tốt nghiệp Cambridge, Charles Oatley làm trong công nghiệp, phát triển radio và đã giúp phát triển radar trong thế chiến 2
sau chiến tranh, Charles Outley làm giảng viên ngành kỹ sư ở trường Cambridge
Kính hiển vi điện tử
năm 1926 nhà vật lý Hans Walter Hugo Busch (ảnh dưới) người Đức biểu diễn thí nghiệm sử dụng trường từ và trường điện để định hướng những điện tử của một chùm điện tử theo một hướng nhất định; những nguyên tắc này đã tạo điều kiện khả năng của những 'thấu kính' có thể tương tác với những chùm điện tử, giống như những thấu kính quang học tương tác với ánh sáng nhìn thấy
Kính hiển vi điện tử thứ hai
Knoll và Ruska biết rằng một kiểu kính hiển vi điện tử thứ hai là khả thi, sẽ hoạt động như kính hiển vi quang học cũ; sau đó Knoll làm cho công ty Telefunken để chế tạo ống camera tivi
Knoll gọi thiết bị trên của mình là "der Elektronen Abtaster" tiếng Đức nghĩa là máy quét điện tử; thiết bị chỉ phóng đại 10 lần là tối đa, vì chiều rộng của đầu dò chùm điện tử; Knoll đã không sử dụng quang học điện tử để thử thu nhỏ chiều rộng ấy
Knoll có thể đã nghĩ đến khả năng ấy, nhưng đã bỏ qua vì thiết kế hiện tại đã đáp ứng nhu cầu, và chưa sẵn có những bộ cảm biến điện tử đủ nhạy
năm 1986 Ruska thắng giải Nobel vật lý cho công trình trong quang học điện tử; Knoll mất năm 1969
Von Ardenne
nam tước Manfred von Ardenne sinh ra trong gia đình giàu có, nên đã quản lý một phòng thí nghiệm riêng, ở tuổi 15 đã nhận được bằng sáng chế đầu tiên
năm 1936 Siemens ký hợp đồng với Ardenne để thiết kế và xây dựng một kính hiển vi điện tử để khắc phục một vấn đề hiện hữu của TEM; trong chùm điện tử, một số hạt điện tử sẽ có nhiều năng lượng hơn những hạt khác, khiến chúng phản ứng khác đi nếu tăng tốc và đi xuyên qua những thấu kính, tạo nên những quang sai trên hình ảnh
Ardenne phát triển một kính hiển vi sẽ quét một chùm điện tử khắp vật mẫu, từng hàng [line] một, ngày nay gọi là kính hiển vi điện tử truyền qua quét [STEM scan transmission electron microscope]
sau 2 năm, máy của Ardenne đã tinh vi nhưng vẫn có hạn chế; chùm không đủ mạnh, và Ardenne không có những cảm biến điện tử đủ nhạy, đành phải thực hiện phim ảnh [photographic film]
mất 20 phút để ghi nhận một hình ảnh, và vì không thể thấy được liệu hình ảnh cần được chỉnh tiêu điểm [focus] hay không, cho đến sau khi phát triển phim [film] ấy, ta phải tuỳ cơ ứng biến phần này; không có hình ảnh nào đã được xuất bản
Ardenne đã có một mô hình lý thuyết của tương tác của mẫu vật với chùm; khi chùm điện tử đập vào mẫu vật, hai thứ xảy ra: một, những điện tử chính sẽ đập-lại-tán-loạn, giống như nảy khỏi một bề mặt như những qủa bóng bàn
hai, những nguyên tử trong mẫu vật sẽ bị cấp năng lượng bởi chùm chính và bắt đầu phát xạ những hạt điện tử riêng
thế chiến 2 nổ ra, Ardenne bỏ rơi dự án để làm một cyclotron cho dự án bom hạt nhân Đức
năm 1944 kính hiển vi điện tử của Ardenne bị phá huỷ bởi dội bom ở Berlin, sau này Charles Oatley (ảnh dưới) gọi Ardenne mới là 'cha đẻ thực sự của kính hiển vi quét'
RCA
ở RCA, nhà phát minh ống camera tivi Vladimir Zworykin (ảnh dưới) khởi xướng dự án kính hiển vi mới
đội ngũ RCA tập trung vào xây dựng một cỗ máy có thể hoạt động trên những mẫu vật mà ta không thể cắt thành những miếng mỏng; trong nó, một ống sẽ sản sinh một chùm điện tử sẽ đập vào mẫu vật; sau đó, những hạt điện tử sẽ bật lại hoặc phát xạ từ mẫu vật
những hạt điện tử ấy sẽ được gia tốc trên đường đi ngược lại, qua một bộ những thấu kính điện tử khác và một ống nhân điện tử để làm nổi thêm hình ảnh, trước khi đập vào một màn phát hiện [detector screen] để hiện ảnh
SEM này đã không lên ảnh những chức năng nhỏ hơn những TEM cũ, trong khi nhược điểm thì lớn; đắt đỏ, mất 10 phút để tạo ra hình ảnh, và nhiễu thường che phủ hình ảnh; RCA quyết định bỏ qua và tập trung vào những sản phẩm kính hiển vi điện tử truyền qua
nhiều năm, không nhiều việc được thực hiện thêm cho những kính hiển vi điện tử quét, rồi Charles Oatley xuất hiện
Linh cảm
Charles Oatley quan tâm đến quang học điện tử, sau đó đến ý tưởng kính hiển vi quét; bắt đầu công việc, Charles Oatley hỏi nghiên cứu sinh tiến sĩ thứ hai của mình là Ken.F.Sander cố gắng phát triển một TEM cho dự án; Ken Sander đã bắt đầu công việc, nhưng sau đó bỏ ngang để làm cái khác
sớm sau đó, Vernon Cosslett (ảnh dưới) bắt đầu làm việc những TEM, và Oatley không muốn ngắt ngang công việc của đồng nghiệp
vấn đề ghi ảnh lâu và vấn đề nhiễu đã liên hệ đến nhau; ghi ảnh càng lâu, càng nhiều nhiễu; Oatley lý luận rằng nếu họ có thể, bằng cách nào đó, thu thập thêm điện tử trở về từ mẫu vật, thì bạn có thể vừa giảm thời gian ghi ảnh vừa cải thiện nhiễu; thậm chí có thể đặt hình ảnh kết quả trên một màn hình ống tia âm cực
SEM ban đầu của RCA, những hạt điện tử từ mẫu vật sẽ chạy qua những thấu kính và những bộ tăng tốc, trước khi đập vào bộ nhân điện tử [multiplier] và bộ phát hiện [detector]; sẽ mất đi một số điện tử
nếu gửi những hạt điện tử ngay vào bộ nhân điện tử [multiplier] thì sao
Cambridge
từ năm 1948 đến 1953 McMullan đã làm ra một bằng chứng hoạt động được của cỗ máy ý tưởng; ông lấy máy TEM chưa-hoàn-thiện của Sander bỏ lại, và thêm một nguồn điện, thấu kính điện tử và đơn vị hiển thị tia âm cực của ông tự chế; cỗ máy có một đầu dò điện tử mạnh hơn, cũng như một mui che [tilt]
để tăng độ tương phản của ảnh SEM, McMullan thử nghiêng [tilt] mẫu vật theo một góc cao hơn, so với chùm, những thử nghiệm trước đấy - 25 đến 30 độ, so với trước đó chỉ 2 độ - kết quả là những hình ảnh 3-chiều của kính hiển vi điện tử quét; nghiêng [tilt] cũng giúp lấy thêm điện tử vào bộ nhân điện tử, đủ để đưa ảnh lên màn hình ống tia âm cực trong vài giây
năm 1953 McMullan rời phòng thí nghiệm, Oatley tiếp tục dự án; trao lại cho Ken Smith đóng góp nhiều cải tiến cho máy, quan trọng nhất là: thu thập những hạt điện tử năng-lượng-thấp phát xạ từ mẫu vật, là phần của những phản ứng thứ cấp; Ardenne đã chỉ ra trước đó, nhưng khi McMullan xây dựng cỗ máy, ông không thu thập những hạt điện tử thứ cấp vì nghĩ rằng chúng sẽ làm hư hại chất lượng hình ảnh
hoá ra, thu thập những hạt điện tử thứ cấp ấy, cũng như ánh sáng và tia X bị phát xạ từ mẫu vật, đã tăng chất lượng ảnh lên gấp 50 lần
Thương mại hoá
những sinh viên cao học OC Wells, Garry Steward và Thomas Eugene Everhart (ảnh dưới) sau đó của Oatley đã chốt thiết kế và cải thiện những linh kiện để thu thập những hạt điện tử dội-ngược-tán-loạn và thứ cấp
ở Canada, một số học giả của viện nghiên cứu Pulp và Paper đã tận mắt nhìn thiết bị hoạt động và đã hỏi mua; đội ngũ Cambridge đã làm riêng [custom] một máy và gửi đi Canada
năm 1955 Oatley cố gắng thuyết phục một công ty để sản xuất thiết bị cho khách; mới đầu, người ta ngờ vực tính khả thi thương mại của thiết bị; kính hiển vi điện tử quét [SEM scan electron microscope] đã cho độ phân giải hàng trăm angstrom, so với chỉ 10-20 angstrom của kính hiển vi điện tử truyền qua [TEM transmission electron microscope]
mặt khác, SEM không cần thời gian chuẩn bị replica lâu, vừa dễ dùng vừa thích hợp những vật phẩm như sợi fiber, thường dễ bị đốt cháy [burn] khi chuẩn bị; ảnh SEM có độ sâu trường ảnh tốt
dù sao, các chuyên gia mới đầu ước tính thị trường thế giới cho thiết bị SEM là 15 máy; sau đó Oatley liên lạc ban giám đốc công ty thiết bị Cambridge để trình bày ý tưởng
cuối thập niên 1950 công ty cần nhân sự có sáng kiến mới, nên đã tuyển dụng nhà toán học Harold Pritchard ở trường Oxford để tái khởi động nghiên cứu phát triển, đưa sản phẩm mới ra thị trường
Stereoscan
gặp Oatley, Harold Pritchard thực ra quan tâm sản phẩm Microscan, ngày nay gọi là 'vi đầu dò điện tử' [electron microprobe] bắn một chùm điện tử vào một mẫu vật, sao cho khiến mẫu vật phát xạ tia X để thiết bị đọc
Microscan bán chạy, sau rốt đã thuyết phục được Cambridge đầu tư vào ý tưởng kính hiển vi quét của Oatley
năm 1962 chi nhánh Canada của công ty Du Pont đã thấy mẫu [prototype] máy sau này gọi là Stereoscan SEM ở viện vận lý và triển lãm cộng đồng vật lý [institute of physics and physical society exhibition]; từng sử dụng SEM của viện Pulp và Paper ở Canada, nhóm đã đặt mua một máy
SEM có nhiều bộ phận tương đồng với đầu dò điện tử, nhưng vấn đề xuất hiện: khi cố gằng quan sát ở độ phân giải 50 nanomet, những rung động [vibrate] đã huỷ hoại hình ảnh; cỗ máy đã bị trì hoãn giao hàng hàng năm trời để khắc phục vấn đề này, khiến công ty Du Pont không hài lòng
sau rốt, Cambridge giao máy đang trong quá trình phát triển [development machine] cho Du Pont, thả xuống từ một máy nâng [forklift] lên vỉa hè bê tông ở New York
để giúp chương trình đi vào hoạt đông, chính phủ Anh đề nghị tài trợ các trường đại học mua một số máy đầu tiên của Cambridge
năm 1965 Cambridge xoay xở làm ra 5 máy thương mại và được khách hàng đón nhận; chiến dịch quảng bá này đã lôi kéo thêm đơn đặt hàng 20 máy nữa
năm 1971 các khách hàng đã nhận được 520 máy Stereoscan
Linh kiện bán dẫn
kính hiển vi điện tử quét không cần chuẩn bị những bản sao [replica] mẫu vật, cho nên thuận tiện hơn kính hiển vi điện tử truyền qua
Oatley giao cho sinh viên Garry Steward thêm một chùm ion vào SEM để đo lường thêm; mặc dù phải thêm những bộ lọc [filter] để loại bỏ ion oxy khỏi chùm - những ion oxy làm oxy hoá bề mặt của những chip được etch
ảnh có độ phân giải cao của kính hiển vi đã giúp các kỹ thuật viên nhìn vào những chip trục trặc [malfunction] để xem có kết nối bị hỏng [broke] nào, có hạt xâm lấn [invasive] nào...
mạch tích hợp đã dần trở nên dày đặc hơn, thúc đẩy SEM tiến bộ để đuổi kịp; trong đó có sử dụng kỹ thuật số và phần mềm để cải thiện hình ảnh và thu nhỏ độ phân giải
Carl Zeiss
vai trò lịch sử của Cambridge trong việc phát triển SEM đã không cứu được nó, về mặt tài chính; chi phí nghiên cứu phát triển và sản xuất đã liên tục ở mức cao, và một số thương vụ sáp nhập sau đó đã khiến Pritchard mất việc
một số thiết bị giống-như-SEM đã được phát minh rải rác ở Nhật Bản, Pháp và Liên Xô
năm 1959 công ty Metropolitan-Vickers sau là công ty "những ngành điện liên quan" ở Anh đã bán một sản phẩm giống-như-SEM nhưng hoạt động không tốt lắm
năm 1968 Cambridge đối mặt thương vụ tiếp quản từ một doanh nghiệp khác, buộc phải tự bán mình cho công ty trách nhiệm hữu hạn George Kent chế tạo công cụ ở Anh
Kết
năm 1971 Charles Oatley nghỉ việc Cambridge, nhưng tiếp tục công việc phát triển kính hiển vi
năm 1974 Charles Oatley được phong tước hiệp sĩ
ngày 1 tháng 2 năm 1982 Charles Oatley xuất bản bài viết "lịch sử thuở đầu của kính hiển vi điện tử quét" trên tạp chí Vật lý Ứng dụng
The early history of the scanning electron microscope
năm 1996 sau thời gian chăm vườn, Charles Oatley mất, hưởng thọ 92 tuổi
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét