. - Kính hiển vi rà dò STM

15/8/2013

Một kỳ công ngành công nghệ nanô của hai nhà vật lý học giải Nobel 1986:

Kính hiển vi rà dò đường hầm STM

G S Tôn thất Trình

Kính hiển vi hạt tử âm – electron microscope trong thập niên 1930 đã cách mạng hóa sinh học , bằng cách cung cấp những phóng đại ngàn lần hơn là kính hiển vi ánh sáng – light microscope, giúp cho các nhà khoa học phân biệt họat động bên trong tế bào lần đầu tiên ( hình như đến thập niên 1960 , viện đại học miền Nam mới trang bị kinh hiển vi hạt tử âm ? ) . Thế nhưng kính hiển vi electron không giúp gì nhiều cho các nhà khoa học vật liệu , những nhà khoa học xây dựng các mạch vòng điện tử - electronic circuits, ưa thích các bề mặt – surfaces hơn. Thám hiểm các chi tiết những mạch vòng này đòi hỏi một kỷ thuật mới , là kính hiển vi rà dò đường hầm- scanning tunneling microscope (STM) có thể cung cấp những hình ảnh nguyên tử- atoms cá nhân trên các bề mặt. Không rỏ đến nay mấy viện đại học vật lý và kỷ thuật nanô nước nhà được trang bị STM ?

Nhiều nhà khoa học xem đây là một kỳ công không thể làm đươc. Tuy nhiên năm 1979, hai nhà vật lý học Heinrich Rohrer và Gerd Binnig của La Bô Khảo cứu IBM tại thành phố Zurich – Thụy Sĩ đã lấy môn bài một linh kiện như thế và đã làm công nghệ điện tử đổi thay mãi mãi. Môn bài này có số là US, 343, 993. Nhờ sáng chế này, họ đã đọat giải Nobel vật lý học năm 1986 . một phần thưởng họ chia sẽ với nhà vật lý học Ernst Ruska, nguời đã họa kiểu kinh hiển vi electron lần đầu tiên . Rohrer chết tại gia ngày 16 tháng 5 năm 2013 ở Wollerau – Thụy Sĩ , theo đại công ty IBM .

Theo John E . Kelly III , giám đốc khảo cứu ở IBM: “ sáng chế STM là một thời điệm sinh mầm của lịch sử khoa học và kỷ thuật thông tin- information technology. Sáng chế này cống hiến cho các nhà khoa học khả năng làm hình ảnh , đo lường và thao tác lần đầu tiên các nguyên tử và mở rộng những đại lộ mới cho kỷ thuật thông tin chúng ta vẫn đang đeo đuổi hôm nay” . Sáng chế của hai ông dựa vào hiện tượng cơ học hạt lượng – quantum mechanical phenomenon, tên gọi là theo đường hầm – tunneling , vì lẽ các electron đi ngang qua một rào cản giả thiết là không thể qua nổi, tỉ như một chân không – vacuum . Hiện tượng là căn bản cho ngành công nghệ kính hiển vi rà dò đường hầm.

Vậy chớ kỷ thuật đường hầm hạt lượng là gì đây ?

Khi một đầu mút – tip một dây đã sạc phát ra những electron theo từng đợt sóng ( gần giống như hình dạng một phông tên nước) được đưa đến gần một bề mặt cần quan sát , một thế hiệu nghiêng – bias ( khác biệt điện thế - voltage difference ) đặt giữa hai vật thể này giúp cho các electron đi vào đường hầm qua chân không giữa chúng. Thành quả là một dòng điện đường hầm – tunneling current. Dòng điện đường hầm tùy thuộc vị trí của đầu mút, điện thế áp dụng và tỉ trọng địa phương các tính trạng ( LDOS – local density of states ) . Linh kiện hai nhà Nobel này sử dụng là một mũi bút nhọn không khác gì mấy một kim của một máy quay đĩa hát. Tuy nhiên lại nhỏ hơn nhiều, quy về một điểm chỉ chứa đường kính một nguyên tử mà thôi . Ở chân không cao, kim được đem tới gần một bề mặt muốn quan sát và một sạc điện nhỏ sẽ đặt vào làm thành một dòng điện. Sức mạnh của dòng điện tuỳ thuộc vào khỏang cách - cự ly giữa điểm và bề mặt . Khi kim rà dò lui tới xuyên qua một bề mặt, tuơng tự một luồng electron của một ống tia âm cực – cathode ray máy ti vi – dòng điện biến thiên theo chiều cao của bề mặt. Một máy computer di chuyễn kim lên xuống, đễ giữ cho dòng điện không thay đổi, kiên định. Ghi chép lại nhưng di động này , chuyễn hóa thành hai chiều , cống hiến một hình ảnh của bề mặt . Tòan thể tiến trào dựa trên dòng điện đường hầm tạo ra.

Thọat tiên hai nhà vật lý học sử dụng một tinh thể vàng kim – gold crystal sản xuất ra hình ảnh những hàng nguyên tử khỏang cách chính xác và những bậc thang rộng rải, các bậc phân chia có chiều cao của một nguyên tử. Di động của kim rất nhạy cảm đến bất cứ một rung động -vibrations nào của một trường bên ngòai. Trước đó, Rohrer đã phải đối đầu những khó khăn như vậy. Trong công trình luận án tiến sĩ, Rohrer thực hiện đa số các thí nghiệm của mình vào lúc đêm khuya, hầu tối thiểu các rung động con người làm ra ở thành phố. Ở thí nghiệm đầu tiên , hai nhà vật lý dùng những nam châm – magnets rất mạnh đặt trên một bàn đá nặng trên các lốp xe thổi phồng để che chở linh kiện . Linh kiện tốt đẹp đầu tiên của họ có một nam châm nặng thường trực nỏi trên một hồ chì siêu dẫn - pool of superconducting lead. Sau 2 năm, họ có một linh kiện, không có phòng chân không, có thể nhỏ bằng bàn tay . Đến năm 1987, họ đã giảm kích thước xuống chỉ còn bằng đầu ngón tay . Kim cũng có thể dùng để đẩy tới và kéo lui những nguyên tử cá nhân quanh bề mặt. Năm 1990, Rohrer và Binnig sản xuất ra những hình ảnh biết rỏ khắp thế giới các chữ cái IBM , từ các nguyên tử xênon của một tinh thể nickel.

Rohrer , sinh ngày 6 tháng 6 năm 1933 tại cộng đồng nông thôn Buchs – Thụy sĩ, suốt đời thích các ngọai ngữ cổ điễn và khoa học tự nhiên ,nhưng lại theo học vật lý học ở viện Kỷ thuật Liên bang Thụy Sĩ năm 1951 và đổ tiến sĩ năm 1960. Năm sau ông lấy bà Rose Marie Egger và nhận một học bổng nghiên cứu ở Viện Đại học Rutgers, bang New Jersey , Hoa Kỳ. Trong nhiều năm hai ông bà đi cắm trại du hành khắp nước Mỹ cùng hai con gái. Cuối năm 1963 , ông gia nhập La Bô IBM mới vừa thành lập. Ngọai trừ giữa thập niên 1970 ông làm việc cho UC Santa Barbara, ông luôn luôn làm cho IBM mãi đến năm 1997. Binnig nay vẫn còn làm khảo cứu cho IBM ở Zurich -Thụy Sĩ. Sau 1997, ông nhận các chức vị khảo cứu ở Nhật Bổn và ở Tây Ban Nha và các nước này, ông tiếp tục tụ điểm trên kỷ thuật na nô.

( Irvine, Nam Ca Li, ngày 30 tháng 5 năm 2013 )