بخشی از مقاله
بررسي مکانيزم هاي کنتراست ميکروسکوپ الکتروني عبوري (TEM) در تصوير برداري از نانو مواد
چکيده
در ميکروسکوپ نوري، معمولً برهم کنش هاي بين نور و نمونه ناديده گرفته مي شود. کافي است که نور به اندازه لزم از نمونه عبور ويا از سطح نمونه بازتاب نمايد تا بتوان تصوير را به آساني مشاهده نمود. الکترون ها نه تنها قابليت فراهم آوردن اطلعات درباره سطوح نانو ذرات را دارند، بلکه در تهيه تصوير از سطح نيز به کار گرفته مي شوند و آنها اين نقش را در ميکروسکوپ هاي الکتروني بازي مي کنند. با اين حال الکترون ها در حين عبور از نمونه ممکن است با آن بر هم کنش داشته باشند. اگر شيئي در محل مشخصي قرار گيرد، تصوير آن در محل مشخص ديگري تشکيل مي شود که در اين محل مي توان صفحه نمايش و دوربين را قرار داد و نيازي به تنظيم دقيق اين محل وجود ندارد زيرا عمق فوکوس بسيار بزرگ است. اپتيک هندسي براي توجه به بزرگنمايي، عمق ميدان و شرائط کانوني يک ميکروسکوپ بسيار مفيد است اما براي تفسير تصوير بدست آمده تقريباً بي فايده خواهد بود، لذا بايد مکانيزم هاي کنتراست که مي توانند بيانگر اين موضوع باشند که چه چيزي در تصوير تيره يا روشن ديده مي شود، را مورد بررسي قرار داد.
واژه هاي کليدي: نانو، ميکروسکوپ الکتروني عبوري، مکانيزم هاي کنتراست .
مقدمه
در طول قرن هيجدهم ميکروسکوپ در زمره وسايل تفريحي به شمار ميآمد. با پژوهش هاي بيشتر، پيشرفت هاي قابل توجهي در شيوه ساختن عدسي شيئ حاصل شد. بطوري که عدسيهاي ديگر بصورت ذره بين هاي معمولي نبودند بلکه خطاهاي موجود در آنها که به کجنمايي معروف هستند، دفع شده اند و آنها ميتوانستند جزئيات يک شيئ را دقيقاً نشان دهند. پس از آن در طي پنجاه سال، پژوهشگران بسياري تلش کردند تا بر کيفيت و مرغوبيت اين وسيله بيافزايند. بالخره ارنست آبه توانست مبناي علمي ميزان بزرگنمايي ميکروسکوپ را تعريف کند. بدين ترتيب ميزان بزرگنمايي مفيد آن بين ۰۵ تا ۰۵۵۵ برابر مشخص شد. البته ميتوان ميکروسکوپ هايي با بزرگنمايي بيش از ۰۵۵۵ برابر ساخت. مثلً قدرت عدسي چشمي را بيشتر کرد. اما قدرت تفکيک نور ثابت است و درنتيجه حتي بزرگنمايي بيشتر ميتواند دو نقطه از يک شي را بهتر تفکيک کند. هر چه بزرگنمايي شيئ افزايش يابد به ميزان پيچيدگي آن افزوده ميشود. بزرگنمايي شيئ در ميکروسکوپ هاي تحقيقاتي جديد معمولً X۳، X۶، X۰۵، X۰۰، X۰۵ و X۰۵۵ است. در نتيجه بزرگنمايي در اين ميکروسکوپ بين ۰۱ تا ۰۰۵۵ برابر است. چون بزرگنمايي ميکروسکوپ نوري بدليل وجود محدوديت پراش از محدوده معيني تجاوز نميکند براي استفاده به جاي فوتون ها ، از الکترونها که طول موجشان در حد آنگستروم است تشکيل شده اند . توليد الکترون از طريق گرم نمودن فيلمان تنگستن صورت ميگيرد . اين الکترونها بوسيله اختلف پتانسيلي تا٠٢١ کيلو ولت شتاب مي گيرند .
دسته پرتو الکتروني توسط دو کندانسور الکترومغناطيسي کانوني مي شود . تصوير بر روي يک پرده فلورسنت تشکيل شده و با يک ذره بين دوچشمي تنظيم مي گردد.[٣-٠] اين تصوير بر روي صفحات عکاسي که در زير پرده فلورسنت قرار دارند و يا مونيتورهاي دستگاه ثبت مي شود . اين ميکروسکوپ از قسمت هاي اساسي زير ساخته شده است:
٠-ترانسفورماتور)مولد ولتاژ(
٢- ستون وپمپ هاي خلء
٣ـ تفنگ الکتروني
٤ـ سيستم متمرکز کننده
٥ـ محفظه نمونه
٦ـ عدسي هاي مياني و شيئ
٧ - سيستم تصويري )تصويرها و الگوي پراش(
٨-دوربين
CCD camera-9
بررسي بسياري از پديده هايي که احتياج به بزرگنمايي خيلي بيشتر دارند مفيد است. تحقيقات بسياري صورت گرفت تا وسيله دقيق تري با بزرگنمايي بيشتر ساخته شود. نتيجه اين پژوهش ها منجر به ساخت ميکروسکوپ الکتروني شد.
لوئيس دو بروگلي در سال ۰۲۰۰ براي اولين بار تئوري خصوصيات موجي الکترونها که طول موجي کمتر از نور مرئي دارند را ارائه کرد. در سال ۰۲۰۱ ديويسون و گرمر و همچنين تامپسون و ريد بطور مستقل آزمايشات کلسيک تفرق الکتروني را انجام دادند که نشان دهنده طبيعت موجي الکترو ها بود. در سال ۰۲۳۰ روسکا و نول اولين بار ايده ميکروسکوپ الکتروني را مطرح کردند. در سال ۰۲۳۶ اولين ميکروسکوپ الکتروني عبوري توسط شرکت Metropolitan-Vickers در انگلستان ساخته شد. ميکروسکوپ الکتروني عبوري يا TEM
نوعي ميکروسکوپ الکتروني است که قابليت عکس برداري از ريزساختار مواد با بزرگنمايي ۰٬۵۵۵ تا ۰٬۵۵۵٬۵۵۵ برابر با قدرت تفکيکي در حد کوچک تر از ۰ نانومتر را دارد.
ميکروسکوپ الکتروني عبوري همچنين توانايي آناليز عنصري، تعيين ساختار و جهت کريستالي اجزايي به کوچکي ۳۵ نانومتر را به صورت کيفي و کمي دارد. اصول ساختمان اين ميکروسکوپ مشابه ميکروسکوپ نوري است . اما پرتوهاي مورد
هاي ديگر مواد نانو ساختاري مانند ساختار بلوري و ترکيب شيميايي را نيز مي توان به دست آورد.[٨-٣]
مکانيزم هاي کنتراست در ميکروسکوپ الکتروني عبوري
اگر شيئي در محل مشخصي قرار گيرد، تصوير آن در محل مشخص ديگري تشکيل مي شود که در اين محل مي توان صفحه نمايش و دوربين را قرار داد و نيازي به تنظيم دقيق اين محل وجود ندارد زيرا عمق فوکوس بسيار بزرگ است. اپتيک هندسي براي توجه به بزرگنمايي، عمق ميدان و شرايط کانوني در پژوهش هاي مربوط به خواص نانو ساختاري ، ميکروسکوپ الکتروني عبوري يکي از مهم ترين و پرکاربرد ترين دستگاه هايي است که مورد استفاده قرار مي گيرد. در مطالعات انجام شده روي خواص مواد نانو ساختاري براي تعيين اندازه و شکل آنها از ميکروسکوپ الکتروني عبوري استفاده مي شود. اين روش ، اندازه و شکل ذرات را با دقت حدود چند دهم نانومتر به دست مي دهد که به نوع ماده و دستگاه مورد استفاده بستگي دارد. علوه بر تعيين شکل و اندازه ذرات به وسيله ميکروسکوپ الکتروني عبوري با استفاده از پراش الکترون و ساير سازوکارهاي موجود در برخورد الکترون با ماده ، برخي ويژگي
کنتراست ناشي از ضخامت - جرم
تصوير خوبي از نمونه هاي نازک با استفاده از TEM به دست مي آيد. مي توان فرض نمود که بجز اندک الکترون هاي برگشتي، الکترون هاي اوليه اي که از قسمت فوقاني وارد نمونه مي شوند از قسمت تحتاني نمونه خارج مي گردند. با اين حال زاويه حرکتي و نيز انرژي آن ها تحت تاثير تفرق الستيک و يا غير الستيک در داخل نمونه قرار دارند. بنابر اين وظيفه دريچه اي که در صفحه کانوني پشتي قرار دارد اين است که تمامي الکترون هايي که با زاويه اي بزرگتر از " α" که در شکل )٢(
نشان داده شده است و متفرق مي شوند را متوقف نمايد.
يک ميکروسکوپ بسيار مفيد است اما براي تفسير تصوير
بدست آمده تقريباً بي فايده خواهد بود، لذا بايد مکانيزم هاي کنتراست که مي توانند بيانگر اين موضوع باشند که چه چيزي در تصوير تيره يا روشن ديده مي شود، را مورد بررسي قرار داد.
سه نوع مکانيزم اساسي براي کنتراست وجود دارد. بايد توجه داشت که در هر کدام از اين موارد آنچه که در تشکيل تصوير نهايي نقش دارد همان دسته از الکترون هايي است که از دريچه شيئي عبور مي کند و آن دسته از الکترون ها که توسط دريچه شيئي متوقف مي شوند نقشي در تشکيل تصوير نخواهند داشت. آشکار است که اندازه و محل دريچه شيئي در تعيين طبيعت کنتراستي که در تصوير ديده مي شود، نقش اساسي ايفا مي کنند.
شکل ٢. دريچه شيئي در صفحه کانوني پشتي قرار دارد. اين دريچه به الکترون هايي که با زاويه بزرگتر از "α" متفرق شده اند اجازه نمي دهد تا به مسير خود در ستون ادامه داده و در توليد تصوير مشارکت نمايند
هستند و يا چگالي بالتري دارند، الکترونها را بصورت شديدتري در صورتي که دريچه با محور اپتيکي هم مرکز شده باشد و متفرق مي کنند و در تصوير تاريک تر ديده خواهند شد. اين در صورتي که نمونه اي وجود نداشته باشد، تصويري با زمينه اثر بطور شماتيک در شکل )٣( نشان داده شده است . روشن ديده خواهد شده که اين گونه تصوير برداري را تصوير برداري ميدان روشن مي نامند. مناطقي از نمونه که ضخيم تر
شکل ٣. تفرق الکترون ها از نواحي مختلف يک نمونه نازک. در ناحيه نازک )سمت چپ تصوير( فقط چند الکترون متفرق مي شوند و مثلً ٧٤ الکترون از ٠٥ الکترون تابيد شده اوليه، بدون انحراف به مسير خود ادامه مي دهند. در ناحيه ضخيم تر همين ماده ) وسط تصوير( تفرق بيش تري صورت مي گيرد و شايد ٧٣ الکترون در پرتوي منحرف نشده باقي بماند. در ناحيه اي با ضخامت مشابه ولي چگالي بيش تر )سمت راست تصوير(، تفرق باز هم بيش تر صورت گرفته و شايد ٣٤ الکترون مسير بدون انحراف خود را از درون عدسي شيئي ادامه دهند هاي خاصي از نمونه، قوياً افزايش مي يابد. بنابراين دريچه شيئي مي تواند به نحوي استفاده گردد که يکي از دو پرتوي منحرف نشده عبوري و يا پرتوي پراشيده موجب تشکيل تصوير گردند، که در حالت دوم کنتراست شديدتري از مناطقي از نمونه که موجب پراش قوي مي شود به وجود مي آيد. به منظور درک کنتراستي که در اين گونه تصاوير ايجاد مي شود بايد خصوصيات اصلي پراش الکتروني را مورد توجه قرار داد.
