Tiếng Việt 
日本語 (Japan) 
한국어 (Korean) 
中文 (Chinese) 
English (UK) 
1. Địa chất học: Định danh chính xác khoáng vật
Trong ví dụ sau, các pha khoáng của một lát cắt đá từ lõi khoan đã được phân tích. Loại đá chủ yếu là Diorite. Mẫu không cần xử lý hay phủ bay hơi, mà chỉ được cắt bằng cưa kim cương dưới nước. Cách xử lý này giúp giảm nguy cơ nhiễm bẩn bề mặt, điều đặc biệt quan trọng không chỉ đối với lõi khoan địa chất mà còn đối với các mẫu vật thu được từ môi trường biển sâu.
Hình 1a cho thấy ảnh SEM của một vùng mẫu nhỏ được ghi nhận bằng detector electron tán xạ ngược (BSE) của SEM. Cùng vùng này cũng được phân tích bằng EDX (Hình 1b). Phân bố các nhóm nguyên tố cho thấy sự hiện diện của ba khoáng vật khác nhau.
Phổ Raman đơn đã được thu nhận từ ba vùng khác nhau (Hình 1c), trong đó ba phổ thể hiện các dải Raman đặc trưng của thạch anh (quartz), epidote và plagioclase. Kết quả này hoàn toàn phù hợp với thành phần nguyên tố thu được từ EDX.
Các phổ Raman của ba khoáng vật chính được đánh giá bằng phương pháp phân tích cụm (cluster analysis). Ngoài các phổ này, còn phát hiện thêm bốn phổ khác, trong đó hai phổ có thể cho thấy sự khác biệt về định hướng hạt tinh thể trong các pha epidote và plagioclase tương ứng.
Phân bố không gian của các khoáng vật được thể hiện trong ảnh RISE mã màu (Hình 1d), trong đó màu sắc của ảnh Raman tương ứng với màu của các phổ Raman. Không chỉ xác định được sự phân bố các pha khoáng, mà còn phát hiện được các hạt nhỏ nằm bên trong một pha khoáng.
Hình 1e thể hiện ảnh ánh sáng trắng được chụp từ cùng vùng mẫu như ảnh SEM. Hình ảnh này cho thấy rõ rằng để có được ảnh quang học độ phân giải cao cần phải lấy nét chính xác, trong khi SEM hoàn toàn không nhạy với độ nhám bề mặt. Chính vì vậy, khi sử dụng hai thiết bị độc lập riêng biệt, việc xác định lại đúng vùng mẫu ban đầu sẽ gặp nhiều khó khăn.
Hình 1: Một pha khoáng trong lát cắt đá diorite. (a) Ảnh SEM. (b) Ảnh chồng ghép SEM và EDX. Ba nhóm nguyên tố được phân biệt bằng EDX: Si, O (màu cam); Ca, Fe, Al (màu tím xám); Na (màu xanh lục). (c) Phổ Raman đơn thu được từ ba vùng riêng biệt, thể hiện các dải Raman đặc trưng của thạch anh (màu nâu), epidote (màu đỏ) và plagioclase (màu xanh lục). (d) Ảnh phổ Raman chồng lên ảnh SEM. (e) Ảnh hiển vi quang học từ cùng vùng mẫu. Thông số ảnh: vùng quét 100 × 100 µm²; 150 × 150 pixel = 22.500 phổ; thời gian tích phân 0,08 giây cho mỗi phổ. Mẫu do Christiane Heim cung cấp, Trung tâm Khoa học Địa chất GZG, Khoa Địa chất, Đại học Göttingen, Đức.
2. Vật liệu Polyme: Phân biệt các chất có cùng thành phần nguyên tố
Các hợp chất không dẫn điện có thể được quan sát bằng SEM hiện đại mà không cần xử lý trước, nhờ sử dụng chế độ chân không thấp (low vacuum mode) giúp ngăn hiện tượng tích điện trên bề mặt mẫu.
Khi tạo ảnh các hỗn hợp polymer hoặc vật liệu sinh học theo cách này, ảnh SEM có thể thể hiện độ tương phản giữa các pha, tuy nhiên không cung cấp thông tin về thành phần hóa học của từng pha khác nhau. Một màng polymer gồm hỗn hợp polystyrene (PS) và polymethylmethacrylate (PMMA) đã được phân tích bằng kính hiển vi RISE. Cả hai polymer này chỉ bao gồm các nguyên tố carbon, oxy và hydro. Với EDX, có thể xác định được các nguyên tố này, nhưng không thể cho biết chúng được liên kết với nhau như thế nào để tạo thành phân tử.
Đây chính là ưu thế nổi bật của tạo ảnh Raman, vì phổ Raman cung cấp thông tin về:
- Bản chất hóa học (đơn vị cấu trúc, loại và mức độ phân nhánh, nhóm cuối mạch, phụ gia)
- Trật tự cấu dạng (sự sắp xếp vật lý của chuỗi polymer)
- Trạng thái trật tự (pha tinh thể, mesomorphous và vô định hình)
- Định hướng (loại và mức độ định hướng của chuỗi polymer và các nhóm bên trong vật liệu dị hướng)
Hình 2 cho thấy ảnh RISE mã màu chồng ghép của hỗn hợp PS (màu xanh lá) và PMMA (màu đỏ). Ảnh SEM thể hiện cấu trúc tinh vi của hai pha polymer, trong khi việc định danh hóa học các pha polymer được cung cấp bởi ảnh Raman đồng tiêu.
Phổ Raman của PMMA và PS được trình bày trong Hình 2b. Do sự khác biệt về tính ưa nước (hydrophilic), hai hợp chất này không hòa trộn vào nhau mà tạo thành hệ phân tán gồm các hạt riêng biệt.
Hình 2: (a) PMMA (màu đỏ) và PS (màu xanh lục) thể hiện các phổ Raman đặc trưng và có thể phân biệt rõ ràng. (b) Dựa trên các phổ này, một ảnh Raman của hệ nhũ tương PMMA-PS đã được thu nhận và chồng ghép với ảnh SEM. Thông số ảnh: vùng quét 50 × 50 µm²; 300 × 300 pixel = 90.000 phổ; thời gian tích phân 0,035 giây cho mỗi phổ.
3. Khoa học sự sống: Bản đồ hóa mô não
Trong ví dụ ứng dụng này, kính hiển vi RISE được sử dụng để phân tích một lát cắt mô não hamster bằng dao vi phẫu (microtome). Trên ảnh SEM, chất trắng và chất xám của não có thể được phân biệt dựa trên sự khác biệt về cấu trúc của chúng.
Hai loại mô này cũng có thể được phân biệt về mặt hóa học thông qua các phổ Raman đặc trưng (Hình 3a). Việc chồng ghép ảnh SEM với ảnh Raman mã màu cho thấy một cái nhìn chính xác hơn về sự phân bố của chất trắng và chất xám trong mô não (Hình 3b).
Hình 3: a) Phổ Raman của mẫu mô não hamster cho thấy sự khác biệt về đặc trưng phổ giữa chất trắng và chất xám của não. b) Ảnh chồng ghép Raman–SEM. Trong ảnh Raman mã màu, chất trắng được hiển thị màu xanh lục và chất xám được hiển thị màu đỏ. Thông số ảnh: vùng quét 100 × 100 µm²; 300 × 300 pixel = 90.000 phổ; thời gian tích phân: 50 ms/phổ.
4. Công nghệ Nano: "Soi" kỹ Graphene và Ống nano carbon
Các vật liệu dạng lớp mỏng hoặc đơn lớp, được gọi là vật liệu hai chiều (2D), gần đây đã thu hút sự quan tâm nghiên cứu rất lớn do sở hữu các tính chất điện tử và quang học đặc biệt, khác biệt đáng kể so với dạng khối ban đầu của chúng. Graphene là một trong những vật liệu phổ biến và được nghiên cứu rộng rãi nhất trong lĩnh vực này.
Hình 4 trình bày ảnh SEM (a) và ảnh RISE (b) của một tấm graphene được lắng đọng bằng phương pháp CVD trên nền Si/SiO₂. Ảnh SEM được chụp ở điện áp gia tốc thấp (2 kV) sử dụng detector electron thứ cấp (SE). Chế độ tạo ảnh này rất nhạy với bề mặt, do đó làm lộ rõ cấu trúc tinh vi của tấm graphene CVD.
Màu sắc trong ảnh biểu thị:
- Lớp đơn (màu xanh dương, xanh lục đậm) với các mức độ khuyết tật khác nhau
- Nhiều lớp (màu xanh lục nhạt, đỏ)
Ảnh RISE làm nổi bật số lượng lớn khuyết tật trong vùng màu xanh dương, phù hợp với ảnh SEM độ phân giải cao.
Hình 4: (a) Ảnh SEM của mẫu graphene. (b) Ảnh SEM chồng ghép với ảnh Raman đồng tiêu mã màu. Các màu sắc thể hiện số lớp graphene và các nếp nhăn trên bề mặt. Thông số ảnh: vùng quét 20 × 20 µm²; 150 × 150 pixel = 22.500 phổ; thời gian tích phân 0,05 giây/phổ;
1 lớp (màu xanh dương, xanh lục đậm), 1 lớp (màu xanh lục nhạt, đỏ), Si (màu vàng).
Các tính chất đặc biệt của ống nano carbon, như độ dẫn nhiệt cao, khiến chúng trở nên hấp dẫn cho các ứng dụng trong điện tử, công nghệ nano, quang học và khoa học vật liệu.
Ống nano carbon đơn vách (SWCNTs) được cấu tạo từ một lớp nguyên tử carbon duy nhất uốn cong thành dạng ống. Các tính chất điện tử và cơ học độc đáo của chúng khiến chúng trở thành vật liệu tiềm năng cho chế tạo linh kiện điện tử.
Phổ Raman cho phép xác định SWCNTs là loại đơn vách nhờ sự xuất hiện của các dải đặc trưng RBM (radial breathing mode – dao động “thở” xuyên tâm) ở vùng số sóng thấp (Hình 5a).
Ảnh RISE (Hình 5c) của SWCNTs được nhúng trong polyethylene (PE) được tạo ra bằng cách kết hợp ảnh Raman (Hình 5b) với ảnh SEM.
Hình 5: (a) Phổ Raman đặc trưng của SWCNTs và PE. (b) Ảnh Raman mã màu. (c) Ảnh RISE. Thông số ảnh: vùng quét 150 × 150 µm²; 80 × 80 pixel = 6.400 phổ; thời gian tích phân: 60 ms/phổ; PE (màu đỏ), SWCNTs (màu xanh lục), ảnh SEM (màu xám).
Quét thể tích và tạo ảnh 3D
Quét thể tích là công cụ hữu ích để cung cấp thông tin về kích thước vật thể hoặc sự phân bố của một hợp chất trong toàn bộ mẫu.
Để tạo ảnh 3D, các ảnh Raman 2D đồng tiêu ở các mặt phẳng tiêu cự khác nhau được thu nhận bằng cách quét mẫu theo hướng trục z. Sau đó, các ảnh 2D này được kết hợp thành một chồng ảnh 3D.
Để khảo sát cấu trúc 3D của mẫu SWCNTs, 16 ảnh Raman đã được thu nhận theo các bước dịch chuyển 1 µm theo trục z (Hình 6a). Từ các dữ liệu này, một ảnh 3D đã được dựng lên. Kết quả cho thấy các SWCNTs nằm phía trên nền polyethylene (PE) (Hình 6b).
Hình 6: Tạo ảnh 3D của SWCNTs trên màng PE. Để tạo ảnh 3D của mẫu SWCNTs trên nền PE, 16 ảnh Raman đã được thu nhận tại các vị trí cách đều nhau, với tiêu cự được dịch chuyển 1 µm cho mỗi lần chụp. Các ảnh riêng lẻ được hiển thị dưới dạng ảnh RISE trong (a). Ảnh Raman 3D tổng hợp của vùng mẫu phân tích cho thấy các SWCNTs nằm trên bề mặt của màng PE (b). Thông số ảnh: vùng quét 200 × 200 µm²; 70 × 70 pixel = 4.900 phổ; thời gian tích phân: 0,037 giây/phổ. PE (màu đỏ), SWCNTs (màu xanh lục), ảnh SEM (màu xám).
5. Vật liệu 2D và Các dạng đa hình (MoS2 & TiO2)
RISE đối với MoS₂
Lấy cảm hứng từ những tiến bộ trong nghiên cứu graphene, các vật liệu đơn lớp khác như boron nitride lục giác (h-BN) và các dichalcogenide kim loại chuyển tiếp (TMDs) cũng đã thu hút sự quan tâm rộng rãi.
Các nghiên cứu gần đây cho thấy molybdenum disulfide (MoS₂) đơn lớp tách lớp (exfoliated monolayer) là một chất bán dẫn hai chiều có vùng cấm trực tiếp (direct bandgap), cho thấy vật liệu này phù hợp cho các ứng dụng quang điện tử và thu hoạch năng lượng. Trong khi đó, MoS₂ dạng khối lại là chất bán dẫn có vùng cấm gián tiếp (indirect bandgap).
Vì vậy, việc hiểu biết chi tiết về cấu trúc hạt và ranh giới hạt là điều thiết yếu để nghiên cứu và khai thác các tính chất của vật liệu cũng như mở rộng ứng dụng của nó. Trong ví dụ với MoS₂, kính hiển vi RISE cho thấy khả năng làm rõ không chỉ cấu trúc mà còn cả đặc tính tinh thể và động học exciton của các TMDs dạng lớp mỏng.
Các đơn lớp TMD được tổng hợp bằng phương pháp CVD thường hình thành các tinh thể hai chiều dạng tam giác. Các tinh thể song sinh (twin crystals) của MoS₂ trên nền SiO₂/Si xuất hiện trong ảnh SEM với hình dạng giống ngôi sao (Hình 7a).
Phổ Raman của các tinh thể 2D này thể hiện các mode dao động đặc trưng E₂g và A₁g của MoS₂ (Hình 7c). Khi số lớp tăng lên, hai dải Raman này tách xa nhau do các dao động giữa các lớp (inter-layer) và trong mặt phẳng (in-plane).
Tại ranh giới hạt, các dải Raman không chỉ bị dịch chuyển mà còn xuất hiện thêm các dải mới (phổ màu xanh lục), cho thấy sự tồn tại của khuyết tật hoặc sự lệch hướng giữa các tinh thể 2D. Những hiện tượng này có thể xuất phát từ việc các tinh thể liền kề va chạm nhau tại ranh giới.
Thông tin phổ Raman được sử dụng để tạo ảnh Raman, sau đó chồng lên ảnh SEM (Hình 7b). Các ranh giới chồng lấn được xác định bằng Raman trùng khớp hoàn toàn với các cạnh tối quan sát thấy trên ảnh SEM.
Hình 7: (a) Ảnh SEM của các tinh thể song sinh MoS₂. (b) Phổ Raman của MoS₂ đơn lớp (màu đỏ), hai lớp hoặc nhiều lớp (màu xanh lục) và silicon (màu tím). (c) Ảnh Raman mã màu tương ứng được xây dựng từ thông tin phổ và chồng lên ảnh SEM để tạo thành ảnh RISE. Thông số ảnh: vùng quét 22 × 17 µm²; 65 × 50 pixel = 3.250 phổ; thời gian tích phân: 0,037 giây/phổ.
Phân tích đa hình bằng RISE: Tương quan cấu trúc với pha hóa học
Khi kết hợp với EDX (quang phổ tia X tán sắc năng lượng), SEM có thể xác định vật liệu cấu thành từ các nguyên tố khác nhau. Tuy nhiên, kỹ thuật này không thể phân biệt các vật liệu có cùng thành phần nguyên tố nhưng khác cấu trúc tinh thể (đa hình).
Do cách thức liên kết nguyên tử ảnh hưởng mạnh mẽ đến cấu trúc và tính chất vật liệu, việc không chỉ quan sát hình thái mà còn xác định kiến trúc phân tử là rất quan trọng. Kính hiển vi RISE thực hiện được cả hai nhiệm vụ này, được minh chứng qua phân tích các đa hình của TiO₂ (Hình 8).
TiO₂ được nghiên cứu rộng rãi nhờ các tính chất hóa học và quang học đặc biệt, và được ứng dụng trong:
- Quang xúc tác
- Điện hóa
- Pin mặt trời (photovoltaics)
- Xúc tác hóa học
Ngoài ra, TiO₂ còn được sử dụng làm chất màu trắng trong kem đánh răng, kem chống nắng, sơn tường và làm vật liệu anode cho pin lithium-ion. Tùy theo ứng dụng, một dạng tinh thể cụ thể sẽ được ưu tiên sử dụng.
TiO₂ tồn tại ở tám dạng cấu trúc khác nhau; trong nghiên cứu này, hai dạng anatase và rutile đã được khảo sát. Trong phép đo RISE, ảnh SEM của hỗn hợp bột anatase/rutile theo tỷ lệ 1:1 được ghi nhận (Hình 8a). Ảnh Raman đồng tiêu của cùng vùng mẫu sau đó được chồng lên ảnh SEM (Hình 8b).
Mặc dù hai dạng anatase và rutile có thành phần nguyên tố giống hệt nhau, chúng có thể được phân biệt dễ dàng nhờ phổ Raman đặc trưng trong khoảng số sóng tương đối từ 300 đến 800 cm⁻¹ (Hình 8c).
Hai pha này tồn tại trong các cụm kết tụ (agglomerates), trong đó rutile tập trung thành các hạt có kích thước lớn hơn so với anatase.
Hình 8: Hai dạng cấu trúc của TiO₂, anatase và rutile, được trộn theo tỷ lệ 1:1, nghiền, phân tán trong nước và ghi ảnh bằng SEM (a) và kính hiển vi Raman đồng tiêu. (b) Ảnh chồng ghép giữa SEM và Raman. (c) Trong phổ Raman, anatase (màu xanh dương) có thể dễ dàng phân biệt với rutile (màu đỏ). Thông số ảnh: vùng quét 12 × 12 µm²; 150 × 150 pixel = 22.500 phổ; thời gian tích phân: 0,037 giây/phổ.
Kết luận
Công nghệ RISE Microscopy – sự kết hợp giữa Raman đồng tiêu và kính hiển vi điện tử quét (SEM) – mở ra hướng tiếp cận mới toàn diện trong phân tích vật liệu ở thang nano. Không chỉ cung cấp hình ảnh cấu trúc bề mặt có độ phân giải cao như SEM truyền thống, RISE còn mang đến thông tin hóa học phân tử đặc trưng thông qua phổ Raman ngay trên cùng một khu vực mẫu.
Qua các ví dụ ứng dụng với địa chất (diorite), polymer, mô sinh học (mô não), vật liệu 2D (graphene, MoS₂), vật liệu nano (SWCNTs) và đa hình TiO₂, rõ ràng RISE cho thấy khả năng:
- Phân biệt cấu trúc morphologic và thành phần hóa học đồng thời, ngay cả khi các pha có thành phần nguyên tố giống nhau;
- Phân tích rõ ràng các pha, khuyết tật, ranh giới hạt và trạng thái tinh thể;
- Tạo ảnh 3D từ dữ liệu Raman, hỗ trợ hiểu sâu về sự phân bố không gian của các vật liệu phức tạp.
So với phương pháp quan sát riêng lẻ bằng SEM hay Raman, RISE giúp tiết kiệm thời gian, tăng hiệu quả phân tích và giảm rủi ro sai lệch khi cố gắng so khớp dữ liệu từ hai thiết bị độc lập. Đây là giải pháp lý tưởng cho nghiên cứu, kiểm soát chất lượng, ứng dụng bán dẫn, vật liệu tiên tiến, và cả trong phân tích sinh – hóa học.
Với ưu thế vượt trội trong việc kết nối cấu trúc – thành phần – tính chất, RISE Microscopy được khẳng định là một công cụ phân tích tiên tiến, đáp ứng được yêu cầu ngày càng cao trong nghiên cứu, công nghiệp và phát triển sản phẩm hiện đại.
Xem thêm sản phẩm liên quan : -RISE-Raman-SEM: Sự kết hợp hoàn hảo giữa cấu trúc siêu vi và bản chất phân tử
Podcast:-
Liên hệ & Tư vấn chi tiết
