Bộ quét áp điện và hiển vi lực nguyên tử AFM

Vào khoảng cuối thế kỷ 20 Nguyên vật liệu áp điện còn được sử dụng rộng rãi theo hướng tạo nên những chuyển dịch nhỏ, tinh vi mà đỉnh cao là (piezoelectric scanner) (atomic force microscope – AFM). Kỳ này tất cả chúng ta khám phá hai bài viết trên.

1. Bộ quét áp điện

Hoạt động của bộ quét này dựa theo hiệu ứng áp điện ngược: một thanh bằng Nguyên vật liệu áp điện (hình 1), hai bên có phủ lớp dẫn điện làm các điện cực. Công dụng hiệu thế vào các điện cực, thanh áp điện co lại hoặc dãn ra nhiều hay ít theo chiều và độ lớn của hiệu điện thế công dụng. Nếu cố định một đầu mút của thanh áp điện, bằng cách biến đổi hiệu điện thế, có thể điều khiển để đầu mút kia của thanh áp điện chuyển dịch. Với Nguyên vật liệu áp điện PZT (gốm gồm ba thành phần: chì, ziêccôni, titan) một thanh áp điện dài 1 cm, công dụng hiệu thế ở hai đầu 100 V, đầu mút có thể chuyển dịch 10 m. Nếu biến đổi hiệu thế từng nấc, mỗi nấc một phần mười milivôn, đầu mút thanh áp điện có thể chuyển dịch từng bước, mỗi bước chỉ là 0,1 nanômet. Khoảng cách giữa hai nguyên tử trong vật rắn cỡ 0,3 đến 0,4 nanômet, chính vì như vậy với áp điện, nhờ điều khiển điện thế ta có thể điều khiển chuyển dịch cơ học với những khoảng cách bé hơn khoảng cách giữa các nguyên tử trong vật rắn.

Để di chuyển chuẩn xác theo cả ba chiều trong không gian, người ta ghép ba thanh áp điện vuông góc và nối đuôi nhau, đó chính là bộ quét áp điện cho phép tạo nên chuyển dịch tuỳ ý với độ chuẩn xác cỡ nguyên tử.

Ngoài ra ghép ba thanh áp điện như thế khá dài, dễ bị rụng nên người ta cải tạo, làm bộ quét bằng Nguyên vật liệu áp diện dưới dạng cái ống nằm trên cái thớt, hai cặp điện cực ở hai bên ống dùng để chuyển dịch qua lại theo hai chiều X và Y còn hai điện cực ở thớt dùng để điều khiển chuyển dịch theo chiều Z. Toàn bộ để gọn trong vỏ hình trụ tròn, to bằng lon sữa bò, có 6 đầu nối điện với 3 cặp điện cực trên mặt phẳng Nguyên vật liệu áp điện. Này là bộ quét áp điện, có bán trên thị trường, rất phổ biến hiện tại.

Xem Thêm  [Miễn Phí] Top 100+ Kiệt Tác Nghệ Thuật Nổi Tiếng Nhất Thế Giới | buc tranh dep nhat the gioi - Xác minh

Cách chuyển dịch cơ học rất tinh vi bằng bộ quét áp điện có rất là nhiều vận dụng trong công nghệ hiện đại, nhất là công nghệ nanô.

2. Kính hiển vi lực nguyên tử

Kết cấu và nguyên lý hoạt động của AFM.Bộ quét áp điện là phòng ban chính yếu của một loại kính hiển vi mới gọi là hiển vi quét đầu dò SPM (Scaning probe microscope) trong đó có hiển vi lực nguyên tử AFM (atomic force microscope) thổi phồng đến hàng triệu lần, có thể thấy được từng nguyên tử trên mặt phẳng, khá phổ biến hiện tại.

Ta hãy xem cấu trúc và nguyên lý hoạt động của hiển vi lực nguyên tử AFM (hình 2). Mẫu phân tích đặt trên bộ quét áp điện, trên mẫu phân tích là một mũi nhọn gắn ở đầu lò xo lá. Bộ điều khiển điện tử tạo nên điện thế công dụng lên các cực của bộ quét áp điện khiến cho mẫu chuyển dịch, thí dụ một đoạn có theo chiều x. Vì chuyển động là tương đối nên điều này tương tự với việc mũi nhọn quét theo chiều X một hàng có biên độ là d trên mặt mẫu. Cứ như thế có thể điều khiển để mũi nhọn liên tiếp quét nhiều hàng trên một diện tích hình vuông trên mặt mẫu. (có thể quét 500 đến 1000 hàng trên hình vuông).

Cùng lúc với mũi nhọn quét trên mặt phẳng mẫu, bộ điều khiển điện tử cũng khiến cho tia điện tử của đèn hình CRT quét trên màn hình một cách ăn nhập. Rõ ràng là khi mũi nhọn quét hàng đầu tiên, cứ như thế so với hàng thứ hai hàng thứ ba v.v… Việc quét ở mẫu và ở màn hình là ăn nhập, nhưng có điều khác là mũi nhọn quét trên mặt phẳng mẫu một hình vuông nhỏ có  cạnh là d, trong khi đó tia điện tử quét trên mành hình một hình vuông lớn có cạnh D lớn gấp hàng chục, hàng trăm nghìn lần d.

Xem Thêm  Cách làm tinh dầu hoa nhài đơn giản tại nhà

Cách quét mũi nhọn trên mặt phẳng mẫu song song quét tia điện tử trên màn hình là có mục đích tạo nên ảnh thổi phồng bằng công thức quét, khác hoàn toàn cách tạo ảnh thổi phồng bằng cách sử dụng các thấu kính như ở các loại hiển vi thường thấy trước đó. Rõ ràng trong trường hợp hiển vi lực nguyên tử cách tạo ảnh như sau:

Nếu mũi nhọn thật là nhọn đến mức ở đầu mút chỉ có một nguyên tử thì lúc mang lại gần sát mặt phẳng mẫu, nguyên tử của mũi nhọn bị nguyên tử ở mặt mẫu công dụng, này là lực công dụng giữa các nguyên tử hay gọi tắt là lực nguyên tử (atomic force). Khi chuyển dịch mũi nhọn trên mặt phẳng mẫu, nơi đâu mặt mẫu nhô lên tức là gần mũi nhọn hơn, lực nguyên tử sẽ lớn, mũi nhọn bị công dụng mạnh. Trái lại nơi đâu mặt mẫu lõm xuống các nguyên tử ở xa nhau, mũi nhọn bị công dụng yếu.

Người ta có thể đo lực nguyên tử mạnh hay yếu đó bằng cách gắn mũi nhọn lên một lò xo lá và đo độ uốn cong của lò xo lá nhờ hệ quang điện như vẽ ở hình bên trái hình 2. Ta thấy tia laser chăm chú chiếu vào 1 điểm nhỏ trên lò xo lá còn tia phản xạ do đi chặng đường dài nên bị loe ra chiếu vào tấm pin quang điện thành một diện tích tròn sáng cỡ bằng đồng xu. Tấm pin quang điện này được chia thành hai nửa. Khi mũi nhọn không bị hút, lò xo lá nằm ngang tia phản xạ được bố trí sao cho diện tích tròn sáng chiếu đều hai nửa tấm pin quang điện, dòng quang điện ra đời ở hai nửa bằng nhau, hiệu ứng của chúng bằng không. Nhưng khi mũi nhọn bị hút, lò xo lá cong xuống diện tích tròn sáng chạy lên, nửa tấm quang điện ở trên được chiếu sáng nhiều hơn ở nửa dưới, hiệu dòng quang điện ở hai nửa tấm pin quang điện có một giá trị nào đó lệ thuộc vào lò xo lá cong nhiều hay cong ít, thực chất là do mặt phẳng mẫu nhô lên hay lõm xuống. Người ta khuếch đại hiệu dòng quang điện này (khuếch đại vi sai) và dùng để điều khiển độ sáng tối của chùm tia điện tử quét trên màn hình. Kết quả là trên màn hình ta thấy chỗ sáng tối tương ứng với chỗ lồi chỗ lõm ở trên mẫu.

Xem Thêm  [Chuẩn] Top 10 phần mềm học tiếng Anh miễn phí hiệu quả | phan mem hoc tieng dai loan - Xác minh

Đây chính là ảnh AFM cho biết độ lồi lõm trên mặt phẳng mẫu.

Độ thổi phồng của ảnh đó là D/d với D là biên bộ quét trên màn hình và d là biên độ quét trên mẫu.

Thí dụ tia điện tử quét trên màn hình với D khẳng định cỡ 20 cm. Nếu điều khiển bộ quét áp điện cho mũi nhọn quét trên mẫu với d = 1 mm, độ thổi phồng của ảnh là D/d = 20cm/1mm = 200

Nhưng nếu mũi nhọn quét với biên độ rất nhỏ d = 1 µm thì độ thổi phồng của ảnh là

D/d = 20cm/1mm = 200.000

Bề mặt lá mica Phú Thọ chụp bằng AFM ở ĐH Bách Khoa HN, thấy rõ từng nguyên tử.

Mặt phẳng lá mica Phú Thọ chụp bằng AFM ở ĐH Bách Khoa HN, thấy rõ từng nguyên tử.Người ta có thể điều khiển để ảnh AFM có độ thổi phồng lớn xấp xỉ một triệu lần, thấy được từng nguyên tử trên mặt phẳng (hình 3). Cách đo lực nguyên tử bằng lò xo lá như đã miêu tả là cách đo dễ dàng, dễ hiểu. Còn tồn tại những cách đo lực theo cộng hưởng nhạy hơn và trực tiếp đo được độ lồi lõm ở từng điểm tạo nên ảnh ba chiều thực sự. Một dấu hiệu trọng yếu nữa của loại hiển vi AFM đó là có thể làm việc trong không khí, trong môi trường tự nhiên nước, dung dịch… rất trọng yếu cho việc phân tích vật sống như tế bào virut… Bộ quét áp điện cho phép quét nhiều loại mũi nhọn khác dùng để đo dòng điện có các loại hiển vi khác như hiển vi tunen, hiển vi lực ma sát, hiển vi sức điện động… Các loại hiển vi này đều làm việc trên nguyên tắc chung là quét mũi nhọn là đầu dò (probe) trên mẫu phân tích để thu thập tín hiệu tạo nên ảnh nên có tên chung là hiển vi quét đầu dò SPM (Scanning probe microscope).

Đây là hiển vi của niên đại công nghệ nano.

By ads_law

Trả lời