Tích hợp PeakForce Tapping với TUNA để lập bản đồ đặc tính điện và cơ học nâng cao
PeakForce TUNA cho phép lập bản đồ đồng thời tính chất điện và cơ học ở cấp độ nano
Các phép đo độ dẫn điện dựa trên kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) là một kỹ thuật mạnh mẽ để đặc trưng tính chất điện ở cấp độ nanomet trên nhiều loại mẫu vật khác nhau. Theo truyền thống, các phép đo này được chia thành hai loại: AFM dẫn điện (CAFM) – dùng cho dải dòng điện cao hơn (từ dưới nanoampe đến microampe), Tunneling AFM (TUNA) – dùng cho dải dòng điện thấp hơn (từ dưới picoampe đến nanoampe). Do các giới hạn thực tiễn, hầu hết các phép đo AFM dẫn điện đều bị giới hạn trong chế độ Tiếp xúc (Contact Mode) của AFM. Đối với TUNA, hiện nay thuật ngữ này thường được dùng để chỉ cả mô-đun cảm biến lẫn kỹ thuật đo, bất kể mức dòng điện. Về mặt kỹ thuật, TUNA có 3 thành phần chính: 1) Cảm biến dòng điện, hay còn gọi là mô-đun TUNA, 2) Đầu dò dẫn điện AFM và 3) Chế độ vận hành cơ bản của AFM. Mỗi thành phần trên đều góp phần tạo nên khả năng của kỹ thuật này, nhưng cũng đồng thời giới hạn hiệu suất của nó. Việc cải thiện bất kỳ thành phần nào trong số đó đều có thể nâng cao hiệu năng tổng thể và mở rộng ứng dụng của kỹ thuật. Bruker đã phát triển một mô-đun TUNA cải tiến kết hợp với chế độ vận hành PeakForce Tapping™ độc quyền, mang lại những cải tiến đáng kể ở cả ba thành phần, cho phép 1) Kiểm soát lực đầu dò–mẫu vật một cách tinh vi, phù hợp với các mẫu vật mềm và dễ hư hỏng, 2) Lập bản đồ định lượng các tính chất cơ học vật liệu ở cấp độ nano thông qua PeakForce QNM™, 3) Đặc trưng tính chất điện ở cấp độ nano một cách tương quan thông qua TUNA, 4) Vận hành cực kỳ dễ dàng nhờ vào thuật toán tối ưu hình ảnh ScanAsyst™. Ngoài ra, một loại đầu dò chuyên dụng cũng được thiết kế để sử dụng với các mẫu đặc biệt khó đo. Bài viết này trình bày những cơ sở của PeakForce TUNA, so sánh với TUNA dựa trên chế độ Tiếp xúc truyền thống, và cung cấp dữ liệu minh chứng cho các khả năng độc đáo cũng như các ứng dụng khác biệt đạt được thông qua sự kết hợp giữa PeakForce Tapping và kỹ thuật đo độ dẫn điện bằng AFM.
Hiệu suất tổng thể của kỹ thuật lập bản đồ độ dẫn điện dựa trên AFM phụ thuộc trực tiếp vào chế độ vận hành của nó, tức là các lợi ích và hạn chế của chế độ vận hành sẽ ảnh hưởng đến hiệu quả đo đạc.
TUNA dựa trên chế độ tiếp xúc (Contact-TUNA)
Việc đo độ dẫn điện ở cấp độ nano lần đầu tiên được thực hiện thông qua AFM chế độ tiếp xúc sử dụng mũi dò dẫn điện và mô-đun cảm biến dòng điện. Contact-TUNA đã được ứng dụng rộng rãi trong các phòng thí nghiệm nghiên cứu và sản xuất để phân tích nhiều loại vật liệu với đa dạng ứng dụng. Ví dụ, phương pháp TUNA truyền thống trong chế độ tiếp xúc đã được sử dụng để xác định vị trí và chụp ảnh các khuyết tật điện trong thiết bị bán dẫn và lưu trữ dữ liệu, đánh giá độ đồng đều và tính toàn vẹn của điện môi màng mỏng, đặc trưng vật liệu áp điện, sắt điện, polymer dẫn điện, ống nano, vật liệu sinh học, v.v. Tuy nhiên, sử dụng chế độ tiếp xúc để phản hồi bề mặt địa hình lại là một yếu tố hạn chế nghiêm trọng. Đối với các mẫu cần lực quét nhỏ ở phương thẳng đứng hoặc phương ngang (hoặc cả hai), thì không thể sử dụng được chế độ tiếp xúc – đồng nghĩa với việc không thể thực hiện được TUNA truyền thống. Hạn chế này ảnh hưởng trực tiếp đến việc nghiên cứu nhiều loại vật liệu mềm dẫn điện như polymer dẫn, vật liệu hữu cơ mềm, hoặc các mẫu liên kết yếu như dây nano
TUNA dựa trên TappingMode với đo dòng–áp tại điểm (Tapping-TUNA)
AFM đã đạt được nhiều lợi ích đáng kể nhờ vào các chế độ vận hành có đầu dò dao động, trong đó nổi bật nhất là TappingMode®. Trong quá trình ghi hình bằng TappingMode, cần gạt của AFM dao động tại tần số cộng hưởng uốn cơ bản của nó. Điều này mang lại lợi thế lớn là loại bỏ phần lớn các lực theo phương ngang, vốn thường gây hư hỏng cho đầu dò và/hoặc mẫu khi sử dụng trong chế độ tiếp xúc. Lực tương tác theo phương thẳng đứng cũng được giảm đáng kể nhờ vào hệ số Q cơ học cao của cần gạt, cho phép ghi hình các mẫu mềm hoặc dễ hư hỏng. Khi ghi hình ở chế độ TappingMode, đầu dò AFM dao động so với bề mặt mẫu với biên độ hàng chục nanomet, nhưng chỉ tiếp xúc với bề mặt trong một tỷ lệ rất nhỏ của chu kỳ dao động (vài phần trăm). Điều này rất có lợi trong việc giảm mài mòn đầu dò và hạn chế hư hỏng mẫu, nhưng lại gây ra vấn đề cho các phép đo độ dẫn điện. Để có thể đo tín hiệu dòng điện trong khoảng thời gian tiếp xúc cực ngắn (~micro giây) mà vẫn đạt được tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) hợp lý, bộ khuếch đại dòng điện sẽ cần có băng thông ở mức MHz và hệ số khuếch đại rất cao (10⁹–10¹¹ V/A) – điều mà công nghệ hiện tại chưa thể đáp ứng được. Điều này vượt quá khả năng của công nghệ hiện tại. Để vượt qua thách thức này, người ta đã phát triển kỹ thuật quét dòng điện tại điểm tiếp xúc (point-contact current imaging). Trong cấu hình này, TappingMode được sử dụng để ghi hình địa hình bề mặt, và sau đó, các đường cong dòng–áp (I–V) được đo tại các điểm đã chọn, theo cách thức giống như chế độ tiếp xúc.
TUNA ở chế độ cộng hưởng xoắn (TR-TUNA™)
Cần gạt AFM có thể dao động theo nhiều chế độ khác nhau, bao gồm cả dao động uốn bậc cao và dao động xoắn. Việc ghi hình bằng các chế độ dao động bậc cao này cho phép nghiên cứu đa dạng các tương tác giữa đầu dò và bề mặt mẫu. Hãy xét trường hợp ghi hình khi cần gạt dao động ở chế độ cộng hưởng xoắn bậc nhất. Trong chế độ này, các lực theo phương ngang tác động lên đầu dò sẽ làm thay đổi tần số cộng hưởng xoắn, biên độ và/hoặc pha dao động của cần gạt. Các phép đo AFM tại cộng hưởng xoắn có nhiều ưu điểm, nhưng lợi thế then chốt của TR-TUNA chính là khả năng quét với lực rất thấp, trong khi vẫn duy trì đầu dò ở vùng cận tiếp xúc so với bề mặt mẫu. Việc sử dụng chế độ TR-Mode® đã mở rộng phạm vi mẫu vật có thể khảo sát bằng TUNA, bao gồm cả những mẫu vốn trước đây được cho là quá mềm hoặc quá nhạy cảm để đo bằng chế độ tiếp xúc (Contact Mode) – và do đó cũng không thể áp dụng TUNA truyền thống. Những mẫu này bao gồm: Polymer dẫn điện, vật liệu nano liên kết lỏng lẻo, màng mỏng hữu cơ cũng như các mẫu màng mỏng truyền thống như vật liệu low-k dạng trụ nano. Tuy nhiên, với TR-TUNA, có một vấn đề đáng lo ngại là tiếp xúc giữa đầu dò và mẫu có thể thay đổi trong mỗi chu kỳ dao động xoắn, và những biến đổi này có khả năng gây ra sự dao động trong kết quả đo dòng điện. Để giảm thiểu vấn đề này, biên độ dao động cộng hưởng xoắn được giữ ở mức rất nhỏ (dưới vài angstrom). Tuy nhiên, việc vận hành ổn định ở biên độ nhỏ như vậy là cực kỳ khó khăn. Chính hạn chế trong vận hành này là lý do khiến TR-TUNA chưa được ứng dụng rộng rãi.
Nguyên lý PeakForce TUNA
Hình 1. Minh họa thiết lập PeakForce TUNA để lập bản đồ địa hình, đặc tính cơ học và điện đồng thời.
PeakForce TUNA (PF-TUNA) được xây dựng dựa trên PeakForce Tapping và nhờ đó cũng có được khả năng đo lường nano cơ học định lượng của PeakForce (PeakForce QNM).
PeakForce Tapping
Tương tự như trong TappingMode, ở chế độ PeakForce Tapping, đầu dò và mẫu tiếp xúc ngắt quãng trong khi mũi dò được quét ngang qua bề mặt mẫu. Điều này giúp loại bỏ lực theo phương ngang trong quá trình ghi hình. Tuy nhiên, không giống như TappingMode – nơi vòng lặp phản hồi giữ biên độ dao động trung bình của cần gạt không đổi, thì trong PeakForce Tapping, vòng lặp phản hồi điều khiển lực tối đa tác dụng lên đầu dò (Peak Force) trong mỗi chu kỳ dao động riêng biệt. Vì băng thông đo lực của cần gạt xấp xỉ bằng tần số cộng hưởng cơ bản của nó, nên bằng cách chọn tần số điều biến thấp hơn đáng kể so với tần số cộng hưởng, thuật toán điều khiển PeakForce Tapping có thể phản hồi trực tiếp theo tương tác lực giữa đầu dò và mẫu. Sự điều khiển lực trực tiếp này giúp bảo vệ đầu dò và mẫu khỏi bị hư hỏng, nhưng quan trọng hơn, nó còn cho phép kiểm soát và ghi nhận từng lần tiếp xúc giữa đầu dò và mẫu, phục vụ cho phân tích thêm các tính chất cơ học. Trong phiên bản hiện tại, tần số điều biến được sử dụng là từ 1 đến 2 kHz.
Lập bản đồ định lượng các tính chất cơ học
Nền tảng của kỹ thuật lập bản đồ tính chất vật liệu bằng PeakForce QNM là khả năng thu nhận và phân tích từng đường cong lực (force curve) riêng lẻ tại mỗi lần tương tác giữa đầu dò và mẫu diễn ra trong quá trình ghi hình. Các đường cong này được phân tích theo thời gian thực để thu được các tính chất cơ học định lượng của mẫu, bao gồm lực bám dính, mô đun đàn hồi, độ biến dạng và sự tiêu tán năng lượng. Các bản đồ tính chất vật liệu này được xử lý như các kênh dữ liệu thông thường của AFM, và có thể hiển thị và phân tích song song với ảnh địa hình.
Mô đun PeakForce TUNA
Điều quan trọng cần lưu ý là tần số dao động của chế độ PeakForce Tapping (1kHz–2kHz) nằm ở khoảng giữa giữa Tapping Mode (>50kHz) và Contact Mode (DC) trong chu kỳ tương tác. Thực tế, việc hoạt động trong dải tần trung này chính là yếu tố quan trọng nhất giúp TUNA có thể hoạt động ở chế độ tiếp xúc gián đoạn. Trong mỗi chu kỳ gõ, đầu dò chỉ tiếp xúc với mẫu trong một khoảng thời gian ngắn (từ vài chục đến vài trăm micro giây). Mô-đun TUNA phải có khả năng thu nhận tín hiệu dòng điện trong khoảng thời gian ngắn đó với tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) chấp nhận được. Một quy tắc kinh nghiệm là băng thông của mô-đun TUNA phải lớn gấp 10 lần tần số gõ được chọn ở mức khuếch đại tương ứng. Với tần số cao như ở chế độ Tapping Mode thì điều này vượt quá khả năng công nghệ hiện nay. Tuy nhiên, ở tốc độ PeakForce Tapping thì đây là một thách thức khả thi. Mô-đun PeakForce TUNA được phát triển có băng thông khoảng 15kHz trong toàn bộ dải khuếch đại từ 10⁷ V/A đến 10¹⁰ V/A, với nhiễu dưới 100fA trên dòng điện trung bình theo chu kỳ.
Mô-đun PF-TUNA có 6 mức khuếch đại (10⁷ V/A, 10⁸ V/A, 5 x 10⁸ V/A, 10⁹ V/A, 10¹⁰ V/A, 5 x 10¹⁰ V/A), có thể điều chỉnh thông qua sự kết hợp giữa công tắc phần cứng và phần mềm. Việc tích hợp một dải khuếch đại rộng trong cùng một mô-đun giúp loại bỏ nhu cầu phải thay mô-đun khi tìm kiếm mức khuếch đại tối ưu phù hợp với độ dẫn điện của mẫu, hoặc khi cần sử dụng các mức khuếch đại khác nhau để phát hiện đầy đủ các mức độ dẫn điện khác nhau có mặt trong cùng một mẫu. Đáng chú ý là độ lệch (offset) ở mỗi mức khuếch đại sẽ được tự động triệt tiêu mỗi khi đầu dò tiếp xúc với mẫu (engage) hoặc khi thay đổi mức khuếch đại, nhằm đảm bảo độ chính xác của phép đo. Mô-đun PeakForce TUNA, mặc dù được thiết kế để hoạt động với chế độ PeakForce Tapping, vẫn tương thích với chế độ Contact Mode, và thậm chí còn cho hiệu suất nhiễu bằng hoặc tốt hơn so với các mô-đun TUNA hiện có khi hoạt động ở chế độ tiếp xúc.
Định lượng PeakForce TUNA
Hình 2 minh họa hiện tượng xảy ra khi đầu dò của chế độ PeakForce Tapping được điều biến theo chu kỳ và tương tác với bề mặt mẫu. Đường trên cùng biểu diễn vị trí Z của đế cantilever theo thời gian, trong suốt một chu kỳ. Đường ở giữa biểu diễn lực được đầu dò đo được trong quá trình đầu dò tiến gần đến mẫu (màu xanh) và rút ra khỏi mẫu (màu đỏ). Đường dưới cùng (màu xanh lá) biểu diễn dòng điện được phát hiện đi qua mẫu. Vì tần số điều biến khoảng 1kHz, nên thời gian từ điểm A đến điểm E vào khoảng 1 mili giây.
Hình 2. Biểu đồ vị trí Z, Lực và Dòng điện theo thời gian trong một chu kỳ PeakForce, với các điểm quan trọng bao gồm (B) điểm tiếp xúc nhảy, (C) lực cực đại, (D) độ bám dính được dán nhãn.
Khi đầu dò ở xa bề mặt (điểm A), lực tác động lên đầu dò là rất nhỏ hoặc bằng không. Khi đầu dò tiến gần đến bề mặt, cần gạt bị kéo về phía bề mặt bởi các lực hút (thường là lực van der Waals, lực tĩnh điện hoặc lực mao dẫn), được thể hiện bằng lực âm (phía dưới trục hoành). Tại điểm B, lực hút vượt qua độ cứng của cần gạt và đầu dò bị kéo dính vào bề mặt. Sau đó, đầu dò tiếp tục nằm trên bề mặt và lực tiếp tục tăng cho đến khi vị trí Z trong chu kỳ điều biến đạt điểm thấp nhất tại điểm C. Đây là nơi xảy ra lực đỉnh. Lực đỉnh (lực tại điểm C) trong suốt thời gian tương tác được giữ không đổi nhờ hệ thống hồi tiếp. Sau đó, đầu dò bắt đầu rút ra khỏi bề mặt và lực giảm dần cho đến khi đạt cực tiểu tại điểm D. Lực tại điểm này được dùng để đo độ bám dính. Điểm mà đầu dò tách khỏi bề mặt được gọi là điểm kéo ra (pull-off point), và thường trùng với điểm lực cực tiểu. Sau khi đầu dò đã tách khỏi bề mặt, chỉ còn các lực tầm xa tác động lên đầu dò, vì vậy lực một lần nữa rất nhỏ hoặc bằng không khi khoảng cách giữa đầu dò và mẫu đạt cực đại (tại điểm E).
Từ biểu đồ thời gian hiện tại, thuật toán PeakForce TUNA trích xuất ba phép đo: 1) dòng điện cực đại, 2) dòng điện trung bình chu kỳ và 3) dòng điện trung bình tiếp xúc. Dòng điện cực đại là dòng điện tức thời tại điểm C, trùng với lực cực đại. Điều này tương ứng với dòng điện được đo ở một lực xác định. Dòng điện cực đại có thể là, nhưng không nhất thiết, dòng điện cực đại, vì thời gian tăng giới hạn (do băng thông của mô-đun TUNA hoặc điện dung-điện trở của mẫu) có thể gây ra độ trễ trong phản ứng dòng điện. Dòng điện trung bình chu kỳ là dòng điện trung bình trong một chu kỳ khai thác đầy đủ, từ điểm A đến điểm E. Điều này bao gồm cả dòng điện được đo khi đầu tiếp xúc với bề mặt và khi nó rời khỏi bề mặt. Dòng điện trung bình tiếp xúc chỉ là dòng điện trung bình khi đầu tiếp xúc với bề mặt, từ điểm bám vào tại điểm B đến điểm kéo ra tại điểm D.
Biểu đồ thời gian hiện tại thường có các đặc điểm khác với biểu đồ lực thời gian. Nó không phải lúc nào cũng có đỉnh (như trong biểu đồ lực thời gian); dòng điện có thể đạt đến một mức ổn định sau một ngưỡng lực nhất định. Ngoài ra còn có một thành phần dòng điện xoay chiều của phép đo, một phần trong số đó là tích điện dung, được loại bỏ khỏi đầu ra. Đầu dò (bao gồm cả thanh dầm) và mẫu về cơ bản tạo thành một tụ điện, và sự điều biến của vị trí z khiến điện dung của nó bị điều biến. Ở độ lệch DC không đổi, dòng điện sạc/xả ở tần số khai thác sẽ xảy ra. Một lần nữa, điều này được coi là ký sinh và bị loại bỏ như nền. Sự thay đổi động của dòng điện (cùng với độ lệch) có thể được ghi lại bằng chức năng “Ghi dữ liệu tốc độ cao” của NanoScope bất kỳ lúc nào trong quá trình quét và sau đó có thể được phân tích và tương quan (ví dụ với lực).
Chế độ hoạt động của PeakForce TUNA
PeakForce TUNA có thể hoạt động ở chế độ hình ảnh hoặc chế độ quang phổ. Ở chế độ hình ảnh, bản đồ dòng điện được thu thập với địa hình và các đặc tính cơ học. Ở chế độ quang phổ, người ta có thể thu thập đường cong dòng điện-điện áp (IV).
Chế độ hình ảnh
Ở chế độ chụp ảnh, một đầu dò dẫn điện được quét trên bề mặt mẫu ở chế độ PeakForce Tapping, trong khi vòng phản hồi giữ lực tối đa (lực cực đại) tác dụng lên đầu dò ở một giá trị không đổi bằng cách điều chỉnh độ giãn của áp điện Z. Điều này bảo vệ đầu dò và mẫu khỏi bị hư hỏng, đồng thời giảm thiểu diện tích tiếp xúc của đầu dò với mẫu. Trong quá trình quét, người dùng có thể áp dụng độ lệch DC giữa đầu dò và mẫu. Mô-đun TUNA, một bộ khuếch đại dòng điện tuyến tính băng thông cao, độ nhiễu thấp, sẽ cảm nhận dòng điện kết quả đi qua mẫu. Dữ liệu này được hiển thị đồng thời với ảnh địa hình và bản đồ đặc tính cơ học (khi sử dụng PeakForce QNM).
Dòng điện quan sát được có thể được sử dụng làm thước đo độ dẫn điện cục bộ, hay tính toàn vẹn điện, của mẫu đang nghiên cứu. Vì hệ thống có thể thu thập đồng thời tới tám kênh, nên có thể lập bản đồ các đặc tính cơ học chính như biến dạng, độ bám dính, mô đun DMT, độ tiêu tán và các đặc tính điện như dòng điện trung bình theo chu kỳ và dòng điện cực đại cùng với địa hình chỉ trong một lần quét. Các chức năng phân tích ngoại tuyến có thể tính toán thống kê các đặc tính điện của các vùng, mặt cắt khác nhau thông qua dữ liệu thể hiện sự phân bố không gian của các đặc tính, và/hoặc mối tương quan giữa các đặc tính cơ học, địa hình và điện.
Sau đây là một số mẹo sử dụng PeakForce TUNA ở chế độ chụp ảnh: 1) sử dụng điểm đặt PeakForce nhỏ hơn cho các mẫu mềm hoặc mỏng manh; 2) Điểm đặt PeakForce sẽ ảnh hưởng đến cả ba lượng dòng điện được báo cáo (dòng điện cực đại, dòng điện trung bình theo chu kỳ và dòng điện trung bình tiếp xúc), 3) Giảm biên độ gõ PeakForce sẽ làm tăng thời gian tiếp xúc trong mỗi chu kỳ gõ, dẫn đến dòng điện trung bình theo chu kỳ cao hơn và dòng điện trung bình tiếp xúc cao hơn. 4) Nếu muốn có các đặc tính cơ học đồng thời, thì cần có điểm đặt PeakForce đủ để đạt được biến dạng vài nanomet để có thể đọc Mô đun DMT chính xác.
Chế độ quang phổ IV
Ngoài chế độ chụp ảnh, PeakForce TUNA còn đo phổ dòng điện-điện áp (IV) cục bộ bằng chế độ quang phổ. Để thu được phổ IV, quá trình quét hình ảnh được dừng lại và đầu dò được giữ cố định tại một vị trí trong khi độ lệch mẫu được tăng hoặc giảm. Ở chế độ quang phổ, phản hồi được chuyển sang Chế độ Tiếp xúc, vòng phản hồi duy trì độ lệch không đổi trong khi độ lệch mẫu được tăng. Điều này đảm bảo tiếp xúc giữa đầu dò và mẫu được cố định trong khi đường cong IV được chụp. Dòng điện kết quả qua mẫu được vẽ theo độ lệch áp dụng. Phần mềm có thể ghi lại một phổ duy nhất hoặc giá trị trung bình trên nhiều phổ. Băng thông cao hơn của mô-đun PeakForce TUNA cho phép chụp đường cong IV ở tốc độ cao hơn; và mở rộng băng thông của các phép đo dI/dV dựa trên AC, ví dụ, bằng cách sử dụng tính năng “Generic Lock-in” được cung cấp cùng với Bộ điều khiển NanoScope® V. Đường cong IV cũng có thể được chụp bằng tính năng “Point & Shoot”. Tính năng “Point & Shoot” cung cấp tùy chọn vẽ một đường thẳng hoặc một ô vuông trên ảnh, xác định một số điểm, sau đó đầu AFM sẽ tự động di chuyển đến các vị trí đó để chụp một hoặc nhiều đường cong IV tại mỗi điểm. Mặc dù đây là một tính năng tự động hóa mạnh mẽ, nhưng việc “tự tay” chọn một vài điểm quan tâm tại các vùng cụ thể trên mẫu thường hữu ích hơn.
Tóm tắt các chế độ lập bản đồ độ dẫn điện
Hình 3 tóm tắt các kỹ thuật lập bản đồ độ dẫn điện ở cấp độ nano có sẵn với AFM. Trong số các kỹ thuật lập bản đồ độ dẫn điện, PeakForce TUNA có khả năng kiểm soát lực tốt nhất, lập bản đồ định lượng và dễ sử dụng, đồng thời vẫn giữ được độ phân giải lập bản đồ hiện tại của Contact-TUNA. Mặc dù Contact-TUNA vẫn là một chế độ hữu ích cho các mẫu cứng, nhưng PeakForce TUNA là chế độ được lựa chọn cho các mẫu mềm, mỏng manh, chẳng hạn như polyme dẫn điện và các cấu trúc nano liên kết lỏng lẻo. Việc lập bản đồ độ dẫn điện trên các mẫu cứng cũng được hưởng lợi từ lực nhẹ được sử dụng trong PeakForce TUNA. Đầu dò có thể được bảo vệ khỏi bị mòn, vỡ hoặc gãy, điều này mang lại độ phân giải cao và tính nhất quán của phép đo.
Hình 3. So sánh các kỹ thuật đo độ dẫn điện dựa trên AFM.
Kiểm soát môi trường bổ trợ
Buồng thao tác găng tay (glove-box) thường là thiết bị cần thiết khi xử lý các vật liệu nhạy với không khí, chẳng hạn như vật liệu pin mặt trời hữu cơ hoặc vật liệu pin lithium. Bruker cung cấp giải pháp kiểm soát môi trường toàn diện bằng cách tích hợp các hệ thống AFM của Bruker (hiện tại là MultiMode® 8, Dimension® Icon và Dimension Edge™) với buồng thao tác găng tay của M-Braun. Các cổng kết nối được thiết kế đặc biệt để đảm bảo hiệu suất của hộp găng tay, duy trì nồng độ oxy và hơi nước ở mức dưới ppm (phần triệu). Vấn đề cách ly rung được giải quyết bằng bàn kỹ thuật được thiết kế riêng, kết hợp với bàn cách ly rung chủ động đặt bên trong hộp găng tay (cũng có tùy chọn bàn cách ly thụ động). Giải pháp này cho phép thực hiện phép đo mà không làm ảnh hưởng đến tính toàn vẹn của mẫu hoặc hiệu suất của hệ thống AFM. Ngoài ra, môi trường được kiểm soát còn giúp tăng tính nhất quán và độ phân giải của phép đo nhờ việc không có hiện tượng ngưng tụ nước trên mẫu hoặc quanh đầu dò.
Ứng dụng trong pin mặt trời hữu cơ
Hình 4. (a) Một cặp chất cho/chất nhận phổ biến được sử dụng trong pin mặt trời hữu cơ: poly-3(hexylthiophene) (P3HT) là chất cho (kiểu p) và [6,6]-phenyl C61 – este metyl axit butyric (PCBM, một dẫn xuất của C60) là chất nhận (kiểu n). (b) Mức HOMO và LUMO của P3HT và PCBM so với các hàm công của Au, PEDOT và ITO. (c) Sự xếp chồng của một pin mặt trời dị hợp khối hữu cơ.
Pin mặt trời hữu cơ được coi là lựa chọn đầy hứa hẹn trong việc khai thác năng lượng mặt trời do tiềm năng sản xuất chi phí thấp, trọng lượng nhẹ và tính linh hoạt về mặt cơ học. Tuy nhiên, việc áp dụng rộng rãi của chúng bị cản trở bởi hiệu quả của các thiết bị quang điện hữu cơ (OPV) như vậy, hiện nay dưới ngưỡng khả thi về mặt thương mại. Thành phần cốt lõi của một pin mặt trời hữu cơ là hỗn hợp giữa vật liệu cho và vật liệu nhận, tạo thành các mạng lưới liên tục hai pha — được gọi là cấu trúc dị thể khối (bulk heterojunction – BHJ). Cặp cho/nhận có thể bao gồm hai polyme liên hợp khác nhau, nhưng thường là polyme liên hợp như poly(2-methoxy-5-(3′,7′-dimethyloctyloxy))-p-phenylene vinylene (MDMO-PPV) hoặc poly-3(hexylthiophene) (P3HT) làm chất cho và dẫn xuất fullerene hòa tan như [6,6]-phenyl C61 – este metyl axit butyric (PCBM, dẫn xuất C60) làm chất nhận. Để chế tạo một thiết bị, bột của chất cho và chất nhận được hòa tan trong dung môi hữu cơ, sau đó dung dịch này được đúc quay lên một đế thủy tinh phủ oxit thiếc indi (ITO) (một đế dẫn điện bán trong suốt). Sau đó, các điện cực nhôm được lắng đọng trên lớp hoạt động bằng cách sử dụng mặt nạ bóng và bộ bay hơi nhiệt. Khi ánh sáng chiếu vào thiết bị qua phía ITO, lớp hoạt động hấp thụ ánh sáng tạo ra các exciton (cặp lỗ trống điện tử liên kết) thường được tách thành các điện tích tự do tại giao diện cho/nhận (điểm tiếp giáp). Mặc dù lớp hoạt động cần dày 100~200nm để thu được hầu hết ánh sáng tới, nhưng độ dài khuếch tán của một exciton chỉ là 10~20nm. Để tạo ra một thiết bị chuyển đổi năng lượng hiệu quả, miền cho và miền nhận phải vào khoảng 20nm. Sự tạo ra điện tích và vận chuyển điện tích trong pin mặt trời hữu cơ phụ thuộc rất nhiều vào hình thái ở cấp độ nano và mức độ tách pha của chất cho và chất nhận. Hiệu suất của pin mặt trời phần lớn được xác định bởi hình thái của dị hợp tử, do đó, việc thăm dò các đặc tính ở quy mô nano này là rất quan trọng.
AFM dẫn điện đã được chứng minh là một công cụ hữu ích trong việc tiết lộ hình thái ở cấp độ nano và phát hiện độ dẫn điện tại cùng một vị trí để tương quan trực tiếp. Nó cung cấp cái nhìn sâu sắc độc đáo về tính không đồng nhất cơ bản của vật liệu hoặc thiết bị pin mặt trời hữu cơ và cung cấp cơ sở ở cấp độ nano để hiểu sự tương tác giữa hình thái và hiệu suất của nó. Tuy nhiên, AFM dẫn điện chủ yếu dựa trên Chế độ tiếp xúc, không phù hợp lắm để chụp ảnh mẫu polyme. Các lực dọc và ngang liên quan đến chụp ảnh Chế độ tiếp xúc chắc chắn sẽ gây hư hỏng cho mẫu và gây nguy hiểm cho tính toàn vẹn của dữ liệu. Các đầu dẫn điện có hằng số lò xo nhỏ (~ 0,2N/m) và giá trị điểm đặt nhỏ thường được sử dụng để giảm thiểu sự phá hủy lớp polyme trong khi vẫn giữ cho lớp phủ dẫn điện không bị nhiễm bẩn bề mặt. Ngay cả khi đã thực hiện tất cả các biện pháp này, Contact-TUNA truyền thống đáng tin cậy vẫn là một thách thức. Như Ginger, người đặt ra thuật ngữ AFM dòng quang (pcAFM), bắt nguồn từ AFM dẫn điện dựa trên chế độ tiếp xúc, đã chỉ ra: “Có lẽ một trong những thách thức thực tế quan trọng nhất khi sử dụng pcAFM là thu được hình ảnh điện tốt mà không gây hư hại đáng kể cho mẫu. Sự kiên nhẫn và sẵn sàng hy sinh nhiều đầu dò AFM vì khoa học thường là điều cần thiết.”
Ví dụ 1: Ảnh hưởng của xử lý nhiệt đến màng mỏng P3HT
Hình 5. PeakForce TUNA của màng mỏng P3HT được phủ spin trên đế thủy tinh/ITO/PEDOT và ủ ở 120 °C. (a) địa hình, tỷ lệ 10nm; (b) dòng điện cực đại, tỷ lệ 300pA; (c) mô đun DMT, tỷ lệ 15MPa; (d) lớp phủ bản đồ độ dẫn điện trên địa hình.
Hình 5 cho thấy dữ liệu PeakForce TUNA thu được trên mẫu P3HT được phủ lên trên lớp poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) và ITO. Trong ví dụ này, hiệu ứng của quá trình ủ nhiệt (thermal annealing) đối với màng mỏng P3HT (một vật liệu cho phổ biến) được khảo sát. Đế mẫu là một lam kính được phủ ITO trong suốt, sau đó phủ một lớp PEDOT bằng phương pháp quay phủ (spin-coating). Một lớp màng mỏng P3HT tiếp tục được quay phủ lên trên, thực hiện trong hộp găng tay chứa khí nitơ (với nồng độ O₂ và H₂O dưới 1 ppm), và sau đó được ủ nhiệt ở 120°C. Nhiều nghiên cứu đã báo cáo rằng các phương pháp xử lý nhiệt khác nhau có thể ảnh hưởng đến mức độ sắp xếp của polymer, từ đó dẫn đến thay đổi về hình thái (morphology) và khả năng vận chuyển điện tích. Các đặc trưng có chiều cao lớn hơn trong ảnh topography, đi kèm với mô đun cao hơn, có thể là dấu hiệu của các vùng có mức độ sắp xếp cao hơn. Không có gì ngạc nhiên khi hầu hết các vùng có cấu trúc trật tự này thể hiện độ dẫn điện cao hơn. Tuy nhiên, một số trong đó lại có độ dẫn kém, cho thấy có thể tồn tại một lớp kém sắp xếp bên dưới đóng vai trò như các bẫy điện tích. Một vài điểm “nóng” ở các vùng bề mặt phẳng vẫn cho thấy dẫn điện, có thể là do bên dưới tồn tại các cấu trúc sắp xếp giúp tăng khả năng dẫn. Lưu ý rằng các điểm dẫn điện thường có hình dạng tròn tương tự nhau, cho thấy các cấu trúc kết tụ có trật tự thường có dạng hình trụ.
Ví dụ 2: Pin mặt trời hữu cơ P3HT:PCBM
Hình 6. PeakForce TUNA của pin mặt trời P3HT:PCBM với anode thủy tinh/ITO biến tính PEDOT. (a) địa hình, tỷ lệ 10nm; (b) Dòng điện trung bình chu kỳ, tỷ lệ 5pA; (c) Độ bám dính, tỷ lệ 8 ~ 10nN và (d) lớp phủ bản đồ độ dẫn điện lên địa hình (e). Bruker’s Multimode 8 AFM được sử dụng với đầu dò TUNA PeakForce. Mẫu được cung cấp bởi Prof. Nguyen, UCSB.
Hình 6 cho thấy dữ liệu PeakForce TUNA được lấy trên một tế bào quang điện dị hợp khối P3HT:PCBM với đầu AFM thay cho cực âm. Các màng mỏng P3HT:PCBM (dày ~100nm) được chế tạo bằng cách phủ spin từ dung dịch toluene của polyme lên các đế thủy tinh phủ ITO được biến tính bằng một lớp PEDOT mỏng. PF-TUNA được sử dụng để chụp ảnh các mạng BHJ P3HT:PCBM và các miền tương ứng của chúng. Các biến thể về độ dẫn điện (Hình 6b) có thể được thấy rõ trong Dòng điện trung bình theo chu kỳ. Sự phù hợp chặt chẽ hơn giữa công của Au (lớp phủ đầu) và ITO với HOMO của P3HT (loại p) xác định rằng phần lớn dòng điện đến từ sự vận chuyển lỗ trống dọc theo pha P3HT. Do đó, người ta đưa ra giả thuyết rằng các vùng có độ dẫn điện cao hơn giàu P3HT, trong khi các vùng dẫn điện kém hơn giàu PCBM. Độ dẫn điện qua lớp hoạt động chỉ ra sự hình thành các mạng dẫn điện thẳng đứng. Nhìn kỹ hình ảnh hiện tại cũng cho thấy các đặc điểm giống sợi, bằng chứng cho thấy mạng lưới BHJ cũng tồn tại theo chiều ngang. Nguyen 6 sử dụng AFM dẫn điện (dựa trên chế độ tiếp xúc) để chụp ảnh cả bề mặt trên cùng và mặt cắt ngang của cùng một thiết bị, đã tiết lộ các mạng lưới xuyên thấu ba chiều ở cấp độ nano của P3HT và PCBM. Địa hình (Hình 6a) cho thấy một số cấu trúc dạng hạt có thể là các tập hợp polyme. Bản đồ bám dính (Hình 6d) cho thấy các đặc điểm đo được từ 10~50nm được phân tán khá đồng đều trên toàn bộ bề mặt, thang độ dài gần với chiều dài khuếch tán exciton giả thuyết là 6~20nm. Đây có thể là một tiêu chí hữu ích trong quá trình tối ưu hóa thêm các quy trình tạo lớp hoạt động. Độ dẫn điện trung bình trên một diện tích quét nhất định và độ linh động của lỗ trống và electron được trích xuất từ đường cong IV đã được báo cáo là phù hợp với hiệu suất chuyển đổi của pin mặt trời hữu cơ theo xu hướng chung. 6 Điều đáng chú ý là, khi sử dụng PeakForce âm ròng để chụp ảnh, đầu dò tương tự có thể kéo dài hơn 6 giờ mà không thấy có sự suy giảm đáng kể về độ phân giải và tín hiệu dẫn điện, một sự tương phản hoàn toàn với AFM dẫn điện dựa trên Chế độ tiếp xúc
Ứng dụng trong pin Lithium Ion
Pin lithium, với vai trò là một thiết bị lưu trữ năng lượng, đã được chấp nhận rộng rãi nhờ đặc điểm nhẹ và mật độ năng lượng cao. Việc ứng dụng loại pin này trong các thiết bị điện tử tiêu dùng đã trở nên phổ biến; trong khi đó, các phương tiện sử dụng pin lithium cũng đã bắt đầu xuất hiện trên thị trường. Mặc dù đã đạt được nhiều thành tựu trong vài thập kỷ qua, nhưng cho đến nay mới chỉ khai thác được khoảng 10% dung lượng lý thuyết của nguyên tố lithium.⁷ Do đó, hiện nay có rất nhiều nghiên cứu tập trung vào việc cải tiến hóa học của pin lithium, công thức vật liệu, cũng như cấu trúc điện cực (cực âm và cực dương) nhằm nâng cao các yếu tố như mật độ năng lượng, mật độ công suất, độ an toàn, tuổi thọ lưu trữ/chu kỳ, và chi phí. Các vật liệu điện cực thường được thiết kế dưới dạng cấu trúc kích thước micro đến nano (hạt, sợi, trụ, v.v.) và được kết dính với nhau bằng các phụ gia nhằm tạo độ bền cơ học, đồng thời để lại các khoảng trống (được đo bằng độ rỗng – porosity) giúp ion lithium có thể di chuyển qua. Cấu trúc nano ba chiều này có những lợi ích sau: (1) diện tích bề mặt lớn làm tăng dung lượng; (2) kích thước nhỏ của mỗi hạt riêng lẻ giúp rút ngắn chiều dài khuếch tán để ion lithium đi vào và ra khỏi vật liệu chứa, dẫn đến tốc độ sạc/xả cao hơn, hay mật độ công suất. Như Tarascon và Armand đã nói một cách sinh động, “sự xuất hiện của vật liệu nano đã mang lại cho pin lithium-ion
Ví dụ 1: Xác định thành phần vật liệu trong cathode composite Li[Ni₁/₃Mn₁/₃Co₁/₃]O₂
Hình 7. PF-TUNA của catốt composite Li[Ni1/3Mn1/3Co1/3]O2, hàng trên cùng là bản đồ địa hình, mô đun DMT, độ bám dính và dòng điện.
Vật liệu cathode trong pin lithium-ion thường có dạng composite. Li[Ni₁/₃Mn₁/₃Co₁/₃]O₂ (L333) là một trong những vật liệu cathode được sử dụng phổ biến nhất hiện nay. Bên cạnh vật liệu hoạt động chính này, polyvinylidene difluoride (PVDF) được thêm vào làm chất kết dính để liên kết các hạt L333 với nhau; và acetylene black (AB) được sử dụng làm phụ gia dẫn điện để tăng khả năng dẫn điện tử. Kỹ thuật PF-TUNA được sử dụng để hiển thị phân bố của từng thành phần trong hỗn hợp và để đặc trưng mô đun đàn hồi cũng như xác định sự hình thành mạng dẫn điện — mạng này có vai trò kết nối tất cả các hạt L333 với nhau và kết nối chúng với cực thu dòng (trong trường hợp này là lá nhôm – Al foil). Từ ảnh topography, ta có thể quan sát thấy các hạt có kích thước khoảng 3~15µm, đây chính là kích thước của các hạt L333, trong khi PVDF và AB không đóng góp nhiều vào hình ảnh do kích thước nhỏ hơn đáng kể (AB: ~50nm) và tỷ lệ khối lượng thấp (xem Hình 7). Trong ảnh dòng điện, có thể dễ dàng nhận ra hai mức độ dẫn điện khác nhau. Các vùng dẫn điện kém hơn (màu tím đậm, nằm trong vùng khoanh nét xanh lục) có thể được quy cho các hạt L333 không được bao phủ bởi lớp PVDF+AB. Điều này càng được củng cố bởi mô đun đàn hồi cao hơn được đo tại cùng vị trí đó. Ngược lại, các vùng dẫn điện tốt hơn (màu hồng nhạt) cho thấy bề mặt phía trên được bao phủ bởi hỗn hợp PVDF+AB. Lưu ý rằng PVDF bản thân không dẫn điện, nhưng khi được trộn với một lượng đủ lớn các hạt nano AB (để các hạt này tiếp xúc với nhau tạo thành mạng dẫn), hỗn hợp có thể trở nên dẫn điện. Các vùng dẫn điện này cũng có mô đun đàn hồi thấp hơn và độ bám dính thấp hơn. Ảnh chồng giữa bản đồ dòng điện (màu sắc biểu thị cường độ dòng) và ảnh topography (chiều cao) cho thấy rõ những hạt L333 nào được phủ lớp PVDF+AB và hạt nào không. Những hạt không được phủ sẽ bị cách ly về mặt điện, không thể kết nối với cực thu dòng và vì vậy không đóng góp vào dung lượng pin, trở thành khối lượng chết (dead weight). Phân tích offline theo biểu đồ phân bố dòng điện cho thấy có hai đỉnh riêng biệt, tương ứng với L333 (đỉnh bên trái) và PVDF+AB (đỉnh bên phải), với mức độ bao phủ của mạng dẫn điện là 56% (xem Hình 8).
Hình 8. Phân tích phương hướng của bản đồ dòng chảy trong hình 7.
Ví dụ 2: Tối ưu hóa hàm lượng PVDF+AB trong cathode LiNi₀.₈Co₀.₁₅Al₀.₀₅O₂
Hình 9. Phân tích phương vị của bản đồ dòng điện (không hiển thị) của catốt composite LiNi0,8Co0,15Al0,05O2. Mẫu do Dr Zheng và Battaglia, Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley cung cấp.
LiNi₀.₈Co₀.₁₅Al₀.₀₅O₂ (LiNCA) là một vật liệu cathode khác đang được nghiên cứu mạnh mẽ nhằm tối ưu hóa hiệu suất.¹⁰ Sự thay đổi hàm lượng hỗn hợp PVDF+AB và ảnh hưởng của nó đến đặc tính của composite được khảo sát bằng công nghệ PeakForce TUNA. Hình 9 thể hiện kết quả phân tích bearing analysis của một loạt mẫu có chứa 3,2%, 12,8% và 24% PVDF+AB (trong đó tỷ lệ PVDF:AB cố định là 1:0,6). Đỉnh dẫn điện tương ứng với PVDF+AB tăng mạnh khi hàm lượng hỗn hợp này tăng. Mạng dẫn điện đạt mức gần hoàn chỉnh ở mẫu có 12,8% PVDF+AB (xem Hình 10a). Để kiểm chứng độ tin cậy của phép đo độ dẫn điện, người ta so sánh giá trị trung bình của dòng điện đo được trên diện tích quét 50µm với kết quả đo điện trở bằng phương pháp 4 đầu dò (4-point probe) ở quy mô milimét – và cho thấy sự tương quan tốt giữa hai kết quả. Độ dẫn điện cao hơn đồng nghĩa với điện trở trong thấp hơn, mang lại lợi ích cho mật độ công suất cao trong pin. Ngoài ra, mô đun đàn hồi trung bình giảm khi tăng thêm PVDF+AB, cho thấy điện cực trở nên mềm dẻo hơn — điều này rất quan trọng để hấp thụ sự thay đổi thể tích khi ion lithium xen vào hoặc rút ra khỏi vật liệu cathode (xem Hình 10b). Tuy nhiên, cần lưu ý rằng việc thêm các vật liệu không hoạt động (inactive materials) như PVDF và AB sẽ làm giảm mật độ năng lượng của pin, vì vậy việc tối ưu hóa hàm lượng là cần thiết để cân bằng các yếu tố hiệu suất khác nhau. Các phép đo bằng PeakForce TUNA, kết hợp với các kỹ thuật bổ sung khác, có thể giúp định hướng cho quá trình tối ưu hóa phù hợp với các yêu cầu ứng dụng cụ thể.
Hình 10. Biểu đồ độ phủ mạng dẫn điện, độ dẫn trung bình (a) và mô đun đàn hồi trung bình (b) theo hàm lượng PVDF+AB trong vật liệu tổng hợp LiNi₀.₈Co₀.₁₅Al₀.₀₅O₂ (trên cùng mẫu với Hình 9).
Mặc dù các ví dụ trên là về cực âm của pin lithium-ion, PeakForce TUNA cũng hữu ích tương tự trong việc nghiên cứu vật liệu cực dương, ví dụ như về quá trình lão hóa theo thời gian hoặc trong chu kỳ sạc/xả khi có thể xảy ra sự suy giảm cơ học và tăng điện trở.
Ứng dụng cho cấu trúc nano
Hình 11. PeakForce TUNA gồm địa hình bề mặt (a) và bản đồ dòng điện (b) của ống nano carbon trên nền SiO₂/Si. Chụp bằng AFM Dimension® Icon® (Bruker), dùng đầu dò SCM-PIT, quét 5 µm với điện áp DC 500 mV. Mẫu do GS. Hague (ĐH Rice) cung cấp.
Nhiều cấu trúc nano được xem là những khối xây dựng cho các thiết bị điện tử ngày càng thu nhỏ. Hành vi điện của chúng đã là chủ đề của nghiên cứu chuyên sâu. Hai ví dụ sau đây chứng minh tính ưu việt của PeakForce TUNA trong việc chụp ảnh lớp mẫu dễ vỡ này, vốn là một thách thức đối với phép đo độ dẫn điện dựa trên AFM chế độ tiếp xúc.
Hình 11 cho thấy bản đồ địa hình và dòng điện được chụp đồng thời bằng PeakForce TUNA của các ống nano carbon được kết nối với các miếng đệm dẫn điện đặt trên một chất nền SiO2/Si cách điện. Tất cả các ống nano có trong hình ảnh địa hình đều được nhìn thấy rõ ràng trong bản đồ dòng điện, cho thấy tất cả chúng đều dẫn điện và đều được kết nối với các miếng đệm dẫn điện. Các hạt nano được đóng gói dày đặc là các chất cặn được tạo ra trong quá trình chuẩn bị mẫu. Không thể đánh giá độ dẫn điện của chúng vì chúng không được kết nối điện với các miếng đệm dẫn điện. Điều này được hiển thị vì chúng rõ ràng không được thể hiện trong bản đồ dòng điện. Tuy nhiên, sự thay đổi độ dẫn điện dọc theo các ống có thể là do sự hiện diện của chúng trên hoặc dọc theo các ống. Cần lưu ý rằng mặc dù các ống nano rất mỏng manh và có thể bị đẩy qua lại bằng đầu dò AFM (nếu ở chế độ tiếp xúc), nhưng chất nền lại rất cứng. Với PeakForce TUNA, đầu dò SCM-PIT (lớp phủ bạch kim-iridium) chịu được hàng giờ mà không bị lớp phủ bị mòn bởi chất nền. Để so sánh, cùng một mẫu đã được chụp bằng TR-TUNA. Với TR-TUNA, đường dẫn điện rộng hơn, và người ta cho rằng sự gia tăng này là do sự dithering ngang của đầu dò khi hoạt động ở chế độ này.
Hình 12. PeakForce TUNA: (a) địa hình (thang 50 nm), (b) bản đồ dòng cực đại (thang 1 nA) của ống nano carbon. Chụp bằng AFM MultiMode 8 (Bruker), đầu dò SCM-PIT, quét 1 µm với lực tiếp xúc 10 nN và điện áp DC 1 V. Ảnh TR-TUNA để so sánh: (c) địa hình (thang 100 nm), (d) bản đồ dòng (thang 1 nA).
Hình 12a và b cho thấy hình ảnh PeakForce TUNA của một tấm ống nano cacbon nhiều thành thẳng đứng trên một đế dẫn điện. Có thể thấy các đầu mút của các ống nano. Ban đầu, người ta mong đợi rằng tất cả các ống nano nhiều thành đều dẫn điện. Tuy nhiên, như quan sát thấy trên bản đồ dòng điện cực đại, điều này không đúng, thay vào đó, các bó khác nhau thể hiện các mức độ dẫn điện khác nhau (xem hình 12b). Hai cách giải thích có thể là có sự thay đổi trong cách các ống nano được kết nối với đế bên dưới, hoặc nắp của các ống ảnh hưởng đến độ dẫn điện được đo ngay cả khi phần hình trụ của ống dẫn điện và đế được gắn vào. Cùng một mẫu đã được thử với TUNA dựa trên Chế độ tiếp xúc, tuy nhiên không thể thu được hình ảnh ổn định nào. TR-TUNA cho hình ảnh dòng điện trông khá khác (xem hình 12c, d). Một số điểm dẫn điện không liên tục xuất hiện trên các ống riêng lẻ và điều này trái với trực giác vì chúng ta mong đợi sự đồng đều hơn trên mỗi ống riêng lẻ. Chuyển động xoắn ngang của đầu dò ở Chế độ cộng hưởng xoắn có thể gây ra tiếp xúc điện không liên tục với bề mặt.
Hướng dẫn lựa chọn đầu dò PeakForce TUNA
Hằng số lò xo và vật liệu phủ dẫn điện là những yếu tố quan trọng cần cân nhắc khi lựa chọn đầu dò. Đầu dò PeakForce TUNA mới ra mắt của Bruker được thiết kế đặc biệt để đạt hiệu suất điện và cơ học tối ưu cũng như tuổi thọ trên các mẫu mềm, mỏng manh như polyme dẫn điện, vật liệu sinh học hoặc các cấu trúc nano liên kết lỏng lẻo; các đầu dò này có đầu phủ Au và hằng số lò xo khoảng 0,4N/m. Đầu dò SCM-PIT có lớp phủ Platinum-Iridium và hằng số lò xo khoảng 3N/m, hoạt động tốt với các mẫu dễ vỡ, ví dụ như các cấu trúc nano liên kết lỏng lẻo và các mẫu cứng, ví dụ như màng điện môi SiO2. Đầu dò DDESP, có lớp phủ kim cương pha tạp và hằng số lò xo khoảng 40N/m, rất phù hợp với các mẫu chứa các thành phần cứng. Để đạt được phép đo tính chất cơ học chính xác, theo nguyên tắc chung, cần quan sát sự phù hợp của hằng số lò xo với mô đun đàn hồi của mẫu. Vì thiết bị có thể hoạt động trong môi trường khí trơ nên có thể sử dụng đầu dò bằng nhôm hoặc kim loại phủ silicon có hàm công thấp để phân tích đặc tính của pin mặt trời hữu cơ.
Kết luận
Thông qua thiết kế bộ khuếch đại dòng điện băng thông cao, độ lợi cao và độ nhiễu thấp, PeakForce TUNA kết hợp các phép đo độ dẫn điện AFM với công nghệ PeakForce Tapping độc quyền của Bruker. Sử dụng khả năng kiểm soát lực vượt trội của PeakForce Tapping, PeakForce TUNA lần đầu tiên cho phép chụp ảnh dòng điện trên các mẫu cực kỳ mềm và mỏng manh, cũng như tuổi thọ đầu dò vượt trội để chụp ảnh dòng điện trên các mẫu cứng. Trong cả hai trường hợp, khả năng kiểm soát lực nâng cao giúp cải thiện khả năng lặp lại và độ phân giải của hình ảnh AFM dẫn điện. Thuật toán ScanAsyst, được tích hợp trong PeakForce TUNA, cải thiện đáng kể tính dễ vận hành bằng cách tự động tối ưu hóa các thông số quét của AFM (bao gồm cả cài đặt độ lợi phản hồi). PeakForce TUNA cũng bao gồm bộ lập bản đồ tính chất nano cơ học định lượng của PeakForce QNM, do đó cung cấp thông tin điện đồng thời với thông tin về địa hình và tính chất cơ học (biến dạng, độ bám dính, mô đun DMT và tiêu tán). Việc tất cả các kênh dữ liệu trực giao này có sẵn trong một lần quét duy nhất làm nổi bật khả năng độc đáo của PeakForce TUNA trong việc tương quan các đặc tính khác nhau của mẫu ở cấp độ nanomet. Kỹ thuật này được bổ sung bởi buồng thao tác găng tay AFM chuyên dụng của Bruker, cho phép xử lý chính xác các vật liệu nhạy với không khí. Cả khi sử dụng riêng lẻ và kết hợp, PeakForce TUNA và hộp găng tay có khả năng đo ppm sẽ là những công cụ hữu ích trong việc xác định đặc tính của các mẫu dễ vỡ như cấu trúc nano liên kết lỏng lẻo, pin mặt trời hữu cơ, pin lithium-ion, pin nhiên liệu, và nhiều loại khác.
Tác giả
Chunzeng Li, Stephen Minne, Bede Pittenger, and Adam Mednick, Bruker Nano Surfaces Division
Michele Guide and Thuc-Quyen Nguyen, University of California, Santa Barbara
EN