[روش های شناسایی نانوساختارها] - میکروسکوپ های الکترونی SEM و TEM

[P O U R I A]

5-1-2- قدرت تفکیک (Resolution)
طبق تعریف، قدرت تفکیک عبارت است از حداقل فاصله ی دو نقطه ی غیر مشابه (با خصوصیت تصویری متفاوت (Separate Features)) از نمونه که به صورت دو نقطه ی متفاوت (قابل تشخیص) بر روی تصویر دیده می شود. قدرت تفکیک درمیکروسکوپ ها با رابطه ی زیر بیان می شود:

​

​

که در آن λ طول موج پرتوی تصویرساز، μ ضریب شکست محیط تصویر و αزاویه ی تصویرسازی می باشد. به کمک این رابطه به خوبی می توان قدرت تفکیک میکروسکوپ های نوری و الکترونی را مقایسه نمود. زاویه ی تصویرگیری در میکروسکوپ های الکترونی بسیار کمتر از میکروسکوپ های نوری است و از همه مهم تر طول موج پرتوهای الکترونی بسیار کمتر از پرتوهای نور مرئی می باشد (طول موج فوتون های نور مرئی 390 تا 750 نانومتر و طول موج رایج در میکروسکوپ های الکترونی رایج کمتر از 0.06 نانومتر است. این مقدار با افزایش ولتاژ شتاب دهنده ی میکروسکوپ الکترونی کاهش پیدا می¬کند.). با توجه به اثر بسیار بزرگ تفاوت طول موج پرتوهای نوری و الکترونی، اثر تغییرات ضریب شکست ناچیز خواهد بود. بنابراین قدرت تفکیک میکروسکوپ الکترونی بسیار بهتر از میکروسکوپ نوری است. لازم به ذکر است که قدرت تفکیک همواره از قطر پرتوی الکترونی ورودی بزرگتر می باشد[1،4،5]. الکترون های ثانویه دارای حد تفکیک بسیار بالایی هستند که علت این ویژگی این است که فضایی که الکترون های ثانویه از آن خارج می شوند، تقریبا برابر قطر پرتوی الکترونی اولیه است. به علت حد تفکیک کوچکتر الکترون های ثانویه، در بزرگنمایی های بسیار بالاتنها از تصاویر الکترون های ثانویه استفاده می شود[6].

5-1-3- بزرگنمایی (Magnification)
در میکروسکوپ های نوری، لنزها در مسیر پرتوهای عبور یافته یا منعکس شده از سطح نمونه قرار گرفته و با تغییر زاویه ی حرکت پرتو و به دنبال آن تغییر محل تقاطع پرتوها، منجر به بزرگنمایی می شوند. این موضوع در مورد لنز شیئ در میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) نیز صادق است. اما در SEM اینطور نیست. نکته ی بسیار مهم و جالب در رابطه با مکانیزم بزرگنمایی در SEM، این است که لنزها تنها مشخصات پرتوی الکترونی اولیه را تنظیم می کنند و بر مشخصات پرتوهای ساطع شده از نمونه تأثیری ندارند. از اینرو می توان گفت که لنزها در بزرگنمایی تصاویر SEM تأثیر مستقیمی ندارند. با این وجود باید به خاطر داشت که قطر و سایر مشخصات پرتوهای ساطع شده از نمونه متأثر از پرتوی الکترونی اولیه است که توسط لنزهای تعبیه شده در ستون اپتیکی آماده سازی شده است.
مکانیزم بزرگنمایی در میکروسکوپ الکترونی، در واقع نتیجه ی یک نسبت هندسی بوده و بر اساس رابطه ی زیر قابل محاسبه است:

​

که در آن، بزرگنمایی عبارت است از نسبت طول خط تصویری CRT به طول خط تصویری روی نمونه (یا نسبت ضلع مربع تحت اثر پرتو (روی نمونه) به ضلع مربع CRT). با توجه به ثابت بودن مشخصات CRTبه عنوان یک عامل سخت افزاری، با کاهش اندازه ی مربع تحت اثر پرتو (که به آن قاب تصویر (Frame Store) می گویند)، می توان بزرگنمایی را افزایش داد. بنابراین بزرگنمایی در SEM به وسیله ی جریان سیم پیچ های روبش x و y مشخص می شود. به عنوان مثال اگر پرتوی الکترونی، سطحی به اندازه ی 10 در 10 میکرومتر مربع را روی نمونه روبش کند و تصویر روی CRT، 100 در 100 میلیمتر مربع باشد، بزرگنمایی خطی 10 هزار برابر خواهد بود. حال اگر بخواهیم بزرگنمایی خطی را به 100 هزار برابر برسانیم، با توجه به ثابت بودن سخت افزاری ابعاد CRT، باید سطح روبش شده توسط پرتوی الکترونی را به مربعی با اضلاعی به اندازه ی 0.1 میکرومتر کاهش دهیم. ممکن است به جای بزرگنمایی خطی از بزرگنمایی سطح و به جای استفاده از نسبت طول ها از نسبت مساحت ها استفاده شود[1،7،8].

 

[P O U R I A]

5-2- خصوصیات نمونه های SEM
در اکثر SEMها، نمونه ها بر روی یک نمونه گیر متصل به یک پایه نصب می شوند و به طور مستقیم یا پس از عبور از یک محفظه ی میانی، وارد محفظه ی اصلی می شوند. ابعاد نمونه با توجه به ابعاد هندسی محفظه و تجهیزات سخت افزاری عملیات روبش و آشکارسازی محدود می شود. این محدودیت ابعادی از جهت X، Y و Z وجود دارد که البته میزان این محدودیت به مدل دستگاه بستگی دارد. به دلیل محدودیت ابعادی نمونه ها معمولا نیاز به کوچک کردن نمونه های اصلی وجود دارد.
صلب بودن نمونه ی مورد مطالعه از دیگر خواص لازم است. جامد بودن شرط لازم برای صلب بودن است، اما شرط کافی نیست. با توجه به مکش بسیار شدیدی که در حین برقراری خلأ در محفظه وجود دارد، علاوه بر جامد بودن نمونه، خشک بودن و عدم خروج مواد فرار، رطوبت و انواع چربی از نمونه بسیار حائز اهمیت است. خروج این مواد از نمونه می تواند باعث آلوده شدن محفظه، منافذ و مجاری سیستم خلأ و تداخل در مسیر و پراکندگی پرتوهای الکترونی گردد[1].

5-3- آماده سازی نمونه های SEM
5-3-1- تمیزکردن
هرگونه آلودگی و ماده ی اضافی موجود روی نمونه بر پردازش با اشعه ی ایکس و الکترون و حصول تصویر مناسب تأثیر می گذارد. این لایه هاو ذرات مزاحم، علائم جعلی تولید نموده و نتایج را تغییر دهند. برای تمیز کردن نمونه از حلال های آلی چون استون، اتانول و متانول یا مخلوطی از آنهااستفاده می شود.
5-3-2- ثابت کردن نمونه
برخی از نمونه ها به صورت پودری یا به صورت ترد (مانند دوده) هستند. اگر این نمونه ها در هنگام کار با SEM در محل نمونه گیر محکم نشوند، صدمات جدی به دستگاه و سیستم خلأ وارد می آورند. نمونه گیری از نمونه های پودری باید با دقت زیادی انجام شود. نمونه سازی با پودر معمولا با استفاده از چسب های دوطرفه انجام می گیرد. این چسب ها از یک طرف به سطح نمونه گیر واسطه و از طرف با پودر تماس داده می شوند. برای پراکنده سازی خوب پودرها می توان از روش آلتراسونیک استفاده نمود.
نمونه ها در هنگام کار با میکروسکوپ باید کاملا ثابت باشند که برای این منظور نمونه گیرهایی اختصاص داده شده است. اگر نتوان نمونه را در نمونه گیر جای داد، از انواع چسب های هادی مقاوم در برابر خلأ استفاده می شود.
5-3-3- برقراری اتصال الکتریکی
به دو علت نمونه یا حداقل سطح نمونه باید رسانای الکتریسیته باشد: (1) عملیات روبش الکترونی انجام گیرد و امکان حرکت الکترون های پرتوی الکترونی روی سطح فراهم شود و (2) پرتوهای الکترونی بازگشتی از نمونه در یک ناحیه تجمع نکنند. بدین ترتیب، باید سطح نمونه های SEMبا نمونه گیر، پایه و ... یک مدار الکتریکی تشکیل دهند. پس اولا سطح نمونه ها باید رسانا باشد و دوما اتصال الکتریکی آن با نمونه گیر برقرار باشد. اگر رسانایی سطح نمونه به طور کامل برقرار نشود، الکترون ها تجمع نموده و این باعث شکسته شدن پرتوی الکترونی و تغییر مسیر الکترون ها می شود. پیامد نامطلوب این پدیده، سفید شدن قسمت هایی از تصویر است که در این صورت امکان تشخیص جزئیات تصویر در منطقه ی سفید شده وجود نخواهد داشت. این پدیده شارژ سطحی الکترون (Electron Surface Cahrging) نام دارد. نمونه هایی که در مانت غیرهادی (Mount) قرار گرفته اند نیز باید با محل نمونه گیر اتصال الکتریکی برقرار نمایند. این کار با اتصال چسب رسانا، از نمونه ی داخل مانت به سطح زیرین انجام می شود. چندرسانه ای 2 تأثیر وجود لایه ی رسانا بر روی نمونه ی نارسانا را نمایش می دهد.

 

[P O U R I A]

برای رسانا کردن سطح نمونه های نارسانا معمولا از بخار فلزاتی چون طلا، نقره، پالادیم، پلاتین، اوسمیم، ایریدیم، تنگستن، کروم و یا پوشش های کربنی استفاده می شود که به روش رسوب فیزیکی بخار (Physical Vapor Deposition) یا کندوپاش (Sputtering) بر سطح اعمال می شود. نمونه ی این دستگاه در شکل 5 مشاهده می شود. ضخامت پوشش ایجاد شده بسیار کم است و تأثیری بر موفولوژی سطحی نمونه ندارد. حداقل ضخامت پوشش به ناهمواری سطح بستگی داشته و از 5 آنگستروم برای سطوح میکروسکوپی تا 100 آنگستروم برای سطوح صاف و 1000 آنگستروم برای سطوح زبر و خشن متغیر است[1،4،7،9]. شکل 6 یک عنکبوت را نشان می دهد که با طلا پوشش داده شده تا برای بررسی با SEMآماده شود[7].

​

شکل 5–شمایی از دستگاه کندوپاش جهت پوشش دهی نمونه یSEM از [10].

شکل 6–عنکبوت پوشش داده شده با طلا جهت بررسی با SEM از[7].​

 

[P O U R I A]

5-3-4- اچ کردن
هنگامی که از کانتراست عدد اتمی استفاده می شود، اچ کردن نیاز نیست چرا که اختلاف عدد اتمی خود باعث مشخص شدن فازها می شود. بدین صورت که فاز با عدد اتمی کمتر، تیره تر و فاز حاوی عناصر سنگین تر روشن تر ظاهر می شود. اچ کردن در هنگام استفاده از کانتراست توپوگرافی نیاز است تا بتوان پستی ها و بلندی های سطح را با اچ کردن نمایان کرد. برای این منظور می توان از اچ یونی یا الکترولیتی استفاده کرد[4].

5-4- کاربردها
SEM در مطالعات بسیاری از مواد نظیر فلزات، آلیاژها، مواد مغناطیسی، ابررساناها، نیمه رساناها، سرامیک ها، کامپوزیت ها، دوفلزی ها، پودرها، بلورهای یونی، پلیمرها، عایق ها، لاستیک ها و پلاستیک ها به کار برده می شود. این تحقیقات در شاخه های گوناگونی چون رشد بلور و دانه، انجماد، جهات دوقلویی و بلوری، شکست، بازیابی، تبلور مجدد، خستگی، خوردگی، اکسیداسیون، سایش، فرسایش، تغییر شکل مکانیکی، اتصالات الکتریکی، مغناطیس ها، اجزای نیمه رسانا، مدارهای الکترونی و پوشش دهی صورت می گیرد. با بررسی با SEM می توان اطلاعاتی در حوزه های مورفولوژی، توپوگرافی، ترکیب و کریستالوگرافی به دست آورد[4].

چندین نمونه از کاربردهای SEMعبارتند از[1،2،4،8]:



• شکست نگاری (Fractography):
1) ارزیابی کلی سطح شکست و تعیین عامل شروع شکست
2) تعیین مکانیزم شکست
3) بررسی شکست های ناشی از خستگی (Fatigue)



• متالوگرافی (در بزرگنمایی های بالا):
1) تعیین اندازه ی دانه
2) تعیین ساختار متالوگرافی در نمونه های مختلف
3) بررسی مرزدانه ها حتی در حالت اچ نشده
4) ارزیابی چگونگی حضور فازهای مختلف در ساختار، خصوصا فازهای رسوبی
5) ارزیابی گرادیان ترکیب شیمیایی روی سطح نمونه‌ها در فواصل میکرو و نانومتری
6) بررسی گسترش و مسیر انتشار ترک ها نسبت به اجزای ساختاری (مرزدانه ها، درون دانه، رسوبات، آخال ها و ...) در نمونه ی پولیش و اچ شده

• ریخته گری و انجماد:
1) بررسی ساختار دندریتی حاصل از انجماد
2) بررسی پدیده ی جدایش فازی در حین انجماد
3) بررسی ساختار کامپوزیت های ریختگی

• مهندسی سطح:
1) شناسایی حفره ها
2) بررسی ساختار پوشش ها
3) تریبولوژی و بررسی سایش

• خوردگی:
1) تشخیص نوع و مکانیزم خوردگی
علاوه بر موارد ذکر شده، SEM کاربردهای بسیاری نیز در فناوری نانو دارد که از این جمله می توان اندازه گیری محدوده ی اندازه ی نانوذرات و بررسی مورفولوژی آنها، بررسی ساختار نانوکامپوزیت ها، ساختار نانولوله ها، تغییرات نانوساختارها در عملیات مختلف، نانوالیاف، پوشش های نانوساختار، نانوساختارهای دارویی، نانوفیلترها، ساختار نانوفلاورها (Nano Flowers)، نمونه های بیولوژیک و بررسی پدیده ها و استحاله ها در مقیاس نانو را نام برد[1].

5-5- مزایا[6،11،12]:
• امکان بررسی تقریبا تمامی انواع نمونه ها چه هادی و چه غیرهادی؛
• عدم نیاز به نمونه های شفاف (به دلیل مکانیزم عمل که بر اساس برهم کنش پرتوی الکترونی با نمونه است)؛
• امکان تصویربرداری در سه بعد X، Y و Z؛
• امکان برقراری ارتباط و تنوع نتایج با استفاده از آشکارسازهای مختلف؛
• راحت بودن کار با دستگاه با وجود آموزش های مناسب و پیشرفت های کامپیوتری همراه با نرم-افزارهای ویژه؛
• سریع بودن کار با دستگاه؛
• نیاز به آماده سازی اولیه ی کم برای اغلب نمونه ها.

5-6- محدودیت‌ها[6،11،12]:
• گران، بزرگ و نیاز به محیطی عاری از تداخل های الکتریکی، مغناطیسی و ارتعاشی؛
• وضوح پایین، معمولا در بیشتر از چند ده نانومتر؛
• سیاه- سفید بودن تصاویر به دلیل استفاده از پرتوی الکترونی (با اینحال در سیستم‌های مدرن که مجهز به نرم افزار آنالیز تصویر هستند می توان با ایجاد رنگ های مصنوعی(Pseudo-color) تصاویر نسبتا رنگی به دست آورد)؛
• نیاز به خلأ بالا در سیستم؛
• نیاز به آموزش ویژه و تجربه جهت دستیابی به نتایج عالی و تشخیص نتایج گمراه کننده (Artifacts).

5-7- بحث و نتیجه گیری
عمق میدان بالا، حد تفکیک و بزرگنمایی زیاد از مزایای SEMمحسوب می شود. عمق میدان در SEMبیش از 100 برابر میکروسکوپ نوری است که می توان با کاهش اندازه ی روزنه ی نهایی و افزایش فاصله ی کاری آن را افزایش داد. حد تفکیک و بزرگنمایی بالای دستگاه نیز به علت استفاده از پرتوی الکترونی با قطر کم و طول موج کم است.
نمونه های مورد مطالعه در دستگاه باید ابعاد مشخصی داشته باشند و صلب باشند. مهم ترین مراحل آماده سازی، تمیز کردن، ثابت کردن، برقراری اتصال الکتریکی و اچ کردن است. برقراری اتصال الکتریکی برای نمونه های رسانا با ایجاد یک لایه پوشش نازک رسانا بر روی آنها حاصل می شود. امروزهSEM با مزایای بسیاری که دارد به یکی از مهم ترین و رایج ترین دستگاه های شناسایی مواد تبدیل شده است.

 

[P O U R I A]

میکروسکوپ های الکترونی عبوری

میکروسکوپ های الکترونی عبوری

میکروسکوپ های الکترونی عبوری (TEM= Transmission electron microscope) ابزارهایی ویژه در مشخص نمودن ساختار و مورفولوژی مواد محسوب می شوند که مطالعات ریزساختاری مواد با قدرت تفکیک بالا، و بزرگنمایی خیلی زیاد را امکان پذیر می سازند. علاوه بر این از این میکروسکوپ‌ها جهت مطالعات ساختارهای بلور، تقارن، جهت گیری و نقائص بلوری می توان استفاده نمود. این موارد سبب شده است که TEM امروزه به یک ابزار بسیار مهم در بسیاری از تحقیقات پیشرفته فیزیک، شیمی، بلورشناسی، علم مواد و زیست شناسی شناخته شود.

 

[P O U R I A]

1- چرا باید از الکترون ها استفاده نمود؟
چرا باید از میکروسکوپ های الکترونی استفاده نمود؟ از نظر تاریخی به دلیل محدودیت قدرت تفکیک میکروسکوپ های نوری که از طول موج نور مرئی ناشی می شود، میکروسکوپ های الکترونی ارائه شدند. بعدها مشخص شد که دلایل محکم دیگری نیز برای استفاده از الکترون ها وجود دارد که در قابلیت این نوع میکروسکوپ نهفته است و در میکروسکوپ های جدید، اغلب آنها مورد استفاده قرار می گیرند.

2- تاریخچه
اولین بار در سال 1925 لوئیس دی بروگلی (louis de Broglie) تئوری موجی بودن الکترون با طول موجی کمتر از نور مرئی را مطرح نمود. در سال 1931 نول و رسکا (knoll &Ruska ) با استفاده از این اصل اولین نمونه آزمایشی میکروسکوپ الکترونی را ارائه نمودند. در سال 1933 رسکا میکروسکوپ الکترونی ارائه نمود که وضوح آن برای اولین بار از میکروسکوپ نوری فراتر رفته بود. در سال 1938 نیز برای اولین بار نمونه تجاری میکروسکوپ الکترونی در دانشگاه تورنتو ساخته شد.

3- بخش های مهم میکروسکوپ الکترونی عبوری
اگرچه دستگاه های TEM پیشرفته دارای اجزاء اصلی و فرعی فراوانی می باشند که هر کدام از عملکرد ویژه ای برخوردار هستند، اما در هر نوع TEM بخش های اصلی زیر قابل مشاهده اند. در شکل 1 شماتیکی از بخش های مهم ستون میکروسکوپ الکترونی عبوری نشان داده شده است.

شکل 1- بخش های مهم ستون میکروسکوپ‌های الکترونی عبوری[1].
​

​

​

 

[P O U R I A]

1-3- تفنگ الکترونی
تفنگ الکترونی، باریکه ای از الکترون های پرقدرت ایجاد می‌کند که قادر به عبور از داخل نمونه های نازک در TEM است. این تفنگ شامل یک منبع الکترونی (معروف به کاتد) و یک سیستم شتابدهنده، تامین کننده ولتاژ پایدار، است. تفنگ الکترونی در بخش فوقانی دستگاه قرار گرفته است. رایج ترین تفنگ الکترونی مورد استفاده در TEM از نوع حرارتی (thermoionic) می باشد که می تواند الکترون ها را در محدوده اختلاف پتانسیل 200-40 کیلوولت شتاب دهند. اینکه انرژی الکترون ها باید چقدر باشد، به طبیعت نمونه و اطلاعات مورد نیاز بستگی دارد. در برخی کاربردها خصوصاً در ضخامت های نسبتاً زیاد نمونه و یا در مواردی که نیاز به قدرت تفکیک بالا باشد، احتیاج به انرژی های الکترونی بالاتری است. برای این منظور میکروسکوپ هایی با ولتاژ متوسط (400-300 کیلوولت) و یا ولتاژ بالا (3000-600 کیلوولت) ساخته شده اند. امروزه از میکروسکوپ های با انرژی بسیار بالا کمتر استفاده می شود زیرا قدرت تفکیک میکروسکوپ هایی با انرژی کمتر نیز به دلیل طراحی بهتر عدسی ها بهبود یافته اند و همچنین تکنیک های موثرتری برای آماده سازی نمونه ایجاد گردیده است. علاوه براین، امروزه تفنگ های انتشار میدانی (field emission) ساخته شده اند که می توانند پرتوهای الکترونی بسیار ظریفی تولید کنند (در حد 1 نانومتر بر نمونه) و اینگونه تفنگ ها کاربرد فزاینده ای پیدا کرده است.

1-1-3- سیستم گسیل گرما یونی
همانطور که عنوان شد معمولترین سیستم مورد استفاده در تفنگ الکترونی، سیستم گسیل گرمایونی از یک رشته داغ است. در تفنگ الکترونی، الکترون ها از میان اختلاف پتانسیل ده ها یا صدها شتاب داده می شوند تا پرتویی از الکترون ها با انرژی کنترل شده را ایجاد کنند، که حاصل آن ایجاد پرتوی متراکم از الکترون های پرانرژی است.
در این تفنگ ها معمولاً از سیم تنگستن به عنوان کاتد استفاده شده که با عبور جریان، تا حدود 2800 کلوین گرم و در حالت پتانسیل منفی بالایی نسبت به آند و بقیه میکروسکوپ نگه داشته می شود. در این تفنگ ها، الکترون ها از فیلامنت داغ منتشر و به سوی آند شتاب داده می شوند. در نتیجه پرتویی از الکترون ها، از محفظه آند خارج می شود. آند صفحه مثبت است که موجب شتاب پیدا نمودن پرتوهای الکترونی می شود. فیلامنت ماده ای با نقطه ذوب بالا و تابع کار نسبتاً پایین است که امکان ساطع نمودن الکترون های بیشتری را می تواند فراهم نماید. فیلامنت معمولا از تنگستن یا لانتانیوم هگزابوراید (La2B6) ساخته می‌شوند.

2-1-3- تفنگ گسیل میدانی
اگر سطح یک فلز تحت ولتاژ بسیار زیاد قرار گیرد (100V/m<) به احتمال زیاد الکترون‌ها می توانند سطح آن را ترک کنند بدون اینکه نیازی به اعمال انرژی پیشنهادی توسط تابع باشد. این امر به دلیل اتفاق افتادن پدیده تونل زنی است که توسط مکانیک کوانتوم پیش بینی شده است. نتیجه این است که می توان الکترون های بسیار بیشتری نسبت به انتشار ترمیونیک از تنگستن استخراج کرد و روشنایی را هزار برابر یا بیشتر افزایش داد. جریان انتشار میدانی بر مبنای رابطه فولر-نوردلهم(Fowler-Nordlhim) به میدان اعمال شده F بستگی دارد:

​

​

​

که در آن Ef انرژی فرمی بوده که برای تنگستن حدود 5eV در دمای محیط است. برای میدانی بیش از حدود 10[SUP]9[/SUP]×5 ولت بر متر جریانی که توسط انتشار میدانی در دمای محیط منتشر می شود بیش از آن چیزی است که به صورت ترمویونیکی می تواند منتشر شود. برای اینکه چنین میدان بالایی اعمال شود باید منتشر کننده، معمولاً تنگستن، به شکل نوک تیز تهیه شود. قطر نوک منتشر کننده حدود 0.1μm یعنی چندین برابر کوچکتر از نوک سوزن است. برای حفظ این نوک تیز در حین استفاده، باید محیط کاری آن حاوی یون های بسیار کمی باشد، پس باید از تکنیک خلا بسیار بالا استفاده نمود. جدول 1 مقایسه سه نوع منبع تولید کننده الکترون را در ولتاژ 100 کیلوولت را نشان می دهد.

جدول1 - مقایسه سه منبع تولید کننده الکترون در ولتاژ 100 کیلوولت

​

​

​

 

[P O U R I A]

2-3- سیستم های عدسی
هر کدام از عدسی های موجود در TEM دارای نام خاصی می‌باشند. عدسی هایی که بین منبع الکترونی و نمونه قرار می گیرند، عدسی متمرکز کننده نامیده می شود که برای کانونی نمودن پرتوهای الکترونی استفاده می شوند، به گونه ای که وقتی این پرتوها به نمونه می رسند به صورت پرتوی ظریف و پرقدرت ظاهر شوند. برای محدود نمودن پرتوهایی که برخورد می نمایند، از یک یا چند متمرکز کننده استفاده می شود. روزنه ( Aperture) شیئی نیز در صفحه کانونی پشتی عدسی های شیئی قرار داده می شود تا پرتوهایی که با زاویه باز پراکنش می یابند را محدود نمایند. عدسی های شیئی از حساسترین بخش های TEM محسوب می شوند که نمونه بین آن‌ها قرار می گیرد. بزرگنمایی اولیه، کانونی نمودن تصویر و ایجاد الگوهای پراش توسط همین عدسی ها انجام می گیرد.
در یک TEM، عدسی های اضافی دیگری نیز وجود دارد که بین نمونه و تصویر قرار می گیرند. اولین آنها، عدسی پراش می باشد که برای ایجاد الگوی پراش مورد استفاده قرار گیرد. هر عدسی نیز تصویر حاصل از عدسی های قبلی را بزرگتر می نماید. عدسی هایی که بعد از عدسی های پراش قرار دارند، عدسی های میانی نامیده شده و آخرین عدسی، عدسی پروژکتوری می باشد. جریانی که از هر عدسی عبور می نماید، فاصله کانونی و در نتیجه بزرگنمایی را کنترل می نماید. تصویر نمونه توسط هر عدسی به طور متوالی بزرگ شده تا اینکه در نهایت تصویری با بزرگنمایی مطلوب ایجاد شود.

3-3- عملکرد عدسی های الکترومغناطیس
ایده کانونی شدن پرتوهای الکترونی توسط میدان مغناطیسی در سال 1920 عنوان شد و تاکنون نیز در میکروسکوپ های الکترونی مورد استفاده قرار می گیرد. نکته کلیدی در فهم مکانیزم کار عدسی های مغناطیسی، جهت نیرویی است که روی الکترون در حال حرکت در یک میدان مغناطیسی اعمال می شود. یک عدسی الکترومغناطیس طوری طراحی می شود که میدانی مغناطیسی تقریبا موازی با حرکت الکترون ایجاد نماید. الکترونی که به عدسی وارد می شود تحت تاثیر میدان مغناطیسی (B) به دو مولفه محوری و شعاعی تبدیل می‌شود که اولی در طول محور میکروسکوپ و دومی در جهت شعاعی قرار می گیرد. در ابتدا الکترون تحت تاثیر نیروی کوچکی از مولفه شعاعی قرار می گیرد. این نیرو باعث می شود تا الکترون در مسیر یک منحنی مارپیچ در طول عدسی حرکت نماید. به محض آنکه الکترون شروع به حرکت مارپیچ نمود، مولفه سرعتی عمود بر صفحه پیدا می نماید و تحت تاثیر نیرویی در جهت شعاعی قرار می گیرد. در نتیجه مسیر مارپیچ تنگتر و کوچکتری را می پیماید و اثر آن این است که پرتوهای الکترونی موازی وارد عدسی می شود، در یک نقطه همگرا می شوند (این دقیقا همان عملی است که یک عدسی شیشه ای در مقابل نور انجام می دهد).
با عبور جریان از میان سری سیم پیچ ها، میدان مغناطیسی قوی ایجاد می شود این میدان همانند یک عدسی، پرتوها را کانونی می نماید. در این عدسی ها، تصویر با توجه به قدرت عدسی الکترومغناطیس چند درجه ای می‌تواند چرخش نماید. فاصله کانونی نیز با تغییر مقدار جریان می تواند قابل تغییر باشد.
مشخصات و عملکرد عدسی های الکترومغناطیس عبارتند از:
1- الکترون ها با عدسی ها تماس واقعی ندارند.
2- الکترون ها در میدان مغناطیسی چرخش پیدا می نمایند.
3- الکترون ها همدیگر را دفع می نمایند.
4- عمل تمرکز و بزرگنمایی عدسی ها به صورت الکتریکی کنترل می شود و هیچ حرکت فیزیکی وجود ندارد.
5- عدسی های الکترونی می توانند همانند عدسی های همگرا عمل نمایند.

 

[P O U R I A]

4-3- سیستم متمرکز کننده ( condenser)
در زیر تفنگ الکترونی دو یا چند عدسی متمرکز کننده قرار دارند. این عدسی ها به کمک یکدیگر پرتوی منتشره از طریق تفنگ الکترونی را باریک نموده و قطر آن را در هنگام برخورد با نمونه کنترل می کنند. این امر باعث می شود تا اپراتور بتواند سطحی از نمونه را که در معرض پرتو قرار می گیرد و نیز شدت پرتو تابیده شده بر روی نمونه را کنترل کند. دریچه ای (aperture) بین عدسی های متمرکز کننده قرار دارد که به دریچه متمرکز کننده معروف بوده و جهت کنترل مقدار زاویه همگرایی پرتو مورد استفاده قرار می گیرد. پارامترهایی که از طریق سیستم متمرکز کننده کنترل می شود عبارتند از: میزان روشنایی، کنترل بر روی قسمتی از نمونه که تحت اثر پرتو قرار می گیرد و نوع الگوی پراشی که تشکیل می شود. بیان جزئیات بیشتر از سیستم متمرکز کننده با دو سری عدسی می تواند مفید باشد. عدسی های سری اول (C1) که اغلب به عنوان عدسی های "اندازه نقطه" ( spot size) معروفند، میزان پرتوی خروجی از تفنگ الکترونی را تنظیم می نماید. سری دوم عدسی ها (C2) که اغلب به عنوان عدسی های "تنظیم کننده شدت" معروفند می توانند زاویه همگرایی پرتویی که از کل سیستم متمرکز کننده خارج می شود را کنترل کنند.



5-3- محفظه نمونه (Specimen chamber)
محفظه نمونه یکی از قسمت های بسیار مهم میکروسکوپ می باشد که در زیر قسمت سیستم متمرکز کننده قرار دارد. باید نمونه ای بسیار کوچک به طور بسیار دقیقی در جای مناسب خود در بین عدسی های شیئی قرار گیرد. محفظه نمونه باید بتواند در حد چند میلی متر جابجا شده و به میزان زیادی بچرخد. علاوه براین اگر از میکروسکوپ برای آنالیز شیمیایی نیز استفاده شود، پرتو X باید بتواند از این محل خارج شود. برای دستیابی به این مشخصات از میله نگهدارنده نمونه استفاده می شود که می تواند نمونه ای به قطر 3 میلی متر یا کوچکتر را که بر روس شبکه حمایتی با اندازه 3 میلی متر قرار دارد، مابین قطب های عدسی های شیئی قرار دهد. شکل 2، نگهدارنده نمونه در میکروسکوپ الکترونی عبوری را نشان می دهد.

شکل 2- نگهدارنده نمونه در میکروسکوپ الکترونی عبوری[1].


میله نگهدارنده نمونه از طریق دریچه (airlock) به داخل ستون میکروسکوپ برده می شود. این میله می تواند در جهت های x و y تا 2 میلی متر حرکت کند تا نمونه در محل مناسب و مورد نظرقرار گیرد. این میله همچنین می تواند در حد کسری از میلی متر در جهت z جابجا شود تا نمونه در موقعیت صفحه شیئی عدسی جای گیرد

​

​

​

 

[P O U R I A]

6-3- عدسی های میانی و شیئی ( Objective and intermediate lenses)
عدسی های شیئی آنقدر قدرت دارند که نمونه می تواند در میان قطب های آن‌ها قرار گیرد. نقش عدسی شیئی تشکیل اولین تصویر و یا الگوی پراش میانی است که بعداً توسط عدسی های تصویری بزرگ شده و بر روی صفحه نمایش نمایانده می شود.

اپتیک عدسی های شیئی در شکل 3 نمایش داده شده است. اولین سری عدسی های شیئی که اغلب عدسی-های میانی و یا پراش نامیده می شوند به یکی از دو صورت که در قسمت الف و ب این شکل نمایش داده شده است تنظیم می گردند. در حالت تصویر (image mode)، فوکوس بر روی صفحه تصویر عدسی شیئی صورت می گیرد (شکل 3-الف) و بزرگنمایی تصویر نهایی که بر روی صفحه نمایش دیده می شود از طریق عدسی های تصویری (projector) صورت می گیرد. در حالت پراش (diffraction mode) عدسی های میانی بر روی صفحه کانونی پشتی عدسی های شیئی فوکوس می شوند (شکل3- ب) و الگوی پراش بر روی صفحه نمایش، نمایانده می شود.

شکل 3- عدسی شیئی و اولین عدسی میانی [4].
​

​

​

مشخصه اصلی سیستم شیئی، نگهدارنده دریچه (aperature) می باشد که این امکان را فراهم می آورد که یکی از سه یا چهار دریچه کوچک بتوانند در جایی که صفحه کانونی پشتی قرار دارد به درون ستون میکروسکوپ برده شود. دریچه شیئی محدوده ای را که الکترون های پراکنده شده می توانند به طرف پایین ستون میکروسکوپ حرکت و در تشکیل تصویر مشارکت کنند تعیین می کند. بنابراین قطر دریچه، قدرت تفکیک نهایی را کنترل می کند.


7-3- سیستم تصویری- تصویرها (Projector system-images)
اولین تصویر که توسط عدسی های شیئی ایجاد می شود، معمولاً از بزرگنمایی 100-50 برابر برخوردار است. این تصویر توسط یک سری از عدسی های میانی و تصویری بزرگ شده و نهایتاً بر روی صفحه نمایش فلورسانس میکروسکوپ تابانده می شود. با استفاده از سری عدسی، که هر سری می تواند تا بیست برابر تصویر را بزرگ نماید، براحتی بزرگنمایی نهایی تا یک میلیون قابل دستیابی خواهد بود. برای بزرگنمایی کمتر نیازی به استفاده از تمام عدسی ها نیست، لذا می توان یک یا تعداد بیشتری از عدسی های تصویری را خاموش کرد. برخی از میکروسکوپ های تخصصی از یک فیلتر انرژی در زیر نمونه بهره می برند. این فیلتر را می توان طوری تنظیم نمود که فقط الکترون هایی که به صورت الاستیکی متفرق شده اند و یا الکترون هایی که به مقدار خاصی انرژی خود را از دست داده اند از آن عبور کنند. این موضوع از مزایای قابل توجهی برخوردار است، به عنوان مثال در میکروسکوپ های با قدرت تفکیک بالا می توان از این مزیت استفاده کرد زیرا الکترون هایی که به صورت غیرالاستیک پراکنده می شوند کیفیت تصویر را کاهش می دهند.

 

[P O U R I A]

8-3- سیستم تصویری- الگوهای پراش ( Projector system- diffraction patterns)
غالباً بهره گیری از الگوی پراش به دست آمده از ناحیه مورد نظر در یک نمونه می تواند مفید باشد. دو روش برای انجام این کار وجود دارد. این دو روش بطور اساسی از هم مجزا و مختلف می باشند. در یکی از روش ها به نام "پراش از ناحیه انتخاب شده" ( selected area selection) معروف است، ناحیه ای از نمونه (معمولاً به صورت دایره) انتخاب می گردد، اگرچه منطقه بزرگتری نسبت به ناحیه انتخاب شده تحت تاثیر تابش الکترونی قرار می‌گیرد. روش دوم "پراش پرتو همگرا" (convergent beam diffraction) نامیده می شود. این روش به "ریز پراش" (microdiffraction) نیز معروف است. در این روش پرتوهای الکترونی بر روی نقطه ای کوچک از نمونه متمرکز می گردد و نتیجتاً الگوی پراش ناشی از تمام ناحیه ای است که تحت تاثیر پرتوی الکترونی قرار می گیرد، البته این ناحیه کوچک است.

پراش از ناحیه انتخاب شده یا از طریق وارد نمودن یک دریچه بر صفحه ای که نمونه بر روی آن قرار دارد و یا در محلی که اولین تصویر تولید شده توسط عدسی های شیئی تشکیل می شود، بدست می آید.


9-3- دوربین (camera)
به طور سنتی وقتی از دوربین صحبت می شود این مفهوم به ذهن می آید که برگه ای ظریف که همان فیلم عکاسی است در زیر صفحه نمایش قرار داده می شود و از طریق شاتر تحت تاثیر پرتو قرار می گیرد. در TEM فضای کافی و وسیعی در بخش زیرین صفحه نمایش وجود دارد، لذا می توان سیستم تصویربرداری گوناگونی را در آن جای داد. بدلیل در دسترس بودن و نیز پیچیده بودن تکنولوژی تصویربرداری دیجیتالی، امروز استفاده از دوربین های (CCD =charge-coupled device camera) از فراگیری بیشتری برخوردار است. ساده ترین سیستم های دیجیتالی از مورد مصرف، از یک سیستم ویدیوئی کامپیوتری که به سوی صفحه نمایش جهت گیری شده است، بهره می گیرند. اما این سیستم از محدودیت هایی نیز برخوردار است که به پایین بودن میزان نور ساطع شده از صفحه فسفری مربوط است. همچنین پایین بودن قدرت تفکیک این نوع سیستم بر محدودیت های آنها می افزاید. دوربین های بسیار پیچیده تری نیز موجود می باشند که می توانند تصاویر را با قدرت بالاتر که به معنی هزاران نقطه تصویری می باشد نشان دهند. این دوربین ها میزان نور صفحه فسفری را نیز می سنجند، اما در این حالت نور از طریق یک فیبر نوری به CCD کانالیزه و منتقل می گردد معمولاً CCD باید خنک گردد تا از میزان نویز کاسته شده و زمان های طولانی در معرض قرارگرفتن در برابر پرتو امکان پذیر گردد.

3-10- پمپ خلا
یکی از سوالاتی که در ذهن کاربران میکروسکوپ های الکترونی ایجاد می شود این است که چرا این میکروسکوپ ها به سیستم خلا بالا ([SUP]4-[/SUP]10 میلی بار) نیاز دارند. دلایل آن عبارتند از:

1- الکترون ها توسط مولکول های گاز براحتی پراکنش یافته به حدی که در شرایط اتمسفر معمولی، الکترون-هایی با انرژی 15KeV، تنها 10cm امکان نفوذ پیدا می نمایند.
2- از اکسیداسیون نمونه جلوگیری می شود.
3- ستون میکروسکوپ تمیز باقی می ماند.
سه نوع پمپی که جهت ایجاد خلا در TEM بیشتر مورد استفاده قرار می گیرند عبارتند از:
1) پمپ دورانی (چرخشی)( Rotary pump): پمپ مکانیکی ساده ای که گازها را خارج و فشار را تا حدود [SUP]1-[/SUP]10 تا [SUP]3-[/SUP]10 میلی بار تقلیل می دهد.
2) پمپ پخشی (Diffusion pump ) که فشار را به [SUP]4-[/SUP]10 تا [SUP]7-[/SUP]10 میلی بار می تواند تقلیل دهد.
3) پمپ یونی کندوپاش (Sputter ion pump )، که با جذب گازهای یونیزه شده به طرف الکترود عمل نموده و فشار را به کمتر از [SUP]7-[/SUP]10 میلی بار می تواند تقلیل دهد.

نتیجه‌گیری:
میکروسکوپ های الکترونی عبوری ابزارهایی ویژه در مشخص نمودن ساختار و مورفولوژی مواد محسوب می-شوند. این دسته از میکروسکوپ‌ها شامل تجهیزاتی از جمله تفنگ الکترونی، عدسی‌های متمرکز کننده، عدسی‌های شیئی، عدسی های پراش، عدسی های حد واسط، عدسی های پروژکتوری، سیستم خلا، دوربین و ... در ستون خود می‌باشد.

 

[P O U R I A]

روش های ایحاد تصویر و الگوی پراش توسط TEM

روش های ایحاد تصویر و الگوی پراش توسط TEM

با توجه به گوناگونی مفاهیم مرتبط با رفتار بین نمونه و الکترون، تکنیک های متعددی مرتبط با کار میکروسکوپ الکترونی عبوری وجود دارد. بر این اساس و جهت تصویرسازی در TEM، در ابتدا یک الگو با استفاده از پرتوهای عبوری و یا پراکنده شده، که با استفاده از دریچه‌ها انتخاب می‌شوند، تهیه شده و سپس تحت تاثیر عدسی های مناسب به منظور به دست آوردن تصویری با کنتراست بالا قرار می‌گیرد. این فرایند انتخاب پرتو، تکنیک هایی مانند اندازه گیری های میدان روشن و میدان تاریک و تصویربرداری با رزلوشن بالا (HR-TEM) را از یکدیگر تفکیک می کند. در این بین پراش الکترون یکی از مهمترین پدیده های است که در میکروسکوپ‌های الکترونی عبوری و در هنگام بررسی نمونه های بلوری اتفاق می‌افتد ، که با بررسی آن طیف وسیعی از داده ها در مورد ویژگی های ساختاری مواد نشان داده خواهد شد.

 

[P O U R I A]

1- تصاویر ایجاد شده در میکروسکوپ الکترونی عبوری

1-1- تصاویر زمینه روشن
در یک نمونه نازک در آزمون TEM، تعدادی از الکترون های اولیه ای که به نمونه برخورد می‌کنند ، از آن عبور کرده، ولی با این وجود محدوده زاویه ای انتشار برخی از آنها به گونه‌ای است که تحت تاثیر پراکنش الاستیک و غیر الاستیک قرار دارد. تاثیر دریچه (apreture )جهت دستیابی به تصاویر زمینه روشن این است که الکترون هایی که با هر نوع مکانیزمی تحت زاویه های بزرگتر پراکنش یافته اند را متوقف می نمایند. هنگامی که دریچه در محور کانونی قرار گرفته و نمونه برداشته شود (در غیاب نمونه)، یک زمینه روشن دیده می شود که به عنوان زمینه روشن معروف است. نواحی ضخیم تر یا چگال تر نمونه نیز پراکنش قوی تری داشته و در تصویر به صورت تاریک، به این دلیل که روزنه اجازه عبور اینگونه پرتوها را نمی‌دهد، ظاهر می شوند. با این نوع تصاویر، کنتراست جرم و پراش در تصاویر ریزساختارهای داخلی به خوبی نمایان می شوند. حد خصوصیاتی که توسط این نوع تصاویر قابل تفکیک می باشد، ممکن است تا یک نانومتر هم برسد. لازم به ذکر است که نمونه های آمورف، بلورین، بیولوژیک یا فلزی، کنتراست جرم-ضخامت را به گونه‌های مختلف نشان می دهند، بنابراین از این نوع تصاویر معمولاً در بررسی حالت‌های بلوری، وضعیت دانه ها و نقایص بلوری استفاده می شود[2].

مکانیزم کنتراست ناشی از ضخامت-جرم در اغلب میکروسکوپ های مورد مصرف در بیولوژی به کار گرفته شده است. در این میکروسکوپ ها نمونه نازک توسط یک فلز سنگین مانند اسمیوم (osmium ) آغشته می شود تا بخش های خاصی از نمونه که مورد نظر می باشند از جرم بالاتری برخوردار گردیده و در تصویر از بخش های دیگر متمایز شوند[1].

2-1- تصاویر زمینه تاریک
همانطور که ذکر شد در تصاویر زمینه روشن، دریچه شیئی برای متوقف کردن تمامی پرتوهای پراش یافته مورد استفاده قرار می‌گرفت و تنها به الکترون های انحراف نیافته اجازه می داد تا در ایجاد تصویر مشارکت نمایند. در حالت جدید اگر دهانه به گونه‌ای جابجا شود تا برای انتخاب پرتوهای پراش یافته خاص مورد استفاده قرار گیرد، تصویری حاصل می شود که به دلیل آنکه در غیاب نمونه، زمینه تاریک باقی می ماند تصویر زمینه تاریک گفته می شود. در تصاویر زمینه تاریک از الکترون های خاص پراش یافته براگ، برای تشکیل تصویر استفاده می شود. در این صورت امکان مرتبط شدن اطلاعات پراش با فازها و یا نواحی خاصی از نمونه، امکان پذیر می-شود. مهمترین موارد کاربرد این تصاویر در کنتراست پراش و مشخص نمودن نقایص بلوری می باشد[3]. شکل 1، تصویر زمینه روشن و زمینه تاریک میکروسکوپ الکترونی کامپوزیت CuCr را نشان می دهد.

شکل 1- a) زمینه روشن b) زمینه تاریک کامپوزیت CuCr از [3]



​

​

​

 

[P O U R I A]

2- پراش الکترون توسط ماده
تکنیک های پراش الکترون، مبنای بسیاری از تحقیقات ماده محسوب می شوند. تهیه الگوی پراش و تصاویر از الکترون های عبوری با انرژی بالا نیز از اهمیت زیادی در تعیین ساختار مواد بلوری مواد ناشناخته برخوردار است. یک پرتو الکترونی که از میان یک نمونه نازک عبور می نماید دارای سه مولفه زیر می باشد:

1- پراکنش الاستیک(کشسان) الکترون ها
2- پراکنش غیرالاستیک(غیر کشسان) الکترون ها
3- الکترون هایی که وارد هیچ برهمکنشی با نمونه نمی شوند.
از آنالیز توزیع فضایی الکترون های پراش یافته که به عنوان الگوی پراش الکترون معروف است می توان اطلاعات با ارزشی در مورد نحوه قرارگیری اتم ها در نمونه بدست آورد. معادله احتمال پراکنش کشسان نشان می دهد که شدت پراکنش کشسان یک اتم خاص، زمانی بیشتر است که زاویه پراکنش (θ) برابر صفر باشد و با افزایش θ، به صورت یکنواخت، شدت پراکنش کاهش می یابد. بنابراین انتظار می رود که الگوهای پراش مواد جامد با یکدیگر مشابهت هایی نشان دهد. البته الگوهای پراش مواد بلورین مختلف با یکدیگر تفاوت های زیادی را نیز نشان می دهند که به اختصار در مورد آنها بحث خواهد شد.

مقطعی از نمونه بسیار نازکی از این ماده در شکل 2 نشان داده شده است. برهمکنشی بین یک پرتو الکترونی با یک بلور کامل، که همه اتم های آن در شبکه سیستم مکعبی قرار دارند، را در نظر می‌گیریم. اکنون اگر پرتو الکترونی به این نمونه بتابد، توسط برخی از اتم های تشکیل دهنده به طور کشسان پراکنش می یابد.

​

​

شکل 2- پراش از صفحه (001) یک شبکه مکعبی مرکزدار.

همانطوریکه در شکل3 نشان داده شده است ، هر موج پراکنش یافته ای که همفاز باشد با امواج دیگر تقویت و پرتو قوی تری از الکترون ها را ایجاد می نماید، در صورتیکه هر موج پراکنش یافته ناهمفاز، تقویت نخواهد شد. اگر طول مسیر برای هر دو موج پراکنش یافته یکسان و یا طول مسیر با عدد صحیحی از طول موج تفاوت پیدا نماید، امواج پراکنش یافته هم فاز خواهند بود. بنابراین اگر تفاوت مسیر (xy+yz) برابر nλ و n هم یک عدد صحیح باشد، مشخص است که xy+yz=2dsinθ و بنابراین شرایط برای تقویت به صورت زیر است:

​

رابطه (1) nλ=2dsinθ
​

​

به رابطه (1)، قانون براگ گفته می‌شود. در این رابطه d فاصله بین اتم هایی است که موجب پراکنش الکترون ها می‌شوند و در یک بلور سه بعدی فاصله بین صفحات اتمی است. عدد صحیح n در معادله براگ، نظم پراش می‌باشد و در یک صفحه بخصوص پراش زمانی رخ می دهد که n=1,2,3,... باشد. در پراش الکترون مرسوم است که مرتبه اول پراش یا n=1 مورد استفاده قرار می گیرد:

​

رابطه (2) λ=2dsinθ
​

​

​

​

​

​

​

شکل 3- شماتیکی از برهمکنش تشعشع و بلور با استفاده از قانون براگ [4].

 

[P O U R I A]

با توجه به اینکه پراش الکترون ها در زوایای کوچکی اتفاق می‌افتد، رابطه sinθ=θ را می‌توان بیان نمود و بنابراین معادله بالا به صورت زیر تبدیل می شود:

رابطه (3) λ=2dθ
​

​

به دلیل اینکه θ خیلی کوچک می باشد در عمل یک پرتو الکترونی فقط زمانی پراش شدید از صفحات اتمی خواهد داشت که تقریباً موازی با صفحات اتمی حرکت کند. این فاکتور سبب می شود که الگوی پراش الکترون ها از الگوی پراش پرتوهای ایکس که در آنها θ بزرگ است ساده تر باشد.

برای فهم پراش الکترون ها، سیستم عدسی هایی که الگوی پراش را بزرگ می نمایند نادیده گرفته شده است. هنگامی که پرتویی از الکترون ها بر روی یک نمونه بلوری برخورد می کند، بعضی از الکترون ها بدون برهمکنش از نمونه عبور می نمایند و به صفحه یا فیلمی که در فاصله L از نمونه در نقطه O قرار دارد برخورد می نماید. دیگر الکترون ها با زاویه θ توسط سطح بلوری با فاصله d پراش پیدا کرده و این الکترون ها در نقطه A به فیلمی که به فاصله r از O قرار دارد برخورد می نماید. با استفاده از قواعد هندسی برای زاویه کوچک پراش می توان نوشت:

رابطه (4) r/l=2θ
​

​

با ترکیب این رابطه با رابطه (3) رابطه زیر بدست می آید:

رابطه (5) rd=Lλ یا r/L=λ/d
​

​

از آنجا که طول دوربین و طول موج پرتوی الکترونی λ مستقل از نمونه می باشد و برای دستگاه ثابت است، Lλ ثابت بوده و ثابت دوربین نامیده می شود. می توان دید که فاصله نقطه ای که توسط پرتو پراشیده بر روی صفحه ایجاد می شود تا نقطه ای که توسط پرتویی که پراش نکرده است بوجود آمده است، r، با فاصله صفحاتی که باعث ایجاد پراش شده اند، d، نسبت معکوس دارد.

3- تکنیک های پراش
از جمله تکنیک های پراش که در TEM معمولتر است می توان به روش های زیر اشاره نمود.
1- الگوهای پراش حلقه ای
2- الگوهای پراش نقطه ای
3- پراش الکترونی پرتوهای همگرا
4- الگوهای کی کوچی [2].

1-3-الگوهای پراش مواد آمورف و بی نظم
الگوهای پراش الکترونی برای گازها، مایعات و مواد جامد آمورف به صورت هاله های پخشیده می باشد. برای فازهایی با چگالی بیشتر نیز نظم اتمی اندکی به صورت آرایه بلوری در نواحی با ابعاد 20-A10 ممکن است وجود داشته باشد. در این حالت بخشی از الگوی پراش به صورت حلقه ای ظاهر می شود. حلقه های منفرد ممکن است به حدی پهن شوند که همپوشانی پیدا نموده و ظاهر الگو تقریباً همانند نظم و ترتیب تصادفی اتم ها شود. در این حالت الگوهای پراش نه به عنوان ساختار بلوری بلکه به عنوان احتمال رخداد فواصل بین اتمی خاص تفسیر می شوند[2].

شکل 4- الگوی پراش الکترونی از یک لایه نازک SiN آمورف [5].

 

[P O U R I A]

2-3- الگوهای پراش حلقه ای مواد پلی کریستال
الگوهای پراش حلقه ای زمانی ایجاد می شوند که تعداد زیادی بلور با جهت‌گیری متفاوت نسبت به باریکه الکترونی تابیده شده قرار داشته باشند و پراش الکترونی نیز به طور همزمان رخ دهد که در بلورشناسی و مشخص کردن مواد ناشناخته کاربرد پیدا می کند. در شکل5 پراش حلقه ای نشان داده شده است. شعاع و فاصله حلقه ها از یکدیگر در این حالت از فرمول مقابل تبعیت می نماید [2].

رابطه (6) Rd=λL
​

​

​

شکل 5- الگوی پراش یک ماده پلی کریستال.




3-3- الگوی پراش نقطه ای: الگوی پراش تک بلورها

اگر صفحات یک بلور تقریباً موازی با پرتو الکترونی قرار گیرند الکترون ها پراش خواهند یافت. بنابراین اگر یک بلور به صورتی جهت‌گیری پیدا نماید که چندین مجموعه از سطوح آن موازی با پرتو الکترونی قرار گیرند، الگوی پراشی متشکل از آرایش منظم نقاط نورانی ایجاد خواهد کرد (شکل 6).

شکل 6- الگوی پراش تک کریستال Si .

اگر نمونه حاوی چندین بلور با جهت‌گیری متفاوت باشد، الگوی پراش پیچیدگی بیشتری خواهد داشت. به دلیل اینکه پراش فقط در صفحات بلوری خاص می تواند صورت گیرد، تعداد فواصل d ممکن و بنابراین فواصل r در الگوی پراش محدود بوده و نقاط نورانی به طور تصادفی پراکنده می شوند، اما در عوض در حلقه هایی با r ثابت قرار می گیرند. در این حالت، نقاط نورانی در روی حلقه ها به قدری نزدیک به یکدیگرند که حلقه ها به صورت پیوسته است. قابل ذکر است که در بحث فوق فرض بر این بوده است که الگوی پراش از کل نمونه بدست آمده اما در عمل بدست آوردن الگوی پراش از بخش کوچکی از نمونه نیز امکان پذیر می باشد. این الگو زمانی ایجاد می شود که الکترون ها از ناحیه ای از تک بلور در نمونه مورد نظر پراش حاصل نمایند. نقطه مرکزی مربوط به باریکه الکترونی عبوری و دیگر نقاط مربوط به پراش بخش هایی از باریکه الکترونی اولیه می باشند. از الگوی پراش نقطه ای در تعیین ساختار های بلوری، جهت گیری و نیز شناسایی فازهای ناشناخته استفاده می شود[2].


​

​

​

​

​

 

[P O U R I A]

4-3- پراش الکترونی ناحیه گزینشی (Selected Area Electron Diffraction)
پراش الکترونی منبع با ارزشی از داده های دقیق می باشد که برای استنتاج اطلاعات قابل اعتماد در بلورشناسی می تواند مورد استفاده قرار گیرد. البته کیفیت داده ها بستگی به نوع نمونه تحت مطالعه، تکنیک های آماده سازی و افت انرژی پرتوها دارد.

پراش الکترونی ناحیه گزینشی از سال 1960 بطور وسیعی مورد استفاده قرار گرفت. در پراش الکترونی ناحیه گزینشی، بررسی نمونه با سیستم تابشی تقریباً موازی انجام می شود. با قرار دادن دهانه کوچکی در سیستم عدسی میکروسکوپ، در ناحیه ای که پراش رخ می دهد، الگوی پراش SAED ایجاد می شود[2].

شکل 7- a) الگوهای پراش الکترونی ناحیه گزینشی از SrRuO3 نشان دهنده منطقه[110]و نیز c, b و d) به ترتیب با استفاده از بازتاب های X، Y و Z تصاویر زمینه تاریک گرفته شده است.


​

5-3- الگوهای خطوط کیکوچی
با افزایش ضخامت کریستال، زمینه الگوی پراش حالتی پیدا می کند که مربوط به پراش الکترون ها به صورت غیرالاستیک است. شدت الکترون هایی که به صورت غیرالاستیک متفرق شده اند وابسته به زاویه تفرق می گردد و حداکثر آن در جهت مستقیم می باشد. در نمونه های بلورین برخی از الکترون هایی که به صورت غیرالاستیک متفرق شده اند، ممکن است دوباره به صورت الاستیک تفرق حاصل کنند و همین باعث می شود که خطوط کیکوچی به وجود آیند. بنابراین نقش خطوط کیکوچی و باندهای کیکوچی بیشتر در زمینه الگوهای پراش الکترونی تک بلورها دیده می شوند و این خطوط نقش های غالب در بلورهای نسبتاً ضخیم می باشند. نقاط نورانی پراش یافته و خطوط کیکوچی به خوبی در یک الگوی پراش ممکن است دیده شوند. البته شدت خطوط کیکوچی با زیاد شدن ضخامت نمونه افزایش می یابد ولی برعکس، شدت نقاط نورانی پراش یافته با زیاد شدن ضخامت نمونه کاهش می یابد (شکل 8) [2].
​

​

​

​

شکل 8- الگوی پراش الکترون های برگشتی کیکوچی.

​

خطوط کیکوچی به صورت قرینه در دوطرف صفحاتی که موجب پراش شده اند قرار گرفته اند و اگر نمونه چرخانده شود، خطوط حرکت می کنند بطوری که بنظر می رسد به صورت ثابت به نمونه متصل شده اند. اگرچه خطوط کیکوچی بر اثر چرخش نمونه در عرض الگوی پراش حرکت می کنند ولی محل قرارگیری نقاط پراش ثابت باقی می ماند. از این خطوط برای تعیین جهت دانه در دوطرف مرز دانه های فرعی استفاده می شود[1].


4- آماده سازی نمونه برای TEM
جهت انجام مطالعات ریزساختاری با میکروسکوپ الکترونی عبوری باید ابتدا آماده‌سازی های لازم بر روی نمونه انجام گیرد. در این راستا باید نمونه به اندازه کافی نازک شود (با ضخامت چند ده نانو) که این امرکار دشواری است. از دشواری‌های موجود می‌توان به لزوم بدست آوردن یک ناحیه نماینده نمونه (یا گاهی یک ناحیه ویژه) با خواص استحکام و دوام کافی برای جابجایی نمونه، حداقل برای بررسی در میکروسکوپ اشاره نمود. تکنیک های آماده سازی نمونه را می توان به دو دسته تقسیم بندی نمود. تکنیک های دسته اول شامل کاهش ضخامت نمونه توسط روش های شیمیایی یا مکانیکی تا باقی ماندن یک نمونه نازک است. تکنیک های دسته دوم شامل برش نمونه در امتداد صفحات کریستالوگرافی به گونه ای که یک نمونه بسیار نازک تا بخش بسیار نازکی از نمونه حاصل شود[1].

1-4- الکتروپولیش و پولیش شیمیایی
متداولترین تکنیک برای نازک کردن مواد هادی الکتریسیته نظیر فلزات وآلیاژها، الکتروپولیش است. اساس این روش قرار دادن نمونه به صورت آند در سلول الکترولیت است. با عبور جریان، نمونه به صورت آند عمل کرده و ضخامت آن کاهش می‌یابد. چناچه ترکیب شیمیایی الکترولیت و ولتاژ کاری مناسب انتخاب شود نمونه نه تنها نازک تر بلکه صاف تر هم می شود. نهایتاً سوراخی در نمونه به وجود می آید و چنانچه نواحی اطراف آن به اندازه کافی صاف باشند (یعنی خوب پولیش شده باشند) برای مشاهده در TEM به اندازه کافی نازک خواهند بود. در دستگاه های الکتروپولیش اتوماتیک معمولاً از نمونه های دیسکی شکل به قطر 3mm که لبه های ضخیم تر آنها منطقه نازک تر مرکزی را تقویت می کند، استفاده می شود. این دیسک ها مستقیماً در نمونه گیر میکروسکوپ قرار می گیرند. معمولاً لازم است که نمونه های نازکی که تهیه شده اند با دیسک های مشبک 3mm ساخته شده از مس یا سایر موادی که با آنالیز تداخل نمی کنند، تقویت شوند.
اصلی ترین محدودیت الکتروپولیش عدم توانایی آن در مقابل مواد غیرهادی است. بنابراین نازک کردن شیمیایی با استفاده از مخلوط اسیدها بدون اعمال پتانسیل غالباً برای سرامیک ها، شیشه ها و نیمه هادی ها بکار می رود[1].

2-4- پولیش مکانیکی
اغلب نمونه های TEM ، در اولین مرحله فرایند نمونه سازی به صورت مکانیکی ساییده یا پولیش می شوند. ساییدن معمولاً با استفاده از کاغذهایی که لایهای از ذرات سخت (غالباً SiC) روی یک طرف آنها چسبانده شده است صورت می گیرد.

 

[P O U R I A]

​

این ورق های سمباده بر مبنای اندازه ذرات، از کسری از میلیمتر تا چند میکرون درجه بندی شده اند. این کاغذهای سمباده روی صفحه چرخانی که آب کمی جهت روانسازی بر روی آن جریان دارد، نصب می شود. نمونه می تواند با چسب یا موم ترموپلاستیک روی پایه مخصوصی نصب می شود تا نرخ نازک کردن آن، کنترل شود. نمونه ابتدا با کاغذ سمباده خشن، صاف شده و در مراحل بعدی با کاغذ سمباده های نرم تر خسارت وارد شده بر نمونه توسط مرحله قبل برطرف می شود. برای آخرین مرحله پولیش از پودر الماسه با اندازه یک میکرون یا کمتر به صورت معلق در روغن یا آب نصب شده بر روی فیلم پلاستیکی، استفاده می شود. می توان با روش های مکانیکی-شیمیایی پولیش ظریف تری هم انجام داد. برای این کار غالباً از مخلوط کلوئیدی ذرات معلق سیلیکا در مایع قلیایی استفاده می شود.
روش های مختلفی بر پایه این فرایند وجود دارد. این تکنیک بطور گسترده ای برای تهیه نمونه هایی از مقاطع نیمه هادی ها به کار می رود[1].



3-4- سایش یونی و اتمی
چنانچه پرتویی از یون ها یا اتم های پر انرژی به یک نمونه تابانده شود، احتمال بیرون انداختن اتم های نمونه وجود دارد. این فرایند که کند و پاش (sputtering ) نامیده می شود، می تواند برای نازک کردن نمونه به کار رود. معمولاً از دو نوع تفنگ برای نازک کردن نمونه های TEM استفاده می شود، تعدادی ازاین تفنگ ها از گاز (معمولاً آرگون) استفاده می کنند و در برخی از تفنگ های یونی انتشار میدان از گالیم مایع استفاده می شود.

4-4- اولترامیکروتومی
اولترامیکروتومی، دستگاه برش زنی ظریفی است که از دستگاه های مورد استفاده برای مقاطع بافت ها جهت بررسی در میکروسکوپ بیولوژِکی، توسعه یافته است. در اولترامیکروتومی نمونه ای با سطح کمتر از 1mm× 1mm که کاملاً ثابت شده است از مقابل یک کارد با شیشه یا الماس ثابت عبور می کند (شکل 9).
​

این روش را می توان علاوه بر مقاطع بافت، برای بسیاری دیگری از نمونه ها نیز بکار برد. این روش به صورت گسترده ای برای تهیه نمونه های پلیمری برای TEM به کار می رود و استفاده از آن برای نمونه های فلزی رو به افزایش است. به منظور تثبیت نمونه در حین برش، در بسیاری از موارد لازم است تا نمونه در رزین قرار داده شود. بنابراین ممکن است تهیه یک مقطع نازک زمان نسبتاً زیادی بگیرد[1].

​

​

شکل 9- آماده سازی نمونه با استفاده از اولترامیکروتوم [6].
​

5-4- استفاده از رپلیکا
روش دیگری که برای بررسی نمونه های بیولوژیکی و غیربیولوژیکی در TEM وجود دارد شامل تهیه رپلیکا از سطح نمونه است. به جای اینکه تمام نمونه تا حد شفافیت در مقابل الکترون، نازک شود می توان اینکار را با نشاندن یک لایه نازک از کربن(یا چند ماده دیگر) در خلاء انجام داد. کربن اتمی را می توان از بوجود آوردن قوس الکتریکی بین دو میله کربنی یا کندوپاشی از یک بلوک کربنی، به دست آورد. کربن اتمی که به این صورت تولید شده روی تمام سطوح محفظه خلاء که در دید مستقیم منبع باشد، از جمله نمونه، نشانده می شود. پس از تشکیل یک لایه نازک، این فرایند متوقف می شود. می توان با تقسیم این لایه به قطعات حدود 1 میلیمتر مربع یا بزرگ تر و شناور کردن آن در مایع، آن را از سطح نمونه جدا کرده و برای بررسی در یک میکروسکوپ روی نگهدارنده قرار دارد. با اختلاف ضخامت کربن نشانده شده روی سطوح مختلف یا با لایه نشانی مجدد یک فلز سنگین (نظیر پلاتین) تحت زاویه نسبت به سطح، می توان ساختار نمونه را آشکار نمود. این تکنیک تقریباً به صورت کامل توسط میکروسکوپ پروبی روبشی که سطوح را سریع تر، دقیق تر و مستقیماً بررسی می کند، کنار گذاشته شده است، اما رپلیکای استخراجی که از مشتقات این روش است هنوز به صورت گسترده ای استفاده می شود. اگر نمونه حاوی ذرات ریز فاز ثانویه قابل آشکار شدن توسط اچ باشد، می توان این ذرات را با استفاده از نمونه بر روی رپلیکا استخراج نمود. بنابراین رپلیکای استخراجی حاوی اطلاعاتی درباره اندازه، شکل و توزیع ذرات در نمونه اصلی خواهد بود[1].

نتیجه گیری:
در مقاله حاضر به بررسی نحوه تصویر سازی و استنتاج نتایج در میکروسکوپ‌های الکترونی عبوری پرداخته شده است. بر این اساس جهت تصویر سازی از روش‌های تصاویر زمینه روشن و تصاویر زمینه تاریک استفاده می‌گردد. همچنین جهت بررسی نتایج مربوط به الکترون‌های پراش یافته از الگوهای پراش متفاوت استفاده می‌شود. از سوی دیگر نیز باید برای دستیابی به نتایج مطلوب نمونه مورد بررسی تحت شرایط آماده‌سازی اولیه قرار گیرد که این تکنیک‌ها به دو دسته قرار می‌گیرند. تکنیک های دسته اول شامل کاهش ضخامت نمونه توسط روش های شیمیایی یا مکانیکی تا باقی ماندن یک نمونه نازک است. تکنیک های دسته دوم شامل برش نمونه در امتداد صفحات کریستالوگرافی به گونه ای که یک نمونه بسیار نازک تا بخش بسیار نازکی از نمونه حاصل شود.

 

[P O U R I A]

معرفی طیف نگار الکترونی افت انرژی (EELS)

معرفی طیف نگار الکترونی افت انرژی (EELS)

طیف نگاری الکترونی افت انرژی(Electron energy loss spectroscopy) به عنوان تکنیکی با کیفیت بالا محسوب می شود که برای آنالیز نمونه های نازک مورد استفاده قرار می گیرد. اساس این روش بر مبنای برخوردهای غیرالاستیکی است که در طی برخورد الکترون ها به نمونه ایجاد می شود. بعضی از الکترون هایی که متحمل پراکنش غیرالاستیک می شوند بدون اینکه در مسیر حرکت آنها تغییر قابل توجهی بوجود آید، مقداری از انرژی خود را از دست می دهند. بنابراین آنها در باریکه الکترونی عبوری به همراه الکترون های پراکنش نیافته حضور خواهند داشت. مقدار افت انرژی که الکترون ها در طی پراکنش غیرالاستیک دارند، تابعی از عمل پراکنش تحمیلی می باشد. این الکترون ها اصطلاحاً الکترون های افت انرژی EELS نامیده شده و جهت تصویر و یا میکروآنالیز شیمیایی می توانند مورد استفاده قرار گیرند. بنابراین الکترون های ورودی که مقداری از انرژی خود را در طی این فرایند از دست می دهند، منبع اطلاعات EELS می باشند. برای هر نوع اتمی که برهمکنش می دهد، مقدار مشخصی انرژی از دست می رود. با اندازه گیری انرژی الکترون پراکنش یافته و کسر آن از انرژی الکترون ورودی، مقدار انرژی از دست رفته قابل محاسبه می باشند. این افت انرژی مشخص کننده این است که چه نوع اتمی با الکترون ورودی برهمکنش داده که در نهایت امکان شناسایی نمونه فراهم می شود[1].

 

[P O U R I A]

مقدمه
زمانیکه الکترون ها به نمونه برخورد می کنند، با اجزای تشکیل دهنده نمونه از طریق نیروهای الکترواستاتیک کولمبی برهمکنش می کنند. در نتیجه این نیروها، برخی از الکترون ها پراکنده شده، جهت حرکت آنها تغییر نموده یا در بسیاری موارد مقداری از انرژی خود را به نمونه انتقال می دهند. براین اساس می توان پراکندگی الکترون ها را در برخورد به نمونه به دو دسته الاستیک و غیرالاستیک طبقه بندی نمود.

پراکندگی الاستیک شامل برهمکنش کولمبی الکترون با هسته اتم است. هر هسته تمرکز بالایی از بار را نشان می دهد و میدان الکتریکی در نزدیکی آن از شدت بالایی برخوردار است، در نتیجه زمانیکه الکترون برخوردی به آن نزدیک می شود با زاویه زیاد منحرف می شود. این نوع پراکندگی به پراکندگی رادرفورد معروف است زیرا توزیع زاویه ای این پراکندگی مشابه با محاسبات انجام گرفته توسط رادرفورد برای پراکندگی ذرات آلفا است.

اکثر الکترون ها در فاصله بیشتری از هسته یک اتم حرکت می کنند جایی که میدان هسته ضعیف تر است و در حقیقت هسته توسط الکترون های اتم مورد محافظت قرار می گیرد. در نتیجه بیشتر الکترون های برخوردی در زوایای کوچکتری پراکنده می شوند، عمدتاً در مورد انرژی برخوردی 100KeV در حد چند درجه (100-10میلی رادیان) است. در گاز یا جامد آمورف، اتم ها یا مولکول ها به طور مستقل از یکدیگر در پراکندگی نقش دارند، اما در جامد بلوری ماهیت موجی الکترون های برخوردی نمی تواند نادیده گرفته شود و تداخل بین امواج الکترونی پراکنده شده، پیوستگی توزیع شدت پراکندگی را تغییر می دهد و در زوایایی که مشخصه فاصله اتمی است پیک های تیزی ایجاد می شود[3].

1- پراکندگی غیرالاستیک
پراکندگی غیرالاستیک ناشی از برخورد بین الکترون برخوردی با الکترون های اتمی اطراف هر اتم است. پراکندگی غیرالاستیک یک عبارت کلی است که به هر فرآیندی که باعث می شود الکترون اولیه مقدار محسوسی از انرژی خود ΔE را از دست بدهند اطلاق می گردد. برای تجهیزاتی که معمولاً در میکروسکوپ های الکترونی به کار می رود، ΔE باید بسیار بیشتر از 0.1eV بوده تا قابل مشاهده باشد. فرایندهای بسیاری وجود دارد که باعث از دست رفتن انرژی الکترون اولیه و انتقال آن به الکترون ها یا اتم های نمونه می شوند. فرایندهای تفرق غیرالاستیکی (احتمالاً به صورت ترکیبی) باعث توقف یک الکترون توسط یک جامد می شوند. تقریباً تمام انرژی سینتیک الکترون اولیه، در نمونه به حرارت تبدیل می شود. بخش کوچکی از انرژی ممکن است به صورت پرتو X، نور یا الکترون های ثانویه فرار کند.

 

[P O U R I A]

1-1- پراکندگی فونون
فونون ها کوانتای ارتعاشات اتمی در جسم جامد هستند. یک الکترون اولیه می تواند با تولید یک فونون، انرژی از دست داده و انرژی حرارتی به جسم وارد کند. مقدار افت انرژی در این تفرق (معمولاً کمتر از 1eV) و پویش آزاد میانگین برای الکترون ها (معمولاً در محدوده میکرومتر) بسیار کوچک هستند. این حقیقت بدین معناست که تفرق فونون بی اهمیت بوده و قابل اندازه‌گیری نیست. باید به این نکته توجه شود که تمام الکترون هایی که در جسم باقی می مانند احتمال دارد که بعد از اینکه مقادیر بیشتری از انرژی را به روش های دیگر از دست دادند نهایتاً فونون ایجاد کنند. همچنین وقتی تفرق اتفاق می افتد الکترون متفرق شده معمولاً تحت زاویه نسبتاً بزرگی (بیش از 10درجه) منحرف می شود[2].

2-1- پراکندگی پلاسمون
پلاسمون یک موج ایجاد شده توسط دریای الکترون‌های باند هدایت فلزات است. در غیرفلزات نیز اثرات مشابهی در الکترون های پیوندهای اتمی به وجود می‌آید. در پراکندگی پلاسمون، پرتو اولیه 5 تا 30 الکترون ولت از دست داده و پویش آزاد میانگین کوچکی (برای اغلب مواد حدود چند صد نانومتر) برای الکترون ثانویه ایجاد می‌کند. این نوع تفرق تفرق، در واکنش الکترون- جسم جامد بسیار اتفاق می افتد.

3-1- برانگیختگی تک الکترون ظرفیت
احتمال کمی وجود دارد که یک الکترون اولیه به جای دریای الکترون، مقداری انرژی به یک تک الکترون ظرفیت منتقل کند. پویش آزاد میانگین برای این فرایند بزرگ (در حد میکرومتر) و افت انرژی کوچک (حدود 1 الکترون ولت) و زاویه تفرق هم کوچک است. این فرایند در میکروسکوپ الکترونی اهمیت زیادی ندارد.

4-1- برانگیختگی مدار داخلی
یک شکل نادر ولی با ارزش تفرق غیرالاستیک، بیرون کردن یکی از الکترون¬های مدار داخلی است. از آنجا که انرژی پیوند الکترون های مدار K و L بزرگ است، افت انرژی الکترون اولیه هم بسیار بزرگ خواهد بود. به عنوان مثال ،69.508 الکترون ولت برای بیرون کردن یک الکترون تنگستن K و 1100 الکترون ولت برای بیرون کردن یک الکترون مس L لازم است[2].

شکل 1- دیاگرام سطح انرژی یک جامد، شامل لایه L ، و K و باندهای ظرفیت حالات غیر مستقر، EF سطح فرمی و Evac سطح خلاء است[3].
​

 

[P O U R I A]

2- طیف نگار
طیف نگار الکترونی بعد از نمونه نصب می شود و معمولاً آخرین قسمت میکروسکوپ را تشکیل می دهد. اصول کار دستگاه این است که از یک میدان مغناطیسی برای انحراف تمام الکترون ها در زاویه حدود 90 درجه استفاده می شود. هرچه انرژی الکترون ها بیشتر باشد میزان انحراف آنها کمتر است. و بنابراین پرتو الکترونی به طیفی از انرژی های مختلف تقسیم می شود.

دو راه برای آشکارسازی طیف وجود دارد. اگر فقط یک آشکارساز وجود داشته باشد، می توان با تغییر دادن قدرت میدان، طیف را در مقابل شکاف آشکارساز، اسکن نموده و به این ترتیب هر انرژی به نوبت آشکار می-شود. اما با استفاده از آشکارساز حساس به موقعیت می توان تمام طیف را به صورت همزمان آشکار کرد. این را طیف نگار موازی می نامند و این تکنیک به عنوان طیف نگاری موازی افت انرژی الکترون نامیده می شود. اغلب طیف نگارهای اولیه از نوع سری بودند. اگرچه امروزه طیف نگارهای موازی به دلیل راندمان بالا بسیار متداول شده اند. فرض کنید طیفی شامل یک هزار نقطه، شمارش الکترون هایی با یک هزار انرژی متفاوت لازم باشد. یک طیف نگار سری یک هزارم وقت آنالیز را صرف شمارش یک انرژی می کند، در حال که یک طیف نگار موازی تمام انرژی ها را در تمام طول زمان آنالیز می شمارد. بعضی عدم کارایی ها در آشکارساز موازی باعث می شود که مزیت آن کاملاً هزار به یک نباشد ولی به هر حال سیستم های آشکارساز موازی در حال حاضر اکثریت طیف نگارها را تشکیل می دهند[3].



3-طیف آنالیز کمی
معمولاً طیف EEL از سه ناحیه تشکیل می شود:

• الکترون هایی که تفرق غیرالاستیک قابل توجهی ندارند. این الکترون ها که معمولاً اکثریت الکترون ها را تشکیل می‌دهند، پیک صفر را تشکیل می دهند.

• ناحیه با افت انرژی کم که شامل الکترون هایی است که تا 50eV انرژی از دست داده اند. این ناحیه معمولاً در اثر تفرق پلاسمون پدیدار می‌شود. همچنین ممکن است چند پیک مربوط به افت پلاسمون در طیف وجود داشته باشد. اولین پیک، مربوط به الکترون هایی است که در طی عبور از نمونه یک پلاسمون به وجود آورده اند. این در حالی است که دومین پیک پلاسمون و پیک های بعدی مربوط به الکترون هایی است که دو پلاسمون یا بیشتر را ایجاد کرده‌اند. پیک های پلاسمون چندان برای آنالیز مناسب نیستند.

• برای مقاصد مشخصه‌یابی مواد، مطالعه لبه های مشخصه در مقادیر بیشتر افت انرژی مفیدتر است. تعداد الکترون‌هایی که لبه‌های مشخصه رامی‌سازد، الکترون‌هایی که انرژی زیادی از دست می دهند، کم است. اما انرژی های لبه های مربوط به تحریک لایه های داخلی، به اندازه پیک های پرتو X مشخصه، عناصر مورد بررسی هستند. این لبه ها هستند که معمولاً برای آنالیز EELS استفاده می شوند.

• آنالیز کیفی با تعیین انرژی هر لبه قابل مشاهده، معمولاً 2000-100 الکترون ولت، و مقایسه آنها با جداول مربوط به عناصر انجام می شود. شکل 2 قسمتی از طیف EEL نیتریت بور را نشان می‌دهد. در این شکل لبه 188eV از انتقال K مربوط به عنصر بور ناشی می شود. این در حالی است که لبه 399eV مربوط به نیتروژن است.

شکل 2- قسمتی از طیف EEL از نیتریت بور که لبه های K مربوط به بور و نیتروژن را نشان می دهد.
​

​

​

 

[P O U R I A]

لبه های انرژی EELS و پرتو X مشخصه، به دلیل منشاء مشترک دارای انرژی های تقریبا مشابه هستند. البته اصولاً لبه های انرژی (جذب) EELS باید کمی بالاتر از پیک های (انتشار) پرتوهایX مربوطه باشند. یکی از نقاط قوت EELS آن است که می توان از آن برای آشکارسازی لبه های عناصری که پرتو X نمی توانند آن را آشکار کند (هلیم، لیتیم و بریلیم) استفاده کرد.

در اصل استنتاج ترکیب شیمیایی یک نمونه از روی طیف EEL انجام می‌پذیرد. اندازه هر لبه با تعداد اتم های آن عنصر در ناحیه آنالیز شده نمونه، متناسب است. اگر بتوان لبه هر عنصر در نمونه را شناسایی و اندازه هر لبه را اندازه گیری نمود، می توان ترکیب شیمیایی نمونه را محاسبه کرد. این اساس آنالیز کمی است اما انجام آنالیز مقداری نیز پیچیده می‌باشد.

باید ابتدا احتمال اینکه الکترون هایی با انرژی مشخص، یک اتم را تحریک کنند در نظر گرفته شود. این احتمال با استفاده از یک سطح مقطع احتمالی برای تحریک مدار داخلی استنتاج می شود. سطح مقطع لازم برای تحریک یک لایه بخصوص (معمولاً از لایه K به عنوان مثال در نظر گرفته می شود)، به نوع عنصر، محدوده زوایایی که الکترون هایی به درون طیف سنج پذیرفته می شوند β، و محدوده انرژی Δ که در نظر گرفته می شود بستگی دارد. سطح مقطع برای عناصر با عدد اتمی بالا کاهش می یابد. این در حالی است که با افزایش β یا Δ سطح مقطع افزایش می یابد. طیف نگاری با β ثابت، لبه های عناصر سبک را با شدت بسیار بیشتری از عناصر حتی با عدد اتمی متوسط نشان می دهد. از آنجا که لبه های عناصر با جرم اتمی متوسط، بسیار کوچک هستند، تکنیک EELS خصوصاً برای آنالیز عناصر سبک، ابزاری قدرتمند است.

یکی از محدودیت های عمده آنالیز EELS این است که هر لبه همانند ناحیه با افت انرژی کم، پهن می شود. به عبارت دیگر هر الکترونی که یک مدار داخلی را تحریک می کند، می تواند یک یا چند پلاسمون نیز ایجاد کند. این باعث می شود که لبه در طیف حاصله در افت انرژی بالاتری ظاهر شود و در نتیجه شکل ایده آل لبه از دست می رود و پهن شود. با ضخیم تر شدن نمونه این اثر شدیدتر می شود. تیزترین لبه ها توسط نواحی بسیار نازک نمونه تولید می شوند. اما معمولاً آنالیز مناطقی که آنقدر نازک باشند که پلاسمون های کمی را ایجاد کند عملی نیست. همچنین در این موارد سیگنال ( یعنی تعداد شمارش های طیف) بسیار کوچک و صحت آماری هم بسیار پایین است. بنابراین در اغلب موارد آنالیز، باید شرایط بهینه ای بین قدرت و سیگنال و عدم وضوح لبه، برقرار شود.

مثالی از آنالیز EELS در شکل3 از الماس، گرافیت و C60 نشان داده شده است. این مواد از نظر ترکیب شیمیایی تنها از کربن ساخته شده اند و به دلیل وجود کربن در ساختار آنها، همگی آنها با پیک های جذبی در حدود 248eV در EELS مشخص شده‌اند. از آنالیز شکل پیک های جذب، اختلاف پیوند و وضعیت الکترونی آنها می تواند آشکار شود[2].

​

شکل 3-مقایسه پیک های جذب (EELS) الماس، گرافیت و C60 .
​

4- اطلاعات مورد استفاده از روش EELS:
1-4-آنالیز ترکیب عنصری
2-4- اطلاعات در مورد پیوندهای شیمیایی
3-4- پراکندگی اتم های مجاور
4-4- ضخامت بلور
5-4- اطلاعات مربوط به ظرفیت
6-4- تابع دی الکتریک کمپلکس

5- معایب روش EELS:
1-5- همراه با دستگاه TEM ساخته می شود بنابراین تکنیک پرهزینه ای است که با تخریب نمونه نیز همراه است.
2-5- آمادهسازی نمونه خیلی وقت گیر است.
3-5- ابعاد نمونه کوچک می باشد.
4-5- گرچه EELS قادر به استخراج اطلاعات به کمک انرژی می باشد اما تفکیک مکانی آن توسط دستگاه TEM محدود می شود[2].

نتیجه‌گیری:
طیف نگاری الکترونی افت انرژی به عنوان تکنیکی با کیفیت بالا محسوب می شود که برای آنالیز نمونه های نازک مورد استفاده قرار می گیرد. از این تکنیک جهت دستیابی به اطلاعاتی نظیر آنالیز ترکیب عنصری، پیوندهای شیمیایی، پراکندگی اتم های مجاور، ضخامت بلور، ظرفیت اتم و تابع دی الکتریک کمپلکس استفاده می‌گردد.

 

[P O U R I A]

تعیین اندازه ذرات با استفاده از میکروسکوپ الکترونی عبوری

تعیین اندازه ذرات با استفاده از میکروسکوپ الکترونی عبوری

امروزه پیشرفت های موثری در سنتز نانوذرات حاصل شده است که به دلیل پیشرفت در روش مطالعه آنها می باشد. یکی از مواردی که در مطالعه نانوذرات نقش اساسی ایفا می‌کند، تعیین اندازه آن‌ها می‌باشد. استفاده از میکروسکوپ الکترونی عبوری( TEM) یکی از روشهای موثر در تعیین اندازه ذرات می باشدکه می تواند اطلاعات کمی و کیفی مفیدی را در اختیار ما قرار دهد. TEM روشی است که قابلیت تصویر برداری مستقیم از ذرات تا اندازه یک اتم را ایجاد می کند و این مزیت تصویر مستقیم باید درکار با میکروسکوپ در نظر گرفته شود. در مقاله حاضر به برخی از این موارد پرداخته خواهد شد. برای تعیین خاصیت ذرات نیز تعیین نوع دقیق تصویر زمینه روشن یا زمینه تاریک، بزرگنمایی و روش آنالیز(دستی یا اتوماتیک) بسیار مهم می باشد. این پارامترها در میزان وضوح تصویر و کنتراست بین ذرات و زمینه، تعداد ذرات در هر تصویر، و در نتیجه آنالیز نهایی ذرات موثر می باشد.

 

[P O U R I A]

2- تصویربرداری از نانوذرات
برای آنالیز ذرات تکنیک های تصویر برداری متعددی مورد استفاده قرار می گیرد که این تکنیک ها شامل تصویربرداری زمینه روشن Bright field تصویربرداری زمینه تاریک Dark field و تصویربرداری تفکیک فازی Phase Contrast Imaging می باشد. حال به مطالعه هر یک از این تکنیک ها می پردازیم.
قبل از این که به بحث در مورد روش های تشکیل تصویر بپردازیم باید به این نکته اشاره کرد که به دلیل نقص اجتناب ناپذیر در ساخت لنزهای الکترومغناطیس، بیشتر میکروسکوپ‌های TEM مرسوم دارای انحراف aberration در لنزها، که باعث نقصان در وضوح تصویر می شود، است. این نقصها شامل انحراف کروی، انحراف کرومانیک و انحراف آستیگمات می باشد. شدیدترین نوع انحراف کروی می‌باشد که باعث عدم استقرار یا عدم توانایی برای تعریف مکان نقاط تصویر می‌شود که در این صورت نقاط به صورت دیسکی لکه دار مشاهده می شوند. این عدم استقرار یا لکه دار شدن تصاویر، باعث محدودیت در وضوح تصویر و قابلیت تفسیر تصویر می شود. جهت کاهش میزان انحراف باید تکنیک‌های خاصی را مورد استفاده قرار داد که خود بحث مفصلی را می طلبد.
2-1- تصویر برداری زمینه روشن
در تصویر برداری زمینه روشن از بیم الکترونی که از الکترونهای پراشیده مستقیم Direct Electron Beam تشکیل شده است، استفاده می شود. این بیم الکترونی به صورت غیر الاستیک پراکنده شده و مسیر آن موازی بیم تابیده شده است و در حقیقت شامل الکترونهایی است که از نمونه عبور کرده اند. تصویر زمینه روشن را عموما میتوان با الحاق روزنه شیئی aperture تشکیل داد. این روزنه باید به اندازه کافی کوچک باشدتا فقط اجازه عبور بیم الکترونی مستقیم را دهد. در تشکیل تصویر زمینه روشن می توان کنتراست بین زمینه و نمونه را با تغییر پارامترهای زیر افزایش داد:

• افزایش ضخامت نمونه

• افزایش چگالی ماده در ضخامت ثابت

• کریستالی بودن نمونه در جهتی که قانون براگ برقرار است

برای ذرات کوچکتر از 2 نانومتر ، تمام مکانیزم های پراکندگی منیمم می باشد و کنتراست بین زمینه (که معمولا فیلمی از کربن آمورف است) و نانوذرات محدود می باشد و این به دلیل محدودیت تعداد مراکز پراکندگی ذرات نسبت به تعداد مراکز پراکندگی در زمینه می باشد. برای اینکه الکترون های پراشیده شده به دامنه کنتراست قابل بررسی تبدیل کنیم، باید بیم مستقیم یا بیم پراشیده شده در ناحیه پراش انتخاب شده selected area diffraction pattern را انتخاب کرده تا تصویر زمینه روشن یا تصویر زمینه تاریک به ترتیب تشکیل شود. باید به خاطر داشته باشیم اگر بدون روزنه تصویر را تشکیل دهیم، کنتراست کاهش می یابد و این به دلیل تعداد زیاد بیم‌های الکترونی است که در تشکیل تصویر شرکت می کنند. علاوه بر این انحراف الکترون های خارج از محور، تشکیل تصویر را غیر ممکن می‌سازد. دقت در انتخاب اندازه روزنه، شرکت الکترون ها در تشکیل تصویر را کنترل کرده و در نتیجه کنتراست قابل کنترل می‌گردد.

 

[P O U R I A]

2-2- تصویر برداری به روش تفکیک فازی
تصویر برداری به روش تفکیک فازی مشابه روش زمینه روشن می باشد. ولی استفاده از روزنه شیئی بزرگ یا برداشتن کلی روزنه در این روش به کار می‌رود تا هم پرتوهای الکترونی مستقیم و هم پرتوهای الکترونی پراشیده شده براگ برای تولید تصویر بکار رود. همانطور که ذکر شد چندین نوع پرتوهای الکترونی در تشکیل تصویر استفاده می شود. روزنه بزرگ این اجازه را می دهد تا بیم پراکنده شده بیشتری در تشکیل تصویر شرکت کرده در نتیجه وضوح تصویر بیشتر شود. شکل 1 تصاویر تفکیک فازی از ذرات طلا بر روی گریدی از کربن آمورف را در بزرگنمایی مختلف نشان می دهد.

شکل 1- تصاویر ذرات طلا در بزرگنمایی های متفاوت

​

Angle Annular Dark Field یا تصویر برداری با کانتراست در جهت z z-contrast معروف می باشد. شکل 2 مثالی از کنتراست افزایش یافته بوسیله روش HAADF، از ذرات پلاتین بر روی کربن، نشان داده شده است.

​

شکل 2- تصاویر کنتراست فازی ذرات پلاتین بر روی کربن، با در نظر گرفتن تصاویر از سمت چپ به سمت راست، ذرات پلاتین که حرکت کرده و به هم می پیوندند. این پدیده به دلیل انرژی است که توسط بیم الکترونی ایجاد می گردد.
​

​

​

 

[P O U R I A]

در ادامه باید به این نکته اشاره شود که یکی دیگر از پارامترهایی که می تواند در افزایش کنتراست بین ذرات و زمینه نقش اساسی ایفا کند، ولتاژ شتاب دهنده می باشد. این موضوع در مورد عناصر سنگین تر از Z>30 دارای اهمیت بیشتری است. با افزایش ولتاژ احتمال پراکندگی کاهش می یابد که این اثر در مورد عناصر سبکتر محسوس تر می باشد. بنابراین با استفاده ازولتاژ شتاب دهنده بالا، کنتراست بالایی بین Pt و کربن حاصل می گردد که این موضوع به دلیل تقلیل یافتن پراکندگی از کربن در مقایسه با Pt می باشد. باید توجه داشت با بالا بردن ولتاژ شتاب دهنده، امکان آسیب دیدن نمونه با بیم الکترونی پر قدرت نیز بالا می رود. امروزه میکروسکوپ های الکترونی با ولتاژ 80 تا 300 کیلوالکترون ولت اداره می شوند. در بیشتر میکروسکوپ ها بزرگنمایی نشان داده شده صوری بوده و لازم و ضروری است که بزرگنمایی به طور مناسبی برای هر مد اداره با استفاده از نمونه استاندارد کالیبره شود. این کالیبره کردن به طور تناوبی توصیه می شود. مشکل دیگر تصویر برداری در بزرگنمایی بالا این است که چه تعداد ذره باید در هر تصویر وجود داشته باشد. این موضوع معمولا توسط اپراتور دستگاه تعیین می شود. با تعداد کمتری ذره در حوزه دید می توان توجه را معطوف یک ذره در مقابل ذرات دیگر نمود. معمولا با تصویر برداری در بزرگنمایی بالا و هم در بزرگنمایی پایین اطلاعات بیشتری را در اختیار ما قرار می گیرد. یکی دیگر از مشکلات مطالعه ذرات وقتی سایز ذرات کاهش می یابد، این است که در زیر بیم الکترونی نانو ذرات پایدار کمتری دارند. این ناپایداری ذرات شامل حرکت ذرات، نوسان ساختار، تجزیه و بهم چسبیدن ذرات می باشد. شکل 2 تصاویر کنتراست فازی پشت سر هم ذرات ناپایدار در زیربیم الکترونی را نشان می دهد. مطابق شکل مشخص است که ذرات چطور با گذشت زمان بهم می چسبند. برای مطالعه ناپایداری ذرات کافی است تصاویر پشت سر هم از نظر زمانی ثبت شود در این صورت تغییرات فیزیکی، ساختاری، مکانی به راحتی قابل مشاهده می باشد. شدت بالای پرتوهای الکترونی در تصاویر HRTEM باعث تغییر در ساختار و آسیب در موارد مطالعه می گردد. در حالت کلی شرایط تشکیل تصویر باید به نحوی انتخاب شود که تعداد مناسبی از ذرات در هر تصویر وجود داشته باشد ولی باید وضوح تصویر به گونه مناسبی انتخاب شود تا عدم قطعیت در اندازه گیری به کمترین مقدار خود برسد. هچنین باید به پایداری ذرات و آسیبی که بیم الکترونی در نمونه بوجود می آورد توجه داشت تا آنالیز درستی از اندازه ذرات و ترکیبات آن بدست آید.

​

​

​

​

تا به اکنون در مورد استراتژی های مختلف در انتخاب تصویر مطالبی ارائه شد. اکنون فرض می کنیم که تصویری در اختیار ما قرار دارد، حالا زمان آن رسیده است که تصویر تحت عملیات های ریاضی قرار گیرد. در این جا فرض ما براین است که TEM به دقت کالیبره شده و کاملا فوکوس باشد تا مقادیر اعوجاج لنزی و موانع دیگر به حداقل میزان خود رسیده باشد. عملیات ریاضی بر روی تصویر می تواند به صورت دستی، و یا اینکه با نرم افزار و به صورت کاملا اتوماتیک انجام شود. آنالیز دستی را می توان از طریق اندازه گیری مستقیم تصویر کالیبره شده انجام داد. این در حالی است که در روش اتوماتیک به کمک نرم افزارهای پردازش تصویر که آرایه ای از ابزارهای اندازه گیری را در اختیار ما قرار می دهند، می توان به صورت اتوماتیک تصاویر را آنالیز نمود.

3- آینده TEM برای آنالیز اندازه ذرات
آینده تعیین اندازه ذرات بوسیله میکروسکوپ TEM تقریبا تضمین شده می باشد. میکروسکوپ هایی با انحراف تصحیح شده (Aberration Corrected ) افزایش یافته است. برای هر میکروسکوپ های TEM و STEM که در ولتاژ Kev200 کار می کنند تا سال 2006، وضوح تصویر در حدود یک انگستروم در هر دو مد DF و BF گزارش شده است. حتی گزارش هایی وجود دارد که وضوح تصویر برای میکروسکوپ الکترونی Kev300 به نیم انگستروم هم می رسد.

4- نتیجه گیری
میکروسکوپ الکترونی عبوری روشی است که برای مشاهده مستقیم ریز ساختارها تا اندازه اتمی بکار می رود. آنالیز کیفی مناسب نانو ذرات نیازمند بهینه سازی انتخاب روش های مختلف تصویر برداری، بزرگنمایی و روش آنالیز دستی یا اتوماتیک می باشد که هدف آن بهینه سازی وضوح تصویر و کنتراست بین ذرات نمونه و تعداد مناسب ذرات در هر تصویر، در حالیکه کمترین آسیب به نمونه برسد، می باشد. در بزرگنمایی های پایین تصویر، امکان مطالعه توزیع ذرات وجود دارد، حال آنکه در بزرگنمایی بالا تعداد زیادی از ذرات مشاهده نمی شود و فقط اطلاعاتی در زمینه جهت‌گیری صفحات و ساختار در اختیار ما قرار می گیرد. در ضمن در بزرگنمایی بالا جریان الکترونی بالا موجب ناپایداری و آسیب دیدن ساختار مورد مطالعه می شود.

 

[hafez612]

سلام با تشکر کاش منابع رو ذکر میکردین

 

[P O U R I A]

سلام با تشکر کاش منابع رو ذکر میکردین

سلام
فایل مقاله های این تاپیک به همراه رفرنس در پیوست