Kính hiển vi quét xuyên hầm (Scanning Tunneling Microscope)

Nguyên lý hoạt động

STM hoạt động bằng cách đưa một đầu dò kim loại cực nhọn đến rất gần bề mặt mẫu vật. Khoảng cách này thường chỉ vài Angstrom (1 Å = $10^{-10}$ m). Khi một hiệu điện thế nhỏ được đặt giữa đầu dò và mẫu vật, các electron có thể “xuyên hầm” qua khoảng trống giữa chúng, tạo ra một dòng điện xuyên hầm ($I_t$).

Dòng điện xuyên hầm này cực kỳ nhạy cảm với khoảng cách giữa đầu dò và mẫu. $I_t$ tỉ lệ mũ với khoảng cách, cụ thể là: $I_t \propto e^{-2kd}$, trong đó $k$ là hằng số liên quan đến năng lượng của electron (cụ thể hơn là hàm rào thế) và $d$ là khoảng cách giữa đầu dò và mẫu. Điều này có nghĩa là chỉ cần một thay đổi nhỏ trong khoảng cách cũng sẽ dẫn đến sự thay đổi đáng kể trong dòng điện xuyên hầm, cho phép STM đạt được độ phân giải cực cao.

Có hai chế độ hoạt động chính của STM:

• Chế độ chiều cao không đổi (Constant-Height Mode): Đầu dò được quét trên bề mặt ở một chiều cao cố định. Sự thay đổi của dòng điện xuyên hầm được ghi lại và được sử dụng để tạo ra hình ảnh bề mặt. Những vùng có dòng điện cao tương ứng với những vùng nhô lên trên bề mặt, và ngược lại.
• Chế độ dòng điện không đổi (Constant-Current Mode): Một hệ thống phản hồi được sử dụng để điều chỉnh chiều cao của đầu dò sao cho dòng điện xuyên hầm được giữ không đổi. Sự thay đổi chiều cao của đầu dò được ghi lại và được sử dụng để tạo ra hình ảnh bề mặt. Chế độ này thường được ưa chuộng hơn vì nó giúp tránh được việc đầu dò va chạm vào bề mặt mẫu, đặc biệt là khi quét trên các bề mặt không bằng phẳng. Hơn nữa, chế độ này cung cấp thông tin trực tiếp về mật độ trạng thái điện tử cục bộ của mẫu.

Ứng dụng

STM có nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khoa học và công nghệ, bao gồm:

• Nghiên cứu khoa học vật liệu: STM cho phép quan sát cấu trúc bề mặt của vật liệu ở cấp độ nguyên tử, giúp hiểu rõ hơn về các tính chất của vật liệu, như tính chất điện, từ, và cơ học. Ví dụ, STM có thể được sử dụng để nghiên cứu cấu trúc của graphene, các vật liệu siêu dẫn, hoặc các bề mặt kim loại.
• Khoa học nano: STM có thể được sử dụng để thao tác các nguyên tử và phân tử riêng lẻ, tạo ra các cấu trúc nano với độ chính xác cao. Điều này mở ra khả năng chế tạo các thiết bị và vật liệu nano mới với các tính chất độc đáo. Ví dụ:
  Title

  Kỹ thuật “viết” nguyên tử bằng STM
  .
• Sinh học: STM có thể được sử dụng để hình ảnh các phân tử sinh học, chẳng hạn như DNA và protein, trong môi trường gần giống tự nhiên của chúng (ví dụ, trong dung dịch). Điều này giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn về cấu trúc và chức năng của các phân tử sinh học.
• Kỹ thuật điện tử: STM được sử dụng để nghiên cứu các thiết bị điện tử ở cấp độ nano và phát triển các thiết bị điện tử mới. Ví dụ, STM có thể được sử dụng để kiểm tra chất lượng của các lớp màng mỏng trong vi mạch, hoặc để nghiên cứu các tính chất điện của các vật liệu nano như ống nano carbon.
• Xúc tác: STM được dùng để quan sát trực tiếp các vị trí hoạt động, cơ chế phản ứng trên bề mặt chất xúc tác.

Ưu điểm

• Độ phân giải cao: STM có độ phân giải không gian rất cao, cho phép hình ảnh các nguyên tử và phân tử riêng lẻ. Độ phân giải này vượt xa giới hạn nhiễu xạ của ánh sáng trong kính hiển vi quang học.
• Đa năng: STM có thể được sử dụng để nghiên cứu nhiều loại vật liệu, bao gồm kim loại, chất bán dẫn và thậm chí cả chất cách điện (với một số kỹ thuật đặc biệt).
• Thao tác nguyên tử: STM có thể được sử dụng để di chuyển và sắp xếp các nguyên tử và phân tử riêng lẻ, mở ra khả năng “chế tạo từ dưới lên” (bottom-up fabrication) trong công nghệ nano.
• Đo đạc tính chất cục bộ: Ngoài việc tạo ảnh bề mặt, STM còn có thể được sử dụng để đo các tính chất vật lý cục bộ của mẫu vật, chẳng hạn như mật độ trạng thái điện tử (local density of states – LDOS) thông qua phổ quét xuyên hầm (scanning tunneling spectroscopy – STS).

Nhược điểm

• Môi trường chân không: STM thường yêu cầu môi trường chân không siêu cao (ultra-high vacuum – UHV) để tránh sự ô nhiễm của bề mặt mẫu, làm cho việc chuẩn bị mẫu và thực hiện thí nghiệm trở nên phức tạp. Tuy nhiên, cũng có các loại STM hoạt động trong môi trường khí quyển hoặc chất lỏng.
• Bề mặt dẫn điện: STM hoạt động tốt nhất với các mẫu vật dẫn điện hoặc bán dẫn. Đối với các mẫu vật cách điện, cần phải có các kỹ thuật đặc biệt, chẳng hạn như phủ một lớp kim loại mỏng lên bề mặt mẫu, hoặc sử dụng STM không tiếp xúc (non-contact STM).
• Độ phức tạp: STM là một kỹ thuật phức tạp đòi hỏi thiết bị và chuyên môn đặc biệt. Việc phân tích dữ liệu STM cũng đòi hỏi kiến thức chuyên sâu về vật lý chất rắn và cơ học lượng tử.
• Tốc độ quét chậm: Quá trình quét và thu thập dữ liệu của STM có thể tốn nhiều thời gian.

Tóm lại, STM là một công cụ mạnh mẽ để nghiên cứu thế giới nano, cung cấp những hiểu biết sâu sắc về cấu trúc và tính chất của vật liệu ở cấp độ nguyên tử.

Các thành phần chính của STM

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

• Đầu dò quét (Scanning Tip): Được làm bằng kim loại dẫn điện như vonfram (W) hoặc platin-iridi (Pt-Ir), đầu dò được mài sắc đến một điểm cực nhọn, lý tưởng là chỉ có một nguyên tử ở đỉnh. Chất lượng của đầu dò ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng hình ảnh và độ phân giải. Việc chế tạo đầu dò thường sử dụng phương pháp cắt cơ học hoặc ăn mòn điện hóa.
• Bộ phận quét áp điện (Piezoelectric Scanner): Bộ phận này sử dụng các vật liệu áp điện (thường là gốm PZT) để điều khiển chính xác vị trí của đầu dò trong ba chiều ($x$, $y$, $z$). Điện áp đặt vào vật liệu áp điện sẽ làm thay đổi kích thước của nó theo hiệu ứng áp điện, cho phép điều khiển vị trí của đầu dò với độ chính xác đến từng Angstrom.
• Hệ thống cách ly rung động (Vibration Isolation System): Vì STM rất nhạy cảm với rung động (chỉ cần rung động cỡ nanomet cũng có thể ảnh hưởng đến kết quả), nên cần một hệ thống cách ly rung động hiệu quả để giảm thiểu ảnh hưởng của rung động bên ngoài đến quá trình quét. Các hệ thống này thường sử dụng lò xo, khí nén, bộ giảm chấn từ, hoặc các cơ cấu giảm chấn khác.
• Hệ thống điều khiển và thu thập dữ liệu (Control and Data Acquisition System): Hệ thống này bao gồm bộ khuếch đại dòng điện (current amplifier), bộ điều khiển phản hồi (feedback controller), bộ quét điện áp (voltage scanner) và máy tính. Hệ thống này có chức năng: điều khiển điện áp giữa đầu dò và mẫu, đo dòng điện xuyên hầm, điều khiển bộ phận quét áp điện, và thu thập dữ liệu để tạo ra hình ảnh bề mặt. Phần mềm chuyên dụng được sử dụng để xử lý và hiển thị dữ liệu, thường là các phần mềm như WSxM, Gwyddion, hoặc SPIP.
• Buồng chân không (Vacuum Chamber) (tùy chọn): Mặc dù STM có thể hoạt động trong không khí, môi trường chân không siêu cao (UHV) thường được sử dụng để tránh sự ô nhiễm của bề mặt mẫu và tăng cường độ ổn định của dòng điện xuyên hầm, đặc biệt là khi nghiên cứu các mẫu vật phản ứng mạnh với môi trường (ví dụ, các kim loại kiềm).

Những tiến bộ gần đây

Kể từ khi được phát minh vào năm 1981 bởi Gerd Binnig và Heinrich Rohrer (đã đạt giải Nobel Vật lý năm 1986), STM đã trải qua nhiều cải tiến đáng kể, bao gồm:

• STM phân cực spin (Spin-Polarized STM – SP-STM): Kỹ thuật này sử dụng đầu dò được từ hóa (ví dụ, phủ một lớp vật liệu sắt từ) để nghiên cứu các tính chất từ spin của bề mặt vật liệu, cho phép phân giải cấu trúc từ ở cấp độ nguyên tử.
• STM nhiệt độ thấp (Low-Temperature STM – LT-STM): STM có thể hoạt động ở nhiệt độ rất thấp (vài Kelvin, gần độ không tuyệt đối), cho phép nghiên cứu các hiện tượng lượng tử mới, chẳng hạn như hiệu ứng Kondo, các trạng thái liên kết Majorana, và vật liệu siêu dẫn.
• STM trong dung dịch (Electrochemical STM – EC-STM): STM có thể được sử dụng để nghiên cứu các quá trình điện hóa và các phản ứng bề mặt trong dung dịch, mở ra khả năng nghiên cứu các hệ thống sinh học và các phản ứng hóa học in situ.
• STM tần số vô tuyến (Radio-Frequency STM – RF-STM): Tăng độ nhạy và tốc độ của STM

So sánh với các kỹ thuật hiển vi khác

STM có một số ưu điểm so với các kỹ thuật hiển vi khác như kính hiển vi lực nguyên tử (AFM):

• Độ phân giải cao hơn: STM thường có độ phân giải cao hơn AFM, đặc biệt là trong hướng thẳng đứng (trục z).
• Nhạy cảm với trạng thái điện tử: STM có thể cung cấp thông tin về trạng thái điện tử cục bộ của bề mặt (mật độ trạng thái, độ dẫn điện), trong khi AFM chủ yếu nhạy cảm với lực tương tác giữa đầu dò và mẫu.

Tuy nhiên, STM cũng có một số hạn chế:

• Yêu cầu mẫu dẫn điện: STM chủ yếu hoạt động với các mẫu vật dẫn điện hoặc bán dẫn, trong khi AFM có thể được sử dụng cho nhiều loại vật liệu khác nhau, bao gồm cả chất cách điện.
• Môi trường chân không: Mặc dù có các biến thể STM hoạt động trong môi trường khác, STM ở điều kiện lý tưởng vẫn cần môi trường chân không, trong khi AFM có thể hoạt động trong không khí hoặc dung dịch dễ dàng hơn.

• C. Julian Chen, Introduction to Scanning Tunneling Microscopy, Oxford University Press, 2nd Edition (2008).
• G. Binnig, H. Rohrer, “Scanning tunneling microscopy”, Helvetica Physica Acta, 55, 726-735 (1982).

Câu hỏi và Giải đáp

Hiệu ứng xuyên hầm trong STM khác gì so với hiệu ứng xuyên hầm trong các linh kiện điện tử như diode xuyên hầm?