Kính hiển vi lực nguyên tử (Atomic force microscopy/AFM)

Nguyên lý hoạt động

AFM hoạt động dựa trên nguyên lý đo lực tương tác giữa đầu dò và bề mặt mẫu. Lực này có thể là lực van der Waals, lực tĩnh điện, lực mao dẫn, lực hóa học, hoặc lực cơ học. Khi đầu dò quét qua bề mặt mẫu, lực tương tác sẽ thay đổi theo hình dạng bề mặt. Sự thay đổi này được ghi lại và dùng để tái tạo hình ảnh 3D của bề mặt. Cụ thể hơn, tia laser phản xạ từ mặt sau của cantilever sẽ bị lệch hướng khi cantilever dao động hoặc uốn cong do lực tương tác với bề mặt. Bộ tách quang sẽ ghi nhận sự lệch hướng này và chuyển đổi thành tín hiệu điện, từ đó phần mềm sẽ xử lý tín hiệu và tạo ra hình ảnh bề mặt.

Chế độ hoạt động

Có ba chế độ hoạt động chính của AFM:

• Chế độ tiếp xúc (Contact mode): Đầu dò tiếp xúc trực tiếp với bề mặt mẫu và duy trì một lực tiếp xúc không đổi trong quá trình quét. Chế độ này cho độ phân giải cao nhưng có thể làm hỏng bề mặt mẫu, đặc biệt là với các mẫu mềm. Lực tiếp xúc được duy trì không đổi bằng một cơ chế phản hồi, đảm bảo đầu dò không ấn quá mạnh hoặc quá nhẹ lên bề mặt mẫu.
• Chế độ không tiếp xúc (Non-contact mode): Đầu dò dao động gần bề mặt mẫu với tần số cộng hưởng của cantilever. Lực van der Waals giữa đầu dò và bề mặt làm thay đổi biên độ, pha, hoặc tần số dao động của cantilever. Những thay đổi này được đo và dùng để tái tạo hình ảnh bề mặt. Chế độ này ít gây hư hại cho mẫu nhưng độ phân giải thấp hơn chế độ tiếp xúc. Khoảng cách giữa đầu dò và mẫu thường vào khoảng vài nanomet.
• Chế độ gõ (Tapping mode): Đầu dò dao động với biên độ lớn và tiếp xúc với bề mặt mẫu một cách gián đoạn. Chế độ này kết hợp ưu điểm của cả hai chế độ trên, vừa cho độ phân giải cao vừa giảm thiểu hư hại cho mẫu. Khi đầu dò tiếp xúc với bề mặt, biên độ dao động sẽ giảm. Tín hiệu phản hồi sẽ điều chỉnh chiều cao của đầu dò để duy trì biên độ dao động ở một mức đặt trước.

Ứng dụng

AFM có nhiều ứng dụng trong khoa học vật liệu, khoa học nano, sinh học, và nhiều lĩnh vực khác. Một số ứng dụng tiêu biểu bao gồm:

• Chụp ảnh bề mặt vật liệu: AFM có thể chụp ảnh bề mặt của nhiều loại vật liệu khác nhau, từ kim loại, chất bán dẫn, polymer đến vật liệu sinh học. Hình ảnh thu được cung cấp thông tin về hình thái bề mặt ở cấp độ nanomet.
• Đo đạc nhám bề mặt: AFM có thể đo đạc nhám bề mặt với độ chính xác cao, cho phép định lượng mức độ gồ ghề của bề mặt.
• Nghiên cứu tính chất cơ học của vật liệu: AFM có thể đo đạc độ cứng, độ đàn hồi, và các tính chất cơ học khác của vật liệu ở cấp độ nano. Ví dụ, chế độ lực (force spectroscopy) của AFM cho phép đo lực tương tác giữa đầu dò và mẫu theo khoảng cách, từ đó tính toán được các thông số cơ học.
• Nghiên cứu tương tác giữa các phân tử: AFM có thể được sử dụng để nghiên cứu tương tác giữa các phân tử sinh học, ví dụ như protein và DNA. Kỹ thuật này cho phép đo lực liên kết giữa các phân tử.
• Thao tác trên bề mặt vật liệu ở cấp độ nano: AFM có thể được sử dụng để di chuyển, sắp xếp, và thao tác các hạt nano trên bề mặt vật liệu. Đây là một công cụ quan trọng trong lĩnh vực chế tạo nano.

Ưu điểm

• Độ phân giải cao: Có thể đạt đến cấp độ nguyên tử, cho phép quan sát các chi tiết rất nhỏ trên bề mặt.
• Môi trường làm việc đa dạng: Có thể chụp ảnh trong môi trường không khí, chất lỏng, hoặc chân không, mở rộng khả năng ứng dụng cho nhiều loại mẫu.
• Chuẩn bị mẫu đơn giản: Không cần xử lý mẫu phức tạp như trong kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM).
• Thông tin đa dạng: Cung cấp thông tin về hình thái bề mặt, tính chất cơ học, và các tính chất khác.

Nhược điểm

• Tốc độ quét chậm: So với các kỹ thuật hiển vi khác, AFM có tốc độ quét chậm hơn, dẫn đến thời gian chụp ảnh lâu hơn.
• Kích thước mẫu bị giới hạn: Kích thước mẫu thường bị giới hạn bởi phạm vi quét của thiết bị.
• Đầu dò dễ bị mòn hoặc hỏng: Đầu dò AFM là bộ phận rất nhạy cảm và dễ bị mòn hoặc hỏng trong quá trình sử dụng, cần phải được thay thế định kỳ.

Ví dụ về một phương trình liên quan đến AFM (lực van der Waals)

$F = -\frac{AR}{6d^2}$

Trong đó:

• $F$ là lực van der Waals.
• $A$ là hằng số Hamaker.
• $R$ là bán kính đầu dò.
• $d$ là khoảng cách giữa đầu dò và bề mặt mẫu.

Phương trình này mô tả lực hút van der Waals giữa một hình cầu (đầu dò) và một mặt phẳng (bề mặt mẫu). Lưu ý rằng lực này tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách, nghĩa là lực hút sẽ tăng nhanh khi đầu dò tiến gần đến bề mặt mẫu.

Các thành phần chính của kính hiển vi lực nguyên tử

Một hệ thống AFM điển hình bao gồm các thành phần sau:

• Đầu dò (Tip/Probe): Đây là phần quan trọng nhất của AFM, thường được làm từ silicon hoặc silicon nitride, có dạng hình chóp nhọn với bán kính đầu dò từ vài nanomet đến vài chục nanomet. Hình dạng và kích thước của đầu dò ảnh hưởng trực tiếp đến độ phân giải và chất lượng hình ảnh.
• Cantilever: Là một thanh nhỏ, đàn hồi, thường làm bằng silicon hoặc silicon nitride, dùng để gắn đầu dò. Độ cứng của cantilever ảnh hưởng đến độ nhạy của AFM. Tần số cộng hưởng của cantilever cũng là một thông số quan trọng, đặc biệt trong chế độ không tiếp xúc và chế độ gõ.
• Bộ quét áp điện (Piezoelectric scanner): Bộ phận này dùng để di chuyển đầu dò hoặc mẫu theo ba chiều x, y, z với độ chính xác cao. Bộ quét áp điện làm bằng vật liệu gốm áp điện, có thể thay đổi kích thước khi đặt dưới điện áp.
• Hệ thống quang học: Bao gồm một diode laser chiếu vào mặt sau của cantilever và một photodiode để đo sự lệch của tia laser phản xạ. Sự lệch này tỉ lệ với lực tương tác giữa đầu dò và bề mặt mẫu. Thông thường, hệ thống quang học sử dụng một bộ tách quang vị trí nhạy (position-sensitive photodetector – PSD) để đo sự lệch của tia laser.
• Hệ thống phản hồi: Hệ thống này dùng để duy trì một lực tương tác không đổi giữa đầu dò và bề mặt mẫu bằng cách điều chỉnh vị trí của bộ quét áp điện theo chiều z. Hệ thống phản hồi đảm bảo chất lượng hình ảnh và tránh làm hỏng đầu dò hoặc mẫu.
• Bộ điều khiển điện tử và phần mềm: Bộ điều khiển điện tử điều khiển hoạt động của bộ quét áp điện và hệ thống phản hồi. Phần mềm dùng để thu thập, xử lý và hiển thị dữ liệu.

Các kỹ thuật AFM nâng cao

Ngoài ba chế độ hoạt động cơ bản, còn có nhiều kỹ thuật AFM nâng cao khác, ví dụ như:

• Kính hiển vi lực từ (Magnetic Force Microscopy – MFM): Dùng để chụp ảnh từ trường trên bề mặt vật liệu. Đầu dò được phủ một lớp vật liệu từ tính.
• Kính hiển vi lực tĩnh điện (Electrostatic Force Microscopy – EFM): Dùng để chụp ảnh điện trường trên bề mặt vật liệu. Một điện áp được đặt giữa đầu dò và mẫu.
• Kính hiển vi quét nhiệt (Scanning Thermal Microscopy – SThM): Dùng để đo nhiệt độ bề mặt vật liệu. Đầu dò được tích hợp một cảm biến nhiệt.
• Kính hiển vi lực hóa học (Chemical Force Microscopy – CFM): Dùng để nghiên cứu tính chất hóa học của bề mặt vật liệu. Đầu dò được phủ một lớp vật liệu có tính chất hóa học đặc trưng.

Độ phân giải của AFM

Độ phân giải ngang của AFM phụ thuộc vào bán kính đầu dò. Đầu dò càng nhọn thì độ phân giải càng cao. Độ phân giải dọc của AFM phụ thuộc vào độ nhạy của hệ thống đo lường. AFM có thể đạt độ phân giải ngang dưới 1 nm và độ phân giải dọc dưới 0.1 nm.

Giới hạn của AFM

Mặc dù AFM có nhiều ưu điểm, nhưng cũng có một số giới hạn:

• Tốc độ quét chậm.
• Kích thước mẫu bị giới hạn.
• Đầu dò có thể bị mòn hoặc hỏng.
• Hình ảnh AFM có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường như độ ẩm và nhiệt độ.
• Diện tích quét bị giới hạn: AFM thường chỉ quét được một vùng rất nhỏ trên bề mặt mẫu.

• Scanning Probe Microscopy: The Basics by Bert Voigtländer (Springer)
• Atomic Force Microscopy by Bharat Bhushan (Springer)
• Introduction to Atomic Force Microscopy by Paul West (Pacific Nanotechnology)
• Fundamentals of Atomic Force Microscopy by Sergei Magonov and Myung-Hwan Whangbo (Wiley)

Câu hỏi và Giải đáp

Ngoài ba chế độ hoạt động chính (tiếp xúc, không tiếp xúc, và gõ), còn có những chế độ hoạt động nào khác của AFM và ứng dụng của chúng là gì?

Trả lời: Ngoài ba chế độ chính, còn có nhiều chế độ hoạt động khác của AFM, ví dụ như: chế độ PeakForce Tapping, chế độ Quantitative Nanomechanical Mapping (QNM), chế độ Force Modulation, chế độ Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM), và chế độ Magnetic Force Microscopy (MFM). Chế độ PeakForce Tapping giúp kiểm soát lực tác động lên mẫu tốt hơn. QNM cho phép đo các tính chất cơ học của vật liệu. Force Modulation dùng để nghiên cứu độ đàn hồi và độ nhớt của mẫu. KPFM dùng để đo thế bề mặt và MFM dùng để chụp ảnh từ trường.

Làm thế nào để lựa chọn loại đầu dò phù hợp cho một ứng dụng cụ thể của AFM?

Trả lời: Việc lựa chọn đầu dò phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm loại mẫu, độ phân giải mong muốn, và chế độ hoạt động của AFM. Đối với các mẫu mềm, cần sử dụng đầu dò có độ cứng thấp để tránh làm hỏng mẫu. Đối với độ phân giải cao, cần sử dụng đầu dò có bán kính đầu nhọn nhỏ. Mỗi chế độ hoạt động cũng yêu cầu loại đầu dò khác nhau. Ví dụ, chế độ không tiếp xúc thường sử dụng đầu dò có tần số cộng hưởng cao.

Độ nhạy của AFM bị ảnh hưởng bởi những yếu tố nào?

Trả lời: Độ nhạy của AFM bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm độ cứng của cantilever, độ ồn của hệ thống, và chất lượng của đầu dò. Cantilever có độ cứng thấp thì độ nhạy cao hơn nhưng dễ bị uốn cong. Độ ồn của hệ thống, bao gồm độ ồn nhiệt và độ ồn điện tử, làm giảm độ nhạy của AFM. Đầu dò bị mòn hoặc bị bẩn cũng làm giảm độ nhạy.

Hằng số Hamaker ($A$ trong công thức lực van der Waals $F = -\frac{A R}{6d^2}$) đại diện cho điều gì và nó ảnh hưởng đến lực tương tác giữa đầu dò và mẫu như thế nào?

Trả lời: Hằng số Hamaker ($A$) đại diện cho cường độ của lực van der Waals giữa hai vật liệu. Giá trị của $A$ phụ thuộc vào bản chất của vật liệu cấu tạo nên đầu dò và mẫu. Hằng số Hamaker càng lớn thì lực van der Waals càng mạnh.

Những hạn chế chính của AFM là gì và làm thế nào để khắc phục chúng?

Trả lời: Một số hạn chế chính của AFM bao gồm tốc độ quét chậm, kích thước mẫu bị giới hạn, và đầu dò có thể bị mòn hoặc hỏng. Để khắc phục tốc độ quét chậm, các nhà nghiên cứu đang phát triển các kỹ thuật AFM tốc độ cao. Giới hạn về kích thước mẫu có thể được khắc phục bằng cách sử dụng các kỹ thuật chuẩn bị mẫu đặc biệt. Đầu dò bị mòn hoặc hỏng có thể được thay thế bằng đầu dò mới. Ngoài ra, việc phát triển các loại đầu dò bền hơn cũng là một hướng nghiên cứu quan trọng.