مقاله شماره 100: میکروسکوپ الکترونی عبوری

[m4material]

به نام خدا

میکروسکوپ الکترونی عبوری
​

اساس عملکرد میکروسکوپ الکترونی عبوری (Transmission Electron Microscope) که به اختصار به آن TEM گویند مشابه میکروسکوپ های نوری است با این تفاوت که بجای پرتوی نور در آن از پرتوی الکترون استفاده می شود. آنچه که می توان با کمک میکروسکوپ نوری مشاهده کرده بسیار محدود است در حالی که با استفاده از الکترونها بجای نور، این محدودیت از بین می‌رود. وضوح تصویر در TEM هزار برابر بیشتر از یک میکروسکوپ نوری است. با استفاده از TEM می توان جسمی به اندازه چند انگستروم (10 -10 متر) را مشاهده کرد. برای مثال می‌توانید اجزای موجود در یک سلول یا مواد مختلف در ابعادی نزدیک به اتم را مشاهده کنید. برای بزرگنمایی TEM ابزار مناسبی است که هم در تحقیقات پزشکی، زيست شناسی و هم در تحقیقات مرتبط با مواد قابل استفاده است. در واقع TEM نوعی پروژکتور نمایش اسلاید در مقیاس نانو است که در آن پرتویی از الکترون ها از تصویر عبور داده می شود. الکترون هایی که از جسم عبور می کنند به پرده فسفرسانس برخورد کرده سبب ایجاد تصویر از جسم بر روی پرده می شوند. قسمت های تاریک تر بیانگر این امر هستند که الکترون های کمتری از این قسمت جسم عبور کرده اند (این بخش از نمونه چگالی بیشتری دارد) و نواحی روشن تر مکانهایی هستند که الکترون از آنها عبور کرده است (بخش های کم چگال تر). وضوح این میکروسکوپ 2/0 نانومتر است که در حد اتم است (بیشتر اتم ها ابعادی تقریبا برابر 2/0 نانومتر دارند). با این نوع میکروسکوپ حتی می توان نحوه قرار گرفتن اتمها در یک ماده را بررسی کرد. استفاده از این میکروسکوپ گران و وقت گیر است چرا که نمونه باید در ابتدا به شیوه ای خاص آماده شود لذا تنها در مواردی خاص از میکروسکوپ الکترونی عبوری استفاده نمایند. از این میکروسکوپ جهت تحلیل و آنالیز ریخت شناسی، ساختار بلوری (نحوه قرارگیری اتمها در شبکه بلوری) و ترکیب نمونه ها استفاده می شود. عملکرد میکروسکوپ: با کمک یک منبع نور در بالای میکروسکوپ ، الکترون ها گسیل و منتشر می شوند. الکترون ها از تیوب خلاء میکروسکوپ عبور می کنند. در میکروسکوپ های نوری از عدسی های شیشه ای برای متمرکز کردن نور استفاده می شود در حالی که در TEM از عدسی های الکترومغناطیسی استفاده می شود تا الکترون های را جمع و متمرکز ساخته به صورت یک پرتوی باریک گسیل نماید. این پرتوی الکترونی از نمونه عبور داده می شود. بسته به چگالی مواد، الکترون ها ممکن است از بخش هایی از جسم بگذرند و به صفحه فلورسانس برخورد نمایند و تصویر سایه مانندی از نمونه ایجاد کنند که میزان تیرگی بخش های مختلف جسم به چگالی مواد در ان بخش ها وابسته است. هر چه جسم کم چگال تر باشد تصویر تیره تر خواهد بود. این تصویر می توان مستقیما توسط اوپراتور مطالعه شود و یا با کمک یک دوربین تصویر برداری شود. ​ آماده سازی نمونه: همانطور که در بالا اشاره شد، آماده کردن نمونه نیز به دقت خاصی دارد که در ادامه به نحوه آماده سازی نمونه برای مطالعه آن با TEM اشاره می شود. در TEM، نمونه ای که می خواهید بررسی کنید باید چگالی آن به حتی باشد که اجازه دهد تا الکترونها تا حدی از آن عبور کنند. راه های مختلفی برای تهیه این نوع نمونه وجود دارد. می توانید برش های بسیار نازک از نمونه مدنظر تهیه کنید و آن را در یک پلاستیک فیکس و ثابت نمایند یا اینکه آنرا منجمد کنید. روش دیگر تهیه نمونه ایزوله کردن نمونه و مطالعه محلولی از مولکول ها یا ویروس های مورد نظر با کمک TEM است. همچنین می توان نمونه را با روش های مختلف رنگ کرد و با استفاده از نشانه گذاری آنرا مطالعه کرد. برای مثال، فلزات سنگین رنگ شده مانند اورانیوم و سرب الکترون های را به خوبی متفرق می کنند و کنتراست نمونه را در زیر میکروسکوپ بهبود می بخشند. در ادامه روش تهیه دو نمونه برای مطالعه آنها با TEM آورده شده است: 1. تهیه برش با کمک مواد در برگیرنده: مواد زیستی شامل مقادیر آب می باشند. به علت این برای استفاده از TEM باید کار در خلاء انجام شود لازم است تا آب به گونه ای تبخیر و یا جداسازی شود (با کمک الکل یا استون) و در نهایت نمونه فیکس و ثابت می شود. حال نمونه در پلاستیکی محصور می شود (به شکل یک بلوک پلاستیکی سخت) و سپس برشهای نازکی از آن به کمک چاقوی الماس مربوط به دستگاه اولترامیکروتوم (برای ایجاد برش های بسیار ظریف) تهیه می شود که تنها 50-100 نانومتر ضخامت دارند. برش های تهیه شده روی یک توری مسی قرار داده می شوند و با کمک فلزات سنگین رنگ می شوند. حال نمونه بافت آماده مطالعه با کمک پرتوی الکترونی TEM می باشد. ​ 2. تهیه نمونه به روش رنگ کردن: در این روش از مواد ایزوله (که می توانند برای مطالعه باکتری ها و یا مولکول های ایزوله استفاده شوند) استفاده می شود به این طریق که ابتدا محلول محتوای باکتری روی توری ریخته و با پلاستیک پوشانده می شود. محلول نمکی یک فلز سنگین (مانند اورانیوم یا سرب) به آنها اضافه می شود. محلول نمکی فلز با مواد ترکیب نمی شود اما هاله ای را اطراف آن بر روی توری تشکیل می دهد. نمونه به صورت یک تصویر منفی در هنگامی که با کمک TEM مورد مطالعه قرار می گیرد نمایان می شود. ​

منابع و توضیحات:
- http://nobelprize.org
- کتاب فناوری نانو در علوم پزشکی و مهندسی

 

[m4material]

TEM از نگاهي ديگر
​

مقدمه
پيدايش ميكروسكوپ‌هاي الكتروني عبوري TEM به صورت تجاري به سال 1940 باز مي‌گردد ما از سال 1950 به بعد بود كه كاربردهاي گسترده‌اي در بررسي فلزات پيدا نمودند. مهمترين عامل كاهنده در كاربرد TEM مطالعه فلزات در آن سال‌ها به مشكلات تهيه نمونه مربوط مي‌شد. اما امروزه با توجه به روش‌هاي گوناگون تهيه نمونه فلزات اين نوع ميكروسكوپ‌ها جايگاه خاصي را در ميان متخصصين مواد و متالوژي براي خود ايجاد نموده و باعث بروز نقطه عطف بسياري از پژوهش‌ها و تحقيقات گشته به آنها سرعت فراواني داده‌اند.
امروزه ميكروسكوپ الكتروني عبوري امكان مطالعه موارد متنوعي در مواد گوناگون نظير ويژگي‌هاي ريزساختاري مواد صفحات و جهات بلوري، نابجايي‌ها، دوقلويي‌ها، عيوب انباشتگي، رسوب‌ها، آخال‌ها، مكانيزم‌هاي جوانه زني، رشد و انجماد، انواع فازها و تحولات فازي، بازيابي و تبلور مجدد، خستگي، شكست، خوردگي و ... را فراهم آورده است.
در كل قابليت‌هاي امروزي TEM را مي‌توان مرهون چهار پيشرفت زير دانست كه دو تاي آنها در ساختمان دستگاه و دوتاي ديگر در نحوه تهيه نمونه حاصل شده‌اند:

• استفاده از چند عدسي جمع‌كننده
• پراش الكتروني سطح انتخابي
• نازك كردن نمونه‌ها براي تهيه نمونه‌هاي شفاف در برابر الكترون‌ها
• تهيه نمونه به روش ماسك‌برداري
  

در بررسي مواد ميكروسكوپ الكتروني عبوري داراي سه مزيت اصلي ذيل است:
I. قابليت دسترسي به بزرگنمايي‌هاي بسيار بالا (حتي بيش از يك ميليون برابر) به دليل به كارگيري انرژي بالاي الكترون‌ها و در نتيجه طول موج كمتر پرتوها.
II. قابليت مشاهده ساختمان داخلي فلزات و آلياژها به دليل قدرت عبور الكترون‌هاي پرانرژي از نمونه نازك.
III. قابليت بررسي سطوح انتخابي نمونه به دليل وجود حالت بررسي با پراش الكترون‌ها.
مقايسه TEM با OM(میکروسکوپ نوری)

به طور كلي ميكروسكوپ الكتروني عبوري TEM مشابه ميكروسكوپ نوري OM است با اين تفاوت كه در آن به جاي نور با طول موج حدود A0 5000 از الكترون‌هايي با طول موج حدود A0 05/0 براي روشن كردن نمونه استفاده مي‌شود. اين امر به ميكروسكوپ امكان مي‌دهد كه از نظر تئوري داراي قدرت تفكيك 510 بار بهتر از ميكروسكوپ نوري گردد. اما در عمل به علت محدوديت‌هاي مربوط به طراحي عدسي‌ها و روش‌هاي نمونه‌گيري قدرت تفكيك تنها به A02 مي‌رسد كه به نسبتي در حدود 1000 مرتبه از قدرت تفكيك ميكروسكوپ نوري بهتر است. در كارهاي روزمره قدرت تفكيك TEM حدود A010 است. قدرت تفكيك زياد ميكروسكوپ عبوري در مقايسه با ميكروسكوپ نوري امكان كاربرد آن براي بررسي ريز ساختار فلزات را فراهم مي‌سازد. زيرا امكان مشاهده اجزاي نمونه تا ابعاد اتمي را ميسر مي‌نمايد.
اين قدرت تفكيك مسلما بدون زحمت و صرف وقت قابل دستيابي نيست اما به هر حال در دسترس متالوژيست‌ها قرار دارد. بزرگنمايي زياد نيز براي استفاده كامل از قدرت تفكيك ميكروسكوپ ضروري است . با وجود اين حتي با بزرگنمايي‌هاي حدود 1000 نيز نتايج TEM به مراتب روشن‌تر از نتايج ميكروسكوپ نوري است.

شكل زیر مسير حركت پرتوي روشن كننده را در دو ميكروسكوپ الكتروني عبوري و نوري با هم مقايسه نموده است​

​

​

و همچنین مقایسه ای از شماتیک عملکرد SEM و TEM ها در شکل زیر ارائه شده است.​

​

​

پرتوي روشن‌كننده در TEM ‌الكترون و در OM امواج نوري مي‌باشد. آن چه كه در شكل مورد مقايسه قرار گرفته ساده‌ترين نوع ميكروسكوپ الكتروني با يك ميكروسكوپ نوري مركب است. يك عدسي الكتروني ساده قادر است بزرگنمايي را حدود 50 تا 200برابر افزايش دهد.

​

حالات عملکرد TEM​

ميكروسكوپ الكتروني عبوري در حالت‌هاي گوناگون مي‌تواند عمل نمايد. TEM درحالت استاندارد از تباين‌هاي فازي، ميدان روشن و ميدان تاريك استفاده مي‌كند.
تصاوير روشن و تاريك تشكيل شده نيز به هنگامي است كه تنها پرتوي مستقيم براي ايجاد تصوير به كار گرفته شود. روزنه عدسي از عبور همه پرتوهاي ديگر به سمت سيستم ثبت كننده جلوگيري مي‌كند. نمونه تحت زاويه‌اي قرار داده مي‌شود كه قانون براگ براي اكثر صفحات صادق باشد. بدين ترتيب علاوه بر پرتوي منعكس شده پرتوي برخوردي نيز تحريك مي‌شود. كاگر از پرتوي ميدان تاريك برانگيخته شده استفاده به عمل آيد تصوير ميدان تاريك به دست خواهد آمد.
از فصل مشترك حداقل دو پرتوي صفحه تصوير عدسي شئي، يك تصوير شبكه شكل مي‌گيرد.
ريشه‌هاي شبكه نيز در صورت انعكاس دسته پرتوي متقارن تصويرساز در صفحه شبكه مشاهده مي‌شوند. تصوير ساختار با استفاده از تعداد زيادي از پرتوهاي شكل گرفته در صفحات با انديس لاوه پايين تشكيل مي‌شود. براي تشكيل تصوير با قدرت تفكيك بالا به تنظيم ويژه ميكروسكوپ نياز است.
در ميكروسكوپ الكتروني عبوري، علاوه بر تصاوير ميدان روشن و تاريك، دو نوع مشاهده يكي با بررسي انرژي و ديگري با به كارگيري پرتوي ضعيف نيز كاربرد فراواني يافته‌اند.
هنگامي كه الكترون‌ها در ميكروسكوپ‌ الكتروني از درون نمونه عبور مي‌كنند انرژي خود را از دست مي‌دهند. اين الكترون‌ها داراي توزيع انرژي خاصي هستند كه مشخصه عنصر با عناصر تشكيل دهنده نمونه است شناسايي اين پديده محققان زيادي را به سمت توسعه بررسي و پردازش انرژي كشاند تا بتوان معياري براي تعيين تركيب شيميايي نواحي فوق‌العاده كوچك بدست آورد. اين محققان طيف انرژي الكترون‌هاي عبور كرده از نمونه را پس از عبور آنها از يك ستون باريك در داخل شبكه بلوري، تصوير مي‌كنند. بدين ترتيب نوعي طيف‌سنج براي سنجش تركيب شيميايي مواد حاصل خواهد شد.
يكي از كاربردهاي اصلي TEM درمطالعه نابجايي‌هاست. نابجايي‌ها در TEM هنگامي قابل مشاهده‌اند كه بلور در زاويه انعكاسي براگ قرار گرفته باشد. براي اغلب فلزات تصاوير نابجايي‌هاي رويت شده بدين طريق (ميدان تاريك) داراي عرض 80 تا 100 آنگستروم هستند. بدين ترتيب تحليل‌هاي فراواني از آرايش حركت و تداخل نابجايي‌ها به عمل آمده است. با اين همه روش پرتوي ضعيف براي دستيابي به تصوير نابجايي‌ها گسترش يافته است. در اين روش يك تصوير با زمينه تاريك و قدرت تفكيك بالا از طريق قرار دادن بلور در معرض بردار g كه از شرايط براگ دور است تهيه مي‌گردد. تنها ناحيه نزديك مغز نابجايي كه در آن صفحات بلور به بلور موضعي خم شده و شرايط انعكاسي را به وجود آورده‌اند در تشكيل تصوير موثرند. اين روش براي تعيين دقيق عرض نابجايي منفرد مناسب است احتمالا محدوديت عمده روش پرتوي ضعيف وقت گير بودن و مشكل بودن مراحل دست‌يابي به تصاوير ميكروسكوپي مي‌باشد.

منبع: http://edu.nano.ir/index.php/articles/show/43