Giới thiệu kính hiển vi lực nguyên tử (AFM)

In tr o d u c ti o n to N a n o te c h n o lo g y Atomic Force Microscopy 1.1 Giới thiệu kính hiển vi lực nguyên tử(AFM) In tr o d u c ti o n to N a n o te c h n o lo g y Atomic Force Microscopy 1.2 Tương tác điện từ mạnh hơn gấp 40 lần tương tác hấp dẫn Tương tác hấp dẫn van der Waals được gây ra bởi biến thiên trong chuyển động dipole điện của nguyên tử và phân cực lẫn nhau. Chúng tồn tại giữa các loại phân tử và nguyên tử và hiệu quả ở khoảng cách vài Å đến vài trăm Å. Lực giữa các nguyên tử ≈ r-7, giữa hai mặt ≈ r-3, giữa một hình cầu và một mặt phẳng ≈ r-2 Lực đẩy ở khoảng cách rất ngắn (≈ Å). F ≈ r-n, ở đó n > 8. Lực mao dẫn: một lớp nước ngưng tụ trên bề mặt mẫu ở độ ẩm bình thường, tip sẽ bị hút về phía mẫu bởi mặt lồi của giọt nước và bị dính trên mẫu. Đó là vấn đề quan trọng của ảnh AFM Lực từ Lực tĩnh điện Lực hoá học: liên kết ion, cộng hoá trị, kim loại (bị hút ở khoảng cách ngắn cỡ vài Å) Số nguyên tử của tip bị ảnh hưởng bởi phép đo, phụ thuộc bản chất của tương tác Mội trường phải được chú ý(khí, lỏng, rắn). Hằng số điện môi và lực vander walls bị ảnh hưởng bởi môi trường Quét là quá trình động học chẳng hạn như lực ma sát Mẫu không phải tinh thể rắn, biến dạng tĩnh điện hay phục hồi nguyên tử? Liên kết giữa tip và mẫu có thể dẫn đến sự sắp xếp lại tip và nguyên tử mẫu In tr o d u c ti o n to N a n o te c h n o lo g y Atomic Force Microscopy 1.3 In tr o d u c ti o n to N a n o te c h n o lo g y Atomic Force Microscopy 1.4 In tr o d u c ti o n to N a n o te c h n o lo g y Atomic Force Microscopy 1.5 In tr o d u c ti o n to N a n o te c h n o lo g y Atomic Force Microscopy 1.6 In tr o d u c ti o n to N a n o te c h n o lo g y Atomic Force MicroscopyEnergy between charge pairs • Tương tác ion-ion E=(Z1e)(Z2e)/4πεo x • ion- dipole vĩnh cửu: E=(Ze)µcosθ/4πεo x 2 • Dipole vĩnh cửu-dipole vĩnh cửu: E=(constant)µ1µ2/4πεo x 3 • Tương tácVan der waals: • Tương tác dipole vĩnh cửu-dipole cảm ứng E=(α1µ 2 1+α2µ 2 2)/4πεo x 6 In tr o d u c ti o n to N a n o te c h n o lo g y Atomic Force MicroscopyTương tác • Tương tác mạnh, khoảng cách ngắn: ở khoảng cách rất gần, lực đẩy mạnh phất triển với ―x12‖ năng lượng E=ζ x-12 • Thế tương tác toàn phần, E=ζ x-12 – βx-6 • Hấp dẫn giữa các hạt dạng hình cầu được giả sử là tổng của những nguyên tử, phân tử riêng. • dE = -0.5 ρ2β/x6 dV1 dV2 (ρ: số nguyên tử trong một đơn vị thể tích) • Hai quả cầu xác định, (R>> x)E=-AR/12x • Bán kính khác nhau, R1 and R2 E=-AR1R2 /6x(R1 + R2) • Hai bề mặt, E=-A/(12 πx2) • Trong tất cả các trường hợp, A= ρ2 π2 β được gọi là ―hằng số Hamker‖ In tr o d u c ti o n to N a n o te c h n o lo g y Atomic Force MicroscopyKính hiển vi lực tĩnh điện • Hai cơ chế dịch chuyển, cái đầu tiên là cho thấy địa hình • Cái thứ hai cho thấy, lực biến thiên giữ không đối tương ứng với độ cao nhận được trước đó, • Dò lực tĩng điện theo vị trí In tr o d u c ti o n to N a n o te c h n o lo g y Atomic Force Microscopy Sample Cantilever AFM Tip Không có dòng giữa tip AFM và mẫu, vì thế mẫu không cần dẫn. Nguyên tử của tip hấp dẫn nguyên tử mẫu bởi lực tương tác van der Waals. In tr o d u c ti o n to N a n o te c h n o lo g y Atomic Force Microscopy Khi tip AFM được hút bởi bề mặt (gây cho cantilever bẻ cong), chùm laser lệch khỏi đầu cantilever—cho phép chuyển động của tip được đánh dấu. Laser In tr o d u c ti o n to N a n o te c h n o lo g y Atomic Force MicroscopyKhi tip AFM được hút bởi bề mặt (gây cho cantilever bẻ ong), chùm laser lệch khỏi đầu cantilever—cho phép chuyển động của tip được đánh dấu. Laser ~1 m (1000 nm) Cantilever dễ thấy đối với mắt nhưng tip AFM quá nhỏ để thấy mà không khuếch đại. In tr o d u c ti o n to N a n o te c h n o lo g y Atomic Force Microscopy AFM tip Surface of sample Tương tác hấp dẫn vander waals hoạt động ở mức độ nguyên tử hay phân tử, giữa tip AFM và những nguyên tử định xứ ở bề mặt mẫu. In tr o d u c ti o n to N a n o te c h n o lo g y Atomic Force Microscopy Khi tip AFM quét bề mặt chuyển động lên xuống vẽ số đường quét của mẫu. Lực trên tip AFM tip là đều (giống lò xo): tip được dịch chuyển hướng đến bề mặt khoảng cách (Z) tỉ lệ với lực van der Waals. Z FRestore = lực phục hồi của cantilever trên tip FSample = lực của mẫu kéo típ (van der Waals) FRestore = - kZ k ~ 1 N/m AFM có thể đo lực cỡ pN (10-12 Newton) và ngay cả fN (10-15 N)! In tr o d u c ti o n to N a n o te c h n o lo g y Atomic Force Microscopy To a Photodetector Vị trí ở đó chùm laser phản xạ đập vào màn hình đầu thu ichỉ ra rằng cantilever bẻ cong bao và do đó tương tác giữa tip AFM và bề mặt mạnh bao nhiêu. In tr o d u c ti o n to N a n o te c h n o lo g y Atomic Force Microscopy 1. Dạng tiếp xúc— tip được kéo dọc theo bề mặt mẫu; độ lệch cantilever được đo và và chuyển thành dạng bề mặt. Chú ý: dạng này có thể làm hư hại bề mặt. 2. Dạng không tiếp xúc—cantilever dao động trên bề mặt mẫu và bị ảnh hưởng bởi lực bề mặt và tip (van der Waals). 3. Dạng Tapping — tip AFM tiếp xúc gián đoạn trên bề mặt mẫu trong suốt những điểm tiếp xúc gần nhất của chu trình dao động. Contact Intermittent/Tapping AFM có thể hoạt động theo ba cách khác nhau: In tr o d u c ti o n to N a n o te c h n o lo g y Atomic Force MicroscopyDạng tiếp xúc nhận thông tin về bề mặt từ tiếp xúc trực tiếp, nhưng dạng tiếp xúc gián đoạn hay rời rạc hoạt động như thế nào? IBM photo of an AFM cantilever & tip Giống trọng lực tác dụng lên chúng ta, bề mặt không cần tiếp xúc với tip AFM để tác dụng lực trên nó. Lực van der Waals gây ra tần số dao động của cantilever/tip thay đổi. Trong dạng tapping, cantilever được truyền động để dao động bằng cách bằng bộ kiểm soát áp, điện—và vắng mặt bất kỳ lực bề mặt nào mà cantilever có thể dao động ở tần số (ωo) phụ thuộc vào hình dạng và độ cứng của cantilever. 2 222 2 Q k F z o o o F ω = lực truyềng động k = độ cứng cantilever Tần số dao động thật (ω) được nối với độ lệch của tip (z) do lực bề mặt gây ra. In tr o d u c ti o n to N a n o te c h n o lo g y Atomic Force Microscopy 1.18 Basic Principles of Scanning Probe Microscopy • STM AFM In tr o d u c ti o n to N a n o te c h n o lo g y Atomic Force Microscopy 1.19 Atomic Force Microscopy Scanning Probe Microscopy Local Probes In tr o d u c ti o n to N a n o te c h n o lo g y Atomic Force Microscopy 1.20 In tr o d u c ti o n to N a n o te c h n o lo g y Atomic Force Microscopy 1.21 • Cần ‘mềm cantilever’ – comparable to độ cứng của phân tử • This is k= N/m • Cần tần số dao động cộng ít hơn) • ω= (k/m) – làm cantilevers nhỏ A1 A2 B1 B2 Dấu hiệu độ võng (A-B) = ( A1+ A2) – (B1+ B2) Dấu hiệu lực ma sát(1-2) = ( A1+ B1) – (A2+ B2) AFM Basics-Cantilever and photo detector In tr o d u c ti o n to N a n o te c h n o lo g y Atomic Force Microscopy 1.22 Quad photodetector arrangement. Different segments of the photodetector are used for generating AFM and LFM signals. In tr o d u c ti o n to N a n o te c h n o lo g y Atomic Force Microscopy 1.23 In tr o d u c ti o n to N a n o te c h n o lo g y Atomic Force Microscopy 1.24 Tip Scanning AFM In tr o d u c ti o n to N a n o te c h n o lo g y Atomic Force Microscopy 1.25 Closed-loop XY Scanning stage Heating /Cooling Fluid imaging Untraditional sample size Tip Scanning AFM In tr o d u c ti o n to N a n o te c h n o lo g y Atomic Force Microscopy 1.26 Typical scanner piezo tube and X-Y-Z electrical configurations. AC signals applied to conductive areas of the tube create piezo movement along the three major axes. In tr o d u c ti o n to N a n o te c h n o lo g y Atomic Force Microscopy 1.27 Voltages applied to the X- and Y-axes produce a raster scan pattern. Any angle may be designated as the ―fast axis‖ using the Scan Angle parameter. In tr o d u c ti o n to N a n o te c h n o lo g y Atomic Force Microscopy 1.28 Piezo-scanner movement In tr o d u c ti o n to N a n o te c h n o lo g y Atomic Force Microscopy 1.29 Veeco Multimode, Nanoscope III In tr o d u c ti o n to N a n o te c h n o lo g y Atomic Force Microscopy 1.30 The scanned cantilever/tip system In tr o d u c ti o n to N a n o te c h n o lo g y Atomic Force Microscopy 1.31 Cantilevers sizes range: from 100 to 200µm in length (l), 10 to 40 µm in width (w), and 0.3 to 2µm in thickness (t) Integrated cantilevers can be made from silicon or silicon nitride. More than 1,000 tips can be made on a single Si wafer. V-shaped cantilevers are the most popular because they provide low mechanical resistance to vertical deflection and high resistance to lateral torsion In tr o d u c ti o n to N a n o te c h n o lo g y Atomic Force Microscopy 1.32 An SEM image of bar-shaped AFM cantilevers and tips Định luật Hooke kết nối những lực áp vào với độ lệch cantilever F k z 0 k m Tần số cộng hưởng của hệ spring-mass là Độ nhạy của dụng cụ được giới hạn bởi dao động nhiệt của cantilever. Chúng ta áp dụng lý thuyết phân bố đều (E ~kBT đối với mỗi bậc tự do) 2 ( ) ( ) BRMS B RMSz k T z kTk k In tr o d u c ti o n to N a n o te c h n o lo g y Atomic Force Microscopy 1.33 Zoom in the apex of a tip In tr o d u c ti o n to N a n o te c h n o lo g y Atomic Force Microscopy 1.34 In tr o d u c ti o n to N a n o te c h n o lo g y Atomic Force Microscopy 1.35 f realF A real loadA F f LoadF F Lực tỉ lệ với diện tích tiếp xúc(nghĩa là diện tích bao gồm tổng tất cả những vị trí tiếp xúc với kính hiển vi) Lực đưa vào tăng dẫn đến số tiếp xúc vĩ mô tăng và do đó dẫn đến diện tích tiếp xúc tổng tăng tỉ lệ: Kết hợp hai phương trình trên chúng ta suy ra định luật Amonton, mà trình bày rằng ma sát tỉ lệ với lực áp vào và độc lập với diện tích tiếp giáp giữa hai vật tiếp xúc nhau. Hằng số tỉ lệ µ mà là đặc trưng của vật liệu liên quan. Macroscopic Theory of Friction In tr o d u c ti o n to N a n o te c h n o lo g y Atomic Force Microscopy 1.36 M. Manias, private communications In tr o d u c ti o n to N a n o te c h n o lo g y Atomic Force Microscopy 1.37 Microphase separation in polymers: Topography vs Friction A. Kraft, V. Koutsos In tr o d u c ti o n to N a n o te c h n o lo g y Atomic Force Microscopy 1.38 Độ phân giải ngang được xác định bởi: 1. Kích thước bậc thang của hình ảnh 2. Bán kính cực đại của Tip Tip đăc trưng – R ~ 5nm cho độ phân giải ngang cỡ ~2nm. Tuy nhiên, tips với ống nano trụ với R ~ 1nm đang được phát triển cho độ phân giải ngang cỡ ~0.05nm Xem vùng quét ảnh 1µm x 1µm lấy số điểm dữ liệu 512x512. vùng quét như thế có kích thước bậc thang (và độ phân giải ngang) cỡ 1µm/512 ~2nm. Độ phân giải ngang In tr o d u c ti o n to N a n o te c h n o lo g y Atomic Force Microscopy 1.39 Influence of tip geometry in imaging surface features In tr o d u c ti o n to N a n o te c h n o lo g y Atomic Force Microscopy 1.40 In tr o d u c ti o n to N a n o te c h n o lo g y Atomic Force Microscopy 1.41 Tip - selection In tr o d u c ti o n to N a n o te c h n o lo g y Atomic Force Microscopy 1.42 Tip-Shape Artefacts In tr o d u c ti o n to N a n o te c h n o lo g y Atomic Force Microscopy 1.43 Tip artefacts at the atomic scale In tr o d u c ti o n to N a n o te c h n o lo g y Atomic Force Microscopy 1.44 Ảnh hưởng của địa hình Tip lên cấu trúc bề mặt In tr o d u c ti o n to N a n o te c h n o lo g y Atomic Force Microscopy 1.45 Đồ thị khoảng cách thay đổi theo lực In tr o d u c ti o n to N a n o te c h n o lo g y Atomic Force Microscopy 1.46 Tiến gần Co lại Force Khoảng cách thật(D) giữa Tip và mẫu D z Z F k z In tr o d u c ti o n to N a n o te c h n o lo g y Atomic Force Microscopy 1.47 ( ( ))d F D k dD Độ không ổn định phát triển ở: In tr o d u c ti o n to N a n o te c h n o lo g y Atomic Force Microscopy 1.48 Tip mạ vàng Liên kết vàng-lưu quỳnh Phân tử polymer mica Kết dính Hai vòng fo rc e piezo movement 0 500 1000 1500 2000 2500 -500 0 500 1000 retract approach F o rc e ( p N ) distance (nm) 0 500 1000 1500 2000 2500 -500 0 500 1000 retract approach F o rc e ( p N ) distance (nm) H. Haschke, M. J. Miles, V. Koutsos PAM stretching: Fd curves In tr o d u c ti o n to N a n o te c h n o lo g y Atomic Force Microscopy 1.49 PDMS stretching: Fd curves Polymer Molecule Extension Laws: •Freely Jointed Chain (FJC): •Wormlike Chain (WLC): * FJC kT z F L a n a a : statistical segment length z : chain end-to-end separation distance L* : inverse Langevin function (L=coth(x)-1/x) N : number of chain segments 2 1 1 4 4 1 WLC kT z F p n pz n p p : persistence length n : number of chain segments In tr o d u c ti o n to N a n o te c h n o lo g y Atomic Force Microscopy 1.50 PMAA stretching: Fd curves In tr o d u c ti o n to N a n o te c h n o lo g y Atomic Force Microscopy 1.51 Rc=20 nm Protrusion created at the surface of one isolated latex particle after the AFM- tip retraction Protrusion created at the surface of one latex particle (pertaining to a monolayer) after the AFM-tip retraction 1 µm Before After 1 1 µm Before After 1 Schematic representation at the same scale of one latex particle indented by the AFM tip (SEM image of the AFM tip) ADHESION AND DEFORMATION OF LATEX PARTICLES M. Portigliatti, L. Leger, V. Koutsos In tr o d u c ti o n to N a n o te c h n o lo g y Atomic Force Microscopy 1.52 Force-distance curves : retraction -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 0 0,1 0,2 0,3 0,4 d (µm) F ( n N ) Monolayer Isolated particleMultilayer     In tr o d u c ti o n to N a n o te c h n o lo g y Atomic Force Microscopy 1.53 Force Modulation In tr o d u c ti o n to N a n o te c h n o lo g y Atomic Force Microscopy 1.54 Basic AFM Imaging Modes Contact mode AFM (1986) • Lực vuông góc nhỏ, nhưng cái dò kéo qua bề mặt gây ra lực ngang • mẫu mềm liên kết yếu di chuyển dễ dàng • ảnh không rõ AC Mode AFM (1993) • Kiểu tiếp xúc gián đoạn (tapping mode) • bề mặt mềm được tăng cứng bởi đáp ứng lưu chất • Lực theo phương đứng trội, vì thế lực theo phương đứng lớn còn lực theo phương ngang nhỏ. •Hình ảnh rõ F F In tr o d u c ti o n to N a n o te c h n o lo g y Atomic Force Microscopy 1.55 Atomic force microscopy of biomaterials surfaces and interfaces Jandt, Surface Science 491 (2001) 303-332 AFM - Imaging Modes Tapping Mode In tr o d u c ti o n to N a n o te c h n o lo g y Atomic Force Microscopy 1.56 • A piezoelectric transducer shakes the cantilever holder • Reduction of amplitude signals contact Acoustic AC Mode In tr o d u c ti o n to N a n o te c h n o lo g y Atomic Force Microscopy 1.57 Basic Amplitude v.s. Distance of AC Mode z d Approach Withdraw Approach In tr o d u c ti o n to N a n o te c h n o lo g y Atomic Force Microscopy 1.58 Schematic of AC mode AFM Probe is oscillated at resonance frequency Change in amplitude provides topography Lag in phase related to viscoelasticity or material stiffness Free amplitude = Ao Damped amplitude at setpoint S = As Ao As Phase lag In tr o d u c ti o n to N a n o te c h n o lo g y Atomic Force Microscopy 1.59 – Drive cantilever directly with magnetic field – Provide precise control of the cantilever movement – Small oscillation amplitude and force – Works best in liquid MAC Mode In tr o d u c ti o n to N a n o te c h n o lo g y Atomic Force Microscopy 1.60 Imaging in a Liquid Fluid in Substrate AFM Scanner Sample Plate with Liquid Cell • Modular, symmetric plate design accommodates large sample size • Outstanding thermal stability facilitates temperature-dependent experiments • Self-contained cell assembly provides easy sample loading and exchange • Leak-proof cell design prevents damage to samples and instrumentation • Flow-through cell capability lets researchers monitor real-time changes while exchanging solutions In tr o d u c ti o n to N a n o te c h n o lo g y Atomic Force Microscopy 1.61 Temperature Control System • Temperature control - Thermal compensation - Fast settling time - Precise, accurate, and stable - No need to cool scanner while heating up to 250C In tr o d u c ti o n to N a n o te c h n o lo g y Atomic Force Microscopy 1.62 Magnetic Force Microscopy In tr o d u c ti o n to N a n o te c h n o lo g y Atomic Force Microscopy 1.63 Electrostatic Force Microscopy In tr o d u c ti o n to N a n o te c h n o lo g y Atomic Force Microscopy 1.64 Nanofabrication Bottom-up: Building or designing larger, more complex, objects by integration of smaller parts/building blocks or components. Nanotechnology seeks to use individual atoms and molecules as those building blocks (Molecular manufacturing) Compare this to Top-down: Moulding, carving and fabricating small materials and components by using larger objects such as our hands, tools and lasers, respectively. (e.g. photolithographic approaches to making silicon chips.) In tr o d u c ti o n to N a n o te c h n o lo g y Atomic Force Microscopy 1.65 Method 1: Mechanosynthesis or Positional assembly: Adding positional control to chemical synthesis Method 2: Self-assembly A method of integration in which the components spontaneously assemble, typically by bouncing around in a solution or gas phase until a stable structure of minimum energy is reached. In tr o d u c ti o n to N a n o te c h n o lo g y Atomic Force Microscopy 1.66 ―Dip-Pen‖ Nanolithography Richard D. Piner, Jin Zhu, Feng Xu, Seunghun Hong, Chad A. Mirkin SCIENCE VOL 283, p 661 This is a combination of Mechanosynthesis and Self-assembly In tr o d u c ti o n to N a n o te c h n o lo g y Atomic Force Microscopy 1.67 Acknowledgements • Veeco • Agilent Technologies Source of many images/drawings/slides (AFM manufacturers)