Bài giảng Kính hiển vi lực nguyên tử (AFM)

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.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
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 bởir0 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 khôngđổi bằng cách sử dụng bộ quét áp điện điều khiểnkhoảng cách mũi dò và mẫu để làm cho độ cong ∆Zbằng giá trị ∆Z được thiết lập trước đó.Khi đó, mũi dò di chuyển dọc theo bề mặt, vì vậythế áp vào bộ quét áp điện theo chiều Z của bộquét được ghi nhận trong bộ nhớ máy tính như làthông 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.1.51.63.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 cantileverTần số dao động riêng của cantilever i EJ n 2 . l Sl: độ dàiE: môđun YoungJ: Moment quán tính của cantilever là khối lượng riêng của vật liệuS 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 dẫnTương tác hấp dẫn van der Waals được gây ra bởi biến thiên trong chuyển động đipônđiện của nguyên tử và phân cực lẫn nhau. Chúng tồn tại giữa các loại phân tử và nguyêntử và hiệu quả ở khoảng cách vài Å đến vài trăm Å. Lực giữa các nguyên tử ≈ r-7, giữa haimặt ≈ r-3, ...