EN ورود به کارتابل افراد ثبت نام افراد ورود نهادهای ترویجی
2280
filereader.php?p1=main_8da843ff65205a613

موضوع: تجهیزات فناوری نانو

فصل: میکروسکوپ‌های الکترونی


بخش‌ اول: نحوه تولید الکترون و برهمکنش آن با مواد
بخش دوم: میکروسکوپ الکترونی عبوری
بخش سوم: میکروسکوپ الکترونی روبشی


بخش‌ اول: نحوه تولید الکترون و برهمکنش آن با مواد


نویسنده: فرزاد حسینی نسب



مقدمه:

میکروسکوپ‌های الکترونی ابزاری مناسب و کارآمد برای کسب اطلاع از ساختار مواد در دنیای نانو هستند. آنها با توجه به ماهیت نور مرئی و اساس کار میکروسکوپ‌های نوری نسبت به این گونه میکروسکوپ‌ها ارجحیت دارند. همان طور که می‌دانید طول موج نور مرئی بین 400 تا 700 نانومتر است، در حالیکه دنیای نانو در محدوده اندازه 1 تا 100 نانومتر است. بنابر این با میکروسکوپ‌های نوری نمی‌توان مواد و ساختارهای با مقیاس نانو را با تفکیک‌پذیری یا رزولوشن بالا مشاهده کرد.
در این بخش ساختار کلی این میکروسکوپ‌ها معرفی شده است.


1- مقایسه میکروسکوپ الکترونی با میکروسکوپ نوری

امروزه میکروسکوپ‌های الکترونی به دلیل محدودیت میکروسکوپ‌های نوری که به فیزیک نور مربوط می‌شود، توسعه یافته‌اند. در این میکروسکوپ‌ها از پرتو‌های الکترونی پر انرژی برای بررسی مواد در مقیاس بسیار کوچک استفاده می‌شود. محدودیت میکروسکوپ‌های نوری در اوایل دهه 1930 میلادی شناخته شد و دانشمندان را به مشاهده جزییات بیشتر ساختارهای داخلی سلول‌های آلی علاقمند ساخت. اولین تفاوت اساسی میکروسکوپ الکترونی با میکروسکوپ نوری این است که در آنها به جای نور، الکترون‌ها تصویر را تشکیل می‌دهند. در این میکروسکوپ، الکترون‌ها پس از تولید در منبع تولید الکترون، در امتداد مسیر خود، از عدسی متمرکز‌کننده، عدسی شیئی، عدسی چشمی و دریچه‌های مختلف عبور می‌کند. تفاوت‌ اصلی دیگر این است که به جای عدسی‌های شیشه‌ای که در میکروسکوپ نوری از آنها استفاده می‌شود، عدسی‌ها در این میکروسکوپ از جنس سیم‌پیچ‌های الکتریکی هستند و مبنای کار آنها اعمال نیروهای الکترومغناطیسی به الکترون‌ها است (شکل 1). به دلیل استفاده از الکترون‌ها برای تشکیل تصویر، میکروسکوپ‌های الکترونی ویژگی‌های بیشتری نسبت به میکروسکوپ‌های نوری دارند. برای مثال، میکروسکوپ‌های الکترونی به محیط خلاء نیاز دارند، زیرا برخورد بین الکترون‌های پرانرژی و مولکول‌های هوا به شدت انرژی الکترون را جذب می‌کند. جدول 1 مشخصات میکروسکوپ‌های الکترونی و نوری را مقایسه می‌کند و شکل‌های 2 و 3 قدرت تفکیک این دو میکروسکوپ را با یکدیگر مقایسه کرده است.


filereader.php?p1=main_8ddf878039b70767c

شکل 1: مقایسه میکروسکوپ‌های الکترونی و نوری



filereader.php?p1=main_fac989447cad2edbc

شکل 2: تفاوت در قدرت تفکیک دو میروسکوپ نوری (سمت چپ) و میکروسکوپ الکترونی (سمت راست).



filereader.php?p1=main_c0828e0381730befd

شکل 3: تفاوت قدرت تفکیک در میکروسکوپ نوری (سمت چپ) و میکروسکوپ الکترونی (سمت راست). هر دو تصویر مربوط به ذرات مشابه اکسیدآلومینیم می باشد.


دو نوع میکروسکوپ الکترونی پرکاربرد و رایج در توسعه فناوری نانو، میکروسکوپ الکترونی عبوری (Transmission Electron Microscope (TEM)) و میکروسکوپ الکترونی روبشی (Scanning Electron Microscope (SEM)) هستند که در جلسه‌های بعدی تشریح می‌شوند.


2- اجزای میکروسکوپ الکترونی

2-1- منابع تولید الکترون

برای تشکیل تصویر در میکروسکوپ‌های الکترونی، یک منبع تولید الکترون وجود دارد. به منبع تولید الکترون اصطلاحا تفنگ الکترونی، گفته می‌شود و وظیفه آن تولید پرتو الکترونی پرانرژی است. ساختار کلی تفنگ الکترونی متشکل از سه قسمت اصلی است: کاتد (دارای بار مثبت) یا منبع تولید الکترون، الکترود وهنلت و آند (دارای بار منفی) (شکل 4). الکترون‌ها از سطح کاتد ساطع می‌شوند و توسط میدان الکتریکی به سمت آند شتاب می‌گیرند {همان‌طور که می‌دانید در میدان الکتریکی به بارهای الکتریکی نیرو وارد می‌شود. این نیرو برای بارهای مثبت در جهت میدان و برای الکترون‌ها در خلاف جهت میدان است.}. الکترود وهنلت بین کاتد و آند قرار گرفته است و پرتو الکترونی را متمرکز می‌کند.


filereader.php?p1=main_7e7cb6814b74d6596

شکل 4: ساختار کلی تفنگ الکترونی


به طور کلی دو نوع تفنگ الکترونی برای تولید پرتو اولیه در میکروسکوپ¬های الکترونی استفاده می‌شود. این دو نوع منبع، تفنگ‌های انتشار حرارتی و انتشار میدانی هستند.

2-2- تفنگ انتشار حرارتی

تفنگ انتشار حرارتی رایج‌ترین نوع تفنگ الکترونی است و شامل دو نوع مختلف تفنگ با رشته¬های تنگستنی و هگزابرید لانتانم (6LaB) است. دلایل استفاده از این مواد در تفنگ-های انتشار حرارتی، پایداری حرارتی و تابع کار آنها است.


تابع کار:
تابع کار به مقدار انرژی لازم برای کندن الکترون از مدارهای اتمی عناصر گفته می‌شود.

تفنگ تنگستنی از رشته‌های تنگستن به عنوان کاتد استفاده می‌کند. هنگام عملیات، رشته‌ها توسط جریان الکتریکی (جریان رشته) تا دمای بالا (حدود 2800 کلوین) گرم می‌شوند. دمای بالا، انرژی جنبشی الکترون‌ها را برای غلبه بر سد انرژی سطحی فراهم و آن‌ها را برای ترک سطح هدایت می‌کند. الکترون‌هایی که سطح را ترک می‌کنند توسط اختلاف پتانسیل الکتریکی بالا بین رشته کاتد و آند تا سطح انرژی بالا شتاب می‌گیرند. شدت (انرژی) پرتو الکترونی متناسب با دمای رشته‌ها و اختلاف پتانسیل شتاب‌دهی است. برای جلوگیری از پراکندگی الکترون‌های تولید شده در محفظه تفنگ الکترونیدر اثر برخورد با مولکول‌های اطراف، نیاز به ایجاد خلاء ضروری است.
هگزابرید لانتانم کاتد بهتری نسبت به تنگستن است و در میکروسکوپ‌های الکترونی پیشرفته بیشتر استفاده می‌شود، زیرا الکترون‌ها به انرژی جنبشی کمتری برای خروج از سطح هگزابرید لانتانم نیاز دارند، دلیل این امر کمتر بودن تابع کار سطحی آن نسبت به تنگستن است. تابع کار سطحی برای هگزابرید لانتانم حدود 2 الکترون‌ولت و تنگستن 5/4 الکترون‌ولت است. بنابراین، به دمای کاتد کم‌تری نیاز است. کاتد هگزابرید لانتانم می‌تواند پرتو الکترونی با شدت بیشتری تولید کند و عمر آن نسبت به رشته‌های تنگستنی بیشتر است. عیب تفنگ هگزابرید لانتانم نسبت به تفنگ تنگستنی، نیاز به خلاء بیشتر است.


2-3- تفنگ انتشار میدانی

این نوع تفنگ الکترونی به انرژی حرارتی برای انتشار الکترون نیاز ندارد. با اعمال میدان الکتریکی بسیار بالا به سطح فلز، به الکترون‌ها نیرو وارد شده و از نوک بسیار تیز بلور تنگستنی (شعاع نوک آن حدود 100 نانومتر است) جدا می‌شوند. تفنگ انتشار میدانی، پرتو الکترونی با بیشترین انرژی را تولید می‌کند که 104 برابر بزرگ‌تر از تفنگ با رشته تنگستنی و 100 برابر بزرگ‌تر از تفنگ با رشته هگزابرید لانتانم است، بنابراین تصاویری با کیفیت بهتر نسبت به تفنگ انتشار حرارتی تولید می‌کند. دو نوع تفنگ انتشار میدانی وجود دارد: تفنگ‌های حرارتی و سرد. تفنگ انتشار میدان حرارتی در دمای زیاد (1800-1600 کلوین) کار می‌کند که البته این دما کمتر از دمای تفنگ انتشار گرمایی است. این نوع تفنگ انتشار میدانی جریان تابشی پایدار با اختلال انتشار کمتر فراهم می‌کند. تفنگ انتشار میدانی سرد در دمای اتاق کار می‌کند. این نوع تفنگ محدوده انرژی بسیار باریکی (در حدود 5/0-3/0 الکترون‌ولت) ایجاد می‌کند. در جدول 2 مقایسه‌ای بین انواع مختلف تفنگ‌های الکترونی صورت گرفته است. شکل 5 انواع کاتدهای تولید پرتو الکترونی را نشان می‌دهد.


filereader.php?p1=main_437f57809f82b9e29

شکل 5: کاتد انتشار حرارتی الف) تنگستنی، ب) هگزابرید لانتانم، ج) انتشار میدانی تنگستنی


در تفنگ الکترونی، الکترون‌های ساطع شده از کاتد (سطح جامد) توسط اختلاف پتانسیل بالا شتاب می‌گیرند تا پرتو الکترونی پرانرژی تولید کنند. از آنجایی که انرژی الکترون تعیین‌کننده طول‌موج الکترون و طول‌موج، تعیین‌کننده قدرت تفکیک میکروسکوپ است، ولتاژ شتاب‌دهی به مقدار زیادی تعیین‌کننده قدرت تفکیک است. برای رسیدن به قدرت تفکیک بالا، میکروسکوپ الکترونی عبوری بیشتر تحت ولتاژ شتاب‌دهی بزرگ‌تر از 100 کیلو ولت کار می‌کند. در عمل، برای رسیدن به قدرت تفکیک مطلوب از ولتاژ 200 کیلو ولت استفاده می‌شود. میکروسکوپی الکترونی با ولتاژ بالا (حدود 1000 کیلو ولت) به دستگاه‌های بسیار گران قیمت نیاز دارد و ممکن است هنگام کار، با ایجاد عیب ریزساختاری به نمونه آسیب وارد شود. در مورد میکروسکوپ الکترونی روبشی ولتاژ شتاب‌دهی بین 1 تا 30 کیلو ولت است.


3- نحوه برهمکنش الکترون‌ها با نمونه

پس از برخورد پرتو الکترونی تولید شده در تفنگ الکترونی با نمونه، حالت‌های متفاوتی ممکن است اتفاق بیافتد (شکل 6). بر حسب دستگاه و نوع آنالیز مورد استفاده، هر کدام از حالت‌های زیر ممکن است، مورد استفاده قرار گیرند. پرتو الکترونی برخوردی به نمونه می‌تواند از نمونه عبور کند. از این حالت در دستگاه میکروسکوپ الکترونی عبوری، برای تصویر‌برداری استفاده می‌شود.
الکترون‌های برخوردی می‌توانند پس از برهمکنش درون نمونه، بازگشت داده شوند. به این الکترون‌ها، الکترون‌های برگشتی گفته می‌شود. الکترون‌های ثانویه به آنهایی گفته می‌شود که در اثر برخورد پرتو اولیه با نمونه، از نمونه ساطع می‌شوند. این دو نوع الکترون در تصویربرداری با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی که در مقالات بعدی تشریح خواهند شد، استفاده می‌شوند.



filereader.php?p1=main_425db905039f7a655

شکل 6: برهم‌کنش الکترون‌ها با نمونه


4- انواع عیوب تاثیرگذار در کیفیت تصویر میکروسکوپ الکترونی

دو پارامتر اصلی که کیفیت انواع میکروسکوپ‌ها را تعیین می‌کنند بزرگ‌نمایی و قدرت تفکیک هستند. به نسبت اندازه تصویر به اندازه منطقه تصویر‌برداری، بزرگ‌نمایی (magnification) گفته می‌شود و توانایی میکروسکوپ برای مشخص کردن جزئیات تصویر، قدرت تفکیک (resolution) نامیده می‌شود، به عبارت دیگر کمترین فاصله‌ای که دو جسم از یکدیگر می‌توانند داشته باشند تا به صورت جداگانه دیده شوند. قدرت تفکیک تأثیر مستقیم روی کیفیت تصویر دارد و هرچه مقدار آن مناسب‌تر باشد، جزئیات بیشتری در تصویر مشخص می‌شود و تصویر طبیعی‌تر به نظر می‌رسد. اندازه کوچک‌ترین جزئیاتی که با میکروسکوپ نوری قابل مشاهده است حدودا 200 نانومتر است که 1000 برابر بهتر از چشم انسان (200 میکرومتر) است. با توجه به طول‌موج نور مرئی (مورد استفاده در میکروسکوپ نوری) بزرگ‌نمایی بیش از 1000 برابر، تنها تصویر را بزرگ می‌کند و در قدرت تفکیک تأثیری ندارد.دست‌یابی به بیشینه قدرت تفکیک میکروسکوپ نوری امکان‌پذیر نیست. این موضوع به نقص‌های عدسی‌های مورد استفاده در این میکروسکوپ‌ها مربوط می‌شود. شکل 7 مقایسه بزرگنمایی و قدرت تفکیک را نشان می‌دهد. در تصویر بالا بزرگ‌نمایی، با افزایش قدرت مشاهده جزئیات همراه است که نشان‌دهنده قدرت تفکیک بالای دوربین است، در صورتیکه قدرت تفکیک تصویر پایین کم است.



filereader.php?p1=main_9d7115b42254d59b8

شکل 7: بزرگ‌نمایی در مقابل قدرت تفکیک، در شکل بالا با افزایش بزرگ‌نمایی


جزئیات تصویر افزایش می‌یابد. (قدرت تفکیک بالا)
دو نقص عدسی‌ها که بر قدرت تفکیک میکروسکوپ نوری اثر می‌گذارند، نقص رنگی و نقص کروی هستند. نقص رنگی به دلیل تغییر ضریب شکست عدسی در محدوده طول موج‌های نور (تجزیه نور) است. ضریب شکست شیشه عدسی به طول موج نور بستگی دارد و برای طول موج‌های کوتاه‌تر، بزرگ‌تر است. با توجه به شکل 8 سمت راست، از آنجایی که در نور معمولی (نور سفید) محدوده‌ای از طول موج‌ها وجود دارد، نمی‌توان آن را در یک نقطه متمرکز کرد.
نقص کروی به دلیل انحناء عدسی است. همان‌طور که در شکل 8 سمت چپ دیده می‌شود، پرتو‌های نور از یک نقطه شیء بر روی محور نوری (عمود بر مرکز عدسی)، در زاویه‌های مختلفی وارد عدسی می‌شوند و نمی‌توانند در یک نقطه متمرکز شوند. قسمت‌هایی از عدسی که از محور نوری دورتر هستند، پرتو‌ها را در فاصله نزدیک‌تری از عدسی متمرکز می‌کنند. با وجود این نقص‌ها در عدسی میکروسکوپ‌های نوری و محدودیت ناشی از طول موج، امکان بررسی نانو مواد که نیازمند قدرت تفکیک نانومتری هستند، با این میکروسکوپ‌ها وجود ندارد.


filereader.php?p1=main_3e8d88fdd85d71535

شکل 8: مسیر نوری نشان¬دهنده نقص رنگی (سمت راست) و نقص کروی (سمت چپ)


میکروسکوپ‌های الکترونی تصویر ریزساختار ماده را با بزرگ‌نمایی و قدرت تفکیک مناسب‌تری نسبت به میکروسکوپ‌های نوری تولید می‌کنند. بالا بودن قدرت تفکیک میکروسکوپ‌های الکترونی به دلیل کوتاه بودن طول‌موج‌ الکترون‌های استفاده شده برای تشکیل تصویر در این میکروسکوپ‌ها است. طول‌موج الکترون‌ها در میکروسکوپ‌های الکترونی در حدود 10000 برابر کوچک‌تر از نورمرئی بوده و با تغییرات سرعت الکترون قابل تنظیم است. اگر نقص‌های عدسی کمینه شود، قدرت تفکیک میکروسکوپ‌های الکترونی به 0/1 نانومتر می‌رسد. چنین قدرت تفکیک بالایی، میکروسکوپ‌های الکترونی را برای آشکارسازی جزئیات بسیار کوچک از ریزساختار ماده، مفید می‌سازد.

بیشتر بدانید:
نظریه دوبروی: همراه هر ذره‌ای که حرکت می‌کند موجی است که طول‌موج آن نسبت عکس با سرعت آن دارد و با استفاده از رابطه λ=h/mV محاسبه می‌شود.
در این رابطه h ثابت پلانک، m جرم ذره،V سرعت ذره و λ طول موج، موج همراه ذره هستند.






filereader.php?p1=main_bcd1b68617759b1df filereader.php?p1=main_fbaedde498cdead4f





منابع


1. Flegler, S.L., Heckman, Jr., J.W. and Klomparens, K.L. (1993) Scanning and Transmission Electron Microscopy,an Introduction, W.H. Freeman and Co., New York.
2. von Heimandahl, M. (1980) Electron Microscopy of Materials, Academic Press, New York.
3. Goodhew, P.J. and Humphreys, F.J. (1988) Electron Microscopy and Analysis, 2nd edition, Taylor & Francis Ltd,London.
4. Goldstein, J.I. and Yakowitz, H. (1977) Practical Scanning Electron Microscopy, Plenum Press, New York.
5. Goldstein, J.I., Romig, Jr., A.D., Newbury, D.E., Lyman, C.E., Echlin, P., Fiori, C., Joy, D.C. and Lifshin, E. (1992)Scanning Electron Microscopy and X-ray Microanalysis, 2nd edition, Plenum Press, New York.
6. Goodhew, P.J. and Humphreys, F.J. (1988) Electron Microscopy and Analysis, 2nd edition, Taylor & Francis Ltd,London.
7. Brandon, D. and Kaplan, W.D. (1999) Microstructural Characterization of Materials, John Wiley &Sons,Chichester.