Luận văn thạc sĩ về thiết kế và mô phỏng cấu trúc vi cơ từ tính trong hệ hiển vi lực nguyên tử

Tổng hợp kiến thức Thiết kế và mô phỏng cấu trúc vi cơ từ tính cho hệ hiển vi lực nguyên tử, tiếp cận khoa học, hỗ trợ học tập và nghiên cứu hiệu quả

• Tác giả: Chu Thị Phương Dung
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thăng Long
• Trường học: Đại Học Công Nghệ Đại Học Quốc Gia Hà Nội
• Đề tài: Thiết Kế Và Mô Phỏng Cấu Trúc Vi Cơ Từ Tính Ứng Dụng Cho Hệ Hiển Vi Lực Nguyên Tử
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2007
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU VỀ HỆ HIỂN VI LỰC NGUYÊN TỬ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về hệ hiển vi lực nguyên tử

Hệ hiển vi lực nguyên tử (AFM) là một công cụ quan trọng trong công nghệ vi cơ, cho phép ghi lại hình ảnh bề mặt và đo đạc các tính chất vật liệu ở kích thước nano. AFM hoạt động dựa trên nguyên lý đo lực tương tác giữa đầu dò và bề mặt mẫu. Đầu dò thường là một mũi nhọn gắn trên một thanh dầm đàn hồi, cho phép cảm nhận các lực nhỏ từ bề mặt mẫu. Hệ thống này có khả năng hoạt động trong cả môi trường không khí và môi trường lỏng, mở ra nhiều ứng dụng trong nghiên cứu vật liệu sinh học và vật liệu nano. Việc thiết kế và mô phỏng cấu trúc vi cơ từ tính cho AFM là rất cần thiết để cải thiện độ nhạy và độ chính xác của các phép đo. "Kính hiển vi lực nguyên tử có độ phân giải cao, tốt hơn 1000 lần so với giới hạn của nhiễu xạ quang học."

1.1. Cấu tạo của hệ hiển vi lực nguyên tử

Cấu tạo của AFM bao gồm đầu dò, thanh dầm và hệ thống quang học. Đầu dò là phần quan trọng nhất, thường được làm từ vật liệu như silic và được phủ lớp sắt từ để tăng cường độ nhạy. Thanh dầm có vai trò cảm biến, cho phép đo độ uốn cong khi đầu dò tiếp xúc với bề mặt mẫu. Hệ thống quang học sử dụng laser để đo độ uốn cong của thanh dầm, từ đó tính toán lực tương tác giữa đầu dò và mẫu. "Đầu dò thường là một mũi nhọn với kích thước nano (1-70 nm) gắn trên một thanh dầm (cantilever) cho phép cảm nhận những lực tác động rất nhỏ từ bề mặt mẫu."

1.2. Nguyên lý hoạt động của AFM

Nguyên lý hoạt động của AFM dựa trên việc đo độ uốn cong của thanh dầm khi đầu dò tiếp xúc với bề mặt mẫu. Khi đầu dò tiến gần đến bề mặt, lực tương tác giữa đầu dò và mẫu sẽ làm thanh dầm uốn cong. Độ uốn cong này được đo bằng hệ thống quang học và chuyển đổi thành tín hiệu điện để tạo ra hình ảnh bề mặt. AFM có hai chế độ hoạt động chính: chế độ tiếp xúc và chế độ không tiếp xúc. Chế độ tiếp xúc cho phép đo độ cao bề mặt với độ chính xác cao, trong khi chế độ không tiếp xúc giúp giảm thiểu lực tác động lên mẫu. "Kính hiển vi lực nguyên tử không đo lực, nó đo độ lệch của cantilever cực nhỏ."

II. Thiết kế và mô phỏng cấu trúc vi cơ từ tính

Thiết kế và mô phỏng cấu trúc vi cơ từ tính cho AFM là một bước quan trọng nhằm cải thiện hiệu suất của hệ thống. Việc sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) trong phần mềm ANSYS cho phép mô phỏng các đặc tính cơ học và từ tính của đầu dò. Các đầu dò được thiết kế không chỉ dựa trên vật liệu silic mà còn bao gồm các vật liệu từ tính, cho phép thực hiện các phép đo trong môi trường lỏng. Mô phỏng giúp xác định các thông số tối ưu cho đầu dò, từ đó nâng cao độ nhạy và độ chính xác của các phép đo. "Mục đích luận văn này nhằm nghiên cứu thiết kế và mô phỏng các đầu dò phục vụ cho hệ thống SPM."

2.1. Phương pháp phần tử hữu hạn FEM

Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) là một công cụ mạnh mẽ trong thiết kế và mô phỏng cấu trúc vi cơ. FEM cho phép phân tích các ứng suất và biến dạng trong các vật liệu phức tạp, từ đó tối ưu hóa thiết kế đầu dò. Việc áp dụng FEM trong thiết kế đầu dò AFM giúp xác định các thông số như độ cứng, tần số cộng hưởng và độ nhạy của đầu dò. "Luận án tập trung vào nghiên cứu ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) sử dụng phần mềm ANSYS để thiết kế và mô phỏng các đầu dò."

2.2. Vật liệu và cấu trúc đầu dò

Vật liệu được sử dụng trong thiết kế đầu dò AFM rất đa dạng, từ silic đến các hợp kim từ tính. Việc lựa chọn vật liệu phù hợp ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của đầu dò. Cấu trúc đầu dò cũng cần được tối ưu hóa để đảm bảo độ nhạy cao và khả năng hoạt động trong môi trường lỏng. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng vật liệu từ tính có thể cải thiện đáng kể khả năng đo lường của AFM. "Đầu dò thường được làm từ vật liệu như silic và được phủ lớp sắt từ để tăng cường độ nhạy."

III. Ứng dụng và giá trị thực tiễn

Hệ hiển vi lực nguyên tử và các đầu dò được thiết kế có nhiều ứng dụng trong nghiên cứu vật liệu, sinh học và công nghệ nano. AFM cho phép nghiên cứu các đặc tính bề mặt của vật liệu ở cấp độ nguyên tử, từ đó cung cấp thông tin quý giá cho các lĩnh vực như y sinh học, điện tử và vật liệu mới. Việc phát triển các đầu dò từ tính mở ra khả năng thực hiện các phép đo trong môi trường lỏng, điều này rất quan trọng trong nghiên cứu sinh học. "Kính hiển vi lực nguyên tử có độ phân giải cao, tốt hơn 1000 lần so với giới hạn của nhiễu xạ quang học."

3.1. Ứng dụng trong nghiên cứu vật liệu

AFM được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu vật liệu để phân tích cấu trúc bề mặt và các tính chất vật lý. Các nhà nghiên cứu có thể sử dụng AFM để đo độ nhám bề mặt, độ dày lớp mỏng và các đặc tính cơ học khác. Việc sử dụng đầu dò từ tính trong AFM cho phép thực hiện các phép đo trong môi trường lỏng, mở ra nhiều cơ hội nghiên cứu mới. "Hệ thống được gọi với tên chung là SPM (Scanning Probe Microscope)."

3.2. Ứng dụng trong sinh học

Trong lĩnh vực sinh học, AFM cho phép nghiên cứu các tế bào sống và các cấu trúc sinh học ở cấp độ nguyên tử. Việc sử dụng đầu dò từ tính giúp cải thiện khả năng đo lường trong môi trường lỏng, điều này rất quan trọng cho việc nghiên cứu các quá trình sinh học. AFM có thể được sử dụng để quan sát sự tương tác giữa các phân tử sinh học, từ đó cung cấp thông tin quý giá cho các nghiên cứu về bệnh lý và phát triển thuốc. "Kính hiển vi lực nguyên tử có độ phân giải cao, tốt hơn 1000 lần so với giới hạn của nhiễu xạ quang học."

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghệ micro và nano phát triển mạnh mẽ trong nhiều lĩnh vực như điện tử, lưu trữ thông tin và y sinh học, hệ hiển vi lực nguyên tử (Atomic Force Microscope - AFM) đã trở thành công cụ quan trọng với độ phân giải cao hơn 1000 lần so với giới hạn nhiễu xạ quang học. AFM cho phép khảo sát bề mặt vật liệu ở kích thước từ micromét đến nguyên tử, đo đạc các lực tương tác như lực ma sát, lực từ, lực tĩnh điện và lực bám dính. Tuy nhiên, đầu dò (probe) của hệ thống này có giá thành cao và cần được thay thế thường xuyên, do đó việc nghiên cứu thiết kế và mô phỏng các đầu dò là rất cần thiết.

Mục tiêu của luận văn là thiết kế và mô phỏng cấu trúc vi cơ từ tính ứng dụng cho hệ hiển vi lực nguyên tử, tập trung vào việc sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) với phần mềm ANSYS để mô phỏng các đầu dò hoạt động trong môi trường không khí và môi trường lỏng. Phạm vi nghiên cứu bao gồm thiết kế thanh cantilever bằng vật liệu silic với các hình dạng chữ nhật và tam giác, thiết kế cuộn dây solenoid tạo từ trường, và mô phỏng tương tác giữa cuộn dây và cantilever có phủ lớp Ni từ tính. Nghiên cứu được thực hiện tại Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội trong năm 2007.

Nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các đầu dò AFM có khả năng hoạt động hiệu quả trong môi trường lỏng, mở rộng ứng dụng của AFM trong nghiên cứu các mẫu sinh học và vật liệu mềm, đồng thời giảm chi phí sản xuất và nâng cao độ chính xác của các phép đo.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

• Lý thuyết về hệ hiển vi lực nguyên tử (AFM): AFM hoạt động dựa trên nguyên lý đo lực tương tác giữa đầu dò cantilever và bề mặt mẫu. Lực này làm biến dạng thanh dầm đàn hồi, từ đó xác định đặc tính bề mặt. Các chế độ hoạt động chính gồm chế độ tiếp xúc (contact mode), không tiếp xúc (non-contact mode) và chế độ tiếp xúc gián đoạn (tapping mode).

• Lý thuyết từ học: Nghiên cứu các loại vật liệu từ tính như vật liệu sắt từ mềm, sắt từ cứng, vật liệu ferit từ, và các đặc tính từ như độ cảm từ, độ thẩm từ, lực kháng từ, từ độ bão hòa. Lớp phủ Ni trên cantilever tạo ra tính từ tính cần thiết cho đầu dò hoạt động trong môi trường có từ trường.

• Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM): Phương pháp số dùng để giải các bài toán cơ học phức tạp bằng cách chia vật thể thành các phần tử nhỏ, tính toán chuyển vị, ứng suất và biến dạng. Phần mềm ANSYS được sử dụng để mô phỏng cấu trúc cantilever và cuộn dây solenoid, phân tích tần số cộng hưởng và lực tác dụng.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ các mô phỏng trên phần mềm ANSYS, các thông số vật liệu silic, Ni, và các đặc tính vật lý liên quan đến cantilever và cuộn dây.

• Phương pháp phân tích: Sử dụng FEM để mô phỏng thanh cantilever hình chữ nhật và tam giác, mô phỏng cuộn dây solenoid với số vòng dây và cường độ dòng điện khác nhau, phân tích tương tác từ trường giữa cuộn dây và cantilever có lớp phủ Ni.

• Cỡ mẫu và timeline: Mô phỏng các cấu trúc cantilever với kích thước chiều dài từ 80 đến 350 µm, chiều rộng 35 µm, chiều cao từ 1.3 đến 1.7 µm, và tấm Ni dày 5 µm. Thời gian nghiên cứu tập trung trong năm 2007 tại Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội.

---

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

• Tần số cộng hưởng của cantilever: Mô phỏng cho thấy tần số cộng hưởng của cantilever hình chữ nhật dao động từ khoảng 19,970 kHz (với kích thước 80x35x1.3 µm) đến 95,411 kHz (với kích thước 130x35x1.7 µm). So sánh với cantilever thực tế loại DCP 11, sự khác biệt tần số cộng hưởng vào khoảng 17% đến 27%, do ảnh hưởng của các yếu tố môi trường và sai số chế tạo.

• Ảnh hưởng của lớp phủ Ni: Khi phủ lớp Ni dày 5 µm lên cantilever, tần số cộng hưởng giảm đáng kể, ví dụ từ 19,970 kHz xuống còn 15,035 kHz với kích thước cantilever 80x35x1.3 µm, cho thấy lớp Ni ảnh hưởng lớn đến đặc tính động học của đầu dò.

• Từ trường tạo bởi cuộn dây solenoid: Mô phỏng với 500 vòng dây và dòng điện 15 mA tạo ra từ trường ổn định, khi giảm số vòng dây xuống 300 và dòng điện 10 mA, từ trường giảm tương ứng. Từ trường này tương tác với lớp Ni trên cantilever tạo ra lực tác dụng có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi dòng điện và số vòng dây.

• Lực tác dụng lên cantilever: Lực từ tác động lên cantilever tăng theo cường độ dòng điện và số vòng dây, cho phép điều khiển độ lệch tĩnh và tần số cộng hưởng của đầu dò trong môi trường lỏng.

Thảo luận kết quả

Sự khác biệt giữa tần số cộng hưởng mô phỏng và thực tế phản ánh ảnh hưởng của môi trường không khí, khối lượng thực tế của cantilever và các yếu tố chế tạo. Việc phủ lớp Ni làm tăng khối lượng và thay đổi tính chất đàn hồi, dẫn đến giảm tần số cộng hưởng, phù hợp với lý thuyết vật liệu từ tính.

Mô phỏng từ trường và lực tác dụng cho thấy khả năng điều khiển đầu dò bằng lực từ, mở rộng ứng dụng AFM trong môi trường lỏng, nơi các chế độ tiếp xúc và không tiếp xúc truyền thống gặp nhiều hạn chế do lực mao dẫn và tĩnh điện.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ tần số cộng hưởng theo kích thước cantilever, biểu đồ lực tác dụng theo cường độ dòng điện và số vòng dây, giúp trực quan hóa ảnh hưởng của các tham số thiết kế.

---

Đề xuất và khuyến nghị

• Phát triển đầu dò cantilever phủ Ni: Tiếp tục tối ưu hóa độ dày và vật liệu phủ để cân bằng giữa độ nhạy và tần số cộng hưởng, nhằm nâng cao hiệu quả đo trong môi trường lỏng.

• Tăng cường mô phỏng đa vật lý: Kết hợp mô phỏng cơ học và từ trường để dự đoán chính xác hơn các đặc tính đầu dò, giảm sai số so với thực tế.

• Ứng dụng điều khiển lực từ: Thiết kế hệ thống điều khiển dòng điện và số vòng dây cuộn solenoid để điều chỉnh lực tác dụng lên đầu dò, nâng cao độ chính xác và khả năng tái lập phép đo.

• Nghiên cứu vật liệu mới: Khám phá các vật liệu từ tính có tính chất siêu mềm hoặc siêu cứng để cải thiện hiệu suất đầu dò, đặc biệt trong các ứng dụng sinh học và nano.

• Thời gian thực hiện: Các giải pháp trên nên được triển khai trong vòng 2-3 năm tiếp theo, phối hợp giữa các phòng thí nghiệm nghiên cứu vật liệu và kỹ thuật vi cơ điện tử.

---

Đối tượng nên tham khảo luận văn

• Nhà nghiên cứu và kỹ sư trong lĩnh vực MEMS và công nghệ nano: Hưởng lợi từ các phương pháp thiết kế và mô phỏng đầu dò AFM, áp dụng vào phát triển thiết bị vi cơ điện tử.

• Chuyên gia vật liệu từ tính: Tìm hiểu về ảnh hưởng của vật liệu từ tính lên đặc tính cơ học và điện từ của các cấu trúc vi mô.

• Nhà khoa học trong lĩnh vực kính hiển vi lực nguyên tử: Nắm bắt các kỹ thuật mới trong thiết kế đầu dò, đặc biệt cho phép đo trong môi trường lỏng.

• Sinh viên và giảng viên ngành vật lý kỹ thuật, công nghệ nano: Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo về ứng dụng FEM và ANSYS trong nghiên cứu thiết kế vi cơ từ tính.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cần thiết kế đầu dò AFM mới?
   Đầu dò AFM hiện tại có giá thành cao và dễ hỏng, việc thiết kế mới giúp giảm chi phí và nâng cao hiệu suất, đặc biệt trong môi trường lỏng.

2. Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) có ưu điểm gì?
   FEM cho phép mô phỏng chính xác các bài toán cơ học phức tạp, dự đoán được ứng suất, biến dạng và tần số cộng hưởng của cấu trúc vi mô.

3. Lớp phủ Ni ảnh hưởng thế nào đến đầu dò?
   Lớp Ni tạo tính từ tính cần thiết cho đầu dò hoạt động trong từ trường, nhưng cũng làm tăng khối lượng và giảm tần số cộng hưởng.

4. Chế độ hoạt động nào của AFM phù hợp với mẫu mềm?
   Chế độ tapping (tiếp xúc gián đoạn) phù hợp với mẫu mềm như polymer và tế bào sống, giảm thiểu hư hại mẫu và đầu dò.

5. Làm thế nào để điều khiển lực tác dụng lên đầu dò?
   Điều chỉnh cường độ dòng điện và số vòng dây của cuộn solenoid tạo từ trường, từ đó điều khiển lực từ tác động lên đầu dò.

---

Kết luận

• Luận văn đã thiết kế và mô phỏng thành công các cấu trúc đầu dò cantilever bằng vật liệu silic với các hình dạng chữ nhật và tam giác, phù hợp cho các loại mẫu cứng và mềm.
• Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) với phần mềm ANSYS giúp dự đoán chính xác tần số cộng hưởng và lực tác dụng lên đầu dò.
• Lớp phủ Ni trên cantilever tạo tính từ tính, cho phép hoạt động trong môi trường lỏng với khả năng điều khiển lực từ thông qua cuộn dây solenoid.
• Kết quả mô phỏng cho thấy sự khác biệt tần số cộng hưởng so với thực tế khoảng 17-27%, nguyên nhân do các yếu tố môi trường và chế tạo.
• Đề xuất tiếp tục nghiên cứu vật liệu và thiết kế để nâng cao hiệu suất đầu dò, mở rộng ứng dụng trong lĩnh vực vi cơ điện tử và sinh học.

Triển khai thử nghiệm chế tạo đầu dò dựa trên mô hình mô phỏng, đồng thời phát triển hệ thống điều khiển lực từ để ứng dụng trong các phép đo thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương I: Giới thiệu về hệ hiển vi lực nguyên tử. Trong đó đưa ra những nguyên lý hoạt động chung cũng như các lý thuyết về hoạt động của đầu dò. Chương II: Các lý thuyết cơ bản về từ học và phương pháp phần tử hữu hạn. Chương III: Thiết kế và kết quả mô phỏng.

cuối cùng là phần tài liệu tham khảo 2 z CHƢƠNG I: GIỚI THIỆU VỀ HỆ HIỂN VI LỰC NGUYÊN TỬ Cấu tạo của hệ hiển vi lực nguyên tử Hình 1.1: Kính hiển vi lực nguyên tử AFM Kính hiển vi lực nguyên tử (Atomic Force Microscope - AFM) được phát minh vào năm 1986 bởi Gerd Binnig, Calvin F.Quate và Christopher Herber. Nguyên lý làm việc của AFM là đo lực tương tác giữa bề mặt mẫu và típ sử dụng đầu dò đặc biệt được làm bởi thanh dầm đàn hồi với đầu típ nhọn ở phía cuối (hình 1. Lực đặt vào típ với bề mặt làm cong thanh dầm. Bằng việc đo độ uốn của thanh dầm ta có thể tính được lực tương tác giữa típ và mẫu.

Ảnh lược đồ đầu dò AFM 3 z Thông thường lực này gồm một thành phần vuông góc với bề mặt mẫu và một thành phần bên ( nằm trong mặt phẳng của bề mặt mẫu ). Tương tác thực của típ-mẫu phức tạp hơn nhiều tuy nhiên bản chất thì như nhau: tip AFM bị hút bởi mẫu ở khoảng cách xa và bị đẩy ở khoảng cách nhỏ. Bề mặt địa hình mẫu AFM thu được bằng cách ghi lại độ uốn cong của thanh dầm đàn hồi. Trong kính hiển vi lực nguyên tử ta sử dụng phương pháp quang học để đo độ uốn cong của thanh dầm đàn hồi.

Lược đồ mô tả hệ thống quang học để dò độ cong thanh dầm Hệ thống quang học được căn chỉnh sao cho tia phát ra từ laser diode được hội tụ vào thanh dầm và tia phản xạ đập vào tâm của bộ dò quang (photodetector). Bốn phần chia ra của photodiode sử dụng như là bộ dò quang nhạy vị trí. Mối liên hệ giữa độ biến dạng cong thanh dầm và sự thay đổi của vị trí chấm laser trên phần photodiode. 4 z Chùm sáng Laze chiếu qua thấu kính tập trung tại một điểm cực nhỏ trên gáy lỗ cantilever, tia phản xạ đi đoạn đường dài đến đetectơ đã loe rộng thành hình tròn cỡ 5 mm.

Khi cantilever chưa bị uốn cong, vết sáng hình tròn này chiếu đều vào đetectơ quang điện. Khi đầu dò lại gần nguyên tử ở bề mặt, lực tương tác giữa 2 nguyên tử làm lò xo lá bị uốn cong, vết sáng tròn dịch chuyển, hai nửa tấm quang điện không dược chiếu đều như nhau, dòng quang điện sinh ra chênh lệch nhau tạo thành tín hiệu vi sai sẽ cho dòng điện lớn hay nhỏ tùy thuộc vào lò xo lá bị uốn cong nhiều hay ít, tức là lực tương tác giữa hai nguyên tử là mạnh hay yếu. Mẫu nghiên cứu được gắn liền với bộ quét và được điều khiển để đầu dò quét trên mẫu theo hai chiều x, y. Dùng dòng quang điện ở bộ khuếch đại vi sai để tạo ảnh bề mặt ứng với các điểm sáng, tối.

Trong AFM thường dùng dòng quang điện phản hồi để điều khiển mẫu dịch chuyển lên, xuống theo trục z sao cho dòng quang điện không đổi. Bằng cách như vậy, đầu dò đã lượn theo đúng độ mấp mô bề mặt trong quá trình quét. Sử dụng các số liệu x, y, z ta sẽ thu được ảnh ba chiều bề mặt ở mức độ tinh vi nhất và thấy rõ từng nguyên tử trên bề mặt mẫu. Phần đầu dò Phần chính của đầu dò là cần áp điện (caltilever).

Độ dày của cần áp điện khoảng vài m. Đầu tip được phủ một lớp vật liệu sắt từ. Loại vật liệu thường được dùng để phủ tip là hợp kim của Co và Fe. Để có độ phân giải tốt thì tip càng nhọn càng tốt.

Độ cao của tip vào khoảng 10  15 m. Sau khi được phủ lớp sắt từ, tip còn được phủ một lớp rất mỏng vật liệu dẫn điện có tác dụng chủ yếu là bảo vệ lớp từ tính. Hiện nay có nhiều kỹ thuật chế tạo màng mỏng khác nhau đã được áp dụng để chế tạo đầu dò. Caltilever là phần tử cảm biến vi lực đóng vai trò chủ yếu trong hệ hiển vi lực nguyên tử.

Caltilever phải có tính lặp lại trong các phép đo và phải đủ mềm để nhạy cảm với các lực nhỏ. Thực nghiệm cho thấy, lực cần thiết cho các phép đo vào cỡ 10 -8 ÷ 10-11 N, giả sử độ nhạy của phép đo cho độ lệch của cantilever là 1Ǻ thì caltilever phải có hệ số đàn hồi từ 0,1 đến 100 N/m. Caltilever phải có tần số cộng hưởng cao để tránh tạo ảnh nhanh. Hơn thế nữa cantilever phải có tần số cộng hưởng cỡ 100 lần lớn hơn tốc độ quét nhanh nhất: 10÷100 kHz.

Caltilever có thể được chế tạo bằng vật liệu Si, Silic vô định hình, oxit silic SiO2 hoặc nitrit silic (Si3N4) với kích thước và hình dạng khác nhau. Mũi dò (tip), cantilever và giá đỡ được chế tạo bằng đơn tinh thể silic sẽ giảm thiểu được sự thay đổi không quy luật của nhiệt độ. Loại caltilever tốt có thể đo được độ lệch nhỏ hơn 2Ǻ Loại cantilever chữ nhật thường được dùng để đo mẫu cứng còn loại cantilever hình tam giác thường được sử dụng cho mẫu mềm. 5 z  Lực tƣơng tác Lực, đại lượng bằng građien của thế tương tác, dễ dàng đo được bằng các thiết bị vật lý.

Khi hai nguyên tử hoặc phân tử được đặt sát nhau năng lượng tương tác có thể được biểu diễn bằng thế Lennard – Jones. Lực giữa các hạt là một hàm của khoảng cách giữa chúng như được minh họa trong hình 1. Có hai miền, miền trái của cực tiểu thế, ở đó các hạt đẩy nhau và miền bên phải, ở đó các hạt hút nhau.5: Dạng định tính thế Lennard Jones Hình học của kính hiển vi lực không tương ứng với các nguyên tử được đặt sát nhau mà giống nhau như một quả cầu nhỏ đặt trên mặt phẳng. Có thể xác định được đường cong lực phụ thuộc khoảng cách cho mô hình này.5 cho thấy lực đẩy ứng với khoảng cách nhỏ và lực hút ứng với khoảng cách lớn.

Phần lớn các kính hiển vi lực hoạt động ở chế độ tiếp xúc hay chế độ lực đẩy. Mặc dù lực là rất nhỏ (10-7÷10-11N), song sự phá hủy bề mặt mẫu vẫn có thể xảy ra. Để tránh tác hại này có thể sử dụng chế độ lực hút vì khi đó sẽ không có sự tiếp xúc giữa tip và mẫu. Lực hút hay lực Van Der Waals phát sinh do hiện tượng phân cực của đám mây điện tử xung quanh hạt nhân nguyên tử.

Lực Van Der Waals đối với quả cầu trên mặt phẳng thay đổi tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách tip - mẫu. Trong kính hiển vi lực với tip kích thước cỡ nanomet, lực hút do phân cực cảm ứng là nhỏ và lực mạnh hơn từ ngoài sẽ điều khiển chuyển động của tip. Kính hiển vi lực thường hoạt động trong không khí ẩm nơi có thể sinh ra hiện tượng tĩnh điện. Hơn thế nữa, độ ẩm của không khí sẽ dẫn đến sự tạo thành lớp chất lỏng trên bề mặt và hiện tượng mao dẫn khi típ tiếp cận với lớp màng chất lỏng.

Lực mao dẫn và lực tĩnh điện là các lực chủ yếu trong phân cực Van Der Waals. Trong chế độ lực hút, tip được quét trên bề mặt ở khoảng cách 50 ÷ 200 Ǻ. Khoảng cách này được điều khiển bằng sự điều chỉnh tần số cộng hưởng của caltilever. Đây là đặc điểm quan trọng của phương pháp và được giải thích như sau: Hằng số đàn hồi k của cantilever liên hệ với khoảng cách dịch chuyển z của điểm mút caltilever và lực F như sau: 6 z F = kz 1.1 Tần số cộng hưởng ω của caltilever với khối lượng m của nó được cho bởi biểu thức:  = k/m 1.2 Trạng thái này giữ nguyên nếu lực tác dụng lên caltilever không thay đổi theo vị trí z của caltilever.

Nói chung, trường hợp này không xảy ra. Lực sẽ thay đổi theo khoảng cách giữa tip và mẫu. Như vậy, ta có thể viết như sau: F = F0 + (F/z)z = kz 1.4 Từ đó thấy rằng, hằng số đàn hồi hiệu dụng thay đổi khi có gradient trường lực. Khi đó, tần số cộng hưởng trở thành:  = (k - F/ z)/m 1.5 Sự thay đổi này cho ta phương pháp điều chỉnh khoảng cách giữa tip và mẫu.

Vì được gắn trên bộ dao động điện áp nên caltilever có thể được dịch chuyển theo phương z bằng cách giữ cho tần số cộng hưởng không đổi. Điều đó có nghĩa tip dịch chuyển trong một khoảng cách mà ở đó gradient lực là không đổi. Từ đó suy ra rằng khoảng cách giữa típ và mẫu là không đổi vì gradien là hàm đơn trị của khoảng cách z.  Đo độ lệch của caltilever Kính hiển vi lực nguyên tử không đo lực, nó đo độ lệch của caltilever cực nhỏ.

Quan hệ tuyến tính thể hiện trong phương trình 1.1 giữa lực và độ dài dịch chuyển cho phép ta sử dụng số liệu độ dịch chuyển để đo lực. Có bảy (07) phương pháp cơ bản để xác định độ lệch của cantilever. Hai phương pháp điện tử là phương pháp tunnel và điện dung. Năm phương pháp quang học bao gồm homodyne, heterodyne, phản hồi laze-diot, phân cực và phương pháp đo độ lệch quang học hay phương pháp đòn bẩy quang học.

- Phương pháp tunnel: Ngoài đầu dò với cantilever thông thường, phương pháp tunnel sử dụng đầu dò thứ hai là đầu dò tunnel để điều khiển độ lệch của cantilever. Khi lực tác động lên đầu dò thay đổi thì cantilever bị uốn cong làm cho khoảng cách giữa cantilever và đầu dò tunnel thay đổi, do đó dòng tunnel cũng bị thay đổi và tín hiệu vi sai này được sử dụng để điều khiển cantilever. Phương pháp này có nhược điểm là đầu dò tunnel chỉ hoạt động được ở trên bề mặt cantilever có khả năng dẫn điện. Hệ thống điều khiển điện dung dựa trên sự thay đổi điện dung giữa cantilever và một bản cực cố định khi cantilever bị lệch ra khỏi vị trí ban đầu.

7 z - Phương pháp điện dung: Tương tự như phương pháp tunnel, phương pháp điện dung cũng cần một cantilever dẫn điện vì nó hoạt động như một bản của tụ điện. - Kỹ thuật homodyne sử dụng hai photodetector trong quá trình điều khiển độ lệch của cantilever trong chế độ vi sai, một để đo tín hiệu laze dầu vào và một đo tín hiệu laze sau khi bị phản xạ trên bề mặt cantilever. Phương pháp này có ưu điểm là khử được tín hiệu nhiễu của chùm laze.