reza_1364
مدیر بازنشسته
- چرا باید از الکترونها استفاده شود؟ چرا باید از میکروسکوپ الکترونی استفاده شود؟ از نظر تاریخی به دلیل محدودیت قدرت تفکیک میکروسکوپهای نوری که از طول موج نور مرئی ناشی میشود، میکروسکوپهای الکترونی ارائه شدند. بعدها مشخص شد که دلایل محکم دیگری نیز برای استفاده از الکترونها وجود دارد که در میکروسکوپهای الکترونی جدید، اغلب آنها مورد استفاده قرار میگیرند.
2- تاریخچه میکروسکوپی
اولین میکروسکوپها در قرن هفدهم ساخته شدند. احتمالاً مؤثرترین آنها توسط Leeuwenhoek ساخته شد که به صورت شیشههای کوچک نصب شده در یک صفحه فلزی بود که نزدیک چشم نگه داشته شده و در شرایط روشنایی مناسب، قادر به نشان دادن جزئیاتی در حد mm 1 بودند.
انواع دیگر میکروسکوپهای اولیه تصویر واضحی فراهم نمیکردند تا قرن نوزدهم که میکروسکوپهای ترکیبی، به برتری تکنیکی نسبت به میکروسکوپهای تکلنزی دست یافتند. استفاده از میکروسکوپهای ترکیبی سادهتر بود و به واسطه پیشرفت در تکنولوژی طراحی، قدرت تفکیک بهبود یافته و نقایص عدسیها کاهش یافت. در سال 1876 تئوری تشکیل تصویر Abbé نشان داد که طول موج نور، محدودیتی در حدود mm 2/0 بر قدرت تفکیک اعمال مینماید. در این مرحله، دستگاه تقریباً در حد کمال خود بود واز 1900 به بعد بیشتر پیشرفتها، عمدتاً در تکنیکهای استفاده، روشهای روشنایی و راههای بهبود کنتراست بوده است.
در سال 1900 امکان دیگری نیز به وجود آمد به طوریکه الکترونها میتوانستند در مسیرهای غیرمستقیم هدایت شده و بنابراین در تشکیل تصاویر بزرگنمایی شده، مورد استفاده قرا رگیرند.
تئوری موجی الکترونها بعدها به همراه تئوری Abbé برای محاسبه محدودیت قدرت تفکیک میکروسکوپ الکترونی به کار رفت که به دلیل طول موج بسیار کوتاهتر الکترونها، بسیار بهتر از قدرت تفکیک میکروسکوپ نوری است. تا سال 1950 توسعه میکروسکوپی الکترونی بر بهبود تکنیکی دستگاه متمرکز شده بود ولی بعد از آن پیشرفتها بیشتر به سمت توسعه روشهای استفاده بر مبنای درک واکنش بین الکترونها و نمونه و همچنین روشهای تشکیل تصویر ادامه یافت.
بروگلی (Louis de Broglie) در سال 1925 برای اولین بار تئوری خصوصیات موجی الکترونها که طول موجی به مراتب کمتر از طول موج مرئی دارند را ارائه نمود. سپس در سال 1927 دیویسون (Davisson) و گرمر (Germer) و همچنین تامپسون (Thompson) و رید (Reid) به طور مستقل آزمایشات کلاسیک تفرق الکترونی را انجام دادند که نشان دهنده طبیعت موجی الکترونها بود. اندکی بعد، ایده میکروسکوپ الکترونی ارائه گردید و این عبارت برای اولین بار در مقاله نول (Knoll) و راسکا (Ruska) در سال 1932 مطرح شد. این محققین توانستند در این مقاله، آنها ایده عدسیهای الکترونی را به عمل درآورند و تصاویر الکتورنی به دست آمده از چنین دستگاهی را ارائه نمودند. این یک مرحله بسیار مهم و تعیین کننده بود که بالاخره منجر به اختصاص جایزه نوبل به راسکا در سال 1986 گردید (http://www.nobel.se/physics/laureates/1986/). یک سال پس از انتشار این مقاله، قدرت تفکیک میکروسکوپ الکترونی از میکروسکوپهای نوری پیشی گرفت.
راسکا اعتراف کرد که چیزی درباره ایدههای بروگلی در مورد امواج الکترونی نشنیده و تصور بر آن داشته که محدودیت طول موج در مورد الکترونها اعمال نمیگردد. تئوری موجی الکترون بعدها به همراه تئوری Abbé برای محاسبه محدودیت قدرت تفکیک میکروسکوپ الکترونی به کار گرفته شد که به دلیل طول موج بسیار کوتاهتر الکترونها، بسیار بهتر از قدرت تفکیک میکروسکوپ نوری است. چهار سال بعد میکروسکوپهای الکترونی عبوری (TEM) توسط شرکتهای تجاری ارائه شدند. اولین میکروسکوپهای الکترونی عبوری تجاری توسط EM1. Metropolitan-Vickers در سال 1936 در انگلستان ساخته شد ولی ظاهراً چندان خوب کار نمیکرد. اما تولید این نوع میکروسکوپها در سال 1939 توسط زیمنس (Siemens) و هالسک (Halske) در آلمان شروع شد. پس از جنگ جهانی دوم میکروسکوپهای TEM توسط منابع دیگر (Hitachi, JEOL, Philips, RCA, Interalia) به تعداد زیاد ساخته شد.
مهمترین تحول برای دانشمندان مواد در اواخر دهه چهل اتفاق افتاد، به این ترتیب که در سال 1949 هایدنریش (Heidenreich) برای اولین بار فویلهایی (foils) فلزی را تا حد شفافیت برای الکترونها (electron transparency) نازک کرد. این کار توسط بولمن (Bollman) در سوئیس و هیرش (Hirsch) و همکارانش در کمبریج انگلیس دنبال شد. از آنجا که قسمت عمدهای از بررسیهای اولیه توسط TEM بر روی نمونههای فلزی انجام شد، کلمه "فویل" به صورت معادل "نمونه" درآمد. تا سال 1950 توسعه میکروسکوپی الکتورنی بر بهبود تکنیکی دستگاه متمرکز شده بود ولی بعد از آن، پیشرفتها بیشتر مربوط به توسعه روشهای استفاده بر مبنای درک واکنش بین الکترونها و نمونه و روشهای تشکیل تصویر بوده است. تا سال 1960 ترکیب میکروسکوپهای نوری و الکترونی تمام محدوده بزرگنمایی مورد نیاز برای مطالعه دنیای سوپر اتمی را پوشش داد ولی هنوز محدودیتهای زیادی در استفاده از آنها وجود از جمله محدودیت عمق میدان میکروسکوپ نوری داشت و این واقعیت که میکروسکوپ الکترونی معمولی که استفاده چندانی در حالت انعکاسی نداشت و تقریباً به طور کامل به بررسی نمونههای بسیار نازک که به روشهای خاص تهیه میشدند، منحصر میشد. تواناییهای میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) این فاصله را پر کرد و امکانات جدیدی را نیز فراهم نمود. نکته جالب توجه در جدول 1-1 تشابه توالی مراحل توسعه هر نوع میکروسکوپ است با این تفاوت که در مورد میکروسکوپی الکترونی روبشی طی این مراحل از چند دهه به چند سال، کوتاهتر شده است.
گروه کمبریج تئوری "کنتراست پراش الکترونی" را توسعه داد که امروزه شناسایی (اغلب به صورت کمّی) همه عیوب کریستالی شناخته شده خطی و صفحهای در تصاویر TEM به کمک آن، صورت میگیرد. این کار تئوری به صورت یک متن اساسی خلاصه شد (Hirsch et al (1997)) که غالباً به عنوان انجیل TEM به آن اشاره میشود. توماس (Thomas) امریکایی یکی از دانشمندان رشته مواد است که پیشرو استفاده از TEM میباشد که نتایج کار خود را در کتاب خود (Thomas (1962)) در سال 1962 ارائه نمود. بعدها متون تخصصی دیگری نیز در مهندسی مواد نظیر Edington (1976) و Thomas and Goringe (1976) منتشر شد.
2- تاریخچه میکروسکوپی
اولین میکروسکوپها در قرن هفدهم ساخته شدند. احتمالاً مؤثرترین آنها توسط Leeuwenhoek ساخته شد که به صورت شیشههای کوچک نصب شده در یک صفحه فلزی بود که نزدیک چشم نگه داشته شده و در شرایط روشنایی مناسب، قادر به نشان دادن جزئیاتی در حد mm 1 بودند.
انواع دیگر میکروسکوپهای اولیه تصویر واضحی فراهم نمیکردند تا قرن نوزدهم که میکروسکوپهای ترکیبی، به برتری تکنیکی نسبت به میکروسکوپهای تکلنزی دست یافتند. استفاده از میکروسکوپهای ترکیبی سادهتر بود و به واسطه پیشرفت در تکنولوژی طراحی، قدرت تفکیک بهبود یافته و نقایص عدسیها کاهش یافت. در سال 1876 تئوری تشکیل تصویر Abbé نشان داد که طول موج نور، محدودیتی در حدود mm 2/0 بر قدرت تفکیک اعمال مینماید. در این مرحله، دستگاه تقریباً در حد کمال خود بود واز 1900 به بعد بیشتر پیشرفتها، عمدتاً در تکنیکهای استفاده، روشهای روشنایی و راههای بهبود کنتراست بوده است.
در سال 1900 امکان دیگری نیز به وجود آمد به طوریکه الکترونها میتوانستند در مسیرهای غیرمستقیم هدایت شده و بنابراین در تشکیل تصاویر بزرگنمایی شده، مورد استفاده قرا رگیرند.
تئوری موجی الکترونها بعدها به همراه تئوری Abbé برای محاسبه محدودیت قدرت تفکیک میکروسکوپ الکترونی به کار رفت که به دلیل طول موج بسیار کوتاهتر الکترونها، بسیار بهتر از قدرت تفکیک میکروسکوپ نوری است. تا سال 1950 توسعه میکروسکوپی الکترونی بر بهبود تکنیکی دستگاه متمرکز شده بود ولی بعد از آن پیشرفتها بیشتر به سمت توسعه روشهای استفاده بر مبنای درک واکنش بین الکترونها و نمونه و همچنین روشهای تشکیل تصویر ادامه یافت.
بروگلی (Louis de Broglie) در سال 1925 برای اولین بار تئوری خصوصیات موجی الکترونها که طول موجی به مراتب کمتر از طول موج مرئی دارند را ارائه نمود. سپس در سال 1927 دیویسون (Davisson) و گرمر (Germer) و همچنین تامپسون (Thompson) و رید (Reid) به طور مستقل آزمایشات کلاسیک تفرق الکترونی را انجام دادند که نشان دهنده طبیعت موجی الکترونها بود. اندکی بعد، ایده میکروسکوپ الکترونی ارائه گردید و این عبارت برای اولین بار در مقاله نول (Knoll) و راسکا (Ruska) در سال 1932 مطرح شد. این محققین توانستند در این مقاله، آنها ایده عدسیهای الکترونی را به عمل درآورند و تصاویر الکتورنی به دست آمده از چنین دستگاهی را ارائه نمودند. این یک مرحله بسیار مهم و تعیین کننده بود که بالاخره منجر به اختصاص جایزه نوبل به راسکا در سال 1986 گردید (http://www.nobel.se/physics/laureates/1986/). یک سال پس از انتشار این مقاله، قدرت تفکیک میکروسکوپ الکترونی از میکروسکوپهای نوری پیشی گرفت.
راسکا اعتراف کرد که چیزی درباره ایدههای بروگلی در مورد امواج الکترونی نشنیده و تصور بر آن داشته که محدودیت طول موج در مورد الکترونها اعمال نمیگردد. تئوری موجی الکترون بعدها به همراه تئوری Abbé برای محاسبه محدودیت قدرت تفکیک میکروسکوپ الکترونی به کار گرفته شد که به دلیل طول موج بسیار کوتاهتر الکترونها، بسیار بهتر از قدرت تفکیک میکروسکوپ نوری است. چهار سال بعد میکروسکوپهای الکترونی عبوری (TEM) توسط شرکتهای تجاری ارائه شدند. اولین میکروسکوپهای الکترونی عبوری تجاری توسط EM1. Metropolitan-Vickers در سال 1936 در انگلستان ساخته شد ولی ظاهراً چندان خوب کار نمیکرد. اما تولید این نوع میکروسکوپها در سال 1939 توسط زیمنس (Siemens) و هالسک (Halske) در آلمان شروع شد. پس از جنگ جهانی دوم میکروسکوپهای TEM توسط منابع دیگر (Hitachi, JEOL, Philips, RCA, Interalia) به تعداد زیاد ساخته شد.
مهمترین تحول برای دانشمندان مواد در اواخر دهه چهل اتفاق افتاد، به این ترتیب که در سال 1949 هایدنریش (Heidenreich) برای اولین بار فویلهایی (foils) فلزی را تا حد شفافیت برای الکترونها (electron transparency) نازک کرد. این کار توسط بولمن (Bollman) در سوئیس و هیرش (Hirsch) و همکارانش در کمبریج انگلیس دنبال شد. از آنجا که قسمت عمدهای از بررسیهای اولیه توسط TEM بر روی نمونههای فلزی انجام شد، کلمه "فویل" به صورت معادل "نمونه" درآمد. تا سال 1950 توسعه میکروسکوپی الکتورنی بر بهبود تکنیکی دستگاه متمرکز شده بود ولی بعد از آن، پیشرفتها بیشتر مربوط به توسعه روشهای استفاده بر مبنای درک واکنش بین الکترونها و نمونه و روشهای تشکیل تصویر بوده است. تا سال 1960 ترکیب میکروسکوپهای نوری و الکترونی تمام محدوده بزرگنمایی مورد نیاز برای مطالعه دنیای سوپر اتمی را پوشش داد ولی هنوز محدودیتهای زیادی در استفاده از آنها وجود از جمله محدودیت عمق میدان میکروسکوپ نوری داشت و این واقعیت که میکروسکوپ الکترونی معمولی که استفاده چندانی در حالت انعکاسی نداشت و تقریباً به طور کامل به بررسی نمونههای بسیار نازک که به روشهای خاص تهیه میشدند، منحصر میشد. تواناییهای میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) این فاصله را پر کرد و امکانات جدیدی را نیز فراهم نمود. نکته جالب توجه در جدول 1-1 تشابه توالی مراحل توسعه هر نوع میکروسکوپ است با این تفاوت که در مورد میکروسکوپی الکترونی روبشی طی این مراحل از چند دهه به چند سال، کوتاهتر شده است.
گروه کمبریج تئوری "کنتراست پراش الکترونی" را توسعه داد که امروزه شناسایی (اغلب به صورت کمّی) همه عیوب کریستالی شناخته شده خطی و صفحهای در تصاویر TEM به کمک آن، صورت میگیرد. این کار تئوری به صورت یک متن اساسی خلاصه شد (Hirsch et al (1997)) که غالباً به عنوان انجیل TEM به آن اشاره میشود. توماس (Thomas) امریکایی یکی از دانشمندان رشته مواد است که پیشرو استفاده از TEM میباشد که نتایج کار خود را در کتاب خود (Thomas (1962)) در سال 1962 ارائه نمود. بعدها متون تخصصی دیگری نیز در مهندسی مواد نظیر Edington (1976) و Thomas and Goringe (1976) منتشر شد.
