Nanotechnology – Công Cụ và Dụng Cụ

Nanotechnology – Công Cụ và Dụng Cụ

Khám phá sâu sắc về quá trình sản xuất và hình ảnh hóa các đối tượng có kích thước nano thông qua cuộc thảo luận chi tiết về các công cụ và kỹ thuật, đặc biệt tập trung vào Kính Hiển Vi Lực Nguyên Tử (AFM) và Kính Hiển Vi Quét Dòng Điện (STM).

Khám phá vai trò cơ bản của AFM và STM như là các công cụ quét trong lĩnh vực công nghệ nano. Cả hai khái niệm này được giải thích chi tiết để mang lại sự hiểu biết toàn diện.

Kính Hiển Vi Lực Nguyên Tử (AFM):

Kính Hiển Vi Lực Nguyên Tử, còn được biết đến là Kính Hiển Vi Quét Lực (SFM), đóng vai trò quan trọng trong việc quan sát, hình ảnh hóa và điều khiển các đối tượng ở tỷ lệ nano mét. Với độ phân giải ở mức nano mét, AFM xuất phát từ Kính Hiển Vi Quét Dòng Điện phát triển vào đầu những năm 1980. Năm 1986, Binnig, Quate và Gerber tại Trung tâm Nghiên cứu IBM - Zurich đã giành giải Nobel Vật lý vì việc giới thiệu AFM.

AFM bao gồm một cảm biến cơ khí cảm nhận vật liệu trên bề mặt. Quá trình quét chính xác cao sau đó tạo ra tín hiệu điện tử tương ứng bằng cách sử dụng vật liệu piezoelectric. Cần điều khiển dẫn cho phép đo lường biến động ở quy mô sâu hơn.

Nguyên Lý Hoạt Động:

Sơ đồ khối của AFM mô tả một chiếc cần cantilever có đầu nhọn, thường được làm từ silic hoặc nitrit silic, có bán kính trong khoảng nanômét. Cantilever hoạt động dựa trên định luật Hook, dẫn đến sự nghiêng khi đầu nhọn tiếp cận bề mặt vật liệu. Các lực giữa đầu nhọn cantilever và bề mặt vật liệu gây ra sự nghiêng này.

Tham Số Đo Lường:

AFM cho phép đo lường nhiều tham số khác nhau, như liên kết hóa học, lực Van der Waals, lực tiếp xúc cơ học, lực cô quận, lực Casimir và nhiều tham số khác. Các cảm biến bổ sung có thể mở rộng phạm vi của các tham số có thể đo lường, tăng cường tính linh hoạt của AFM.

Đo Lường Sự Nghiêng:

Sự nghiêng của cantilever được đo lường bằng cách sử dụng các fotodiod nhận tín hiệu laser từ đỉnh của đầu nhọn. Để tránh gây tổn thương trong quá trình quét ở độ cao không đổi, một cơ cấu phản hồi được sử dụng để duy trì lực như nhau giữa đầu nhọn và mẫu. Điều này đảm bảo khoảng cách giữa đầu nhọn và mẫu luôn duy trì không đổi.

Kiểm Soát Lực Trên Mẫu:

Đối với mẫu, một ống peizo-điện được sử dụng để duy trì lực không đổi. Ống này có khả năng di chuyển vật liệu theo hướng x, y và z. Sự di chuyển trong hướng x và y giúp quét mẫu, trong khi sự di chuyển theo hướng z giữ cho lực không đổi.

Loại Bỏ Sự Biến Dạng:

Để giải quyết vấn đề biến dạng do ống quét, có thể cấu hình ba tinh thể peizo-điện, cung cấp giải pháp cho các vấn đề có thể xuất phát từ biến dạng.

Kết Luận:

Hiểu rõ về cách AFM hoạt động, từ chiếc cần cantilever đầu nhọn đến các cơ cấu phản hồi phức tạp và khả năng đo lường, mang lại cái nhìn toàn diện về công cụ quan trọng này trong nghiên cứu công nghệ nano.

Các Chế Độ Hoạt Động của Kính Hiển Vi Lực Nguyên Tử (AFM):

1. Chế Độ Tĩnh Hoặc Chạm:
   • Cần cantilever quét bề mặt vật liệu.
   • Sự nghiêng của đầu nhọn cantilever được đo trực tiếp.
   • Cơ cấu phản hồi sử dụng sự nghiêng như là tín hiệu.
   • Cần cantilever có độ cứng thấp để khuếch đại sự nghiêng.
2. Chế Độ Động Hoặc Không Chạm:
   • Cần cantilever dao động ngoại vi gần tần số cực kỳ gần với tần số thực của nó.
   • Đặc tính của vật liệu được xác định từ sự so sánh giữa dao động tham chiếu ngoại vi với sự thay đổi do các lực tạo ra giữa đầu nhọn và vật liệu ở gần.
3. Chế Độ Động Chạm hoặc Chạm Nhẹ:
   • Vượt qua những thách thức của chế độ động không chạm trong điều kiện môi trường.
   • Cần cantilever dao động với biên độ trên 10 nanômét.
   • Điều khiển điện tử giữ khoảng cách giữa đầu nhọn và bề mặt vật liệu.
   • Lý tưởng cho việc vượt qua hiện tượng tạo lớp nước.

Đo Lường Sự Nghiêng của Cần Cantilever trong AFM:

• Các diode chất rắn phản ánh ánh sáng trở lại cần cantilever.
• Ánh sáng được hấp thụ bởi một bộ cảm biến nhạy vị trí (PSD).
• PSD tạo ra hai đầu ra được gửi đến một bộ khuếch đại hiệu suất.
• Đầu ra tỷ lệ với sự nghiêng của cần cantilever.

Các Công Cụ và Kỹ Thuật Khác:

• Kính hiển vi quét confocal và kính hiển vi siêu âm quét là những thiết bị đầu tiên cho phép chúng ta nhìn thấy các hạt nano vào những năm 1961 và 1970.
• Các công cụ nanolithography như kỹ thuật in ánh sáng, in tia X, nanolithography bút nhúng, và những phương pháp khác được sử dụng để giảm kích thước vật liệu về kích thước nano.
• Các công cụ cần thiết cho việc sản xuất nanowires như kỹ thuật in tia electron, kỹ thuật in áp suất nano, kỹ thuật phủ lớp nguyên tử, kỹ thuật phân tử hóa và nhiều hơn nữa. Các kỹ thuật cần thiết cho tự lắp ráp phân tử cũng đòi hỏi các công cụ.

Kính Hiển Vi Quét Dòng Điện (STM):

• Kính Hiển Vi Quét Dòng Điện (STM) được phát triển vào năm 1981 bởi Gerd Binnig và Heinrich Rohrer.
• Được sử dụng để hình ảnh bề mặt ở cấp độ nguyên tử với độ phân giải bên cạnh 0.1 nanômét và độ phân giải chiều sâu khoảng 0.01 nanômét.
• Hoạt động ở nhiều chế độ và môi trường khác nhau.
• Sử dụng hiện tượng quantum tunneling để hình ảnh bề mặt.
• Bao gồm các thành phần như đầu quét, điều chỉnh chiều cao bằng peizo-điện, máy quét X-Y, điều khiển mẫu-đầu thô, hệ thống cách ly rung và máy tính.

Hoạt Động của Kính Hiển Vi Quét Dòng Điện (STM):

• Đầu của thiết bị được di chuyển gần mẫu một cách kiểm soát.
• Cùng một lúc, một sự chênh lệch về điện áp được áp dụng giữa đầu của thiết bị và mẫu.
• Ngay khi đầu nhọn đến gần vật liệu, sự chênh lệch về điện áp được tắt.
• Hoạt động của thiết bị được hiển thị trên màn hình dựa trên quá trình quét đầu nhọn trên vật liệu.

Kết Luận:

Hiểu biết về các chế độ và ứng dụng đa dạng của AFM và STM mang lại cái nhìn sâu rộng về vai trò của chúng trong việc hình ảnh và điều chỉnh vật liệu ở cấp độ nguyên tử. Các kỹ thuật này đóng góp đáng kể vào nghiên cứu công nghệ nano bằng cách cung cấp các công cụ chính xác và linh hoạt để khám phá và hiểu biết vật liệu ở mức nguyên tử.

Hoạt Động của Kính Hiển Vi Quét Dòng Điện (STM):

• Kiểm Soát Đầu Nhọn:
  • Hiệu ứng piezo-điện hỗ trợ kiểm soát chính xác của đầu nhọn khi nó đến gần vật liệu.
  • Khoảng cách giữa đầu nhọn và vật liệu thường dao động từ (4-7) Å.
• Sự Khác Biệt Điện Áp và Dòng Chảy:
  • Sự khác biệt điện áp tại đầu nhọn kích thích dòng điện chảy giữa mẫu và đầu nhọn, dẫn đến dòng chảy có thể đo được.
  • Hiệu ứng tunneling cho phép điều chỉnh khoảng cách giữa đầu nhọn và vật liệu theo thời gian thực.
• Các Phương Pháp Hình Ảnh:
  • Phương Pháp Dòng Chảy Hằng Số: Ảnh được tạo dựa trên đọc đồng thời dòng chảy hằng số, với sự di chuyển của đầu nhọn theo hướng X-Y ảnh hưởng đến chiều cao và mật độ các trạng thái.
  • Phương Pháp Chiều Cao Hằng Số: Đo lường sự thay đổi của dòng điện liên quan đến vị trí.
• Đặc Điểm Đầu Nhọn và Chất Lượng Hình Ảnh:
  • Độ rõ của hình ảnh phụ thuộc vào bán kính cong của đầu nhọn quét.
  • Hình ảnh có thể bị méo nếu đầu nhọn của thiết bị có hai đầu thay vì một. Tình trạng như vậy dẫn đến hiệu ứng tunneling từ cả hai đầu nhọn. Điều này được gọi là hình ảnh đôi đầu nhọn.
  • Vật liệu được sử dụng để làm đầu nhọn chủ yếu là wolfram hoặc vàng, được thiết kế thông qua quá trình ets hóa điện hóa.
• Độ Rắn của Thân Máy STM:
  • Thân máy STM phải có độ cứng cao để ngăn chặn những cô lập đột ngột có thể xảy ra trong quá trình quét.
  • Bất kỳ vấn đề nào như vậy có thể thay đổi tỷ lệ dòng đến chiều cao, gây biến dạng hình ảnh.
• Kiểm Soát Bằng Máy Tính:
  • Máy tính đảm bảo đầu nhọn đặt ở vị trí chính xác đối với mẫu.
  • Nó quản lý quét mẫu và thu thập dữ liệu, đóng góp vào chức năng tổng thể của STM.