میکروسکوپ الکترونی عبوری با قدرت تفکیک بالا (HRTEM)

برای تعیین خصوصیات ریز ساختاری فلزات، سرامیکها، مواد معدنی، پلیمرها و مواد بیولوژیکی دربزرگ نمایی های بسیار زیاد و همچنین شناسایی ترکیبات شیمیایی، ساختار بلوری، فازهای غیر آلی، رسوبات و آلودگی ها از خانواده میکروسکوپ های الکترونی عبوری استفاده می شود. از جمله خصوصیات عمومی این میکروسکوپ ها می توان به گرفتن تصویر از ریز ساختار در بزرگنمایی هزار تا یک میلیون برابر، جزئیات ساختاری با قدرت تفکیک کمتر از یک نانومتر، آنالیز کیفی و کمی اجزای تشکیل دهنده، تعیین ساختار و جهت کریستالی اجزایی در حدود چندین نانومتر و تهیه تصویر صفحات کریستالی با فاصله کمتر از یک نانومتر از یکدیگر اشاره کرد.

انواع میکروسکوپ های الکترونی عبوری موجود قادر به تصویربرداری از سطح و داخل نمونه هستند که در این میان میکروسکوپ های الکترونی عبوری با قدرت تفکیک بالا گزینه مناسبی برای مشاهده ریز ساختار ماده در مقیاس اتمی می باشند.

HRTEM یکی از انواع میکروسکوپ های TEM است و به دلیل قدرت تفکیک بالای آن (بیشترین حد تفکیک میکروسکوپ HRTEM حدود ۵/۰ آنگستروم است) تبدیل به ابزاری قدرتمند برای بررسی ریزساختار مواد در مقیاس های اتمی مانند نقص های شبکه ای، فاصله صفحات اتمی و … شده است.  همچنین یکی دیگر از قابلیت های HRTEM تصویربرداری از چندین جهت و زوایای مختلف برای بدست آوردن نقشه سه بعدی از کریستال های سهبعدی است که این تکنیک الکترون کریستالوگرافی نامیده می شود.

فرآیند تصویربرداری با HRTEM همانند TEM در دو مرحله رخ می دهد. الکترون های فرودی با نمونه پس از برهمکنش با اتم ها می توانند به صورت الاستیک یا غیر الاستیک پراکنده شوند. لنزهای شیئی و تصویری در سمت دیگر نمونه قرار دارد که پرتوهای الکترون پس از عبور از نمونه، از این لنزها گذشته و تصویر بزرگنمایی شده تشکیل می شود. با قرار دادن یک صفحه نمایش مناسب می توان توزیع فضایی الکترون های متفرق شده که الگوی پراش نامیده می شود را آشکار کرد. توزیع زاویه ای الکترون های 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 می توان اطلاعات مفیدی درباره مواد کریستالی مانند ساختار و جهت کریستالی بدست آورد. اطلاعات بدست آمده از الگوی پراش الکترونی، کمک شایانی به فهم و تفسیر تصاویر بدست آمده از میکروسکوپ الکترونی عبوری می نماید.

مزایا و معایب HRTEM نسبت به TEM

این روش برای مشاهده تک تک اتم ها به ویژه مواد معدنی بسیار مناسب است. همچنین امکان مشاهده نقص های بلوری، ناخالصی های موجود در ساختار و فاز های مختلف وجود دارد. به عنوان مثال برای مشاهده مرزدانه ها، نقاط کوانتومی، سطوح برشی کریستالوگرافی، عیوب بلوری تنها میکروسکوپ الکترونی عبوری با قدرت تفکیک بالا استفاده می شود.

حضور عیوب کریستالی در نمونه باعث خمیدگی صفحات در مجاورت عیوب در اثر کرنش های ناشی از آنها می شود. این خمیدگی، شرایط  پراش و در نتیجه کنتراست پراش تصویر را تغییر می دهد. از آنجا که جزئیات خمیدگی صفحات، عموما به مشخصات عیب کریستالی بستگی دارد، با مطالعه کنتراست پراشی تصاویر درHRTEM می توان نوع عیب را شناسایی کرد. کرنش های شبکه ای اطراف رسوبات درتصاویر HRTEM به صورت حلقه هایی با چگالی کم دور آنها ظاهر می شود. با گرفتن تصاویر زمینه سیاه و زمینه روشن تحت شرایط خاصی، یک اندازه گیری مستقیم از کرنش های شبکه ای اطراف رسوبات که قابل توجه هم هستند، بدست می آید. 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 شبیه سازی کامپیوتری دارند

استفاده از روش میکروسکوپ الکترونی عبوری برای شناسایی ریز ساختار مواد علاوه بر کارایی بالا در این زمینه، محدودیت هایی نیز دارد. از جمله می توان به وقتگیر بودن آماده سازی نمونه ها اشاره کرد. ضمن اینکه به علت نازک کردن ضخامت نمونه ها ممکن است ریز ساختار ماده مثل چگالی نابجایی ها دچار تغییر شود. برای رفع این محدودیت ها می توان از روش پراش پرتو ایکس(XRD)   به عنوان یک روش کیفی و کمی در شناسایی ریز ساختار مواد استفاده کرد. از طرفی قدرت بالای اشعه الکترونی به ساختار نمونه آسیب وارد می کند و حتی در صورت تابش طولانی مدت می تواند باعث تجمع و به هم چسبیدن ذرات شود.

در ادامه به طور خلاصه کاربردهای HRTEM آورده شده است.

کاربردهای HRTEM

  • مشاهده عیب های بلوری در ماده مانند نابه جایی ها
  • مشاهده مرزدانه ها
  • 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 قدرت تفکیک بالا

تصاویر ایجاد شده توسط 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 می شود. برتری تصاویر میکروسکوپ الکترونی عبوری با قدرت تفکیک بالا نسبت به سایر میکروسکوپ های الکترونی قابلیت تصویربرداری با کنتراست بالاست.

دو سازوکاری که از پراکندگی پرتوهای الکترونی عبوری استفاده کرده و تصویر تولید می کند کنتراست چگالی جرمی و کنتراست پرش است.

  1. کنتراست چگالی جرمی:

پرتو الکترونی به ماده تابیده شده و با الکترون و هسته اتم برهمکنش دارد که باعث انحراف باریکه الکترونی از مسیر اولیه اش می شود. 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 معمولا از روزنه های شیئی کوچکتر و ولتاژ شتاب دهی کمتر استفاده می شود.

  1. کنتراست پراش:

در این حالت از طریق پراش پرتوهای الکترونی کنتراست تصویر ایجاد می شود. الکترون ها با برخورد به صفحات اتمی می توانند 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 می شود. زاویه پراش در میکروسکوپ های الکترونی کمتر از یک درجه است و پرتوهای پراش یافته به شکل نقطه روی صفحه کانونی پشتی عدسی شیئی بر روی صفحه فلورسنت نمایش داده می شود. تصاویر میدان روشن و تاریک نیز با همین روش تولید می شوند.

در میکروسکوپ HRTEM، از پرتوهای عبوری بدون انحراف و همچنین پراکنش یافته به طور مجزا و یا همزمان برای تشکیل تصویر استفاده می شود. تشکیل تصویر به دو صورت زمینه تاریک و زمینه روشن انجام می شود. پرتوهای عبوری بدون انحراف تصویر زمینه روشن را تشکیل می دهد. هر چه ماده چگال تر باشد نور عبوری از آن کمتر و تصویر تیره تر می شود. دریچه های موجود در دستگاه پرتوهای منحرف شده را حذف می کند. در مقابل، برای تشکیل تصویر زمینه تاریک فقط از پرتوهای منحرف شده استفاده می شود. اگر در این حالت تصویربرداری نمونه در دستگاه قرار نگیرد، پراشی رخ نداده و تصویر کاملا تیره تشکیل می شود. این حالت از تصویربرداری برای بررسی نقص های بلوری ، وضعیت دانه ها و شناخت یک فاز مشخص به کار می رود. در میکروسکوپ های HRTEM بر خلاف TEM از هر دو نوع پرتوهای عبوری مستقیم و منحرف شده برای تصویربرداری استفاده می شود. در طی فرآیند تشکیل تصویر الکترون هایی که با نمونه برهمکنش غیر الاستیک داشته و انرژی شان کاهش یابد، فیلتر شده و وضوح سیستم را افزایش می دهد.

 

 

شکل۱) نحوه تنظیم دریچه عبوری برای تشکیل (A) تصاویر زمینه روشن و (B) تصاویر زمینه تاریک

 

شکل2) تصاویر TEM مربوط به میکروکریستالهای ZrO2 (A) زمینه روشن و (B) زمینه تاریک

شکل۲) تصاویر TEM مربوط به میکروکریستالهای ZrO2 (A) زمینه روشن و (B) زمینه تاریک

سیستم پردازش تصویر در  HRTEMپیچیده تر از TEM است زیرا از هر دو نوع پرتوی عبوری مستقیم و منحرف شده استفاده می شود. موج عبوری از نمونه از آشکارساز دیجیتالی پیکسلی مانند دوربین CCD عبور می کند و به صورت موج تصویر تعریف می شود که با تابع انتقال کنتراست فازی (CTF) محاسبه می شود. تابع انتقال کنتراست فازی(CTF)، تابعی از عملکرد دریچه های محدود کننده و خطای لنزهای تصویری بکار رفته در ساختار میکروسکوپ است و با ورود موج خروجی از نمونه و اعمال این تابع، نهایتا موج تصویری ایجاد می شود.

با فرض ضخامت بسیار کم نمونه برای تابع CTF داریم:

A(u) سهم مربوط به دریچه،  E(u) تابع محاطی(envelope function) است که میرایی موج برای فرکانس های فضایی بالا را نشان می دهد و χ(u) سهم مربوط به خطای سیستم اپتیکی است. جمله سینوسی تعیین می‫کند که کدام فرکانس‫ها در کنتراست تصویر نهایی مشارکت می‫کنند.

اگر خطا از نوع کروی و مرتبه ۳ در نظر گرفته شوند، تابع خطا ، X، حول محور اپتیک میکروسکوپ متقارن و تنها تابعی از u است و داریم:

که در آن Cs ضریب خطای کروی،  λ طول موج الکترون و Δf میزان خطا کانونی است. با تغییر مکان نمونه، تابع CTF به راحتی قابل تغییر است و می توان میزان خطا را کنترل کرد. تابع محاطی توسط رابطه زیر مشخص می گردد:

 

لنزهای میکروسکوپی خطای کروی (Cs) و رنگی(Cc) ایجاد می کنند که در Es(u) و Ec(u) نقش دارند. این دو جمله Es(u) و Ec(u) باعث ناپایداری CFT در فضای فوریه با افزایش u مطابق روابط زیر می شوند:

که در آن δ دامنه کانونی و Cc پارامتر خطای رنگی لنز است.

 

عبارت های   و   ناپایداری های جریان را در لنزهای مغناطیسی نشان می‫دهند. عبارت  توزیع انرژی الکترون های ساطع شده از منبع است.

 

اجزای میکروسکوپ الکترونی عبوری

  • تفنگ الکترونی

تفنگ الکترونی باریکه‌ای از الکترون‌های پرانرژی که می توانند از ضخامت نمونه عبور کنند، تولید می کند. تفنگ الکترونی از سه بخش منبع الکترونی(کاتد)، سیستم شتاب دهنده و تامین کننده ولتاژ پایدار ساخته شده است. تفنگ های الکترونی در بالای دستگاه قرار می گیرند و در دو نوع گسیل گرمایونی و گسیل میدانی وجود دارند. در تفنگ های گسیل گرمایونی، الکترون ها از فیلامان داغ که نقطه ذوب بالا و تابع کار پایین دارد، منتشر شده و به سمت آند می روند. فیلامان های این نوع تفنگ الکترونی، تنگستن و یا لانتانیوم هگزابوراید است. تفنگ گسیل میدانی با قرار گرفتن در میدان الکتریکی و اعمال ولتاژ بالا باعث کنده و ساطع شدن الکترون ها از سطح فیلامان می شود. این نوع فیلامان تابع کار بسیار کمتری داشته و در دمای پایین کار می کند.

  • سیستم های عدسی

باریکه الکترونی قبل از رسیدن به نمونه از عدسی های متمرکز کننده عبور کرده و با انرژی بالا به نمونه برخورد می کند. نمونه بین عدسی های شیئی قرار می گیرد و بزرگنمایی اولیه تصویر به کمک این عدسی ها صورت می گیرد که معمولا ۵۰ تا ۱۰۰ برابر است. اولین عدسی که پس از نمونه قرار دارد عدسی پراش است که الگوی پراش ماده را نشان می دهد. پس از این عدسی، برای ایجاد بزرگنمایی بیشتر عدسی های میانی قرار دارند و در نهایت اخرین عدسی که عدسی پروژکتوری نامیده می شود قبل از تصویر قرار دارد. تمامی عدسی های موجود با کنترل فواصل کانونی و بزرگنمایی موردنظر، باعث تشکیل تصویری با کیفیت مطلوب می شوند. همچنین از عدسی های الکترومغناطیس برای دستیابی به بزرگنمایی های بالا به کار می رود. این نوع عدسی با تغییر در میدان مغناطیسی باعث تغییر در فواصل کانونی و بزرگنمایی های مختلف می شود.

  • محفظه نمونه

محفظه نمونه پس از عدسی های متمرکز کننده قرار دارد و قابلیت چرخش و جابه جایی در حد چند میلی متر دارد. نمونه ها باید بسیار کوچک تهیه شود و کاملا دقیق در محل مناسب قرار گیرد. میله نگه دارنده نمونه می تواند در حد چند میلی متر در طول صفحه جابه جا شود و در مقادیر بسیار کوچکی در راستای عمودی حرکت کند.