kính hiển vi lực nguyên tử
(AFM)
Hình. 18 Đầu dò AFM.
Đo lực tương tác giữa mũi dò (tip) và bề mặt mẫu,
bằng cách sử dụng một đầu dò đặc biệt được tạo bởi
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.
1. Nguyên tắc hoạt động
.2)(
12
0
6
0
0
















như là môt detector quang học xác định vị trí.
Độ cong của cantilever do lực hút hay lực đẩy (F
z
) và độ
xoắn của cantilever do thành phần lực ngang (F
L
) của
lực tương tác mũi dò và bề mặt.
Hình 22: Mối liên hệ giữa loại biến dạng uốn
của canlever (dưới) và sự thay đổi vị trí của
chùm ánh sáng hội tụ tại mỗi phần của diode
quang (trên).
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,
dòng chênh lệch:
).()(
4321
IIIII
z
∆+∆−∆+∆=∆
).()(
3241
IIIII
L
∆+∆−∆+∆=∆
Hình 23: Sơ đồ khối của hệ hồi tiếp.
Hệ hồi tiếp (feedbeck system - FS) giữ ∆I
Z
không

.
2
S
EJ
l
i
n
ρ
λ
ω
=
Tần số dao động riêng của cantilever
l: độ dài
E: môđun Young
J: Moment quán tính của cantilever
ρ
là khối lượng riêng của vật liệu
S là tiết diện ngang
λ là hệ số phụ thuộc mode dao động (khoảng tử 1-100)
1.9
Tương tác điện từ mạnh hơn gấp 40 lần tương tác hấp dẫn
Tương tác hấp dẫn van der Waals được gây ra bởi biến thiên trong chuyển động đipôn
điện của nguyên tử và phân cực lẫn nhau. Chúng tồn tại giữa các loại phân tử và nguyên
tử và hiệu quả ở khoảng cách vài Å đến vài trăm Å. Lực giữa các nguyên tử ≈ r
-7
, giữa hai
mặt ≈ r
-3
, giữa một hình cầu và một mặt phẳng ≈ r
-2

2

Dipole vĩnh cửu-dipole vĩnh cửu
E=(constant)µ
1
µ
2
/4πε
o
x
3

Tương tác Van der waals

Tương tác dipole vĩnh cửu-dipole cảm ứng
E=(α
1
µ
2
1
+α
2
µ
2
2
)/4πε
o
x
6
Tương tác

2
/6x(R
1
+ R
2
)

Hai bề mặt: E = -A/(12 πx
2
)

Trong tất cả các trường hợp, A= ρ
2
π
2
β được gọi là “hằng số
Hamker”
Sample
Cantilever
AFM
Tip
Không có dòng
giữa tip AFM
và mẫu, vì thế
mẫu không cần
dẫn.
Nguyên tử của tip hấp dẫn nguyên tử mẫu bởi
lực tương tác van der Waals.
Khi tip AFM được hút bởi bề mặt (gây cho cantilever bẻ cong), chùm laser lệch
khỏi đầu cantilever—cho phép chuyển động của tip được đánh dấu.

cantilever bẻ cong bao và do đó tương tác giữa tip AFM và bề mặt mạnh bao
nhiêu.
1. Dạng tiếp xúc— tip được kéo dọc theo bề mặt mẫu; độ lệch cantilever được đo và và
chuyển thành dạng bề mặt. Chú ý: dạng này có thể làm hư hại bề mặt.
2. Dạng không tiếp xúc—cantilever dao động trên bề mặt mẫu và bị ảnh hưởng bởi lực
bề mặt và tip (van der Waals).
3. Dạng Tapping — tip AFM tiếp xúc gián đoạn trên bề mặt mẫu trong suốt những
điểm tiếp xúc gần nhất của chu trình dao động.
AFM có thể hoạt động theo ba cách khác nhau:
1.18
Dạng tiếp xúc nhận thông tin về bề mặt từ tiếp xúc trực tiếp, nhưng dạng tiếp xúc gián đoạn hay
rời rạc hoạt động như thế nào?
Giống trọng lực tác dụng lên chúng ta, bề mặt không cần tiếp xúc với tip AFM để tác dụng
lực trên nó. Lực van der Waals gây ra tần số dao động của cantilever/tip thay đổi.
Trong dạng tapping, cantilever được truyền động để dao động bằng cách bằng bộ kiểm soát
áp, điện—và vắng mặt bất kỳ lực bề mặt nào mà cantilever có thể dao động ở tần số (ω
o
) phụ
thuộc vào hình dạng và độ cứng của cantilever.
( )
2
2
22
2







ω = √(k/m) – làm cantilevers nhỏ
A1 A2
B1 B2
Dấu hiệu độ võng (A-B) = ( A1+ A2) – (B1+ B2)
Dấu hiệu lực ma sát(1-2) = ( A1+ B1) – (A2+ B2)
AFM Basics-Cantilever and photo detector
1.23
1.24
Tip Scanning AFM
1.25
Closed-loop XY Scanning stage
Heating /Cooling
Fluid imaging
Untraditional sample
size
Tip Scanning AFM