Tiểu luận Kính hiển vi lực từ (magnetic force microscopy - MFM)

Kính hiển vi lực từ (MFM) GVHD: TS. Đinh Sơn Thạch HVTH: Phan Thị Kiều Loan Trang 1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA VẬT LÝ BỘ MÔN VẬT LÝ ỨNG DỤNG    Tiểu luận : Kính hiển vi lực từ (magnetic force microscopy - MFM) GVHD: TS. Đinh Sơn Thạch HVTH: Phan Thị Kiều Loan Kính hiển vi lực từ (MFM) GVHD: TS. Đinh Sơn Thạch HVTH: Phan Thị Kiều Loan Trang 1 Mục lục Mục lục................................................................................................................... 2 Mở đầu ................................................................................................................... 4 Chương I Tổng quan về từ và vật liệu từ ............................................................. 5 I. Nguồn gốc từ trường [5] ................................................................................. 5 II. Một số đại lượng cơ bản trong từ học .............................................................. 6 (magnetic field strength). ............................................... 6 (magnetic induction). .................................................................. 6 (magnetic moment) ........................................................................ 6 . ...................................................................................... 6 (magnetization)............................................................................ 7 III. Vật liệu từ ........................................................................................................ 8 1. . ............................................................................................. 8 2. Chất thuận từ ................................................................................................ 8 3. , t . .................................................................................. 9 ...................................................................................................... 11 IV. Đômen từ .................................................................................................... 13 Chương II Kính hiển vi MFM và ứng dụng của nó trong phân tích vật liệu từ .............................................................................................................................. 16 I. Lịch sử ra đời: [2] ......................................................................................... 16 II. Cấu tạo ...................................................................................................... 19 1. Bộ chuyển đổi gốm sứ áp điện: (PZT) [6] ................................................... 20 2. Tip: [6] ....................................................................................................... 21 3. Cần quét: .................................................................................................... 22 Kính hiển vi lực từ (MFM) GVHD: TS. Đinh Sơn Thạch HVTH: Phan Thị Kiều Loan Trang 1 4. Nguồn laser ................................................................................................ 22 5. Photodetector .............................................................................................. 22 III. Nguyên lý hoạt động ................................................................................. 23 IV. Các chế độ hoạt động: [1] ......................................................................... 26 1.Chế độ tĩnh (static mode) ................................................................................ 26 2. Chế độ động (Dynamic mode) ........................................................................ 26 V. Ưu điểm và nhược điểm ............................................................................... 29 VI. Ứng dụng ................................................................................................... 30 1. Trong y sinh: ............................................................................................. 30 a. Phát hiện vi khuẩn magnetotaktic: [1] ..................................................... 30 b. Sự phụ thuộc của các hạt nano từ vào cấu trúc [1] ....................................... 30 c. Phân biệt các hạt nano từ và các hạt nano phi từ tính: [3] ............................ 31 2. Trong kỹ thuật [6] ..................................................................................... 37 VII. Kết luận ..................................................................................................... 38 Tài liệu tham khảo ............................................................................................... 38 Kính hiển vi lực từ (MFM) GVHD: TS. Đinh Sơn Thạch HVTH: Phan Thị Kiều Loan Trang 1 Mở đầu Gần hai thập kỉ đã trôi qua kể từ khi phát minh thực nghiệm đầu tiên về nguyên lý hoạt động của kính hiển vi quét đầu dò (SPM) ra đời. Trong một khoảng thời gian dài, ý tưởng về kính hiển vi dựa trên đầu dò đã được phát triển sang nhiều kỹ thuật đặc biệt, chẳng hạn như kính hiển vi quét đường hầm (STM), kính hiển vi lực nguyên tử (AFM), kính hiển vi lực từ (MFM). đơn giản đã chứng minh được tính duy nhất của chúng trong việc đạt được độ phân giải ở cấp độ dưới micromet. Trong đó, kính hiển vi lực từ (MFM) đại diện cho một trong những phương pháp tinh tế nhất để nghiên cứu tính chất từ của bề mặt, với độ phân giải cao, việc chuẩn bị mẫu dễ dàng [1]. MFM là một tính năng mở rộng của chế độ tapping mode của AFM, là một phương pháp để tìm ra cấu trúc bề mặt của một vật liệu ở cấp độ nanomet. MFM được quan tâm là do tiềm năng độc đáo của nó, nó có thể giải quyết các vấn đề khảo sát cơ bản và ứng dụng, chẳng hạn như sự phát triển của công nghệ nano hiện đại. Trong hóa học, MFM là không thể thiếu để nghiên cứu hình thái học, cấu trúc và tính chất của hợp chất nano với các thể vùi từ tính. MFM có ý nghĩa đặc biệt trong các nghiên cứu tính chất từ của các cấu trúc nano, đặc biệt là trong việc nghiên cứu các kích thước và hiệu ứng lượng tử [2]. Hiện nay, trong y sinh, các hạt nano từ tính đang được nhiều sự quan tâm bởi tiềm năng và ứng dụng của nó, chẳng hạn như chúng phân loại và chia tách giữa tế bào và các phân tử sinh học, phân phối thuốc, ghi nhãn và điều trị việc tăng thân nhiệt từ. Điều quan trọng cho sự phát triển của các ứng dụng các hạt nano từ tính là vị trí của các hạt có thể được xác định với độ chính xác cao. Để phát triển các ứng dụng này, lý tưởng nhất là một kỹ thuật cung cấp hình ảnh thông tin ba chiều, có độ phân giải nanomet, và có thể phân biệt các hạt nano từ tính cụ thể từ các hạt khác hoặc các vật liệu sinh học. MFM phù hợp với những chi tiết kỹ thuật này, bởi vì nó kết hợp với AFM cho tính chất ba chiều của thông tin và tiếp cận độ phân giải của AFM trong khi cho phép dò mẫu từ hóa, do đó cho phép phân biệt các hạt nano từ tính từ các tính năng nền [3]. Ngoài ra, MFM còn được ứng dụng để theo dõi chuyển động của các hạt nano từ tính và phát hiện thông tin động lực học của phân tử mà nó được gắn theo [4]. Trong bài viết Kính hiển vi lực từ (MFM) GVHD: TS. Đinh Sơn Thạch HVTH: Phan Thị Kiều Loan Trang 1 này, chúng ta sẽ nghiên cứu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và khả năng của MFM trong việc phân tích các hạt nano từ để ứng dụng trong thực tế. Chương I Tổng quan về từ và vật liệu từ I. Nguồn gốc từ trường [5] - . N . . ). . Trong hầu hết các vật liệu đều có mômen từ tổng cộng, nhờ các electron tạo thành nhóm từng cặp, gây ra mômen từ bị triệt tiêu bởi lân cận của nó. Trong các vật liệu từ nào đó, các mômen từ với một tỷ lệ lớn của các electron đã được sắp xếp, khi tạo ra một từ trường đồng nhất. Trường được tạo ra trong vật liệu ( hoặc bằng một nam chân điện) có một hướng chảy và nam châm bất kỳ nào đều thể hiện một lực để cố gắng sắp xếp nó theo từ trường ngoài, giống như cái kim la bàn. Các lực này được sử Kính hiển vi lực từ (MFM) GVHD: TS. Đinh Sơn Thạch HVTH: Phan Thị Kiều Loan Trang 1 dụng để điều khiển môtơ điện, tạo âm thanh trong một hệ loa, kiểm sóat cuộn tiếng trong CD player, v.v...Các tương tác giữa từ và điện, vì vậy là một khía cạnh thiết yếu của nhiều thiết bị mà chúng ta sử dụng hàng ngày. Hình 1. Quỹ đạo của một electron đang quay xung quanh nguyên tử. II. Một số đại lượng cơ bản trong từ học (magnetic field strength). . (Oer 1Oe =80 A/m (magnetic induction). ). Trong chân không: 0.B H v 7 0 4. .10 .N A   1T=10000G. (magnetic moment) .m 2 . . Kính hiển vi lực từ (MFM) GVHD: TS. Đinh Sơn Thạch HVTH: Phan Thị Kiều Loan Trang 1 : 2. . 2 2 ev evr I S r r       : .L p r mvr  : . n v r m   Suy ra: . . 2 2 4 e v r en e n m m        : 24 29,27.10 . 4. . B e A m m      B . (magnetization). H. N  . , H, M như sau: 0 ( )B M H M H       (magnetic susceptibility). Ta có: 0 0 0( ) (1 ) (1 1/ ).B M H H M          1   . Kính hiển vi lực từ (MFM) GVHD: TS. Đinh Sơn Thạch HVTH: Phan Thị Kiều Loan Trang 1 III. Vật liệu từ 1. . 610 20, , , , , ...H Si Bi Pb Cu Au Hình 2. Mô hình chất nghịch từ 2. Chất thuận từ . Kính hiển vi lực từ (MFM) GVHD: TS. Đinh Sơn Thạch HVTH: Phan Thị Kiều Loan Trang 1 đ : C T   . . Muối hydrad của các kim loại chuyển tiếp, như CuSO4.5H2 . Hình 3. Mô hình chất thuận từ 3. . xếp song song với nhau. Hiệu ứng này được giải thích theo lý thuyết cổ điển bằng sự có mặt của một trường phân tử bên trong vật liệu sắt từ, lần đầu tiên được đưa ra bởi Weiss vào năm 1907. Trường này đủ để từ hóa vật liệu đến trạng thái bão hòa. Trong cơ học lượng tử, model Heisenberg của sắt từ đã mô tả sự định hướng song song của các mômen từ theo tương tác trao đổi giữa các mômen lân cận. Kính hiển vi lực từ (MFM) GVHD: TS. Đinh Sơn Thạch HVTH: Phan Thị Kiều Loan Trang 1 Weiss đã đưa ra sự có mặt của các đômen từ bên trong vật liệu, là các vùng mà ở đó các mômen từ nguyên tử được định hướng. Sự dịch chuyển của các đômen này sẽ xác định vật liệu hưởng ứng như thế nào với một từ trường v 0. : - . - . . :  .  C. ). Kính hiển vi lực từ (MFM) GVHD: TS. Đinh Sơn Thạch HVTH: Phan Thị Kiều Loan Trang 1 Hình 4. Giản đồ chất thuận từ. :  .  : Ferrite Sr, AlNiCo5, AlNiCo9 , Các vật liệu phản sắt từ rất giống như các vật liệu sắt từ, nhưng tương tác trao đổi giữa các nguyên tử lân cận dẫn đến sự sắp xếp phản song song của các mômen từ nguyên tử. Vì vậy, từ trường triệt tiêu và vật liệu xuất hiện bản chất giống như là một vật liệu thuận từ. Giống như các vật liệu sắt từ, các vật liệu này trở thành thuận từ ở trên một nhiệt độ chuyển tiếp , được gọi là nhiệt độ Néel, TN. 37 0 C. exchange bia - . Kính hiển vi lực từ (MFM) GVHD: TS. Đinh Sơn Thạch HVTH: Phan Thị Kiều Loan Trang 1 Hình 5. Mô hình chất phản sắc từ. . Hình 6. Mô hình Feri sắt từ. Ferit từ chỉ được quan sát trong các hợp chất có cấu trúc tinh thể phức tạp hơn so với các nguyên tố thuần khiết. Bên trong các vật liệu này các tương tác trao đổi dẫn đến một sự sắp xếp song song của các nguyên tử trong cùng một vị trí tinh thể và sự sắp xếp phản song song trong các vị trí khác. Vật liệu bị chia thành các đômen, giống như trong vật liệu sắt từ và bản chất từ cũng như vậy , mặc dù các vật liệu ferít có độ từ hóa bão hòa thấp hơn. Ví dụ trong ferit barium, (BaO.6Fe2O3), ô đơn vị chứa 64 ion, trong đó các ion Ba và ôxy không có các mômen từ; 16 Fe3+ có các mômen từ sắp xếp song song và 8 Fe3+sắp xếp phản song song , cho một độ từ hóa riêng song song với trường ngoài, nhưng với độ lớn tương đối thấp, chỉ 1/8 của các ion đóng góp vào độ từ hóa của vật liệu. 5. Kính hiển vi lực từ (MFM) GVHD: TS. Đinh Sơn Thạch HVTH: Phan Thị Kiều Loan Trang 1 . . . Hình 7. Bảng tuần hoàn của các nguyên tố cho ta bản chất từ của mỗi nguyên tố tại nhiệt độ phòng. IV. Đômen từ Để giải thích được sự thật là các vật liệu sắt từ với độ từ hóa tự phát có thể tồn tại ở trạng thái khử từ, Weiss đã đưa ra khái niệm các đômen từ. Weiss đã xây dựng trên cơ sở của công trình trước đó của Ampère, Weber và Ewing khi đưa ra sự tồn tại của chúng. Các kết quả tìm thấy của công trình này liên quan đến điều là bên trong một đômen một số lớn các mômen nguyên tử đã được định hướng là 10 12 – 10 18, vượt quá một khối lượng lớn hơn nhiều so với những dự đoán trước đó. Độ từ hóa bên trong đômen đã được bão hòa và sẽ luôn nằm theo phương từ hóa dễ khi ở đó không có từ trường ngoài đặt vào. Phương của sự định hướng đômen ngang qua Kính hiển vi lực từ (MFM) GVHD: TS. Đinh Sơn Thạch HVTH: Phan Thị Kiều Loan Trang 1 một khối lượng lớn vật liệu là ngẫu nhiên nhiều hay ít và vì vậy độ từ hóa của một mẫu là có thể bằng không. Đômen từ tồn tại nhằm giảm năng lượng của hệ. Một mẫu được từ hóa đồng nhất, có một năng lượng tĩnh từ lớn liên quan đến nó. Đó là hệ quả của sự có mặt của cáccự từ tự do tại bề mặt của mẫu, khi phát sinh ra một trường khử từ , Hd. Từ quy ước được chấp nhận cho dịnh nghĩa của mômen từ cho một dipol từ thì độ từ hóa bên trong mẫu chỉ ra đi từ cực nam cho đến cực bắc, trong khi đó phương của từ trường chỉ ra là đi từ cực bắc đến cực nam. Vì vậy, trường khử từ theo phương ngược với sự từ hóa của mẫu. Độ lớn của Hd phụ thuộc vào hình học và độ từ hóa của mẫu. Nói chung, nếu mẫu có tỷ lệ cao của độ dài trên đường kính ( và được từ hóa theo truc dài) thì trường khử từ và năng lượng tĩnh từ sẽ thấp. Hình 8. Minh họa sự chia vật liệu thành (a) đơn đômen, (b) hai dômen, (c) Bốn đômen và (e) Các đômen khép kín. Việc phân chia mẫu được từ hóa thành hai đômen như minh họa trên hình 8(b) đã làm giảm năng lượng tĩnh từ xuống còn một nửa. Trong thực tế , nếu nam châm được phân chia thành N đômen thì năng lượng tĩnh từ sẽ được giảm đi N lần, vì vậy, hình 8(c) có ¼ năng lượng tĩnh từ của hình 8(a). Hình 8(d) chỉ ra cấu trúc đômen kín, ở đó năng lượng tĩnh từ bằng không, song điều này chỉ có thể được đối với các vật liệu mà không có một dị hướng từ đơn trục mạnh, và các đômen lân cận không phải bị từ hóa theo phương 180o đối với nhau. Kính hiển vi lực từ (MFM) GVHD: TS. Đinh Sơn Thạch HVTH: Phan Thị Kiều Loan Trang 1 Việc đưa vào một đômen đã làm tăng năng lượng tổng cộng của hệ, vì vậy việc chia thành các đômen chỉ tiếp tục khi việc giảm năng lượng tĩnh từ lớn hơn so với năng lượng đòi hỏi để tạo ra vách đômen. Năng lượng liên quan đến một vách đômen tỷ lệ với diện tích của nó. Việc biểu diễn sơ đồ của vách đômen được chỉ ra trên hình 11, chỉ ra rằng các mômen dipol của các nguyên tử bên trong vách không nằm 180o đối với nhau và năng lượng trao đổi cũng tăng lên bên trong vách. Vì vậy, năng lượng vách đômen là một tính chất nội tại của một vật liệu phụ thuộc vào mức độ dị hướng từ tinh thể và cường độ của tương tác trao đổi giữa các nguyên tử lân cận. Độ dày của vách sẽ thay đổi tương quan đến các thông số này, vì một dị hướng từ tinh thể mạnh sẽ phù hợp một vách hẹp, trong khi mà một tương tác trao đổi mạnh sẽ thích hợp với một vách rộng Vì vậy, một năng lượng cực tiểu có thể đạt được với một số riêng biệt các đômen bên trong một mẫu. Số các đômen sẽ phụ thuộc vào kích thước và hình dạng của mẫu ( nó sẽ ảnh hưởng lên năng lượng tĩnh từ) và tính chất từ nội tại của vật liệu ( nó sẽ ảnh hưởng lên năng lượng tĩnh từ và năng lượng vách đômen). Hình 9 . Hình 10 . Kính hiển vi lực từ (MFM) GVHD: TS. Đinh Sơn Thạch HVTH: Phan Thị Kiều Loan Trang 1 Hình 11. Các đômen từ Chương II Kính hiển vi lực từ magnetic force microscopy (MFM) và ứng dụng của nó trong nghiên cứu vật liệu từ I. Lịch sử ra đời: [2] Kính hiển vi lực từ (MFM) kết hợp một kỹ thuật hiện đại của các phép đo từ trường với tiềm năng độc đáo của kính hiển vi đầu dò. Các kính hiển vi đầu dò đầu tiên là kính hiển vi quét đường hầm (STM), nó có thể khảo sát các bề mặt dẫn điện và thực hiện sự điều chỉnh mục tiêu của chúng trên cấp độ một nguyên tử và phân tử. Loại kính hiển vi này đã trở thành một hình thức sơ khai của một họ kính hiển vi thăm dò, trong đó kính hiển vi lực nguyên tử và những sự cải biến của nó được sử dụng phổ biến nhất. Trong một kính hiển vi quét đầu dò (SPM), một đầu dò miro (tip) với sự hỗ trợ của hệ thống cơ học chính xác quét bề mặt. Đồng thời, các bộ phận điều khiển của kính hiển vi phát hiện các đặc điểm cụ thể của sự tương tác giữa đầu dò và bề mặt được nghiên cứu. Phát hiện này có thể là do dòng chui hầm giữa tip kim loại và bề mặt của một vật dẫn trong trường hợp của kính hiển vi đường hầm (STM), còn trong trường hợp kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) phát hiện này là do các lực tương tác giữa tip sắc nét làm bằng vật liệu cứng và bề mặt của mẫu. Kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) là bản chất của một máy đo biên dạng nhạy, như một dụng cụ để đo độ gồ ghề và địa hình của bề mặt, và theo sự nhạy đó, Kính hiển vi lực từ (MFM) GVHD: TS. Đinh Sơn Thạch HVTH: Phan Thị Kiều Loan Trang 1 nó có thể được xem xét như khoảng cách tương đối của một máy quay đĩa với một tip kim cương. Kính hiển vi đường hầm và kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) có độ phân giải không gian tốt hơn 1 A0, tức là chúng có thể quan sát từng nguyên tử và phân tử trên bề mặt các vật liệu khác nhau. Những hình ảnh khác nhau có được khi sử dụng kính hiển vi STM và AFM được trình bày trong hình 12 và hình 13 như là những ví dụ. Hình 12. Bề mặt của pyrolytic graphic có được khi dùng STM. Hình 13. Bề mặt của mica sử dụng AFM. Martin and Wickramasinghe đã cải tiến AFM để khảo sát tính chất từ của bề mặt với độ phân giải không gian dưới micromet. Nó sử dụng một mũi kim micro làm từ vật liệu sắt từ như là một tip đầu dò để đo lực từ được thử nghiệm bằng cách đặt nam châm siêu nhỏ này trong vùng lân cận của một mẫu vật từ tính. Sự cải tiến này của AFM được gọi là MFM. Độ phân giải không gian cao nhất nhận được nếu AFM hoạt động ở chế độ „contact mode‟, ở chế độ này tip sẽ tiếp xúc với bề mặt của mẫu để nghiên cứu. Như là một quy luật, trong chế độ „tapping mode‟ độ phân giải nhận được sẽ khác nhau và hơi tệ hơn so với trường hợp trước. Tuy nhiên, độ phân giải nguyên tử ổn định cũng có thể được ghi nhận trong chế độ tapping mode trong chân không siêu cao. Kính hiển vi lực từ (MFM) GVHD: TS. Đinh Sơn Thạch HVTH: Phan Thị Kiều Loan Trang 1 Trong chế độ tapping mode, sự rung của một bộ phận vi điều khiển đàn hồi (cantilever), một tip được gắn trên nó dao động tại tần số cộng hưởng trong bề mặt lân cận của mẫu vật. Một cantilever là một buồng cộng hưởng cơ học tương tự với một âm thoa nhỏ. Khi cantilever tiến đến bề mặt, các lực hoạt động bề mặt có thể gây tăng thêm sự tắt dần dao động của cantilever. Trong điều kiện phòng thí nghiệm theo quy định, độ nhớt của không khí và sự hấp thu của lớp nước trên bề mặt gần như phủ định độ chính xác của phép đo. Phép đo trong chân không, không bị các yếu tố này cản trở, do đó, lực tương tác giữa đầu dò và mẫu được duy trì ở mức tối thiểu và vì vậy cải thiện được độ phân giải không gian lên cấp độ nguyên tử. Trong chế độ non-contact mode, lực tác dụng lên tip của AFM dựa vào tương tác van der waals. Trong MFM, tip có thêm hoạt động của các lực từ. Khi tip được nâng lên trên bề mặt mẫu ở độ cao từ 10 – 50 nm, toàn bộ lực hút van der waals hầu như hoàn toàn biến mất và tip bị ảnh hưởng chính bởi các lực từ. Trong trường hợp này, đó là sự tương tác từ gây ra độ lệch của tip từ chuyển động thẳng như hình 14. Bởi vì kích thước nhỏ nên tip của MFM có thể được xác định bằng một lưỡng cực từ. Lực F hoạt động ở trên tip được tính theo mối liên hệ: F=m0gradH (1) ở đây m0 là moment từ của tip, H là cường độ từ trường. Một vi tạp chất từ tính trong mẫu vật sẽ sinh ra từ trường, độ lớn của từ trường tại khoảng cách R là: H(R)= (2) Ở đây, r là đơn vị bán kính v