Bài thuyết trình Quang học: Kính hiển vi đường hầm quét STM

Hiệu ứng xuyên hầm lượng tử của electron

Theo cơ lương tử:

Trong cơ học lượng tử, chuyển động của electron:

Trong đó f(E) là hàm phân bố Fermi.

Nghiệm phương trình:

Hiệu ứng xuyên hầm lượng tử của electron

Trong đó:

d: khoảng cách giữa đầu dò và mẫu Ф: chiều cao hố thế m: khối lượng e.

I giảm theo hệ số 10 khi khoảng cách tăng 1 Ao I co giá trị từ 10pA – 1nA ( Ф cỡ vài eV,d cỡ 0,5 nm)

Khi electron vượt đường ngầm ra ngoài tạo một dòng điện nhỏ được đầu dò ghi lại sau đó chuyển về máy tính ghi nhận tín hiệu và dựng lại bề mặt mẫu.

Có hai cơ chế hoạt động chính Dòng không đổi Độ cao không đổi

Dòng không đổi

- Độ cao đầu dò thay đổi sao cho dòng xuyên ngầm là const ghi nhận sự thayđổi của đầu dò

Độ cao không đổi

- Độ cao của mẫu được giử nguyên , sự thay đổi ở bề mặt mẫu thay đổi ghi theo dạng tín hịêu điện

Kiểu quét chiều cao không đổi Tốc độ nhanh hơn vì không điều chỉnh trục z nhưng chỉ giới hạn ở mẫu có bề mặt phẳng

Kiểu quét dòng không đổi: Quét chậm vì bộ phận hồi tiếp phải điều chỉnh khoảng cách giữa đầu dò và mẫu

3.CẤU TẠO CỦA STM

Cấu tạo chính của STM gồm :

•Đầu dò (tip) •Bệ đặt mẫu •Bộ khuếch đại •Hệ điều khiển truy hồi. •Máy tính xử lý •Bộ áp điện •Hệ chống rung

Đầu dò

Hình ảnh sắc nét phụ thuộc vào độ sắc nhọn của đầu dò

Tip thường được làm từ W (bền chắc nhưng dần bị oxy hóa) hoặc Pt/Ir (trơ hóa học trong không khí và trong dung môi).

Tip được chế tạo bằng cắt cơ học, mài bóng và ngâm vào dung dịch khắc (kiềm) . Bán kính của tip nhỏ hơn 1000 Å.

Bệ đặt mẫu

Hệ chống rung

•Rung động của tòa nhà, đi lại của con người, âm thanh …. ảnh hưởng đến độ chính xác của STM

Yêu cầu bắt buộc là biên dộ dao động không mong muốn phải nhỏ hơn 0.1 A0 đđể có thể tạo ảnh nguyên tử

Hệ chống rung làm việc trong môi trường không khí

Khi STM hoạt động trong không khí không yêu cầu độ phân giải cao.

1. Hệ chống rung thủy lực 2. Hệ chống rung bằng lò xo.

Hệ chống rung

Trong chân không cao

•Đối với STM hoạt động trong chân không thi hệ thống chống rung phải yêu cầu cao, khi ấy sử dụng chống rung đặc biệt.

Hệ chống rung trên đệm từ chứa Heli lỏng

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

Hệ chống rung

Hệ điều khiển truy hồi.

Nhiệm vụ giữ khoảng cách tip- mẫu không (chế độ cao không đổi ) hoặc giữ cho dòng tunnel giữa tip-mẫu không đổi(chế độ dòng không đổi)

Dòng tunnel được chuyển thành điện áp và so sánh với giá trị chuẩn tạo tín hiệu vi sai, tín hiệu này lại được chuyển đổi thành điện áp để điều khiển vị trí gốm áp điện theo hướng z (để tạo hiệu chỉnh cho độ cao không đổi hoặc dòng không đổi)

Nhiệm vụ điều chỉnh vị trí gốm áp điện tín hiệu vi sai này cũng được lưu giữ như hàm của x, y, z

•Bộ áp điện

Là trung tâm vận hành Tip của STM. Giúp mũi dò di chuyển tinh tế hơn

có 2 loại áp điện

tripod

tube

HOẠT ĐỘNG

•Bộ áp điện

Chất áp điện giãn nở dọc theo trục của nó khi điện thế đặt vào cùng chiều phân cực của chất áp điện (V +). Khi đó chất áp điện co lại theo phương vuông góc với trục.

Ngược lại chất áp điện sẽ co lại dọc theo trục của nó khi điện thế đặt vào ngược chiều phân cưc của chất áp điện (V -). Khi đó chất áp điện giãn nở theo phương vuông góc với trục.

Tiến hành đo

-Chuẩn bị đầu dò -Chuẩn bị mẫu

- Kiểm tra các thiết đặt,kết nối.

-Đo thử mẫu tiêu chuẩn để cân chỉnh máy

-Chống rung, va đập trong quá trình đo

-Chú ý sự biến đổi nhiệt độ trong quá trình đo

ỨNG DỤNG

1. Định hướng nguyên tử

- STM cũng được sử dụng để nghiên cứu sự hấp phụ như sự sắp xếp các nguyên tử lưu huỳnh trên bề mặt Mo(001) ở áp suất khí quyển, sự hấp phụ Ga trên Si(100), B trên Si(111).

Hình cấu trúc bề mặt của Si(111) sử dụng ATM năn 1982

- STM được ứng dụng như một đầu dò khoa học bề mặt nghiên cứu tính chất bề mặt của hàng loạt các vật liệu như cấu trúc nguyên tử của GaAs(110), dựng lại cấu trúc bề mặt GE-Si(111), Si(100), platin, germani,…

ỨNG DỤNG

2. Phổ học

- Khả năng phân giải cao của STM có thể ứng dụng cho quang phổ học tunnel và phép đo điện tử bề mặt - STM cho ta cơ hội để hoàn thành đồng thời phép đo hiển vi và phổ học trên cùng một diện tích địa phương . Sự kết hợp này được tiến hành rất thành công trên kim loại, vật liệu bán dẫn và siêu dẫn.

Các dấu vết siêu dẫn vẫn hiện diện bên trong chất liệu bằng gốm

ỨNG DỤNG

3. Điện hóa

- STM không chỉ thực hiện trong không khí, chân không, chất lỏng mà còn mở rộng ứng dụng cho điện hóa và nghiên cứu ăn mòn. 4. Chế tạo cấu trúc kích thước nano

- Một ứng dụng đáng kể của STM là thục hiện gia công địa phương bề mặt. Ứng dụng nổi bật là khắc nano, lắng đọng kim loại, tẩm thực vật liệu bán dẫn, chế tạo vi mô và lưu trữ số liệu.

Ảnh STM chữ “IBM” được tạo trên bề mặt Niken. Nguyên tử xenon ( lõm) trên bề mặt Ni(110)

ỨNG DỤNG

5. Nghiên cứu vật liệu sinh học

- STM có độ phân giải cao vì vậy để nghiên cứu vật liệu sinh học là rất hấp

dẫn. Nhiều nghiên cứu trên phân tử AND đã hoàn thành với những thành công đáng khích lệ. Tuy nhiên đây là một nghiên cứu mới vì vậy muốn tiến xa hơn nữa đòi hỏi một sự hiểu biết sâu sắc hơn về cơ chế tương phản và dẫn điện.

6. Phép đo địa hình

- STM cũng sử dụng như một công cụ đo lường.

STM được ứng dụng cho việc xây dựng bản đồ địa hình của bề mặt cách tử và bề mặt mài bóng

Xây dựng những nguyên tử Sắt riêng lẻ trên bề măt kim loại đồng

ƯU- NHƯỢC ĐIỂM STM

ƯU ĐIỂM • STM là một kỹ thuật ghi ảnh hình thái học và cấu trúc (cấu trúc vật lý, cấu trúc

điện từ...) bề mặt với độ phân giải rất cao và cho ảnh chất lượng cao.

• STM không đòi hỏi việc phá hủy mẫu như kính hiển vi điện tử truyền qua (thiết

bị chụp ảnh với độ phân giải tương đương).

• STM còn cho phép tạo ra các phép thao tác trên bề mặt cho quá trình chế tạo. • STM có thể hoạt động trong môi trường chân không,không khí,dầu,nước,dung

dịch dẫn điện.

lớn.

• Tốc độ ghi ảnh trong STM thấp. • STM chỉ giới hạn cho cấu trúc bề mặt • Thời gian thực hiện thí nghiệm dài. • Đầu dò có độ bền không cao.

NHƯỢC ĐIỂM • Mẫu sử dụng trong STM phải là mẫu dẫn điện hoặc bán dẫn. • Việc đo đạc STM đòi hỏi bề mặt mẫu siêu sạch và việc chống rung là một đòi hỏi

XIN CHÂN THÀNH CẢM ƠN!!!