Liên hiệp các hội khoa học và kỹ thuật Việt Nam
Thứ năm, 24/01/2008 22:35 (GMT+7)

Bộ quét áp điện và hiển vi lực nguyên tử AFM

Vào khoảng cuối thế kỷ 20 vật liệu áp điện còn được sử dụng rộng rãi theo hướng tạo ra những dịch chuyển nhỏ, tinh vi mà đỉnh cao là bộ quét áp điện(piezoelectric scanner) dùng cho kính hiển vi lực nguyên tử(atomic force microscope - AFM). Kỳ này chúng ta tìm hiểu hai nội dung trên.

1. Bộ quét áp điện

Hoạt động của bộ quét này dựa trên hiệu ứng áp điện ngược: một thanh bằng vật liệu áp điện (hình 1), hai bên có phủ lớp dẫn điện làm các điện cực. Tác dụng hiệu thế vào các điện cực, thanh áp điện co lại hoặc dãn ra nhiều hay ít theo chiều và độ lớn của hiệu điện thế tác dụng. Nếu cố định một đầu mút của thanh áp điện, bằng cách thay đổi hiệu điện thế, có thể điều khiển để đầu mút kia của thanh áp điện dịch chuyển. Với vật liệu áp điện PZT (gốm gồm ba thành phần: chì, ziêccôni, titan) một thanh áp điện dài 1 cm, tác dụng hiệu thế ở hai đầu 100 V, đầu mút có thể dịch chuyển 10 m. Nếu thay đổi hiệu thế từng nấc, mỗi nấc một phần mười milivôn, đầu mút thanh áp điện có thể dịch chuyển từng bước, mỗi bước chỉ là 0,1 nanômet. Khoảng cách giữa hai nguyên tử trong vật rắn cỡ 0,3 đến 0,4 nanômet, vì vậy với áp điện, nhờ điều khiển điện thế ta có thể điều khiển dịch chuyển cơ học với những khoảng cách nhỏ hơn khoảng cách giữa các nguyên tử trong vật rắn.

Để di chuyển chính xác theo cả ba chiều trong không gian, người ta ghép ba thanh áp điện vuông góc và nối đuôi nhau, đó chính là bộ quét áp điện cho phép tạo ra dịch chuyển tuỳ ý với độ chính xác cỡ nguyên tử.

Tuy nhiên ghép ba thanh áp điện như vậy khá dài, dễ bị rụng nên người ta cải tiến, làm bộ quét bằng vật liệu áp diện dưới dạng cái ống nằm trên cái thớt, hai cặp điện cực ở hai bên ống dùng để dịch chuyển qua lại theo hai chiều X và Y còn hai điện cực ở thớt dùng để điều khiển dịch chuyển theo chiều Z. Tất cả để gọn trong vỏ hình trụ tròn, to bằng lon sữa bò, có 6 đầu nối điện với 3 cặp điện cực trên bề mặt vật liệu áp điện. Đó là bộ quét áp điện, có bán trên thị trường, rất thông dụng hiện nay.

Cách dịch chuyển cơ học rất tinh vi bằng bộ quét áp điện có rất nhiều ứng dụng trong công nghệ hiện đại, đặc biệt là công nghệ nanô.

2. Kính hiển vi lực nguyên tử

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của AFM.
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của AFM.
Bộ quét áp điện là bộ phận chủ yếu của một loại kính hiển vi mới gọi là hiển vi quét đầu dò SPM (Scaning probe microscope) trong đó có hiển vi lực nguyên tử AFM (atomic force microscope)phóng đại đến hàng triệu lần, có thể thấy được từng nguyên tử trên bề mặt, khá thông dụng hiện nay.

Ta hãy xem cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hiển vi lực nguyên tử AFM (hình 2). Mẫu nghiên cứu đặt trên bộ quét áp điện, trên mẫu nghiên cứu là một mũi nhọn gắn ở đầu lò xo lá. Bộ điều khiển điện tử tạo ra điện thế tác dụng lên các cực của bộ quét áp điện làm cho mẫu dịch chuyển, thí dụ một đoạn có theo chiều x. Vì chuyển động là tương đối nên điều này tương đương với việc mũi nhọn quét theo chiều X một hàng có biên độ là d trên mặt mẫu. Cứ như vậy có thể điều khiển để mũi nhọn liên tiếp quét nhiều hàng trên một diện tích hình vuông trên mặt mẫu. (có thể quét 500 đến 1000 hàng trên hình vuông).

Đồng thời với mũi nhọn quét trên bề mặt mẫu, bộ điều khiển điện tử cũng làm cho tia điện tử của đèn hình CRT quét trên màn hình một cách đồng bộ. Cụ thể là khi mũi nhọn quét hàng thứ nhất, cứ như vậy đối với hàng thứ hai hàng thứ ba v.v... Việc quét ở mẫu và ở màn hình là đồng bộ, nhưng có điều khác là mũi nhọn quét trên bề mặt mẫu một hình vuông nhỏ có cạnh là d, trong lúc đó tia điện tử quét trên mành hình một hình vuông lớn có cạnh D lớn gấp hàng chục, hàng trăm nghìn lần d.

Cách quét mũi nhọn trên bề mặt mẫu đồng thời quét tia điện tử trên màn hình là nhằm mục đích tạo ra ảnh phóng đại bằng phương pháp quét, khác hẳn cách tạo ảnh phóng đại bằng cách dùng các thấu kính như ở các loại hiển vi thường thấy trước đây. Cụ thể trong trường hợp hiển vi lực nguyên tử cách tạo ảnh như sau:

Nếu mũi nhọn thật là nhọn đến mức ở đầu mút chỉ có một nguyên tử thì lúc đưa lại gần sát bề mặt mẫu, nguyên tử của mũi nhọn bị nguyên tử ở mặt mẫu tác dụng, đó là lực tác dụng giữa các nguyên tử hay gọi tắt là lực nguyên tử (atomic force). Khi dịch chuyển mũi nhọn trên bề mặt mẫu, chỗ nào mặt mẫu nhô lên tức là gần mũi nhọn hơn, lực nguyên tử sẽ lớn, mũi nhọn bị tác dụng mạnh. Ngược lại chỗ nào mặt mẫu lõm xuống các nguyên tử ở xa nhau, mũi nhọn bị tác dụng yếu.

Người ta có thể đo lực nguyên tử mạnh hay yếu đó bằng cách gắn mũi nhọn lên một lò xo lá và đo độ uốn cong của lò xo lá nhờ hệ quang điện như vẽ ở hình bên trái hình 2. Ta thấy tia laser tập trung chiếu vào một điểm nhỏ trên lò xo lá còn tia phản xạ do đi đoạn đường dài nên bị loe ra chiếu vào tấm pin quang điện thành một diện tích tròn sáng cỡ bằng đồng xu. Tấm pin quang điện này được chia thành hai nửa. Khi mũi nhọn không bị hút, lò xo lá nằm ngang tia phản xạ được điều chỉnh sao cho diện tích tròn sáng chiếu đều hai nửa tấm pin quang điện, dòng quang điện sinh ra ở hai nửa bằng nhau, hiệu ứng của chúng bằng không. Nhưng khi mũi nhọn bị hút, lò xo lá cong xuống diện tích tròn sáng chạy lên, nửa tấm quang điện ở trên được chiếu sáng nhiều hơn ở nửa dưới, hiệu dòng quang điện ở hai nửa tấm pin quang điện có một giá trị nào đó phụ thuộc vào lò xo lá cong nhiều hay cong ít, thực chất là do bề mặt mẫu nhô lên hay lõm xuống. Người ta khuếch đại hiệu dòng quang điện này (khuếch đại vi sai) và dùng để điều khiển độ sáng tối của chùm tia điện tử quét trên màn hình. Kết quả là trên màn hình ta thấy chỗ sáng tối tương ứng với chỗ lồi chỗ lõm ở trên mẫu.

Đây chính là ảnh AFM cho biết độ lồi lõm trên bề mặt mẫu.

Độ phóng đại của ảnh này là D/d với D là biên bộ quét trên màn hình và d là biên độ quét trên mẫu.

Thí dụ tia điện tử quét trên màn hình với D nhất định cỡ 20 cm. Nếu điều khiển bộ quét áp điện cho mũi nhọn quét trên mẫu với d = 1 mm, độ phóng đại của ảnh là D/d = 20cm/1mm = 200

Nhưng nếu mũi nhọn quét với biên độ rất nhỏ d = 1 µm thì độ phóng đại của ảnh là

D/d = 20cm/1mm = 200.000

Bề mặt lá mica Phú Thọ chụp bằng AFM ở ĐH Bách Khoa HN, thấy rõ từng nguyên tử.
Bề mặt lá mica Phú Thọ chụp bằng AFM ở ĐH Bách Khoa HN, thấy rõ từng nguyên tử.
Người ta có thể điều khiển để ảnh AFM có độ phóng đại lớn xấp xỉ một triệu lần, thấy được từng nguyên tử trên bề mặt (hình 3). Cách đo lực nguyên tử bằng lò xo lá như đã mô tả là cách đo đơngiản, dễ hiểu. Còn có những cách đo lực theo cộng hưởng nhạy hơn và trực tiếp đo được độ lồi lõm ở từng điểm tạo ra ảnh ba chiều thực sự. Một đặc điểm quan trọng nữa của loại hiển vi AFM này là cóthể làm việc trong không khí, trong môi trường tự nhiên nước, dung dịch... rất quan trọng cho việc nghiên cứu vật sống như tế bào virut... Bộ quét áp điện cho phép quét nhiều loại mũi nhọn khác dùngđể đo dòng điện có các loại hiển vi khác như hiển vi tunen, hiển vi lực ma sát, hiển vi sức điện động... Các loại hiển vi này đều làm việc trên nguyên tắc chung là quét mũi nhọn là đầu dò (probe)trên mẫu nghiên cứu để thu thập tín hiệu tạo ra ảnh nên có tên chung là hiển vi quét đầu dò SPM (Scanning probe microscope).

Đây là hiển vi của thời đại công nghệ nano.

Nguồn: Vật lý & Tuổi trẻ, số 52, 12 - 2007, bìa 3.

Xem Thêm

Phát triển nhân lực trẻ cho các lĩnh vực công nghệ chiến lược
Bộ Khoa học và Công nghệ được giao nghiên cứu, đề xuất cơ chế, chính sách phát triển nhân lực trẻ chất lượng cao trong các lĩnh vực công nghệ thông tin, trí tuệ nhân tạo, hàng không vũ trụ và năng lượng nguyên tử, với thời hạn hoàn thành trong quý IV/2026.
Thúc đẩy khởi nghiệp đổi mới sáng tạo gắn với tự tạo việc làm cho thanh niên trí thức
Sáng ngày 28/7, Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (VUSTA) đã phối hợp với Viện Khoa học và Quản lý kinh tế (IESEM) tổ chức hội thảo "Thực trạng và giải pháp thúc đẩy khởi nghiệp đổi mới sáng tạo gắn với tự tự tạo việc làm cho thanh niên trí thức trong bối cảnh Cách mạng công nghiệp 4.0".
Thúc đẩy ứng dụng AI trong quản lý năng lượng - Giải pháp then chốt giảm phát thải nhà kính
Ngày 17/12, tại phường Bà Rịa, thành phố Hồ Chí Minh (TP.HCM), Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (VUSTA) phối hợp cùng Sở Công Thương TP.HCM, Trung tâm Chứng nhận Chất lượng và Phát triển Doanh nghiệp và Công ty Cổ phần Tập đoàn Vira tổ chức Hội thảo khoa học “Giải pháp thúc đẩy ứng dụng AI trong quản lý, sử dụng năng lượng hiệu quả nhằm giảm phát thải khí nhà kính”.
Thúc đẩy vai trò của Liên hiệp các Hội KH&KT địa phương trong bảo tồn đa dạng sinh học và thực thi chính sách
Trong hai ngày 12-13/11, tại tỉnh Cao Bằng, Liên hiệp các Hội KH&KT Việt Nam (VUSTA) phối hợp với Trung tâm Con người và Thiên nhiên (PanNature) và Liên hiệp các Hội KH&KT tỉnh Cao Bằng tổ chức Chương trình chia sẻ “Thúc đẩy vai trò của Liên hiệp các Hội KH&KT địa phương trong bảo tồn đa dạng sinh học và thực thi chính sách”.
Thúc đẩy ứng dụng thực tiễn của vật liệu tiên tiến trong sản xuất năng lượng sạch
Ngày 24/10, tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (VUSTA) phối hợp với Hội Khoa học Công nghệ Xúc tác và Hấp phụ Việt Nam (VNACA) tổ chức Hội thảo khoa học “Vật liệu tiên tiến ứng dụng trong sản xuất nhiên liệu tái tạo và giảm phát thải khí nhà kính”.
Dựa vào thiên nhiên để phát triển bền vững vùng núi phía Bắc
Đó là chủ đề của hội thảo "Đa dạng sinh học và giải pháp dựa vào thiên nhiên cho phát triển vùng núi phía Bắc" diễn ra trong ngày 21/10, tại Thái Nguyên do Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (Vusta) phối hợp với Trung tâm Con người và Thiên nhiên (PANNATURE) phối hợp tổ chức.
Muốn công tác quy hoạch hiệu quả, công nghệ phải là cốt lõi
Phát triển đô thị là một quá trình, đô thị hoá là tất yếu khách quan, là một động lực quan trọng cho phát triển kinh tế - xã hội nhanh và bền vững. Trong kỷ nguyên vươn mình, quá trình đô thị hoá không thể tách rời quá trình công nghiệp hoá - hiện đại hoá đất nước...
Hội thảo quốc tế về máy móc, năng lượng và số hóa lần đầu tiên được tổ chức tại Vĩnh Long
Ngày 20/9, tại Vĩnh Long đã diễn ra Hội thảo quốc tế về Máy móc, năng lượng và số hóa hướng đến phát triển bền vững (IMEDS 2025). Sự kiện do Hội Nghiên cứu Biên tập Công trình Khoa học và Công nghệ Việt Nam (VASE) - hội thành viên của Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (VUSTA) phối hợp cùng Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vĩnh Long (VLUTE) tổ chức.

Tin mới

VUSTA xây dựng đề án vị trí việc làm giai đoạn 2027–2031
Là hội quần chúng được Đảng và Nhà nước giao nhiệm vụ ở Trung ương, Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (VUSTA) đang tập trung triển khai việc rà soát vị trí việc làm (VTVL), xây dựng phương án biên chế giai đoạn 2027–2031, nhằm hoàn thiện tổ chức bộ máy và nâng cao hiệu quả tập hợp đội ngũ trí thức khoa học và công nghệ (KH&CN).
Tập huấn sử dụng hệ thống thông tin điều hành tác nghiệp Mặt trận Tổ quốc Việt Nam
Ngày 5/11, Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (VUSTA) tổ chức Hội nghị Hướng dẫn sử dụng phần mềm trong quản lý và điều hành tác nghiệp văn bản đi và đến. Hội thảo nhằm nâng cao kỹ năng sử dụng, khai thác hiệu quả các chức năng của hệ thống số hóa, góp phần tích cực vào quá trình chuyển đổi số toàn diện trong công tác quản lý, điều hành và xử lý văn bản nghiệp vụ tại Cơ quan VUSTA.
Lào Cai: 52 đề tài xuất sắc sẽ được trao giải Cuộc thi lần thứ 21
Chiều 3/11, Ông Giàng Quốc Hưng - Ủy viên Ban Thường vụ Tỉnh ủy, Phó Chủ tịch UBND tỉnh, Chủ tịch Liên hiệp Hội tỉnh, Trưởng Ban Tổ chức Hội thi Sáng tạo kỹ thuật (Hội thi) và Cuộc thi Sáng tạo thanh, thiếu niên, nhi đồng tỉnh (Cuộc thi), chủ trì cuộc họp thống nhất công tác chuẩn bị tổng kết, trao giải Cuộc thi lần thứ 21 và phát động Cuộc thi lần thứ 22.
Cải cách hành chính và chuyển đổi số ở cơ sở cần thực chất hơn
Năm 2026, khi mô hình chính quyền địa phương hai cấp đi vào vận hành, cải cách hành chính và chuyển đổi số đặt ra yêu cầu cao với chính quyền cơ sở. Qua khảo sát tại phường Tuy Hòa, Cư Bao, xã Sơn Hòa, Sông Hinh, Ea Na và Yang Mao, Hội đồng tư vấn Dân chủ – Pháp luật thuộc Ủy ban MTTQ Việt Nam tỉnh Đắk Lắk ghi nhận nỗ lực của địa phương và những vấn đề cần tháo gỡ để nâng cao chất lượng phục vụ.
Tôn vinh tinh hoa đạo học, tiếp nối mạch nguồn hiền tài dân tộc
Từ ngày 5 - 15/11, thành phố Hà Nội tổ chức chuỗi hoạt động kỷ niệm 950 năm thành lập Quốc Tử Giám (1076–2026), với nhiều chương trình văn hóa, nghệ thuật, triển lãm, trải nghiệm di sản và hội thảo khoa học. Đây là dịp tôn vinh những giá trị bền vững của nền Quốc học Việt Nam, khơi dậy truyền thống hiếu học, tôn sư trọng đạo và tinh thần trọng dụng hiền tài.
Đắk Lắk: Phản biện hồ sơ Dự án nhà máy điện gió, điện mặt trời
Sáng 29/10, Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật tỉnh đã tổ chức Hội đồng góp ý, phản biện xã hội và phản biện khoa học đối với hồ sơ đề nghị chấp thuận chủ trương đầu tư Dự án Nhà máy điện gió E&M Đắk Lắk tại xã Ea Knốp và xã Cư Prao; Dự án Nhà máy điện mặt trời Jang Pông 2 tại xã Ea Wer.
Góp ý Luật luật An toàn, vệ sinh lao động: Lấy bảo vệ con người và quản trị rủi ro làm trung tâm
Ngày 30/10/2026, tại Hà Nội, Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (VUSTA) phối hợp Hội Khoa học Kỹ thuật An toàn Vệ sinh Lao động Việt Nam (VOSHA) tổ chức Hội thảo "Góp ý dự thảo Luật sửa đổi, bổ sung một số điều của Luật An toàn, vệ sinh lao động". Hội thảo do PGS.TS Phạm Ngọc Linh, Phó Chủ tịch VUSTA và GS.TS Lê Vân Trình, Chủ tịch VOSHA đồng chủ trì.
VUSTA công bố các quyết định điều động, bổ nhiệm cán bộ chủ chốt
Ngày 30/10/2026, Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (VUSTA) đã trang trọng tổ chức Hội nghị công bố các quyết định quan trọng về công tác cán bộ. Lãnh đạo VUSTA đã trao quyết định nghỉ hưu hưởng chế độ cho 02 cán bộ, chuyên viên, đồng thời trao các quyết định điều động, bổ nhiệm cán bộ chủ chốt nhằm đáp ứng yêu cầu phát triển trong giai đoạn mới.