CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO
I. KÍNH HIỂN VI LỰC NGUYÊN TỬ (AFM)
Kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) được phát minh năm 1986 bởi Gerd
Binnig, Calvin F. Quate và Christopher Herber.
1. Nguyên tắc hoạt động
Nguyên tắc làm việc của AFM là 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.
Lực tác dụng lên mũi
dò tại bề mặt làm cho
cantilever bị uốn cong.
Bằng cách đo độ lệch
của cantilever có thể
xác định lực tương tác giữa mũi dò và bề mặt.
Lực tương tác được đo bởi AFM có thể được giải thích một cách định tính,
ví dụ: lực tương tác van der Walls. Năng lượng tương tác van der Walls của hai
nguyên tử ở khoảng cách r được gần đúng theo hàm thế Lennard-Jones:
.2)(
12
0
6
0
0







giữa các nguyên tử, khi đó năng lượng đạt giá trị cực tiểu.
Hình. 18 Đầu dò AFM.
Thế Lennard-Jones cho phép đánh giá lực tương tác giữa mũi dò và mẫu.
Thực tế, năng lượng tương tác của
mũi dò và mẫu có thể thu được bằng
cách thêm vào những tương tác cơ
bản cho toàn bộ nguyên tử của mũi
dò và mẫu.
Khi đó năng lượng tương tác
nhận được là:
∫∫
−=
SP
VV
SPLDPS
dVdVrnrnrrUW ')()'()'(
ở đó,
)(rn
s
và
)'(rn
p
là mật độ nguyên
tử trong mũi dò và mẫu. Do đó lực tác động lên mũi dò từ bề mặt có thể tính
được như sau:
).(
PSPS
WgradF
−=


quang, detector quang
bốn phần được sử
dụng như là môt
detector quang học xác
định vị trí.
Hai đại lượng có
thể đo được bởi hệ
quang: 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. Giá
trị xác định của dòng quang điện trong mỗi phần của diode quang được thiết
lập bằng
01
I
,
02
I
,
03
I
,
04

).()(
3241
IIIII
L
∆+∆−∆+∆=∆
Xác định độ cong
của cantilever do thành
phần lực ngang.
Giá trị
z
I∆
được sử
dụng làm thông số
được đưa vào bộ hồi tiếp của AFM. Hệ hồi tiếp (feedbeck system - FS) giữ
z
I∆

không đổi bằng cách sử dụng bộ quét áp điện điều khiển khoảng cách mũi dò
và mẫu để làm cho độ cong
Z∆
bằng giá trị
Z∆
được thiết lập trước.
Khi quét mẫu trong chế độ
Z∆
không đổi, mũi dò di chuyển dọc theo bề
mặt, vì vậy thế áp vào bộ quét áp điện theo chiều Z của bộ quét được ghi nhận
Hình 23: Sơ đồ khối của hệ hồi tiếp.
Hình 24: Hình ảnh sơ lược của đầu dò AFM.
trong bộ nhớ máy tính như là thông tin về cấu trúc bề mặt Z=f(x,y). Độ phân

Hình 25: Những mode dao động chủ yếu của cantilever.
của AFM ở chế độ dao động. Tần số dao động riêng của cantilever được xác
định bởi công thức:
.
2
S
EJ
l
i
n
ρ
λ
ω
=
l: độ dài của cantilever; E là mođun Young; J: moment quán tính của
cantilever;
ρ
: khối lượng riêng của vật liệu; S: tiết diện ngang; và
i
λ
là hệ số
phụ thuộc mode dao động
(khoảng tử 1-100). Tần số
của những mode dao động
chính thường được sử dụng
trong phạm vi 10-100 khz.
Hệ số phẩm chất Q của
cantilever phụ thuộc chủ
yếu vào cách thức hoạt
động. Giá trị điển hình của

chiều rộng). Bán kính
của mũi dò khoảng 50
Ăngstrong. Mũi dò
hình tháp có tỷ lệ giữa
các cạnh thấp hơn,
thông thường bán kính
của mũi dò khoảng vài trăm Ăngstrong, nhưng mũi dò hình tháp có độ bền cao.
Hình 27: Ảnh SEM của mũi dò AFM trên
cantilever hình chữ nhật.
Hình 28: Hình ảnh sơ lược của
cantilever tam giác.
Mũi dò AFM được sản xuất từ silíc hoặc là silic nitric. Mỗi loại vật liệu có
quá trình sản xuất khác nhau. Những đặc trưng của mũi dò từ mỗi loại vật liệu
bị chi phối bởi quá trình sản xuất cũng như là tính chất của vật liệu. Mũi dò
hình nón được chế tạo bằng phương pháp khắc axit của silic được phủ một lớp
silic dioxide. Tỷ lệ các cạnh cao của mũi dò hình nón làm cho nó phù hợp để
ghi nhận ảnh bề mặt có đặc điểm là sâu, hẹp như là các hốc. Nhưng nó bị gãy
dễ hơn là cấu trúc hình tháp hoặc là tứ diện. Silic có những ưu điểm khi nó
được pha tạp, khi đó mũi dò trở thành chất dẫn điện. Mũi dò dẫn điện thuận lợi
cho việc điều khiển điện áp giữa mũi dò với bề mặt để ngăn ngừa những tác
động không mong muốn lên mũi dò.
Hình 29: Ảnh SEM của mũi dò trên cantilever tam
giác.
Mũi dò silic được sản xuất bằng cách lắng đọng lớp silic nitric trên hốc bị
ăn mòn của bề mặt tinh thể silic (Hình). Phương pháp này tạo ra mũi dò có
dạng hình tháp hoặc hình tứ diện. Tỷ lệ các cạnh của mũi dò silic nitric bị giới
hạn bởi
cấu trúc
tinh thể
của của

(do đó lực tương tác cũng không đổi) (hình 27). Vì vậy trong việc điều khiển
áp điện ở bộ hồi tiếp, điện áp được đặt vào điện cực Z của bộ quét tương ứng
với thông tin cấu trúc bề mặt mẫu.
Hình 28 Thu nhận ảnh AFM tại khoảng cách không đổi.
Hình 27 Thu nhận ảnh AFM tại lực không đổi.
Việc quét tại khoảng cách không đổi giữa mũi dò và mẫu (Z không đổi)
thường được sử dụng cho mẫu có độ gồ ghề nhỏ (vài Ăngtrong). Trong chế độ
này (còn gọi là chế độ độ cao không đổi), đầu dò di chuyển tại một độ cao
trung bình nào đó trên mẫu và độ cong của cantilever
Z∆
tương ứng với lực tác
dụng được ghi nhận tại mỗi điểm trên bề mặt. Ảnh AFM trong trường hợp này
mô tả sự phân bố không gian của lực tương tác.
Trong chế độ lực không đổi mặc dù tốc độ quét phụ thuộc vào thời gian
đáp ứng của mạch hồi tiếp nhưng lực tác dụng lên mẫu được điều khiển tốt.
Chế độ lực không đổi nói chung được yêu thích trong hầu hết các ứng dụng.
Chế độ chiều cao không đổi được được dùng để tạo ảnh nguyên tử của
những bề mặt nguyên
tử phẳng khi độ lệch
của cantilever và độ
biến thiên lực tác
dụng nhỏ. Chế độ này
cũng cần thiết cho
việc tạo ảnh theo thời
gian thực của sự biến
đổi bề mặt, ở đó tốc
độ quét nhanh là cần
thiết.
Nhược điểm của
chế độ tiếp xúc là tương tác cơ học trực tiếp giữa mũi dò và mẫu. Điều này dẫn

độ khi mũi dò đến gần bề mặt mẫu. Độ nhạy của hệ detector cung cấp độ phân
theo chiều thẳng đứng ở khoảng ăngstrong, giống chế độ tiếp xúc.
Mối liên hệ giữa tần số cộng hưởng của cantilever và sự biến đổi trong địa
hình bề mặt có thể giải thích như sau. Tần số cộng hưởng của cantilever biến
thiên theo căn bậc hai của hằng số đàn hồi của nó. Hơn nữa, hằng số đàn hồi
của cantilever biến thiên theo gradient lực tác động lên cantilever. Cuối cùng
gradient lực bắt nguồn từ đường cong lực – khoảng cách được chỉ ra ở hình 1,
thay đổi khi mũi dò tiến tới mẫu. Vì vậy, sư thay đổi tần số cộng hưởng của
cantilever có thể được sử dụng để đo sự thay đổi trong gradient lực, nó phản
ánh sự thay đổi theo khoảng cách mũi dò - bề mặt hoặc địa hình mẫu.
Hằng số đàn hồi của cantilever liên hệ với khoảng cách dịch chuyển
Z∆

của điểm mút cantilever và lực F tác dụng lên điểm mút này bởi quan hệ:
F k z= ∆
Tần số cộng hưởng
ω
của cantilever liên hệ với khối lượng và hằng số đàn
hồi bởi công thức
m
k
=
ω
Trạng thái này giữ nguyên nếu lực tác dụng lên cantilever không thay đổi
theo vị trí z của cantilever. Nói chung, không tồn tại trường hợp này. Lực sẽ
thay đổi theo khoảng cách giữa mũi dò và mẫu. Như vậy ta có thể biểu diễn
như sau:
zkz
z
F

z
F
k






∂
∂
−=
ω
Sự thay đổi tần số cộng hưởng tại mỗi vị trí trên bề mặt tạo ra dữ liệu để
tạo ra ảnh bề mặt.
Trong chế độ không tiếp xúc, hệ thống điều khiển tần số cộng hưởng hoặc
biên độ dao động của cantilever và giữ nó bằng hằng số bằng cách sử dụng hệ
thống hồi tiếp để di chuyển
bộ quét lên và xuống. Bằng
cách giữ tần số cộng hưởng
hoặc biên độ không đổi, hệ
thống cũng giữ cho khoảng
cách trung bình giữa mũi dò
và bề mặt không đổi. Cũng
như chế độ tiếp xúc, chuyển
động của bộ quét được sử
dụng để tạo ra tập hợp dữ
liệu.
Chế độ không tiếp xúc
không gây ra sự ảnh hưởng

không tiếp xúc với bề mặt. Dao động của mũi dò được giữ nguyên khi di
chuyển đến bề mặt cho đến khi bắt đầu chạm nhẹ vào bề mặt hoặc gõ nhẹ vào
bề mặt. Trong khi quét, mũi dò dao động theo phương thẳng đứng và luân
phiên tiếp xúc và nâng lên khỏi bề mặt, thông thường ở tần số khoảng 50.000
đên 500.000 chu kỳ trên giây. Dao động của cantilever bắt đầu tiếp xúc gián
đoạn với bề mặt, dao động của cantilever tất yếu bị giảm do năng lượng giảm,
nguyên nhân là do mũi dò tiếp xúc với bề mặt. Sự giảm biên độ dao động được
sủ dụng để nhận biết và đo những đặc trưng bề mặt.
Trong khi hoạt động ở chế độ tapping, biên độ dao động của cantilever
được duy trì không đổi bởi bộ hồi tiếp. Sự lựa chọn tần số dao động tốt nhất
được giúp đỡ bởi phần mềm lực tác dụng lên mẫu được tự động thiết lập và
duy trì tại mức thấp nhất có thể. Khi mũi dò đi ngang qua chỗ lồi trên bề mặt,
cantilever bị giảm khả năng dao động và biên độ dao động giảm. Ngược lại khi
mũi dò đi ngang qua chỗ lõm, cantilever tăng khả năng dao động và biên độ
tăng ( gần giá trị biên độ dao động tự do lớn nhất trong không khí). Biên độ dao
động của mũi dò được đo bởi máy dò và truyền vào bộ điều khiển điện tử. Sau
Hình 35: Sự thay đổi biên độ trong
chế độ tapping
đó bộ hồi tiếp vòng số điều chỉnh lại khoảng cách giữa mũi dò và mẫu để duy
trì biên độ dao động và lực tác dụng lên bề mặt không đổi.
Khi mũi dò tiếp xúc với bề mặt, tần số dao động cao (50k – 500 kHz) làm
cho bề mặt không bị tác động, và lực bám dính giữa mũi dò và mẫu giảm
mạnh. Chế độ tapping ngăn ngừa mũi dò dính vào bề mặt mẫu và gây ra sự phá
hủy mẫu trong quá trình quét. Không giống chế độ tiếp xúc và chế độ không
tiếp xúc, khi mũi dò tiếp xúc bề mặt, nó có đủ biên độ dao động để vượt qua
lực kết dính giữa mũi dò và mẫu. Vì vậy, bề mặt vật liệu không bị kéo về một
bên bởi lực ngang vì lực tác dụng luôn luôn thẳng đứng. Một tiến bộ khác của
kỹ thuật tapping là nó có phạm vi hoạt động tuyến tính rất rộng. Điều này làm
hệ thống hồi tiếp thẳng đứng có độ ổn định cao.
Hoạt động ở chế độ tapping trong chất lỏng cũng thuận lợi như trong

5. Hong-Qiang Li, General Ideas About AFM, website
http://www.chembio.uoguelph.ca/educmat/chm729/afm