Khái niệm, nguyên tắc, cấu trúc và đặc điểm của kính hiển vi quét đầu dò
Kính hiển vi quét đầu dò là một thuật ngữ chung cho nhiều loại kính hiển vi đầu dò mới (kính hiển vi lực nguyên tử, kính hiển vi lực tĩnh điện, kính hiển vi lực từ, kính hiển vi quét độ dẫn ion, kính hiển vi quét điện hóa, v.v.) được phát triển trên cơ sở kính hiển vi quét đường hầm. Phát triển các công cụ phân tích bề mặt.
Nguyên lý và cấu trúc của kính hiển vi thăm dò quét
Nguyên lý hoạt động cơ bản của kính hiển vi đầu dò quét là sử dụng sự tương tác giữa đầu dò và các nguyên tử và phân tử bề mặt của mẫu, nghĩa là các trường vật lý của các tương tác khác nhau được hình thành khi đầu dò và bề mặt mẫu ở gần cấp độ nano, và thu được bằng cách phát hiện các đại lượng vật lý tương ứng Hình thái bề mặt mẫu. Kính hiển vi đầu dò quét chủ yếu bao gồm năm phần: đầu dò, máy quét, cảm biến dịch chuyển, bộ điều khiển, hệ thống phát hiện và hệ thống hình ảnh.
Bộ điều khiển di chuyển mẫu theo hướng thẳng đứng qua máy quét sao cho khoảng cách giữa đầu dò và mẫu (hoặc đại lượng tương tác vật lý) được ổn định ở một giá trị cố định; đồng thời, mẫu được di chuyển trong mặt phẳng nằm ngang xy để đầu dò đi theo đường quét Bề mặt mẫu. Trong kính hiển vi quét đầu dò, khi khoảng cách giữa đầu dò và mẫu ổn định, hệ thống phát hiện sẽ phát hiện tín hiệu đại lượng vật lý liên quan của sự tương tác giữa đầu dò và mẫu; khi đại lượng vật lý của tương tác ổn định, nó được cảm biến dịch chuyển phát hiện thông qua hướng thẳng đứng Khoảng cách giữa đầu dò và mẫu. Hệ thống hình ảnh thực hiện xử lý hình ảnh như hình ảnh trên bề mặt của mẫu theo tín hiệu phát hiện (hoặc khoảng cách giữa đầu dò và mẫu).
Kính hiển vi đầu dò quét được chia thành các loạt kính hiển vi khác nhau theo các trường vật lý khác nhau của sự tương tác giữa đầu dò và mẫu. Trong số đó, kính hiển vi quét đường hầm (STM) và kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) là hai loại kính hiển vi đầu dò quét được sử dụng phổ biến hơn cả. Kính hiển vi quét đường hầm phát hiện cấu trúc bề mặt của mẫu bằng cách phát hiện kích thước của dòng điện đường hầm giữa đầu dò và mẫu cần kiểm tra. Kính hiển vi lực nguyên tử phát hiện bề mặt của mẫu bằng cách phát hiện sự biến dạng của công cụ đúc siêu nhỏ gây ra bởi lực tương tác giữa đầu và mẫu (có thể là lực hút hoặc lực đẩy) bằng cảm biến dịch chuyển quang điện.
Các tính năng của kính hiển vi thăm dò quét
Kính hiển vi đầu dò quét là kính hiển vi thứ ba dùng để quan sát cấu trúc của vật chất ở cấp độ nguyên tử sau kính hiển vi ion trường và kính hiển vi điện tử truyền qua có độ phân giải cao. Lấy Kính hiển vi quét đường hầm (STM) làm ví dụ, độ phân giải ngang của nó là 0.1~0.2nm và độ phân giải độ sâu dọc của nó là 0.01nm. Độ phân giải như vậy có thể quan sát rõ ràng các nguyên tử hoặc phân tử đơn lẻ phân bố trên bề mặt mẫu. Đồng thời, kính hiển vi thăm dò quét cũng có thể tiến hành nghiên cứu quan sát trong môi trường không khí, các loại khí hoặc chất lỏng khác.
Kính hiển vi đầu dò quét có các đặc điểm của độ phân giải nguyên tử, vận chuyển nguyên tử và vi xử lý nano. Tuy nhiên, do các nguyên tắc làm việc khác nhau của các kính hiển vi quét khác nhau một cách chi tiết, thông tin trên bề mặt của mẫu được phản ánh bởi kết quả mà chúng thu được là rất khác nhau. Kính hiển vi quét đường hầm đo thông tin phân bố của các trạm điện tử trên bề mặt mẫu, có độ phân giải cấp nguyên tử nhưng vẫn không thể thu được cấu trúc thực của mẫu. Kính hiển vi nguyên tử phát hiện thông tin tương tác giữa các nguyên tử, do đó có thể thu được thông tin sắp xếp của phân bố nguyên tử trên bề mặt mẫu, tức là cấu trúc thực của mẫu. Nhưng mặt khác, kính hiển vi lực nguyên tử không thể đo thông tin trạng thái điện tử có thể so sánh với lý thuyết, vì vậy cả hai đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng.
