MỞ ĐẦU 1. Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài Ngày nay với sự phát triển rất nhanh của khoa học kĩ thuật, việc ra đời các thiết bị nhằm kiểm tra, đánh giá, khảo sát các tính chất bề mặt của vật liệu phát triển khá mạnh. Trong đó, kính hiển vi lực nguyên tử, viết tắt là AFM (Atomic force microscopy) là thiết bị công nghệ tiên tiến, hiện đại được sử dụng trong việc nghiên cứu tính chất bề mặt mẫu với độ phân giải cỡ nanomét. Có thể nói đây là thiết bị thuộc loại cao cấp nhất hiện nay cả về giá trị chất xám lẫn giá trị kinh tế, tổng hợp nhiều công nghệ cao.
Hiện nay, hầu hết các thiết bị kính hiển vi đầu dò được trang bị trong nước khá hiện đại và có giá thành khá cao. Bên cạnh đó một vấn đề đặt ra là quá trình khai thác và sử dụng các trang thiết bị này, đặc biệt là quá trình nâng cấp rất hạn chế. Đặc biệt vì đây là hệ đóng kín, bảo hộ bản quyền, nên người dùng hoàn toàn thụ động và không dễ dàng can thiệp để thay đổi cũng như cập nhật. Chính vì vậy, tại Việt Nam từ năm 2001 đã hình thành một nhóm nghiên cứu, thiết kế chế tạo kính hiển vi lực nguyên tử AFM.
Đến nay phiên bản thứ 2 của thiết bị này đã ra đời, song cũng vẫn chỉ ứng dụng trong phòng thí nghiệm. Việc triển khai mở rộng, thương mại hóa thiết bị này còn gặp rất nhiều khó khăn. Một trong những khó khăn đó là việc sử dụng kĩ thuật Lock-in trong thiết bị này nhằm để thu nhận tín hiệu tốt hơn trong quá trình quét đầu dò trên bề mặt mẫu. Dựa trên các phiên bản được cung cấp từ các thiết bị kính hiển vi đầu dò hiện có, nhiều phiên bản Lock-in số cũng đã được nhóm nghiên cứu thiết kế, thử nghiệm nhưng kết quả vẫn không đạt theo mong muốn.
Xuất phát từ lý do đó, tác giả muốn thử nghiệm với kĩ thuật Lock-in tương tự và đề xuất tên đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế bộ khuếch đại Lock-in tương tự ứng dụng trong kính hiển vi lực nguyên tử (Atomic force microscopy)”. Mục đích và nội dung nghiên cứu Mục đích đầu tiên của đề tài là hướng đến nghiên cứu, phát triển bộ khuếch đại Lock-in tương tự, từ đó đưa vào mạch của hệ kính hiển vi lực nguyên tử để có thể thu được hình ảnh quét tối ưu. Với các kết quả thu được, có thể tách bộ Lock-in tương tự thành một thiết bị riêng để có thể hỗ trợ các phép đo khác cũng như thương mại hóa thiết bị này. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 9 Với mục đích đặt ra, nội dung nghiên cứu của luận văn hướng đến các nội dung chính sau: + Tổng quan lý thuyết kĩ thuật Lock-in.
+ Tìm hiểu kính hiển vi lực nguyên tử AFM và các chế độ hoạt động của kính hiển vi này. Tìm hiểu mục đích của kĩ thuật Lock-in ứng dụng trong mạch điện tử của họ kính hiển vi này. + Nghiên cứu, phát triển hệ Lock-in tương tự. Kết nối mạch với các thiết bị hiện có để khảo sát, kiểm tra tín hiệu đo.
Ứng dụng kĩ thuật Lock-in tương tự vào mạch điện tử của họ kính hiển vi lực nguyên tử “Fork-AFM”. So sánh, đánh giá kết quả nhận được. + Đề xuất, kiến nghị. Ý nghĩa khoa học và khả năng ứng dụng thực tiễn của đề tài Các kết quả nghiên cứu của luận văn sẽ đóng góp một nền tảng cơ bản về kĩ thuật Lock-in và họ kính hiển vi lực nguyên tử trong nghiên cứu bề mặt của vật liệu.
Ngoài ra, luận văn còn trình bày việc ứng dụng kĩ thuật Lock-in trong việc nâng cao độ phân giải của họ kính hiển vi này. Luận văn thạc sĩ hoàn thành sẽ là cơ sở để tiếp tục nghiên cứu, phát triển và xây dựng họ kính hiển vi lực nguyên tử tại Việt Nam, cụ thể ở đây là tại Viện Vật lý Ứng dụng và Thiết bị khoa học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam và khoa Vật lý, trường Đại học Khoa học Huế. Ngoài ra luận văn hoàn thành sẽ hỗ trợ phương án thương mại hóa kĩ thuật Lock-in trên thị trường. Về cấu trúc, luận văn với 3 chương chính, cụ thể là: CHƢƠNG 1 : TỔNG QUAN LÝ THUYẾT KĨ THUẬT LOCK-IN Giới thiệu tổng quan về kĩ thuật Lock-in.
Phát triển và ứng dụng của kĩ thuật này hiện nay. CHƢƠNG 2 : KÍNH HIỂN VI LỰC NGUYÊN TỬ. KHUẾCH ĐẠI LOCK- IN ỨNG DỤNG TRONG KÍNH HIỂN VI LỰC NGUYÊN TỬ Trình bày khái quát về nguyên lý hoạt động của hệ kính hiển vi lực nguyên tử, các chế độ hoạt động của họ kính hiển vi này. Trong chương này còn trình bày nguyên nhân và lý do phải sử dụng kĩ thuật Lock-in đối với kính hiển vi lực nguyên tử.
LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 10 CHƢƠNG 3 : NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO LOCK-IN. KẾT QUẢ, THẢO LUẬN Chế tạo mạch Lock-in tương tự sử dụng trong phòng thí nghiệm. Kết nối hệ đo để khảo sát, kiểm tra tín hiệu qua mạch Lock-in tương tự. Ứng dụng kĩ thuật này trong mạch điện tử của một hệ kính hiển vi lực nguyên tử “Fork-AFM”.
Khảo sát hình ảnh đo và đưa ra các nhận xét về kết quả đạt được. Luận văn được thực hiện tại khoa Điện tử - Viễn thông, trường Đại học Công nghệ Hà Nội và trường Đại học Khoa học Huế. Thời gian thực hiện từ tháng 01/2012 đến hết tháng 9/2013. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 11 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT KĨ THUẬT LOCK-IN Đối với các phòng thí nghiệm đo lường quang phổ đắt tiền thì kĩ thuật Lock-in không còn xa lạ gì nhưng đối với nhiều lĩnh vực khác thì đây là vấn đề còn khá lạ lẫm.
Tuy nhiên, số người không biết về kĩ thuật này đã giảm đi rất nhanh. Hiện nay, kĩ thuật DSP (xử lí tín hiệu số) đã được ứng dụng trong các bộ khuếch đại Lock-in, và những cải tiến chính của kĩ thuật này làm cho nó rẻ tiền và dễ sử dụng hơn, đã và đang làm cho kỹ thuật Lock-in được ứng dụng trong tất cả các lĩnh vực mà trước đây chưa sử dụng đến. Tại sạo phải sử dụng kĩ thuật Lock-in [4] Để đo các tín hiệu điện có biên độ nhỏ là nhiệm vụ rất khó khăn. Nguyên nhân bởi tại sự xuất hiện nguồn tín hiệu 50/60Hz từ đường nguồn trong cáp tín 1 hiệu, nhiễu từ bộ tiền khuếch đại tần cao, nguồn nhiễu nhiệt từ bộ sensor, sự f trôi dòng từ bộ phát tín hiệu quang (photodetector),… hay sự kết hợp của các vấn đề trên, các nguồn nhiễu của tất cả các loại và những tần số làm cản trở khả năng của các máy đo điển hình tốc độ nhanh, độ chính xác khi đọc các kiểu dữ liệu với tín hiệu nhỏ.
Trong khi đo các tín hiệu là xoay chiều hay một chiều, các nhiễu xoay chiều hay sự trôi một chiều gây ra cho quá trình thu dữ liệu sự không ổn định và làm tăng độ không chắc chắn tính chính xác của dữ liệu thu được. Hằng số thời gian lớn có thể làm tăng độ chính xác của phép đo bởi nó sẽ làm trung bình nhiễu xoay chiều. Tuy nhiên, nếu phép đo chính nó trong thực nghiệm xuất hiện sự trôi một chiều trong thời gian đo, thì phép đo có thể chính xác như thế nào? Bên cạnh đó, không ai muốn đợi một thời gian dài để thu được dữ liệu của phép đo. May mắn thay, ứng dụng Lock-in đã cung cấp một kĩ thuật làm giảm cả nguồn nhiễu xoay chiều và một chiều trước khi tín hiệu được đo.
Tín hiệu đo có thể được làm trung bình trong khoảng hằng số thời gian ngắn, cho phép đo nhanh hơn và độ chính xác cao hơn. Nếu chỉ có duy nhất một phép đo để thu tín hiệu thì nó sẽ không làm thay đổi đáng kể theo thời gian, và nó có thể chấp nhận được khi đợi một thời gian LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 12 dài để lấy tín hiệu sau khi tín hiệu đã thiết lập. Tuy nhiên, nếu có nhiều phép đo sẽ làm cho hằng số thời gian có lẽ chậm và thu được kết quả cũng khá chậm. Ta hãy xét một ví dụ, một bộ đầu dò điển hình với mức độ nhiễu r.s khoảng 10mV cho một khoảng thời gian 1s lấy tích phân, phép đo có thể cho tín hiệu cường độ 100mV.
Nếu độ chính xác mong muốn của phép đo khoảng 1%, thì tín hiệu phải được lấy tích phân khoảng 100s trong khi sự suy giảm nhiễu biến thiên theo bình phương của thời gian tích phân. Nếu phép đo là một phần của máy đo ảnh phổ quét với dữ liệu khoảng 500 điểm, toàn bộ thời gian quét có thể kéo dài 14h, thực sự là quá dài cho một phép đo thực nghiệm thông thường. Khi biểu diễn các cách quét như nhau và sử dụng bộ khuếch đại Lock-in, hầu hết các tần số nhiễu sẽ đi qua bộ lọc, và nó sẽ làm giảm nhiễu đi nhiều lần. Trong thí dụ trên, nếu nhiễu bị giảm đi khoảng một trăm lần, thì mỗi điểm dữ liệu có thể nhận được với độ chính xác mong muốn trong khoảng 0.1s và thời gian quét sẽ giảm còn bé hơn một phút.
Đây chính là nền tảng khi sử dụng kĩ thuật khuếch đại Lock-in trong hầu hết các phương pháp khác nhau của hệ thống đo lường. Tương tự, nếu tín hiệu đo là thời gian biến đổi hay đồng thời với một vài phép đo, nó có thể làm mất hoàn toàn hay biến đổi biên độ của những điểm của sự tương thích nếu thời gian tích phân là khá dài. Trường hợp này ví dụ như phép đo của phosphors. Những phép đo này có thể làm giảm cường độ và làm phân rã trong vài mili giây.
Để nhận được sự chính xác phép đo khi sử dụng phương pháp một chiều có thể là không được bởi mức độ nhiễu trong khoảng thời gian ngắn sẽ lớn hơn tín hiệu rất nhiều. Bộ khuếch đại Lock-in có thể làm giảm nhiễu đến mức mà phép đo là có thể chấp nhận được. Bộ khuếch đại Lock-in là gì? Bộ khuếch đại Lock-in được xem như là bộ đo lựa chọn tần và bộ phân tích phổ đơn kênh. Nguyên nhân là bởi vì nó đo biên độ của tín hiệu trong những dải tần số hẹp trong khi nó loại bỏ tất cả các thành phần của tín hiệu nằm ngoài dải tần số rất hẹp đó.
Với cách quan sát đầu tiên, dường như ta cảm thấy nó rất đơn giản. Tất cả chúng đều yêu cầu một bộ lọc dải tần được đặt ở giữa nguồn tín hiệu và máy đo; nhưng dường như điều này ít khi có được kết quả mong muốn.