میکروسکوپ الکترونی عبوری

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به: ناوبری، جستجو
میکروسکوپ الکترونی عبوری


میکروسکوپ الکترونی عبوری یا TEM نوعی میکروسکوپ الکترونی است که در آن پرتویی از الکترون ها از یک نمونه فوق العاده نازک عبور می کنند و در اثر تعامل الکترون های عبوری با نمونه تصویر تشکیل می شود. سپس تصویر بر روی یک ابزار تصویر ساز مانند یک صفحه نمایش فلورسنت، یا یک لایه از فیلم عکاسی متمرکز و بزرگنمایی شده، و یا توسط یک سنسور مانند یک دستگاه بارجفت شده (به انگلیسی: Charge-coupled device، CCD) که نوعی حسگر تصویربرداری می باشد آشکار می گردد. TEMS قادر به تصویربرداری با وضوح قابل توجهی بالاتر از میکروسکوپ نوری هستند و علت آن کوچکتر بودن طول موج الکترون ها نسبت به طول موج نوراست. لذا قابلیت عکس‌برداری از ریزساختار مواد با بزرگنمایی ۱٬۰۰۰ تا ۱٬۰۰۰٬۰۰۰ برابر با قدرت تفکیکی در حد کوچک‌تر از ۱ نانومتر را دارد. میکروسکوپ الکترونی عبوری همچنین توانایی آنالیز عنصری، تعیین ساختار و جهت کریستالی اجزایی به کوچکی ۳۰ نانومتر را به صورت کیفی و کمی دارد. میکروسکوپ نوری TEM در طیف وسیعی از رشته های علمی مثل فیزیک، شیمی و علوم زیستی و علم مواد/متالورژی و … مورد استفاده قرار می گیرد. [۱]

تاریخچه[ویرایش]

یک تصویر TEM از ویروس پوليوميليت

لوئیس دو بروگلی در سال ۱۹۲۵ برای اولین بار تئوری خصوصیات موجی الکترونها که طول موجی کمتر از نور مرئی دارند را ارائه کرد. در سال ۱۹۲۷ دیویسون و گرمر و همچنین تامپسون و رید بطور مستقل آزمایش‌های کلاسیک تفرق الکترونی را انجام دادند که نشان‌دهندهٔ طبیعت موجی الکترون‌ها بود. در سال ۱۹۳۲ روسکا و نول اولین بار ایدهٔ میکروسکوپ الکترونی را مطرح کردند. در سال ۱۹۳۶ اولین میکروسکوپ الکترونی عبوری توسط شرکت Metropolitian-Vickers در انگلستان ساخته شد. شکل اصلی میکروسکوپ الکترونی، میکروسکوپ انتقال الکترونی از یک پرتو الکترونی ولتاژ بالا برای ساخت یک تصویراستفاده می کند. الکترون ها بوسیله یک تفنگ الکترونی انتشار می یابند، که معمولا با یک کاتد ساخته شده از تنگستن رشته ای به عنوان یک منبع الکترون پر شده است . پرتو الکترونی بوسیله یک آند معمولی با ولتاژ kV100+ (40تا 400kV ) شتاب می گیرد با توجه به نوع کاتد، بوسیله عدسی های الکترواستاتیکی و الکترومغناطیسی تمرکز یافته، و از طریق نمونه که در بخش شفاف به الکترون است انتقال می یابد، و در نقطه خارج از پرتو آن ها پراکنده می شود. هنگامی که از نمونه ظاهر می شود، پرتو الکترونی اطلاعاتی در مورد ساختار نمونه که بوسیله عدسی های هدف سیستم میکروسکوپ بزرگنمایی شده را حمل می نماید. تنوع فضایی در این اطلاعات (تصاویر) ممکن است بوسیله طرح تصویر الکترونی بزرگ شده بر روی یک صفحه نمایش فلور سنت پوشش داده شده با فسفر یا ماده ی جرقه زنی مثل سولفید روی مشاهده شود. متناوبا، تصویر میتواند بوسیله نمایش یک فیلم عکسی یا صفحه ای مستقیما رو به پرتو الکترونی، یا یک فسفر وضوح بالا همراه شده و بوسیله ی سیستم عدسی نوری یا یک فیبر نوری چراغ راهنمایی برای حسگر یک دوربین CCD (دستگاه باردار) ثبت عکسی شود . تصویر بوسیله ی CCD که می تواند آن را در مانیتور یا کامپیوتر نمایش دهد شناسایی می شود. وضوح TEM در درجه ی اول بوسیله ی انحراف کروی محدود می شود، اما نسل جدید تنظیم کننده های انحراف قادر به غلبه بر بخشی از انحراف کروی برای افزایش وضوح هستند . سخت افزار اصلاح انحراف کروی برای میکروسکوپ انتقال الکترونی با وضوح بالا (HRTEM) اجازه داده است تصاویری با وضوح بالای 5/0آنگستروم (50 پیکومتر) و بزرگنمایی بالای 50 میلیون بار تولید شود. توانایی تعیین موقعیت اتم ها در داخل مواد HRTEM را یک ابزار مهم برای توسعه و تحقیق نانو تکنولوژی ساخته است . یک حالت استفاده مهم TEM پراش الکترون است . مزایای پراش الکترونی روی اشعه X در بلور شناسی این است که نمونه نیازمند یک تک بلور یا حتی پودر چند بلوری نبوده، و هم چنین این که تبدیل فوریه بازسازی ساختار شیئ بزرگ شده بطور فیزیکی رخ می دهد و در نتیجه بعد از بدست آوردن تصویر بلوری الگوهای پراش اشعه X آن ها بصورت یک تک بلور یا پودر چند بلوری، از نیاز به حل مشکل فاز مواجه شده بوسیله اشعهX اجتناب می شود. عمده معایب میکروسکوپ انتقال الکترونی این است که نیازمند بخش های بسیار باریک از نمونه، معمولاً حدود nm 100 می باشد. نمونه های زیستی معمولاً نیازمند ثبوت شیمیایی هستند، آب از دست داده و جاسازی شده در یک رزین پلیمری برای ایجاد ثبات در آن ها، به آن ها اجازه تشکیل برشی به اندازه کافی نازک می دهد. بخشی از نمونه های زیستی، پلیمر های آلی و مواد مشابه ممکن است نیاز ویژه به رنگ آمیزی با برچسب اتم سنگین به منظور دستیابی به کنتراست تصویر مورد نیاز داشته باشند.

اجزای دستگاه[ویرایش]

ساختمان داخلی یک میکروسکوپ الکترونی عبوری

در شکل مقابل اجزای اصلی یک میکروسکوپ الکترونی عبوری نشان داده شده است. این طرح، بنا به مورد کاربرد، به منظور به کارگیری انواع اثرات متقابل الکترون و نمونه به تجهیزات کمکی ویژه مجهز می شود. همان طور که مشاهده می شود از اجزای اصلی یک دستگاه TEM، می توان تفنگ الکترونی، عدسی جمع کننده، نگهدارنده نمونه، عدسی شیئی و تصویری، سیستم های از بین برنده آلودگی، پرده فلورسنت و دوربین عکاسی را برشمرد. کل سیستم در خلا حداقل ۰/۰۰۰۱ تور قرار دارد تا مسیر آزاد طولانی برای الکترون موجود باشد. [۲]

تفنگ الکترونی[ویرایش]

در بخش فوقانی دستگاه یعنی حدود یک متر بالاتر از سر کاربری که پشت میکروسکوپ نشسته است، تفنگ الکترونی قرار گرفته است. رایج ترین تفنگ های الکترونی مورد استفاده در TEM از نوع حرارتی است که می توانند الکترون ها را در محدوده اختلاف پتانسیل ۴۰ الی۲۰۰ کیلو ولت شتاب دهند. اینکه انرژی الکترون ها باید چقدر باشد، به طبیعت نمونه و اطلاعات مورد نیاز بستگی دارد.


سیستم متمرکز کننده[ویرایش]

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 کرده و قطر آن را 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 بین عدسی های متمرکز کننده قرار دارد که به دریچه متمرکز کننده معروف بوده و برای کنترل مقدار زاویه همگرایی پرتو مورد استفاده قرار می گیرد. میزان پرتوی الکترونی که نمونه را هدف قرار می دهد (از لحاظ شدت و وسعت) توسط فردی که با میکروسکوپ کار می کند باتوجه به نوع اطلاعاتی که از او می خواهد و باتوجه به نمونه تغییر داده می شود.








محفظه نمونه[ویرایش]

محفظه نمونه یکی از قسمت های بسیار مهم میکروسکوپ است که در زیر قسمت سیستم متمرکز کننده قرار دارد. باید نمونه های بسیار کوچک به طور بسیار دقیقی در جای مناسب خود در داخل عدسی های شیئی قرار گیرد. اما همین نمونه باید بتواند در حد چند میلی متر جا به جا شده و به میزان زیادی بچرخد. علاوه بر این، 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 ۳ میلی متر یا کوچک تر را که بر روی شبکه حمایتی با اندازه ۳ میلی متر قرار دارد، بین قطب های عدسی های شیئی قرار دهد.

شبکه نگهدارنده نمونه
میله نگهدارنده نمونه


عدسی های میانی و شیئی[ویرایش]

نقش عدسی شیئی تشکیل اولین تصویر و یا الگوی پراش میانی است که بعدا توسط عدسی های تصویری بزرگ شده و بر روی صفحه نمایش نموده می شود. مشخصه اساسی سیستم شیئی، نگهدارنده دریچه ها (aperture) است که این امکان را به وجود می آورد که یکی از سه یا چهار دریچه کوچک بتواند در جایی که صفحه کانونی شیئی قرار دارد و به درون ستون میکروسکوپ برده شود. دریچه شیئی، محدوده ای را که الکترون های پراکنده شده می توانند به طرف پائین ستون میکروسکوپ حرکت و در تشکیل تصویر مشارکت کنند (باید توجه داشت این محدوده به صورت زاویه ای در نظر گرفته می شود) تعیین می کند. بنابراین قطر دریچه، قدرت تفکیک نهایی را به دست می دهد، کنترل می کند. پس برای قدرت تفکیک بالا، دریچه ای بزرگ مورد نیاز است.

عدسی های تصویری[ویرایش]

اولین تصویر که توسط عدسی های شیئی ایجاد می شود، معمولا از بزرگنمایی ۱۰۰-۵۰ برابر برخوردار است. این تصویر توسط یک سری از عدسی های میانی و تصویری بزرگ شده و نهایتا بر روی صفحه نمایش فلوئورسانس میکروسکوپ تابانده می شود. با استفاده از سه یا چهار سری عدسی، که هر سری می تواند تا بیست برابر تصویر را بزرگ کند، به راحتی، بزرگنمایی نهایی تا حدود 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 تصویر را خاموش کرد.

نمونه‌ها[ویرایش]

عکس میکروسکوپ الکترونی روبشی از یک نمونهٔ آماده شده برای میکروسکوپ الکترونی عبوری که توسط تابش یونی متمرکز نازک شده است. غشای نازک برای بررسی توسط TEM مناسب است ولی با ضخامت حدود ۳۰۰ نانومتر بدون نازک کردن بیشتر برای بررسی توسط میکروسکوپ الکترونی عبوری وضوح بالا مناسب نخواهد بود.
شکل

فقط مواد جامد

اندازه

دیسکی با قطر ۳ میلی‌متر و ضخامت تقریبی ۵ میکرومتر

آماده‌سازی

باید برش‌هایی از نمونه تهیه شده و به کمک الکتروپولیش تا حدی نازک شود که به الکترونها اجازهٔ عبور بدهد.

زمان تقریبی مورد نیاز

۳ تا ۳۰ ساعت برای هر نمونه (بدون احتساب زمان آماده‌سازی)[۳]




برخی از کاربردها در شناخت و آنالیز مواد[ویرایش]

TEM می تواند ریز ساختار فلزات را با قدرت تفکیکی تا ابعاد اتمی نشان دهد به شرط اینکه دقت کافی هم در مرحله نمونه سازی و هم در کاربرد دستگاه معمول شود. در غیر این صورت نیز قدرت تفکیک تا °۲۰A را با میکروسکوپ های مدرن می تواند به دست آورد. TEM اطلاعات مشروحی درباره فلزات از قبیل توزیع حرکت ناجابجایی ها، اندازه، تعداد و توزیع رسوبات و آخال ها، مکانیزم های جوانه زنی و رشد، حرکت ترک ها و… را ارائه می دهد. از آنجا که تعداد زیادی از خواص فیزیکی و مکانیکی وابسته به ریز ساختارها هستند می توان ارتباط بین آنها را مورد مطالعه قرار داد. در عمل بررسی ریز ساختارها از اندازه گیری تعداد زیادی از خواص مکانیکی آسان تر است. بنابراین چنانچه ارتباط صحیحی بین ریز ساختار و سایر خواص به دست آید می توان از میکروسکوپ در تعیین و کنترل فرآیند کمک گرفت. در زیر به برخی از کاربردهای عمده TEM در شناخت و آنالیز مواداشاره شده است :

محدودیت‌ها[ویرایش]

  • فرآیند تهیه نمونه‌ها بسیار زمان‌بر و خسته‌کننده و هزینه بر است.
  • تعدا نمونه ای برگشتی (معیوب) در این تکنیک زیاد است.
  • امکان تغییر ساختار نمونه در حین فرآیند آماده سازی وجود دارد.
  • میدان دید در این تکنیک بسیار کوچک بوده و نمی توان خواص ناحیه آنالیز شده را به کل نمونه نسبت داد.
  • پتانسیل کاری برای تخریب نمونه ها (به ویژه نمونه های بیولوژیکی) کافی می باشد.[۴]


منابع[ویرایش]

  1. Permanent link: https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Transmission_electron_microscopy&oldid=773888984
  2. ۲٫۰ ۲٫۱ تلافی نوغانی، محمد. ابویی مهریزی، وحید. آشنایی با روش های نوین شناخت و آنالیز مواد. تهران: فدک ایساتیس، 1393. ISBN 978-600-160-165-1.
  3. مرعشی، پیروز.و دیگران. اصول و کاربرد میکروسکوپ های الکترونیکی و روش های نوین آنالیز. تهران: مرکز انتشارات دانشگاه علم و صنعت ایران، 1389. ISBN 978-964-454-743-0.
  4. خاکزاد، امیر. متالوگرافی، مفاهیم و آزمایشگاه. تهران: نشر طراح، 1390. 27-3-ISBN 978-964-2917.
  • Karlík M., LATTICE IMAGING IN TRANSMISSION ELECTRON MICROSCOPY, Materials Structure, vol. 8, number 1 (2001).
  • William, D.B., Carter, C.B., Transmission Electron Microscopy: A Textbook for Material Science, Plenum Press, 1996.

خدمات آزمایشگاهی : [۱].

جستارهای وابسته[ویرایش]