Nguyên lý hoạt động của kính hiển vi quét chui hầm
Kính hiển vi quét xuyên hầm, hay kính hiển vi quét chui hầm (tiếng Anh: Scanning tunneling microscope, viết tắt là STM) là một loại kính hiển vi phi quang học, được sử dụng để quan sát hình thái học bề mặt của vật rắn hoạt động dựa trên việc ghi lại dòng xuyên hầm của điện tử khi sử dụng một mũi dò quét trên bề mặt mẫu. STM là một công cụ mạnh để quan sát cấu trúc bề mặt của vật rắn với độ phân giải tới cấp độ nguyên tử. STM lần đầu được phát minh năm 1981 và hai nhà phát minh ra thiết bị này là Gerd Binnig và Heinrich Rohrer (IBM, Zürich) đã giành giải Nobel Vật lý năm 1986 cho phát minh này.
Nguyên lý hoạt động của STM
STM là thiết bị quan sát vi cấu trúc bề mặt thuộc về nhóm thiết bị kính hiển vi quét đầu dò, tức là việc ghi ảnh dựa trên nguyên tắc quét đầu dò trên bề mặt. STM sử dụng một mũi dò nhọn mà đầu của mũi dò có kích thước là một nguyên tử, quét rất gần bề mặt mẫu. Khi đầu dò được quét trên bề mặt mẫu, sẽ xuất hiện các điện tử di chuyển từ bề mặt mẫu sang mũi dò do hiệu ứng xuyên hầm lượng tử và việc ghi lại dòng chui hầm (do một hiệu điện thế đặt giữa mũi dò và mẫu) này sẽ cho các thông tin về cấu trúc bề mặt.
Tại mỗi vị trí mũi dò quét trên mẫu, có thể coi điện tử chuyển động theo dạng một chiều và tuân theo phương trình Schrödinger
::,
Ảnh chụp bề mặt mẫu tinh thể [[vàng bởi STM.]]
với ħ là hằng số Planck, z là vị trí, m là khối lượng của điện tử. Nếu một điện tử có năng lượng E gặp hàng rào năng lượng U thì hàm sóng sẽ là nghiệm của phương trình Schrödinger:
::,
với
::
Nếu năng lượng E của điện tử thấp hơn rào thế thì theo quan niệm cổ điển, điện tử sẽ không thể có mặt ở phía bên kia rào thế (đi tới mũi dò). Tuy nhiên, theo quan điểm cơ học lượng tử, vẫn tồn tại giá trị hàm sóng của điện tử ở bên kia rào thế, tức là có xác suất tìm thấy điện tử bên ngoài rào thế. Đây chính là hiệu ứng xuyên hầm lượng tử, và xác suất này cho bởi:
::
Và như vậy, nếu đặt một hiệu điện thế giữa mũi dò và mẫu thì sẽ xuất hiện một dòng xuyên hầm cho bởi:
::.
Tính toán đã xác định dòng xuyên hầm tỉ lệ với thế hiệu dịch theo công thức:
::
với:
::, là mức năng lượng Fermi.
::,
Với f là hàm Fermi, ρs và ρT là mật độ trạng thái ở mẫu và mũi dò .
Ảnh chụp gần mẫu đang được quét đầu dò trong thiết bị STM tại [[Đại học St Andrews, Scotland.]]
Việc quét mũi dò trên bề mặt tạo ra dòng xuyên hầm, và tín hiệu này được khuếch đại. Tín hiệu này sẽ cho thông tin về hình thái học bề mặt với độ phân giải ở cấp độ nguyên tử. Độ phân giải của thiết bị phụ thuộc vào khả năng quét (bước quét) và tiết diện ngang của mũi dò tạo dòng xuyên hầm. Trong thực tế, để tạo bước quét tinh tế, người ta gắn mẫu vào một bộ dao động là vật liệu áp điện. Khi có các tín hiệu điện điều khiển đặt vào bộ áp điện này, khối áp điện sẽ bị giãn nở do hiệu ứng áp điện làm dịch chuyển mũi dò. Đồng thời, để tăng khả năng xuyên hầm của điện tử, hệ được đặt trong chân không cao.
Lịch sử và các dạng khác của STM
Lịch sử của STM bắt đầu từ năm 1981 với các thí nghiệm về quá trình chui hầm trong môi trường không khí thực hiện bởi Gerd Binnig và Heinrich Rohrer (IBM, Zürich) và nâng cấp các hiệu ứng này trong chân không, kết hợp với quá trình quét để tạo ra STM vào năm 1982 . STM được hoàn chỉnh vào cuối năm 1982 và bắt đầu được thương mại hóa ,. Lý thuyết về quá trình chui hầm trong STM được phát triển bởi N. García, C. Ocal, và F. Flores (Đại học Autónoma, Madrid, Tây Ban Nha) từ năm 1983 và bởi nhóm J. Tersoff và D. R. Hamann (AT&T Bell Laboratories, Murray Hill, New Jersey) vào năm 1984 . Thiết bị này được gọi là Kính hiển vi quét xuyên hầm phân cực spin (Spin-polarized scanning tunnelling microscopd). Ngoài ra, người ta còn có thể tạo ra các tính năng chui hầm khác ví dụ như chui hầm với photon hoặc ghi nhận hiệu điện thế để có các phân tích bổ sung khác...
Một trong những tính năng khác đang được phát triển gần đây của STM là việc thao tác các nguyên tử với độ chính xác cao trên bề mặt vật rắn, cho phép tạo các chi tiết siêu nhỏ với độ chính xác cao và đang trở thành một phép chế tạo quan trọng trong công nghệ nano .
Ưu điểm và nhược điểm
Ưu điểm của STM
- STM là một kỹ thuật ghi ảnh hình thái học và cấu trúc (cấu trúc vật lý, cấu trúc điện từ...) bề mặt với độ phân giải rất cao và cho ảnh chất lượng cao.
- STM không đòi hỏi việc phá hủy mẫu như kính hiển vi điện tử truyền qua (thiết bị chụp ảnh với độ phân giải tương đương).
- STM còn cho phép tạo ra các phép thao tác trên bề mặt cho quá trình chế tạo.
Nhược điểm của STM
- Mẫu sử dụng trong STM phải là mẫu dẫn điện hoặc bán dẫn.
- Việc đo đạc STM đòi hỏi bề mặt mẫu siêu sạch và việc chống rung là một đòi hỏi lớn.
- Tốc độ ghi ảnh trong STM thấp.
- STM chỉ giới hạn cho cấu trúc bề mặt
👁️
1 | 🔗 | 💖 | ✨ | 🌍 | ⌚
Nguyên lý hoạt động của kính hiển vi quét chui hầm **Kính hiển vi quét xuyên hầm**, hay **kính hiển vi quét chui hầm** (tiếng Anh: _Scanning tunneling microscope_, viết tắt là **_STM_**) là một
**Kính hiển vi** là một thiết bị phục vụ cho mục đích khoa học dùng để quan sát các vật thể có kích thước nhỏ bé mà mắt thường không thể quan sát được bằng
Sơ đồ hoạt động của [[kính hiển vi chui hầm điện tử, một sáng chế đã mang lại cho các tác giả của nó giải thưởng Nobel vật lý.]] Một ống sóng electron hướng vào
**Electron** hay **điện tử**, là một hạt hạ nguyên tử, có ký hiệu là hay , mà điện tích của nó bằng trừ một điện tích cơ bản. Các electron thuộc về thế hệ thứ
nhỏ|Hình ảnh [[kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) của một phân tử PTCDA, trong đó có thể nhìn thấy năm vòng sáu carbon.]] nhỏ|Một hình ảnh [[Kính hiển vi quét xuyên hầm|kính hiển vi
**Thụy Sĩ** (còn được viết là _Thụy Sỹ_), tên đầy đủ là **Liên bang Thụy Sĩ**, là một nước cộng hòa liên bang tại châu Âu. Quốc gia này gồm có 26 bang, và thành
**_A Boy and His Atom_** là một bộ phim hoạt hình tĩnh vật ngắn được sản xuất vào năm 2013 và được phát hành trên YouTube bởi IBM Research. Bộ phim kể về câu chuyện
thumb|upright=1.3|Các [[hàm sóng của electron trong một nguyên tử hydro tại các mức năng lượng khác nhau. Cơ học lượng tử không dự đoán chính xác vị trí của một hạt trong không gian, nó
**Hầu Kiến Quốc** (tiếng Trung giản thể: 侯建国, bính âm Hán ngữ: _Hóu Jiàn Guó_, sinh tháng 10 năm 1959, người Hán) là nhà khoa học, chính trị gia nước Cộng hòa Nhân dân Trung
**Danh sách các nhà phát minh** được ghi nhận. ## Danh sách theo bảng chữ cái ### A * Vitaly Abalakov (1906–1986), Nga – các thiết bị cam, móng neo leo băng không răng ren
**Vạn Lập Tuấn** (tiếng Trung giản thể: 万立骏, bính âm Hán ngữ: _Wàn Lìjùn_, sinh tháng 7 năm 1957, người Hán) là nhà khoa học hóa lý, chính trị gia nước Cộng hòa Nhân dân
nhỏ|Các vectơ mật độ dòng điện xác suất cảm ứng từ tính được tính toán bằng phương pháp lượng tử trong benzen. **Hóa học lý thuyết** là một nhánh của hóa học trong đó phát
Trong hóa học, **chất nền** thường là các loại thuộc về hoá học được quan sát trong phản ứng hóa học, phản ứng với thuốc thử để tạo ra sản phẩm. Khái niệm cũng có
Ảnh cấu trúc đômen của màng mỏng [[permalloy chụp trên kính hiển vi điện tử truyền qua Philips CM20 ở chế độ Fresnel, cho tương phản về các vách đômen 90o và các gợn sóng.]]
**Trận Nam Kinh** diễn ra vào đầu tháng 12 năm 1937, là một phần của cuộc chiến tranh Trung – Nhật. Quốc dân Cách mệnh quân và Lục quân Đế quốc Nhật Bản giao chiến
**Công nghệ nano** là việc sử dụng vật chất ở quy mô nguyên tử, phân tử và siêu phân tử cho các mục đích công nghiệp. Mô tả phổ biến sớm nhất về công nghệ
**_Gia đình hiện đại_** () là một loạt phim hài kịch tình huống theo phong cách giả tài liệu về chủ đề gia đình của Mỹ, được sáng tạo bởi Christopher Lloyd và Steven Levitan
**Vật lý vật chất ngưng tụ** là một trong các nhánh của vật lý học nghiên cứu các tính chất vật lý trong pha ngưng tụ của vật chất. Các nhà vật lý vật chất
**Đại học Kinh tế Thành phố Hồ Chí Minh**, còn được gọi là **Đại học UEH** () là đại học đa thành viên chuyên khối kinh tế hệ công lập, thuộc nhóm đại học trọng
Nha khoa Việt Mỹ với lịch sử phát triển hơn 16 năm thành lập và phát triển, đem đến chất lượng dịch vụ uy tín, công nghệ thăm khám hiện đại, thường xuyên tổ chức
Nha Khoa Sing quy tụ đội ngũ tiến sĩ, bác sĩ răng hàm mặt trên 30 năm kinh nghiệm. Đều là những bác sĩ giỏi, có chứng chỉ hành nghề, nhiều năm kinh nghiệm, tốt
Nha khoa Việt Mỹ với lịch sử phát triển hơn 16 năm thành lập và phát triển, đem đến chất lượng dịch vụ uy tín, công nghệ thăm khám hiện đại, thường xuyên tổ chức
**Giám sát tình trạng** (tiếng Anh là Condition monitoring) là quá trình theo dõi một tham số điều kiện làm việc của máy móc (độ rung, nhiệt độ, vv), để xác định một thay đổi
nhỏ|phải|[[Thịt bẩn, thịt ôi thiu là nguy cơ gây ngộ độc thực phẩm]] nhỏ|phải|Cá ươn, nguy cơ gây ngộ độc **Ngộ độc thực phẩm** hay còn được gọi tên thông dụng là **ngộ độc thức
**Đông Kinh Nghĩa Thục** (; lập ra từ tháng 3 năm 1907 và chấm dứt vào tháng 11 năm 1907) là một phong trào nhằm thực hiện cải cách xã hội Việt Nam vào đầu
liên_kết=https://en.wikipedia.org/wiki/File:Vesalius-copy.jpg|thế=|nhỏ|357x357px|Một bức vẽ giải phẫu chi tiết trong cuốn _[[De humani corporis fabrica_ của Andreas Vesalius, vào thế kỷ XVI. Cuốn sách đã đánh dấu sự ra đời của bộ môn giải phẫu học.]] **Giải
nhỏ|Một máy NCR Personas 75-Series, máy ATM đa chức năng ở Hoa Kỳ nhỏ|213x213px|[[Otto., một máy ATM Phần Lan]] nhỏ|Các máy ATM trong nhà có kích thước nhỏ hơn để thuận tiện cho việc chuyển
nhỏ|phải|Hình ảnh chụp X quang tay đeo [[nhẫn của nhà giải phẫu, nhà sinh lý học, nhà mô học người Thụy Sĩ Albert von Kölliker, chụp bởi Röntgen]] thế=X-quang hoặc phổi người|nhỏ|X-quang của phổi người
thumb|right|Quang học nghiên cứu hiện tượng [[tán sắc của ánh sáng.]] **Quang học** là một ngành của vật lý học nghiên cứu các tính chất và hoạt động của ánh sáng, bao gồm tương tác
**Hoàng hậu** (chữ Hán: 皇后; Kana: こうごうKōgō; Hangul: 황후Hwang Hu; tiếng Anh: Empress consort) là danh hiệu dành cho chính thê của Hoàng đế, bởi Hoàng đế sách lập. Danh hiệu này tồn tại trong
**_Chiến tranh giữa các vì sao: Tập III – Sự báo thù của người Sith_**) (tựa gốc tiếng Anh: **_Star Wars: Episode III – Revenge of the Sith_**) là một bộ phim không gian sử
**USS _Zane_ (DD-337/DMS-14/AG-109)** là một tàu khu trục lớp _Clemson_ được Hải quân Hoa Kỳ chế tạo vào cuối Chiến tranh Thế giới thứ nhất. Nó là chiếc tàu chiến duy nhất của Hải quân
**Đường Hiến Tông** (chữ Hán: 唐憲宗; 17 tháng 3 năm 778 - 14 tháng 2 năm 820), tên thật là **Lý Thuần** (李純), là vị Hoàng đế thứ 12 hay 14 của nhà Đường trong
**_Night of the Living Dead_** là một bộ phim kinh dị độc lập của Mỹ năm 1968 do George A. Romero đạo diễn, quay phim và biên tập, với kịch bản của John Russo và
**_The Lord of the Rings_** (, ) là một bộ phim hoạt họa phiêu lưu mạo hiểm có yếu tố hiện thực huyền ảo do Ralph Bakshi đạo diễn, được xuất phẩm vào ngày 15
nhỏ|Quang phổ của một ngọn [[lửa, cho thấy ba vạch chính, đặc trưng cho thành phần hóa học của các chất trong ngọn lửa.]] **Quang phổ học** hay **Phổ học** là ngành nghiên cứu về
Thống tướng **Suharto** (8 tháng 6 năm 1921 – 27 tháng 1 năm 2008), chính tả cũ là **Soeharto**, là tổng thống thứ nhì của Indonesia, ông giữ chức vụ nguyên thủ quốc gia trong
Tề Dượng vương **Vũ Văn Hiến** (chữ Hán: 宇文宪, 544 - 578), tên tự là **Bì Hà Đột**, người trấn Vũ Xuyên, Đại Quận , dân tộc Tiên Ti, là tướng lĩnh, hoàng thân nhà
**Amiăng** (bắt nguồn từ từ tiếng Pháp _amiante_ /amjɑ̃t/), giống với sợi thủy tinh là một tập hợp gồm sáu khoáng vật silicat xuất hiện trong tự nhiên, đều có chung một đặc tính amiăng
**Viêm gan B** là bệnh truyền nhiễm ảnh hưởng đến gan do virus viêm gan B (HBV) gây ra. Đây là một dạng viêm gan do virus có thể gây tình trạng nhiễm virus cấp
**Hồng cầu** (tiếng Anh: **Red blood cells**, hay gọi là **erythrocytes** , còn -_cyte_ được dịch là 'tế bào' theo cách dùng hiện đại trong tài liệu khoa học; ngoài ra có các tên tiếng
**Thu phí điện tử** (hay thu phí tự động không dừng, , viết tắt là ETC) là một hệ thống không dây để tự động thu phí sử dụng hoặc phí đối với các phương
**Tổng chất rắn lơ lửng** (TSS) là trọng lượng khô của đất bị giữ lại bởi lưới lọc. Nó là một chỉ tiêu đánh giá chất lượng nước sử dụng để đo lường chất lượng
**Nữ quan** (chữ Hán: 女官), hay còn gọi **Nội quan** (内官), **Cung quan** (宮官) hoặc **Sĩ nữ** (仕女), là những từ hay dùng để gọi các cung nữ cao cấp có phẩm trật cùng địa
**Vladimir Ilyich Lenin** (tên khai sinh: **Vladimir Ilyich Ulyanov**; – 21 tháng 1 năm 1924) là một nhà cách mạng, nhà chính trị và lý luận chính trị người Nga. Ông là người sáng lập
Đây là danh sách các nhân vật xuất hiện từ tiểu thuyết võ hiệp **_Thiên long bát bộ_** của nhà văn Kim Dung. Có hơn 230 nhân vật trong cuốn tiểu thuyết, bao gồm cả
Một sự thể đồ hoạ của [[thông điệp Arecibo – nỗ lực đầu tiên của con người nhằm sử dụng sóng radio để thông báo sự hiện diện của mình tới các nền văn minh
**Nhà Thanh** hay **Trung Hoa Đại Thanh quốc**, **Đại Thanh Đế Quốc**, còn được gọi là **Mãn Thanh** (chữ Hán: 满清, ), là triều đại phong kiến cuối cùng trong lịch sử Trung Quốc. Nguồn
thumb|Hậu cung ở Trung Á **Phi tần** (chữ Hán: _妃嬪_, tiếng Anh: _Imperial consort_ / _Royal concubine_), **Thứ phi** (_次妃_), **Tần ngự** (_嬪御_) hoặc **Cung nhân** (_宮人_), là những tên gọi chung cho nàng hầu
**_Thư kiếm ân cừu lục_** (書劍恩仇錄) là một tiểu thuyết võ hiệp của nhà văn Kim Dung, được đăng trên _Tân vãn báo_ của Hồng Kông từ ngày 8 tháng 2 năm 1955 đến ngày