BÁO CÁO CÔNG NGHỆ NANO
HIỂN VI QUÉT ĐẦU DÒ
( SCANNING PROBE MICROSCOPE )

HIỂN VI LỰC NGUYÊN TỬ (ATOMIC FORCE MICROSCOPE)
NHÓM 6: LÊ TUẤN PHƯƠNG ĐÔNG
NGUYỄN NGỌC BẢO

 HIỂN VI QUÉT CHUI HẦM (SCANNING TUNNELING MICROSCOPE)

Lịch sử:
Hiển vi đầu dò là tên gọi chung của kính Hiển vi quét chui hầm
(STM – Scanning Tunneling Microscope), Hiển vi lực nguyên tử
(AFM – Atomic Force Microscope) ra đời từ sau năm 1981.
HIỂN VI ĐẦU DÒ (SCANNING PROBE MICROSCOPE)
 Công nghệ:
Công nghệ lọai hiển vi này là dùng 1 bộ áp điện để dịch chuyển
đầu dò trên bề mặt mẫu, quét đầu dò với độ chính xác đến phần
trăm nm. Cách quét này do 2 nhà khoa học Binnig và Rohrer ở
IBM Zurich nghĩ ra.
A. HIỂN VI LỰC NGUYÊN TỬ (ATOMIC FORCE MICROSCOPE)
Là 1 lọai hiển vi đầu dò có ứng dụng rộng rãi. Đầu dò ở đây
nhạy với lực hút giữa các nguyên tử.
H1: Chiếc AFM đầu tiên lưu giữ tại bảo tàng khoa học London
Chức năng AFM:
Là thiết bị dùng quan sát cấu trúc vi mô bề mặt của vật rắn dựa
trên nguyên tắc xác định lực tương tác nguyên tử giữa đầu mũi dò
với bề mặt của mẫu và quan sát ở độ phân giải nm.
Cấu tạo AFM:
1. Đầu dò:

Được làm bằng Silic Nitric SI
3
N
4

kích thước rất nhỏ và nhọn, xem
như là 1 nguyên tử. Mũi nhọn
này được đặt trên cần quét.
2. Cần quét: cũng làm bằng Silic
Nitric SI
3
N
4
, bề dày cỡ 1um.
3. Nguồn laser.
4. Hai nửa tấm pin quang điện.
5. Gương phản xạ.
6. Bộ quét áp điện.
Nguyên lý hoạt động:
Khi đưa đầu dò lại gần bề mặt mẫu,
nguyên tử ở đầu dò bị các nguyên tử bề
mặt mẫu tác dụng (hút hoặc đẩy tùy theo
xa hay gần bề mặt) làm dao động cần
quét.
Lúc cần quét dao động, vệt sáng này di chuyển, hai nửa tấm pin quang điện này được
chiếu sáng lệch pha nhau. Căn cứ vào chênh lệch dòng quang điện có thể biết được lực
hút giữa các nguyên tử lớn hay bé.
Một tia laser tập trung chiếu lên đầu
thanh, tia này bị phản xạ rồi chiếu lên hai
nửa tấm pin quang điện thành 1 vệt sáng

tròn.
Nhờ bộ quét áp điện, đầu dò được đưa lại gần và quét theo hàng, cột trên bề mặt mẫu.
Dùng dòng điện khuyếch đại vi sai thay đổi độ sáng của tia điện tử quét trên màn hình
ta có được hình ảnh lực nguyên tử chỗ sáng hay chỗ tối, chỗ nguyên tử gần (hút
mạnh) hay xa (hút yếu). Như vậy ảnh hiển vi lực nguyên tử phản ảnh độ lồi lõm trên
bề mắt mẫu có thể chính xác đến mức thấy từng nguyên tử.
Máy AFM có thể thao tác trong các chế độ sau:
+ Chế độ tiếp xúc( Contact
Mode)
Tip được tiếp xúc và kéo lê trên
bề mặt mẫu.Lực tác dụng là lực
đẩy khoảng 10-9N.
Khuyết điểm: dễ phá huỷ bề
mặt mẫu và tip, hình ảnh dễ bị
méo (nhiễu) do lớp vật chất hấp
phụ trên bề mặt mẫu làm nhiễu
lực đẩy. Có thể khắc phục nếu
AFM hoạt động trong môi
trường chân không cao.
+ Chế độ không tiếp xúc
(non-contact Mode)
Trong chế độ này đầu dò luôn
được giữ ở một khoảng cách rất
nhỏ ngay sát bề mặt mẫu (10-15
nm.
Khuyết điểm: lực hút quá yếu
và đầu dò phải đặt sát bề mặt
mẫu dễ bị kéo xuống bề mặt
mẫu do lực căng bề mặt của
những lớp khí hấp phụ trên mặt

mẫu. Hình ảnh có độ phân giải
kém và dễ bị sai lệch.
+ Chế dộ tapping
Chế độ này khắc phục nhược điểm 2 chế độ trên, tránh được nhiễu hình
ảnh do những lớp chất lỏng bám trên bề mặt mẫu.
Trong chế độ này đầu dò gõ lên bề mặt mẫu với năng lượng đủ lớn được
tiến hành bằng cách cho tip tiếp xúc bề mặt mẫu sau đó tiếp được nâng lên
để tránh cào xước bề mặt mẫu.
Ưu điểm của AFM
 Đo được cả vật dẫn điện và vật không dẫn điện.
 AFM không đòi hỏi môi trường chân không cao, có thể hoạt động
ngay trong môi trường bình thường.
 AFM cũng có thể tiến hành các thao tác di chuyển và xây dựng ở cấp
độ từng nguyên tử, một tính năng mạnh cho công nghệ nano.
 Mẫu chuẩn bị đơn giản, cho thông tin đầy đủ hơn so với hình ảnh
của hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electron Microscope)
 AFM cung cấp những phép đo độ cao trực tiếp về địa hình của mẫu
và những hình ảnh khá rõ ràng về những đặc trưng bề mặt mẫu
(không cần lớp bao phủ mẫu)
Nhược điểm của AFM
 AFM quét ảnh trên một diện tích hẹp (tối đa đến 150
micromet).
 Tốc độ ghi ảnh chậm do hoạt động ở chế độ quét.
 Chất lượng ảnh bị ảnh hưởng bởi quá trình trễ của bộ quét
áp điện.
 Đầu dò rung trên bề mặt nên kém an toàn, đồng thời đòi
hỏi mẫu có bề mặt sạch và sự chống rung.
Ứng dụng của AFM
AFM có các ứng dụng như:
 Chụp ảnh cắt lớp nhanh.

 Mô tả, phân tích, xác định đặc điểm bề mặt.
 Kiểm soát chất lượng, kiểm tra khuyết tật vật liệu,.
 Đo cơ học đơn phân tử.
AFM được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như: công nghệ
nano(nanotechnology), công nghệ bán dẫn, dược phẩm, sinh
học,công nghệ vật liệu.v.v.
Một số hình ảnh về ứng dụng của AFM
Lớp vàng dày 400nm bốc hơi
trên một lớp bề mặt silicon. Sau
khi ngâm trong dung dịch axit
KI va I2, hình ảnh này đã được
chụp bởi máy AFM ở chế độ
“tapping” với độ phóng đại
20000.
Hình ảnh của một khối vật chất
bị khiếm khuyết chụp bằng máy
AFM
Hình ảnh 2-D của đĩa ghi
DVD hiển thị các liên kết
của bit. Bất kỳ khuyết tật
trên bề mặt được dễ dàng
xác định trong hình ảnh
2-D.
Hình ảnh chụp bằng AFM của
lớp phủ polymer mềm trên
cạnh của một lưỡi dao giúp
làm sáng tỏ cơ chế của sự tích
tụ polymer trên bề mặt thép
B. HIỀN VI QUÉT CHUI HẦM
(SCANNING TUNNELING MICROSCOPE)


Lịch sử:
Được phát minh năm 1981 và
hai nhà phát minh ra thiết bị này
là Gerd Binnig và Heinrich
Rohrer đã giành giải Nobel Vật
lý năm 1986

Chức năng:
Là kính hiển vi quét chui hầm
được sử dụng để quan sát hình
thái học bề mặt của vật rắn (kim
loại, chất bán dẫn) ở cấp độ
nguyên tử
CẤU TẠO CỦA MÁY STM:
1. ĐẦU DÒ
2. BỘ ÁP ĐIỆN:
+ BỘ ĐIỀU KHIỂN QUÉT XY
+ BỘ ĐIỀU KHIỂN HỒI TIẾP
3. BỘ PHẬN CHỐNG RUNG
4. MÁY TÍNH
ĐẦU DÒ
Cách chế tạo:
 Dây vonfram được chế
tạo bằng phương pháp
khắc điện hóa hoặc được
mài nhọn với bột Fe.
 Được cắt từ dây Pt-Ir.
Đường kính vài trăm nm
(kích thước cỡ nguyên tử)

BỘ PHẬN ÁP ĐIỆN
Là trung tâm vận hành của STM.Giúp mũi dò di chuyển
tinh tế hơn có 2 loại áp điện:
tripod
tube
 BỘ ĐIỀU KHIỂN QUÉT XY
Là bộ phận điều khiển định vị vị
trí mũi dò ( áp điện X và Y có thể
dãn nở khi đặt vào nó 1 hiệu điện
thế) khi nó di chuyển rất sát vật
mẫu và quét trên mặt phẳng XY
song song với bề mặt mẫu.
 BỘ ĐIỀU KHIỂN HỒI TIẾP
Mạch hồi tiếp để giữ cho dòng chui
ngầm không đổi,bằng cách điều chỉnh
khoảng cách giữa mũi dò và mẫu( trục
z),khoảng cách này được điều khiển
bằng 1tinh thể áp điện (áp điện z)có thể
dãn nở khi đặt vào nó 1 hiệu điện thế.
BỘ PHẬN CHỐNG RUNG
HIỆU ỨNG ĐƯỜNG HẦM
Theo cơ học cổ điển, khi
E<U hạt không thể vượt qua
rào thế
Theo cơ học lượng tử, khi
E<U vẫn tồn tại giá trị làm
sóng của điện tử ở bên kia
rào thế, tức là có xác suất
tìm thấy điện tử bên ngoài
rào thế. Đây chính là hiệu

ứng chui hầm lượng tử
Nếu mẫu gắn vào cực +, Ef của mẫu nhỏ hơn Ef của đầu dò ->
dòng chui hầm dịch chuyển từ đầu dò sang mẫu
Nếu mẫu gắn vào cực -, Ef của mẫu > Ef của đầu dò -> dòng chui
hầm dịch chuyển từ mẫu sang đầu dò.
CÁC KIỂU QUÉT
KIỂU QUÉT CHIỀU
CAO KHÔNG ĐỔI
KIỂU QUÉT DÒNG CHUI
HẦM KHÔNG ĐỔI
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