آشنایی با روش‌های میکروسکوپی جهت مشخصه‌یابی نانومواد

۱- مقدمه

استفاده از پرتوهای الکترونی در میکروسکوپ‌ها به جای پرتوهای نور، به روشی رایج برای افزایش رزولوشن (قدرت تفکیک) و بزرگ‌نمایی میکروسکوپ‌ها تبدیل شده است. پرتوهای نور به علت طول‌موج زیاد، مطالعه دقیق نمونه‌ها را ممکن نمی‌سازد؛ این مشکل با استفاده ازپرتوهای نوترونی و الکترونی در TEM و ... تا حدود زیادی برطرف شده است و راه را برای پیشرفت هر چه بیشتر علوم فراهم ساخته است.

۲- میکروسکوپ نوری

چرا نمی‌توان با نور مرئی مقیاس نانومتر را دید؟یک حبه قند بردارید و از نزدیک خوب به آن نگاه کنید. چه می‌بینید؟ توده‌ای کاملاً سفید و کمی متخلخل. حال قند را زیر یک ذره‌بین قرار دهید. واضح است که حبه قند بزرگ‌تر شده است و حفره‌های ریزی نیز روی آن دیده می‌شود. اگر بخواهیم سطح قند را از فاصله نزدیک‌تری مشاهده کنیم، باید آن ‌را زیر میکروسکوپ قرار دهیم (احتمالاً در آزمایشگاه مدرسه نیز بتوانید یک میکروسکوپ پیدا کنید).

در کنار هر میکروسکوپ نوشته‌ای وجود دارد مانند  ۱۰۰x   (یا یک عدد دیگر در کنارX) که مشخص می‌کند آن میکروسکوپ تصویر را چند برابر می‌کند. به‌طور مثال، اگر روی میکروسکوپ نوشته شده است ۱۰۰x، به این معنی است که این میکروسکوپ تصویر جسم را ۱۰۰ برابر می‌کند. با یک میکروسکوپ ۱۰۰x می‌توانید خلل و فرج روی قند را به‌صورت حفره‌هایی بزرگ ببینید. اگر به آزمایشگاه‌های تخصصی‌تر یا پژوهشگاه‌های صنعتی بروید، می‌توانید قند را زیر میکروسکوپ‌های قوی‌تری قرارداده و تصویر دقیق‌تری از آن‌ را مشاهده کنید. این میکروسکوپ‌ها می‌توانند ساختار قند را تا ۱۰۰۰۰ برابر بزرگ‌تر کنند. این بزرگ‌نمایی باعث می‌شود که شما دیگر آن جسم سفید را زیر میکروسکوپ نبینید. آیا می‌دانید این دستگاه کوچک، چگونه تصویر قند را بزرگ می‌کند؟

شکل ۱- حبه قند و ساختار آن زیر یک میکروسکوپ

 اولین کسی که میکروسکوپ نوری را در سال ۴۰۰ هجری شمسی به‌صورت علمی مورد مطالعه قرار داد، ابن هیثم ایرانی بود. با ترجمه کتاب او به لاتین، راجر بیکن مطالعات او را پی گرفت. در قرن ۱۶ میلادی یانسن اولین میکروسکوپ چند لنزی را اختراع کرد. پس از او گالیله میکروسکوپ نوری بسیار دقیق‌تری ساخت. نام میکروسکوپ (یعنی «دیدن در حد میکرومتر») اولین بار بر اختراع گالیله گذاشته شد. به‌طور کلی یک میکروسکوپ نوری از اجزای زیر تشکیل شده است:

اساس کار در میکروسکوپ‌های نوری بر مبنای عملکرد عدسی‌ها است. عدسی‌ها از شیشه‌هایی با بزرگ‌نمایی بسیار بالا ساخته می‌شوند، به این معنی که فاصله کانونی آن‌ها بسیار کم است. مسیر نور از شیئ تا عدسی چشمی در شکل ۳ به‌طور کامل نشان داده شده است. برای فهم این شکل کافی است مبحث نور کتاب فیزیک دبیرستان را مرور کنید. ما در این جا اشاره کوچکی به عملکرد عدسی‌های شیئی و چشمی خواهیم داشت.

عدسی شیئی، مهم‌ترین قسمت یک میکروسکوپ نوری است. این عدسی، یک عدسی همگرا با فاصله کانونی کوچک است که تصویری حقیقی، وارونه و بزرگ‌تر از شیئ تشکیل می‌دهد. البته برای این منظور شیئ مورد نظر باید بین ${\mathrm{F}}_0$ (کانون عدسی شیئی) و $2{\mathrm{F}}_0$ (نقطه‌ای که فاصله آن از عدسی دو برابر کانون است) عدسی قرار گیرد.

عدسی چشمی، مثل ذره‌بین عمل می‌کند و بزرگ‌نمایی ابتدایی عدسی شیئی را تقویت می‌کند. توان عدسی چشمی کمتر از عدسی شیئی است و تصویر وارونه عدسی شیئی را به یک تصویر مجازی، بزرگ‌تر و مستقیم تبدیل می‌کند. امروزه دستگاه‌های پیشرفته‌تری مانند میکروسکوپ‌های نوری دیجیتال وجود دارند که عملکرد آن‌ها از آن چه در شکل ۳ آمده، پیچیده‌تر است.

شکل ۳- مسیر عبور نور در یک میکروسکوپ نوری

حال به قندمان برگردیم. به نظر شما بزرگ‌ترین تصویری که می‌توانیم زیر میکروسکوپ نوری از قند ببینیم چقدر است؟ به نظر شما آیا می‌توان ریزساختارهای نانومتری قند را در زیر میکروسکوپ دید؟ اگر پاسخ شما منفی است آیا با تغییر قطر عدسی یا سایر قسمت‌های میکروسکوپ می‌توان ساختارهایی نانومتری را مشاهده کرد؟

ما با استفاده از نور مرئی نمی‌توانیم مقیاس نانومتر (اندازه‌ای بین ۱ تا ۱۰۰ نانومتر) را ببینیم. البته محدودیت ما میزان بزرگ‌نمایی عدسی‌های در دسترس نیست بلکه مشکل ماهیت نور مرئی و اساس کار میکروسکوپ‌های نوری است.

طول‌موج نور مرئی بین ۴۰۰ تا ۷۰۰ نانومتر است. در صورتی که می‌دانیم فضای نانومتری که ما خواستار بررسی و مشاهده آن هستیم، مقیاسی بین ۱ تا ۱۰۰ نانومتر دارد. برای این که بدانیم چرا نمی‌توان از طول‌موج ۴۰۰ تا ۷۰۰ نانومتر برای مشاهده ۱ تا ۱۰۰ نانومتر استفاده کرد، باید با پارامتر "تفکیک‌پذیری" آشنا شویم.

  شکل ۴- طول‌موج طیف‌های مختلف نور مرئی بر حسب نانومتر

شما حتماً عبارت رزولوشن را بسیار شنیده‌اید. تفکیک‌پذیری یا رزولوشن پارامتری است که برای دستگاه‌های نوری مختلف (مانند دوربین عکاسی و ...) تعریف می‌شود. به‌طور خاص برای یک میکروسکوپ، منظور از تفکیک‌پذیری توانایی تمایز گذاشتن بین نقاط نزدیک به هم است به‌طوری‌که آن‌ها را نقاطی جدا از هم نشان دهد. بنابراین محدودیت عملکرد یک میکروسکوپ در کوچک‌ترین فاصله‌ای است که می‌تواند تمیز دهد. در حالت ایده‌آل یک عدسی باید هر نقطه روی شیئ مورد مطالعه را به‌عنوان یک نقطه تصویر کند. اما در عمل یک عدسی هر نقطه را به‌صورت یک دایره توپر نشان می‌دهد و در نتیجه وضوح تصویر کم می‌شود. به این دایره‌ها "دیسک ایری" می‌گویند. دقت یک میکروسکوپ، وابسته به قدرت آن در متمایز کردن دو دایره ایری نزدیک به هم است. علت به‌وجود آمدن دیسک‌های ایری، پدیده پراش است.

شعاع‌های موازی نور هنگام عبور از یک روزنه کوچک، از همدیگر دور می‌شوند و با یکدیگر تداخل می‌کنند. به این پدیده پراش گفته می‌شود. هر چقدر اندازه روزنه در مقایسه با طول‌موج نور کوچک‌تر باشد، این پدیده شدیدتر می‌شود. به‌ علت تداخل امواج نور، برخی از این شعاع‌ها همدیگر را خنثی می‌کنند و برخی به هم اضافه می‌شوند. اگر روزنه عبور نور دایره‌ای شکل باشد، این پدیده باعث ایجاد الگویی شبیه به شکل 5 می‌شود که دیسک ایری نامیده می‌شود.

شکل ۵- دیسک‌های ایری

 اندازه دیسک ایری (یا به‌طور دقیق‌تر قطر اولین دایره سیاه رنگ آن) به دو عامل اندازه روزنه و طول‌موج نور بستگی دارد. اندازه دیسک‌های ایری که با طول‌موج ۴۰۰ نانومتر تشکیل می‌شود، بسیار بزرگ‌تر از آن است که بتوان فاصله‌های کمتر از ۱۰۰ نانومتر را مشاهده کرد.

۳- میکروسکوپ‌های الکترونی

همان‌طور که گفتیم طول‌موج‌های کمتر از ۴۰۰ نانومتر نیز مرئی نیستند و نمی‌توان برای دیدن از آن‌ها استفاده کرد. برای حل این مشکل خانواده جدیدی از میکروسکوپ‌ها ساخته شده‌اند که در آن‌ها به جای پرتوهای نور از پرتوهای الکترونی استفاده می‌شود. همان‏ گونه که احتمالاً می‌‏دانید، استفاده از باریکه‏‌های الکترونی به عنوان جایگزینی برای پرتوهای نوری بسیار متداول است. استفاده از پرتوهای نوری در بررسی مواد زیستی و مهندسی سابقه‏ بسیار طولانی در علوم دارد. از نظر تاریخی، دلیل روی آوردن به استفاده از الکترون‌ها را باید در محدودیت «حد تفکیک» یا «رزولوشن» تصاویر در میکروسکوپ‏‌های نوری دانست. این محدودیت به دلیل اندازه‏ طول‌موج پرتوهای نور مرئی ایجاد می‌شود. گرچه پس از این‏ که میکروسکوپ‌های الکترونی توسعه یافتند، دلایل بیشتری برای استفاده از الکترون‌‏ها به جای پرتوهای نور به دست آمد. برخی قابلیت‏‌های میکروسکوپ‌‏های$\left(\mathrm{TEM}\right)$^[۱] کنونی مرهون این ویژگی‏‌های متمایز الکترون‌ها است.

نحوه کار میکروسکوپ‌های الکترونی بسیار شبیه میکروسکوپ‌های نوری است با ذکر این نکته که طول‌موج پرتوهای الکترونی بسیار کمتر از پرتوهای نوری است. میکروسکوپ‌های الکترونی به دو دسته میکروسکوپ‌های الکترونی عبوری (TEM) و میکروسکوپ‌های الکترونی روبشی$\left(\mathrm{SEM}\right)$ ^[۲] تقسیم می‌شوند.

جدول ۱- تفاوت‌ میکروسکوپ‌های نوری و الکترونی

با استفاده از میکروسکوپ TEM که بسیار شبیه به میکروسکوپ‌های نوری عمل می‌کند، اجسامی با اندازه چند آنگستروم را نیز می‌توان مشاهده کرد. وضوح تصویر در این میکروسکوپ هزار برابر بیشتر از میکروسکوپ نوری است. میکروسکوپ‌های الکترونی روبشی سطح نمونه را با پرتوهای پرانرژی الکترون روبش می‌کنند (روبش از مصدر روبیدن به معنی جارو کردن گرفته شده است، زیرا کار پرتوهای الکترون در این جا شبیه کار یک جارو است. SEMها تصویر جسم مورد نظر را ۱۰ تا ۱۰۰۰۰ برابر بزرگ می‌کنند و قدرت تفکیک آن‌ها در حد چند نانومتر است.

۱-۳- درآمدی برمیکروسکوپ الکترونی عبوری

 دانشمندان از روش‌های مختلفی برای بررسی ماده بهره می‏‌برند. دسته‏‌ای از این روش‌‏ها شامل روش‌‏های مبتنی بر استفاده از پرتوهای الکترومغناطیسی، پرتوهای الکترونی و پرتوهای نوترونی است. در دسته‏‌های دیگر از این روش‏‌ها با اعمال نوعی شرایط ویژه، نوع رفتار ماده در پاسخ به این شرایط اعمالی سنجیده می‏‌شود. در حالت بسیار ساده، می‏‌توان به اندازه‌گیری میزان مقاومت الکتریکی یک ماده، که با دانش دبیرستانی از فیزیک قابل درک و طرح‌‏ریزی است، اشاره کرد.میکروسکوپ الکترونی عبوری دستگاهی است که با استفاده از باریکه‌‏ای از پرتوهای الکترونی، نگاه پرسش‏گر انسان را به اعماق ساختار ماده برده و پرده از گوشه‏‌ای از اسرار خلقت آفرینش برمی‌‏دارد.

همان‌طور که در کتاب شیمی سال دوم دبیرستان اشاره شده است، در سال ۱۹۲۵ دانشمندی به نام لویی دوبروی به الکترون که ذره‌ای بودن آن قبلاً به اثبات رسیده بود، طول موجی نسبت داد. این طول‌موج مقدار بسیار کمتری از طول‌موج نور مرئی دارد.

در سال ۱۹۲۷ دانشمندانی از دو گروه تحقیقاتی به تجربیاتی از پدیده‌ای مشهور به تفرق الکترونی دست یافتند. این پدیده رفتار موجی الکترون‌ها را تأیید کرد. دیری نگذشت که ایده طراحی یک میکروسکوپ الکترونی شکل گرفت. اصطلاح میکروسکوپ الکترونی برای اولین بار در مقاله‏‌ای که آقایان نول و روشکا در سال ۱۹۳۲ به چاپ رساندند، به‌کار رفت. در این مقاله ایشان موفقیت خود را در زمینه لنزهای الکترونی توضیح دادند و هم‏چنین تصاویری را که توسط میکروسکوپ ابداعی خود تهیه کرده بودند، نمایش دادند (شکل ۶).

شکل ۶- میکروسکوپ الکترونی ساخته شده توسط روشکا (با لباس آزمایشگاه) و نول در برلین

این کار قدم بزرگی بود که منجر شد روشکا دو سال قبل از وفات، به دریافت جایزه‏ نوبل در سال ۱۹۸۶ مفتخر گردد. پس از آن، اولین نمونه‏ تجاری این دستگاه در سال ۱۹۳۶ به بازار ارائه شد. این دستگاه ایرادات بسیاری داشت و اولین نمونه‏ مورد قبول از TEM در سال ۱۹۳۹ عرضه شد. در اواسط دهه ۱۹۵۰ دانشمندانی به نام بولمن در سوئیس و هیرش در انگلستان به روش‌‏هایی برای نازک کردن نمونه‏‌های فلزی دست یافتند. این نمونه‌‏ها به گونه‌‏ای بودند که عبور باریکه‏ الکترونی از آن‌ها به راحتی امکان‏‌پذیر بود. این رویداد برای محققین حوزه مهندسی و علم مواد بسیار حائز اهمیت بود.

۴- میکروسکوپ‌های پروبی روبشی

در این دسته از میکروسکوپ‌ها تصویر سطح نمونه از طریق برهمکنش یک عامل روبشگر بر روی سطح نمونه تشکیل می‌شود. یک عامل روبشگر (همانند یک سوزن) بر روی سطح نمونه حرکت کرده و بر حسب تعامل عامل روبشگر با سطح نمونه تصویر از سطح نمونه حاصل می‌شود. این دسته از میکروسکوپ‌ها را که عامل اصلی تشکیل تصویر در آنها پیمایش یک روبشگر در سطح نمونه است، میکروسکوپ‌های پروبی روبشی$\left(\mathrm{SPM}\right)$ ^[۳] می‌نامند.

میکروسکوپ تونل‌زنی روبشی$\left(\mathrm{STM}\right)$ ^[۴] اولین عضو خانواده میکروسکوپ‌های پیمایشگر روبشی است. این میکروسکوپ با استفاده از یک سوزن بسیار ریز تنگستنی (که در اینجا نقش پیمایشگر را بازی می‌کند)، اجسام را مشاهده می‌کند. البته سطح جسمی که زیر STM قرار می‌گیرد، باید رسانا باشد. زمانی‌که سوزن این میکروسکوپ در فاصله ۱ نانومتری سطح رسانای جسم قرار می‌گیرد، بر اثر یک پدیده کوانتومی، جریانی از الکترون‌ها بین نوک سوزن و سطح رسانا برقرار می‌شود. به این پدیده "تونل زدن" گفته می‌شود. هر چه نوک سوزن به سطح نزدیک شود، جریان قوی‌تر می‌شود. اگر فاصله سوزن نسبت به یک نقطه مشخص از سطح ثابت باشد، با حرکت آن بر روی سطح و با توجه به پستی و بلندی‌های سطح، شدت جریان تونلی تغییر می‌کند. برای دیدن یک جسم نانومتری، سوزن میکروسکوپ را بر تمامی نقاط سطح حرکت می‌دهند و شدت جریان تونلی را به‌وسیله رایانه در نقاط مختلف ثبت می‌کنند. با کمک داده‌های ثبت شده، یک شکل سه بعدی از جسم به‌دست می‌آید.

در میکروسکوپ‌های پیمایشگر روبشی برای تهیه تصویر سطح نمونه از یک برهمکنش فیزیکی استفاده می‌کنند. در STM این برهمکنش جریان تونلی است و در میکروسکوپ دیگری به نام "میکروسکوپ نیروی اتمی" این برهمکنش نیروی بین اتمی است. میکروسکوپ نیروی اتمی$\left(\mathrm{AFM}\right)$ ^[۵]، میکروسکوپ دیگری است که پس از STM ساخته شد. عملکرد AFM تا حدودی شبیه به STM است با این تفاوت که این میکروسکوپ به جای استفاده از شدت جریان تونلی، نیروی بین اتمی میان اتم‌های سطح سوزن و اتم سطح جسم را معیار قرار می‌دهد.AFM کاربری بسیاری برای مشاهده مواد و اشیای زیستی دارد.

میکروسکوپ‌های الکترونی و میکروسکوپ‌های پیمایشگر روبشی مهم‌ترین ابزارهای ما برای کار کردن در مقیاس نانومتر هستند.

۵- میکروسکوپ و مفهوم حد تفکیک

بسیاری از مردم خواهند گفت که میکروسکوپ ابزاری است که می‌‏تواند اشیای بسیار ریز را که با چشم غیرمسلح دیده نمی‌شوند، بزرگ کند. البته ممکن است در برخی موارد به میکروسکوپ نوری نیز اشاره کنند. در این‏ جا تعریفی جدید از میکروسکوپ ارائه می‌دهیم که بر مبنای یکی از مهم‏‌ترین مفاهیم میکروسکوپی بنا شده است. 

چشم انسان می‌‏تواند، بین نقاطی که حداقل فاصله‌‏شان در حدود ۰/۲-۰/۱ میلی‌متر باشد، تفکیک قائل شود و آن‌ها را از هم تشخیص دهد. البته این عدد در بهترین حالت به‌دست می‌‏آید. طبق تعریف، به این عدد «حد تفکیک» یا در اصطلاح متداول انگلیسی آن، «رزولوشن» می‌‏گوییم. بنابراین هر ابزاری که بتواند تصویری را به ما ارائه دهد که در آن جزئیات ظریف‌‏تر از ۰/۱ میلی‌متر را نمایان کند، با عنوان میکروسکوپ توصیف می‌شود. بیشترین بزرگ‏نمایی مجاز و قابل استفاده‏ هر میکروسکوپ نیز به حد تفکیک آن بستگی دارد. 

میکروسکوپ TEM جذابیت‌های بسیاری در نظر محققین دارد. با توجه به این‏ که اندازه الکترون‌ها بسیار کوچک‏‌تر از اندازه‏ اتم‏‌هاست، حداقل از دیدگاه نظری می‌‏توان میکروسکوپی ساخت که بتوان جزئیاتی پایین‏‌تر از سطوح اتمی را با آن مشاهده کرد. این نکته کلیدی انگیزه‌‏های بسیاری را برای توسعه سریع میکروسکوپ‌های TEM ایجاد کرد.

از نظر یک متخصص، حد تفکیک TEM وابسته به عوامل متعددی است. در این جا برای سادگی می‌‏توانیم از معیار کلاسیک ریلی (Rayleigh) که برای میکروسکوپ‏‌های نوری ارائه شده است، استفاده کنیم. طبق این رابطه، کم‏ترین فاصله‌ای که می‌توان بین دو نقطه تشخیص داد، r، به طور تقریبی از رابطه‏ زیر به دست می‌آید:

در این رابطه، λ طول موج پرتو مورد استفاده، μ ضریب شکست محیط و β برابر با نصف زاویه همگرایی لنز مورد استفاده است. برای سادگی درک این رابطه می‌‏توان مقدار μ.sinβ را برابر با یک در نظر گرفت. در این حالت مقدار حد تفکیک تقریباً برابر با نصف طول موج مورد استفاده خواهد بود. در صورت استفاده از این ساده‌‏سازی، مقدار حد تفکیک برای نور سبز که با طول موج حدود ۵۵۰ نانومتر در میانه‏ طیف نور مرئی قرار دارد، برابر با ۳۰۰ نانومتر خواهد بود. با وجود این‏ که این عدد بسیار کوچک است و دستیابی به آن در میکروسکوپ‌های نوری یک موفقیت بزرگ محسوب می‌‏شود، اما این اندازه تقریباً برابر با اندازه‏ ۱۰۰۰ اتم در کنار هم است. بنابراین برای مشاهده‏ جزئیات مهم در فناوری نانو و بسیاری از کاربردهای دیگر مناسب نیست.

در TEM با استفاده از رابطه‌‏ای مشابه رابطه‏ ریلی، می‌‏توان به حد تفکیک‌های بسیار کوچک‏‌تری دست یافت. 

بنابراین دیده می‌شود که استفاده از پرتوهای الکترونی با طول موج‌‏های بسیار کوچک و از مرتبه‏ هزارم و ده هزارم نانومتر می‌‏تواند در دست‏یابی به حد تفکیک‌های زیر اتمی مفید باشد.

۶- جمع‌بندی و نتیجه‌گیری

طول‌موج نور مرئی در گستره ۷۰۰-۴۰۰ نانومتر قرار دارد لذا از طول‌موج مرئی برای مشاهده نانومواد که ابعادی بین ۱۰۰-۱ نانومتر دارند نمی‌توان بهره برد. پرتو الکترونی می‌تواند طولی‌موجی در حد آنگستروم داشته باشد. از این رو از پرتو الکترونی نه تنها می‌توان برای مشاهده نانومواد استفاده کرد بلکه امکان مشاهده ساختار کریستالی ماده نیز با استفاده از پرتو الکترونی ممکن است. میکروسکوپ‌های الکترونی روبشی (SEM) و عبوری (TEM) از برهمکنش بین الکترون‌ها و نمونه برای تشکیل تصویر استفاده می‌کنند. دسته‌ی جدیدتر میکروسکوپ‌ها که توانایی تشکیل تصاویر توپوگرافیک از سطح نمونه را در ابعاد نانومتری دارند، میکروسکوپ‌های پروبی روبشی هستند. معروف‌ترین میکروسکوپ‌های پروبی روبشی، میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) و تونلی روبشی (STM) هستند که اولی از نیروی اتمی بین روبشگر و سطح نمونه برای تشکیل تصویر استفاده می‌کند و دومی از برقرار جریان تونلی بین روبشگر و سطح نمونه برای تشکیل تصویر بهره می‌برد.

برای مطالعه مطالب علمی بیشتر به صفحه مقالات آموزشی سایت باشگاه نانو مراجعه نمایید.

۷- مراجع

کتاب مجموعه مقالات سایت باشگاه نانو

۸-پاورقی‌ها

[1] Transmission Electron Microscopy

[2] Scanning Electron Microscopy

[3] Scanning Probe Microscopy

[4] Scanning Tunneling Microscopy

[5] Atomic Force Microscopy