANH

ọ

ệ

ắ

ắ

Th c m c xin liên h : thanhlam1910_2006@yahoo.com

Ầ

Ể

KÍNH HI N VI ĐI N T XUYÊN H M Ệ Ử (STM)

Ạ

Ộ

Ạ

ả

1.NGUYÊN LÝ HO T Đ NG 2.C U T O C A STM Ủ Ấ • H c khí ệ ơ • H ch ng rung ố ệ • H đi u khi n ph n h i ồ ể ệ ề • Đ u dò STM ầ 3. NG D NG Ứ

Ụ

L ch s

ị

ử

Kính hiển vi điện tử xuyên hầm được phát triển tại  IBM Zürich năm 1981 bởi Gerd Binning và Heinrich  Rohrer và sau đó hai người đoạt giải Nobel vật lý  năm 1986 do phát minh ra kính hiển vi này.

Gerd Binning Heinrich Rohrer

1. NGUYÊN LÝ HO T Đ NG Ạ Ộ

°Döïa treân nguyeân lyù xuyeân haàm löôïng töû cuûa caùc ñieän töû giöõa 2 cöïc ñieän khi coù ñieän tröôøng ñaët vaøo.

°Heä soá xuyeân haàm ñöôïc xaùc ñònh theo coâng

thöùc:

°Khi khoâng coù ñieän tröôøng ngoaøi (khoâng

cung caáp naêng löôïng cho ñieän töû) heä soá D vaãn khaùc khoâng. D tæ leä nghòch vôùi a – khoaûng caùch giöõa hai ñieän cöïc (khoaûng caùch giöûa maãu vaø tip) vaø tæ leä thuaän vôùi naêng löôïng ñieän töû W.

The Scanning Tunneling Microscope (STM)

đ u dò có đ phân ệ ử ầ ộ

STM là kính hi n vi đi n t gi . ể i đ t đ n nguyên t ả ạ ế ử

Quantum Tunneling

Classical Wave Function For Finite Square Well Potential Where E

ơ ọ ổ ể ế

ộ ng đi qua rào th thì nó luôn b ph n x ạ ộ ậ ặ ế ượ ủ ả ị

ng. Trong c h c c đi n,khi m t v t g p m t rào th mà nó không có đ năng l i.ạ l Gi ng nh đá qu bóng vào t ố ườ ư ả

Quantum Tunneling

Quantum Wave Function For Finite Square Well Potential Where E

, khi ử ở ế

ầ ử ặ

ng v

ế g p m t rào th mà nó ạ

ế ể

ng t ố ượ bên trong gi ng th vuông,hàm Khi m t ph n t ộ ộ N u rào th đ h p có th tìm th y ế ủ ẹ ấ

Trong c h c l ơ ọ ượ sóng có d ng hàm s mũ. không đ năng l t qua. ử các ph n t ầ ử ở ế ượ bên kia rào th . ế

Quantum Tunneling

th mô t hi u ng xuyên h m: Đồ ị ả ệ ứ ầ

ấ

ấ

ế ủ

n(r) xác su t tìm th y electron. V(r) th c a electron.

nguyên t này sang nguyên ầ ừ ử

khác. Electron có th xuyên h m t ể t ử

Quantum Tunneling

ườ ợ

ạ

ơ F là m c n ng l ứ ă ạ ượ ể ạ ệ ệ

Bây gi chúng ta xem xét tr ng h p sâu h n là electron xuyên ờ ng kim lo i này sang kim lo i khác. E h m t ừ ầ ạ Fermi.Đ t m t hi u đi n th gi a hai b n kim lo i có th t o ả ế ữ ộ ặ ra dòng electron xuyên h m.ầ

Sample

Tip

Quantum Tunneling

Theo c h c l ng t hàm sóng là hàm mũ. ơ ọ ượ ử

Do đó xác su t tìm th y electron sau rào th có b dày d: ế ề ấ ấ

2

kd

Và:

=

I

f E e- ( ).

=

f E (

)

1 )/

E E

(

KT

F

+

e -

1

Trong ó f(E) là hàm phân b Fermi. đ ố

Quantum Tunneling

Trong ó:đ

Các giá trị m, d, Φ xác định (Φ là công thoát),d  khoảng 1 Å.

Hi n t

ng áp đi n

ệ ượ

ệ

ệ ệ ượ ể ị ệ ả ạ ể ế ữ

ặ

t m t i n tr ườ

Hi n ệ t ng áp đi n x y ra v i các tinh th ,khi ớ tinh th b nén thì t o ra hi u đi n th gi a hai m t tinh th . ể Khi chúng ta đặ ộ đ ệ i n, tinh th b bi n d ng. Hi n t đ ệ ể ị ế ạ ng áp i n. hi n t ệ ượ A0 đ n vài micromet. ế cách nhau kho ng 1 A ng vào tinh th áp ể ng ó g i là ệ ượ đ ọ đ ệ S bi n d ng kho ng 0.01 ả ự ế ạ Do đó giúp cho m u và tip ẫ 0. ả

Electric Field

Pizos

The tip

c g n vào 3 tinh th g m áp đi n và có th d ch chuy n theo 3 ệ

ể

Típ đ ph ươ

ể ố ườ

ể ị ệ

ệ

ặ Dòng tunnel ph thu c vào kho ng cách gi a tip – m u và c u trúc đi n

ệ

i đ u dò, nh v y hình nh t o đ

ng đ t và g m áp đi n này. ố ả ữ ư ậ

ượ ắ ng x,y, z khi có đi n tr ộ ụ ẫ ướ ầ

ạ ượ

ng x,y, đi m nhô cao dòng I l n nh sáng,

ẫ ấ c do giá tr dòng ị ớ ả

ả ể

ể

2/1

(

(

)

=

ỏ I

Cd

F -

2/1

1

exp )

=

t c a m u d ử ủ xuyên h m t o nên theo ph ươ ạ ầ đi m lõm dòng I nh sáng y u. ế ) / dV i ( 25,10

C

eV

nm

=

d

5,0

nm

-

Ñeå ghi hình aûnh tip (hoaëc

maãu) seõ chuyeån ñoäng coøn maãu (hoaëc tip) ñöùng yeân, luùc ñoù doøng ñieän xuyeân haàm seõï thay ñoåi (do D thay ñoåi) tuyø thuoäc vaøo ñòa hình cao thaáp cuûa beà maët maãu hoaëc traïng thaùi ñieän töû cuûa beà maët maãu.

c gi

ượ

ể

ổ

1.Ch đ ho t đ ng dòng ế ộ ạ ộ Dòng xuyên h m đ ữ ầ ả

ạ ử ụ ở

ề ề ặ ớ

ạ

ơ

không đ i.ổ không đ i qua h th ng đi u khi n ệ ố ph n h i Feedback. Trong ch đ này t o hình nh b m t qua s ự ả ế ộ ph m vi quét l n h n 100 thay đ i đ cao z c a đ u dò. S d ng ủ ầ Å đ đo đ a hình b m t. ề ặ

ể

ổ

ề

ồ ổ ộ ị ế ộ

2.Ch đ chi u cao không đ i. Lúc này m ch ph n h i không ho t đ ng, v trí z c a tip đ

ả

ượ

ủ

ị

ạ

ả

ổ

c gi ữ c là do bi n thiên c a dòng tunnel. S ử ủ

ạ ộ ồ ạ không đ i, hình nh t o đ ế d ng cho ph m vi quét nh h n 100 Å. ạ

ượ ỏ ơ

ụ

C U T O

Ạ

Ấ

 H c khí: ệ ơ

Moät heä cô khí ñieàu khieån söï tieáp caän cuûa maãu vaø tip ñeán khoaûng caùch caàn thieát tröôùc khi queùt. Vieäc dòch chuyeån tip ñöôïc thöïc hieän bôûi goám aùp ñieän. Tip ñöôïc gaén vaøo goám aùp ñieän vaø coù theå ñaët hieäu ñieän theá vaøo caùc cöïc cuûa aùp ñieän ñeå thöïc hieän söï dòch chuyeån naøy. Phaïm vi dòch chuyeån coù theå töø 0,01 A0 ñeán vaøi m m.

Đ u Dò

ầ

ộ

ả

ụ

ượ

ủ

ầ

ọ

ằ

ắ ắ ơ ọ

ủ

ệ

c làm t

ng đ

W (b n ch c nh ng d n b oxy hóa) ho c Pt/Ir (tr ơ

ượ

ư

ề

ắ

ầ

ặ

ị

c ch t o Hình nh s c nét ph thu c vào đ s c nh n c a đ u dò. Tip đ ế ạ ộ ắ b ng c t c h c, mài bóng và t m th c đi n hóa. Bán kính c a tip nh h n ỏ ơ ự ẩ 1000 Å. Tip th ườ ừ hóa h c trong không khí và trong dung môi). ọ

ệ

• H ch ng rung ố • Yeâu caàu baét buoäc laø bieân ñoä dao ñoäng khoâng mong muoán phaûi nhoû hôn 0,1 A0 ñeå coù theå taïo aûnh nguyeân töû

• Heä thoáng choáng rung treân ñeäm töø trong cheùn chì chöùa heli loûng (ñoái vôùi STM söû duïng trong chaân khoâng cao).

• W-ñaàu doø baèng tungsten, A-giaù ñôõ ñaàu

doø, PP- taám aùp ñieän, F- chaân ñeá, D- taám ñieän moâi, MP-taám kim loaïi, M- nam chaâm

• Heä thoáng choáng rung ñoái vôùi STM laøm vieäc trong moâi tröôøng khoâng khí

• (1)-heä thoáng choáng rung thuyû löïc • (2)-heä thoáng choáng rung baèng loø

xo

ả

ồ

ệ ề

• H đi u khi n ph n h i. ể o Nhieäm vuï giöõ cho khoaûng caùch tip- maãu khoâng ñoåi (cheá ñoä ñoä cao khoâng ñoåi) hoaëc giöõ cho doøng tunnel giöõa tip-maãu khoâng ñoåi (cheá ñoä doøng khoâng ñoåi).

o Doøng tunnel ñöôïc chuyeån thaønh ñieän aùp vaø so saùnh vôùi giaù trò chuaån taïo tín hieäu vi sai, tín hieäu naøy laïi ñöôïc chuyeån ñoåi thaønh ñieän aùp ñeå ñieàu khieån vò trí goám aùp ñieän theo höôùng z (ñeå taïo hieäu chænh cho ñoä cao khoâng ñoåi hoaëc doøng khoâng ñoåi).

o Nhieäm vuï ñieàu chænh vò trí goám aùp ñieän tín hieäu vi sai naøy cuõng ñöôïc

löu giöõ nhö moät haøm cuûa x, y ñeå

taïo hình aûnh beà maët.

ả

ử c các khuy t t

m c đ t ng nguyên t ở ứ ộ ừ cũng nh quan sát đ ư

ế ủ

ử

cho th y s phân ấ ự t m ng. Đây ạ

ế ậ

Ứ ẽ ả

ứ ậ ệ

ụ ữ

ệ

ả

ủ

ề

Hình nh 7x7 nm c a nguyên t ử GaAs và hình nh 35x35 nm c a Cr trên n n Fe, ủ ả

Cs (màu đ ) trên n n ỏ ề

3. ng d ng STM ụ V b n đ đ a hình, t o hình nh ạ ồ ị b s p x p c a các nguyên t ố ắ ượ là m t công c h u hi u đ nghiên c u v t li u nano. ể ộ

c nano: kh c nano, l ng đ ng

ướ

ắ

ng pháp h u hi u

ữ

ầ

ằ

ươ

ệ

ọ ữ

Ch t o v t li u có kích th ậ ệ ắ kim lo i, t m th c b ng đ u dò là nh ng ph ự đ ch t o các c u trúc nano.

ế ạ ạ ẩ ế ạ

ể

ấ

ng d ng nhi u trong nghiên c u v t li u sinh h c: c u trúc ứ

ấ

Ứ ADN c a sinh v t (sau khi đ

c ph m t l p d n đi n).

ề ậ

ụ ủ

ậ ệ ủ ộ ớ

ượ

ẫ

ọ ệ

M t s lo i máy STM

ộ ố ạ

STM nhi

t đ th p

STM chân không cao

ệ ộ ấ

XIN CHÂN THÀNH C M N!!!

Ả Ơ