Phân tích cấu trúc từ bằng kính hiển vi điện tử

Tôi đã bỏ dở rất lâu chủ đề này trong những loạt bài dang dở về “Đômen, vách đômen từ và phương pháp quan sát” vì lý do cơm áo gạo tiền. Bài viết này sẽ là bài kết của chủ đề này với nội dung liên quan đến kỹ thuật quan sát bằng chùm điện tử năng lượng cao (mặc dù còn rất nhiều các phương pháp khác – mà trên thực tế tôi không đủ kiến thức để viết). Tôi đã có dự định viết một chút về kỹ thuật phân tích cấu trúc đômen bằng ánh sáng khả kiến (hiệu ứng quang từ Kerr) với khả năng quan sát tốc độ cao nhưng với thời gian ngắn ngủi làm việc trên thiết bị này chưa đủ để tôi có thể hệ thống hóa kiến thức một cách dễ hiểu nhất. Đành hẹn trong những bài viết về sau.

1. Quan sát cấu trúc từ bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM)

Tôi đã từng giới thiệu với bạn về SEM, một anh chàng có thể chụp hình ảnh bề mặt rất đẹp mắt và dễ dàng bằng cách quét một chùm điện tử hẹp trên bề mặt mẫu. Ngoài việc chụp hình ảnh bề mặt, SEM còn có một khả năng khác là chụp ảnh cấu trúc đômen bề mặt (chủ yếu là ở các màng mỏng) với độ phân giải rất cao nhờ việc phân tích độ phân cực spin của chùm điện tử thứ cấp.

Hình 1. Sơ đồ nguyên lý của SEMPA.

Khi chùm điện tử quét trên bề mặt một mẫu vật liệu sắt từ, điện tử phát xạ thứ cấp sẽ bị phân cực spin. Nếu detector ghi ảnh điện tử thứ cấp có tính năng ghi lại điện tử phân cực, thì ảnh ta thu được sẽ là hình ảnh cấu trúc đômen (tương ứng với các chiều phân cực của điện tử thứ cấp). Tính năng này được gọi là Spin-SEM hoặc SEM with Polarisation Analyser (SEMPA). Bạn hãy chú ý là điện tử phân cực spin thứ cấp rất dễ bị mất độ phân cực spin sau khi phát ra khỏi bề mặt vật liệu, vì thế điều kiện cho SEMPA có thể hoạt động là môi trường chân không siêu cao và một bề mặt vật liệu siêu sạch. Một SEMPA thông thường có cấu trúc giống như một SEM, nhưng SEMPA đòi hỏi môi trường chân không rất cao (tối thiểu là 10-9 Torr) và một detector ghi điện tử phân cực spin. Chùm điện tử thứ cấp (được hội tụ và quét trên mẫu) có năng lượng trung bình từ 10 đến 50 keV, có thể hội tụ xuống kích thước 50 nm, và cường độ chùm có thể lớn hơn 1 nA. Thông thường, chùm điện tử tới sẽ đặt nghiêng so với mặt phẳng mẫu trong khi detector được hướngthẳng góc vào mẫu [1] như hình vẽ dưới đây, để ghi được ảnh spin, detector của SEMP đặt gần mẫu hơn so với SEM thông thường:

Hình 2. Sơ đồ bố trí các cột điện tử và detector trong SEMPA (H. P. Oepen, R. Froemter, Handbook of Magnetism and Advanced Magnetic Materials. Edited by Helmut Kronm¨ uller and Stuart Parkin. Volume 3: Novel Tech- niques for Characterizing and Preparing Samples.  2007 John Wiley & Sons, Ltd. ISBN: 978-0-470-02217-7.)

Nếu như chùm điện tử thứ cấp có spin theo 2 phương (up, down) có mật độ là N_{\uparrow}, N_{\downarrow} thì độ phân cực spin sẽ là:

P = \frac{N_{\uparrow} - N_{\downarrow}}{N_{\uparrow} + N_{\downarrow}}

và từ độ sẽ ghi nhận được là:

M = -\mu_B.P = -\mu_B. \frac{N_{\uparrow} - N_{\downarrow}}{N_{\uparrow} + N_{\downarrow}}

với \mu_BBohr magneton, đơn vị của mômen từ

Gần đây, SEMPA đang là thiết bị chụp ảnh từ mới nổi, được quan tâm khá nhiều trong các nghiên cứu về cấu trúc từ, bởi khả năng cho ảnh với độ phân giải khá cao (xịn nhất thậm chí có thể cho độ phân giải 5-10 nm), mà không đòi hỏi mẫu mỏng như TEM, đồng thơi cho phép chụp cả 3 thành phần từ độ của mẫu, và lại khá “ngon” cho các màng siêu mỏng.

Nếu như khả năng ghi đồng thời ba thành phần từ độ với độ phân giải khá tốt (có thể tới 10 nm) là một điểm mạnh của SEMPA thì thời gian và điều kiện mẫu lại là một điểm kém. Vì tín hiệu từ chùm điện tử phân cực rất yếu nên đòi hỏi phải ghi nhận một lượng lớn điện tử phát xạ, mà cách duy nhất là tăng thời gian ghi ảnh. Vì thế một ảnh SEMPA đòi hỏi thời gian rất dài để ghi (có thể tới 10, thậm chí vài chục phút). Tốc độ của SEM vốn chậm do nó hoạt động ở chế độ quét mà SEMPA còn chậm hơn một SEM thông thường.  Điều này khiến cho SEMPA không thích hợp cho các phép đo động (in-situ). Việc quá nhạy với độ sạch bề mặt cũng là một điểm kém của SEMPA.

2. Phân tích cấu trúc từ bằng TEM

Tiếp tục với chủ đề phân tích cấu trúc từ bằng chùm điện tử, tôi sẽ giới thiệu một kỹ thuật mạnh hơn và được ưa chuộng hơn sử dụng TEM được gọi là Lorentz microscopy. Lorentz microscopy (LTEM) là nhóm kỹ thuật phân tích cấu trúc từ trong kính hiển vi điện tử truyền qua dựa trên nguyên lý sự lệch của chùm điện tử dưới tác dụng của lực Lorentz khi nó truyền qua mẫu vật có từ tính. Ta nhớ lại lực Lorentz tác động lên một điện tử được cho bởi [2]:

\mathbf{F_L} = -e [\mathbf{E} + (\mathbf{v} \times \mathbf{B})]

Với \mathbf{E}, \mathbf{B} lần lượt và vector điện trường và cảm ứng từ, e, \mathbf{v} là điện tích và vận tốc của điện tử. Nếu xem rằng điện tử là một chùm song song mang bản chất sóng vật chất, chiếu tới mẫu vật theo phương z thì góc lệch này sẽ được cho bởi:

\beta_L(x) = \frac{e \lambda}{h} \int_{- \infty}^{+ \infty} B_{\perp}(x,y) dz

Hình 4. Độ lệch của chùm điện tử khi truyền qua một màng mỏng từ.

Nếu xem rằng từ độ phân bố một cách đặn theo chiều này màng, thì ta có thể đơn giản hóa công thức về góc lệch như sau [3]:

\beta_L = \frac{e \lambda B_s t}{h}

Ở đây, \lambda là bước sóng chùm điện tử, h là hằng số Planck, t là chiều dày mẫu, B_s là cảm ứng từ bão hòa. Ta có thể thử ước tính góc lệch cho trường hợp điển hình với cảm ứng từ 1 T, chiều dày t = 20 nm và chùm điện tử có năng lượng 200 kV (điển hình trong TEM) thì góc lệch mới chỉ là \beta_L \sim 1.2 \times 10^{-5} radiant. Con số này rất nhỏ so với góc tán xạ của điện tử do tán xạ trên mạng tinh thể, vì thế ghi nhận điện tử theo cách này cũng không hề dễ dàng chút nào. Tuy không dễ dàng ghi nhận tín hiệu góc lệch điện tử, nhưng LTEM lại là công cụ có khả năng kết hợp các điểm mạnh mà nhiều phương pháp khác mắc phải: chụp ảnh với độ phân giải cao (tới dưới 5 nm), chất lượng ảnh cao và tốc độ đủ tốt (tới micro giây) cho các phép đo động. Những phần tiếp theo sẽ đi sâu hơn vào những vấn đề này.

LTEM có thể tạm chia làm 2 kỹ thuật là LTEM trong các CTEM sử dụng chùm điện tử song song, kỹ thuật này được gọi là ảnh Fresnel và Foucault, và LTEM trong các STEM sử dụng chùm điện tử hội tụ quét gọi là kỹ thuật DPC cho khả năng chụp ảnh với độ phân giải cao.

2.1. Ảnh Fresnel và Foucault ở trong CTEM

Ảnh Fresnel là chế độ tạo ảnh cấu trúc từ đơn giản nhất có thể thực hiện ở hầu hết các thiết bị TEM mà không đòi hỏi các thiết bị đi kèm phức tạp. Ảnh Fresnel thực chất là quá trình tạo ảnh theo quy tắc nhiễu xạ Fresnel (nhiễu xạ chùm tia song song với góc nhiễu xạ nhỏ) như mô tả trong hình 5 [4]. Cần chú ý rằng, trong TEM, vật kính (objective lens) tạo ra từ trường rất lớn ở tại chính vị trí đặt mẫu và sẽ phá hủy toàn bộ cấu trúc từ của mẫu. Vì thế, vật kính chuẩn thường được tắt đi để tạo ra môi trường không có từ trường hoàn hảo. Lúc này, thấu kính tạo ảnh sẽ được tạo nhờ hệ thống thấu kính phụ có tiêu cự dài và đặt xa mẫu (gọi là thấu kính Lorentz).

Hình 5. Nguyên lý tạo ảnh Fresnel và Foucault trong CTEM.

Ở chế độ Fresnel, thay vì hứng ảnh tại đúng vị trí tạo ảnh theo quy tắc thấu kính, ảnh lại được ghi nhận tại một vị trí cách mặt phẳng ảnh một khoảng \Delta z (gọi là defocus hoặc defoci), có nghĩa chế độ Fresnel là “out-of-focus”. Lúc này, tương phản tạo ra sẽ là hình ảnh các vách đômen có dạng sáng (convergent wall) hoặc tối (divergent wall). Khi vật kính càng được “defocusing” (rất xin lỗi bạn đọc tôi cũng không rõ cần dịch thuật ngữ này thế nào) hay \Delta z thì độ tương phản càng tăng lên. Hình vẽ dưới đây là một ví dụ điển hình ảnh chụp các vách đômen 90o trong màng mỏng NiFe (20 nm) [2].

Hình 6. Ảnh Fresnel chụp các vách đômen 90 độ trong màng mỏng NiFe.

Một cách trực tiếp, ảnh Fresnel chỉ cho bạn nhìn thấy hình ảnh các vách đômen với độ phân giải phụ thuộc vào tham số defoci \Delta z. Khi \Delta z càng lớn, độ phân giải càng giảm dần (nhưng cũng chú ý rằng \Delta z càng lớn thì tương phản càng tăng – càng dễ quan sát). Vì thế, nếu để chụp hình đẹp với độ phân giải thích hợp, người chụp hình cần biết kết hợp hài hòa giữa các thông số này [5]. Ảnh Fresnel cho độ phân giải tốt cỡ 20-30 nm (với một bức hình tương phản tốt), nếu tăng thêm độ phân giải thì thông tin sẽ bị nhiễu đi rất nhiều. Ảnh Fresnel cho tương phản của các vách đômen từ tính của các màng mỏng sắt từ trên một nền đồng nhất của đômen từ. Khi hai chùm điện tử (từ hai đômen từ) sau khi qua mặt phẳng tiêu hội tụ nhau trên mặt phẳng ảnh, sẽ cho hình ảnh một vách đômen màu trắng, còn khi chúng phân kỳ sẽ cho một vách đômen màu đen. Vùng còn lại về mặt lý tưởng sẽ là đồng nhất (màu xám nhạt). Nếu là màng mỏng đa tinh thể thì sẽ cho tương phản về các gợn sóng (ripple) do sự thăng giáng của dị hướng từ tinh thể bề mặt. Và các gợn sóng này sẽ vuông góc với chiều của cảm ứng từ trong đômen tại vị trí đó. Đây chính là cách thông dịch về phân bố từ độ trong các đômen từ ảnh Fresnel, đồng thời những phép phân tích sâu hơn về các gơn sóng này.

Điểm mạnh của Fresnel là nhạy với sự thay đổi về cảm ứng từ B và tốc độ ghi ảnh tốt, cho phép thực hiện các phép đo động theo thời gian một cách dễ dàng, thậm chí có thể dễ dàng ghi một đoạn video clip quá trình động học vách đômen chạy trong vật liệu (như ví dụ trên đây). Nhưng bạn chú ý rằng khái niệm tốc độ tốt ở đây là so sánh với một số phương pháp như STM, MFM hay SEMPA chứ tốc độ này còn thua xa so với các kỹ thuật sử dụng ánh sáng khả kiến như MOKE hay XMCD-PEEM.

Hình 7. Cặp ảnh Foucault cho tương phản về đômen trong vật thể NiFe hình chữ nhật (hình từ GS J N Chapman).

Một kỹ thuật khác của LTEM trong các TEM là ảnh Foucault, hoạt động ở chế độ in-focus, tức là ảnh được ghi nhận đúng vị trí tạo ảnh theo quy tắc quang học [6]. Nhưng khác với Fresnel, tương phản ở Foucault tạo ra là nhờ một khẩu độ chắn đi các chùm tia lệch ra từ một đômen xác định và tạo nên tương phản sáng (đômen không bị che) và tối (đômen bị che) tỉ lệ trực tiếp với cảm ứng từ trong đômen (xem hình 5). Có nghĩa là tương phản trong ảnh Foucault là tương phản trực tiếp từ từ độ. Bạn có thể liên hệ một cách tương ứng của kỹ thuật Foucault này tới kỹ thuật tạo ảnh trường sáng-trường tối mà tôi đã giới thiệu ở bài trước. Foucault có thể cho độ phân giải từ 5-10 nm và không đòi hỏi các trang bị phức tạp, đồng thời tốc độ ghi ảnh tương đương với Fresnel. Điểm kém (và cũng là điểm khiến nó trở nên nhàm chán) là việc phải di chuyển khẩu độ liên tục khi muốn thay đổi các chiều ghi từ độ, mà việc này hoàn toàn cơ học. Nó cũng khiến cho việc xác định phương hướng từ độ trở nên khó khăn hơn dù có những hình ảnh trực tiếp. Hiện nay, kỹ thuật Foucault đang dần mất ưu thế và ít được sử dụng.

2.2. Tương phản pha vi phân (DPC)

DPC là chữ viết tắt của Differential Phase Contrast, có lẽ là kỹ thuật ghi ảnh từ tốt nhất hiện nay: chất lượng ảnh cao, độ phân giải cao và thời gian ghi ảnh không quá lâu, thông tin dễ dàng được thông dịch. Trên thực tế, “phase contrast” là từ chung chỉ các kỹ thuật hiển vi (phase contrast microscopy) mà ở đó tương phản của ảnh được tạo ra (biên độ) được đóng góp chính từ các thành phần tạo ra sự dịch pha của sóng. DPC là một nhánh nhỏ của phase contrast microscopy, được Giáo sư John ChapmanGS Robert Ferrier (University of Glasgow) lần đầu tiên phát triển vào năm 1978 ứng dụng cho việc ghi ảnh cấu trúc từ [7]. Tôi rất may mắn được làm việc dưới sự hướng dẫn của GS Chapman trong vòng 4 năm (2006-2010) và khai thác DPC trong việc phân tích cấu trúc từ các cấu trúc nano chính là một chủ đề của luận án tiến sĩ của tôi.

Hình 8. (a) Chùm điện tử quét qua mẫu ở STEM, (b) Bố trí quang học của DPC và (c) detector của DPC (from D-T. Ngo, PhD Thesis, Univ. Glas.).

DPC hoạt động theo đúng cách của STEM: một chùm điện tử được sử dụng một hệ aperture và thấu kính (kính là thấu kính Lorentz đặt bên trên vật) hội tụ thành một chùm hẹp, có góc hội tụ là 2\alpha (hình 8(b)) và quét trên bề mặt mẫu mỏng. Chùm tia đi xuyên qua mẫu bị lệch do lực Lorentz sẽ có dạng một hình nón xòe ra và di chuyển theo cách quét của chùm tia tới với góc mở 2\beta_L. Để ghi lại ảnh, người ta sử dụng một hệ cuộn dây gọi là cuộn hủy quét (de-scan coils) có tác dụng làm nón luôn chiếu xuống một điểm (đỉnh nón chạy theo tia quét nhưng tán của nón thì hướng vê một điểm) và sau đó sẽ được hội tụ để tạo ảnh quang học nhờ một vật kính gọi là vật kính bên dưới mẫu (post-specimen lenses). Ảnh chùm tia cuối cùng là một đốm sáng và được hứng nhờ một hệ detector đặc biệt gồm 4 phần chia đều của một hình tròn (gọi là quadrant detector – xem hình 8(c)). Lấy vi phân các tín hiệu từ 4 phần này (A-B-C-D) ta sẽ được các hình ảnh tương phản về cảm ứng từ B của hai thành phần vuông góc (A-C, B-D), trong khi ảnh tổng (A+B+C+D) lại chính là ảnh trường sáng của mẫu vật (thông tin về cấu trúc vật lý). Nhưng vậy, DPC cho đồng thời thông tin về cấu trúc từ và cấu trúc vật lý.

Hình 9. Ảnh DPC cấu trúc đômen trong màng NiFe (tương tự hình 7 ).

Độ phân giải của DPC phụ thuộc vào kích thước chùm tia quét trên mẫu và góc hội tụ của chùm tia quét. Ở chế độ quét với độ phân giải cao, DPC có thể đạt được độ phân giải 1.9 nm [8]. Nhưng cũng chú ý một điều là ở chế độ ghi ảnh phân giải cao, tương phản sẽ giảm đi đáng kể. Chế độ phân giải cao thường thích hợp để phân tích cấu trúc vách đômen (độ dày, phân bố mômen từ, phục hồi pha…) như một ví dụ ở hình 10.

Hình 10. Tương phản của 2 thành phần cảm ứng từ của ảnh DPC và phân bố cảm ứng từ theo vị trí.

Vách đômen có thể phân tích chi tiết thông qua việc đo độ phân bố của thành phần cảm ứng từ B vuông góc với vách đômen (như hình 10). Lúc này, cường độ ảnh sẽ tỉ lệ thuận với cảm ứng từ B và chiều dày của mẫu qua đó cho phép xác định cảm ứng từ bão hòa theo công thức:

S = \frac{4 I e B_s \lambda t}{\pi \alpha \beta}

Điểm mạnh của DPC là khả năng cho ảnh trực tiếp tỉ lệ với cảm ứng từ B, chế độ tạo ảnh in-focus do đó không bị nhiễu thông tin (trái với Fresnel thông tin thường bị nhiễu do ở chế độ de-focus) và quan trọng nhất là khả năng cho độ phân giải rất cao. Dù hoạt động ở chế độ quét tương tự như SEMPA nhưng tốc độ của DPC nhanh hơn SEMPA gấp nhiều lần (độ phân giải thời gian của DPC là cỡ giây) – tất nhiên là chậm hơn Fresnel. Ảnh DPC rất dễ thông dịch thông tin nhưng cần chú ý là DPC đòi hỏi trang bị khá đắt tiền đồng thời lại đòi hỏi các bước thiết lập, chuẩn hóa rất tốn thời gian, đòi hỏi nhiều kinh nghiệm và công sức.

(Còn nữa)

2 Comments

  1. Em da tim ra cau truc cua detector tu tinh trong Sempa, cam on anh nhieu!
    Cau tao la dien tu thu cap va phai mot mieng kim loai nang nhu vang hay vonfram se phan xa vao cac tam kinh huynh quang xung quanh! Phai khong anh?
    Chuc anh suc khoe!

  2. Thua and Duc The,
    Bai viet cua anh hay that, rat huu ich!
    Nhung em hoi thac mac mot chut ve cach tinh tu do bao hoa cua mau vat! Co vai bai viet tren wiki em xem hoai khong hieu!
    Cong thuc o cuoi bai em cung khong ro lam vi khong co chu thich!
    Hy vong anh co the giai thich giup em! Em rat thich nhung bai viet nay cua anh!
    Chuc anh suc khoe!

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s