SEMINAR: MÁY STM (SCANNING TUNNELING MICROSCOPE) NHÓM THỰC HIỆN: VŨ THU HIỀN TRẦN THỊ THANH THỦY HUỲNH LÊ THÙY TRANG

Trường đại học khoa học tự nhiên thành phố Hồ Chí Minh Bộ môn vật lí ứng dụng Lớp cao học quang điện tử khóa 18

STM LÀ GÌ??? Được phát minh năm 1981 và hai nhà phát minh ra thiết bị này là Gerd Binnig và Heinrich Rohrer (đã giành giải Nobel Vật lý năm 1986 Là kính hiển vi quét chui ngầm ,được sử dụng để quan sát hình thái học bề mặt của vật rắn (kim loại, chất bán dẫn) ở cấp độ nguyên tử

NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA STM STM sử dụng một mũi dò nhọn mà đầu của mũi dò có kích thước là một nguyên tử, quét rất gần bề mặt mẫu. Khi đầu dò được quét trên bề mặt mẫu, sẽ xuất hiện các điện tử di chuyển từ bề mặt mẫu sang mũi dò do hiệu ứng chui ngầm lượng tử và việc ghi lại dòng chui ngầm (do một hiệu điện thế đặt giữa mũi dò và mẫu) này sẽ cho các thông tin về cấu trúc bề mặt với độ phân giải ở cấp độ nguyên tử

CẤU TẠO CHÍNH MÁY STM ĐẦU DÒ BỘ ÁP ĐIỆN: + BỘ ĐIỀU KHIỂN QUÉT XY + BỘ ĐIỀU KHIỂN HỒI TIẾP BỘ PHẬN CHỐNG RUNG MÁY TÍNH

ĐẦU DÒ

Cách chế tạo: _ Dây vonfram được chế tạo bằng phương pháp khắc điện hóa hoặc được mài nhọn với bột Fe. _ Được cắt từ dây Pt-Ir. Đường kính vài trăm nm (kích thước cỡ nguyên tử)

PHƯƠNG PHÁP KHẮC ĐIỆN HÓA

CÁCH QUÉT CỦA ĐẦU DÒ

HIỆU ỨNG ĐƯỜNG NGẦM Theo cơ học cổ điển, khi E<U hạt không thể vượt qua rào thế. Theo cơ học lượng tử, khi E<U vẫn tồn tại giá trị hàm sóng của điện tử ở bên kia rào thế, tức là có xác suất tìm thấy điện tử bên ngoài rào thế. Đây chính là hiệu ứng chui ngầm lượng tử

_Nếu mẫu gắn vào cực +, Ef của mẫu nhỏ hơn Ef của đầu dò -> dòng chui ngầm dịch chuyển từ đầu dò sang mẫu _Nếu mẫu gắn vào cực -, Ef của mẫu > Ef của đầu dò -> dòng chui hầm dịch chuyển từ mẫu sang đầu dò.

DÒNG CHUI NGẦM Dòng chui ngầm đo mật độ e ở bề mặt ( e gần mức Fermi). Do đó đo dòng chui ngầm có thể thay thế cho hình ảnh vật lý của bề mặt mẫu. _d: khoảng cách giữa đầu dò và mẫu _Ф: chiều cao hố thế _m: khối lượng e. _I giảm theo hệ số 10 khi khoảng cách tăng 1 Ao _I co giá trị từ 10pA – 1nA ( Ф cỡ vài eV,d cỡ 0,5 nm)

BỘ PHẬN ÁP ĐIỆN _Là trung tâm vận hành của STM.Giúp mũi dò di chuyển tinh tế hơn _có 2 loại áp điện: tripod tube

CHẤT ÁP ĐIỆN HOẠT ĐỘNG NHƯ THẾ NÀO? V=+ - + L+DL V= - L-DL V=0 + d - L _Chất áp điện giãn nở dọc theo trục của nó khi điện thế đặt vào cùng chiều phân cực của chất áp điện (V +). Khi đó chất áp điện co lại theo phương vuông góc với trục. _Ngược lại chất áp điện sẽ co lại dọc theo trục của nó khi điện thế đặt vào ngược chiều phân cưc của chất áp điện (V -). Khi đó chất áp điện giãn nở theo phương vuông góc với trục.

BỘ ĐIỀU KHIỂN QUÉT XY BỘ ĐIỀU KHIỂN HỒI TIẾP Là bộ phận điều khiển định vị vị trí mũi dò ( áp điện X và Y có thể dãn nở khi đặt vào nó 1 hiệu điện thế) khi nó di chuyển rất sát vật mẫu và quét trên mặt phẳng XY song song với bề mặt mẫu. Mạch hồi tiếp để giữ cho dòng chui ngầm không đổi,bằng cách điều chỉnh khoảng cách giữa mũi dò và mẫu( trục z),khoảng cách này được điều khiển bằng 1tinh thể áp điện (áp điện z)có thể dãn nở khi đặt vào nó 1 hiệu điện thế.

KIỂU QUÉT CHIỀU CAO KHÔNG ĐỔI KIỂU QUÉT DÒNG CHUI NGẦM KHÔNG ĐỔI CÁC KIỂU QUÉT KIỂU QUÉT CHIỀU CAO KHÔNG ĐỔI KIỂU QUÉT DÒNG CHUI NGẦM KHÔNG ĐỔI

Kiểu quét chiều cao không đổi Tốc độ nhanh hơn vì không điều chỉnh trục z nhưng chỉ giới hạn ở mẫu có bề mặt phẳng Kiểu quét dòng không đổi: Quét chậm vì bộ phận hồi tiếp phải điều chỉnh khoảng cách giữa đầu dò và mẫu

BỘ PHẬN CHỐNG RUNG

ỨNG DỤNG Hình ảnh cấu trúc bề mặt Si (111) khi sử dung STM năm 1982

Hình ảnh (35nm × 35nm)1 tạp chất Cr thế chỗ trên bề mặt của Fe(001)

Cấu trúc bề mặt mẫu Fe

Cấu trúc bề mặt mẫu Au

ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHỆ NANO (KHẮC HÌNH STM) Qúa trình dịch chuyển cần 3 bước: Để vị trí mũi dò trên đỉnh của 1 nguyên tử bị hấp thụ muốn di chuyển ,sau đó dần dần tăng dòng chui ngầm -> mũi dò chuyển hướng đến nguyên tử bị hấp thu, 1 liên kết riêng được hình thành. Di chuyển mũi dò qua 1 bên để kéo nguyên tử bị hấp thu đến 1 vị trí mong muốn _Giảm dần dòng chui ngầm -> mũi dò rời khỏi nguyên tử bị hấp thu và để nó lại vị trí mới Nguyên tử xenon Trên bề mặt niken

ƯU ĐIỂM CỦA STM NHƯỢC ĐIỂM CỦA STM _STM là một kỹ thuật ghi ảnh hình thái học và cấu trúc (cấu trúc vật lý, cấu trúc điện từ...) bề mặt với độ phân giải rất cao và cho ảnh chất lượng cao. _STM không đòi hỏi việc phá hủy mẫu như kính hiển vi điện tử truyền qua (thiết bị chụp ảnh với độ phân giải tương đương). _STM còn cho phép tạo ra các phép thao tác trên bề mặt cho quá trình chế tạo. NHƯỢC ĐIỂM CỦA STM _STM phải được thực hiện trong chân không cao. _Mẫu sử dụng trong STM phải là mẫu dẫn điện( kim loại và chất bán dẫn) _Bề mặt mẫu siêu sạch và việc chống rung là một đòi hỏi lớn. _Tốc độ ghi ảnh trong STM thấp.

TÀI LIỆU THAM KHẢO Theory of the scanning tunneling microscope ( J.Tersoff and D.R.Hamann) Introduction to scanning tunneling microscopy ( C.Julian Chen) Construction of an air-operated scanning tunneling microscope (Chinese journal of physics) en.wikipedia.org/wiki/Scanning_tunneling_microscope - 73k – physics.nist.gov/GenInt/STM/stm.html - 5k – nobelprize.org/educational_games/physics/microscopes/.../index.html - 21k – inventors.about.com/library/inventors/blstm.htm - 24k www.mcallister.com/stmpg.html - 13k -