Thắc mắc nội dung: thanhlam1910_2006@yahoo.com TÀI LIỆU ÔN THI PHÁT XẠ ĐIỆN TỬ CÁC ỨNG DỤNG CỦA PHÁT XẠ ĐIỆN TỬ BIÊN SOẠN: Phạm Thanh Tâm TP HCM 05-2010 MỤC LỤC Kính hiển vi điện tử truyền qua TEM _ 1.1 Giới Thiệu 1.2 Lịch sử 1.3 Cấu tạo nguyên lý làm việc kính hiển vi điện tử truyền qua _ Súng phóng điện tử Các hệ thấu kính lăng kính Các độ 1.3.1 1.3.2 1.3.3 1.4 Sự tạo ảnh TEM _ Bộ phận ghi nhận quan sát ảnh _ Điều kiện tương điểm _ Ảnh trường sáng, trường tối Ảnh hiển vi điện tử truyền qua độ phân giải cao Ảnh cấu trúc từ 1.4.1 1.4.2 1.4.3 1.4.4 1.4.5 1.5 Xử lý mẫu phép phân tích TEM _ Nhiễu xạ điện tử 10 Các phép phân tích tia X _ 10 Phân tích lượng điện tử 10 Xử lý mẫu cho phép đo TEM 10 1.5.1 1.5.2 1.5.3 1.5.4 1.6 Các loại kính hiển vi điện tử truyền qua đại _ 11 Kính hiển vi điện tử truyền qua truyền thống (Conventional TEM - CTEM) _ 11 Kính hiển vi điện tử truyền qua quét (Scanning TEM - STEM) _ 11 Toàn ảnh điện tử _ 12 1.6.1 1.6.2 1.6.3 1.7 Ưu điểm hạn chế TEM 12 Kính hiển vi điện tử quét SEM 13 2.1 2.2 Lược sử kính hiển vi điện tử quét _ 13 2.3 Nguyên lý hoạt động tạo ảnh SEM 14 2.4 Một số phép phân tích SEM _ 14 2.5 Giới Thiệu _ 13 Ưu điểm kính hiển vi điện tử quét 15 Kính hiển vi lực nguyên tử AFM 16 3.1 Giới Thiệu _ 19 3.2 Nguyên lý AFM _ 19 3.3 Các chế độ ghi ảnh 20 Chế độ tiếp xúc (chế độ tĩnh) 20 Chế độ không tiếp xúc (chế độ động) _ 20 Tapping mode _ 20 3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.4 Phân tích phổ AFM _ 20 3.5 Lịch sử, ưu điểm nhược điểm AFM 21 Ưu điểm AFM 21 Nhược điểm AFM _ 21 3.5.1 3.5.2 Kính hiển vi quét chui hầm STM 22 4.1 Bách khoa toàn thư mở Wikipedia Error! Bookmark not defined 4.2 Nguyên lý hoạt động STM 22 4.3 Lịch sử dạng khác STM 24 MỤC LỤC 4.4 Ưu điểm nhược điểm _ 25 Ưu điểm STM 25 Nhược điểm STM _ 25 4.4.1 4.4.2 Màn Hình phát xạ trường FED _ 26 5.1 5.2 Cấu trúc FED chế hiển thị: 27 5.3 Cực phát: _ 28 5.4 Cực phát Spindt: _ 28 5.5 Cực phát CNT: _ 29 5.6 Giới thiệu chung: _ 26 Cực phát dẫn bề mặt (SCE): 32 Ứng Dụng phát xạ Quang Điện Tử 33 6.1 Photocathode: 33 6.2 Quang trở(LDR) _ 34 6.3 Pinquang điện _ 35 MỤC LỤC Kính hiển vi điện tử truyền qua TEM 1.1 Giới Thiệu Kính hiển vi điện tử truyền qua (tiếng Anh: transmission electron microscopy, viết tắt: TEM) thiết bị nghiên cứu vi cấu trúc vật rắn, sử dụng chùm điện tử có lượng cao chiếu xuyên qua mẫu vật rắn mỏng sử dụng thấu kính từ để tạo ảnh với độ phóng đại lớn (có thể tới hàng triệu lần), ảnh tạo huỳnh quang, hay film quang học, hay ghi nhận máy chụp kỹ thuật số Sơ đồ nguyên lý kính hiển vi điện tử truyền qua 1.2 Lịch sử Kính hiển vi điện tử truyền qua TECNAI T20 Khoa Vật lý Thiên văn, Đại học Glasgow Ta biết kính hiển vi quang học sử dụng ánh sáng khả kiến để quan sát vật nhỏ, độ phân giải kính hiển vi quang học bị giới hạn bước sóng ánh sáng khả kiến, khơng thể cho phép nhìn thấy vật có kích thước nhỏ Kính hiển vi điện tử truyền qua Một điện tử chuyển động với vận tốc v, có xung lượng p = m0.v, tương ứng với sóng có bước sóng cho hệ thức de Broglie: Ta thấy bước sóng điện tử nhỏ nhiều so với bước sóng ánh sáng khả kiến nên việc sử dụng sóng điện tử thay cho sóng ánh sáng tạo thiết bị có độ phân giải tốt nhiều kính hiển vi quang học Năm 1931, lần Ernst August Friedrich Ruska với kỹ sư điện Max Knoll lần dựng nên mơ hình kính hiển vi điện tử truyền qua sơ khai, sử dụng thấu kính từ để tạo ảnh sóng điện tử Thiết bị thực xây dựng vào năm 1938 Albert Presbus James Hillier (1915-2007) Đại học Toronto (Canada) thiết bị hoàn chỉnh thực Nguyên tắc tạo ảnh TEM gần giống với kính hiển vi quang học, điểm khác quan trọng sử dụng sóng điện tử thay cho sóng ánh sáng thấu kính từ thay cho thấu kính thủy tinh[1], [2] 1.3 Cấu tạo nguyên lý làm việc kính hiển vi điện tử truyền qua Đối tượng sử dụng TEM chùm điện tử có lượng cao, cấu kiện TEM đặt cột chân không siêu cao tạo nhờ hệ bơm chân không (bơm turbo, bơm iơn ) 1.3.1 Súng phóng điện tử Cấu tạo súng phóng điện tử Trong TEM, điện tử sử dụng thay cho ánh sáng (trong kính hiển vi quang học) Điện tử phát từ súng phóng điện tử Có hai cách để tạo chùm điện tử: • Sử dụng nguồn phát xạ nhiệt điện tử: Điện tử phát từ catốt đốt nóng (năng lượng nhiệt đốt nóng cung cấp cho điện tử động để thoát khỏi liên kết với kim loại Do bị đốt nóng nên súng phát xạ nhiệt thường có tuổi thọ khơng cao độ đơn sắc chùm điện tử thường Nhưng ưu điểm Kính hiển vi điện tử truyền qua • rẻ tiền khơng địi hỏi chân không siêu cao Các chất phổ biến dùng làm catốt W, Pt, LaB6 Sử dụng súng phát xạ trường (Field Emission Gun, TEM sử dụng nguyên lý thường viết FEG TEM): Điện tử phát từ catốt nhờ điện lớn đặt vào nguồn phát điện tử có tuổi thọ cao, cường độ chùm điện tử lớn độ đơn sắc cao, có nhược điểm đắt tiền địi hỏi mơi trường chân khơng siêu cao Sau thoát khỏi catốt, điện tử di truyển đến anốt rỗng tăng tốc tăng tốc V (một thông số quan trọng TEM) Lúc đó, điện tử thu động năng: Và xung lượng p cho công thức: Nguyên lý hoạt động thấu kính từ TEM Như vậy, bước sóng điện tử quan hệ với tăng tốc V theo cơng thức: Kính hiển vi điện tử truyền qua Với tăng tốc V = 100 kV, ta có bước sóng điện tử 0,00386 nm Nhưng với tăng tốc cỡ 200 kV trở nên, vận tốc điện tử trở nên đáng kể so với vận tốc ánh sáng, khối lượng điện tử thay đổi đáng kể, phải tính theo cơng thức tổng qt (có hiệu ứng tương đối tính): 1.3.2 Các hệ thấu kính lăng kính Vì TEM sử dụng chùm tia điện tử thay cho ánh sáng khả kiến nên việc điều khiển tạo ảnh khơng cịn thấu kính thủy tinh mà thay vào thấu kính từ Thấu kính từ thực chất nam châm điện có cấu trúc cuộn dây lõi làm vật liệu từ mềm Từ trường sinh khe từ tính tốn để có phân bố cho chùm tia điện tử truyền qua có độ lệch thích hợp với loại thấu kính Tiêu cự thấu kính điều chỉnh thơng qua từ trường khe từ, có nghĩa điều khiển cường độ dịng điện chạy qua cuộn dây Vì có dịng điện chạy qua, cuộn dây bị nóng lên cần làm lạnh nước nitơ lỏng Trong TEM, có nhiều thấu kính có vai trị khác nhau: • Hệ kính hội tụ tạo chùm tia song song (Condensed lens) Đây hệ thấu kính có tác dụng tập trung chùm điện tử vừa phát khỏi súng phóng điều khiển kích thước độ hội tụ chùm tia Hệ hội tụ C1 có vai trị điều khiển chùm tia vừa phát khỏi hệ phát điện tử tập trung vào quỹ đạo trục quang học Khi truyền đến hệ C2, chùm tia điều khiển cho tạo thành chùm song song (cho CTEM) thành chùm hội tụ hẹp (cho STEM, nhiễu xạ điện tử chùm tia hội tụ) nhờ việc điều khiển dịng qua thấu kính điều khiển độ lớn độ hội tụ C2 • Vật kính (Objective lens) Nguyên lý ghi ảnh trường sáng trường tối TEM Là thấu kính ghi nhận chùm điện tử từ mẫu vật điều khiển cho vật vị trí có khả lấy nét độ phóng đại hệ thay đổi Vật kính có vai trị tạo ảnh, việc điều chỉnh lấy nét thực cách thay đổi dòng điện chạy qua cuộn dây, qua làm thay đổi tiêu cực thấu kính Kính hiển vi điện tử truyền qua • Thấu kính nhiễu xạ (Diffraction lens) Có vai trị hội tụ chùm tia nhiễu xạ từ góc khác tạo ảnh nhiễu xạ điện tử mặt phẳng tiêu thấu kính • Thấu kính Lorentz (Lorentz lens, twin lens) Được sử dụng kính hiển vi Lorentz để ghi ảnh cấu trúc từ vật rắn Thấu kính Lorentz khác vật kính thơng thường việc có tiêu cự lớn vị trí lấy nét (in focus) vị trí mà chùm tia điện tử truyền qua hội tụ mặt phẳng tiêu sau, trùng với mặt phẳng độ vật kính Thấu kính Lorentz thường bị đặt xa để đủ khả ghi góc lệch từ tính (vốn nhỏ) • Thấu kính phóng đại (Magnifying lens, intermediate lens) Là hệ thấu kính sau vật kính, độ phóng đại hệ thay đổi cách thay đổi tiệu cự thấu kính Ngồi ra, TEM cịn có hệ lăng kính có tác dụng bẻ đường điện tử để lật ảnh điều khiển việc ghi nhận điện tử phép phân tích khác 1.3.3 Các độ Là hệ thống chắn có lỗ với độ rộng thay đổi nhằm thay đổi tính chất chùm điện tử khả hội tụ, độ rộng, lựa chọn vùng nhiễu xạ điện tử • Khẩu độ hội tụ (Condenser Aperture) Là hệ độ dùng với hệ thấu kính hội tụ, có tác dụng điều khiển hội tụ chùm tia điện tử, thay đổi kích thước chùm tia góc hội tụ chùm tia, thường mang ký hiệu C1 C2 Nguyên lý điều chỉnh điều kiện tương điểm • Khẩu độ vật (Objective Aperture) Kính hiển vi điện tử truyền qua Được đặt phía bên vật có tác dụng hứng chùm tia điện tử vừa xuyên qua mẫu vật nhằm: thay đổi độ tương phản ảnh, lựa chọn chùm tia góc lệch khác (khi điện tử bị tán xạ truyền qua vật) • Khẩu độ lựa chọn vùng(Selected Area Aperture) Được dùng để lựa chọn diện tích vùng mẫu vật ghi ảnh nhiễu xạ điện tử, dùng sử dụng kỹ thuật nhiễu xạ điện tử lựa chọn vùng 1.4 Sự tạo ảnh TEM Xét nguyên lý, ảnh TEM tạo theo chế quang học, tính chất ảnh tùy thuộc vào chế độ ghi ảnh Điểm khác ảnh TEM so với ảnh quang học độ tương phản khác so với ảnh kính hiển vi quang học loại kính hiển vi khác Nếu ảnh kính hiển vi quang học có độ tương phản chủ yếu đem lại hiệu ứng hấp thụ ánh sáng độ tương phản ảnh TEM lại chủ yếu xuất phát từ khả tán xạ điện tử Các chế độ tương phản TEM: Ảnh trường sáng (a) trường tối mẫu hợp kim FeSiBNbCu • • • 1.4.1 Tương phản biên độ: Đem lại hiệu ứng hấp thụ điện tử (do độ dày, thành phần hóa học) mẫu vật Tương phản pha: Có nguồn gốc từ việc điện tử bị tán xạ góc khác Tương phản nhiễu xạ: Liên quan đến việc điện tử bị tán xạ theo hướng khác tính chất vật rắn tinh thể Bộ phận ghi nhận quan sát ảnh Khác với kính hiển vi quang học, TEM sử dụng chùm điện tử thay cho nguồn sáng khả kiến nên cách quan sát ghi nhận khác Để quan sát ảnh, dụng cụ ghi nhận phải thiết bị chuyển đổi tín hiệu, hoạt động dựa nguyên lý ghi nhận tương tác điện tử với chất rắn Kính hiển vi điện tử truyền qua Kính hiển vi quét chui hầm STM 5.1 Giới Thiệu Kính hiển vi quét chui hầm (tiếng Anh: Scanning tunneling microscope, viết tắt STM) loại kính hiển vi phi quang học, sử dụng để quan sát hình thái học bề mặt vật rắn hoạt động dựa việc ghi lại dòng chui hầm điện tử sử dụng mũi dị qt bề mặt mẫu STM cơng cụ mạnh để quan sát cấu trúc bề mặt vật rắn với độ phân giải tới cấp độ nguyên tử STM lần đầu phát minh năm 1981 hai nhà phát minh thiết bị Gerd Binnig Heinrich Rohrer (IBM, Zürich) giành giải Nobel Vật lý năm 1986 cho phát minh 5.2 Nguyên lý hoạt động STM STM thiết bị quan sát vi cấu trúc bề mặt thuộc nhóm thiết bị kính hiển vi qt đầu dị, tức việc ghi ảnh dựa nguyên tắc quét đầu dò bề mặt STM sử dụng mũi dò nhọn mà đầu mũi dị có kích thước ngun tử, quét gần bề mặt mẫu Khi đầu dò quét bề mặt mẫu, xuất điện tử di chuyển từ bề mặt mẫu sang mũi dò hiệu ứng chui hầm lượng tử việc ghi lại dòng chui hầm (do hiệu điện đặt mũi dò mẫu) cho thông tin cấu trúc bề mặt Nguyên lý hoạt động kính hiển vi quét chui hầm Tại vị trí mũi dị qt mẫu, coi điện tử chuyển động theo dạng chiều tuân theo phương trình Schrưdinger , Kính hiển vi qt chui hầm STM 22 Ảnh chụp bề mặt mẫu tinh thể vàng STM với ħ is số Planck, z vị trí, m khối lượng điện tử Nếu điện tử có lượng E gặp hàng rào lượng U hàm sóng nghiệm phương trình Schrưdinger: , với Nếu lượng E điện tử thấp rào theo quan niệm cổ điển, điện tử khơng thể có mặt phía bên rào (đi tới mũi dị) Tuy nhiên, theo quan điểm học lượng tử, tồn giá trị hàm sóng điện tử bên rào thế, tức có xác suất tìm thấy điện tử bên ngồi rào Đây hiệu ứng chui hầm lượng tử, xác suất cho bởi: Và vậy, đặt hiệu điện mũi dị mẫu xuất dịng chui hầm cho bởi: Tính tốn xác định dòng chui hầm tỉ lệ với hiệu dịch theo cơng thức: với: Kính hiển vi qt chui hầm STM 23 , Ef mức lượng Fermi , Với f hàm Fermi, ρs ρT mật độ trạng thái mẫu mũi dò [1] Ảnh chụp gần mẫu quét đầu dò thiết bị STM Đại học St Andrews, Scotland Việc quét mũi dò bề mặt tạo dòng chui hầm, tín hiệu khuếch đại Tín hiệu cho thơng tin hình thái học bề mặt với độ phân giải cấp độ nguyên tử Độ phân giải thiết bị phụ thuộc vào khả quét (bước quét) tiết diện ngang mũi dò tạo dòng chui hầm Trong thực tế, để tạo bước quét tinh tế, người ta gắn mẫu vào dao động vật liệu áp điện Khi có tín hiệu điện điều khiển đặt vào áp điện này, khối áp điện bị giãn nở hiệu ứng áp điện làm dịch chuyển mũi dò Đồng thời, để tăng khả chui hầm điện tử, hệ đặt chân không cao 5.3 Lịch sử dạng khác STM Lịch sử STM năm 1981 với thí nghiệm q trình chui hầm mơi trường khơng khí thực Gerd Binnig Heinrich Rohrer (IBM, Zürich) nâng cấp hiệu ứng chân không, kết hợp với trình quét để tạo STM vào năm 1982 [2] STM hoàn chỉnh vào cuối năm 1982 bắt đầu thương mại hóa [3], [4] Lý thuyết trình chui hầm STM phát triển N García, C Ocal, F Flores (Đại học Autónoma, Madrid, Tây Ban Nha) từ năm 1983 [5] nhóm J Tersoff D R Hamann (AT&T Bell Laboratories, Murray Hill, New Jersey) vào năm 1984 [6] Năm 1986, G Binnig H Rohrer hoàn thiện hệ STM thứ giành giải Nobel Vật lý cho phát minh Ngồi việc phân tích hình thái học bề mặt, STM cải tiến để tạo thành nhiều tính khác Trong kỹ thuật chụp ảnh từ, người ta cải tiến STM cách phủ vật liệu từ mũi dò để ghi nhận dòng điện tử chui hầm bị phân cực spin, cho phép ghi nhận cấu trúc từ bề mặt với độ phân giải cao [7] Thiết bị gọi Kính hiển vi quét chui hầm phân cực spin (Spinpolarized scanning tunnelling microscopd) Ngồi ra, người ta cịn tạo tính chui Kính hiển vi quét chui hầm STM 24 hầm khác ví dụ chui hầm với photon ghi nhận hiệu điện để có phân tích bổ sung khác Một tính khác phát triển gần STM việc thao tác nguyên tử với độ xác cao bề mặt vật rắn, cho phép tạo chi tiết siêu nhỏ với độ xác cao trở thành phép chế tạo quan trọng công nghệ nano [8] 5.4 Ưu điểm nhược điểm 5.4.1 • • • 5.4.2 • • • • Ưu điểm STM STM kỹ thuật ghi ảnh hình thái học cấu trúc (cấu trúc vật lý, cấu trúc điện từ ) bề mặt với độ phân giải cao cho ảnh chất lượng cao STM khơng địi hỏi việc phá hủy mẫu kính hiển vi điện tử truyền qua (thiết bị chụp ảnh với độ phân giải tương đương) STM cho phép tạo phép thao tác bề mặt cho trình chế tạo Nhược điểm STM Mẫu sử dụng STM phải mẫu dẫn điện bán dẫn Việc đo đạc STM đòi hỏi bề mặt mẫu siêu việc chống rung đòi hỏi lớn Tốc độ ghi ảnh STM thấp STM giới hạn cho cấu trúc bề mặt Kính hiển vi quét chui hầm STM 25 Màn Hình phát xạ trường FED 6.1 Giới thiệu chung: Hiển thị cơng nghệ chìa khóa thời đại thơng tin hoạt động giao diện cuối người cung cấp thơng tin máy tính, internet hay trạm phát hệ thống nhìn mắt người Nếu ta nhìn vào cửa hàng điện tử ngày nay, máy thu hình dựa CRT (đèn tia âm cực) monitor máy tính thơng thường Thứ hai, ta có lẽ thấy vô số LCD nhỏ thực điện thoại di động, đồng hồ dụng cụ khác Tuy nhiên, ta thấy hình với đường chéo lớn cỡ 100 cm gọi panen hiển thị plasma (Plasma Display Panel – PDP) Với PDP, ước mơ Tivi treo tường trở thành thực Các nhà phân tích tiên đoán phát triển đến kinh ngạc PDP số năm tới Các công nghệ hiển thị panen khác hiển thị phát xạ trường (Field Emission Display – FED) hiển thị phát xạ quang điện (electro Luminescence – EL) ngày tìm thấy hẳn thị trường cơng nghiệp ô tô y học Chúng ta tập trung nghiên cứu vào FED với vai trị mơ hình cho cơng nghệ hiển thị phát xạ phẳng, Nguyên tắc hiển thị dựa mảng ma trận địa yếu tố ảnh ngược với LCD, phơtpho bị kích thích điện tử (FED) Một hình phát xạ trường (FED) có cấu trúc đơn giản cấu trúc phát quang cao Loại hình khơng cần ánh sáng để cung cấp, lọc màu, kính phân cực màng mỏng quang học khác mà thứ cần hình tinh thể lỏng (LCD) Do cấu trúc FED đơn giản LCD Thêm vào đó, FED có thời gian đáp ứng ngắn hơn, góc nhìn rộng vùng nhiệt độ làm việc rộng LCD Chúng hiển thị ảnh tĩnh ảnh động, nhiệt độ xung quang nóng lạnh, mục đích sử dụng cá nhân công cộng Cấu trúc FED tương tự hình ống tia catơt (CRT) Cả FED CRT sử dụng phosphor để tạo độ sáng phụ thuộc vào chân khơng để trì thời gian sống electron phát xạ Cơ chế hoạt động FED liên quan đến electron phát xạ trường để kích thích phosphor tạo phát sáng Phát xạ xạ trường sử dụng điện trường cao phát xạ nhiệt để giải phóng electron vào chân khơng Màn hình phát xạ trường (FED) 26 6.2 Cấu trúc FED chế hiển thị: Một panel FED bao gồm mảng phát xạ trường (field emission array-FEA) phosphor Tấm FEA cấu trúc tạo phát xạ trường Ngoài ra, phát xạ qua cực cổng thường cần thiết để điều biến electron phát xạ Việc thêm điện cực thứ ba (cực cổng) catot anot tạo phát xạ qua cổng Cực phát đặt đỉnh catot Cổng thường gần với cực phát anot để điều khiển electron phát xạ Dòng phát xạ giải phóng từ cực phát hàm điện cổng catot Điện anot cổng điều chỉnh biên độ dòng phát xạ chảy đến cổng anot Một cấu trúc mà cổng đặt catot gọi cấu trúc dọc Hình 8.5 cấu trúc dọc cực phát hình nón FED Trong cấu hình này, r bán kính cực phát (khoảng vài trăm A0), d đường kính cổng mở khoảng vài khoặc vài chục μm, x độ cao từ đỉnh nhọn đến cạnh cực cổng (ít μm), Sag khoảng cách anot cổng khoảng vài chục μm đến vài mm, Vge điện cổng cực phát, Vag điện anôt cổng Chú ý điện trường F=f(r,d,h,s,Vge) mật độ dòng phát xạ J=f(F) Trong hình 8.5, electron phát từ cực phát kích thích phosphor màu đỏ, xanh lá, xanh dương (RGB) theo chiều dọc Phosphor sử dụng linh kiện phát xạ trường kiểu electron kích thích Tuy nhiên, cổng catot xếp theo cấu hình ngang thể hình 8.6 cổng đặt độ cao catot Vì electron phát từ cực phát phải bay qua cổng tiến đến anot, cổng cần nhận dịng nhiều anot Mơ hình thực nghiệm anot cấu trúc dọc thu nhận nhiều dòng cấu trúc ngang điều kiện hoạt động Đó nhược Màn hình phát xạ trường (FED) 27 điểm phát xạ cổng ngang kiểu phát xạ cổng có cấu trúc bước chế tạo đơn giản 6.3 Cực phát: Cực phát có vai trị quan trọng FED Cấu trúc cực phát trường có dạng nón, hình nêm (chữ V), hình ống Vùng phát xạ cực phát hình nón đỉnh hình nón, cấu trúc khác cạnh Nhiều cực phát bao gồm cực phát Spindt, cực phát ống nanocacbon (cacbon nanotube-CNT) cực phát dẫn bề mặt (surface conduction-SCE) Cực phát Spindt hình nón cực phát CNT có dạng ống nanocacbon đường kính nm Cực phát SCE sử dụng loại vật liệu gọi PdO (palladium oxide) với cấu trúc khe cỡ nm để sinh electron phát xạ mặt Bảng so sánh loại cực phát Sự phát xạ trường dạng cực phát cần chân không cao khoảng 10-7 torr Điện hoạt động từ vài chục đến vài trăm Vơn Vì điện hoạt động cao để điều khiển mạch tích hợp (ICs) mắc hơn, hoạt động điện cao cho thấy hao phí để chế tạo mạch tích hợp cao Do đó, hao phí để chế tạo mạch điều khiển cực phát Spindt cực phát SCE thấp chúng hoạt động điện thấp Quá trình chủ yếu việc chế tạo cực phát Spindt có dạng hình nón, cực phát SCE có dạng khe nano, cực phát CNT có dạng ống nanocacbon Khó khăn chủ yếu việc chế tạo cực phát Spindt cần diện tích bay hơi; cực phát CNT chế tạo ống nanocacbon cực phát SCE dòng lái (dòng điều khiển) cổng cao Dòng lái cổng cao SCE cấu trúc cổng ngang Cấu trúc cổng ngang giúp để tạo khe cấp nano catot cổng Mặc dù thuận tiện để khe cấm nano cấu trúc cổng ngang, electron phát SCE bay qua cổng kết cần dòng lái cổng cao Dịng hiệu dụng áp vào anot giảm, kết hiệu suất dòng thấp SCE So sánh với SCE, Spindt CNT sử dụng cấu trúc cổng dọc có tiêu thụ lượng thấp hiệu điện hoạt động Thêm vào đó, độ cao cực phát ảnh hưởng đến dòng lái cổng, cấu trúc cổng dọc độ cao cực phát thấp dịng lái cổng cao Tuy nhiên, cực phát Spindt có khó khăn khơng đồng nhát diện tích bay lớn Đối với CNT, độ cao cực phát thách thức việc chế tạo độ cao thường thấp Do đó, cực phát CNT thường có dịng lái cổng cao cực phát Spindt Ngoài ra, nhược điểm cực phát CNT hiệu suất hoạt động tỉ số phát triển ống thấp Chú ý, giá trị nhỏ bán kính cực phát khơng có diện tích phát xạ nhỏ mà tạo phát xạ mật độ dòng J cao Nếu cực phát nhọn dịng phát I giảm tích J A có giá trị nhỏ Dòng phát xạ khác đỉnh nhọn khác Một cực phát cần điện thấp cực phát khác cần điện cao Sự khác điện hoạt động không đồng làm tăng khó khăn việc điều chỉnh mức độ màu hiển thị 6.4 Cực phát Spindt: Nhiều loại vật liệu bao gồm bán dẫn sử dụng cực phát xạ trường Spindt Theo lý thuyết, cực phát trường nên loại vật liệu với điểm nóng chảy cao để chịu đựng dịng cao, cơng thấp cung cấp để phát xạ lớn áp suất thấp để trì chân khơng cần thiết linh kiện Một cực phát nên nhọn để tạo điện trường cao đáng kể cho phát xạ electron điện thấp Hiệu điện thấp làm gảm xác suất đánh thủng điện môi Bảng thể cực phát phổ biến Silic, Tungsten, Molybdenum, LaB6, Tantalum sử dụng rộng rãi linh kiện phát xạ, theo tính chất chúng Trong cực phát, Tungsten có nhiệt độ nóng chảy cap áp suất thấp Silic có bán kính phát xạ nhỏ Vì Silic chế tạo cấu trúc bán dẫn chuẩn để chế tạo đỉnh nhọn cực phát, nghiên cứu sử dụng rộng rãi Màn hình phát xạ trường (FED) 28 việc chế tạo cực phát trường điểm nóng chảy thấp áp suất cao vật liệu khác W, Mo, Ta,… Các cực phát xạ trường nên nhọn điện trường khác nhhau hình dạng nhọn phát xạ electron phụ thuộc mạnh vào điện trường Cực phát nhọn làm cho linh kiện phát xạ electron điện thấp Hình 8.7 trình chế tạo cực phát hình nón Bước q trình tạo catot, điện mơi, cực cổng Sau bay trực trục quay để tạo lớp bảo vệ, lớp có tác dụng ngăn không cho vật liệu làm cực phát không bám vào bề mặt cực cổng mà lắng đọng lớp bảo vệ sau lớp bảo vệ bị loại bỏ bề mặt cực cổng Sau lớp bảo vệ tạo, bay dọc với trục quay thực để tạo cực phát hình nón Bước cuối trình bỏ lớp bảo vệ để cực cổng 6.5 Cực phát CNT: Kiểu cực phát spindt (sharp cone type) nghiên cứu rộng rãi vài tập kỷ cuối Tuy nhiên, bốc sử dụng kiểu cực phát Spindt để chế tạo hình nón với diện tích rộng khó khăn Đó khó khăn chủ yếu việc trì cực phát hình nón đồng hình lớn thiết kế Theo đó, sử dụng sử dụng CNT Màn hình phát xạ trường (FED) 29 cực phát tiến trình thay Spindt việc tạo FED Vài trăm nm cực phát xạ trường Q trình trực tiếp gián tiếp áp dụng để chế tạo cực phát CNT Trong trình trực tiếp, CNT phát triển hồ quang sau phá vỡ mộ chất nổ Một cách giải thêm vào chất nổ CNT tạo chất thủy tinh giả kim cương (paste) Một cực phát CNT sau tạo việc in hình (screen printing) chất thủy tinh giả kim cương ống nanocacbon (CNT paste) vào đế sau làm hoạt động Hình 8.8 q trình phổ biến mà nhiệt độ cao khoảng 450 0C Bước đầu trình chế tạo catot, điện mơi, cực cổng Q trình phủ lớp CNT paste lên đế sau làm hoạt động CNT (ống nanocacbon) Khi chất CNT paste chuẩn bị trình riêng biệt Màn hình phát xạ trường (FED) 30 Vì CNT tạo nhiệt độ hồ quang cao nên có độ tinh khiết cao Tuy nhiên độ không đồng CNT khơng điều khiển cách hiệu việc in hình phá hủy hồn tồn phân bố lại cách ngẫu nhiên CNT Theo đó, q trình trực tiếp việc tạo CNT áp dụng để giải vấn đề không đồng Hai phương pháp: CVD EPD (electrophoretic deposition) sử dụng để chế tạo CNT HÌnh 8.9 trình CVD dung để chế tạo CNT Catot, điện mơi cổng tạo hình bước trình Bước ngưng tụ chất xúc tác, phổ biến Fe/Ni/Co với nhiệt độ khoảng 600 0C Nhiệt độ q trình giảm việc sử dụng trình CVD plasma Phản ứng tạo CNT C2 H → 2C + H Mặc dù CVD tạo CNT đồng tỉ số (tốc độ) phát triển chậm Ngồi ra, EPD áp dụng mơỵ q trình thay đổi liên tục cho việc tạo CNT Hình 8.10 chế ngưng tụ EPD Trong chế ngưng tụ đế đặt chất cao su hòa tan Các CNT chất cao su hịa tan tích điện sau dịch chuyển đến điện cực sau đó, CNT ngưng tụ vào điện cực Các CNT phát triển trực tiếp lên đế việc sử dụng CVD EPD Độ không đồng thu việc sử dụng CVD EPD vượt ngưỡng thu phương pháp hồ quang độ tinh khiết thu thấp Màn hình phát xạ trường (FED) 31 6.6 Cực phát dẫn bề mặt (SCE): Trong linh kiện SCE, màng PdO (palladium oxide) sử dụng cực phát khe hẹp cỡ nm sử dụng để giải phóng electron từ bề mặt màng PdO Các electron gọi electron dẫn bề mặt Cấu trúc hình SCE khác với cấu trúc hiển thị sử dụng cực phát kiểu Spindt CNT Hình 8.11 cấu trúc phổ biến hình SCE mà thường gọi hình electron bề mặt (SED) Trong cấu trúc này, electron giải phóng theo phương ngang từ cực phát đến cực cổng điện áp vào để thu electron phát xạ Khe hẹp cực cổng catot khoảng 10 nm Catot cực cổng tạo chất Pt (Platium) Cực phát PdO Màng Pt tạo phương pháp quang khắc, màng PdO cực phát ngưng tụ in phun (ink-jet printing) Hình 8.12 trình phổ biến để chế tạo SCE Bước trình chế tạo cổng catot Bước phủ lớp vật liệu làm cực phát Sau phủ lớp hoàn thành, khe hẹp tạo với chiều cỡ nm Màn hình phát xạ trường (FED) 32 Ứng Dụng phát xạ Quang Điện Tử 7.1 Photocathode: Trong giới tự nhiên có nhiều lồi vật quan sát đêm tối : rắn , dơi , mèo ,… –Rắn quan sát đêm tối nhờ thu nhận xạ hồng ngoại phát từ mồi qua định vị vị trí mồi –Dơi định vị đêm tối nhờ phát thu nhận song âm từ xác định chướng ngại vật –Mèo quan sát đêm tối nhờ thay đổi độ rộng đồng tử mắt mèo nhờ thu nhận ánh sang yếu đêm tối Lồi người khơng có khả quan sát đêm tối số lồi vật giác quan người lại có trí thong minh siêu đẳng từ người tạo nhiều cách để quan sát đêm tối Dùng photocathode cách người phát minh dung vào việc quan sát đêm tối Nó gần giống cách để mèo nhìn đêm Hình B.1.1: Cấu tạo photocathode làm thiết bị quan sát ban đêm Trong đó: 1.Vật kính 2,3,4 hệ khuếch đại 2.Photocathode 3.Microchannel plate 4.Hệ thống tạo điện trường định hướng điện tử 5.Màn ảnh 6.Thị kính Trong đêm mắt ta khơng thể quan sát vật xung quanh đêm tối ánh sang có cường độ bé mắt có cấu tạo khơng có khả quan sát môi trường ánh sang yếu Vật kính có tác dụng tập trung ánh sang cường độ yếu ớt môi trường xung quanh ánh sang ngơi ,mặt trăng,….Các photon sau chiếu vào photocathode Ở tượng phát xạ quang điện tử xảy ra.Các photon kích thích điện tử Mỗi photon kích thích điện tử làm cho điện tử bị ngồi Vì ánh sang tối có cường độ bé ánh sang có bước song khác nên vật liệu làm photocathode thường vật liệu có độ nhạy quang lớn Ứng dụng phát xạ quang điện tử 33 Các điện tử bay đến hệ microchannel plate cường độ dòng điện tử tăng cường Sau dịng điện tử định hướng điện trường mạnh tới hình quang.Tại điện tử hình quang bị kích thích phát ánh sang khả kiến Các ánh sang khả kiến qua thị kính hội tụ mắt người quan sát Đó cách để ta nhìn đêm tối 7.2 Quang trở(LDR) LDR (Light Dependent Resistor) Cấu tạo Quang trở gồm lớp chất bán dẫn (cadimi sunfua CdS chẳng hạn) phủ nhựa cách điện Có hai điện cực gắn vào lớp chất bán dẫn Hình B.2.1.Cấu tạo đơn giản quang trở Nối nguồn khoảng vài Volt thông miliampe kế.Ta thấy quang trở đặt bóng tối mạch khơng có dịng điện qua Khi chiếu ánh sáng có bước sóng ngắn giới hạn quang dẫn quang trở xuất dịng điện mạch Điện trở quang trở giảm mạnh bị chiếu ánh sáng ánh sáng nói Đo điện trở quang trở CdS, người ta thấy: không bị chiếu sáng, điện trường vào khoảng 3.106 Ω; bị chiếu sáng, điện trở cịn khoảng 20Ω Ngày nay, quang trở dùng thay cho tế bào quang điện hầu hết mạch điều khiển tự động Xét mạch đóng ngắt đèn đường: Hình B.2.2:Sơ đồ mạch điện tự đóng ngắt đèn đường Mơ tả mạch điện: Một quang trở mắc cực base B cực Emitter E transistor T (loạinpn).Quang trở đóng vai trị chia hiệu điện thể với điện trở R1 mắc cực Collector C cực base B.Một nguồn 6V vừa dùng để tạo hiệu điện UBE vừa dùng để tạo dòng Collector IC Dòng IC chạy qua nam châm ngắt điện rơ-le điện tử đóng ngắt mạch điện thắp sáng đèn đường.Nam châm điện nằm mạch collector transistor Ứng dụng phát xạ quang điện tử 34 Hoạt động: Ban ngày,khi ánh sáng chiếu vào quang trở đủ mạnh điện trở nhỏ so với R1.Hiệu điện IB =0 collector IC =0,vì vậy,nam châm khơng hoạt động Buổi tối,khi ánh sáng chiếu vào quang trở yếu đến mức điện trở đủ lớn.Hiệu điện UBE tăng.Khi UBE đạt đến giá trị (cỡ khoảng 0,7 V) xuất dịng cực base IB (khoảng 0,3mA) đó,xuất dòng điện IC (khoảng 60mA).Dòng IC chạy qua nam châm điện làm cho hút cần ngắt điện đóng mạch thắp sáng đèn đường 7.3 Pinquang điện Pin quang điện nguồn điện quang biến đổi trực tiếp thành điện Pin hoạt động dựa vào tượng quang điện bên xẩy chất bán dẫn Ta xét pin quang điện đơn giản Pin đồng oxit hình vẽ đây: HìnhB.3.1:Cấu tạo Pin Đồng oxit (Cu2O) Pin có điện cực đồng Trên đồng có phủ lớp đồng oxit Cu2O Người ta phun lớp vàng mỏng mặt lớp Cu2O để làm điện cực thứ hai Lớp vàng mỏng đến mức cho ánh sáng truyền qua chỗ tiếp xúc Cu2và Cu hình thành lớp có tác dụng đặc biệt: cho phép êlectrơn chạy qua theo chiều từ Cu2O sang Cu Khi chiếu chùm sáng có bước sóng thích hợp vào mặt lớp Cu2O ánh sáng giải phóng êlectrơn liên kết Cu2O thành electrôn dẫn Một phần êlectrôn khuếch tán sang cực Cu Cực Cu thừa êlectrôn nên nhiễm điện âm Cu2O nhiễm điện dương Giữa hai điện cực pin hình thành suất điện động Nếu nối hai điện cực với dây dẫn thông qua điện kế, ta thấy có dịng điện chạy mạch theo chiều từ Cu2O sang Cu Ngồi pin quang điện đồng oxit, cịn có nhiều loại pin quang điện khác, phổ biến pin sêlen Ngày nay, pin quang điện có nhiều ứng dụng Các pin mặt trời máy tính bỏ túi, vệ tinh nhân tạo v.v… pin quang điện Pin quang điện khơng phải khác điốt bán dẫn có diện tích bề mặt rộng có lớp N cực mỏng để ánh sáng truyền qua Khi chiếu ánh sáng vào pin quang điện phần bị phản xạ ( bề mặt pin quang điện có lớp chống phản xạ ) phần bị hấp thụ truyền qua lớp N Một phần may mắn đến lớp chuyển tiếp, nơi có cặp e lỗ trống nằm điện trường bề mặt giới hạn p-n Với bước sóng thích hợp truyền cho e lượng đủ lớn để bật khỏi liên kết Sẽ Ứng dụng phát xạ quang điện tử 35 có chuyện khơng có điện trường nhỏ tạo lớp chuyển tiếp Đó lí giải thích ta chiếu ánh sángvào vật bán dẫn khơng thể sinh dịng điện Nhưng cặp e lỗ trống nằm tác dụng điện trường e bị kéo phía bán dẫn loại n cịn lỗ trống bị kéo phía bán dẫn loại p.kết ta nối hai cực vào hai phần bán dẫn loại n p đo hiệu điện Giá trị hiệu điện thếnày phụ thuộc vào chất chất làm bán dẫn tạp chấp hấp phụ Chúc bạn thi tốt ! Ứng dụng phát xạ quang điện tử 36 ...TÀI LIỆU ÔN THI PHÁT XẠ ĐIỆN TỬ CÁC ỨNG DỤNG CỦA PHÁT XẠ ĐIỆN TỬ BIÊN SOẠN: Phạm Thanh Tâm TP HCM 05-2010 MỤC LỤC Kính hiển vi điện tử truyền qua TEM _ 1.1 Giới Thi? ??u... phóng điện tử Cấu tạo súng phóng điện tử Trong TEM, điện tử sử dụng thay cho ánh sáng (trong kính hiển vi quang học) Điện tử phát từ súng phóng điện tử Có hai cách để tạo chùm điện tử: • Sử dụng. .. động tạo ảnh SEM Việc phát chùm điện tử SEM giống việc tạo chùm điện tử kính hiển vi điện tử truyền qua, tức điện tử phát từ súng phóng điện tử (có thể phát xạ nhiệt, hay phát xạ trường ), sau tăng