Tắt Quảng Cáo [X]
Cả nhà ơi, giúp kcs vớiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiii ..... :(( | Bụi phấn - Diễn đàn dạy và học
Cả nhà ơi, giúp kcs vớiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiii ..... :((

Thảo luận trong 'Vật lí' bắt đầu bởi kachiusa189, 9/11/09.

Lượt xem: 796

  1. kachiusa189 Điều hành viên

    Mọi người ơi giúp kcs 1 tẹo nha... Ai có am hiểu về kính hiển vi áh, nhất là phần "Cấu tạo & tên gọi các bộ phận của kính hiển vi" thì send giúp cho kcs với. Kcs học không chuyên về Lý nhưng sắp tới lại có 1 cuộc thi mà kcs phải trải qua, đó là Cuộc thi chuyên ngành của Khoa tổ chức, mà lại về cái kính này nữa... :cry: Tìm tòi khắp nơi hok có rồi, đành lên đây cầu kứu cả nhà thôi àh... Mong nhận được sự giúp đỡ của mọi người!

    Kcs cảm ơn cả nhà nhiều ơi là nhiều!!!
    Đang tải...

  2. Bình luận bằng Facebook

  3. lehoa012

    lehoa012 Điều hành viên Thành viên BQT

    Tìm hiểu về kính hiển vi điện tử



    [​IMG]

    1. Kính hiển vi quang học

    Trong các sách giáo khoa về Vật lý ở Việt Nam, kính hiển vi quang học được nhắc đến ngay từ phần Quang học lớp 12. Nhưng thực ra chỉ ở mức độ khái niệm và bài tập, còn biết rõ hơn chỉ những ai học Vật lý ở đại học. Các bạn là sinh viên Khoa Vật lý hoặc Khoa Sinh học chắc chẳng lạ gì những kính hiển vi quang học được làm quen ngay từ năm thứ nhất. Bức ảnh dưới đây là một ví dụ về kính hiển vi quang học.



    Hình 1. Kính hiển vi quang học.

    Kính hiển vi quang học (Optical Microscope - OM) sử dụng ánh sáng chiếu qua vật, tạo hình ảnh của vật (lớn hơn vật thật) thông qua các thấu kính quang học (Optical lens).Ta biết rằng, ánh sáng không thể nhiễu xạ trên các vật có kích thươc quá bé, nên do đó, độ phân dải của OM bị giới hạn bởi nửa bước sóng ánh sáng khả kiến. Tất nhiên hiện nay người ta chế tạo ra rất nhiều kính hiển vi quang học hiện đại, có thể quay phim trực tiếp, chụp ảnh kỹ thuật số... nhưng giới hạn kích thước của nó là không thể khắc phục (xin đừng nhầm với kính hiển vi quang học quét trường gần có thể quan sát kích thước nhỏ hơn nhưng sử dụng nguyên lý khác).



    2. Kính hiển vi điện tử (Electron Microscope)

    Kính hiển vi điện tử, có thể hiểu đơn giản như việc thay vì ta dùng chùm sáng để nhìn vật thể, thì ta dùng chùm điện tử để quan sát. Ta biết rằng, theo một nguyên lý của cơ học lượng tử, một hạt khi chuyển động với xung lượng p, sẽ tương ứng với 1 sóng có bước sóng l quan hệ với xung lượng p theo công thức de Broglie : λ=h/p

    Như vậy, ta có thể dễ dàng hiểu được nguyên lý làm việc của kính hiển vi điện tử khi coi chùm điện tử như chùm sáng, và dùng "chùm sáng" này để "nhìn" các vật thể nhỏ. Ta biết là với ánh sáng khả kiến, ta dùng thấu kính thủy tinh để hội tụ và tạo ảnh, vậy với sóng điện tử, ta hội tụ và tạo ảnh bằng gì? Không thể bằng thấu kính quang học được, mà phải bằng loại thấu kính khác, đó là thấu kính từ (magnetic lens), sẽ được trình bày chi tiết hơn ở dưới.

    2.1. Kính hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electron Microscope - TEM)

    Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) sử dụng một chùm điện tử hẹp chiếu xuyên qua mẫu, và tạo ảnh của vật thể giống như tạo ảnh quang học trong kính hiển vi quang học (xem hình so sánh bên dưới).

    [​IMG]

    Hình 2. So sánh kính hiển vi điện tử và kính hiển vi quang học.

    Điện tử được phát ra từ súng phóng điện tử được tăng tốc bởi một điện trường lớn (khoảng vài trăm kV) và hội tụ thành một chùm điện tử hẹp (nhờ hệ diaphragm và thấu kính từ), rồi chiếu xuyên qua mẫu mỏng, từ đó tạo ra ảnh thật của vật trên màn huỳnh quang. Trước tiên ta nói về cách tạo ra chùm điện tử.

    a) Cách tạo ra chùm điện tử

    - Cách thứ nhất: Dùng ống cathode sợi đốt (Thermo-ionic gun)

    Ống cathode là một sợi dây tóc được nung nóng đặt trong chân không, điện tử phát ra do bị nung nóng (phát xạ nhiệt điện tử). Cường độ chùm điện tử phát ra sẽ tuân theo định luật Richardson:

    J = A.T2.exp(-F/kT)

    Ở đây A là hằng số Richardson, T là nhiệt độ, k là hằng số Boltzmann, F là công thoát điện tử tại bề mặt chất dùng làm sợi đốt.

    Có thể hiểu đơn giản là điện tử thoát ra khỏi liên kết trong chất nhờ sự kích thích của năng lượng nhiệt. Ta cũng biết rằng đốt nóng như thế, sợi đốt sẽ rất nhanh bị hỏng, nên nó phải được làm bằng những chất có khả năng chịu nhiệt cao, mà phổ biến là tungsten, W, hay gần đây là đơn tinh thể LaB6 (có độ bền cao và khả năng phát xạ mạnh). Dưới đây là hình ảnh của ống phóng điện tử tia Cathode.

    [​IMG]

    Hình 3. Ống phóng tia Cathode.

    Điện tử phát ra từ filament sẽ đi đến một điện cực gọi là điện cực Wehnett có tác dụng như một thấu kính tĩnh điện, vừa tăng tốc sơ cấp, vừa có tác dụng định hướng chuyển động của chùm điện tử chuyển động theo một phương nhất định. Và sau đó nó đi đến Anode và được tăng tốc. Ta biết rằng, dưới thế tăng tốc V, điện tử thu được động năng E = e.V. Đồng thời, ta lại biết quan hệ giữa động năng và xung lượng là E = p2/2me. Như vậy, nếu chưa tính đến hiệu ứng tương đối tính, bước sóng của điện tử có thể tính theo công thức:




    Nếu thế tăng tốc lớn (cỡ trên 200 kV), vận tốc của điện tử rất lớn, và lúc đó hiệu ứng tương đối tính trở nên đáng kể, và ta phải sử dụng các hệ thức tương đối tính, do vậy bước sóng phải được tính theo công thức tổng quát:


    Bảng dưới đây cho ta một cái nhìn về mối quan hệ giữa bước sóng, vận tốc và khối lượng điện tử với hiệu điện thế tăng tốc.

    Bảng 1. Sự phụ thuộc của bước sóng, khối lượng và vận tốc điện tử vào thế tăng tốc (theo Williams and Carter, Transmission Electron Microscope, Vol. I, pp.13).

    V (kV)
    Bước sóng (phi tương đối tính, nm)
    Bước sóng (tương đối tính, nm)
    Khối lượng (x m0)
    Vận tốc (x108 m/s)

    100
    0.00386
    0.00370
    1.196
    1.644

    120
    0.00351
    0.00335
    1.235
    1.759

    200
    0.00273
    0.00251
    1.391
    2.086

    300
    0.00223
    0.00197
    1.587
    2.330

    400
    0.00193
    0.00164
    1.783
    2.484

    1000
    0.00122
    0.00087
    2.957
    2.823


    Các TEM hiện nay có thế tăng tốc thường từ 100-300 kV, với các TEM đặc biệt thì người ta dùng thế tăng tốc tới hàng ngàn kV để quan sát các chi tiết siêu nhỏ. Những kính đó vận hành cực kỳ phức tạp và tốn kém, đồng thời cũng đòi hỏi những thấu kính từ cực kỳ tinh tế.

    Ống tia cathode có ưu điểm là rẻ tiền, không đòi hỏi điều kiện chân không cao, nhưng có tuổi thọ không cao, đồng thời cường độ chùm điện tử cũng như độ kết hợp (hay độ "đơn sắc") của chùm điện tử không cao (xem bảng 2).

    - Cách thứ hai: Sử dụng ống phát xạ trường (Field Emission Gun)

    Đây là một cách đang dần phổ biến và thay thế ống phát tia cathode. Thực chất, về mặt vật lý, nó có cùng bản chất với cách trên. Nếu như tia cathode sử dụng năng lượng nhiệt để giúp điện tử thoát ra khỏi bề mặt, thì ống phát xạ trường sử dụng điện trường để giúp điện tử thoát ra.


    [​IMG]

    Hình 4. Ống phát xạ trường.

    Hình trên mô tả ảnh chụp của một đầu mũi phát xạ trường và mô hình của bộ phát xạ điện tử theo nguyên lý phát xạ trường.

    Ống phát xạ trường cũng có 2 anode giống như kiểu ống tia cathode, nhưng vai trò hơi khác. Anode đầu tiên dùng để tạo điện trường bứt điện tử ra khỏi mũi phát xạ trường. Yêu cầu đầu tiên để có thể tạo ra hiệu ứng phát xạ trường là bề mặt của mũi phát xạ phải sạch và không được ôxi hoá, do đó nó bắt buộc phải đặt trong chân không siêu cao (UHV - Ultra High Vacuum). Anode thứ hai có vai trò tăng tốc điện tử giống như trong ống cathode.

    Như bảng 1, với hiệu điện thế tăng tốc 100 kV, ta có thể tạo ra điện tử có bước sóng nhỏ tới 0,0038nm, tức là trên lý thuyết, ta có thể tạo ra độ phân giải tốt nhất đến 0,0038nm. Tuy nhiên đó chỉ là trên lý thuyết vì ta không thể tạo được thấu kính từ hoàn hảo để có thể tập trung chùm điện tử với độ phóng đại cực lớn được.
    Bảng dưới đây so sánh các tính chất của hai loại súng phóng điện tử là ống cathode và ống phát xạ trường.

    Bảng 2. So sánh ống phóng tia cathode và ống phát xạ trường (PXT).


    Đơn vị
    Tungsten
    LaB6
    PXT

    Công thoát
    eV
    4,5
    2,4
    4,5

    Hệ số Richardson
    A/m2K2
    6.105
    4.105
    --

    Nhiệt độ hoạt động
    K
    2700
    1700
    300

    Cường độ dòng
    A/m2
    5.104
    106
    1010

    Kích thước hội tụ
    mm
    50
    10
    < 0,01

    Độ sáng
    A/m2sr
    109
    5.1010
    1013

    Năng lượng ngưỡng
    eV
    3
    1,5
    0,3

    Độ ổn định dòng
    %/h
    < 1
    < 1
    5

    Chân không
    Pa
    10-2
    10-4
    10-8

    Tuổi thọ
    h
    100
    500
    > 1000




    Ta có thể thấy rõ ràng là ống phát xạ trường tốt hơn rất nhiều so với ống tia cathode:
    - Hoạt động không cần nhiệt độ cao, do đó có độ bền (tuổi thọ) rất cao.
    - Độ "đơn sắc" rất cao, tức là độ sai lệch về bước sóng giữa các điện tử rất nhỏ, điều này cực kỳ hữu ích khi quan sát ảnh nhiễu xạ điện tử.
    - Cường độ dòng điện tử cực lớn và tạo ra ảnh có độ sáng cao.
    Tuy nhiên, do phải hoạt động ở chân không siêu cao và công nghệ chế tạo phức tạp nên giá thành của ống phát xạ trường còn rất cao so với ống phát tia cathode, do đó hiện nay ống phát xạ trường vẫn chưa hoàn toàn thay thế cho ống tia cathode.

    b) Thấu kính từ (magnetic lens)

    [​IMG]

    Hình 5. Cấu tạo của thấu kính từ.

    Kính hiển vi quang học tạo ra ảnh thật lớn hơn vật rất nhiều lần thông qua thấu kính quang học (ví dụ như thấu kính thủy tinh) theo các nguyên lý khúc xạ của quang học. Kính hiển vi điện tử cũng tạo ảnh theo các quy tắc khúc xạ quang học như thế, có điều là dùng thấu kính từ (xem hình 5). Và ta có quang học sóng điện tử. Thấu kính từ hoạt động dựa trên nguyên lý lệch đường đi của điện tử trong từ trường dưới tác dụng của lực Lorentz. Ta có thể dễ dàng tính bán kính quỹ đạo điện tử dưới tác dụng của lực Lorentz theo công thức:
    [​IMG]

    với E, E0, B lần lượt là năng lượng của điện tử dưới thế tăng tốc V, năng lượng nghỉ và cảm ứng từ trong.

    Nhưng vậy, ta có thể điều khiển quỹ đạo của điện tử bằng cách điều khiển sự phân bố của từ trường B trong khe từ tạo cho điện tử chuyển động giống như sự khúc xạ của ánh sáng trong thấu kính quang học. Thấu kính từ thực chất là một hệ vòng dây cuốn trên lõi sắt từ mềm được làm lạnh bằng nước hoặc nito lỏng. Khe từ tạo ra sẽ có từ trường phân bố thích hợp để điều khiển quỹ đạo của điện tử (xem hình 5 và 6).

    [​IMG]

    Hình 6. Sự truyền qua của điện tử qua thấu kính từ.

    Nhìn vào bảng 1, ta thấy rằng chỉ cần thế tăng tốc 100 kV, ta có thể có chùm điện tử với bước sóng nhỏ tới 0,0038 nm, có nghĩa là về mặt lý thuyết, ta có thể có kính hiển vi có độ phân giải tới 0,0038 nm. Nhưng trên thực tế, việc tạo các thấu kính từ hoàn hảo là vô cùng phức tạp, do đó chưa thể có những thấu kính từ hoàn hảo cho độ phóng đại cao, và độ phân giải chưa thể đạt tốt như lý thuyết.

    Hiện nay, người ta bắt đầu sử dụng các cuộn dây siêu dẫn làm thấu kính từ, bởi cuộn dây siêu dẫn có khả năng cho từ trường cực lớn trong phạm vi nhỏ gọn do vậy có thể tạo ra các thấu kính từ cực kỳ hoàn hảo. Điểm yếu nhất của thấu kính từ sử dụng cuộn siêu dẫn là khó điều khiển dòng điện dẫn đến việc khó điều khiển từ trường (tức là điều khiển tiêu cự).

    c) Sự tạo ảnh trong TEM

    Có ba kiểu tạo ảnh cơ bản (phổ biến) trong TEM đó là tạo hình ảnh thật của vật thể (trường tối, trường sáng), tạo ảnh nhiễu xạ điện tử (electron diffraction) và ảnh cấu trúc domain (ảnh Lorentz).

    - Tạo ảnh thật:
    [​IMG]

    Hình 7. Tạo ảnh qua thấu kính: in focus (b) và defocus (a, c).

    Ảnh thật của vật thể được tạo ra theo quy tắc quang hình học, tức là ta coi các chùm điện tử như tia sáng chiếu qua vật, và khúc xạ qua thấu kính từ để tạo ảnh trên màn huỳnh quang. Ảnh đó gọi là ảnh trường sáng (Bright Field Image). Ảnh có thể tạo ra trên đúng vị trí theo sự tạo hình quang học gọi là chế độ in focus, nhưng nếu ảnh thu trên màn không rơi vào mặt phẳng tạo ảnh mà ở trước hay sau, người ta gọi là chế độ defocus. Defocus được sử dụng để quan sát ảnh Lorentz.

    Một kiểu tạo ảnh khác là ảnh trường tối (Dark Field Image), nhằm quan sát các độ tương phản khác nhau. Nguyên lý của DF là tạo ảnh từ các chùm tia điện tử bị tán xạ theo những góc khác nhau (xem hình 8).

    [​IMG]

    Hình 8. Tạo ảnh trường sáng (BF) và trường tối (DF).

    Ảnh trường tối có thể cho các độ tương phản rõ giữa các hạt nhưng khó tạo ra ở độ phóng đại lớn, trong khi ảnh trường sáng dễ dàng tạo ra ở độ phóng đại lớn.

    - Tạo ảnh nhiễu xạ điện tử

    Ta biết rằng, điện tử là một sóng, mà một sóng khi chiếu qua mẫu vật sẽ có sự nhiễu xạ trên các mặt phẳng tinh thể. Tính tuần hoàn của các mặt tinh thể đóng vai trò như các cách tử nhiễu xạ, và nếu ta điều chỉnh màn ảnh tại vị trí mặt phẳng tiêu của kính ảnh, sẽ thu được ảnh nhiễu xạ điện tử.

    + Phương pháp nhiễu xạ lựa chọn vùng điện tử (Selected Area Electron Diffraction - SAED): có thể hiểu đơn giản là dùng chùm điện tử song song chiếu vuông góc với mẫu. Ảnh tạo ra giống như hình ảnh giao thoa quang học qua lỗ tròn, tức là gồm các vòng tròn đồng tâm (như vân Newton).


    [​IMG]

    Hình 9. Ảnh SAED - các vân nhiễu xạ là các đường tròn đồng tâm (J. Chapman et al.).


  4. lehoa012

    lehoa012 Điều hành viên Thành viên BQT

    Nếu mẫu là đơn tinh thể, ảnh sẽ gồm các điểm sáng sắp xếp trên các vòng tròn đồng tâm. Mỗi vòng tròn tương ứng với họ các mặt phẳng tinh thể. Còn nếu mẫu là đa tinh thể , các vành sáng sẽ rõ nét là các vòng tròn sắc nét, còn nếu mẫu là vô định hình (do chỉ có trật tự gần) thì hình ảnh là các vòng tròn nhưng không rõ nét (xem hình 9).

    Phương pháp SAED là phương pháp dễ thực hiện, có thể xác định các hằng số mạng nhưng độ chính xác không cao, và khó xác định định hướng và tính đối xứng tinh thể.

    + Phương pháp nhiễu xạ bằng chùm điện tử hội tụ (Convergent Beam Electron Diffraction - CBED). Hiểu đơn giản là dùng chùm điện tử hội tụ chiếu xuyên qua mẫu để tạo ảnh nhiễu xạ (hình 10).

    [​IMG]

    Hình 10. Tạo ảnh CBED.

    Cách làm này khó thực hiện hơn, nhưng cho phép xác định cấu trúc tinh thể, đối xứng tinh thể và định hướng tinh thể với độ chính xác cao. Ảnh nhiễu xạ là các điểm sáng rõ nét (nếu mẫu đơn tinh thể), tinh thể càng hoàn hảo càng rõ nét.
    [​IMG]


    Hình 11. Ảnh nhiễu xạ điện tử chùm hội tụ (CBED).

    Trong hai phương pháp trên, để xác định cấu trúc tinh thể, ta có các công thức về nhiễu xạ như sau:

    Để tạo ra cực đại nhiễu xạ, khoảng cách giữa các mặt phẳng tinh thể d thoả mãn công thức Bragg:

    2d.sin(θ)=n.λ, ở đây, θ,λ lần lượt là góc nhiễu xạ, bước sóng chùm điện tử, n là bậc giao thoa, thông thường là giao thoa bậc 1 (n=1). Do đó, ta có công thức đầu tiên:
    2d.sin(θ)=λ hay 2sin(θ)=λd

    Mặt khác ta có, do góc θ rất nhỏ, có thể tính xấp xỉ sin(θ)≈tan(θ)=xL với x,L lần lượt là khoảng cách từ vân trung tâm đến vị trí vân sáng, và khoảng cách từ thấu kính đến màn tạo ảnh (hình 12).

    Do vậy, ta có công thức:

    d=λ.L/(2.x)

    [​IMG]

    Hình 12. Sự tạo ảnh nhiễu xạ theo quy tắc quang học.

    Như vậy, khi muốn tính toán dựa trên ảnh nhiễu xạ điện tử, ta cần biết các thông số:
    - Bước sóng của điện tử (liên quan đến thế tăng tốc, xem ở phần trên)

    - Khoảng cách L từ thấu kính từ trên màn (có thể xác định trong quá trình điều chỉnh máy).

    - Khoảng cách x có thể đo trực tiếp từ trên ảnh nhiễu xạ.

    Ảnh nhiễu xạ điện tử cực kỳ quan trọng trong các phân tích cấu trúc nano. Từ các dữ liệu về nhiễu xạ điện tử, ta có thể xác định cấu trúc tinh thể các hạt nano, loại tinh thể, sự định hướng, các thông số mạng tinh thể từ đó cho ta các thông tin chính xác về hạt.

    - Ảnh cấu trúc domain (ảnh Fresnel).

    Khi một mẫu sắt từ được phân chia thành các domain, tức là các mô men từ định hướng khác nhau trong các domain ấy. Khi điện tử truyền qua mẫu đó, sẽ tán xạ khác nhau ở các vùng mà mô men từ định hướng khác nhau, người ta dựa trên sự lệch hướng của điện tử sau khi truyền qua đó để thu ảnh Fresnel cấu trúc domain (như hình vẽ dưới đây).

    [​IMG]
    Hình 13. Sự tạo ảnh cấu trúc domain trong TEM (J. Chapman et al.).

    Để quan sát ảnh Fresnel, người ta thường đặt ở chế độ với độ phóng đại thấp, điều chỉnh thu ảnh ở chế độ defocus (xem hình 7). Ảnh Fresnel cho ta thông tin về cấu trúc domain của các vật liệu từ tính, đồng thời người ta có thể quan sát động học từ tính từ ảnh Fresnel nếu ta đặt thêm từ trường vào mẫu trong quá trình quan sát.

    d). Mẫu như thế nào thì có thể quan sát bằng TEM?

    Phần này nói về việc phải xử lý mẫu như thế nào trước các phép đo đạc của TEM. Ta biết là điện tử là một chùm hạt, TEM hoạt động bằng cách chiếu xuyên qua mẫu, có nghĩa là hoàn toàn điện tử có thể bị tương tác với mẫu gây ra các hiệu ứng:

    - Có điện tử bị bật ngược trở lại (điện tử tán xạ ngược)

    - Phát ra tia X

    - Mẫu hấp thụ điện tử

    ....

    Có nghĩa là nếu mẫu dày quá thì điện tử khó mà xuyên qua được mẫu, như vậy đừng hòng ta mong quan sát được gì. Vậy, làm thế nào để có mẫu mỏng? Câu trả lời là phải xử lý thôi!

    - Mài cơ học: Mài cơ học có thể cho các mẫu có độ dày tới xung quanh 50 mm, và các phép mài tinh tế hơn có thể cho độ dày xuống cỡ 30 mm.

    - Ăn mòn: Ăn mòn điện hóa, ăn mòn bằng chùm ion... (hình 14)

    - Hoặc cắt các lát cắt mỏng bằng chùm ion hội tụ (xem ảnh 15).
    [​IMG]

    Ăn mòn điện hoá
    [​IMG]

    Hình 14. Ăn mòn bằng điện hóa và ăn mòn chùm ion.

    Với các mẫu là dạng bột, việc xử lý chúng khá đơn giản, chỉ cần dùng một lưới (màng) Cácbon, hòa bột vào dung môi và dùng lưới này vớt thành các màng mỏng phủ trên màng Cácbon.

    [​IMG]

    Hình 15. Một mẫu màng xử lý bằng chùm ion hội tụ (focused ion beam) để quan sát mặt cắt của màng.

    Thông thường, với thế tăng tốc cỡ 100 kV, màng phải có độ dày dưới 500 nm mới có thể quan sát được. Các máy TEM mua về luôn phải đi kèm với các thiết bị xử lý, và việc xử lý mẫu chiếm rất nhiều thời gian.

    e) Một vài hình ảnh về TEM

    Mặc dù TEM ra đời từ những năm 30 của thế kỷ 20, nhưng đến nay nó vẫn là một loại thiết bị hiện đại bởi rất nhiều tính năng mạnh của nó, và tính năng liên tục được nâng cấp. Độ phóng đại của TEM có thể đạt tới vài trăm nghìn lần đến một vài triệu lần.

    Tôi đang làm việc trên 3 thiết bị TEM: Tecnai T20, F20 và Philips CM20 (chuyên để quan sát ảnh Fresnel) ở một nhóm chuyên về TEM dưới đây là một số hình ảnh về thiết bị này.

    [​IMG]
    Hình 16. Kính hiển vi T20 (Tecnai), có độ phóng đại tới 1 triệu lần tại phòng thí nghiệm tôi đang làm việc.


    Hình 17. Một bức ảnh chụp bởi T20, có độ phóng đại 145 ngàn lần thực hiện trên mẫu chất lỏng từ Fe3O4.

    Có thể nói, TEM rất mạnh, nhưng nó vẫn là một thiết bị đắt tiền. Một điểm kém của nó là khâu xử lý mẫu tốn nhiều thời gian, lại phải tạo môi trường chân không cao cho các thiết bị. Chính vì thế, một thiết bị ra đời muộn hơn TEM rất nhiều là kính hiển vi điện tử quét (SEM) đã nhanh chóng phổ biến hơn TEM bởi rẻ tiền và dễ sử dụng hơn (dù ko mạnh như TEM), xin đón đọc ở phần sau.



    2.2. Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope - SEM)

    Kính hiển vi điện tử quét (SEM) ra đời vào những năm 70 của thế kỷ 20 và nhanh tróng trở nên phổ biến hơn TEM do: rẻ tiền hơn nhiều, không phải xử lý mẫu phức tạp như TEM, không đòi hỏi chân không cao, không phá hủy mẫu... Nhưng tất nhiên, đồ rẻ thì đừng mơ chất lượng quá cao như TEM.

    SEM hoạt động trên nguyên tắc dùng một chùm điện tử hẹp chiếu quét trên bề mặt mẫu, điện tử sẽ tương tác với bề mặt mẫu đo và phát ra các bức xạ thứ cấp (điện tử thứ cấp. điện tử tán xạ ngược...) và từ việc thu các bức xạ thứ cấp này, ta sẽ thu được hình ảnh vi cấu trúc tại bề mặt mẫu (hình 18). Có thể hiểu việc này một cách đơn giản (tất nhiên không hoàn toàn chính xác) là dùng đèn soi lên mặt một vật và nhìn ánh sáng phản xạ để biết tấm hinh thù ra sao.

    [​IMG]

    Hình 18. Sơ đồ nguyên lý của SEM.

    Độ phóng đại của SEM không nằm chính ở vật kính mà nằm ở kích thước chùm điện tử và khả năng quét của chùm điện tử (chùm điện tử càng hẹp, bước quét càng bé thì độ phóng đại càng lớn). SEM hoạt động không đòi hỏi môi trường chân không quá cao (do động năng điện tử ở SEM không lớn như TEM). Do quan sát vi cấu trúc bề mặt nên SEM có thể quan sát trực tiếp mà không cần phá hủy hay xử lý mẫu (điều này đặc biệt có ý nghĩa cho việc quan sát các linh kiện, máy móc nhỏ hay mẫu sinh học...). Đối với các vật liệu khó quan sát, đôi khi người ta thực hiện các phép xử lý bổ sung nhằm làm tăng chất lượng ảnh:

    - Mài bóng (mài cơ, mài bột mịn)

    - Tẩm thực, ăn mòn hóa học. Việc ăn mòn hóa học nhằm làm ăn hết các biên hạt, giúp cho các hạt lộ ra rõ hơn.

    - Phủ cực: Tức là phủ một lớp vàng rất mỏng (chỉ vài Angstron) lên bề mặt, nhằm làm tăng độ dẫn và tăng độ phản xạ với các điện tử do đó làm tăng độ phân giải của ảnh SEM.

    Điểm kém của SEM là chỉ cho hình ảnh vi cấu trúc bề mặt, không tạo được ảnh nhiễu xạ điện tử nhưng nó dễ sử dụng hơn và rẻ tiền hơn.

    Dưới đây là một số hình ảnh về kính hiển vi SEM và các kết quả
    [​IMG]

    Hình 19. Kính hiển vi Jeol 5410 LV tại Trung tâm Khoa học Vật liệu, Trường ĐHKHTN (Đại học Quốc gia Hà Nội).


    Mẫu hợp kim nano tinh thể



    Mẫu sinh học

    Hình 20. Một số kết quả thực hiện bởi kính Jeol 5410 nói trên.

    3. Một số phép phân tích đi kèm trong kính hiển vi điện tử

    Ngoài chức năng quan sát, kính hiển vi điện tử còn là một công cụ hữu hiệu trong phân tích dựa trên việc phân tích tương tác giữa điện tử và chất rắn (xem hình 21).


    Hình 21. Tương tác điện tử với chất rắn.

    Khi một chùm điện tử có năng lượng cao chiếu tới bề mặt một mẫu chất rắn, có khả năng phát ra các bức xạ:

    - Điện tử tán xạ ngược

    - Điện tử thứ cấp

    - Tia X

    - Điện tử Auger

    - Ánh sáng phát xạ...

    ....

    Từ việc thu các bức xạ này, ta có thể có thêm nhiều các thông tin lý thú về tính chất vật lý của mẫu đo dựa trên một số phổ

    3.1. Phổ tán sắc năng lượng (Energy Dispersive Spectrum - EDS, hay EDX), phổ huỳnh quang tia X (X-ray Luminescent Spectrum)

    Ta biết rằng, khi điện tử tương tác với nguyên tử, nó có thể phát ra các tia X đặc trưng, chỉ phụ thuộc vào cấu trúc nguyên tử mà thôi (định luật Mosley). Do đó, từ phổ đặc trưng này, ta có thể thu được các thông tin về các nguyên tố có mặt trong mẫu, tỉ lệ các nguyên tố... với độ chính xác cao. EDS hay EDX luôn đi kèm trong TEM và SEM (hình 22 là một ví dụ).



    Hình 22. Phổ EDS phân tích thành phần.



    3.2. Phổ Auger (Electron Auger Spectroscopy)

    Khi điện tử tương tác với chất rắn, nó có thể phát ra các điện tử đặc trưng ở bề mặt gọi là điện tử Auger. Điện tử Auger chỉ phát ra được trong điều kiện chân không siêu cao, vì thế mà phép phân tích Auger cũng là một phép phân tích khá đắt tiền, nhưng cực kỳ hữu hiệu trong các phân tích bề mặt.



    Hình 23. Phổ Auguer.



    3.3. Phổ tổn hao năng lượng điện tử (Electron Energy Loss Spectrum - EELS)

    Khi điện tử tương tác với vật rắn, có thể bị bật ngược trở lại hoặc tán xạ theo các phương, một số điện tử sẽ bị mất mát động năng do tương tác với nguyên tử. Từ phổ này, ta có thể thấy các thông tin về nguyên tố, liên kết hóa học...


    Hình 24. Phổ EELS.

    .....

    ...

    Và còn nhiều loại phân tích khác rất đa dạng trong các kính hiển vi.



    4. Kết luận

    Kính hiển vi điện tử là một công cụ phân tích cực kỳ hiệu quả và chính xác trong nghiên cứu khoa học, được dùng không chỉ trong vật lý chất rắn, khoa học vật liệu mà còn dùng trong hóa học, sinh học... Cho đến hiện nay, SEM và TEM vẫn là 2 loại thiết bị phổ biến nhất. Ngoài 2 loại này, ta còn gặp nhiều loại kính hiển vi khác như kính hiển vi lực nguyên tử (Atomic Force Microscope - AFM), hay kính hiển vi quét đầu dò (Scanning Probe Microscope - SPM) hay kính hiển vi quét chui hầm (Scanning Tunnelling Microscope - STM)... nhưng không hoạt động dựa trên chùm điện tử động năng cao. Người ta thích sử dụng TEM hay SEM vì chúng cho ảnh thật, có độ tương phản cao, dễ dàng phân tích, đồng thời có nhiều các phân tích về cấu trúc, thành phần... đi kèm.

    Ở Việt Nam, có thể tìm kính hiển vi điện tử ở đâu?

    Hiện nay, đã có nhiều cơ quan nghiên cứu ở Việt Nam đang sở hữu nhiều kính hiển vi điện tử (chủ yếu là SEM) khá hiện đại như:

    - Trung tâm Khoa học Vật liệu, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên (Đại học Quốc gia Hà Nội) sở hữu một SEM.

    - Viện Khoa học Vật liệu, Viện Khoa học và Công nghệ VN - sử dụng SEM, mới trang bị AFM và SPM (không rõ đã có TEM chưa).

    - Viện Vệ sinh Dịch tễ (Hà Nội) sử dụng một TEM từ rất lâu.

    ....

    Và nhiều cơ quan khác mà tôi không biết hết. Tuy nhiên, TEM ở VN còn chưa phổ biến vì nó rất đắt tiền. Hi vọng trong tương lai không xa, chúng ta có thể sử dụng TEM một cách phổ thông hơn.

    Sách về TEM: Williams and Carter, Transmission Electron Microscope - Một cuốn sách viết rất hay, đơn giản, xúc tích và dễ hiểu, gồm 3 volume, các bạn có thể đi tìm và download nó về tìm hiểu nhé.

  5. lehoa012

    lehoa012 Điều hành viên Thành viên BQT

    kachiusa tự lọc ra đi nhé :razz:

  6. kachiusa189

    kachiusa189 Điều hành viên

    Cảm ơn Hòa nhìu, nhưng mà kcs chỉ cần cái cấu tạo của nó (bằng tiếng Việt, nếu có minh họa thì càng tốt) thôi Hòa ơi, hix, thứ 7 là thi o`y... Kcs cũng thử tìm mấy cái hình trên internet (bằng tiếng anh) rồi dịch ra, nhưng mà hình như là không đúng lắm thì phải áh... :cry:

  7. lehoa012

    lehoa012 Điều hành viên Thành viên BQT

    Kính hiển vi có rất nhiều loại. Kính hiển vi mà các bạn thường thấy và được học trong chương trình lớp 12 là kính hiển vi quang học.
    Kính hiển vi quang họcđược cấu từ những thấu kính quang học và gương quang học, để tạo nên hình ảnh có độ phóng đại (Độ bội giác) lớn để mắt con người có thể quan sát được những vật có kíck thước nhỏ và rất nhỏ ( nằm ngoài khả năng quan sát rõ của mắt con người).

    Về cấu tạo chi tiết của Kính hiển vi quang học em có thể xem trong sách Vật lý lớp 12 và cách tính độ bội giác.

    Quan sát trùng roi thì chỉ cần dùng kính hiển vi quang học với độ bội giác 500- 1000 lần là có thể quan được khá rõ rồi.

    Ngoài kính hiển vi quang học thông thường thì còn có nhiều loại kính hiển vi khác với độ bội giác lên tới hàng trăm ngàn hay hàng triệu triệu lần như kính hiển vi điện tử, kính hiển vi lực nguyên tử...

    Kính hiển vi điện tử là tên gọi chung của nhóm thiết bị quan sát cấu trúc vi mô của vật rắn, hoạt động dựa trên nguyên tắc sử dụng sóng điện tử được tăng tốc ở hiệu điện thế cao để quan sát (khác với kính hiển vi quang học sử dụng ánh sáng khả kiến để quan sát.

    Nguyên tắc hoạt động của kính hiển vi điện tử hoàn toàn khác với nguyên tắc hoạt động của kính hiển vi quang học mà sử dụng sóng điện từ để quét lên bề mặt vật quan sát, dùng máy tính thể thu lại những biến đổi và hiện thị hình ảnh quan sát trên màn hình máy tính.
    Loại KHV này có thể quan sát được những chi tiết cực nhỏ như nguyên tử, electron,... với độ phóng đại hàng triệu lần ( 10 mũ 9 lần)



    Ngoài ra còn có Kính hiển vi lực nguyên tử với nhiều ưu điểm và hiện đại hơn.

    Kính hiển vi lực nguyên tử hay kính hiển vi nguyên tử lực là loại kính hiển vi là một thiết bị quan sát cấu trúc vi mô bề mặt của vật rắn dựa trên nguyên tắc xác định lực tương tác nguyên tử giữa một đầu mũi dò nhọn với bề mặt của mẫu, có thể quan sát ở độ phân giải nanômét, được sáng chế bởi Gerd Binnig, Calvin Quate và Christoph Gerber vào năm 1986.

    Loại kính này dùng lực hút giữa các nguyên tử để xác định hình dạng bề mặt của vật quan sát.

    Còn khá nhiều loại KHV nữa mà nguyên tắc hoạt động của nó không dựa vào các thấu kính quang học như em đã học ở chương trình lớp 12. Em có thể tìm hiểu rõ hơn ở trang web http://vi.wikipedia.org/.

    Chúc em học tốt. Thân
    (Các) nguồn

    vi.Wikimedia.org

Chia sẻ trang này