Kính hiển vi lực nguyên tử(Atomic Force Microscope, AFM) là một công nghệ vi mô có độ phân giải cao dựa trên sự tương tác của đầu dò với bề mặt mẫu, cho phép đo hình dạng 3D và phân tích các tính chất vật lý, hóa học khác nhau của mẫu ở quy mô nano. Ưu điểm cốt lõi của nó là không cần môi trường chân không, có thể đo nhiều vật liệu (bao gồm cả chất cách điện) và cung cấp độ phân giải của kính hiển vi siêu quang (độ phân giải 0,1-0,2 nanomet theo chiều ngang và 0,01 nanomet theo chiều dọc). Dưới đây là các chức năng đo lường chính và các tình huống ứng dụng của AFM:

1- Xây dựng lại hình dạng 3 chiều

Quét bề mặt mẫu bằng đầu dò, ghi lại sự dịch chuyển theo chiều dọc của đầu dò (tín hiệu trục Z), tạo ra hình ảnh bề mặt ba chiều có độ phân giải cao.

Ứng dụng: Phân tích độ nhám bề mặt vật liệu nano, đặc tính cấu trúc của các thiết bị vi điện tử, quan sát hình dạng bề mặt của các mẫu sinh học (ví dụ: màng tế bào, DNA).

Trường hợp: Đo các bước lớp đơn nguyên tử trên bề mặt graphene, chênh lệch chiều cao chỉ 0,34 nanomet.

2, Chiều cao bước và phân tích hồ sơ

Đo định lượng các kích thước dọc như độ dày màng, đường kính dây nano, chiều cao hạt, v.v.

Ứng dụng: Đánh giá chất lượng tăng trưởng màng bán dẫn, thống kê kích thước hạt nano, kiểm tra tính đồng nhất của lớp phủ.

1, Mô đun đàn hồi và độ cứng

Mô đun đàn hồi cục bộ (Young's Modulus) và độ cứng của mẫu được tính bằng phân tích Force-Distance Curve.

Ứng dụng: đặc tính cơ học của vật liệu polymer, nghiên cứu sự khác biệt về độ cứng của mô sinh học (ví dụ: sụn, tế bào khối u).

Trường hợp: Đo lường sự khác biệt về mô đun đàn hồi giữa các tế bào ung thư và các tế bào bình thường, hỗ trợ chẩn đoán ung thư.

2, lực bám dính và ma sát

Đo lực bám dính (chẳng hạn như lực giữa các phân tử) hoặc ma sát bên giữa đầu dò và bề mặt mẫu.

Ứng dụng: Đánh giá tính chất của vật liệu bôi trơn, nghiên cứu tương tác giữa các phân tử sinh học (ví dụ: protein, DNA) và chất nền.

1, Kính hiển vi lực nguyên tử dẫn điện (C-AFM)

Điện áp được áp dụng trên đầu dò, phân phối dòng điện trên bề mặt mẫu được đo, tạo bản đồ độ dẫn điện.

Ứng dụng: Phân tích rò rỉ thiết bị bán dẫn, phát hiện tính đồng nhất của màng polymer dẫn điện, đánh giá chất lượng tiếp xúc với điện cực pin mặt trời.

Trường hợp: Xác định vị trí các vi vùng dẫn điện kém trong pin mặt trời, tối ưu hóa quy trình sản xuất.

Kính hiển vi điện tĩnh (EFM)

Đo điện tĩnh giữa đầu dò và bề mặt mẫu, phản ánh sự phân bố điện tích bề mặt hoặc hằng số điện môi.

Ứng dụng: quan sát cấu trúc miền của vật liệu sắt điện, phân tích bẫy điện tích bề mặt chất cách điện.

1, Kính hiển vi từ tính (MFM)

Sử dụng đầu dò phủ từ tính, cấu trúc miền từ trên bề mặt mẫu được ánh xạ bằng lực tương tác từ tính.

Ứng dụng: Phát triển đầu đĩa cứng, nghiên cứu sắp xếp hạt nano từ tính, đặc tính của thiết bị điện tử spin.

Trường hợp: Quan sát quá trình ghi và đọc các tên miền từ cấp nano trong môi trường lưu trữ từ tính.

Kính hiển vi nhiệt quét (SThM)

Đầu dò làm nóng và đo độ dẫn nhiệt cục bộ để tạo bản đồ phân phối nhiệt.

Ứng dụng: Tối ưu hóa quản lý nhiệt của các thiết bị vi điện tử, phân tích đẳng hướng độ dẫn nhiệt của vật liệu composite.

1, Kính hiển vi lực hóa học (CFM)

Đầu dò chức năng hóa các sửa đổi (chẳng hạn như liên kết các phân tử cụ thể) để xác định các thành phần hóa học bề mặt bằng cách hợp lực liên kết hóa học.

Ứng dụng: Phát hiện phân tử đơn, Định vị vị trí hoạt động bề mặt chất xúc tác, Nhận dạng đặc hiệu phân tử sinh học.

2, Quan sát động mẫu sinh học

Theo dõi chuyển động tế bào, gấp protein hoặc quá trình lai DNA trong thời gian thực trong môi trường lỏng.

Trường hợp: Quan sát sự phân bố động của các thụ thể trên bề mặt màng tế bào sống, nghiên cứu cơ chế hoạt động của thuốc.

Phân biệt thời gian AFM

Quét tốc độ cao (bước mili giây) chụp những thay đổi hình dạng bề mặt, chẳng hạn như thay đổi pha, tăng trưởng kết tinh hoặc quá trình ăn mòn.

Ứng dụng: quá trình sạc và xả pin điện cực phát triển hình dạng, giám sát giai đoạn đầu của ăn mòn kim loại.

1, Liên kết AFM-Raman

Kết hợp hình dạng AFM với thông tin hóa học phổ Raman để đạt được phân tích đồng bộ "hình dạng-thành phần".

Ứng dụng: vật liệu hai chiều (ví dụ MoS₂) lớp và nhận dạng khuyết tật, nghiên cứu giao diện vật liệu composite polymer.

2, AFM - Kết nối hồng ngoại

Hình ảnh hóa học cấp nano đạt được bằng cách tăng cường phổ hồng ngoại (TERS) với đầu kim.

Ứng dụng: Phân tích thành phần hóa học của cấu trúc nano phân tử sinh học, định vị trung tâm hoạt động bề mặt xúc tác.