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.

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.

Đây là hiển vi của thời đại công nghệ nano.

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