آنالیز HR-TEM

آنالیز HRTEM :میکروسکوپ الکترونی عبوری‌با قدرت تفکیک بالا

آنالیز HRTEM که به High Resolution Transmission Electron Microscopy معروف است، یکی از اعضای خانواده میکروسکوپ های الکترونی عبوری است که از آن برای تصویربرداری و مطالعه جزییات بسیار ریز (معمولا زیر ۴-۵ نانومتر) شبکه با قدرت تفکیک بالا استفاده می شود. تفاوت آنالیز HRTRM با میکروسکوپ الکترونی عبوری معمولی، قدرت تفکیک مناسب تر آن می باشد. در آنالیز HRTEM از هم از الکترون های عبوری و هم از الکترون هایی که از نمونه عبور نکردند (الکترون های برگشتی) برای تصویر برداری استفاده می شود. تصویر آنالیز HRETEM یک تصویر کنتراست فازی است و می تواند تا ابعاد یک سلول واحد (unit cell) کوچک باشد.

با استفاده از آزمون HRTEM می توان جزییات بسیار ریز مانند عیوب ساختاری، عیوب نقطه ای، نقص در چیدمان، انواع مختلف نابجایی ها و مرزهای دانه را مطالعه کرد. همانند میکروسکوپ های الکترونی روبشی ساده، در میکروسکوپ HRTEM نیز می بایست ضخامت نمونه ها بسیار کوچک (در حد حداکثر ۲-۳ میکرومتر) باشد تا بخش زیادی از الکترون ها از نمونه عبور کنند.

یکی از مهمترین چالش ها در آنالیز HRTEM آماده سازی نمونه برای تصویر برداری می باشد. روش های مختلف آماده سازی برای نمونه های مختلف پودری، بالک، فلزی و غیر فلزی و جود دارد که در ادامه برخی از آنها شرح داده شده است. مانند دیگر میکروسکوپ های الکترونی، در دستگاه HRTEM نیز قابلیت نصب انواع آشکارساز مانند EDS و EELS وجود دارد.

تفسیر آنالیز TEM

توانایی ها آنالیز HRTEM

• مشخص نمودن ساختار بوری و مورفولوژی مواد
• بررسی نانو مواد هسته پوسته (core-shell)
• بررسی نانو کامپوزیت‌ها
• مطالعات ریزساختاری مواد با قدرت تفکیک بالا و بزرگنمایی خیلی زیاد، مطالعات ساختارهای بلورها، تقارن، جهت گیری و نقائص بلوری
• امکان آنالیز شیمیایی اجزاء  نمونه توسط پرتوی ایکس ساطع شده از نمونه
• قابلیت آنالیز بلورشناسی اجزاء بسیار ریز مواد و مطالعه ی عیوب بلوری
• امکان شناسایی ترکیب مواد با استفاده از الگوی پراش الکترونی

در ادامه مشخصات دستگاه HRTEM مورد استفاده در سامانه مهامکس (تنها مرکز ارائه دهنده خدمات HRTEM با طرح های تخفیف شبکه آزمایشگاهی فناوری های راهبردی) آورده شده است.

مشخصات فنی دستگاه HRTEM

• دستگاه HR-TEM FEI TEC9G20 و HR-TEM Zeiss Libra

این دو دستگاه ولتاژ شتاب ۲۰۰kV دارند از این رو می‌توانند نمونه‌های پودری و بالک (بعد از آماده سازی) را مورد بررسی قرار دهند. وجود آنالیزهای عنصری EDS، EELS و ESI روی این دستگاه باعث می‌شود میزان عناصر درون نمونه را با دقت بالایی اندازه‌گیری کرد.  آنالیز تفرق الکترون از ناحیه انتخابی (SAED) نیز کمک می‌کند تا بتوان ساختار کریستالی ماده مورد بررسی را در ناحیه خاصی مورد بررسی قرار داد. این دستگاه‌ها برای آماده سازی نمونه‌های بالک از روش Ion milling استفاده می‌کنند که می‌توانند نمونه‌های کامپوزیتی را نیز برای تصویر برداری آماده سازی کنند.

انواع نمونه‌ها برای آنالیز  HR-TEM

• نمونه‌های پودری

نمونه‌های پودری می‌توانند به دو صورت تحویل اپراتور داده شوند. حالت اول نمونه‌های پودری خشک هستند. اپراتور مقدار مشخصی از این نمونه‌ها رو به الکل یا آب اضافه می‌کند و به وسیله التراسونیک پودر را در مایع دیسپرس می‌کند. برای تصویر برداری اپراتور مقداری از کلویید ایجاد شده را روی گریدی با پوشش کربن می‌ریزد. با خشک شدن کلویید روی گرید نمونه برای تصویر برداری آماده می‌شود. حال دوم نمونه‌های کلوییدی است. برای نمونه‌هایی که شرایط خاصی برای کلویید سازی دارند باید نمونه‌ها قبل از این که بدست اپراتور برسد توسط خود متقاضی در الکل کلویید شود. بعد از این که نمونه‌ها بدست اپراتور رسید اپراتور در صورت درخواست متقاضی می‌تواند با استفاده از التراسونیک مجددا پودر درون محلول را دیسپرس کند. البته برای این نمونه‌ها باید کلیه شرایط ساخت نمونه کلوییدی برای اپراتور مشخص شود و بهتر است قبل از ساخت نمونه با اپراتور هماهنگ شود تا مشکلی در تصویر برداری ایجاد نشود.

• نمونه‌های بالک

آماده سازی نمونه‌های بالک با توجه به جنس، شکل و ساختار نمونه ها متفاوت است و باید از روش‌های خاصی برای آماده سازی نمونه ها استفاده شود. به طور کلی آماده سازی نمونه‌‌های بالک برای TEM سخت و چالش برانگیز است. برای همین حتما قبل از ارسال نمونه باید با اپراتور در رابطه با امکان آماده سازی نمونه صحبت شود. به طور کلی برای آماده سازی نمونه‌های بالک دستگاه‌های Ion Milling، Jet Polish  و Dimpling موجود است. در صفحه مربوط به هر دستگاه توضیحات بیشتری در رابطه با آماده سازی نمونه بالک ارائه شده است.

تفسیر نتایج آنالیز HR-TEM

تصاویر

تصویر برداری HRTEM نیز در دو حالت میدان روشن و میدان تاریک انجام می‌شود. تصویر برداری میدان روشن، روش تصویر برداری متداول است. این تصویر بر اساس الکترون‌های عبوری از نمونه که تغییر مسیر کمی داشته اند ایجاد می‌شود و در آن شکل و اندازه ذرات به خوبی مشخص است. در این حالت با افزایش عدد اتمی، ضخامت و چگالی ماده تصویر ذرات تیره‌تر می‌شود و کنتراست تصویر (تیره یا روشن بودن هرجزء) وابسته به این پارامترها است. در مواردی که نمونه کامپوزیتی یا دو فازی باشد به دلیل تغییر ضخامت ماده تشخیص این دوفاز از یکدیگر سخت است و نمی‌توان مطمئن بود که منطقه تیره‌تر آیا منطقه‌ای از نمونه با فاز متفاوت است یا منطقه‌ای است که نمونه در آن ضخیم‌تر است. از این رو تصویر برداری با میدان تاریک می‌تواند کمک کننده باشد. در تصویر برداری با میدان تاریک از الکترون‌های عبوری که تغییر مسیر زیادی داشته‌اند استفاده می‌شود. در تصویر میدان تاریک فازها با عدد اتمی و ساختار متفاوت میزان پراکندگی الکترون متفاوتی دارند از این رو در این تصویر برداری بهتر می‌توان مناطقی با فاز متفاوت را تشخیص داد. به طور کلی برای نمونه‌های چند فازی بهتر است از هر ناحیه در دو حالت میدان تاریک و میدان روشن تصویر برداری شود.

پراش پرتو الکترونی SEAD

پراش پرتو الکترونی ابزاری قدرتمند برای تحلیل ساختار کریستالی مواد است. در تمام تصاویر الگوهای پراش یک نقطه روشن در مرکز قرار دارد که این نقطه در واقع مسیر الکترون‌های پراکنده نشده است. در نمونه‌های آمورف یک هاله در اطراف این نقطه ایجاد می‌شود که با فاصل گرفتن از نقطه مرکزی هاله کم نورتر می‌شود. در نمونه‌های پلی‌کریستال حلقه‌های دایره‌ای شکل در اطراف نقطه مرکزی دیده می‌شود هر یک از این حلقه ‌ها مربوط به یک خانواده از صفحات کریستالی است.

با اندازه گیری شعاع هر یک از حلقه‌ها می‌توان خانواده مرتبط با آن صفحه را مشخص نمود (مانند XRD). در مواد تک کریستال نقاط روشنی در اطراف نقطه مرکزی دیده می‌شوند. هر نقطه اطراف نقطه مرکزی نشان د‌هنده یک صفحه کریستالی است. نقاط هم فاصله از نقطه مرکزی مرتبط به یک خانواده هستند.

اگر منطقه‌ای که پراش اشعه ایکس از آن گرفته شده شامل چند کریستال باشد تعداد نقاط در هر فاصله چند برابر می‌شود و هر کریستالی که بزرگتر باشد نقاط مربوط به آن روشن‌تر هستند. اگر یک تک کریستال جهت گیری خاصی داشته باشد (در یک راستای کریستالی بیشتر رشد کرده باشد) نقاط مربوط به آن راستا روشن‌تر دیده می‌شوند.

آنالیزهای عنصری EDS، EELS و ESI

با استفاده از آنالیز‌های عنصری که روی دستگاه TEM نصب شده می‌توان آنالیز عنصری از ناحیه تصویر برداری شده را مشخص کرد و یا تصویری بر مبنای توزیع عناصر بدست آورد. وجود ۳ روش مختلف آنالیز عنصری باعث می‌شود بتوان تحلیل دقیقی از توزیع عناصر در ناحیه تصویر برداری بدست آورد.

‌