Chụp ảnh mạng tinh thể graphene: một bức tranh đẹp của hiển vi điện tử phân giải siêu cao

Graphene là một vật liệu siêu mỏng, chỉ bao gồm một lớp nguyên tử Carbon liên kết với nhau thành một mạng lưới với nhiều tính chất tuyệt vời. Nghiên cứu về graphene đã đem lại giải Nobel Vật lý năm 2010 cho 2 nhà khoa học gốc Nga đang làm việc tại Đại học Manchester (Anh quốc). Quan sát cấu trúc của mạng tinh thể graphene là một việc hết sức khó khăn và ít thiết bị có thể đem lại những hình ảnh đẹp. Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) với độ phân giải cao có thể quan sát các mẫu vật rắn với độ phân giải tới cấp độ nguyên tử, tuy nhiên, chùm điện tử có năng lượng cao của TEM thường phá hỏng mạng tinh thể của graphene và gây khó khăn cho việc tạo ảnh. Một giải pháp thường dùng đối với các mẫu carbon là hạ thấp hiệu điện thế gia tốc (xuống dưới 100 kV) nhằm giảm năng lượng chùm điện tử, tuy nhiên nó lại làm cho ảnh trở nên kém chất lượng và giảm độ phân giải. Các nhà khoa học Anh ở Đại học Oxford đã tìm ra được một giải pháp vượt qua những vướng víu này, đó là sử dụng một bộ lọc đơn sắc để tạo ra một chùm điện tử siêu đơn sắc (ở năng lượng thấp) và cho những bức ảnh tuyệt vời của mạng tinh thể graphene với độ phân giải tốt chưa từng có: dưới 1 Angstrom (dưới 0,1 nm) và quan sát ngay trong thời gian thực những dịch chuyển của các sai hỏng mạng của mạng tinh thể graphene.

Nhóm nghiên cứu từ Khoa Vật liệu, Đại học Oxford hợp tác với phòng thí nghiệm của Công ty Jeol (một trong những công ty hàng đầu thế giới cung cấp các thiết bị chùm điện tử) đã cải tiến kính hiển vi điện tử JEOL JEM-2200MCO với một hệ lọc đơn sắc đặt bên dưới súng phóng điện tử (là một súng phát xạ trường), cho phép lọc điện tử với độ phân tán năng lượng tới 126 meV ở thế tăng tốc 80 kV (nên nhớ là khi hạ thế tăng tốc thì độ phân tán năng lượng sẽ tăng lên nhiều lần). Kính hiển vi này cũng được lắp bộ khử cầu sai (spherical aberration corrector) cho phép giảm cầu sai bậc 1 xuống -204 nm, và bậc 3 xuống -1,162 µm (nên nhớ là các thiết bị TEM không có bộ khử cầu sai thì cầu sai có thể đạt tới cấp millimet).

Hình 1. Phân bố năng lượng của chùm điện tử sau khi qua bộ lọc đơn sắc (ảnh từ Science).

Ảnh 2 dưới đây là một kết quả của nhóm nghiên cứu Oxford có được sau khi tối ưu hoá thiết bị. Mạng tinh thể của graphene được quan sát một cách rất rõ nét (chú ý là ảnh màu là ảnh tạo ra bởi phần mềm để tạo các hiệu ứng cho quan sát – ảnh thực HRTEM là ảnh đen trắng). Vì chụp ở chế độ HRTEM, các cấu trúc có thể quan sát trong thời gian thực (real time) và cho phép quan sát sự dịch chuyển của các sai hỏng mạng trong mạng tinh thể graphene.

Hình 2. Ảnh chụp HRTEM các mạng tinh thể graphene với các sai hỏng mạng dịch chuyển được chụp trong thời gian thực (A – 0 s, B – 141 s, C – 321s), các ảnh D, E, F là ảnh mô phỏng tương ứng được dựng lại từ ảnh TEM). Hình ảnh từ Science.

Vật liệu graphene trong công trình này được chế tạo bằng phương pháp lắng đọng pha hơi hoá học trên đế đồng. Sau đó được phủ bằng PMMA để bảo vệ và đế đồng được ăn mòn còn lại graphene bám trên màng PMMA. Màng PMMA dễ dàng được rửa trôi nhờ dung môi hoá học và graphene được lắng lại trên đế mỏng SiN cho phép điện tử xuyên qua cho các phép chụp ảnh TEM. Có thể đọc chi tiết về các kết quả tuyệt vời này trên bài báo vừa xuất bản trên tạp chí Science (Science 337, 209).

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