Tôi đã từng giới thiệu với bạn một “ông lớn” trong thế giới nano là “kính hiển vi điện tử truyền qua” (TEM), một “ông kễnh” khiến nhiều lãnh đạo của các phòng nghiên cứu phải cúi đầu nhăn trán suy nghĩ đủ đường thiệt-hơn xem liệu có nên tậu “ông kễnh” này về lab của mình hay không? Trong bài này, chúng ta lại cùng làm quen với một một người anh em khác của TEM trong dòng kính hiển vi điện tử là kính hiển vi điện tử quét – tuy bạn không cao, nhưng người khác vẫn phải ngẩng nhìn (xem thêm bài viết của tôi vềSEM trên wiki tiếng Việt).

1. Scanning electron microscope (SEM)

Kính hiển vi điện tử quét (tiếng Anh: Scanning Electron Microscope, thường viết tắt là SEM), là một loại kính hiển vi điện tử có thể tạo ra ảnh với độ phân giải cao của bề mặt mẫu vật rắn bằng cách sử dụng một chùm điện tử (chùm các electron) hẹp quét trên bề mặt mẫu. Việc tạo ảnh của mẫu vật được thực hiện thông qua việc ghi nhận và phân tích các bức xạ phát ra từ tương tác của chùm điện tử với bề mặt mẫu vật. Có nghĩa là SEM cũng nằm trong nhóm các thiết bị phân tích vi cấu trúc vật rắn bằng chùm điện tử.

So với TEM, SEM đơn giản hơn rất nhiều, bạn có thể hình dung hoạt động của SEM cũng tương tự như việc dùng một chùm sáng chiếu trên bề mặt, và quan sát hình ảnh bề mặt bằng cách thu chùm sáng phản xạ. Ô, và như thế, SEM hoạt động không đòi hỏi mẫu phải mỏng như TEM. Việc phát các chùm điện tử trong SEM cũng giống như việc tạo ra chùm điện tử trong kính hiển vi điện tử truyền qua, tức là điện tử được phát ra từ súng phóng điện tử (có thể là phát xạ nhiệt, hay phát xạ trường…), sau đó được tăng tốc. Tuy nhiên, thế tăng tốc của SEM thường chỉ từ 10 kV đến 50 kV vì sự hạn chế của thấu kính từ, việc hội tụ các chùm điện tử có bước sóng quá nhỏ vào một điểm kích thước nhỏ sẽ rất khó khăn. Điện tử được phát ra, tăng tốc và hội tụ thành một chùm điện tử hẹp (cỡ vài nanomet) nhờ hệ thống thấu kính từ, sau đó quét trên bề mặt mẫu nhờ các cuộn quét tĩnh điện (hình 1). Độ phân giải của SEM được xác định từ kích thước chùm điện tử hội tụ, mà kích thước của chùm điện tử này bị hạn chế bởi quang sai, chính vì thế mà SEM không thể đạt được độ phân giải tốt như TEM. Ngoài ra, độ phân giải của SEM còn phụ thuộc vào tương tác giữa vật liệu tại bề mặt mẫu vật và điện tử. Khi điện tử tương tác với bề mặt mẫu vật, sẽ có các bức xạ phát ra, sự tạo ảnh trong SEM và các phép phân tích được thực hiện thông qua việc phân tích các bức xạ này. Các bức xạ chủ yếu gồm:

• Điện tử thứ cấp (Secondary electrons): Đây là chế độ ghi ảnh thông dụng nhất của kính hiển vi điện tử quét, chùm điện tử thứ cấp có năng lượng thấp (thường nhỏ hơn 50 eV) được ghi nhận bằng ống nhân quang nhấp nháy. Vì chúng có năng lượng thấp nên chủ yếu là các điện tử phát ra từ bề mặt mẫu với độ sâu chỉ vài nanomet, do vậy chúng tạo ra ảnh hai chiều của bề mặt mẫu.
• Điện tử tán xạ ngược (Backscattered electrons): Điện tử tán xạ ngược là chùm điện tử ban đầu khi tương tác với bề mặt mẫu bị bật ngược trở lại, do đó chúng thường có năng lượng cao. Sự tán xạ này phụ thuộc rất nhiều vào vào thành phần hóa học ở bề mặt mẫu, do đó ảnh điện tử tán xạ ngược rất hữu ích cho phân tích về độ tương phản thành phần hóa học. Ngoài ra, điện tử tán xạ ngược có thể dùng để ghi nhận ảnh nhiễu xạ điện tử tán xạ ngược, giúp cho việc phân tích cấu trúc tinh thể (chế độ phân cực điện tử). Ngoài ra, điện tử tán xạ ngược phụ thuộc vào các liên kết điện tại bề mặt mẫu nên có thể đem lại thông tin về các đômen sắt điện.

Như vậy, SEM không đòi hỏi mẫu phải mỏng như TEM, tức là ta không cần phá hủy mẫu, nhưng có phải SEM có thể làm việc với mọi loại mẫu vật rắn? Không phải thế, SEM chỉ có thể chụp được ảnh các mẫu dẫn điện, chú ý là dẫn điện bởi vì với mẫu không dẫn điện, bạn sẽ vô hình chung tạo thành một vùng nhiễm điện khi các điện tử quét vào, chả có tí điện tử thứ cấp nào phát ra cho bạn ghi ảnh. Nhưng bạn vẫn thấy trên nhiều bài báo khoa học, họ vẫn có ảnh SEM của các mẫu không dẫn điện đấy thôi, điều này có gì mâu thuẫn không? Cũng không có gì mâu thuẫn cả, cách cải tiến đơn giản nhất là phủ lên trên bề mặt của mẫu một lớp màng mỏng kim loại rất mỏng (chừng vài nm) như một cách “nhân tạo” để tăng khả năng phát xạ điện tử. Bạn cứ tưởng tượng nó giống như việc ta mạ bóng cho gương. Ở hầu hết các phòng thí nghiệm SEM, khi bán SEM cho bạn, công ty thường bonus cho khách hàng thêm một hệ tạo màng mỏng như thế, gọi là sputter coater, tức là thiết bị phủ màng bằng phương pháp phún xạ cathode. Kim loại dùng phổ biến cho loại hình phủ này là vàng.

Xong, bạn thấy rằng sao mà SEM đơn giản thế, vèo cái cho ngay ảnh với độ phân giải cao (có thể đến một vài nm), mà không phải vất vả xử lý mẫu, giữ nguyên mẫu chứ không phá cho tan tành như TEM. Mà xem ra giá thành của SEM còn thấp hơn TEM rất nhiều? Những điều đó đều đúng cả, nhưng chưa đủ. Bạn phải nhớ một điều là SEM cho bạn hình ảnh vi cấu trúc bề mặt, chỉ là hình ảnh bề mặt mà thôi, chứ không phải cấu trúc thực của vật liệu. Mà ta lại nhớ là trong thế giới hiển vi, hình ảnh bề mặt không hoàn toàn giống như những gì ta muốn thấy ở bên trong. Mà độ phân giải của SEM xịn nhất cũng chỉ đạt cỡ vài nanomet (nói chung là cỡ dưới 10 nm), có nghĩa là nó mới chỉ lân la đến gần thế giới nano mà thôi (bạn hãy tự so sánh với TEM với độ phân giải tốt gấp hàng vài chục lần so với SEM để thấy). Thế thì bạn lại thở dài, oài, thế này thì nói làm quái gì, vứt đi cho xong. Không hẳn vậy, SEM rất hữu ích trong các quan sát bề mặt mà đòi hỏi không phá hủy mẫu, ví dụ như chụp ảnh các linh kiện điện tử (kích thước tầm vài chục nm trở nên), hay các mẫu vật sinh học? Điều dễ thở hơn là SEM rẻ hơn so với TEM, hoạt động dễ dàng hơn, không đòi hỏi nhiều trang thiết bị đắt tiền, chi phí nuôi máy móc tốn kém như TEM. Chỉ cần được đào tạo bài bản và thực hành tốt, bạn có thể làm một SEM operator tốt trong thời gian từ 2-3 tháng. Một ngày làm việc với SEM cũng không quá serious như TEM, không cần phòng tối, không quá cách ly, nhanh hơn, thoáng hơn. Tôi tin là với những yếu tố này, bạn đã có cái nhìn thiện cảm hơn về SEM. Với cá nhân tôi, SEM là thiết bị phù hợp với điều kiện kinh tế và cơ sở hạ tầng ở Việt Nam hiện nay.

Hình 3 là một ví dụ về ảnh SEM của mẫu màng mỏng ZnO chụp ở các độ phóng đại khác nhau từ 5000 lần đến 200000 lần (chú ý thanh độ dài trên mỗi bức ảnh để so sánh về độ phóng đại). Bạn có thể thấy ảnh SEM hiện lên khá “đẹp đẽ” ở độ phóng đại từ vài ngàn đến cỡ vài chục ngàn. Đến khoảng gần 100 ngàn trở nên, việc lấy nét (focus) ảnh SEM sẽ trở nên khá “mệt mỏi” để cho một bức ảnh tốt. Và bạn có để ý, SEM cho cảm quan về mặt không gian 3 chiều khá tốt?

Kính hiển vi điện tử quét lần đầu tiên được phát triển bởi Zworykin vào năm 1942 là một thiết bị gồm một súng phóng điện tử theo chiều từ dưới lên, ba thấu kính tĩnh điện và hệ thống các cuộn quét điện từ đặt giữa thấu kính thứ hai và thứ ba, và ghi nhận chùm điện tử thứ cấp bằng một ống nhân quang điện.

Năm 1948, C. W. Oatley ởĐại học Cambridge(Vương quốc Anh) phát triển kính hiển vi điện tử quét trên mô hình này và công bố trong luận án tiến sĩ của D. McMullan với chùm điện tử hẹp có độ phân giải đến 500 Angstrom. Trên thực tế, kính hiển vi điện tử quét thương phẩm đầu tiên được sản xuất vào năm1965bởi Cambridge Scientific Instruments Mark I.

2. Những cải biến của SEM

Ở SEM, bạn cũng có được một phép phân tích hóa học tương tự như TEM, đó làphép phân tích phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX). EDX ở SEM cũng có khả năng làm chức năng “mapping”, tức là vẽ ra phân bố các nguyên tố hóa học (thâm chí các thao tác làm còn đơn giản hơn cả TEM), nhưng một điều tất nhiên mà bạn luôn nhớ là “resolution” ở đây kém hơn TEM rất nhiều. SEM không có phép phân tíchEELSvì SEM không ghi nhận điện tử tán xạ không đàn hồi. Nhưng những điều này không đáng nói bằng một số tính năng “mạnh” khác mà ta có thể làm từ SEM nếu đi kèm với những cải tiến.

2.1. Quang khắc chùm điện tử (Electron beam lithography)

Quang khắc chùm điện tửlà phương pháp “chạm khắc” để tạo ra các chi tiết có hình dạng kích thước nhỏ, ví dụ như các linh kiện điện tử… Để làm được như thế, người ta sẽ dùng một chất cản quang (photoresist) phủ lên các màng mỏng, sau đó sử dụng SEM để quét chùm điện tử, “vẽ” lên bề mặt cản quang hình ảnh các bản mẫu này (gọi là các pattern), giống như việc tạo hình trong TV. Vùng bị quét chùm điện tử của cản quang sẽ bị thay đổi tính chất hóa học, có nghĩa là nó có thể bị rửa trôi (cản quang dương), hoặc trơ không bị rửa trôi (thì vùng không bị chiếu xạ sẽ bị rửa trôi). Cản quang còn lại (mang hình ảnh của chi tiết) sẽ đóng vai trò một “mặt nạ” để bảo vệ các chi tiết cần tạo trong quá trình ăn mòn. Trên thực tế, công nghiệp bán dẫn hiện tại chưa dùng đến kỹ thuật EBL, mà chỉ mới dùng đến quang khắc bằng ánh sáng (photolithography). Ánh sáng dùng chiếu vào cản quang để gây biến đổi, và hình ảnh chi tiết được tạo ra nhờ mặt nạ. Nhưng kỹ thuật photolithography chỉ cho phép tạo các chi tiết cực lớn (tới cỡ ngàn nanomet) do giới hạn nhiễu xạ của ánh sáng khả kiến. Việc dùng điện tử thay cho ánh sáng cho phép tạo ra độ phân giải cực lớn tới vài nanomet (phổ biến hiện nay các hệ EBL công nghiệp có độ phân giải khoảng 20-50 nm, một số hệ “cực xịn” có thể cho phân giải tới 3 nm), và cho phép nhảy vọt trong công nghệ vật liệu. EBL đắt tiền hơn photolithography rất nhiều, lâu hơn, nhưng nó lại có độ chính xác cực cao, không cần tạo mặt nạ.. Các hệ EBL công nghiệp chưa phổ biến rộng rãi, và hệ EBL chính là được tạo ra từ SEM.

2.2. Hệ chùm ion hội tụ (Focused ion beam)

FIBlà một hệ “chạm khắc” trực tiếp để tạo các chi tiết như kiểu lithography, nhưng ở đây, không cần dùng cản quang mà dùng một chùm ion kim loại năng lượng cao bắn phá màng mỏng vật liệu. Ở hệ FIB, người ta dùng 2 cột: một cột ion (thường dùng Ga) và một cột điện tử. Ion Ga được điều khiển hội tụ và quét trên màng mỏng vật liệu để bắn phá các chi tiết không cần giữ. Cột điện tử chính là một SEM để quan sát trực tiếp quá trình này. Ngoài ra, FIB còn sử dụng một cột phún xạ các hơi kim loại để cho phép lắng đọng một số kim loại theo những hình dạng định trước. Như ví dụ clip dưới đây mô tả việc tạo ra một nanopillar rất đơn giản bằng FIB.

FIB có tốc độ nhanh hơn so với EBL rất nhiều, có độ phân giải tương đương (phổ biến hiện nay có độ phân giải cỡ 5-10 nm), không cần phủ cản quang, đồng thời cho phép quan sát trực tiếp quá trình tạo hình. Ngoài ra FIB còn được dùng để hàn gắn các chi tiết mạch điện, đồng thời tạo mẫu mỏng cho phép đo TEM (hình 4) với tốc độ cao và đang là một “đối thủ” của EBL. Tất nhiên là giữa EBL và FIB đều có những ưu, nhược điểm riêng (bài khác sẽ so sánh). Điều đáng nói ở đây là FIB cũng được biến thể từ một SEM.

2.3. SEMPA

SEMPAlà một chế độ tạo ảnh của SEM, là tên viết tắt của Scanning electron microscopy with polarisation analysis hay kính hiển vi điện tử quét với phân tích phân cực, là một công cụ khá hữu ích trong nghiên cứu từ học để chụp ảnh cấu trúc đômen. Ta nhớ rằng, khi một chùm điện tử quét trên bề mặt một vật liệu từ, thì các điện tử thứ cấp phát ra sẽ bị phân cực spin, và nếu detector ghi ảnh điện tử thứ cấp này có khả năng phân tích phân cực thì nó sẽ cho phép ta chụp được hình ảnh cấu trúc đômen từ bề mặt của vật liệu. Đây là nguyên lý của SEMPA (hình 5).

Một SEMPA thông thường có cấu trúc giống như mộtSEM, nhưng SEMPA đòi hỏi môi trườngchân khôngrất cao (tối thiểu là 10-9Torr) 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.

Nếu như chùmđiện tửthứ cấp cóspintheo 2 phương (up, down) có mật độ làthì độ phân cực spin sẽ là:

và từ độ sẽ ghi nhận được là:

vớilàBohr 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. Tuy nhiên, SEMPA bị giới hạn bởi đòi hỏi bề mặt mẫu “siêu sạch”, tốc độ cực chậm. Dưới đây là ví dụ ảnh SEMPA ghi đồng thời ảnh chụp hình học và cấu trúc từ của một hạt Co kích cỡ khoảng 1 micromet (theo NIST).

2.4. Environmental SEM

Điều cuối cùng bài viết này đề cập sẽ là một khả năng “hữu dụng” khác của SEM mà TEM không bao giờ có thể có nổi, đó là “SEM môi trường”. Nếu như bạn trở lại bài viết trước của tôi về TEM, bạn có thể thấy khả năng phân giải “phi thường” của TEM nhờ việc dùng một chùm điện tử có năng lượng cực lớn chiếu xuyên qua mẫu vật. Nhưng đây cũng lại chính là “điểm chết” của TEM, bởi khi dùng chùm điện tử năng lượng cao, hệ thống của TEM sẽ phải đặt trong môi trường siêu cao, tức là rất không thích hợp cho các mẫu sinh học. Hơn nữa với các tế bào sinh học, chùm điện tử năng lượng cao của TEM sẽ dễ dàng khiến cho các mẫu này bị phá hủy các tế bào sinh học. Có nghĩa là TEM không khả dĩ lắm cho các tế bào sinh học đòi hỏi sự bảo toàn (tất nhiên là có thể, nhưng không dễ dàng). Nhưng giờ đây đối với SEM việc này đã trở nên dễ dàng hơn nhiều. Để làm việc này, chùm điện tử được giảm năng lượng (khoảng dưới 2 kV), đồng thời, người ta sẽ bơm một chùm hơi nước nhằm tăng khả năng thích ứng của các cấu trúc tế bào, giảm khả năng phá hủy của chùm điện tử đối với cấu trúc sinh học. Đây là nguyên lý của một Environmental SEM (ESEM).

3. Kết luận

Rõ ràng về mặt tạo ảnh, SEM thua xa TEM về khả năng phân giải, nhưng ta cũng thấy rằng SEM có nhiều thế mạnh mà TEM không thể nào có nổi. Kể từ khi “cỗ máy” SEM thương phẩm đầu tiên xuất hiện vào năm 1964, SEM đã trở thành một công cụ mạnh để khảo sát các tính chất bề mặt của vật liệu trong các khoa học vật lý cũng như khoa học sự sống. SEM đã trở nên quá phổ biến trong ngành công nghiệp bán dẫn mà ở đó chúng được sử dụng để tạo ra (các thiết bị khắc chùm điện tử) và khảo sát vi cấu trúc các cấu kiện cực nhỏ, và nó đã trở thành một thiết bị then chốt trong các công việc mang tính chất “khẩn cấp” của công nghệ nano. Có thể nói rằng “Kính hiển vi điện tử quét đang tiến tới những thách thức của thế kỷ”. Với điều kiện cơ sở vật chất, kinh tế cũng như trình độ nhân lực hiện nay ở VN thì việc trang bị rộng rãi thiết bị này là hoàn toàn khả thi và trong tầm kiểm soát. Tôi cũng mong một ngày nào đó các bạn sinh viên ngành khoa học vật liệu ở Việt Nam có điều kiện thực tập nhiều hơn trên những thiết bị như thế này.