آشنایی با تجهیزات آزمایشگاهی  فناوری نانو(1)

 معرفی میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM)

در پژوهش‌های مربوط به خواص مواد نانوساختاری میكروسكوپ الكترونی یكی از مهم‌ترین و پركاربردترین دستگاه‌هایی است كه مورد استفاده قرار می‌گیرد. در اغلب مطالعات انجام‌شده روی خواص مواد نانوساختاری برای تعیین اندازه و شكل آنها از میكروسكوپ  الكترونی عبوری Transmission Electron Microscopy) ) که به اختصاربه آن TEM می گویند،استفاده شده است. این روش اندازه و شكل ذرات را با دقت حدود چند دهم نانومتر به دست می‌دهد كه به نوع ماده و دستگاه مورد استفاده بستگی دارد. امروزه در بررسی خواص مواد نانوساختاری از میكروسكوپ الكترونی عبوری با وضوح بالا (High-Resolution) استفاده می‌شود. علاوه بر تعیین شكل و اندازه ذرات به وسیله میكروسكوپ الكترونی عبوری با استفاده از پراش الكترون و سایر سازوكارهای موجود در برخورد الكترون با ماده برخی ویژگی‌های دیگر مواد نانوساختاری مانند ساختار بلوری و تركیب شیمیای را می توان بدست آورد.

TEM مشابه میکروسکوپ های نوری است با این تفاوت که به جای پرتو نور در آن از پرتو الکترون استفاده می شود.درTEM یک پرتو الکترونی باانرژی بالاازمیان یک نمونه نازک می گذردواطلاعاتی را در مورد ساختارداخلی نمونه آشکارمی کند. پرتو تک انرژی منسجم دراستفاده ازتفنگ الکترونی( تفنگ الکترونی یا ساتع کننده الکترون یک قطعه الکتریکی است که باریکه ای از الکترون را که مقدار انرژی جنبشی دقیق و مشخصی دارد را تولید می کند و غالبا در تلویزیون و مانیتور که از تکنولوژی اشعه لوله کاتدی استفاده می کنند وجود دارد. همچنین در ابزاری مانند میکروسکوپ های الکترونی و شتاب دهنده های ذرات از آن استفاده می کنند.) با کارایی بالا بدست می آیدوبا استفاده از عدسی های الکترونی پیچیده ای دستکاری می گردد.

تفنگ الکترونی

آنچه که می توان با کمک میکروسکوپ نوری مشاهده کرده بسیار محدود است در حالی که با استفاده از الکترونها بجای نور، این محدودیت از بین می‌رود. وضوح تصویر در TEM هزار برابر بیشتر از یک میکروسکوپ نوری است.

یک دستگاه TEM بسیارشبیه به پروژکتوراسلاید،کارمی کند.یک پرتونور توسط پروژکتور ازمیان اسلاید به بیرون می تابد وهمان طورکه نورازمیان آن عبور می کند،برروی ساختارها واشیای روی اسلاید تغییراتی راپدید می آورد.این تاثیرات فقط درنتیجه عبور بعضی ازقسمت های پرتوهای نورانی ازمیان بعضی قسمت های اسلاید ،به وجود می آید.این پرتو عبور نموده ،سپس برروی یک صفحه نمایش ،برخورد می کند وتصویری بزرگ شده ازاسلاید رابرروی آن پدید می آورد.TEM ها به همین روش کار می کنندبه استثنای اینکه پرتوی ازالکترون ها(همانند نور)از میان نمونه عبور می کند. یعنی به جای نور،الکترون ها به نمونه برخورد می کنند.هر قسمت از پرتو الکترونی که از نمونه عبور می کند بر روی یک صفحه فسفری نمایش ،تصویری را تشکیل می دهد که کاربر آن را می تواند ببیند.

در واقع TEM نوعی پروژکتور نمایش اسلاید در مقیاس نانو می باشد که در آن پرتویی از الکترون ها از تصویر عبور داده می شود. الکترون هایی که از جسم عبور می کنند به پرده برخورد کرده سبب ایجاد تصویر از جسم بر روی پرده می شوند.

قسمت های تاریک تر بیانگر این امر هستند که الکترون های کمتری از این قسمت جسم عبور کرده اند (این بخش از نمونه چگالی بیشتری دارد) و نواحی روشن تر مکانهایی هستند که الکترون بیشتری از آنها عبور کرده است (بخش های کم چگال تر).میکروسکوپ الکترونی عبوری قادر است تصاویر نمونه های نازک را ،با بزرگ نمایی 1000الی1000000 نشان دهد.امروزه میکروسکوپ الکترونی عبوری مدرن با حد تفکیک پذبری فضایی 0.2نانومتر،حتی این امکان را برای ما به وجود می آورد که صفحه یا ستون اتمی را تصویر برداری کنیم ونحوه قرار گرفتن اتم ها را در یک ماده بررسی کنیم.

همان طور که گفتیم درمیکروسکوپ الکترونی عبوری یک پرتوالکترونی که از نمونه عبور می کند اطلاعاتی در مورد ساختار درونی آن آشکار می کند. پرتوالکترونی،الکترون هایی با انرژی بالاعموماKev(300-100) می باشند که بوسیله تفنگ الکترونی منتشر می گردند.منبع باید پرتو باریکی ازالکترون ها رابه همراه کنترل دقیق انرژی یعنی شتاب تولید کند.

پرتوالکترونی تولیدشده بوسیله کمک گرفتن ازترکیبات نوری الکترونی مانندلنزهای الکترومغناطیس وروزنه ها دستکاری می گردند.پرتوالکترونی در نمونه مورد نظرکه ضخامت آن معمولا بین 10 تا100 نانومتر است نفوذ می کند.بعضی از الکترون ها پراکنده می گردند درحالیکه بقیه ازنمونه بدون هیچ برهم کنشی می گذرند.الکترون هایی که از میان نمونه می گذرند اطلاعاتی را بدست می آورند که به طبیعت برهم کنش بانمونه یعنی پراکندگی غیرالاستیک(اطلاعات پیوندی وترکیبی)وپراکندگی الاستیک(قرارگیری اتم ها)وابسته است.

درواقع با کمک یک منبع نور در بالای میکروسکوپ ، الکترون ها گسیل و منتشر می شوند. الکترون ها از تیوب خلاء میکروسکوپ عبور می کنند. در میکروسکوپ های نوری از عدسی های شیشه ای برای متمرکز کردن نور استفاده می شود در حالی که در   میکروسکوپ الکترونی عبوری ازعدسی های الکترومغناطیسی استفاده می شود تا الکترون های را جمع و متمرکز ساخته و به صورت یک پرتوی باریک ،کوچک وهمدوس گسیل نماید. این پرتوی الکترونی به نمونه برخورد می کند وبخشی ازآن از درون نمونه عبور می کند.بخش عبورنموده از نمونه به وسیله ی یک عدسی شی ای داخل یک تصویر متمرکز می شود.بعدازگذشت تصویر از میان عدسی ها،تصویر بزرگ می شودوبه صفحه نمایش فسفری برخورد می کند ونوری را پدید می آورد که به کاربر اجازه می دهد تا تصویر را ببیند. نواحی تیره تر تصویر،سطحی ازنمونه را نشان می دهد که الکترون های کمی ازآن جا عبور کرده اند (قسمت هایی که ضخیم تر یا چگالترند) و نواحی روشن ترتصویر، سطوحی از نمونه را نشان میدهد که الکترون های بیشتری از آنجا عبور کرده است (قسمت هایی که نازک تر یا چگالی کمتری دارند).

آماده کردن نمونه نیزنیاز به دقت خاصی دارد که در ادامه اشاره می شود.

 برای میكروسكوپ الکترونی عبوری یكی از مراحلی است كه قبل از انجام آزمایش صورت می‌گیرد. با توجه به نوع ماده مورد آزمایش رو‌ش‌های مختلفی برای نمونه‌سازی وجود دارد كه مهمترین آنها عبارتند از:

* روش، ساده‌ نشاندن مقدار كمی از ماده در بستر حاوی ذرات

* پولیش الكتریكی ،شیمیایی و مكانیكی

* سایش اتمی

*استفاده از میكروسكوپ‌های یونی با پرتو كانونی شده (FIB)

*دستگاه اولترا میكروتومی برش لایه ی نازك از ماده كه برای نمونه‌های بیولوژیكی و بافت بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد .

در هر یك از این موارد نگهدارنده خاصی مورد نیاز می‌باشد. در اغلب اوقات برای آنالیز ذرات و یا نانوساختارها از توری مسی پوشانده شده با لایه كربنی در حد نانومتر استفاده می‌كنند. در نهایت ضخامت نمونه تهیه شده باید كمتر از یك میكرومتر باشد.

مزایای میکروسکوپ الکترونی عبوری درتوانایی آن درآمادگی برای اندازه گیری های منحصر به فردشبیه اطلاعات تفرق فضایی،جزئیات موفولوژی از جمله شكل، اندازه و نظم ذرات سازنده سطح یك نمونه، ،اطلاعات ترکیب (اطلاعات وترکیبا تی که شی ازآن ساخته شده است ومقدارتقریبی آن ها)،اطلاعا ت کریستا لوگرافی(ترتیب قرار گرفتن اتم‌ها در یک کریستا ل) وآنالیزایراد های داخلی (استقرار خراب،ایراد های لایه لایه شدن و...)است.درمقا یسه با روش های دیگر میکروسکوپی ،میکروسکوپ الکترونی عبوری چند عیب جدی دارد.یکی از آن ها آماده سازی نمونه، بخصوص نمونه های زیستی  تصاویردوبعدی هستندTEM ممکن است بسیار پیچیده باشد،ایراد دوم این است که تصاویر که از ساختارهای سه بعدی به دست آمده اند.این می تواند گاهی به تفسیر غلط از تصا ویر منجرشود.

 تصاویر در میکروسکوپ های الکترونی عبوری شفاف و دوبعدی می باشند

رزلوشنی  به اندازه0.2 نانومتردارد که درکاربرد های پزشکی ازآن استفادهTEMهمان طور که گفتیم می شود ،این رزلووشن مربوط به نمونه هایی است که کمتر از 200 نانومتر ضخامت دارند.

میکروسکوپ الکترونی عبوری زمینه کاربرد در بسیاری ازحوزه های زیستی ،فیزیک مولکولی واتمی تا کریستالوگرافی رادارد.بوسیله اتصال TEM با روش های اسپکتروسکوپی طیف سنجی افت انرژی الکترونی ،ترکیبات شیمیایی نمونه با رزولوشن فضایی بالا(کوچکتراز10نانومتر) بدست می آید.زمینه های کاربردی دیگر آن تعیین فاز وجداسازی ،تعیین خصوصیت میکرو ونانوساختارها،عیوب ،ترکیبات شیمیایی ذرات کوچک( نانومتر)،تصاویر میدان الکتریکی ومغناطیسی می باشد.میکروسکوپ الکترونی عبوری برای سنجش فرا ساختار فلزات بسیار ارزشمند است ،برای مثال نقص های بلورین برای اولین باردر تصاویرمیکروسکوپ الکترونی عبوری آلومینیوم مشاهده شد.میکروسکوپ الکترونی عبوری در علوم زیستی نیز مفید هستند.به عنوان مثال این میکروسکوپ ها می توانند برای بررسی بافت گیاهان،حیوانات،باکتری ها یا ویروس ها به کار روند.کاربرد های متعدد با استفاده از روش های فیلترینگ خلاقانه ودر عین حال ساده ،از امکان انتخاب الکترون ها بسته به میزان انرژی شان استفاده می کنند.با واکنش با ماده،الکترون ها تابش اشعه xرا تشدید می کنند که به شدت به ساختار داخلی اتم های سازنده نمونه ارتباط دارد.این روشی است که TEMبرای حوزه های مشخصی از علوم مانند فیزیک اتمی ومولکولی به کار می برد وجایگاه خود رابه عنوان دستگاهی ارزشمند حتی در فیزیک کوانتوم تثبیت می کند.

مریم نایب زاده

بخش دانش وزندگی تبیان

منابع:

1. کتاب اصول فیزیکی میکروسکوپی الکترونی آشنایی باTEM,SEM,AEM-ر.ف.اگرتون

2.کتاب نانو تکنولوژی علم پایه وتکنولوژی نوظهور-مایکل ویلسون

3. کتاب دیدگاهی بر فناوری نانو-عباس نجف زاده

4.نرم افزارNanopolis

5.,nano-hn2.ir nano.ir,nanolab.ir,nanoclub