آرال تجهیز آزما

میکروسکوپی الکترونی عبوری (TEM)

میکروسکوپ‌های الکترونی عبوری ابزارهایی ویژه برای تشخیص ساختار و مورفولوژی مواد هستند که مطالعات ریزساختاری مواد با توان تفکیک کمتر از یک نانومتر و بزرگنمایی هزار تا یک میلیون برابر را امکان‌پذیر می‌سازند. این میکروسکوپ‌ها همچنین به منظور مطالعات ساختارهای بلور، تقارن، جهت‌گیری و نقائص بلوری مورد استفاده قرار می‌گیرند. این موارد سبب شده است که TEM امروزه به عنوان یک ابزار بسیار مهم در بسیاری از تحقیقات پیشرفته فیزیک، شیمی، بلورشناسی، زیست‌شناسی، متالورژی و غیره به کار می‌رود.

فهرست مطالب

میکروسکوپ‌های الکترونی عبوری ابزارهایی ویژه برای تشخیص ساختار و مورفولوژی مواد هستند که مطالعات ریزساختاری مواد با توان تفکیک کمتر از یک نانومتر و بزرگنمایی هزار تا یک میلیون برابر را امکان‌پذیر می‌سازند. این میکروسکوپ‌ها همچنین به منظور مطالعات ساختارهای بلور، تقارن، جهت‌گیری و نقائص بلوری مورد استفاده قرار می‌گیرند. این موارد سبب شده است که TEM امروزه به عنوان یک ابزار بسیار مهم در بسیاری از تحقیقات پیشرفته فیزیک، شیمی، بلورشناسی، زیست‌شناسی، متالورژی و غیره به کار می‌رود.

TEM از یک پرتو الکترونی ولتاژ بالا برای ساخت تصویر استفاده می‌کند. الکترون‌ها به وسیله یک تفنگ الکترونی انتشار می‌یابند. پرتوهای الکترونی سپس وارد نمونه شده و هنگام عبور از آن پراکنده می‌شوند. الکترون‌های پراکنده شده را می‌توان به کمک میدان مغناطیسی (عدسی مغناطیسی) متمرکز کرده و باریکه الکترونی مناسبی تولید کرد. حال این باریکه الکترونی به نمونه مورد آزمایش که دارای ضخامت بسیار کمی است تابانده می‌شود و به وسیله یک عدسی تقویت می‌شود. سرانجام تصویر با بزرگ‌نمایی بسیار بالا روی ابزار نمایش تشکیل می‌شود.

الکترون‌ها پس از برخورد به نمونه یا بدون تغییر در جهت‌شان از نمونه خارج می‌شوند و یا با برخورد به موانع مختلف مانند اتم‌های شبکه، نقص‌های بلوری و غیره از مسیر اولیه منحرف می‌شوند که این حالات، اساس تشکیل تصویر در میکروسکوپ الکترونی عبوری است. حالات مختلف تصویربرداری به سه گروه تصویربرداری معمولی، میدان تاریک و میدان روشن تقسیم‌بندی می‌شوند. در تصویربرداری معمولی، همه پرتوهای عبوری اعم از منحرف شده و منحرف نشده در تشکیل تصویر دخیل هستند، البته این نوع تصویر‌برداری نسبت به دو نوع دیگر وضوح پایین‌تری دارد. در تصویر‌برداری حالت میدان روشن، فقط از پرتوهایی که از مسیرشان منحرف نشده‌اند، استفاده می‌شود و سایر پرتوها به کمک دریچه‌هایی که تعبیه شده‌اند، حذف می‌شوند. دریچه‌ها قابل تنظیم بوده و متناسب با نمونه و خروجی مورد نظر تنظیم می‌شوند. هرچه چگالی نمونه بیشتر باشد، شدت نور عبوری کمتر شده و تصویر تیره‌تر دیده می‌شود. تصویر‌برداری حالت میدان تاریک هم عموماً زمانی به کار می‌رود که هدف بررسی، پدیده‌ای خاص در نمونه مانند نقص بلوری، تغییر در ترکیب و یا بررسی یک جزء از کامپوزیت است. این حالت بر خلاف حالت میدان روشن، تنها پرتوهای منحرف شده را بررسی می‌کند. شکل زیر تصویر میکروسکوپ الکترونی عبوری را در هر دو حالت میدان روشن و میدان تاریک نشان می‌دهد.

شکل‌گیری تصاویر در میکروسکوپ‌های الکترونی عبوری (TEM)، نیازمند عبور الکترون از نمونه است و برای این منظور، ضخامت نمونه باید بسیار کم باشد. نازک کردن نمونه برای این دستگاه فرایندی زمان‌بر و نیازمند دقت بالا است. این حساسیت در آماده‌سازی نمونه‌ها برای TEM، زمانی که نمونه‌ها از نوع بافت یا سوسپانسیون زیستی باشند، از حساسیت بیشتری برخوردار است. برای تصویربرداری از نمونه‌های زیستی، بیشتر از نوعی از دستگاه TEM با قابلیت کرایو استفاده می‌شود (Cryo-TEM) که امکان تصویربرداری از این دسته از نمونه‌ها و همچنین نمونه‌هایی که به دما حساس هستند را در دمای تبرید، فراهم می‌کند.

شکل زیر تصویر نانو ذرات نقره کلوییدی می‌باشد که به‌وسیله TEM گرفته شده است. در این تصویر نانو ذرات کروی نقره با بزرگنمایی ۵۰ نانومتر مشاهده می‌شوند.

کاربردهای عمده TEM در تجزیه و شناسایی مواد

  • تعیین جهت رشد مواد بلورین و صفحات بلوری
  • تعیین بردار نابه‌جایی و انرژی نقص انباشتگی
  • تعیین عیوب بلوری و مرزدانه ها
  • بررسی هم‌سیمایی
  • استحاله‌های فازی
  • بازیابی و تبلور مجدد
  • خستگی
  • اکسیداسیون
  • رسوب
  • بررسی‌های ساختاری
  • بررسی سطوح شکست
  • تشخیص مناطق دارای تنش پسماند
  • شناسایی ترکیب شیمایی فازهای غیرآلی
  • مطالعه سرامیک‌ها و کانی‌ها

محدودیت‌ها

  • فرایند تهیه نمونه‌ها بسیار زمان‌بر، خسته‌کننده و هزینه‌بر است.
  • تعداد نمونه‌های برگشتی در این روش زیاد است.
  • امکان تغییر ساختار نمونه در حین فرایند آماده‌سازی وجود دارد.
  • میدان دید این روش بسیار کوچک است و نمی‌توان خواص ناحیه آنالیز شده را به کل نمونه نسبت داد.
  • پتانسیل کاری برای تخریب نمونه‌ها (به ویژه نمونه‌های زیستی) کافی است.

اجزای میکروسکوپ الکترونی عبوری

میکروسکوپ‌های الکترونی عبوری شامل تجهیزاتی از جمله تفنگ الکترونی، نگهدارنده نمونه، عدسی‌های متمرکز کننده، عدسی‌های شیئی، عدسی‌های پراش، عدسی‌های حد‌واسط، عدسی‌های‌نمایش، سیستم خلاء، پرده فلورسنت و دوربین می‌باشند.

تفنگ الکترونی

تفنگ الکترونی باریکه‌ای از الکترون‌های پرانرژی ایجاد می‌کند که قادر به عبور از داخل نمونه‌های نازک است. این تفنگ از سه بخش منبع الکترونی (کاتد)، یک شتاب‌دهنده و تأمین کننده ولتاژ پایدار تشکیل شده است. تفنگ‌های الکترونی در بالای دستگاه قرار می‌گیرند و در دو نوع گرمایونی (Thermoionic) و نشر میدانی (Field‌ Emission) وجود دارند. در تفنگ‌های گرمایونی، الکترون‌ها از فیلامان داغ که نقطه ذوب بالا و تابع کار پایین دارد، منتشر شده و به سمت آند می‌روند. فیلامان‌های این نوع تفنگ الکترونی، تنگستن و یا لانتانیوم هگزابوراید هستند. تفنگ نشر میدانی با قرار گرفتن در میدان الکتریکی و اعمال ولتاژ بالا باعث کنده و ساطع شدن الکترون‌ها از سطح فیلامان می‌شود. این نوع فیلامان تابع کار بسیار کمتری داشته و در دمای پایین کار می‌کند. تفنگ‌های الکترونی نشر میدانی بر اساس پدیده تونل‌زنی، پرتوهای الکترونی بسیار ظریفی تولید می‌کنند. دو آند در این تفنگ الکترونی تعبیه شده‌اند. آندهای تفنگ الکترونی مذکور، طوری طراحی شده‌اند که چنانچه میدان الکتریکی بین دو آند به نحو مناسبی تنظیم شده باشد، امکان رخداد خطای کروی به حداقل خواهد رسید. این نوع تفنگ الکترونی در میکروسکوپ‌هایی با خلاء کاری۱۰-۹ تور مورد استفاده قرار می‌گیرد. قطر پرتوی الکترونی که در این نوع تفنگ‌ها به دست می‌آید به شدت وابسته به نسبت ولتاژ دو آند تفنگ بوده و به صورت تئوری قابل ملاحظه است. مثلا اگر نسبت ولتاژ آند اول به آند دوم ۱۲ باشد، قطر پرتو الکترونی معادل ۲-۱۰ میکرون محاسبه می‌شود که این مقدار در عمل به ۲-۱۰× ۵/۲ میکرون می‌رسد. پرتویی با این مشخصات دارای روشنایی معادل صد تا هزار برابر روشنایی پرتوی تولید شده در تفنگ‌های ترمویونی فیلامان تنگستنی است.

سیستم عدسی‌ها

در TEM، چند عدسی متمرکز کننده (Condenser) بین نمونه و تصویر قرار دارند که برای کانونی کردن پرتوهای الکترونی به کار می‌روند، به‌گونه‌ای که وقتی این پرتوها به نمونه می‌رسند به‌صورت پرتوی ظریف و پرقدرت ظاهر می‌شوند. البته عدسی‌های اضافی دیگری نیز وجود دارند که بین نمونه و تصویر قرار می‌گیرند. اولین آنها، عدسی پراش است که برای ایجاد الگوی پراش مورد استفاده قرار می‌گیرد. هر عدسی نیز تصویر حاصل از عدسی‌های قبلی را بزرگتر می‌کند. عدسی‌هایی که بعد از عدسی‌های پراش قرار دارند، عدسی‌های میانی نامیده شده و آخرین عدسی، عدسی نمایش است. جریانی که از هر عدسی عبور می‌کند، فاصله کانونی و در نتیجه کنترل‌کننده بزرگنمایی است. تصویر نمونه به وسیله هر عدسی به طور متوالی بزرگ شده تا اینکه تصویر نهایی با بزرگنمایی مطلوب ایجاد شود.

سیستم متمرکز کننده

در زیر تفنگ الکترونی دو یا چند عدسی متمرکز کننده قرار دارند که برای کانونی کردن پرتوهای الکترونی به کار می‌روند، به‌گونه‌ای که وقتی این پرتوها به نمونه می‌رسند به‌صورت پرتوی ظریف و پرقدرت ظاهر می‌شوند. این عدسی‌ها پرتو منتشر شده از تفنگ الکترونی را باریک نموده و قطر آن را در هنگام برخورد با نمونه کنترل می‌کنند. این امر باعث می‌شود تا اپراتور بتواند سطحی از نمونه را که در معرض پرتو قرار می‌گیرد و نیز شدت پرتو تابیده شده روی نمونه را کنترل کند. بنابراین بزرگنمایی اولیه، کانونی نمودن تصویر و ایجاد الگوهای پراش به وسیله همین عدسی‌ها انجام می‌شود. دریچه‌ای هم بین عدسی‌های متمرکز کننده قرار دارد (Aperture) که به دریچه متمرکز کننده معروف است و جهت کنترل مقدار زاویه همگرایی پرتو استفاده می‌شود. پارامترهای میزان روشنایی قسمتی از نمونه که تحت اثر پرتو قرار می‌گیرد و نوع الگوی پراش از طریق سیستم متمرکز کننده کنترل می‌شوند. سیستم متمرکز‌کننده دارای دو سری عدسی است. عدسی‌های “اندازه نقطه” (spot size) که میزان پرتوی خروجی از تفنگ الکترونی را تنظیم می‌کنند و عدسی‌های “تنظیم کننده شدت” که زاویه همگرایی پرتویی را که از کل سیستم متمرکز کننده خارج می‌شود، کنترل می‌کنند.

محفظه نمونه

محفظه نمونه یکی از قسمت‌های بسیار مهم میکروسکوپ است که در زیر سیستم متمرکزکننده قرار دارد. نمونه‌های بسیار کوچک باید به‌طور بسیار دقیقی در محل مناسب خود در داخل عدسی‌های شیئی قرار داده شوند. اما همین نمونه باید بتواند در حد چند میلی‌متر جابه‌جا 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 می‌شود که می‌تواند نمونه‌ای به قطر ۳ میلی‌متر یا کوچک‌تر را که روی توری مخصوص با اندازه ۳ میلی‌متر قرار دارد، بین قطب‌های عدسی‌های شیئی قرار دهد.

میله نگهدارنده نمونه در میکروسکوپ الکترونی عبوری

میله نگهدارنده نمونه از طریق دریچه (Airlock) به داخل ستون میکروسکوپ برده می‌شود. این میله می‌تواند در جهت‌های X و Y تا ۲ میلی‌متر حرکت کند تا نمونه در محل مناسب و مورد نظر قرار گیرد. این میله همچنین می‌تواند در حد کسری از میلی‌متر در جهت Z جابه‌جا شود تا نمونه در موقعیت صفحه شیئی عدسی جای گیرد.

فیلتر انرژی

برخی از میکروسکوپ‌های تخصصی از یک فیلتر انرژی در زیر نمونه بهره می‌برند. این فیلتر را می‌توان طوری تنظیم نمود که فقط الکترون‌هایی که به صورت الاستیکی متفرق شده‌اند و یا الکترون‌هایی که به مقدار خاصی انرژی خود را از دست داده‌اند از آن عبور کنند. این موضوع از مزایای قابل توجهی برخوردار است، به عنوان مثال در میکروسکوپ‌های با توان تفکیک بالا می‌توان از این مزیت استفاده کرد، زیرا الکترون‌هایی که به صورت غیرالاستیک پراکنده می‌شوند کیفیت تصویر را کاهش می‌دهند.

عدسی‌های میانی و شیئی

عدسی‌های شیئی (Objective lenses) آنقدر قدرت دارند که نمونه می‌تواند در میان قطب‌های آن‌ها قرار گیرد. نقش عدسی شیئی تشکیل اولین تصویر و یا الگوی پراش میانی است که بعداً به وسیله عدسی‌های نمایش بزرگ شده و روی صفحه نمایش نمایانده می‌شود. اولین سری عدسی‌های شیئی که اغلب عدسی‌های میانی و یا پراش نامیده می‌شوند در یکی از دو حالت تصویرگیری یا پراش تنظیم می‌گردند. در حالت تصویرگیری‌(Image mode)، فوکوس روی صفحه تصویر عدسی شیئی صورت می‌گیرد و بزرگنمایی تصویر نهایی که روی صفحه نمایش دیده می‌شود از طریق عدسی‌های نمایش (Projector Lens) صورت می‌گیرد. در حالت پراش (Diffraction mode) عدسی‌های میانی روی صفحه کانونی پشتی عدسی‌های شیئی فوکوس می‌شوند و الگوی پراش روی صفحه نمایش، نمایانده می‌شود.

مشخصه اصلی سیستم شیئی، نگهدارنده دریچه (aperture) می‌باشد که این امکان را فراهم می‌کند که یکی از سه یا چهار دریچه کوچک بتواند در جایی که صفحه کانونی شیئی قرار دارد به درون ستون میکروسکوپ برده شود. دریچه شیئی محدوده‌ای را تعیین می‌کند که الکترون‌های پراکنده شده می‌توانند به طرف پایین ستون حرکت و در تشکیل تصویر مشارکت کنند. بنابراین قطر دریچه، توان تفکیک نهایی را کنترل می‌کند.

عدسی‌های نمایش

اولین تصویر که به وسیله عدسی‌های شیئی ایجاد می‌شود، معمولاً از بزرگنمایی۱۰۰–۵۰ برابر برخوردار است. این تصویر به کمک یک سری از عدسی‌های میانی و نمایش بزرگ شده و نهایتاً روی صفحه نمایش فلوئورسانس میکروسکوپ تابانده می‌شود. با استفاده از سه یا چهار سری عدسی که هر سری می‌تواند تا بیست برابر تصویر را بزرگ کند، به راحتی، بزرگنمایی نهایی تا حدود یک میلیون برابر قابل دستیابی خواهد بود. برای بزرگنمایی کمتر نیازی به استفاده از تمام عدسی‌ها نیست، لذا می‌توان یک یا تعداد بیشتری از عدسی‌های نمایش را خاموش کرد.

دوربین

به طور سنتی وقتی از دوربین صحبت می‌شود این مفهوم به ذهن می‌آید که فیلم عکاسی در زیر صفحه نمایش قرار داده می‌شود و از طریق شاتر تحت تاثیر پرتو قرار می‌گیرد. امروزه به‌دلیل در دسترس بودن و نیز پیچیده بودن تکنولوژی تصویربرداری دیجیتالی، استفاده از دوربین‌های charge-coupled device camera) CCD) از فراگیری بیشتری برخوردار است. ساده‌ترین سیستم‌های دیجیتالی از یک سیستم ویدیوئی کامپیوتری که به سوی صفحه نمایش جهت‌گیری شده است، بهره می‌گیرند. اما این سیستم از محدودیت‌هایی نیز برخوردار است که به پایین بودن میزان نور ساطع شده از صفحه فسفری مربوط است. همچنین پایین بودن توان تفکیک این نوع سیستم بر محدودیت‌های آنها می‌افزاید. دوربین‌های بسیار پیچیده‌تری نیز موجود می‌باشند که می‌توانند تصاویر را با قدرت بالاتر که به معنی هزاران نقطه نمایش می‌باشد نشان دهند. این دوربین‌ها میزان نور صفحه فسفری را نیز می‌سنجند، اما در این حالت نور از طریق یک فیبر نوری به CCD کانالیزه و منتقل می‌گردد. معمولاً CCD باید خنک شود تا از میزان نویز کاسته شود و زمان‌ طولانی برای در معرض پرتو قرارگرفتن امکان‌پذیر گردد.

پمپ خلاء

یکی از سوالاتی که در ذهن کاربران میکروسکوپ‌های الکترونی ایجاد می‌شود این است که چرا این میکروسکوپ‌ها به سیستم خلاء بالا (۱۰-۴ میلی بار) نیاز دارند. دلایل آن عبارتند از:

  • الکترون‌ها به وسیله مولکول‌های گاز به‌راحتی پراکنش یافته به‌حدی‌که در شرایط اتمسفر معمولی، الکترون‌هایی با انرژیKeV 15، تنها cm10 امکان نفوذ پیدا می‌کنند.
  • از اکسیداسیون نمونه جلوگیری می‌شود.
  • ستون میکروسکوپ تمیز باقی می‌ماند.

سه نوع پمپی که معمولاً جهت ایجاد خلاء در TEM مورد استفاده قرار می‌گیرند عبارتند از:

  • پمپ روتاری (Rotary pump): پمپ مکانیکی ساده‌ای که گازها را خارج و فشار را تا حدود۱۱۰ تا ۳۱۰ میلی‌بار تقلیل می‌دهد.
  • پمپ دیفیوژن (Diffusion pump) که فشار را به۴۱۰ تا ۷۱۰ میلی‌بار  تقلیل می‌دهد.
  • پمپ یونی کندوپاش(Sputter ion pump) که با جذب گازهای یونیزه شده به طرف الکترود عمل نموده و فشار را به کمتر از ۷۱۰ میلی‌بار تقلیل می‌دهد.

میکروسکوپ‌ الکترونی عبوری با توان تفکیک بالا (HRTEM)

انواع میکروسکوپ های الکترونی عبوری موجود قادر به تصویربرداری از سطح و داخل نمونه هستند که در این میان میکروسکوپ‌های الکترونی عبوری با توان تفکیک بالا (HRTEM) گزینه مناسبی برای مشاهده ریز‌ساختار ماده در مقیاس اتمی می‌باشند. وضوح TEM در درجه اول به‌وسیله انحراف کروی محدود می‌شود، اما نسل جدید تنظیم‌کننده‌های انحراف قادر به غلبه بر بخشی از انحراف کروی هستند. سخت‌افزار اصلاح انحراف کروی برای میکروسکوپ الکترونی عبوری با وضوح بالا  اجازه داده ‌است تصاویری با وضوح بالای ۵/۰آنگستروم (۵۰ پیکومتر) و بزرگنمایی بالای۵۰ میلیون بار تولید شود.

HRTEM، یکی از انواع TEM است و به دلیل توان تفکیک بالا (حدود ۵/۰ آنگستروم) تبدیل به ابزاری توانمند برای بررسی ریزساختار مواد در مقیاس‌های اتمی مانند نقص‌های شبکه‌ای، فاصله صفحات اتمی و غیره شده است.  همچنین یکی دیگر از قابلیت‌های HRTEM تصویربرداری از چندین جهت و زوایای مختلف برای به دست آوردن نقشه سه‌بعدی از بلورهای سه‌بعدی است. این روش، الکترون کریستالوگرافی نامیده می شود.

فرآیند تصویربرداری با HRTEM همانند TEM در دو مرحله رخ می دهد. الکترون‌های فرودی با نمونه پس از برهمکنش با اتم ها می‌توانند به صورت الاستیک یا غیر‌الاستیک پراکنده شوند. لنزهای شیئی و نمایش در سمت دیگر نمونه قرار دارد که پرتوهای الکترون پس از عبور از نمونه، از این لنزها گذشته و تصویر بزرگنمایی شده تشکیل می‌شود. با قرار دادن یک صفحه نمایش مناسب می‌توان توزیع فضایی الکترون‌های متفرق شده را که الگوی پراش نامیده می‌شود آشکار کرد. توزیع زاویه‌ای الکترون‌های متفرق شده و شدت تفرق دو پارامتر مهم در پراش الکترونی هستند. شکل هندسی الگوهای پراش الکترونی، نسبتا ساده بوده و با استفاده از آن می‌توان اطلاعات مفیدی درباره مواد بلوری مانند ساختار و جهت بلور به‌دست آورد. اطلاعات به‌دست آمده از الگوی پراش الکترونی، کمک شایانی به فهم و تفسیر تصاویر به‌دست آمده از میکروسکوپ الکترونی عبوری می‌نماید.

مزایا و معایب HRTEM نسبت به  TEM

این روش برای مشاهده تک‌تک اتم‌ها به‌ویژه مواد معدنی بسیار مناسب است. همچنین امکان مشاهده نقص‌های بلوری، ناخالصی‌های موجود در ساختار و فاز‌های مختلف وجود دارد. به عنوان مثال، برای مشاهده مرزدانه‌ها، نقاط کوانتومی، سطوح برشی کریستالوگرافی، عیوب بلوری، تنها میکروسکوپ الکترونی عبوری با توان تفکیک بالا استفاده می‌شود.

حضور عیوب بلوری در نمونه باعث خمیدگی صفحات در مجاورت عیوب در اثر کرنش‌های ناشی از آنها می‌شود. این خمیدگی، شرایط  پراش و در نتیجه کنتراست پراش تصویر را تغییر می‌دهد. از آنجا که جزئیات خمیدگی صفحات، عموماً به مشخصات عیب بلوری بستگی دارد، با مطالعه کنتراست پراشی تصاویر درHRTEM  می‌توان نوع عیب را شناسایی کرد. کرنش‌های شبکه‌ای اطراف رسوبات درتصاویر HRTEM به صورت حلقه‌هایی با چگالی کم دور آنها ظاهر می‌شود. با گرفتن تصاویر زمینه سیاه و زمینه روشن تحت شرایط خاصی، یک اندازه‌گیری مستقیم از کرنش‌های شبکه‌ای اطراف رسوبات که قابل توجه هم هستند، به‌دست می‌آید. این عملیات نیازمند یک سری آزمایشات خاص و کالیبره کردن دقیق دستگاه های آزمایش است. اگر ذرات کروی نباشند، توضیح مستقیم تصاویر با دیدن امکانپذیر نیست و نیاز به شبیه‌سازی کامپیوتری دارند.

استفاده از روش میکروسکوپ الکترونی عبوری برای شناسایی ریز ساختار مواد علاوه بر کارایی بالا در این زمینه، محدودیت‌هایی نیز دارد. از جمله می‌توان به وقت‌گیر بودن آماده‌سازی نمونه‌ها اشاره کرد. ضمن اینکه به علت نازک کردن ضخامت نمونه‌ها ممکن است ریز ساختار ماده مثل چگالی نابه‌جایی‌ها دچار تغییر شود. برای رفع این محدودیت‌ها می‌توان از روش پراش پرتو ایکس(XRD) به عنوان یک روش کیفی و کمی در شناسایی ریز ساختار مواد استفاده کرد. از طرفی توان بالای اشعه الکترونی به ساختار نمونه آسیب وارد می‌کند و حتی در صورت تابش طولانی مدت می‌تواند باعث تجمع و به هم چسبیدن ذرات شود.

در ادامه به طور خلاصه کاربردهای HRTEM آورده شده است.

کاربردهای HRTEM

  • مشاهده عیب‌های بلوری در ماده مانند نابه‌جایی‌ها
  • مشاهده مرزدانه‌ها
  • مشاهده ریزساختار ماده با دقت اتمی
  • مشاهده صفحات و جهات بلوری
  • مشاهده فازها و تحولات فازی
  • بررسی اندازه و مورفولوژی نقاط کوانتومی و نانوذرات کمتر از ۵ نانومتر

تصویر‫برداری در میکروسکوپ الکترونی عبوری با توان تفکیک بالا

تصاویر ایجاد شده به وسیله میکروسکوپ های الکترونی عبوری باید کنتراست کافی بین دو نقطه مجاور از هم را داشته باشند تا قابل مشاهده شوند. کنتراست از اختلاف در میزان تعداد پرتوهای شکسته شده و عبور کرده از نقاط مختلف ماده ایجاد می‌شود. برتری تصاویر میکروسکوپ الکترونی عبوری با توان تفکیک بالا نسبت به سایر میکروسکوپ های الکترونی قابلیت تصویربرداری با کنتراست بالاست. کنتراست چگالی جرمی و کنتراست پرش دو سازوکاری هستند که از پراکندگی پرتوهای الکترونی عبوری استفاده کرده و تصویر تولید می کنند.

کنتراست چگالی جرمی

پرتو الکترونی به ماده تابیده شده و با الکترون و هسته اتم برهمکنش دارد که باعث انحراف باریکه الکترونی از مسیر اولیه‌اش می‌شود. میزان پراکندگی الکترون در هر نقطه به چگالی جرمی (حاصل ضرب جرمی و ضخامت نقطه) آن نقطه بستگی دارد. شدت پرتو الکترونی رسیده به آشکارساز به میزان شدت پرتوهای شکسته شده، کمتر از شدت اولیه است و بیانگر کنتراست در میکروسکوپ الکترونی است. برای افزایش کنتراست معمولاً از دریچه‌های شیئی کوچکتر و ولتاژ شتاب دهی کمتر استفاده می‌شود.

کنتراست پراش

در این حالت، کنتراست تصویر از طریق پراش پرتوهای الکترونی ایجاد می‌شود. الکترون‌ها با برخورد به صفحات اتمی می‌توانند به صورت دسته جمعی پراکنده شوند و از قانون براگ پیروی کنند. در صورتی که پراش در شرایط براگ صدق کند، پراش سازنده رخ داده و انحراف قوی در نمونه حاصل می‌شود. زاویه پراش در میکروسکوپ‌های الکترونی کمتر از یک درجه است و پرتوهای پراش یافته به شکل نقطه روی صفحه کانونی پشتی عدسی شیئی روی صفحه فلورسنت نمایش داده می‌شود. تصاویر میدان روشن و تاریک نیز با همین روش تولید می‌شوند.

HRTEM از پرتوهای عبوری بدون انحراف و همچنین پراکنش یافته به طور مجزا و یا همزمان برای تشکیل تصویر استفاده می‌کند. تشکیل تصویر به دو صورت زمینه تاریک و زمینه روشن انجام می‌شود. پرتوهای عبوری بدون انحراف تصویر زمینه روشن را تشکیل می‌دهد. هر چه ماده چگال‌تر باشد نور عبوری از آن کمتر و تصویر تیره‌تر می‌شود. دریچه‌های موجود در دستگاه پرتوهای منحرف شده را حذف می‌کند. در مقابل، برای تشکیل تصویر زمینه تاریک فقط از پرتوهای منحرف شده استفاده می‌شود. اگر در این حالت تصویربرداری نمونه در دستگاه قرار نگیرد، پراشی رخ نداده و تصویر کاملاً تیره تشکیل می‌شود. این حالت از تصویربرداری برای بررسی نقص‌های بلوری، وضعیت دانه‌ها و شناخت یک فاز مشخص به کار می‌رود. بر خلاف‌TEM ، درHRTEM  از هر دو نوع پرتوهای عبوری مستقیم و منحرف شده برای تصویربرداری استفاده می‌شود. طی فرآیند تشکیل تصویر، الکترون‌هایی که با نمونه برهمکنش غیر الاستیک داشته و انرژی‌شان کاهش می‌یابد، فیلتر شده و وضوح سیستم را افزایش می‌دهد.

منبع: سایت آموزش فناوری نانو

دیگر تجهیزات آزمایشگاهی

میکروسکوپ فلورسانس (MF)

تصویربرداری فلورسانس یک روش پرکاربرد در مطالعات سلولی است که به پایش فرآیندهای سلولی و عملکرد داروها در موجودات زنده کمک می کند. در میکروسکوپ فلورسانس از فلورسانت به جای پراکندگی، جذب یا بازتابش نور برای مطالعه خواص نمونه های زیستی یا غیر زیستی استفاده می شود. بررسی نمونه‌ها در این میکروسکوپ‌ با استفاده از نشاندار کردن بخش‌هایی از نمونه با رنگ‌های فلورسانس انجام می‌شود. به‌طور کلی از میکروسکوپ‌های فلورسانس برای تصویربرداری از اجزای ساختاری نمونه‌های کوچک مانند سلول، انجام مطالعات زیست‌پذیری در مورد جمعیت‌های سلولی، تصویربرداری از مواد ژنتیکی درون سلول DNA و RNA و مشاهده سلول‌های خاص در یک جمعیت بزرگ‌تر با روش‌هایی مانند FISH استفاده می شود.

ادامه مطلب »

کروماتوگرافی گازی (GC)

کروماتوگرافی روشی برای تشخیص اجزاء در ابعاد نانومتری با دقتی در حد و اندازه مولکولی است. اساس کار کروماتوگرافی، جداسازی اجزاء مخلوط با استفاده از سرعت متفاوت حرکت مولکول‌های مختلف (ناشی از تفاوت در میزان برهمکنش آنها با فاز جداکننده) در محیط یکسان و با انرژی اولیه مشابه است.

کروماتوگرافی گازی یکی از متداول‌ترین روش‌های کروماتوگرافی است که از آن برای تعیین خلوص یک نمونه، جداسازی ترکیبات نمونه مخلوط، تعیین میزان هر یک از ترکیبات موجود در یک مخلوط و حتی خالص‌سازی آنها استفاده می‌شود. از این روش در بسیاری از تحقیقات شیمیایی و داروسازی برای آنالیز نمونه‌هایی که قابلیت تبخیر شدن بدون تخریب ساختار را دارند، استفاده می‌شود.

ادامه مطلب »

میکروسکوپی پروبی روبشی (SPM)

میکروسکوپ پروبی روبشی یکی از این دستاوردها است که سطح ماده را با توان تفکیکی در مقیاس نانومتر روبش کرده و امکان تهیه تصاویر توپوگرافی یا نقشه‌هایی از یک خاصیت فیزیکی یا شیمیایی سطح ماده را فراهم می‌کند. این میکروسکوپ، دارای یک سوزن با قطری در مقیاس نانومتر است که در فاصله بسیار کوچکی از اتم‌های سطح نمونه قرار گرفته و سطح را روبش می‌کند. این فاصله می‌تواند آن‌‌قدر کم باشد که الکترون‌های اتم‌های سوزن و سطح با هم برهم​کنش داشته باشند و این برهم​کنش​ها هم می‌توانند آن‌‌قدر قوی باشند که اتم‌ها را از جا کنده و به ‌جای دیگری منتقل کنند.

ادامه مطلب »