Nhà khoa học phát minh ra STM qua đời ở tuổi 80

Nhà vật lý học người Thụy Sĩ Heinrich Rohrer (1933-2013), người được trao giải Nobel năm 1986 cùng với Gerd Binnig (cho phát minh về kính hiển vi STM) và Ernst Ruska (cho phát minh về kính hiển vi điện tử truyền qua vừa mới qua đời ngày 16/5/2013 khi chưa tròn 80 tuổi. Heinrich Rohrer là người có đóng góp lớn cho sự phát triển của công nghệ nano, với thành tựu phát minh ra kính hiển vi quét chui hầm (scanning tunneling microscopy – STM) nổi tiếng, cho phép quan sát bề mặt các mẫu dẫn điện tới cấp độ nguyên tử.

Heinrich Rohrer sinh ngày 6/6/1933 ở thị trấn Buchs thuộc vùng St Gallen của Thụy Sĩ. Năm 1949, gia đình ông chuyển đến Zürich và ông đã học vật lý tại Học viện Bách khoa Liên bang Zürich dưới sự giảng dạy của hai nhà vật lý nổi tiếng thời đó là Wolfgang Pauli và Paul Scherrer. Heinrich Rohrer tốt nghiệp PhD với luận văn tiến sĩ về chủ đề cơ tính của các vật liệu siêu dẫn và sau đó chuyển đến làm việc ở Đại học Rutgers (Hoa Kỳ) với chủ đề nghiên cứu về các vật liệu siêu dẫn.

Năm 1963, ông gia nhập Phòng thí nghiệm Nghiên cứu IBM ở Zürich và bắt đầu nghiên cứu về vật liệu từ. Năm 1978, ông có thêm một cộng sự đắc ý mới gia nhập là Gerd Binnig, và cả hai đã nghiên cứu về các sai hỏng trên bề mặt các phiến silicon – lúc mà thời đại vi điện tử silicon bắt đầu đi vào giai đoạn phát triển mạnh. Và để phục vụ cho nghiên cứu của mình, cả hai đã xây dựng thiết bị STM đầu tiên vào năm 1981. STM là một thiết bị điển hình ứng dụng hiệu ứng chui hầm lượng tử để quan sát bề mặt vật mẫu với độ phân giải cao.

Nguyên lý thiết bị STM và bức ảnh đầu tiên chụp bề mặt tinh thể vàng (Theo Physical Review Letters).
Nguyên lý thiết bị STM và bức ảnh đầu tiên chụp bề mặt tinh thể vàng (Theo Physical Review Letters).

STM sử dụng một mũi dò kim loại (ví dụ như tungsten , W hay hợp kim Pt-Ir), là một mũi nhọn với đầu có kích thước siêu nhỏ quét gần bề mặt mẫu nhờ một bộ rung áp điện. Vì mũi dò đặt sát bề mặt mẫu, điện tử từ bề mặt sẽ di chuyển sang mũi dò nhờ nguyên lý chui hầm trong cơ học lượng tử và dòng điện này được ghi nhận, cho phép dựng lên cấu trúc hình thái học của bề mặt mẫu. Việc quét mũi dò trên toàn bộ bề mặt mẫu cho phép dựng lên bức tranh về bề mặt mẫu. Khác với các kỹ thuật hiển vi điện tử, độ phân giải của STM chỉ phụ thuộc vào kích thước của mũi dò và khả năng ghi nhận dòng điện chui hầm. Vì ghi nhận dòng chui hầm, STM chỉ cho phép làm việc với mẫu dẫn điện và phải đặt trong chân không cao (để điện tử có thể bật ra khỏi bề mặt mẫu vật). Bài báo đầu tiên của nhóm Gerd Binnig và Heinrich Rohrer trên tạp chí danh tiếng Physical Review Letters [G. Binnig, H. Rohrer, Ch. Gerber, and E. Weibel, Surface Studies by Scanning Tunneling Microscopy, Phys. Rev. Lett. 49, 57 – 61 (1982).] đã công bố những ảnh chụp đầu tiên của bề mặt vàng (Au) và CaIrSn4. Cùng với khả năng chụp ảnh phân giải cao, STM còn là một thiết bị thao tác từng nguyên tử. Năm 1989, các nhà nghiên cứu của IBM đã dùng thiết bị STM để di chuyển 35 nguyên tử Xenon sắp xếp thành hình chữ IBM siêu nhỏ trên một bề mặt. Về sau, STM còn được cải tiến thêm với khả năng chụp ảnh cấu trúc từ với độ phân giải cao bằng cách sử dụng các vật liệu từ để ghi nhận các điện tử phân cực spin (spin-polarized STM). Ngày nay, STM còn được gắn trực tiếp vào các buồng tạo màng mỏng trong chân không siêu cao, cho phép phân tích tính chất bề mặt tức thời sau khi vừa chế tạo. “Người em” của STM sau này là AFM (Atomic Force Microscopy – kính hiển vi lực nguyên tử) cũng được phát minh từ nhóm này bởi Binnig, Quate và Gerber vào năm 1986 cho phép phân tích cả mẫu không dẫn điện, và không đòi hỏi môi trường chân không cao, bằng cách ghi nhận lực tương tác giữa mũi dò và bề mặt mẫu.

Các nguyên tử Xenon sắp xếp thành chữ IBM nhờ thiết bị STM ở IBM Zurich.

Rohrer được trao danh hiệu Học giả IBM (IBM Fellow) – danh hiệu cho những nhà nghiên cứu xuất sắc của IBM năm 1986 và được bổ nhiệm làm lãnh đạo PTN Vật lý của IBM Zürich. Giải Nobel Vật lý năm 1986 được trao cho ba người, trong đó, nhóm Heinrich Rohrer và Gerd Binnig nhận một nửa giải Nobel cho phát minh về STM, còn một nửa giải còn lại trao cho Ernst Ruska cho phát minh về kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) từ năm 1931. Năm 2011, IBM Zürich đã xây dựng Trung tâm Công nghệ Nano mang tên Heinrich Rohrer và Gerd Binnig để vinh danh đóng góp của 2 nhà khoa học này cho IBM nói riêng và cho khoa học nói chung. Heinrich Rohrer qua đời ngày 16/5/2013 tại Wollerau, Thụy Sĩ.

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