Kính Hiển Vi Rà Dò Đường Hầm STM

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

Gerd Binnig và Heinrich Rohrer, hai nhà sáng chế ra  STM (Scanning Tunneling Microscope) 

          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.

         

Hình chụp tại trung tâm nghiên cứu kỹ thuật Nanô IBM ở Thụy Sĩ
 Dr. Gerd Binnig (trái) và Dr Heinrich Rohrer (phải); người giữa là Dr. John Kelly III phụ trách điều hành trung tâm, 

         
Vậy  chớ kỹ 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.  

Quantum mechanics tells us that electrons have both wave and particle like properties. Tunneling is an effect of the wavelike nature.

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.

The STM is cabable of acquiring remarkable images on the most extreme scale, easily resolving atomic structure in the right environments. 

      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.   

               Tiến trình đề cử ứng viên giải Nobel 

    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 )