KÍNH HIỂN VI LỰC NGUYÊN TỬ
VÀ ỨNG DỤNG
(AFM - ATOMIC FORCE MICROSCOPE)
Những người thực hiện:
Chu Đắc Đức
Nguyễn Quốc Hảo
Vật lý kỹ thuật k57
Mục lục
I.Lịch sử phát triển 3
II.Cấu tạo 4
III.Nguyên lý làm việc 5
IV.Chế độ làm việc 43
V.Ưu và nhược điểm 2
VI.Ứng dụng 4
2
I. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN
Kính hiển vi lực nguyên tử là một thiết bị quan sát cấu trúc vi mô bề mặt
chất rắn dựa trên nguyên tắc xác định lực tương tác nguyên tử giữa một đầu
mũi dò nhọn với bề mặt của mẫu
Được phát minh bởi Gird Binnig, Calvin Quate và Christoph Gerber năm
1986
Năm 1987, T.Albrecht đã lần đầu tiên phát triển AFM đạt độ phân giải cấp
độ nguyên tử
Kính có khả năng quan sát ở độ phân giải nm
Thuộc nhóm kính hiển vi quét đầu dò (SPM - Scanning Probe Microscopy)
hoạt động trên nguyên tắc quét đầu dò trên bề mặt
Ngày nay, AFM đã phát triển lên hệ máy mới AFM fastscan có tốc độ quét
nhanh hơn và có thể ứng dụng vào đo các tế bào còn sống
II. CẤU TẠO CỦA AFM
3
Hình 1. Sơ đồ cấu tạo của hiển vi lực nguyên tử

lò xo lá bị uốn cong, vệt sáng tròn dịch chuyển, hai nửa tấm quang điện
không được chiếu đều như nhau, dòng quang điện sinh ra chênh lệch nhau
tạo tín hiệu vi sai. Bộ khuếch đại vi sai sẽ cho dòng điện lớn hay nhỏ tùy
thuộc vào lò xo lá bị uốn cong nhiều hay ít, tức là lực tương tác giữa hai
nguyên tử là mạnh hay yếu.
Mẫu nghiên cứu được gắn liền với bộ quét và được điều khiển để đầu dò
quét trên mẫu theo hai chiều x, y. Dùng dòng quang điện ở bộ khuếch đại
vi sai để tạo ảnh bề mặt ứng với các điểm sáng tối. Dòng quang diện phản
hồi vè bộ quét điều khiển mẫu dịch chuyển lên xuống theo trục z sao cho
dòng quang điện không đổi. Nhờ vậy đầu dò đã lượn theo đúng độ mấp mô
bề mặt trong quá trình quét. Sử dụng số liệu x, y và z sẽ thu được ảnh 3
chiều bề mặt có thể thấy rõ từng nguyên tử.
5
IV. CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA AFM
4.1.Chế độ tiếp xúc
Hình 2.
Trong chế độ này đầu dò được tiếp xúc và kéo lê đơn giản trên bề mặt mẫu
và cho ảnh địa hình bề mặt. Lực tác dụng lên tip là lực đẩy có giá trị trung
bình cỡ 10
-9
N. Lực này được thiết lập bằng cách nhấn mạnh lò xo lá lên bề
mặt mẫu nhờ phần tử định vị áp điện. Tuy nhiên kĩ thuật này có 1 nhược
điểm khá lớn. Quá trình chuyển động quét trên bề mặt mẫu của đầu dò đã
tạo ra các lực ma sát và lực bám dính giữa đầu dò và bề mặt. Điều này có
thể gây nên sự phá hủy cả bề mặt mẫu và đầu dò, đồng thời làm sai lệch dữ
liệu hình ảnh.
Trong điều kiện môi trường tự nhiên hầu hết các bề mặt được phủ một lớp
rất mỏng các chất khí hấp phụ (hơi nước và các khí khác) có bề dày cỡ vài
nanomet. Khi đầu dò quét trên bề mặt vật mẫu chạm vào lớp mỏng đó thì
6

4.3.Chế độ gõ
8
Chế độ này tránh được việc kéo lê đầu dò trên bề mặt làm phá hủy mẫu
trong quá trình quét do các lực luôn có phương thẳng đứng. Khác hai chế
độ tiếp xúc và không tiếp xúc, trong quá trình gõ đầu dò gõ vào bề mặt với
năng lượng đủ lớn để có thể bỏ qua lực bám dính giữa mẫu và đầu dò. Một
lợi ích khác của kĩ thuật gõ là miền hoạt động tuyến tính rất rộng của nó.
Điều này khiến cho hệ thống phản hồi theo phương thẳng đứng có độ ổn
định rất cao. Chế độ này tránh được tính không ổn định lực do sự trôi nhiệt
ở chế độ tiếp xúc, do vậy chất lượng ảnh và phép đo được nâng cao và tiết
kiệm được thời gian. Lực tạo ảnh ổn định đo được trong hoạt động ở chế
độ gõ nhỏ hơn 200pN.
V.ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA AFM
5.1.Ưu điểm của AFM
AFM khắc phục nhược điểm của STM, có thể chụp ảnh bề mặt của tất cả
các loại mẫu kể cả mẫu không dẫn điện.
AFM không đòi hỏi môi trường chân không cao, có thể hoạt động ngay
trong môi trường bình thường.
9
AFM có thể cho ảnh bề mặt đến độ phân giải phân tử, tạo ảnh ba chiều của
mẫu.
Cung cấp những phép đo độ cao trực tiếp về địa hình của mẫu và hình ảnh
chi tiết về đặc trưng bề mặt mẫu.
5.2.Nhược điểm của AFM
AFM quét ảnh trên một diện tích hẹp (dưới 150µm).
Tốc độ ghi ảnh chậm.
Chất lượng ảnh bị ảnh hưởng bởi quá trình trễ của bộ quét áp điện.
Đầu dò rung trên bề mặt có thể phá hủy bề mặt, yêu cầu bề mặt phải sạch.
VI.ỨNG DỤNG CỦA AFM
AFM có các ứng dụng:

Hình xxx. ADN đang nối lại trên tấm Mica
16
Chuỗi AND của phân tử protein
17