Giới thiệu về AFM
Ý tưởng sử dụng một đầu dò sắc bén để chụp ảnh và điều khiển các bề mặt ở cấp độ nguyên tử đã có từ cuối những năm 1950 và đầu những năm 1960, với công trình tiên phong của G. Binnig và H. Rohrer, những người sau này đã nhận giải Nobel Vật lý cho những phát minh của họ . Tuy nhiên, AFM thực tế đầu tiên đã không được phát triển cho đến cuối những năm 1980, khi nó được phát minh độc lập bởi ba nhóm nghiên cứu: một nhóm do Gerd Binnig và Calvin Quate tại IBM đứng đầu, một nhóm khác do Christopher Gerber và Art Heinrich tại Đại học Stanford đứng đầu và nhóm thứ ba. dẫn đầu bởi Alain Marti và Michel Orrit tại Đại học Leiden.
Nguyên tắc của kính hiển vi lực nguyên tử
Sử dụng đầu dò silicon được gia công vi mô với một đầu rất nhỏ, kính hiển vi AFM thực hiện cảm biến bề mặt. Quét raster bề mặt của mẫu theo từng dòng là cách mẹo này được sử dụng để tạo hình ảnh, mặc dù các chi tiết cụ thể về cách thực hiện điều này thay đổi đáng kể qua các chế độ hoạt động khác nhau. Chế độ tiếp xúc và chế độ động, đôi khi được gọi là chế độ khai thác, là hai loại chế độ vận hành chính.
AFM hoạt động dựa trên tiền đề rằng đầu có kích thước nano này được kết nối với một công cụ đúc hẫng nhỏ, hoạt động như một lò xo. Có một điốt laze và một bộ tách sóng quang để phát hiện sự uốn cong của công xôn khi đầu tiếp xúc với bề mặt. Có thể nhìn thấy lực do đầu mũi nhọn tác dụng lên mẫu trong lần uốn này. Chế độ tiếp xúc liên quan đến việc ấn đầu tip vào bề mặt trong khi vòng phản hồi điện đo lực tương tác giữa đầu tip và mẫu để duy trì độ lệch không đổi trong suốt quá trình quét raster.
Chế độ khai thác giúp giảm thời gian đầu tiếp xúc với bề mặt mẫu để đảm bảo tính toàn vẹn của cả bề mặt và đầu. Khi hoạt động ở chế độ này, công cụ đúc hẫng được kích thích rung rất gần với tần số cộng hưởng tự nhiên của nó. Sau đó, đầu tip chuyển động lên xuống theo hình sin. Khi chuyển động này đến gần mẫu, nó bị chậm lại bởi các tương tác hút hoặc đẩy. Khi ở chế độ tiếp xúc, một vòng phản hồi duy trì độ lệch chuẩn không đổi; ở đây, một vòng phản hồi duy trì biên độ không đổi cho chuyển động gõ. Vì vậy, làm như vậy giống như vẽ một bản đồ địa lý của mẫu.
Nguyên lý hoạt động:
Tương tự như STM, một đầu nhọn được quét raster trên bề mặt khi một vòng phản hồi tinh chỉnh các tham số hình ảnh. Kính hiển vi lực nguyên tử, trái ngược với kính hiển vi quét đường hầm, không yêu cầu vật liệu dẫn điện. Các lực nguyên tử được sử dụng để tạo ra một bản đồ tương tác giữa đầu và mẫu thay vì tác động cơ học lượng tử của quá trình tạo đường hầm. Kính hiển vi lực nguyên tử (AFM), còn được gọi là kính hiển vi đầu dò quét (SPM), có thể được sử dụng để đo trên thực tế mọi tương tác lực có thể đo được, bao gồm lực van der Waals, lực điện, lực từ và nhiệt. Việc điều chỉnh phần mềm và điều chỉnh lời khuyên là cần thiết đối với một số phương pháp cụ thể hơn.
Hình minh hoạ cho mẫu kính hiển vi lực nguyên tử của hãng Oxford
Kính hiển vi lực nguyên tử (AFM), còn được gọi là kính hiển vi đầu dò quét (SPM), có thể được sử dụng để đo trên thực tế mọi tương tác lực có thể đo được, bao gồm lực van der Waals, lực điện, lực từ và nhiệt. Việc điều chỉnh phần mềm và điều chỉnh lời khuyên là cần thiết đối với một số phương pháp cụ thể hơn.
Thường thấy trong AFM là cơ chế làm lệch chùm tia laze hoạt động bằng cách cho chùm tia laze bật ra khỏi cần phản xạ của AFM và đi vào máy dò nhạy cảm với vị trí. Cả đầu và công xôn của AFM thường được chế tạo vi mô từ Si hoặc Si3N4. Bán kính đầu điển hình nằm trong khoảng từ vài nm đến hàng chục nm.
Độ lệch chùm tia laser cho kính hiển vi lực nguyên tử
Khi chụp ảnh bằng AFM, không thể bỏ qua các lực giữa đầu và mẫu vì chúng là cơ sở của kỹ thuật. Thay vì đo trực tiếp lực, chúng ta có thể suy ra nó từ độ lệch của đòn bẩy bằng cách biết độ cứng của công xôn.
Áp dụng định luật Hooke, ta thu được:
F = -kz
trong đó F là lực, k là độ cứng của đòn bẩy và z là cung uốn của đòn bẩy.
Đường cong khoảng cách lực cho kính hiển vi lực nguyên tử
Một vòng phản hồi dựa trên sự lệch tia laser điều chỉnh lực và vị trí đầu của kính hiển vi lực nguyên tử. Đầu AFM được gắn vào một công cụ đúc hẫng và tia laser được phản xạ khỏi mặt sau của công cụ đúc hẫng. Vị trí của tia laze trên bộ tách sóng quang được đưa trở lại vào vòng lặp để theo dõi bề mặt và đọc số liệu khi đầu di chuyển qua nó. Sơ đồ cho chế độ tiếp xúc Kính hiển vi lực nguyên tử
References and Further Reading
Giessibl, Franz J. (2003). Advances in atomic-force microscopy, Reviews of Modern Physics. 75 (3): 949–983
Attila Nagy, Keir C Neuman, Single-molecule force spectroscopy: optical tweezers, magnetic tweezers and atomic force microscopy, Nature Methods 5, 491 - 505 (2008)
Perkins, Thomas. Atomic force microscopy measures properties of proteins and protein folding. SPIE Newsroom. Accessed 5th June 2017.
Carpick, Robert W.; Salmeron, Miquel (1997). Scratching the Surface: Fundamental Investigations of Tribology with Atomic Force Microscopy. Chemical Reviews. 97 (4): 1163–1194
Hasselbach, K.; Ladam, C. (2008). High resolution magnetic imaging: MicroSQUID Force Microscopy. Journal of Physics: Conference Series. 97: 012330
Giessibl, Franz J. (1 January 1998). High-speed force sensor for force microscopy and profilometry utilizing a quartz tuning fork. Applied Physics Letters. 73 (26): 3956
R. V. Lapshin (2004) Feature-oriented scanning methodology for probe microscopy and nanotechnology. Nanotechnology. 15 (9): 1135–1151
This information has been sourced, reviewed and adapted from materials provided by Asylum Research - An Oxford Instruments Company.
