Language
Country/Area
No result found
Một kỷ nguyên mới của kính hiển vi: Phép màu khoa học về hình ảnh ở cấp độ nguyên tử đã đạt được như thế nào?
Kể từ khi kính hiển vi quét đường hầm (STM) ra đời vào năm 1981, kính hiển vi quét đầu dò (SPM) đã trở thành một công nghệ tiên tiến để nghiên cứu cấu trúc bề mặt. Việc triển khai công nghệ này lần đầu tiên bắt nguồn từ nỗ lực của Gerd Binnig và Heinrich Rohrer, những người đã sử dụng các vòng phản hồi để kiểm soát chính xác khoảng cách giữa đầu dò và mẫu, từ đó đạt được hình ảnh ở cấp độ nguyên tử. Với sự phát triển của công nghệ, SPM giờ đây không chỉ có thể thu được hình ảnh có độ phân giải cao của các cấu trúc bề mặt mà còn có thể chụp ảnh đồng thời nhiều tương tác vật lý, cung cấp cho các nhà khoa học một góc nhìn mới để khám phá thế giới vi mô.
Chìa khóa của kính hiển vi thăm dò quét là việc sử dụng bộ truyền động áp điện để điều khiển chuyển động chính xác ở cấp độ nguyên tử.
Sự đa dạng của kính hiển vi thăm dò quét nằm ở các công nghệ khác nhau bắt nguồn từ nó, bao gồm kính hiển vi lực nguyên tử (AFM), kính hiển vi lực hóa học (CFM), kính hiển vi lực tĩnh điện (EFM), kính hiển vi quét đường hầm (STM), v.v. Mỗi công nghệ đều có những ưu điểm và lĩnh vực ứng dụng riêng. Ví dụ, AFM sử dụng các chuyển động cực nhỏ của đầu dò để đo lực trên bề mặt mẫu, từ đó tạo thành hình ảnh có độ phân giải cao về địa hình bề mặt.
Các chế độ quét khác nhau như chế độ tương tác liên tục và chế độ độ cao không đổi cho phép các nhà khoa học thu được thông tin chi tiết về mẫu của họ theo nhiều cách khác nhau.
Ở chế độ tương tác liên tục, đầu dò liên tục duy trì tương tác ổn định với bề mặt mẫu và dữ liệu đo được chuyển đổi thành bản đồ nhiệt, hiển thị địa hình của bề mặt mẫu. Ở chế độ chiều cao không đổi, bề mặt mẫu được quét mà không cần di chuyển đầu dò. Mặc dù chế độ độ cao không đổi có thể loại bỏ các hiện vật do phản hồi gây ra, nhưng hoạt động của nó cũng tương đối khó khăn và đòi hỏi khả năng kiểm soát đầu dò cực cao.
Để đạt được độ phân giải ở cấp độ nguyên tử, thiết kế và vật liệu của tàu thăm dò cũng rất quan trọng. Thông thường, đầu dò phải rất sắc nét và đầu dò có đầu nguyên tử đơn có thể mang lại kết quả hình ảnh tốt nhất. Điều này không chỉ liên quan đến công nghệ sản xuất đầu dò mà còn liên quan đến sự hiểu biết sâu sắc về lựa chọn vật liệu.
Độ phân giải của kính hiển vi đầu dò quét hiện tại bị giới hạn bởi thể tích tương tác giữa đầu dò và mẫu chứ không phải do giới hạn nhiễu xạ.
Ưu điểm của kính hiển vi đầu dò quét là không cần hoạt động trong môi trường chân không, cho phép thực hiện quan sát trong không khí hoặc chất lỏng thông thường. Nhưng đồng thời, công nghệ này cũng phải đối mặt với một số thách thức, chẳng hạn như tốc độ thu nhận hình ảnh chậm và tác động của hình dạng cụ thể của đầu dò lên dữ liệu khi có sự thay đổi độ cao lớn trong mẫu.
Một công nghệ liên quan khác là kính hiển vi quang điện quét (SPCM), sử dụng chùm tia laze hội tụ thay vì đầu dò để cho phép thử nghiệm vật liệu có độ phân giải không gian. Kỹ thuật này đặc biệt quan trọng trong ngành quang điện tử vì nó cho phép phân tích những thay đổi về tính chất quang của vật liệu như một hàm của vị trí.
SPCM kích thích vật liệu bán dẫn bằng tia laser, tạo ra dòng quang điện và quét ở các vị trí khác nhau để thu được bản đồ đặc tính quang điện.
Các nhà nghiên cứu sử dụng SPCM có thể phân tích thông tin như động lực học khuyết tật vật liệu, độ dài khuếch tán hạt tải điện thiểu số và điện trường, từ đó có thể giúp cải thiện hơn nữa các đặc tính quang học của vật liệu.
Với sự tiến bộ của công nghệ máy tính, các hệ thống SPM hiện đại thường dựa vào phần mềm phân tích và hiển thị tiên tiến để tạo ra hình ảnh. Trong quá trình này, phần mềm kết xuất hình ảnh đã trở nên thiết yếu và các gói phần mềm khác nhau như Gwyddion và SPIP được sử dụng rộng rãi trong quá trình xử lý và phân tích dữ liệu SPM.
Với sự tiến bộ không ngừng của công nghệ, phạm vi ứng dụng của kính hiển vi đầu dò quét tiếp tục mở rộng, không chỉ giới hạn trong nghiên cứu khoa học vật liệu cơ bản mà còn được sử dụng rộng rãi trong sinh học, hóa học, công nghệ nano và các lĩnh vực khác. Những công nghệ này cho phép các nhà khoa học khám phá thế giới vi mô từ một góc nhìn mới và đạt được những quan sát chính xác hơn.
Khi khám phá thế giới vi mô vô tận, chúng ta thậm chí chỉ đang bóc ra một lớp vỏ mỏng manh của khoa học. Những điều kỳ diệu chưa được chú ý sẽ được hé lộ trong tương lai?
