در مطلب قبلی در مورد مهندسی پروتئین (Protein Engineering) ) صحبت کردیم. در این مطلب از دایا اکسیر که خرید آنلاین مواد شیمیایی آزمایشگاهی را برای شما آسان کرده است، می خواهیم یکی از آنالیز های مهم مواد به نام آنالیز میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) را بررسی کنیم. در این آنالیز میتوان آنالیز عنصری کیفی و کمی اجزایی به کوچکی ۳۰ نانومتر را انجام داد. هم چنین برای تعیین ساختار و جهت کریستالی اجزایی به کوچکی ۳۰ نانومتر و تهیه تصویر صفحات کریستالی با فاصله بیشتر از۱۲/۰ نانومتر از یکدیگر از میکروسکوپ الکترونی عبوری استفاده می شود. در ادامه مطلب بیشتر شما را با آنالیز میکروسکوپ الکترونی عبوری یا TEM آشنا خواهیم کرد.
فهرست مطالبی که در ادامه به آنها پرداخته شده است:
آنالیز میکروسکوپ الکترونی عبوری چیست؟ (Transmission Electron Microscopy)
آنالیز میکروسکوپ الکترونی عبوری ابزار بسیار قدرتمندی برای علم مواد است. یک پرتو پرانرژی از الکترون ها از یک نمونه بسیار نازک تابیده می شود و از برهمکنش بین الکترون ها و اتم ها می توان برای مشاهده ویژگی هایی مانند ساختار کریستالی و ویژگی هایی مانند قرارگیری نادرست در ساختار و آنالیز شیمیایی استفاده کرد. TEM می تواند برای مطالعه رشد لایه ها، ترکیب آنها و نقص در نیمه هادی ها استفاده شود. وضوح بالا برای تجزیه و تحلیل کیفیت، شکل، اندازه و چگالی چاه های کوانتومی، سیم ها و نقاط کاربرد دارد.
TEM بر اساس همان اصول اولیه میکروسکوپ نوری عمل می کند اما از الکترون به جای نور استفاده می کند. از آنجایی که طول موج الکترون ها بسیار کوچکتر از طول موج نور است، وضوح قابل دستیابی برای تصاویر TEM چندین مرتبه بهتر از یک میکروسکوپ نوری است. بنابراین، آنالیز میکروسکوپ الکترونی عبوری ها می توانند بهترین جزئیات ساختار داخلی را آشکار کنند. این دستگاه در برخی موارد توانایی نمایش تصاویر به کوچکی اتم های منفرد را دارد.
تصویر برداری (Imaging)
پرتو الکترون های تفنگ الکترونی با استفاده از عدسی کندانسور (condenser lens) به یک پرتو کوچک، نازک و منسجم متمرکز می شود. این پرتو توسط دیافراگم کندانسور محدود می شود، که الکترون های با زاویه بالا را حذف می کند. سپس پرتو به نمونه برخورد می کند و قسمت هایی از آن بسته به ضخامت و شفافیت الکترونی نمونه، عبور می کنند. این پرتو ارسال شده توسط لنز شیئی به یک تصویر روی صفحه فسفر یا دوربین (CCD) charge coupled device متمرکز می شود. می توان دیافراگم های هدف اختیاری را برای افزایش کنتراست با مسدود کردن الکترون های پراش با زاویه بالا نیز استفاده کرد. سپس تصویر از طریق لنزهای میانی و پروژکتور به ستون منتقل می شود و بزرگ می شود.
تصویر به صفحه فسفر برخورد می کند و نور تولید می شود و به کاربر اجازه می دهد تصویر را ببیند. نواحی تیره‌تر تصویر، قسمت‌هایی از نمونه را نشان می‌دهد که الکترون‌های کمتری از طریق آنها منتقل می‌شود، در حالی که مناطق روشن‌تر تصویر، مناطقی از نمونه را نشان می‌دهند که الکترون‌های بیشتری از طریق آنها منتقل شده‌اند.
انکسار (diffraction)
شکل بالا یک طرح ساده از مسیر پرتوی الکترون در یک آنالیز میکروسکوپ الکترونی عبوری از بالای نمونه و پایین ستون تا صفحه فسفر را نشان می دهد. همانطور که الکترون ها از نمونه عبور می کنند، توسط پتانسیل الکترواستاتیکی که توسط عناصر تشکیل دهنده در نمونه ایجاد شده است، پراکنده می شوند. پس از عبور از نمونه، آنها از عدسی هدف الکترومغناطیسی عبور می کنند که تمام الکترون های پراکنده شده از یک نقطه از نمونه را به یک نقطه در صفحه تصویر متمرکز می کند. همچنین در شکل یک خط نقطه چین نشان داده شده است که در آن الکترون های پراکنده شده در یک جهت توسط نمونه در یک نقطه جمع می شوند. این صفحه کانونی پشتی عدسی شیئی است و جایی است که الگوی انکسار یا diffraction شکل می گیرد.
آماده سازی نمونه
یک نمونه TEM باید به اندازه‌ای نازک باشد که بتواند الکترون‌های کافی را برای ایجاد تصویر، با حداقل اتلاف انرژی ارسال کند. بنابراین آماده سازی نمونه یک جنبه مهم از آنالیز میکروسکوپ الکترونی عبوری است. برای اکثر مواد الکترونیکی، مراحل متداول تکنیک های آماده سازی شامل برش دیسک اولتراسونیک، فرورفتگی و آسیاب یونی است. فرورفتگی یک تکنیک آماده سازی است که نمونه ای با ناحیه مرکزی نازک شده و لبه بیرونی با ضخامت کافی برای سهولت در جابجایی تولید می کند. آسیاب یونی به طور سنتی شکل نهایی آماده سازی نمونه است. در این فرآیند، یون های آرگون باردار با اعمال ولتاژ بالا به سطح نمونه شتاب می گیرند. برخورد یون به سطح نمونه باعث حذف مواد در نتیجه انتقال تکانه می شود
تفاوت بین SEM و TEM
تفاوت اصلی بین SEM و TEM در این است که SEM با تشخیص الکترون های بازتاب شده یا شکسته شده تصویری ایجاد می کند، در حالی که TEM از الکترون های ارسالی (الکترون هایی که از نمونه عبور می کنند) برای ایجاد یک تصویر استفاده می کند. در نتیجه، آنالیز میکروسکوپ الکترونی عبوری اطلاعات ارزشمندی را در مورد ساختار داخلی نمونه، مانند ساختار بلوری، مورفولوژی و اطلاعات وضعیت تنش ارائه می دهد، در حالی که SEM اطلاعاتی را در مورد سطح نمونه و ترکیب آن ارائه می دهد. واضح است که هیچ تکنیک «بهتر» وجود ندارد. همه چیز به نوع تحلیلی که شما نیاز دارید بستگی دارد. زمانی که می خواهید اطلاعاتی را از ساختار داخلی دریافت کنید، آنالیز میکروسکوپ الکترونی عبوری انتخابی است، در حالی که زمانی که اطلاعات سطح مورد نیاز است، SEM ترجیح داده می شود. البته عوامل اصلی تصمیم گیری تفاوت قیمت زیاد بین دو سیستم و همچنین سهولت استفاده است. TEMها ممکن است قدرت تفکیک و تطبیق پذیری بسیار بیشتری را برای کاربر فراهم کنند، اما آنها بسیار گرانتر و بزرگتر از SEMها هستند و برای بدست آوردن و تفسیر نتایج به تلاش بیشتری نیاز دارند. به صورت کلی SEM تصویر سه بعدی و سطحی و آنالیز میکروسکوپ الکترونی عبوری، تصویر دو بعدی با توانایی نشان دان داخل ذرات را ارایه می دهند. در نتیجه هر دو آنالیز مکمل یکدیگر اند.
معایب آنالیز میکروسکوپ الکترونی عبوری
- فرآیند سخت ، پیچیده و زمان بر نمونه سازی
- قدرت تفکیک تصویر حدود۲/۰ نانومتر
- زمان طولانی انجام آزمایش برای هر نمونه
- امکان تغییر ساختار نمونه در حین فرایند آماده‌سازی
- میدان دید بسیار کوچک
سخن پایانی
در این مطلب به موضوع اینکه آنالیز میکروسکوپ الکترونی عبوری چیست و چه کاربردی دارد، پرداخته شد و باتوجه به مطالب که تاکنون گفته شد میتوان نتیجه گرفت .آزمون TEM روشی است که توانایی آنالیز عنصری، تعیین ساختار و جهت کریستالی اجزایی به کوچکی ۳۰ نانومتر را به صورت کیفی و کمی دارد. امروزه از آنالیز TEM به علت توانایی تعیین خصوصیات ریزساختاری فلزات، سرامیک ها ، مواد زمین شناسی، پلیمر ها و مواد بیولوژیکی، در بزرگنمایی بسیار زیاد و شناسایی فازهای غیر آلی، رسوبات و آلودگی ها در طیف وسیعی از رشته‌های علمی مثل فیزیک، شیمی و علوم زیستی و علم مواد و متالورژی و … استفاده می شود.
