Luận văn thạc sĩ: Thiết kế và mô phỏng cấu trúc vi cơ từ tính cho hệ hiển vi lực nguyên tử

Luận văn thạc sĩ VNU UET nghiên cứu thiết kế và mô phỏng cấu trúc vi cơ từ tính cho hệ hiển vi lực nguyên tử, ứng dụng trong khoa học vật liệu.

• 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
• Chuyên ngành: Công nghệ micro và nano, hệ vi cơ điện tử (MEMS)
• 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 1: GIỚI THIỆU VỀ HỆ HIỂN VI LỰC NGUYÊN TỬ
• 1.1. Cấu tạo của hệ hiển vi lực nguyên tử
• 1.2. Lực tương tác
• 1.3. Đo độ lệch của caltilever
• 1.4. Hệ thống điều khiển
• 1.5. Nguyên lý hoạt động của hệ hiển vi lực nguyên tử
• 1.5.1. Chế độ tiếp xúc trong kính hiển vi lực nguyên tử
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về thiết kế đầu dò vi cơ từ tính cho hệ hiển vi lực nguyên tử

Thiết kế và mô phỏng đầu dò vi cơ từ tính cho hệ hiển vi lực nguyên tử (AFM) là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong công nghệ vi cơ điện tử. Đầu dò vi cơ từ tính không chỉ giúp nâng cao độ chính xác trong việc đo đạc mà còn mở ra nhiều ứng dụng mới trong nghiên cứu vật liệu ở cấp độ nano. Việc hiểu rõ về cấu trúc và nguyên lý hoạt động của đầu dò là điều cần thiết để phát triển các công nghệ mới trong lĩnh vực này.

1.1. Nguyên lý hoạt động của hệ hiển vi lực nguyên tử

Hệ hiển vi lực nguyên tử (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. Khi đầu dò tiếp cận bề mặt, lực tương tác giữa chúng sẽ làm cong thanh dầm, từ đó cho phép đo đạc độ uốn cong và tính toán lực tương tác.

1.2. Cấu tạo của đầu dò vi cơ từ tính

Đầu dò vi cơ từ tính thường được chế tạo từ các vật liệu như silic và hợp kim sắt từ. Cấu trúc của đầu dò bao gồm một mũi nhọn với kích thước nano gắn trên thanh dầm, cho phép đo đạc các lực tương tác ở cấp độ nguyên tử. Việc lựa chọn vật liệu và thiết kế hình dạng của đầu dò là rất quan trọng để đảm bảo độ nhạy và độ chính xác trong các phép đo.

II. Thách thức trong thiết kế đầu dò vi cơ từ tính cho AFM

Mặc dù công nghệ đầu dò vi cơ từ tính đã có nhiều tiến bộ, nhưng vẫn còn nhiều thách thức cần phải vượt qua. Các vấn đề như độ bền của đầu dò, khả năng chịu lực và độ nhạy trong môi trường lỏng là những yếu tố quan trọng cần được xem xét. Việc phát triển các phương pháp thiết kế và mô phỏng hiệu quả sẽ giúp cải thiện hiệu suất của đầu dò.

2.1. Độ bền và tuổi thọ của đầu dò

Đầu dò vi cơ từ tính thường phải chịu áp lực lớn trong quá trình đo đạc, điều này có thể dẫn đến hư hỏng hoặc giảm độ nhạy. Việc nghiên cứu và phát triển các vật liệu mới có độ bền cao hơn là cần thiết để kéo dài tuổi thọ của đầu dò.

2.2. Khả năng hoạt động trong môi trường lỏng

Một trong những thách thức lớn nhất là khả năng hoạt động của đầu dò trong môi trường lỏng. Các lực tương tác trong môi trường này có thể khác biệt so với trong không khí, do đó cần có các thiết kế đặc biệt để đảm bảo độ chính xác trong các phép đo.

III. Phương pháp thiết kế và mô phỏng đầu dò vi cơ từ tính

Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) là một trong những công cụ mạnh mẽ nhất trong việc thiết kế và mô phỏng đầu dò vi cơ từ tính. Sử dụng phần mềm ANSYS, các nhà nghiên cứu có thể mô phỏng các điều kiện hoạt động khác nhau và tối ưu hóa thiết kế để đạt được hiệu suất tốt nhất.

3.1. Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn FEM

Phương pháp FEM cho phép mô phỏng các lực tác động lên đầu dò trong các điều kiện khác nhau. Bằng cách phân tích các yếu tố như độ cứng, độ nhạy và lực tương tác, các nhà nghiên cứu có thể tối ưu hóa thiết kế đầu dò để đạt được hiệu suất cao nhất.

3.2. Kết quả mô phỏng và phân tích

Kết quả từ các mô phỏng cho thấy sự cải thiện đáng kể về độ nhạy và độ chính xác của đầu dò vi cơ từ tính. Các thông số như tần số cộng hưởng và độ cứng của thanh dầm có thể được điều chỉnh để phù hợp với các ứng dụng cụ thể.

IV. Ứng dụng thực tiễn của đầu dò vi cơ từ tính trong nghiên cứu

Đầu dò vi cơ từ tính đã được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu, từ vật liệu học đến sinh học. Việc sử dụng đầu dò này giúp các nhà nghiên cứu có thể quan sát và phân tích các hiện tượng ở cấp độ nguyên tử một cách chính xác.

4.1. Nghiên cứu vật liệu mới

Đầu dò vi cơ từ tính cho phép nghiên cứu các vật liệu mới với cấu trúc nano, giúp phát hiện các tính chất vật lý và hóa học độc đáo. Điều này mở ra nhiều cơ hội cho việc phát triển các ứng dụng công nghệ cao.

4.2. Ứng dụng trong sinh học

Trong lĩnh vực sinh học, đầu dò vi cơ từ tính được sử dụng để nghiên cứu các tế bào sống và các tương tác giữa các phân tử sinh học. Điều này giúp hiểu rõ hơn về các quá trình sinh học ở cấp độ phân tử.

V. Kết luận và tương lai của đầu dò vi cơ từ tính

Thiết kế và mô phỏng đầu dò vi cơ từ tính cho hệ hiển vi lực nguyên tử là một lĩnh vực đầy tiềm năng. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ và vật liệu mới, tương lai của đầu dò vi cơ từ tính hứa hẹn sẽ mang lại nhiều đột phá trong nghiên cứu và ứng dụng.

5.1. Xu hướng phát triển công nghệ đầu dò

Các nghiên cứu hiện tại đang tập trung vào việc phát triển các đầu dò với độ nhạy cao hơn và khả năng hoạt động trong nhiều môi trường khác nhau. Điều này sẽ mở ra nhiều cơ hội mới cho các ứng dụng trong nghiên cứu và công nghiệp.

5.2. Tầm quan trọng của nghiên cứu tiếp theo

Nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc tối ưu hóa thiết kế và vật liệu cho đầu dò vi cơ từ tính. Việc này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn giảm chi phí sản xuất, từ đó thúc đẩy sự phát triển của công nghệ này trong tương lai.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) ra đời năm 1986 đã tạo ra bước ngoặt lớn trong lĩnh vực khoa học vật liệu và công nghệ nano, cung cấp độ phân giải không gian cao hơn 1000 lần so với giới hạn nhiễu xạ quang học tiêu chuẩn. Trọng tâm của hệ thống AFM là đầu dò vi cơ (probe) gồm thanh dầm đàn hồi (cantilever) và mũi nhọn kích thước từ 1 đến 70 nm, đảm nhiệm vai trò cảm nhận các tương tác lực cực nhỏ ở cấp độ nguyên tử. Tuy nhiên, các đầu dò thương mại nhập khẩu hiện có giá thành tương đối cao và nhanh chóng bị hao mòn sau chu kỳ làm việc liên tục. Đặc biệt, trong môi trường chất lỏng phục vụ nghiên cứu y sinh, hiện tượng suy giảm tần số dao động tự nhiên và lực cản nhớt gây khó khăn lớn cho việc tái tạo hình ảnh chính xác.

Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là thiết kế và mô phỏng cấu trúc vi cơ từ tính ứng dụng cho hệ hiển vi lực nguyên tử, tạo cơ sở khoa học vững chắc trước khi tiến hành quy trình chế tạo thực nghiệm. Nghiên cứu tập trung vào việc mô hình hóa thanh dầm vi cơ bằng vật liệu silic đơn tinh thể kết hợp phủ màng từ tính niken (Ni) và kích thích dao động từ xa thông qua từ trường cuộn dây solenoid. Phạm vi nghiên cứu được thực hiện trên các cấu trúc hình học vi mô có chiều dài từ 80 đến 350 µm, chiều dày từ 1,3 đến 2,3 µm tại phòng thí nghiệm chuyên ngành. Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn sâu sắc khi giúp tối ưu hóa thiết kế, giảm thiểu chi phí thử nghiệm thực tế khoảng 40% và kiểm soát sai số tần số cộng hưởng giữa mô phỏng và lý thuyết trong khoảng 17% đến 27%.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên sự kết hợp chặt chẽ giữa cơ học vi mô, lý thuyết tương tác bề mặt và vật lý từ học:

• Thuyết tương tác nguyên tử Lennard-Jones và lực Van der Waals: Tương tác giữa mũi dò và bề mặt mẫu được mô hình hóa qua thế Lennard-Jones với hai vùng lực đẩy ở khoảng cách cực ngắn và lực hút Van der Waals ở khoảng cách từ 50 đến 200 Ångström. Các lực đo đạc thực tế nằm trong khoảng từ 10⁻¹¹ đến 10⁻⁸ N, đòi hỏi thanh dầm phải có độ cứng nhạy cảm với hệ số đàn hồi k dao động từ 0,1 đến 100 N/m.
• Lý thuyết dao động cơ học dầm vi mô: Tần số cộng hưởng riêng của thanh dầm được xác định theo tỷ số giữa độ cứng đàn hồi và khối lượng hiệu dụng, duy trì trong dải tần số làm việc tiêu chuẩn từ 10 đến 100 kHz để tránh hiện tượng trôi nhiệt và biến dạng mẫu.
• Lý thuyết từ học và trường điện từ: Phân tích độ cảm từ, cảm ứng từ B và cường độ từ trường H sinh ra từ cuộn dây solenoid theo định luật Biot-Savart. Khi phủ lớp vật liệu sắt từ mềm như niken (Ni) lên bề mặt dầm silic, lực từ trường ngoài sẽ tác động trực tiếp và điều khiển dao động của dầm mà không cần liên kết cơ học trực tiếp.
• Các khái niệm cốt lõi: Hệ thống vi cơ điện tử (MEMS), chế độ tiếp xúc gián đoạn (Tapping mode), phương pháp đòn bẩy quang học với độ dịch chuyển nhạy dưới 2 Ångström.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu và cỡ mẫu mô phỏng: Nghiên cứu khảo sát tập mẫu gồm 12 cấu hình hình học của thanh dầm silic hình chữ nhật (chiều dài L thay đổi từ 80 đến 350 µm, chiều rộng W cố định 35 µm, chiều dày T từ 1,3 đến 2,3 µm, chiều cao mũi tip từ 10 đến 25 µm) cùng 2 cấu hình cuộn dây solenoid (300 vòng tại dòng điện 10 mA và 500 vòng tại dòng điện 15 mA).
• Phương pháp chọn mẫu: Chọn mẫu tham số theo phương pháp phân tầng dựa trên các quy chuẩn kích thước của đầu dò thương mại phổ biến (dòng cantilever tiêu chuẩn DCP 11) nhằm đảm bảo tính đối sánh thực tiễn.
• Phương pháp phân tích: Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) trên nền tảng phần mềm ANSYS chuyên dụng. Kết cấu dầm được mô hình hóa không gian 3 chiều bằng phần tử khối SOLID92, trong khi trường điện từ của cuộn dây và tương tác từ cơ được giải quyết qua phần tử từ tính SOLID96. Lý do lựa chọn ANSYS là nhờ khả năng xử lý bài toán ghép đa trường vật lý (Multiphysics) chính xác, cho phép khảo sát chi tiết phân bố ứng suất, biến dạng và phổ tần số dao động.
• Quy trình nghiên cứu: Thực hiện tuần tự qua 3 giai đoạn chính gồm xây dựng mô hình hình học và chia lưới phần tử (Preprocessor), thiết lập điều kiện biên và giải hệ phương trình vi phân (Solution), trích xuất phổ dao động và đánh giá phân bố lực từ (Postprocessor).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu đã làm sáng tỏ mối tương quan giữa thông số hình học, lớp phủ vật liệu từ tính và đặc tính động lực học của đầu dò vi cơ:

• Đặc tính tần số của dầm silic thuần túy: Thanh dầm vật liệu silic (mật độ khối 2,332 g/cm³, mô đun đàn hồi Young 167,4 GPa) có kích thước L = 80 µm, W = 35 µm, T = 1,3 µm đạt tần số cộng hưởng riêng là 19,970 kHz. Khi tăng chiều dày dầm từ 1,7 µm lên 2,3 µm ở chiều dài 130 µm, tần số cộng hưởng tăng mạnh từ 95,411 kHz lên 141,800 kHz, tương đương mức tăng trưởng 48,6%.
• Ảnh hưởng của màng từ tính Niken (Ni): Khi phủ thêm lớp niken dày 5 µm lên lưng thanh dầm kích thước 80 × 35 × 1,3 µm, tần số cộng hưởng của hệ thống giảm từ 19,970 kHz xuống 15,035 kHz (giảm 24,7%). Sự suy giảm này bắt nguồn từ sự gia tăng khối lượng quán tính của lớp phủ kim loại.
• Hiệu năng tạo lực của cuộn dây Solenoid: Cuộn dây solenoid 500 vòng hoạt động ở dòng điện 15 mA tạo ra từ trường tập trung đủ lớn tại khe hở làm việc, sinh ra lực từ định hướng kéo dầm vi cơ uốn cong theo chu kỳ mong muốn. Cấu hình này giúp duy trì biên độ dao động ổn định mà không làm phá hủy mẫu quét.

Thảo luận kết quả

Khi đối chiếu kết quả mô phỏng với dữ liệu thực nghiệm trên đầu dò thương mại DCP 11 tại phòng thí nghiệm, sai số tần số dao động ghi nhận nằm trong khoảng từ 17% đến 27%. Cụ thể, với dầm kích thước 100 × 35 × 1,7 µm, tần số mô phỏng đạt 156,780 kHz so với giá trị thực nghiệm là 190 kHz (sai lệch 17,5%). Khi chiều dày đạt 2,3 µm, tần số mô phỏng là 235,200 kHz so với thực tế là 325 kHz (chênh lệch 27,6%).

Nguyên nhân chính của sự sai lệch này xuất phát từ sức cản không khí trong môi trường đo thực tế, dung sai chế tạo cơ khí vi mô, độ nhám bề mặt và sự phân bố khối lượng không đồng đều tại phần chóp mũi nhọn lục giác cao 10 đến 20 µm. Toàn bộ tập dữ liệu biến thiên tần số và độ dịch chuyển có thể được trực quan hóa tối ưu thông qua biểu đồ đáp ứng biên độ - tần số (Bode plot) và bảng so sánh đa thông số, giúp các kỹ sư dễ dàng nhận diện điểm cộng hưởng tối ưu để ứng dụng vào chế độ đo trong môi trường chất lỏng.

Đề xuất và khuyến nghị

• Chuẩn hóa quy trình thiết kế tiền chế tạo: Tích hợp bộ thông số hiệu chỉnh sai số biên từ 17% đến 27% vào thuật toán thiết kế tự động APDL trong phần mềm ANSYS, giúp các đơn vị nghiên cứu rút ngắn thời gian phát triển sản phẩm mẫu xuống dưới 3 tháng.
• Tối ưu hóa độ dày màng từ tính Ni: Khuyến nghị các nhóm nghiên cứu công nghệ vi chế tạo giảm độ dày lớp phủ Ni hoặc hợp kim Ni-Fe xuống khoảng 2 đến 3 µm. Giải pháp này giúp duy trì lực kích thích từ trường ổn định nhưng hạn chế mức suy giảm tần số cộng hưởng của dầm dưới ngưỡng 15%.
• Cải tiến cấu trúc cuộn cảm Solenoid: Nâng cấp cấu trúc cuộn dây vi mô với lõi dẫn từ ferrite từ mềm, hướng tới mục tiêu gia tăng mật độ từ thông thêm 25% trong khi duy trì dòng kích thích dưới 10 mA, hạn chế tối đa hiệu ứng nhiệt làm biến tính mẫu sinh học.
• Mở rộng ứng dụng sang đo lường y sinh học: Các phòng thí nghiệm chuyên ngành cần ứng dụng cấu trúc đầu dò kích thích từ tính này vào phép đo hiển vi lực nguyên tử chế độ bán tiếp xúc (Tapping mode) trong môi trường dung dịch đệm, phục vụ phân tích màng tế bào và cấu trúc chuỗi xoắn kép ADN với độ phân giải mục tiêu dưới 5 nm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

• Học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Vật lý Kỹ thuật, Công nghệ Nano: Nắm bắt phương pháp luận nghiên cứu cấu trúc vi cơ điện tử MEMS và kỹ thuật mô phỏng phần tử hữu hạn đa trường vật lý.
• Kỹ sư thiết kế linh kiện MEMS và cảm biến bán dẫn: Khai thác các đoạn mã tham số APDL và quy trình mô hình hóa dầm silic để chế tạo các loại đầu dò quét bề mặt tùy biến với chi phí hợp lý.
• Nhà khoa học trong lĩnh vực Y sinh và Hóa lý sinh: Tiếp cận giải pháp kỹ thuật đo quét không phá hủy mẫu sinh học trong môi trường lỏng thông qua cơ chế kích thích từ trường ngoài.
• Giảng viên và chuyên viên quản lý phòng thí nghiệm phân tích: Sử dụng làm tài liệu giảng dạy thực hành chuyên sâu về nguyên lý hoạt động của kính hiển vi lực nguyên tử AFM và kỹ thuật hiệu chuẩn dầm cantilever.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao cần phủ thêm lớp màng Niken lên thanh dầm cantilever của kính hiển vi AFM?
Việc phủ lớp màng niken (Ni) có độ dày khoảng 5 µm giúp biến thanh dầm silic thông thường thành cấu trúc có từ tính. Dưới tác dụng của từ trường xoay chiều sinh ra từ cuộn solenoid, thanh dầm sẽ dao động tự do mà không cần tiếp xúc cơ học, đặc biệt hữu ích khi đo trong môi trường chất lỏng.

Phương pháp phần tử hữu hạn ANSYS đóng vai trò gì trong quá trình thiết kế đầu dò vi cơ?
Phần mềm ANSYS sử dụng các phần tử như SOLID92 và SOLID96 giúp giải quyết các hệ phương trình vi phân phức tạp về ứng suất cơ học và phân bố từ trường. Điều này cho phép dự đoán chính xác tần số dao động từ 10 đến 100 kHz trước khi tiến hành quy trình gia công vi cơ đắt đỏ.

Nguyên nhân nào dẫn đến sự sai lệch 17% đến 27% giữa mô phỏng và thực nghiệm?
Sự chênh lệch này chủ yếu do mô hình tính toán giả định môi trường chân không lý tưởng, trong khi thực tế có lực cản môi trường không khí. Ngoài ra, sự không đồng nhất về khối lượng của mũi tip cao từ 10 đến 25 µm và ứng suất dư bề mặt trong quá trình vi chế tạo cũng đóng góp vào sai số này.

Ưu điểm vượt trội của chế độ tiếp xúc gián đoạn (Tapping mode) trong môi trường lỏng là gì?
Chế độ Tapping trong chất lỏng triệt tiêu hoàn toàn các lực ma sát và lực cắt ngang tác dụng lên mẫu, giữ lực nhấn thẳng đứng ở mức cực nhỏ khoảng 10⁻⁹ N. Cơ chế này bảo vệ toàn vẹn bề mặt các mẫu sinh học mềm như tế bào sống và chuỗi xoắn kép ADN.

Kích thước hình học ảnh hưởng như thế nào đến tần số cộng hưởng của thanh dầm vi cơ?
Tần số cộng hưởng tỷ lệ thuận với chiều dày và tỷ lệ nghịch với bình phương chiều dài dầm. Trong nghiên cứu, khi chiều dày thanh dầm tăng từ 1,7 µm lên 2,3 µm ở chiều dài 130 µm, tần số dao động tăng vọt từ 95,411 kHz lên 141,800 kHz, giúp tăng tốc độ quét mẫu.

Kết luận

• Luận văn đã thiết kế và mô phỏng thành công cấu trúc vi cơ từ tính gồm dầm cantilever silic phủ màng niken kết hợp cuộn cảm solenoid phục vụ hệ hiển vi lực nguyên tử AFM.
• Ứng dụng xuất sắc phương pháp phần tử hữu hạn trên phần mềm ANSYS với các phần tử SOLID92 và SOLID96 để giải quyết bài toán tương tác cơ học - từ trường 3D.
• Làm rõ quy luật thay đổi tần số dao động theo kích thước dầm, chứng minh sự suy giảm tần số 24,7% khi tích hợp màng từ tính Ni dày 5 µm.
• Đánh giá và lượng hóa chính xác mức sai lệch từ 17% đến 27% giữa tần số mô phỏng và cấu trúc thương mại DCP 11, chỉ rõ các yếu tố ảnh hưởng từ môi trường và chế tạo.
• Đặt nền móng kỹ thuật vững chắc cho việc phát triển các đầu dò AFM kích thích từ tính chuyên dụng để đo đạc mẫu sinh học trong chất lỏng tại Việt Nam.

Đóng góp then chốt của công trình là xây dựng hoàn chỉnh quy trình mô phỏng tham số hóa APDL cho cấu trúc vi cơ từ tính, mở ra hướng tự chủ công nghệ chế tạo đầu dò nano. Kế hoạch tiếp theo trong 6 đến 12 tháng tới là triển khai chế tạo thử nghiệm trên phiến silic thực tế và thử nghiệm đo mẫu sinh học trong dung dịch. Các nhà nghiên cứu và kỹ sư quan tâm có thể khai thác trực tiếp mô hình thiết kế này để ứng dụng vào các đề tài phát triển cảm biến MEMS tiên tiến.

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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 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.