Tài liệu Nghiên cứu hình thái học vật liệu, linh kiện nanô bằng công nghệ ảnh nổi 3d trên kính hiển vi điện tử quét ( 3d stereo sem imaging)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ CHU ANH TUẤN NGHIÊN CỨU HÌNH THÁI HỌC VẬT LIỆU, LINH KIỆN NANÔ BẰNG CÔNG NGHỆ ẢNH NỔI 3D TRÊN KÍNH HIỂN VI ĐIỆN TỬ QUÉT (3D STEREO SEM IMAGING) LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội - 2007 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ CHU ANH TUẤN NGHIÊN CỨU HÌNH THÁI HỌC VẬT LIỆU, LINH KIỆN NANÔ BẰNG CÔNG NGHỆ ẢNH NỔI 3D TRÊN KÍNH HIỂN VI ĐIỆN TỬ QUÉT (3D STEREO SEM IMAGING) Chuyên ngành: Vật liệu và Linh kiện nanô Mã số: LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Phạm Hồng Dương Hà Nội - 2007 MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Lời cam đoan Mục lục Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt Danh mục các bảng Danh mục các hình vẽ, đồ thị MỞ ĐẦU Chương 1 - NGUYÊN LÝ HÌNH ẢNH 3D 1.1 Công nghệ ảnh nổi 3D 1.2 Nguyên lý hình ảnh 3D 1.2.1 Sự cạnh tranh (rivalry) 1.3 1.2.2 Hợp thị (convergence) 1.2.3 Sự chênh lệch(disparity) 1.2.4 Stereoscopy Kết luận Chương 2 - NGHIÊN CỨU CHỤP VÀ HIỂN THỊ ẢNH 3D TRÊN KÍNH HIỂN VI ĐIỆN TỬ QUÉT (SEM) 2.1 Nguồn phát xạ điện tử 2.1.1 Phát xạ nhiệt điện tử 2.1.2 Phát xạ trường (field emission) 2.2 Tương tác giữa điện tử với chất rắn 2.3 Sự tạo ảnh điện tử thứ cấp 2.3.1 Điện tử thứ cấp 2.3.2 Quá trình tạo ảnh trong hệ SEM 2.4 Các yếu tố, hiện tượng ảnh hưởng tới quá trình tạo ảnh 2.4.1 Nhiễu và tỷ số tín hiệu/nhiễu (Sign/Noise) 2.4.2 Kích thước điểm hội tụ 2.4.3 Dòng chùm điện tử hội tụ tới bề mặt mẫu 2.4.4 Độ phóng đại ảnh 2.4.5 Phân giải không gian (spatial resolution) 2.4.6 Độ sâu hội tụ (depth of focus) 2.4.7 Khoảng cách làm việc (working distance) 1 3 3 4 5 6 6 7 9 10 10 10 11 14 15 15 17 19 19 20 22 23 24 26 28 2.4.8 Điện thế gia tốc (accelerating voltage) 2.4.9 Độ tương phản (contrast) 2.4.10 Sự tích lũy điện tích trên mẫu 2.5 Nghiên cứu phương pháp chụp 3D 2.5.1 Kính hiển vi điện tử quét FE-SEM S4800 2.5.2 Phương pháp chụp 3D 2.5.3 Ảnh hưởng của các thông số đến độ sâu của ảnh 3D 2.6 Xử lý, mã hóa và hiển thị dữ liệu 3D 2.6.1 Kính Red – Cyan và ảnh 3D anaglyph 2.6.2 Tấm vi thấu kính và ảnh 3D autostereo 2.7 Phương pháp đo độ sâu 29 31 32 32 32 33 36 40 40 43 45 2.8 Kết luận 47 Chương 3 - TỔNG HỢP NANÔ TINH THỂ ZnO, NGHIÊN CỨU HÌNH THÁI CÁC NANÔ TINH THỂ ZnO BẰNG ẢNH 3D SEM 3.1 Vật liệu ZnO 3.2 Tổng hợp các nano tinh thể ZnO 3.2.1 Phương pháp bốc bay nhiệt 3.2.2 Các cơ chế hình thành cấu trúc nanô 3.2.3 Vai trò của xúc tác kim loại 3.2.4 Tổng hợp các cấu trúc nanô ZnO 3.3 Khảo sát vật liệu nanô tinh thể ZnO 3.3.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 48 3.3.2 Khảo sát tính chất quang 3.4 Các hình thái của nanô tinh thể ZnO 3.5 Kết luận 48 50 50 51 54 56 58 58 59 62 66 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ TÀI LIỆU THAM KHẢO 67 69 70 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 1D One Dimension (Không gian 1 chiều) 2D Two Dimension (Không gian 2 chiều) 3D Three Dimension (Không gian 3 chiều) AFM Atomic Force Microscope (Kính hiển vi lực nguyên tử) AV Accelerating Voltage (Điện thế gia tốc) BSE Backscattered Electrons (Điện tử tán xạ ngược) CCD Charge Coupled Device CRT Cathode Ray Tube (Ống tia catốt) DOF Depth of Focus (Depth of Field) (Độ sâu hội tụ (Độ sâu trường ảnh)) FESEM Field Emission Scanning Electron Microscopy (Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường) FIB Focused Ion Beam (Chùm iôn hội tụ) FWHM Full width at half maximum (Độ bán rộng cực đại) HCP Hexagonal close packed (Cấu trúc lục giác xếp chặt) MEMS MicroElectromechanical Systems (Hệ thống vi cơ điện tử) SE Secondary electrons (Điện tử thứ cấp) SEM Scanning Electron Microscope (Kính hiển vi điện tử quét) TEM Transmission Electron Microscopy (Kính hiển vi điện tử truyền qua) UV Ultraviolet (Tia cực tím) VLS Vapor Liquit Solid (Cơ chế hơi lỏng rắn) VS Vapor Solid (Cơ chế hơi rắn) WD Working Distance (Khoảng cách làm việc) XRD X-ray Diffraction (Nhiễu xạ tia X) DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 2.1 So sánh các tính chất giữa hai loại nguồn phát xạ điện tử là phát xạ nhiệt và phát xạ trường tại điện thế gia tốc 20 kV 14 Bảng 2.2 Quan hệ giữa đường kính điểm hội tụ và chất lượng ảnh 21 Bảng 2.3 Quan hệ giữa độ phóng đại và độ dài bước quét 23 Bảng 2.4 Quan hệ giữa độ phóng đại và kích thước của Pixel 23 Bảng 2.5 Ảnh hưởng của độ mở aperture tới độ sâu trường nhìn ở các độ phóng đại khác nhau. Khoảng cách làm việc 10 mm 28 Bảng 2.6 Quan hệ giữa khoảng cách làm việc và chất lượng ảnh 29 Bảng 2.7 Quan hệ giữa khẩu độ và chất lượng ảnh 29 Bảng 2.8 Các thông số đặc trưng cơ bản của hệ FE SEM Hitachi S4800 33 Bảng 2.9 Kết quả khảo sát độ chênh lệch ảnh phụ thuộc vào góc quay φ 37 Bảng 3.1 Các tính chất và đặc trưng cấu trúc của ZnO 49 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Trang Hình 1.1 Hình ảnh minh hoạ về hiện tượng cạnh tranh (rivalry) của hai mắt 6 Hình 1.2 Góc hợp thị của hai mắt khi quan sát 7 Hình 1.3 Quan hệ giữa khoảng cách hội tụ, khoảng cách hợp thị và ấn tượng về độ sâu khi quan sát hình ảnh 3D 8 Hình 2.1 Cơ chế phát xạ nhiệt sử dụng trong súng tia cathode 11 Hình 2.2 Cơ chế phát xạ trường và sự hình thành nguồn phát xạ ảo trong súng 12 phát xạ trường (FEG) Hình 2.3 Tương tác giữa chùm điện tử mang năng lượng cao với chất rắn 13 Hình 2.4 Phân bố năng lượng của điện tử thứ cấp 14 Hình 2.5 Hiệu suất phát xạ điện tử thứ cấp và điện tử tán xạ ngược phụ thuộc vào số nguyên tử Z của mẫu 15 Hình 2.6 Cơ chế phát sinh điện tử thứ cấp 17 Hình 2.7 Sự tạo ảnh điện tử thứ cấp 18 Hình 2.8 Ảnh hưởng của hiệu ứng biên 20 Hình 2.9 Hội tụ chùm điện tử trong hệ SEM 21 Hình 2.10 Dòng chùm điện tử hội tụ trên bề mặt mẫu 22 Hình 2.11 Độ sâu hội tụ 23 Hình 2.12 Ảnh hưởng của độ sâu hội tụ 25 Hinh 2.13 Mô phỏng Monte Carlo về sự phụ thuộc của kích thước thể tích tương tác vào số nguyên tử của mẫu và điện thế gia tốc 29 Hình 2.14 Ảnh chụp hệ FE SEM Hitachi S4800 Hình 2.15 Các núm vi chỉnh X, Y, Z, R, T của hệ FE SEM Hitachi S4800 29 Hình 2.16 Phương pháp quay trục T 31 Hình 2.17 Phương pháp quay trục R 32 Hình 2.18 Góc nghiêng φ trong kỹ thuật chụp 3D 33 Hình 2.19 Hình ảnh minh hoạ hiệu ứng nổi/chìm 33 Hình 2.20 Ảnh 3D anaglyph tinh thể ZnO thử nghiệm. WD = 10 mm; φ = 0,2o 34 Hình 2.21 Ảnh 3D anaglyph tinh thể ZnO thử nghiệm. WD = 10 mm; φ = 0,8o 35 Hình 2.22 Ảnh 3D anaglyph tinh thể ZnO thử nghiệm. WD = 10 mm; φ = 0,2o 36 Hình 2.23 Kính anaglyph Red - Cyan bằng nhựa, gọng giấy và kính anaglyph Red - Cyan bằng thuỷ tinh 40 Hình 2.24 Phổ truyền qua của tấm lọc màu đỏ bằng nhựa 40 Hình 2.25 Phổ truyền qua của tấm lọc màu xanh da trời bằng nhựa 40 Hình 2.26 Quá trình xử lí, hiển thị ảnh lenticular autostere 42 Hình 2.27 Quan sát ảnh lenticular autostereo bằng thị giác hai mắt 43 Hình 2.28 Đo độ sâu bằng phương pháp chụp 3D Hình 3.1 Cấu trúc wurtzite và cấu trúc lục giác xếp chặt (HCP) của ZnO 46 Hình 3.2 Quá trình hình thành các dây nanô ZnO theo cơ chế VLS 49 Hình 3.3 Cơ chế hình thành các dây nano và cơ chế mọc tại chỗ bằng phương pháp VLS 50 Hình 3.4 Sơ đồ lò bốc bay, vị trí đặt nguồn vật liệu và các đế Si 54 Hình 3.5 Giản đồ nhiệt độ - thời gian trong quá trình tổng hợp mẫu ZnO Hình 3.6 Giản đồ phân bố các vùng nhiệt độ trên đế Si trong hệ lò bốc bay Hình 3.7 Giản đồ nhiễu xạ tia X của hỗn hợp các cấu trúc nanô dạng thanh và dạng kim trên đế Si/Au tại vùng nhiệt độ 850 oC -950oC 54 Hình 3.8 Sơ đồ đo phổ huỳnh quang các nanô tinh thể ZnO 56 Hình 3.9 Phổ huỳnh quang đo ở nhiệt độ phòng của hỗn hợp các cấu trúc nanô dạng thanh và dạng kim trên đế Si/Au tại vùng nhiệt độ 850oC - 950oC, nguồn sáng kích thích có bước sóng 325 nm 57 Hình 3.10 Ảnh 3D SEM anaglyph của các thanh nanô (nanorod) trên đế Si, được tổng hợp ở nhiệt độ 800 oC-850oC 58 Hình 3.11 Ảnh 3D SEM anaglyph của hỗn hợp các thanh nanô (nanorod) và kim nanô (nanoneedle) trên đế Si, tổng hợp ở nhiệt độ 850oC950oC 60 Hình 3.12 Ảnh 3D SEM anaglyph của các dây nanô (nanowire) trên đế Si, tổng hợp ở nhiệt độ 1000oC-1080oC 62 MỞ ĐẦU Công nghệ 3D – một công cụ tái hiện thế giới thực, với khả năng mô tả lại thế giới thực trung thực hơn, mang lại nhiều thông tin chi tiết hơn hẳn công nghệ 2D truyền thống, công nghệ 3D đã được ứng dụng rộng rãi trong phim ảnh 3D, trò chơi 3D, đồ hoạ 3D hay nhiếp ảnh 3D. Tuy nhiên, ứng dụng công nghệ 3D vào nghiên cứu khoa học vẫn còn là một lĩnh vực mới mẻ, và chưa được khai thác nhiều. Kỹ thuật ảnh 3D hiển vi điện tử quét (3D SEM) là một bước phát triển mới quan trọng trong việc ứng dụng công nghệ 3D vào việc tạo ảnh hiển vi cũng như nghiên cứu hình thái các đối tượng vi mô, đang dần trở thành công cụ nghiên cứu mới cho các nhà khoa học. Hiện nay, kỹ thuật này đang được nghiên cứu phát triển để chụp ảnh MEMS [9], chụp ảnh các vật liệu có kích thước nanômét [2], chụp ảnh huỳnh quang 3D của các tế bào sinh học [43] hay chụp vi sinh vật [19]. Hiện nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học và công nghệ nanô, trong lĩnh vực chế tạo vật liệu và linh kiện có kích thước nanômét, việc chế tạo và khảo sát hình thái cũng đang là một vấn đề rất được quan tâm nghiên cứu bởi nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước [1, 9, 10, 13, 20]. Trên thực tế, hình thái phong phú và phức tạp của các cấu trúc nanô thường khó quan sát được bằng các phương pháp tạo hình ảnh đơn thị 2D truyền thống, người quan sát khó thấy được chiều sâu và các cấu trúc không gian của các vật thể. Với những lí do đó, chúng tôi đã chọn đề tài: “nghiên cứu hình thái học vật liệu, linh kiện nanô bằng công nghệ ảnh nổi 3D trên kính hiển vi điện tử quét (3D stereo SEM imaging)” với mục tiêu ứng dụng và phát triển kỹ thuật ảnh nổi 3D hiển vi điện tử trong các nghiên cứu hình thái học mẫu vật có kích thước micrômét và nanômét (vật liệu cấu trúc nanô, linh kiện quang tử cấu trúc nanô). Đây là đề tài luận văn lần đầu tiên được tiến hành nghiên cứu và ứng dụng ở Việt Nam. Nội dung nghiên cứu chủ yếu của luận văn nhƣ sau:  Nghiên cứu chụp ảnh 3D stereo trên kính hiển vi điện tử quét (SEM).  Nghiên cứu các thông số ảnh hưởng tới chất lượng của ảnh nguồn như độ sâu hội tụ, độ sâu trường ảnh, độ tương phản và các phương pháp tăng cường chất lượng ảnh.  Nghiên cứu phương pháp hiển thị ảnh 3D hiển vi trên màn hình vi tính và kỹ thuật in dán ảnh nổi 3D autostereo hiển vi.  Chế tạo mẫu vật liệu có cấu trúc nanô và ứng dụng ảnh 3D hiển vi nghiên cứu hình thái học các mẫu vật đó. Bố cục của luận văn bao gồm 3 chƣơng: Chƣơng 1 - Nguyên lý hình ảnh 3D. Trong chương 1, tác giả trình bày một cách tổng quan về khái niệm, nguyên lý hình ảnh 3D, lịch sử cũng như tình hình phát triển của công nghệ 3D trong nước và trên thế giới. Bên cạnh đó một số đặc tính của thị giác hai mắt như sự cạnh tranh (rivalry), sự hợp thị (convergence) và sự chênh lệch (disparity) cũng được nhắc lại. Chƣơng 2 - Nghiên cứu chụp và hiển thị ảnh 3D trên kính hiển vi điện tử quét (SEM). Chương 2 trình bày về nguyên lý tạo ảnh SEM cũng như các ảnh hưởng qua lại giữa các thông số và các hiện tượng xảy ra trong quá trình ghi ảnh. Một quy trình đầy đủ từ việc chụp, xử lý và hiển thị ảnh SEM bằng kỹ thuật 3D hiển vi đã được xây dựng và hoàn thiện trong chương này. Ngoài ra, phương pháp đo chiều sâu bằng kỹ thuật chụp và hiển thị 3D cũng đã được đề xuất. Chƣơng 3 - Tổng hợp nanô tinh thể ZnO, nghiên cứu hình thái các nanô tinh thể ZnO bằng ảnh 3D SEM. Chương này mô tả quá trình tổng hợp các nanô tinh thể ZnO bằng phương pháp bốc bay nhiệt có sự tham gia của xúc tác Au. Sản phẩm thu được là các nanô tinh thể ZnO có hình thái khác nhau. Hình thái và vi cấu trúc của các sản phẩm này đã được khảo sát bằng kỹ thuật 3D SEM, kết quả khảo sát cấu trúc tinh thể, tính chất quang cũng được trình bày và thảo luận ở đây. Cuối cùng, phần kết luận và kiến nghị trình bày các kết quả đạt được và đưa ra các kết luận rút ra từ những kết quả nghiên cứu của tác giả. Đồng thời, một số ý kiến đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài cũng được nêu ra ở đây. CHƢƠNG 1 NGUYÊN LÝ HÌNH ẢNH 3D 1.1 Công nghệ ảnh nổi 3D Hình ảnh stereo đầu tiên được Wheastone sáng tạo năm 1838 [28, 29, 30]. Từ đó tới nay, những người làm việc với hình ảnh stereo không có nhiều, và thường không được biết đến, nhưng nhiệt tình và cống hiến của họ không hề suy giảm. Ngày nay, những thao tác sáng tạo về không gian thị giác hai mắt, không chỉ về hiện thực tuyệt vời của stereoscopy, đang được quan tâm ngày càng nhiều. Công nghệ 3D không còn xa lạ trên thế giới và đã được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau. Thế kỷ 21 đang chứng kiến sự bùng nổ của công nghệ 3D, rất nhiều hãng lớn đã đầu tư mạnh cho các nghiên cứu và ứng dụng 3D như máy tính 3D (Sharp, Toshiba), game 3D (Sega), điện ảnh 3D (Walt Disney, Universal Studio), nhiếp ảnh 3D, hay cả ti vi 3D sẽ phổ biến trong vài năm nữa. Thị trường quảng cáo bằng công nghệ 3D cũng đang phát triển mạnh mẽ trên thế giới. Tại Việt Nam, giới trẻ cũng bắt đầu quan tâm đến các ứng dụng 3D, nhưng chỉ dừng lại ở phân đoạn tạo dữ liệu 3D (3D data) bằng các phần mềm dựng 3D có sẵn của nước ngoài (3DSMax, Maya) chứ chưa khai thác được các công nghệ hiển thị 3D (3D display). Dữ liệu 3D chỉ khi được kết hợp với hiển thị 3D thì mới phát huy được hết các ưu điểm và đem lại sự khác biệt thực sự của công nghệ 3D [52]. 3D hay công nghệ 3D là khái niệm hay được lạm dụng trong thời đại kỹ thuật số hiện nay. Bất cứ cái gì thể hiện được (trực tiếp hay gián tiếp) tính hình khối hay hiệu ứng bóng đổ đều có thể được gọi là sản phẩm công nghệ 3D. Từ mô hình 3DSMax, font chữ 3D đến hoạt hình 3D. Tuy nhiên, khái niệm 3D nếu được hiểu đầy đủ và toàn vẹn phải gắn với con người, tức là phải tuân theo quy luật của sinh lý thị giác. Vì con người có hai mắt nên nhận thức thị giác 3D gắn với con người phải là thế giới quan stereo. Công nghệ 3D thực thụ phải đem lại cảm giác đắm chìm (immersion) của chủ thể quan sát vào trong đối tượng quan sát. Khi một hình ảnh (image), mô hình (model) hay hoạt cảnh (scene) được tái hiện bằng các phương tiện kỹ thuật số (máy tính, máy ảnh, ...), nó chưa được coi là 3D đầy đủ và đích thực nếu chưa thỏa mãn yếu tố trên. Một mô hình dựng trên 3DSmax, Maya có thể được coi là một thực thể 3D chưa trọn vẹn bởi nó mới chỉ có tính dữ liệu 3D (3D data) mà chưa có tính thể hiện 3D (3D display). Tính hình khối của các đối tượng này chỉ thể hiện gián tiếp thông qua các lệnh xoay, dịch chuyển, hay các hiệu ứng chiếu sáng và bóng đổ nhờ các công cụ điều khiển. Khi kết xuất (render) rồi trình chiếu trên các phương tiện hiển thị thông thường như màn hình máy tính, ti vi hay in ra giấy, ở mỗi thời điểm và mỗi vị trí, người quan sát chỉ nhận được những hình ảnh 2D. Chỉ khi dữ liệu đó được kết xuất ra hai luồng trái, phải riêng biệt và được hiển thị theo phương pháp 3D thì mới được coi là 3D đầy đủ. Ảnh nổi 3D nói riêng hay công nghệ hiển thị 3D nói chung có thể ứng dụng vào khoa học như Vật lý (chụp ảnh 3D các hệ vi cơ MEMS [9], các mẫu vật cỡ micrômét, nanômét), vào địa chất, công nghệ vũ trụ (ảnh 3D chụp bề mặt trái đất, bề mặt sao hỏa), giáo dục đào tạo (các hệ mô phỏng 3D tập lái xe ôtô, lái tàu thủy), y học (mô hình 3D cơ thể người hay sinh vật), kiến trúc (thiết kế mô hình nhà cửa 3D), bảo tồn bảo tàng (ảnh 3D các di tích hay cổ vật), ... Trong kỹ thuật ảnh hiển vi 3D, một số nhóm tác giả trên thế cũng đã đề xuất giải pháp chụp và hiển thị ảnh 3D trên thiết bị SEM, nhưng chưa có báo cáo nào trình bày một cách tường minh và cụ thể. Giải pháp của các sáng chế này thường là thay đổi kết cấu của thiết bị chụp SEM như lắp thêm cuộn dây làm lệch chùm điện tử [48], tạo hai súng điện tử hoặc kết hợp chùm điện tử và chùm ion hội tụ trong các thiết bị crossbeam FIB-SEM để ghi ảnh đồng thời ở 2 góc độ khác nhau [14]. Một số hình ảnh đã được chụp và hiển thị theo phương pháp 3D anaglyph như ảnh bề mặt sao hỏa, ảnh mặt trăng được phát hành bởi NASA [46, 47], ảnh hiển vi chụp các vi sinh vật hay ảnh chụp các mẫu khoáng vật phục vụ nghiên cứu các cơ chế phong hóa trong lĩnh vực khoa học đất [47]. Khi xem các ảnh này cần dùng kính phân màu anaglyph để tách hai luồng ảnh cho mắt trái và mắt phải. Ngoài một số ảnh 3D anaglyph phục vụ cho nghiên cứu khoa học, tại viện Khoa học Vật liệu – viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, một số ảnh tích hợp lenticular autostereo chụp phong cảnh, chụp người cũng đã được thực hiện. Không giống như ảnh 3D anaglyph, ảnh tích hợp autostereo có thể quan sát trực tiếp mà không cần dụng cụ hay thiết bị hỗ trợ. Những phiên bản 3D này mới đúng nghĩa là 3D theo định nghĩa ở trên và hiệu ứng 3D mới thể hiện trọn vẹn và đem lại sự khác biệt thực sự. 1.2 Nguyên lý tạo hình ảnh 3D Hình ảnh 3D có thể được tạo ra dựa trên nguyên lý cảm thụ thị giác của con người [35, 36]. Do có 2 mắt, con người có hai điểm nhìn ở hai vị trí khác nhau trong không gian thực. Hai hình ảnh khác nhau do mắt trái và mắt phải thu được tạo nên các hiệu ứng đặc thù trong não bộ, bao gồm sự cạnh tranh (rivalry), sự chênh lệch (disparity) và hợp thị (convergence) [29, 30]. Các phương pháp hiển thị 2D thông thường chỉ cho ta cùng một hình ảnh trong mắt phải và mắt trái, vì vậy không tạo nên các hiệu ứng nói trên. Trước khi nghiên cứu cách chụp và hiển thị ảnh 3D SEM, chúng ta xem xét lại những đặc tính của thị giác hai mắt, đó là sự cạnh tranh (rivalry), sự hợp thị (convergence) và sự chênh lệch (disparity). 1.2.1 Sự cạnh tranh (rivalry) Sự cạnh tranh lưỡng thị là một hiện tượng độc đáo của thị giác hai mắt. Đó là khi hai mắt quan sát hai hình ảnh khác nhau, người quan sát lúc nhìn thấy hình ảnh này, lúc nhìn thấy hình ảnh kia, một cách hỗn loạn. Tuy nhiên, hiện tượng này lại làm cho thị giác hai mắt khác hẳn về chất với thị giác một mắt, nó tạo nên vẻ đẹp và sự phong phú mà người nhìn một mắt không bao giờ hình dung nổi. Ví dụ điển hình là khi ta nhìn một viên kim cương, vì các tia sáng cầu vồng do khúc xạ ánh sáng của viên kim cương rơi vào mỗi mắt khác nhau, nên người quan sát thấy viên kim cương lấp lánh. Tương tự như vậy khi ta nhìn một chiếc đĩa CD dưới ánh sáng mặt trời, các tia sáng huyền ảo do hiện tượng cạnh tranh lưỡng thị đem lại vẻ đẹp độc nhất vô nhị. Hình ảnh stereo và holo có thể tái hiện được vẻ đẹp này, mà phim ảnh 2D không bao giờ thể hiện được. Hình 1.1 minh họa về hiện tượng cạnh tranh của hai mắt. Dùng kỹ thuật nhìn chéo (cross view) ta sẽ thấy hình ảnh nổi với 4 hình tròn biểu hiện 4 loại thụ cảm thị giác khác nhau: A - cạnh tranh thuần khiết; B - hoà ảnh (fusion), đĩa tròn sẽ nổi lên trên nền; C - xuyên thấu (transperancy), một đĩa tròn chìm sâu ra sau nền (mắt trái ưu thế), một đĩa tròn nổi lên trên nền (mắt phải ưu thế); D trong suốt và cạnh tranh: một đĩa với các sọc chìm sau nền, một đĩa có các sọc cạnh tranh (sâu bằng nền), biến mất và hiện ra liên tiếp. Hình 1.1. Hình ảnh minh họa về hiện tượng cạnh tranh (rivalry) của hai mắt. Dùng kỹ thuật nhìn chéo (cross view) để quan sát hình ảnh nổi với 4 hình tròn biểu hiện 4 loại thụ cảm thị giác khác nhau. Hiện tượng này còn được áp dụng để tìm ra những khác biệt nhỏ giữa hai bức ảnh, ví dụ như: ảnh hai bầu trời sao được so với nhau bằng cách cho mỗi mắt nhìn một ảnh, mắt sẽ dễ dàng nhận ra sự khác biệt giữa hai bức ảnh nhờ vào sự cạnh tranh lưỡng thị. 1.2.2 Hợp thị (convergence) Hiện tượng hợp thị của mắt thường gắn chặt với thị sai hai mắt và sự cạnh tranh hình ảnh, như vậy, rất khó có thể tách rời ra như một tín hiệu về độ sâu. Người ta cho rằng khởi nguồn của tín hiệu độ sâu là từ các cơ điều khiển chuyển động của mắt [29]. Hiện tượng hợp thị là kết quả của sự chồng hai hình ảnh, cho ta cảm giác về chiều sâu (hình 1.2). Khi chồng hai hình ảnh ở khoảng cách nào đó lên nhau, hình ảnh của những vật thể gần hơn hoặc xa hơn đều bị nhân đôi, mỗi mắt một hình. Tuy nhiên tri giác của chúng ta lại thường bỏ qua điều đó, cho nên ta không quan tâm đến hiện tượng hai hình và mất nét ngoài đối tượng trung tâm. Hình 1.2. Góc hợp thị của hai mắt khi quan sát. Góc hợp thị nhỏ khi vật ở xa (a), góc hợp thị lớn khi vật ở gần (b). 1.2.3 Sự chênh lệch (disparity) Thị sai lưỡng thị là cơ sở cho sự chênh lệch hình ảnh xảy ra trong hai võng mạc của chúng ta, và sự chênh lệch đó lại là tín hiệu chiều sâu trong kỹ thuật stereo, gây nên ấn tượng duy nhất và bất ngờ về không gian. Sự hiểu biết về kỹ thuật stereo tiến bộ rất chậm và rất khó. Những phát minh quan trọng của C.Wheastone còn quá mới so với những phát minh khác về thị giác. Mặc dù những nhà khoa học khác đã quan sát sự liên hệ giữa thị sai, sự cạnh tranh hình ảnh và cảm thụ stereo, nhưng chỉ khi C.Wheastone công bố phát minh của ông vào năm 1938 [29, 30], cả ba đặc tính của thị giác hai mắt mới được giải thích và liên hệ nhân quả với nhau. 1.2.4 Stereoscopy Cho đến nay, khi nghiên cứu hình ảnh stereo, đa số mọi người cho rằng hiện tượng cạnh tranh thị giác đem lại nhiều phẩm chất nhất và là bản chất của hình ảnh stereo [19, 30]. Tất nhiên tín hiệu hợp thị và lấy nét cũng đóng vai trò quan trọng khi giúp mắt ta tập trung vào đối tượng ở những khoảng cách khác nhau, nhưng không đến mức làm ảnh hưởng nghiêm trọng đến ý thức của chúng ta trong việc tái tạo không gian như hiện tượng cạnh tranh thị giác. Một mặt nữa của vấn đề này nằm trong hiện tượng cảm thụ, duy nhất với 3D, đó là sự tách biệt giữa mặt phẳng hội tụ và mặt phẳng hợp thị (hình 1.3). Thực tế, khi quan sát bằng mắt thường các đối tượng trong không gian thực, hai mặt phẳng này luôn trùng nhau, có nghĩa là hai mắt tự động hợp thị ở khoảng cách mắt hội tụ. Trong hình ảnh stereo không thể tránh được sự phân chia này một yếu tố quan trọng đối với các hệ thống trình chiếu 3D. Khi quan sát ảnh 3D, mắt chúng ta hội tụ trên màn ảnh, trong khi đó lại hợp thị ở khoảng cách từ vô cực đến sát chúng ta. Sự khác biệt thái quá giữa khoảng cách hợp thị và tiêu cự có thể làm mỏi mắt. Trong việc hiển thị ảnh nổi, người quan sát chọn các đối tượng trên màn ảnh, do đó nảy sinh ra một yêu cầu là toàn bộ các chi tiết từ gần đến xa đều phải rõ nét. Điều này chỉ có thể thực hiện được khi khẩu độ (aperture) của ống kính phải nhỏ, ánh sáng phải đầy đủ hơn so với chụp ảnh 2D thông thường [25]. Thị giác hai mắt được gọi là yếu tố sơ cấp cho định hướng trong không gian, nó tồn tại trong đứa trẻ rất sớm và có thể gọi là bẩm sinh. Hầu hết các tín hiệu khác của thị giác đều được coi là thứ cấp, theo nghĩa là phải học, hay suy diễn từ các kinh nghiệm trước đó về các vật thể. Hình 1.3. Quan hệ giữa khoảng cách hội tụ, khoảng cách hợp thị và ấn tượng về độ sâu khi quan sát hình ảnh 3D. Ngoài ra, thị giác hai mắt còn phải hiểu là sự cảm thụ tương đối về chiều sâu, hơn là tuyệt đối về khoảng cách. Mắt của chúng ta hoạt động không giống như bộ máy dùng để đo khoảng cách. Thị giác hai mắt so sánh độ sâu thông qua sự khác biệt của góc hợp thị, vì vậy vật thể ở gần sẽ cho ta cảm giác độ sâu lớn hơn. Một vấn đề nữa cần phải hiểu khi có sự xung đột giữa tín hiệu mono và tín hiệu stereo, ví dụ như khi ta có hai ảnh trái và phải chụp mặt người, nếu ta đảo ảnh sao cho mắt trái nhìn thấy ảnh phải, mắt phải nhìn thấy ảnh trái - lẽ ra ta phải thấy mặt người lõm vào như cái khuôn đúc tượng, nhưng kết quả lại không như vậy. Tín hiệu mono đã chiếm ưu thế và xoá mất cảm nhận về hình mặt người lõm. Một quy tắc cần được nhớ rằng, với các hình dạng càng quen thuộc, tín hiệu mono càng dễ xoá tín hiệu chiều sâu của stereo nếu như có sự xung đột trong tri giác cuối cùng về chiều sâu. 1.3 Kết luận Quan hệ giữa tri giác về không gian và việc vẽ lại không gian đã có một lịch sử lâu dài và phức tạp. Nó bao hàm việc đối thoại không ngừng giữa các nghệ sỹ và các triết gia; tương tác giữa lý thuyết và thực nghiệm; và sự phụ thuộc cộng sinh vào công cụ thị giác, một mắt và hai mắt, đã tiến hoá hàng thế kỷ. Một số phương tiện thị giác như hội hoạ, điêu khắc, nhiếp ảnh, ảnh stereo và ảnh holo đã được phát triển, mỗi loại có một tiềm năng và hạn chế riêng [5]. Sự phát triển của chúng đầu tiên dựa trên vấn đề vẽ chân dung không gian, và sau này, chỉ có stereoscopy và holoscopy mới có thể giải quyết được vấn đề thẩm mỹ và triết học mà các nhà phê bình và nghệ sỹ đưa ra [18, 26]. Rõ ràng, để biểu diễn không gian, hình ảnh lưỡng thị là một bậc thang logic tiếp theo trong sự tiến hoá của phương tiện hiển thị. Nó không chỉ là công cụ sáng tác của các nghệ sỹ mà còn là công cụ nghiên cứu của các nhà nghiên cứu khoa học. Tuy nhiên, khả năng ứng dụng của nó hiện nay mới chỉ đang ở mức độ sơ khai. CHƢƠNG 2 NGHIÊN CỨU CHỤP VÀ HIỂN THỊ ẢNH 3D TRÊN KÍNH HIỂN VI ĐIỆN TỬ QUÉT (SEM) Việc ghi lại ảnh SEM theo phương pháp 3D chủ yếu vẫn dựa trên cơ sở ghi ảnh SEM truyền thống. Tuy nhiên, cách hiển thị 3D hoàn toàn khác cách hiển thị 2D thông thường, vì thế mà việc chụp ảnh 3D SEM luôn đòi hỏi khắt khe hơn về chất lượng, độ tương phản, độ phân giải hay độ sâu trường nhìn,... Để có được ảnh nguồn với chất lượng tối ưu, hiểu biết đầy đủ về các thông số của thiết bị chụp SEM và các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình tạo ảnh cũng như chất lượng ảnh là rất cần thiết, từ đó ta có thể thay đổi các thông số này một cách hợp lí, nhằm tìm ra sự cân bằng tối ưu giữa các thông số [11, 19]. Các thông số quan trọng của hệ SEM mà ta cần quan tâm như: tương tác giữa chùm điện tử với mẫu (electron beam - specimen interaction), kích thước nguồn phát xạ điện tử sơ cấp (source diameter), cường độ dòng thấu kính hội tụ (condenser lens current), khoảng cách làm việc (working distance), điện thế gia tốc (accelerating voltage), độ sâu hội tụ (depth of focus) hay hiện tượng stigmatism, hiện tượng cầu sai (spherical abrration), sắc sai (chromatic aberration) của thấu kính điện từ,… Trong phần này luận văn sẽ tập trung tìm hiểu nguyên lí tạo ảnh hiển vi điện tử và một số yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng ảnh cũng như quá trình tạo ảnh trên thiết bị chụp SEM. 2.1 Nguồn phát xạ điện tử Trong kính hiển vi điện tử, súng điện tử có vai trò tạo ra chùm điện tử có kích thước hẹp, mật độ dòng lớn và ổn định. Chất lượng của chùm điện tử có ảnh hưởng trực tiếp tới việc tạo ảnh cũng như chất lượng của ảnh điện tử. Tùy theo cơ chế phát xạ mà có thể chia ra hai loại nguồn phát xạ: phát xạ nhiệt và phát xạ trường, sự khác nhau giữa hai kiểu nguồn phát xạ này là sự khác biệt chủ yếu giữa SEM và FESEM. 2.1.1 Phát xạ nhiệt điện tử Trong các súng điện tử sử dụng cơ chế phát xạ nhiệt, dây tóc (filament) hay còn gọi là cathode thường được làm bằng các vật liệu có khả năng chịu nhiệt cao và có hệ số phát xạ điện tử lớn, được đặt trong chân không và sử dụng dòng điện để đốt nóng dây tóc. Có hai loại vật liệu thông dụng nhất dùng làm dây tóc là Volfram và Lanthanun Hexaboride (LaB6). Khi nhiệt độ đủ cao, các điện tử có đủ năng lượng để vượt qua hàng rào công thoát của vật liệu dùng làm dây tóc và thoát ra ngoài chân không. Mật độ chùm điện tử phát ra sẽ tuân theo định luật Richardson: J = A.T2.exp(-/kBT) (2.1) trong đó A, kB, T lần lượt là hằng số Richardson, hằng số Boltzmann và nhiệt độ làm việc của cathode,  là công thoát điện tử tại bề mặt vật liệu dùng làm cathode hay năng lượng cần thiết để điện tử thoát khỏi cathode đi vào chân không ( W = 4,5 eV, LaB6 = 2,5 eV). Nguồn phát xạ nhiệt có ưu điểm là rẻ tiền, không đòi hỏi điều kiện chân không cao. Tuy nhiên, nguồn phát xạ nhiệt có mật độ dòng điện tử không cao, độ sáng tương đối thấp, chùm điện tử không thể hội tụ quá nhỏ. Hơn nữa, do làm việc ở nhiệt độ cao, trong quá trình sử dụng có sự bốc hơi của vật liệu cathode dẫn tới giảm tuổi thọ. Ngoài ra, sự phát xạ phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ, sự thăng giáng nhiệt làm tăng độ phân tán năng lượng của các điện tử. Hình 2.1. Cơ chế phát xạ nhiệt sử dụng trong súng tia cathode. 2.1.2 Phát xạ trƣờng (field emission) Phát xạ trường hay còn được gọi là phát xạ trường cathode nguội, không dùng dòng điện để đốt nóng dây tóc, phương pháp này khắc phục được các nhược điểm của phát xạ nhiệt. Phát xạ trường dựa trên cơ sở hiệu ứng xuyên hầm của các điện tử. Súng phát xạ trường thường là một dây Volfram được vuốt nhọn một đầu, mũi nhọn có bán kính khoảng 100 nm. Sự phát xạ điện tử đạt được trong điều kiện chân không siêu cao khi đặt vào cathode một điện thế cao.