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 huy vai trò, trách nhiệm của đội ngũ trí thức trong sự nghiệp đổi mới, xây dựng và bảo vệ Tổ quốc
Ngày 25/6/2025, tại Tp. Huế, Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (Liên hiệp Hội Việt Nam) chủ trì, phối hợp với Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật thành phố Huế (Liên hiệp Hội TP. Huế) tổ chức Hội thảo “Phát huy vai trò, trách nhiệm của đội ngũ trí thức để góp phần tích cực cho sự nghiệp đổi mới, xây dựng và bảo vệ Tổ quốc theo tinh thần Nghị quyết số 45-NQ/TW ngày 24/11/2023”.
An Giang: 8 giải pháp thực hiện đột phá phát triển khoa học công nghệ
Đến nay, Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật tỉnh (Liên hiệp hội tỉnh) đã tập hợp được 40 hội, tổ chức thành viên với 9.554 hội viên cá nhân, trong đó có hơn 3.451 hội viên trí thức. An Giang xác định và đề ra mục tiêu về đột phá phát triển khoa học công nghệ, đổi mới sáng tạo, chuyển đổi số (KHCN, ĐMST, CĐS) đến năm 2030.
Thanh Hoá: Hội thảo KH về giải quyết tình trạng thiếu lao động ở nông thôn, lao động trực tiếp tham gia SX nông nghiệp
Sáng ngày 27/5/2025, Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật tỉnh (Liên hiệp hội) phối hợp với Sở Khoa học và Công nghệ, Viện Nông nghiêp tổ chức Hội thảo khoa học với chủ đề “Giải pháp giải quyết tình trạng thiếu lao động sản xuất ở khu vực nông thôn, lao động có kỹ thuật, tay nghề cao trực tiếp tham gia sản xuất nông nghiệp, nhất là nông nghiệp ứng dụng công nghệ cao, nông nghiệp hữu cơ”.
Bình Thuận: Đẩy mạnh ứng dụng khoa học, công nghệ vào sản xuất
Sáng ngày 27/5, tại thành phố Phan Thiết, tỉnh Bình Thuận, Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật tỉnh phối hợp với Sở Khoa học và Công nghệ tỉnh tổ chức hội thảo khoa học với chủ đề “Giải pháp đột phá trong ứng dụng tiến bộ khoa học, công nghệ vào thực tiễn quản lý và sản xuất trên địa bàn tỉnh Bình Thuận”.

Tin mới

Hội nghị lần thứ nhất Ban Chấp hành Đảng bộ Liên hiệp Hội Việt Nam nhiệm kỳ 2025-2030
Ngày 31/7, Đảng bộ Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (Liên hiệp Hội Việt Nam) đã tổ chức Hội nghị Ban Chấp hành Đảng bộ lần thứ nhất. Đồng chí Phạm Ngọc Linh, Phó Bí thư Thường trực Đảng ủy, Phó Chủ tịch Liên hiệp Hội Việt Nam chủ trì Hội nghị.
Sửa Luật Đất đai 2024: Đề xuất 2 phương án về bảng giá đất, bỏ "nguyên tắc thị trường"
Tại Dự thảo Luật sửa đổi, bổ sung một số điều của Luật Đất đai 2024, Bộ Nông nghiệp và Môi trường đề xuất bỏ nguyên tắc thị trường trong xác định giá đất, thay vào đó Nhà nước đóng vai trò chủ thể xác định; đồng thời đề xuất 2 phương án khi xây dựng bảng giá đất...
Diễn đàn Dầu khí và Năng lượng 2025: Thúc đẩy hình thành hệ sinh thái năng lượng an toàn, hội nhập
Ngày 28/7, Diễn đàn Dầu khí và Năng lượng thường niên 2025 với chủ đề “Chuyển dịch năng lượng: Tầm nhìn và Hành động” đã diễn ra tại Hà Nội do Hội Dầu khí Việt Nam (Hội DKVN) phối hợp cùng Tập đoàn Công nghiệp - Năng lượng Quốc gia Việt Nam (Petrovietnam) tổ chức. Diễn đàn là một trong những sự kiện quan trọng Chào mừng Đại hội đại biểu Đảng bộ Petrovietnam lần thứ IV, nhiệm kỳ 2025-2030.
Đoàn công tác VUSTA tham dự Cuộc họp lần thứ 33 Đại hội đồng FEIAP tại Thái Lan
Từ ngày 23-25/7/2025, đoàn công tác của Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (VUSTA) do ông Nguyễn Quyết Chiến - Tổng Thư ký làm Trưởng đoàn đã tham dự Cuộc họp lần thứ 33 Đại hội đồng Liên đoàn các tổ chức Kỹ thuật châu Á - Thái Bình Dương (FEIAP) tại Bangkok, Thái Lan. Tham gia đoàn công tác có đại diện Ban Khoa học và Hợp tác quốc tế, Văn phòng VUSTA.
Chủ tịch VUSTA Phan Xuân Dũng dự Lễ kỷ niệm 50 năm thành lập Hội Khoa học Kinh tế Việt Nam
Hội Khoa học Kinh tế Việt Nam được thành lập ngay sau giải phóng năm 1975. Trong suốt 50 năm qua, Hội đã có nhiều đóng góp quan trọng cho hoạt động tư vấn chính sách đối với các vấn đề trọng đại của đất nước. Gần đây nhất là phản biện trong góp ý văn kiện Đại hội XIII và XIV của Đảng, các đề án tăng trưởng xanh, đường sắt cao tốc, quy hoạch vùng và dự thảo nhiều chính sách kinh tế quan trọng...
Lãnh đạo VUSTA tham dự Hội nghị IAS 2025
Đoàn công tác của Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (VUSTA) do PGS.TS Phạm Ngọc Linh, Phó Bí thư Thường trực Đảng ủy, Phó Chủ tịch VUSTA, Giám đốc Ban Quản lý dự án Quỹ Toàn cầu - VUSTA về phòng, chống HIV/AIDS làm trưởng đoàn đã tham dự Hội nghị Khoa học quốc tế về phòng, chống HIV/AIDS 2025 (Hội nghị IAS 2025) tại Rwanda từ ngày 12/7 đến ngày 17/7/2025.
Thắp nến tri ân nhân Kỷ niệm 78 năm Ngày Thương binh Liệt sĩ
Ngày 24/7, nhân kỷ niệm 78 năm Ngày Thương binh - Liệt sĩ (27/7/1947–27/7/2025), Đoàn TNCS Hồ Chí Minh Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam phối hợp cùng Đoàn Thanh niên Hội Nhà báo Việt Nam và Liên minh Hợp tác xã Việt Nam trang trọng tổ chức Chương trình “Thắp nến tri ân” tưởng niệm các Anh hùng liệt sĩ tại Nghĩa trang Mai Dịch (Cầu Giấy, Hà Nội).