Nhóm 5:
Trần Bảo Ân
Đỗ Mạnh Hùng
Trần Lương Danh

41100184
21101416
21100505

GV hướng dẫn: TS. Huỳnh Quang Linh
ThS.Trần Văn Tiến

Trang 1


NỘI DUNG
KHÁI QUÁT, PHÂN LOẠI
Định nghĩa ............................................................................................... Trang 5
Phân loại ................................................................................................. Trang 6
TEM: KÍNH HIỂN VI ĐIỆN TỬ TRUYỀN QUA
Cấu tạo .................................................................................................... Trang 8
Súng phóng electron ....................................................................... Trang 9
Thấu kính từ ................................................................................... Trang 10
Hệ thấu kính hội tụ ......................................................................... Trang 12
Vật kính .......................................................................................... Trang 13
Thấu kính nhiễu xạ ......................................................................... Trang 14
Hệ thống thấu kính phóng đại ........................................................ Trang 16
Nguyên lý hoạt động ............................................................................... Trang 16
Sự tạo ảnh
Ảnh trường tối, trường sáng ........................................................... Trang 16
Ảnh nhiễu xạ điện tử ...................................................................... Trang 18

Phân tích thành phần, giải thích tính chất vật liệu .................................. Trang 42
Khảo sát cấu trúc linh kiện của MEMS .................................................. Trang 43
TƯ LIỆU THAM KHẢO .............................................................................. Trang 47

Trang 3


Trang 4


I./ Định nghĩa:
Kính hiển vi điện tử là tên gọi chung của nhóm thiết bị quan sát cấu trúc vi
mô của vật rắn, hoạt động dựa trên nguyên tắc sử dụng sóng điện tử để quan sát mẫu
vật có kích thước rất nhỏ (khác với kính hiển vi quang học sử dụng ánh sáng khả
kiến để quan sát).
VÌ SAO NGƯỜI TA LẠI SỬ DỤNG CHÙM ELECTRON THAY CHO SÓNG ÁNH
SÁNG?
Kính hiển vi điện tử, có thể hiểu đơn giản như việc thay vì ta dùng chùm sáng
để nhìn vật thể, thì ta dùng chùm điện tử để quan sát. Ta biết rằng, theo một nguyên lý
của cơ học lượng tử, một hạt khi chuyển động với xung lượng p, sẽ tương ứng với 1
sóng có bước sóng l quan hệ với xung lượng p theo công thức de Broglie :

Theo nguyên lý này, nếu ta có một chùm điện tử được gia tốc nhờ điện trường
ví dụ đến 100 kV, thì ta sẽ có một sóng có bước sóng (khoảng 0,005nm) nhỏ hơn rất
nhiều so với sóng ánh sáng khả kiến (khoảng 555nm). Nếu sóng điện tử này được sử
dụng làm nguồn sáng thay cho ánh sáng khả kiến thì về nguyên tắc nó có thể giúp cho
quan sát những vật nhỏ tới mức dưới nanomet. Đây chính là ý tưởng chung cho các
kính hiển vi điện tử sau này, và liên quan trực tiếp đến phát minh của Ernst August
Friedrich Ruska và Max Knoll về TEM vào năm 1931.
VÌ SAO NGƯỜI TA KHÔNG SỬ DỤNG TIA X (ÁNH SÁNG CÓ NĂNG LƯƠNG

6/ Màn quan sát ( Viewing Screen)
7/ Hệ thống khẩu độ tương ứng (Aperture)

Trang 8


I/ Súng phóng electron ( Electron Gun/ Electron Source)

Thay cho chùm ánh sáng khả kiến trong kính hiển vi quang học, ta sử dụng chùm e
được phát ra từ úng phóng e. Có 2 loại súng phóng e là:
I.1/ Súng phát xạ nhiệt (thermionic gun)
Súng phát xạ nhiệt (thermionic gun)
hoạt động nhờ việc đốt nóng một dây tóc
điện tử, cung cấp năng lượng nhiệt cho
điện tử thoát ra khỏi bề mặt kim loại.
Các vật liệu phổ biến được sử dụng là
tungsten, W, hay đơn tinh thể LaB6 (có độ
bền cao và khả năng phát xạ mạnh …
Khi điện tử được tạo ra, nó sẽ bay đến
cathode rỗng (được gọi là điện cực
Wehnet) và được tăng tốc nhờ một thế cao
áp một chiều (tới cỡ vài trăm kV). Sau đó,
nó sẽ được anode định hướng để chùm e đi
vào trong TEM
Ưu điểm của loại linh kiện này là rẻ tiền,
dễ sử dụng, nhưng có tuổi thọ thấp (do dây
tóc bị đốt nóng tới vài ngàn độ), cường độ
dòng điện tử thấp và độ đơn sắc của chùm
điện tử thấp.
Trang 9

Vì có dòng điện chạy qua,
cuộn dây sẽ bị nóng lên do hiệu
ứng dòng Foucault do đó cần
được làm lạnh bằng nước hoặc
nitơ lỏng.
Trang 10


Thấu kính từ hoạt động dựa trên nguyên lý lệch đường đi của điện tử trong từ trường
dưới tác dụng của lực Lorentz.
r: Bán kính quỹ đạo của chùm e
e: Điện tích e.
me: Khối lượng của electron ( khoảng 9.1
x 10-31)
B: Từ trường sinh ra từ khe từ
E : Năng lượng của chùm e dưới thế tăng
tốc V của súng e
E0: Năng lượng nghỉ của chùm e
Chứng minh : Dưới tác dụng của lực Lorentz trong từ trường B ta có:

Kết luận Ta nhận thấy rằng bằng việc thay đổi B ( thay đổi cường độ dòng
điện qua cuộn dây của thấu kính từ ) ta có thay đổi bán kính r.
Từ trường sinh ra ở khe từ sẽ
được tính toán để có sự phân bố sao
cho chùm tia điện tử truyền qua sẽ có
độ lệch thích hợp với từng loại thấu
kính. Tiêu cự của thấu kính được điều
chỉnh thông qua từ trường ở khe từ, có
nghĩa là điều khiển cường độ dòng
điện chạy qua cuộn dây.

Thông thường, vật kính là thấu kính lớn nhất của cả hệ TEM, có từ trường lớn nhất
Thông qua việc điều chỉnh khẩu độ, ta có ảnh trường sáng và trường tối ( sẽ nói rõ
sau)

V/ Thấu kính nhiễu xạ (Diffraction lens/ Intermediate lens)

Do chùm e khi đi qua mẫu vật luôn làm xuất hiện tượng nhiễu xạ.
 Thấu kính nhiễu xạ : có vai trò hội tụ chùm tia nhiễu xạ từ các góc khác nhau
và tạo ra ảnh nhiễu xạ điện tử trên mặt phẳng tiêu cự của thấu kính.

Trang 14


VI/ Hệ thống thấu kính phóng đại ( Projectives Lens)

Hệ thống thấu kính phóng đại là hệ thống thấu kính từ, giúp phóng đại chùm tia thông
qua việc thay đổi tiêu cự

Trang 15


NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG:
 Súng e sẽ bắn ra chùm e và thông qua các thấu kình từ trong hệ thống thấu kính
hội tụ, dòng e sẽ được định hướng đến mẫu vật (sample)
 Chùm e xuyên qua mẫu vật. Lúc này, có 3 khả năng xảy ra là chùm e bị hấp thụ
hoàn toàn, bị hấp thụ 1 phần và xuyên qua hoàn toàn => Trong chùm e sẽ có
nhiều trạng thái năng lương khác nhau
 Chùm e đi qua vật kính (Objective Len) và thấu kính nhiễu xạ. Và cuối cùng là
tới Projective lens ( thấu kính phóng đại ), qua đây, chùm e sẽ được phóng đại
và đập vào màn huỳnh quang.

ở 1 bên so với trục quang học.

Trang 17


Nhìn chung, ảnh trường sáng có độ phân giải tốt hơn nhiều so với ảnh trường tối. Khi
quan sát ảnh trường sáng trường tối, sẽ có 1 số thành phần chỉ xuất hiện trong ảnh
trường sáng, có thành phần chỉ xuất hiện trong ảnh trường tối
 Thông qua ảnh trường sáng trường tối, ta biết được cấu trúc bên trong mẫu vật

(Hình ảnh 1 mẫu ZnO2)
II/ Ảnh nhiễu xạ điện tử ( Electron Diffraction)
Để thu được ảnh nhiễu xạ, thì như chúng ta đã nói ở trên , ta cần chỉnh thấu
kính nhiễu xạ bằng cách thay đổi tiêu cự của nó để thu ảnh nhiễu xạ trên mặt phẳng
tiêu cự. Bình thường thấu kính nhiễu xạ cho ảnh của vật sau khi đi vật kính. Nhưng
khi ta tăng tiêu cự lên ta sẽ được ảnh hiễu xạ ở tiêu cự cuả nó

Trang 18


Dựa trên dạng của chùm e sau khi đi qua hệ thống thấu kính hội tụ ( Condenser Lens),
ta có 2 loại ảnh nhiễu xạ
 Ảnh nhiễu xạ lựa chọn vùng điện tử (Selected Area Electron Diffraction SAED )
 Ảnh nhiễu xạ bằng chùm điện tử hội tụ (Convergent Beam Electron Diffraction
– CBED)
II.1/ Ảnh nhiễu xạ lựa chọn vùng điện tử (Selected Area Electron Diffraction )
Ta dùng chùm điện tử song song chiếu vuông góc với mẫu. Ảnh tạo ra giống như
hình ảnh giao thoa quang học qua lỗ tròn, tức là gồm các vòng tròn đồng tâm (như vân
Newton).



( Co/Cu)
Trang 20


SEM
(Kính hiển vi điện tử quét)
CẤU TẠO

Về cơ bản, SEM có cấu trúc khá giống TEM, nhưng có thêm 1 bộ phân đó là
Scanning Coils. Cấu trúc của SEM gồm có:
1/ Súng phóng e
2/ Hệ thống thấu kính hội tụ
3/ Scanning coils (tạm dịch : vòng dây quét)
4/ Vật kính (hội tụ chùm e vào mẫu vật)
5/ Hệ thống cảm biến (detector) và màn hình CRT để quan sát

Trang 21


Scanning Coils
Scanning Coils là 1 phần của
hệ thống Vật kính ( Objectives
Lens), nhưng có vai trò điều chỉnh
độ lệch của chùm e. Scanning Coils
là hệ thống các nam châm điện được
xếp đối xứng tỏa tròn, sao cho
trường vuông góc với trục của chùm
e. Bằng việc thay đổi dòng điện qua
các nam chậm điện , ta thay đổi

Khi chùm e chiếu vào mẫu vật sinh ra các e thứ cấp. Các e thứ cấp này sẽ được nhận
biết bởi cảm biến Everhart Thornley.

Các electron thứ cấp bị thu hút bởi một lưới tích điện (50 volt) nằm ở ngoài
cảm biến. Đằng sau lưới điện là một đĩa khoảng 10 kilovolt. Đĩa này bao gồm một lớp
phát quang và một lớp mỏng nhôm. Các electron thứ cấp qua lưới điện và đập vào đĩa,
gây ra sự phát quang. Ánh sáng được dẫn xuống một ống dẫn ánh sáng và thông qua
bộ chuyển đổi, các photon ánh sáng chuyển thành điện áp. Cường độ của điện áp này
phụ thuộc vào số lượng của các điện tử thứ cấp được đánh đĩa. Vì vậy, các điện tử thứ
cấp được sản xuất từ một khu vực nhỏ của mẫu vật cho một tín hiệu điện áp tương
ứng. Điện áp được được đưa đến bộ khuếch đại rùi chuyển đến ống tia âm cực để tạo
ra một điểm sáng trên màn CRT. Một hình ảnh được xây dựng chỉ đơn giản bằng cách
quét chùm tia điện tử trên mẫu vật

Trang 23


ĐỘ PHÓNG ĐẠI TRONG SEM
Độ phóng đại M trong SEM chính là tỉ lệ giữa 1 đơn vị độ dài C trên màn hình
CRT và 1 đơn vị độ dài X mà chùm e quét trên mẫu vật.

Chẳng hạn ta xét 1 đơn vị độ dài là 10cm chiều ngang trên màn hình CRT, với độ
phóng đại khác nhau ta có các độ dài quét trên mẫu vật khác nhau

Lưu ý: Chúng ta nhận thấy rằng C là không đổi, do màn hình CRT không thể thay
đổi độ rộng màn hình, cho nên để có thể thay đổi độ phóng đại, ta phải thay đổi độ dài
x mà chùm e quét trên mẫu vật
 Ta phải thay đổi cường độ dòng điện và từ trường trong scanning coil để nó có
thể quét chính xác 1 độ dài x (ứng với 1 độ phóng đại tương ứng)