تعیین اندازه ذرات با استفاده از میکروسکوپ الکترونی عبوری

 ۱- مقدمه

امروزه پیشرفت‌های موثری در سنتز نانوذرات حاصل شده است که به دلیل پیشرفت در روش مطالعه آن‌ها می‌باشد. یکی از مواردی که در مطالعه نانوذرات نقش اساسی ایفا می‌کند، تعیین اندازه آن‌ها است. استفاده از میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) یکی از روش‌های موثر در تعیین اندازه ذرات می‌باشد که می‌تواند اطلاعات کمی و کیفی مفیدی را در اختیار ما قرار دهد. میکروسکوپ الکترونی عبوری روشی است که قابلیت تصویربرداری مستقیم از ذرات تا اندازه یک اتم را ایجاد می‌کند و این مزیت تصویر مستقیم باید در کار با میکروسکوپ در نظر گرفته شود. در مقاله حاضر به برخی از این موارد پرداخته خواهد شد. برای تعیین خاصیت ذرات نیز تعیین نوع دقیق تصویر زمینه روشن یا زمینه تاریک، بزرگنمایی و روش آنالیز (دستی یا اتوماتیک) بسیار مهم می‌باشد. این پارامترها در میزان وضوح تصویر و کنتراست بین ذرات و زمینه، تعداد ذرات در هر تصویر و در نتیجه آنالیز نهایی ذرات موثر می‌باشد.

۲-تصویربرداری از نانوذرات

برای آنالیز ذرات تکنیک‌های تصویربرداری متعددی مورد استفاده قرار می‌گیرد که این تکنیک‌ها شامل تصویربرداری زمینه روشن^[۱]، تصویربرداری زمینه تاریک^[۲]، و تصویربرداری تفکیک فازی^[۳] می‌باشد. حال به مطالعه هر یک از این تکنیک‌ها می‌پردازیم.

قبل از این که به بحث در مورد روش‌های تشکیل تصویر بپردازیم باید به این نکته اشاره کرد که به دلیل نقص اجتناب ناپذیر در ساخت لنزهای الکترومغناطیس، بیشتر میکروسکوپ‌های TEM مرسوم دارای انحراف^[۴] در لنزها، که باعث نقصان در وضوح تصویر می‌شود، هستند. این نقص‌ها شامل انحراف کروی، انحراف کروماتیک و انحراف آستیگمات می‌باشد. شدیدترین نوع انحراف کروی می‌باشد که باعث عدم استقرار یا عدم توانایی برای تعریف مکان نقاط تصویر می‌شود که در این صورت نقاط به صورت دیسکی لکه‌دار مشاهده می‌شوند. این عدم استقرار یا لکه‌دار شدن تصاویر، باعث محدودیت در وضوح تصویر و قابلیت تفسیر تصویر می‌شود. جهت کاهش میزان انحراف باید تکنیک‌های خاصی را مورد استفاده قرار داد که خود بحث مفصلی را می‌طلبد.

۱-۲- تصویربرداری زمینه روشن

در تصویربرداری زمینه روشن از بیم الکترونی که از الکترون‌های پراشیده مستقیم^[۵] تشکیل شده است، استفاده می‌شود. این بیم الکترونی به صورت غیرالاستیک پراکنده شده و مسیر آن موازی بیم تابیده شده است و در حقیقت شامل الکترون‌هایی است که از نمونه عبور کرده‌اند. تصویر زمینه روشن را عموما می‌توان با الحاق روزنه شیئی^[۶] تشکیل داد. این روزنه باید به اندازه کافی کوچک باشد تا فقط اجازه عبور بیم الکترونی مستقیم را بدهد. در تشکیل تصویر زمینه روشن می‌توان کنتراست بین زمینه و نمونه را با تغییر پارامترهای زیر افزایش داد:

• افزایش ضخامت نمونه
• افزایش چگالی ماده در ضخامت ثابت
• کریستالی بودن نمونه در جهتی که قانون براگ برقرار است.

برای ذرات کوچکتر از ۲ نانومتر، تمام مکانیزم‌های پراکندگی مینیمم می‌باشد و کنتراست بین زمینه (که معمولا فیلمی از کربن آمورف است) و نانوذرات محدود می‌باشد و این به دلیل محدودیت تعداد مراکز پراکندگی ذرات نسبت به تعداد مراکز پراکندگی در زمینه است. برای اینکه الکترون‌های پراشیده شده را به دامنه کنتراست قابل بررسی تبدیل کنیم، باید بیم مستقیم یا بیم پراشیده شده در ناحیه پراش انتخاب شده^[۷] را انتخاب کرده تا تصویر زمینه روشن یا تصویر زمینه تاریک به ترتیب تشکیل شود. باید به خاطر داشته باشیم اگر بدون روزنه تصویر را تشکیل دهیم، کنتراست کاهش می‌یابد و این به دلیل تعداد زیاد بیم‌های الکترونی است که در تشکیل تصویر شرکت می‌کنند. علاوه بر این انحراف الکترون‌های خارج از محور، تشکیل تصویر را غیرممکن می‌سازد. دقت در انتخاب اندازه روزنه، شرکت الکترون‌ها در تشکیل تصویر را کنترل کرده و در نتیجه کنتراست قابل کنترل می‌گردد.

۲-۲-تصویربرداری به روش تفکیک فازی

تصویربرداری به روش تفکیک فازی مشابه روش زمینه روشن می‌باشد با این تفاوت که استفاده از روزنه شیئی بزرگ یا برداشتن کلی روزنه در این روش به کار می‌رود تا هم پرتوهای الکترونی مستقیم و هم پرتوهای الکترونی پراشیده شده براگ برای تولید تصویر به کار بروند. روزنه بزرگ این اجازه را می‌دهد تا بیم پراکنده شده بیشتری در تشکیل تصویر شرکت کرده، در نتیجه وضوح تصویر بیشتر شود. شکل ۱ تصاویر تفکیک فازی از ذرات طلا بر روی گریدی از کربن آمورف را در بزرگنمایی مختلف نشان می‌دهد.

شکل ۱- تصاویر ذرات طلا در بزرگنمایی‌های متفاوت

Angle Annular Dark Field یا تصویربرداری با کنتراست در جهت Z، به z-contrast معروف می‌باشد. شکل ۲ مثالی از کنتراست افزایش یافته به وسیله روش HAADF، از ذرات پلاتین بر روی کربن، نشان داده شده است.

شکل ۲- تصاویر کنتراست فازی ذرات پلاتین بر روی کربن، با در نظر گرفتن تصاویر از سمت چپ به سمت راست، ذرات پلاتین که حرکت کرده و به هم می‌پیوندند. این پدیده به دلیل انرژی است که توسط بیم الکترونی ایجاد می‌گردد.

در ادامه باید به این نکته اشاره شود که یکی دیگر از پارامترهایی که می‌تواند در افزایش کنتراست بین ذرات و زمینه، به طور خاص در مورد عناصر سنگین تر از $\mathrm{Z}>\mathrm{۳۰}$ نقش اساسی ایفا کند، ولتاژ شتاب دهنده می‌باشد. چرا که با افزایش ولتاژ احتمال پراکندگی کاهش می‌یابد که این اثر در مورد عناصر سبک‌تر بیشتر گزارش شده است. بنابراین با استفاده از ولتاژ شتاب دهنده بالا، کنتراست بالایی بین Pt و کربن حاصل می‌گردد که این موضوع به دلیل تقلیل یافتن پراکندگی از کربن در مقایسه با Pt می‌باشد. باید توجه داشت با بالا بردن ولتاژ شتاب دهنده، امکان آسیب دیدن نمونه با بیم الکترونی پر قدرت نیز بالا می‌رود. امروزه میکروسکوپ‌های الکترونی با ولتاژ ۸۰ تا ۳۰۰ کیلوالکترون ولت اداره می‌شوند. در بیشتر میکروسکوپ‌ها بزرگنمایی نشان داده شده صوری بوده و لازم و ضروری است که بزرگنمایی به طور مناسبی برای هر مد اداره و با استفاده از نمونه استاندارد کالیبره شود. این کالیبره کردن به طور تناوبی توصیه می‌شود. مشکل دیگر تصویربرداری در بزرگنمایی بالا این است که چه تعداد ذره باید در هر تصویر وجود داشته باشد. این موضوع معمولا توسط اپراتور دستگاه تعیین می‌شود. با تعداد کمتری ذره در حوزه دید می‌توان توجه را معطوف یک ذره در مقابل ذرات دیگر نمود. معمولا با تصویربرداری در بزرگنمایی بالا و هم در بزرگنمایی پایین اطلاعات بیشتری در اختیار ما قرار می‌گیرد. یکی دیگر از مشکلات مطالعه ذرات وقتی سایز ذرات کاهش می‌یابد، این است که در زیر بیم الکترونی نانوذرات پایداری کمتری دارند. این ناپایداری ذرات شامل حرکت ذرات، نوسان ساختار، تجزیه و به هم چسبیدن ذرات می‌باشد. شکل ۲ تصاویر کنتراست فازی پشت سر هم ذرات ناپایدار در زیربیم الکترونی را نشان می‌دهد. مطابق شکل مشخص است که ذرات چطور با گذشت زمان به هم می‌چسبند. برای مطالعه ناپایداری ذرات کافی است تصاویر پشت سر هم از نظر زمانی ثبت شود، در این صورت تغییرات فیزیکی، ساختاری و مکانی به راحتی قابل مشاهده می‌باشد. شدت بالای پرتوهای الکترونی در تصاویر HRTEM  باعث تغییر در ساختار و آسیب در موارد مورد مطالعه می‌گردد. در حالت کلی شرایط تشکیل تصویر باید به نحوی انتخاب شود که تعداد مناسبی از ذرات در هر تصویر وجود داشته باشد ولی باید وضوح تصویر به گونه مناسبی انتخاب شود تا عدم قطعیت در اندازه‌گیری به کمترین مقدار خود برسد. هم‌چنین باید به پایداری ذرات و آسیبی که بیم الکترونی در نمونه بوجود می‌آورد توجه داشت تا آنالیز درستی از اندازه ذرات و ترکیبات آن بدست آید.

تا به اکنون در مورد استراتژی های مختلف در انتخاب تصویر مطالبی ارائه شد. اکنون فرض می‌کنیم که تصویری در اختیار ما قرار دارد، حالا زمان آن رسیده است که تصویر تحت عملیات‌های ریاضی قرار گیرد. در این جا فرض ما براین است که TEM به دقت کالیبره شده و کاملا فوکوس می‌باشد تا مقادیر اعوجاج لنزی و موانع دیگر به حداقل میزان خود رسیده باشد. عملیات ریاضی بر روی تصویر می‌تواند به صورت دستی و یا این‌که با نرم افزار و به صورت کاملا اتوماتیک انجام شود. آنالیز دستی را می‌توان از طریق اندازه‌گیری مستقیم تصویر کالیبره شده انجام داد. این در حالی است که در روش اتوماتیک به کمک نرم افزارهای پردازش تصویر که آرایه‌ای از ابزارهای اندازه‌گیری را در اختیار ما قرار می‌دهند، می‌توان به صورت اتوماتیک تصاویر را آنالیز نمود.

۳- آینده TEM برای آنالیز اندازه ذرات

آینده تعیین اندازه ذرات بوسیله میکروسکوپ TEM تقریبا تضمین شده می‌باشد. میکروسکوپ‌هایی با انحراف تصحیح شده^[۸] افزایش یافته است. برای هر یک از میکروسکوپ‌های TEM و STEM که در ولتاژ $\mathrm{۲۰۰} \mathrm{KeV}$ کار می‌کنند تا سال ۲۰۰۶، وضوح تصویر در حدود یک انگستروم در هر دو حالت زمینه تاریک و زمینه روشن گزارش شده است. حتی گزارش‌هایی وجود دارد که وضوح تصویر برای میکروسکوپ الکترونی $\mathrm{۳۰۰} \mathrm{KeV}$ به نیم آنگستروم هم می‌رسد.

۴- جمع‌بندی و نتیجه‌گیری

میکروسکوپ الکترونی عبوری روشی است که برای مشاهده مستقیم ریزساختارها تا اندازه اتمی بکار می‌رود. آنالیز کیفی مناسب نانوذرات نیازمند بهینه‌سازی و انتخاب روش‌های مختلف تصویربرداری، بزرگنمایی و روش آنالیز دستی یا اتوماتیک می‌باشد که هدف آن بهینه‌سازی وضوح تصویر و کنتراست بین ذرات نمونه و تعداد مناسب ذرات در هر تصویر، در حالی‌که کمترین آسیب به نمونه برسد، می‌باشد. در بزرگنمایی‌های پایین تصویر، امکان مطالعه توزیع ذرات وجود دارد، حال آنکه در بزرگنمایی بالا تعداد زیادی از ذرات مشاهده نمی‌شود و فقط اطلاعاتی در زمینه جهت‌گیری صفحات و ساختار در اختیار ما قرار می‌گیرد. در ضمن در بزرگنمایی بالا جریان الکترونی بالا موجب ناپایداری و آسیب دیدن ساختار مورد مطالعه می‌شود.

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

۵- منابع

[1] William D. Pyrz and Douglas J. Buttrey, Langmuir, 24, 11350-11360, 2008

۶- پاورقی‌ها

[1]Bright field

[2]Dark field

[3]Phase Contrast Imaging

[4]aberration

[5]Direct Electron Beam

[6]aperture

[7]selected area diffraction pattern

[8]Aberration Corrected