Kính hiển vi đường hầm quét STM

STM Kính hiển vi đường hầm quét The Scanning Tunneling Microscope HV: LÊ PHÚC QUÝ TRẦN THỊ THỦY M THỊ HỒNG HẠNH CBHD: TS. LÊ VŨ TUẤN HÙNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH C KHOA HỌC TỰ NHIÊN VẬT LÝ ỨNG DỤNG CHUYÊN NGHÀNH: QUANG HỌC  Nội dung trình bày: 1.QÚA TRÌNH LỊCH SỬ. 2.NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 2.CẤU TẠO CỦA STM 3.ƯU ĐiỂM - NHƯỢC ĐiỂM 4.ỨNG DỤNG 1.QÚA TRÌNH LỊCH SỬ. Năm 1972 : Yuong là người đầu tiên sử dụng thiết bị không tiếp xúc topogarfiner(phát triển từ năm 1965 và 1971) để đo địa hình vi mô của bề mặt kim loại. Không tạo được ảnh ở chế độ tunnel rung Russell D. Young Ảnh độ phân giải thấp Gerd Binning và Heinrich Rohner Chống rung STM Nhận được bức ảnh đầu tiên với độ phân giải nguyên tử Nobel vật lý năm 1986 Năm 1982 : IBM Zürich, Thụy Sĩ 2.NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG Dựa vào hiệu ứng xuyên đường hầm lượng tử của electron Hiệu ứng xuyên hầm lượng tử của electron Khi một vật gặp một rào thế mà nó không có đủ năng lượng đi qua rào thế thì nó luôn bị phản xạ lại. Trong cơ học cổ điển p m U x Ex 2 2 Năng lượng của một electron chuyển động trong một U tiềm năng (x) Điện tử có lực khác không khi E> U (x), nhưng khi E <U (x) diện tích là bị cấm. U(x) )()()(ˆ zEzUzH z Trong cơ học lượng tử, chuyển động của electron: Nghiệm phương trình: Theo cơ lương tử: Hiệu ứng xuyên hầm lượng tử của electron 2( ). kdI f E e Trong đó f(E) là hàm phân bố Fermi. ( )/ 1 ( ) 1FE E KT f E e 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. Hiệu ứng xuyên hầm lượng tử của electron Có hai cơ chế hoạt động chính Dòng không đổi Độ cao không đổi - Độ cao đầu dò thay đổi sao cho dòng xuyên ngầm là const ghi nhận sự thayđổi của đầu dò Dòng không đổi - Độ cao của mẫu được giử nguyên , sự thay đổi ở bề mặt mẫu thay đổi ghi theo dạng tín hịêu điện Độ cao 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 •Đầu dò (tip) •Bệ đặt mẫu •Bộ khuếch đại •Hệ điều khiển truy hồi. •Máy tính xử lý •Bộ áp điện •Hệ chống rung Cấu tạo chính của STM gồm :3.CẤU TẠO CỦA STM Đầu dò Hình ảnh sắc nét phụ thuộc vào độ sắc nhọn của đầu dò 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. 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). Bệ đặt mẫu Hệ chống rung 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 •Rung động của tòa nhà, đi lại của con người, âm thanh . ảnh hưởng đến độ chính xác của STM Hệ chống rung làm việc trong môi trường không khí 1. Hệ chống rung thủy lực 2. Hệ chống rung bằng lò xo. Khi STM hoạt động trong không khí không yêu cầu độ phân giải 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 Hệ chống rung trên đệm từ chứa Heli lỏng 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 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 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. •Bộ áp điện Tiến hành đo - 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 -Chuẩn bị đầu dò -Chuẩn bị mẫu ỨNG DỤNG 1. Định hướng nguyên tử - 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, - 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 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. 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 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. XIN CHÂN THÀNH CẢM ƠN!!!