Tìm Hiểu Kính Hiển Vi Lực Nguyên Tử - Tạp Chí Tia Sáng

Kính hiển vi lực nguyên tử (AFM – Atomic Force Microscopy) lần đầu tiên được chế tạo thành công năm 1986 bởi Gerd Binnig, Calvin Quate và Christoph Geber, kết quả của sự hợp tác giữa IBM và Đại học Stanford. Vào mùa thu năm 1985, Binnig và Geber đã sử dụng một cần quét (cantilever) để khảo sát những bề mặt cách điện. Một mũi dò nhỏ được gắn ở phần cuối của cần quét, nó tỳ lên bề mặt mẫu trong quá trình quét. Lực giữa đầu dò và mẫu được đo theo độ lệch của cần quét. Điều này được thực hiện bởi việc quan sát dòng tunnel (dòng hiệu ứng đường ngầm) ở đỉnh của một đầu dò thứ hai đặt phía trên cần quét. Thiết bị đầu tiên do Binnig phát minh là một đầu dò tunnel được đặt trên bề mặt phủ kim loại của cần quét. Hệ thống này làm cơ sở cho một kính hiển vi quét đường ngầm (STM – Scanning Tunneling Microscope), xác định độ lệch của cần quét. Về sau, người ta đã áp dụng các kỹ thuật quang học để nâng cao sự tiện dụng của AFM. Trong các phương pháp quang học thì phương pháp giao thoa là nhạy nhất, nhưng ở mức độ nào đó, nó phức tạp hơn phương pháp phản xạ chùm tia do Meyer và Amer nghĩ ra. Phương pháp phản xạ chùm laser hiện nay được sử dụng rộng rãi dựa trên kết quả nghiên cứu của Alexander và các cộng sự. Trong hệ này, một chùm tia laser được phản xạ từ bề mặt gương của cần quét đến một photodetector (thiết bị dò cảm biến quang học) rất nhạy. Trong sự bố trí này, một độ lệch nhỏ của cần quét sẽ làm xê dịch chùm phản xạ và thay đổi vị trí của chùm trên photodetector. Một hệ quang học thứ ba, được phát minh bởi Sarid, sử dụng cần quét như một trong những tấm gương của diode laser, ở đây, chuyển động của cần quét gây nên sự ảnh hưởng mạnh đến tia laser phát ra. Tùy theo theo tương tác giữa đầu dò và bề mặt mẫu, AFM có thể được phân loại theo các chế độ hoạt động tiếp xúc hoặc không tiếp xúc. Ở chế độ tiếp xúc, lực giữa đầu dò và bề mặt mẫu là lực đẩy, còn ở chế độ không tiếp xúc, đó là lực hút.

Tổ hợp kính hiển vi quét đầu dò lực nguyên tử và dòng tunnel được GS. TSKH. Nguyễn Xuân Hoài và các cộng sự chế tạo đã đạt được những tính năng cơ bản và độ tin cậy qua những thử nghiệm. Thiết bị này cũng đã chứng minh được khả năng thực tế rất hiệu quả khi được sử dụng để nghiên cứu cấu trúc nano TiO2, chụp ảnh các virus cà chua và virus cây bông, quan sát nhiều mẫu vật liệu và mẫu sinh học khác. Kính hiển vi của GS Hoài tuy chưa phải là đi đầu về sự tiên tiến so với thế giới nhưng đã cho thấy khả năng làm chủ công nghệ của Việt Nam, điều đó được dựa trên sự tâm huyết và ý thức lao động khoa học thực sự.

Đầu dò nguyên tử quét trên một bề mặt với các cơ chế hồi tiếp, các cơ chế này cho phép các bộ quét áp điện duy trì ở đầu dò một lực không đổi (để thu được thông tin về độ cao) hoặc một độ cao không đổi (để thu được thông tin về lực). Các đầu dò thường được làm từ Si3N4 hoặc Si.

Các AFM điển hình sử dụng một hệ photodetector mà trong đó đầu dò được gắn với bên dưới của một cần quét phản xạ. Một tia laser được chiếu vào mặt phản xạ của cần quét. Khi đầu dò quét lên bề mặt mẫu, do sự mấp mô, nó sẽ rung động theo trục z, chùm laser phản xạ trên cần quét sẽ bị xê dịch tương ứng với rung động đó. Đặc trưng dao động của chùm laser phản xạ sẽ được hệ thống photodetector ghi lại và chuyển thành tín hiệu điện thế. Tín hiệu điện thế lại được xử lý và diễn giải theo chiều cao z đặc trưng cho tính chất địa hình của mẫu. Quá trình hồi tiếp sự khác nhau về tín hiệu giữa những cảm biến quang học, qua sự xử lý của phần mềm máy tính, cho phép duy trì hoặc là một lực không đổi, hoặc là một độ cao không đổi trên bề mặt mẫu. Ở chế độ lực không đổi, bộ chuyển đổi áp điện thực hiện việc quan sát sự xê dịch về độ cao theo thời gian thực để sao cho lực giữa mẫu và đầu dò có thể được giữ gần như không đổi. Ở chế độ tiếp xúc, đầu dò luôn được tiếp xúc với bề mặt mẫu. Các lực căng bề mặt và lực tĩnh điện có vai trò đẩy đầu dò về phía bề mặt. Chế độ này có thể phá hủy các mẫu và làm biến dạng dữ liệu hình ảnh. Do đó, so với chế độ không tiếp xúc, chế độ tiếp xúc chịu ảnh hưởng rất mạnh của các lực ma sát và lực bám dính. Chế độ không tiếp xúc nói chung là cho hình ảnh có độ phân giải thấp và có thể bị gây nhiễu bởi các lớp tạp chất. Chế độ dao động tapping của AFM được phát triển như một phương pháp để thu được độ phân giải cao mà không gây nên các lực ma sát có hại. Thay vì việc đầu dò luôn được tiếp xúc với mẫu, nó sẽ “nhảy” (“tap”) trên bề mặt với một lực nhất định theo tần số điều hòa của cần quét. Với kỹ thuật tapping này, cả các mẫu mềm và dễ vỡ đều có thể được quan sát một cách lý tưởng.

AFM trong sự so sánh với các thiết bị khác

Sơ đồ AFM

Khái niệm về độ phân giải của AFM là khác với các kính hiển vi dùng các tia bức xạ, bởi vì AFM sử dụng kỹ thuật hình ảnh ba chiều. Rõ ràng là có một sự phân biệt cơ bản giữa các hình ảnh được xây dựng bởi quang học sóng và các kỹ thuật quét dò. 1. Kính hiển vi quét đường ngầm Trong một số trường hợp, độ phân giải của STM là tốt hơn AFM, do sự phụ thuộc hàm mũ của dòng tunnel vào khoảng cách. Sự phụ thuộc của lực vào khoảng cách trong AFM là phức tạp hơn nhiều khi kể đến hình dạng đầu dò và lực tiếp xúc. STM nói chung là chỉ áp dụng được với đối với các mẫu dẫn điện, trong khi đó AFM áp dụng được cho cả các vật dẫn và vật cách điện. Hơn nữa, AFM có được ưu điểm là điện thế và khoảng cách giữa đầu dò với mặt nền có thể được điều khiển một cách độc lập, trái lại, ở STM, hai tham số này lại phụ thuộc vào nhau. 2. Kính hiển vi quét điện tử So với kính hiển vi quét điện tử (SEM – Scanning Electron Microscope), AFM cung cấp những phép đo độ cao trực tiếp về địa hình của mẫu và những hình ảnh khá rõ ràng về những đặc trưng bề mặt mẫu (không cần lớp bao phủ mẫu). 3. Kính hiển vi điện tử truyền qua So với kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM – Transmission Electron Microscope), các hình ảnh AFM ba chiều có thể thu được mà không cần chuẩn bị mẫu quá phức tạp, nó cho thông tin đầy đủ hơn nhiều so với các hình ảnh mặt cắt hai chiều của TEM.

Trung Dũng