تصویر نمونه میکروسکوپ الکترونی روبشی
تصویر نمونه میکروسکوپ الکترونی روبشی

میکروسکوپهای اپتیکی حد اکثر بزرگنمایی را که ارئه می دهند ۲۰۰۰ برابر است و این حد از بزرگنمایی در بسیاری از مواقع کافی نیست. برای مشاهده ذراتی که ابعاد آنها کوچکتر از طول موج نور است نیاز به ذراتی با ابعاد بسیار کوچک داریم تا با پرتاب آنها به سمت هدف و تصویر سازی با بازتاب آنها بتوان ذرات بسیار ریز را مشاهده کرد. بهترین ذره برای پرتاب الکترون است که ذره ای باردار و بنیادی است و می توان با کمک این روش به بزرگنمایی تا یک میلیون برابر دست یافت.

روش تصویر برداری با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی، تکنیکی کارآمد و غیر مخرب است که اطلاعات دقیقی از مورفولوژی، ترکیب و ساختار مواد مورد بررسی به دست می دهد. اولین میکروسکوپ الکترونی روبشی در سال ۱۹۴۲ ارئه شد. در آن زمان نشان داده شد که الکترون های ثانویه (Secondary Electrons (SE))  با استفاده از بایاس مثبت کلکتور نسبت به نمونه، کنتراست توپوگرافی ایجاد می کنند. بعد از آن زمان تغییرات زیادی حاصل شد تا در سال ۱۹۶۵ اولین نمونه تجاری میکروسکوپ الکترونی روبشی به بازار ارائه شد. 

در SEM دو دسته از الکترون ها آشکارسازی می شوند: الکترون های ثانویه (SE) و الکترون های پس پراکندگی (Backscattered Electrons (BSE)).

 الکترون های پس پراکندگی الکترون هایی هستند که بعد از برخورد الاستیک پرتوی الکترونی با نمونه که منجر به تغییر مسیر الکترون می شود،  باز تاب می شوند. الکترون های ثانویه از اتم های نمونه منشا می گیرند و نتیجه برخورد غیرالاستیک پرتوی الکترونی با نمونه هستند و نسبت به الکترون های پس پراکندگی دارای انرژی کمتری می باشند. در اثر برخورد غیر الاستیک پرتوی الکترونی با سطح نمونه، انرژی الکترون های پرتوی الکترونی به الکترون های باند هدایت و گاهی باند ظرفیت نمونه منتقل می شود که موجب جدا شدن این الکترون ها از اتم نمونه می شود که به آن ها الکترون های ثانویه می گویند.  BSE ها از نقاط عمیق تر نمونه باز میگردند و تصویر بدست آمده از آن ها به عدد اتمی مواد بستگی دارند، هر چه عدد اتمی بزرگتر باشد مواد در تصویر درخشانتر ظاهر می شوند. SE ها از مناطق سطحی تر نمونه حاصل می شوند و اطلاعات زیادی از جزئیات سطح را بدست می دهند. در نتیجه این دو دسته الکترون اطلاعات مختلفی را با خود به همراه دارند. 

 با پیشرفت تکنولوژی و ظهور میکروسکوپ های الکترونی روبشی گسیل میدانی (Field Emission Scanning Electron Microscopes (FE-SEM))، تصاویری با رزولوشن بالاتر قابل دسترسی شدند. روش کار این میکروسکوپ ها هم شبیه به میکروسکوپ های الکترونی روبشی معمولی (SEM)، بدین صورت است که سطح توسط یک پرتوی الکترونی اسکن (روبش) می شود. بزرگترین تفاوت SEM و FE-SEM سیستم تولید الکترون است. FE-SEM ها، از تفنگ های اثر میدانی استفاده می کنند. این تفنگ ها در یک پتانسیل الکتریکی کم (حدود ۰.۰۲ تا ۵ کیلوولت) الکترون های کم انرژی و پر انرژی را شدیدا متمرکز می کنند و رزولوشن نقطه ای (Spatial Resolution) را افزایش می دهند. در میکروسکوپ معمولی با حرارت دادن فیلامنت تنگستنی الکترونها از فیلامنت جدا میشوند که این امر باعث آلودگی سطح نمونه می شود ولی تفنگ الکترونی نشر میدانی Field Emission  به انرژی حرارتی برای غلبه بر پتانسیل سطحی نیازی ندارد و با اعمال میدان الکتریکی بسیار بالا به سطح نمونه ، الکترون ها را از سطح جدا می کند. در روش SEM رزولوشن ۳-۷ نانومتر قابل دستیابی است و در FE-SEM رزولوشن ۱.۵ نانومتر یا بهتر نیز بدست می آید.

در مورد نمونه هایی که از نظر الکتریکی رسانا نیستند مثل دی الکتریک ها و مواد نیمه رسانا نیاز است تا قبل از برایند تصویر برداری یک مرحله فرایند آماده سازی روی نمونه انجام شود.  با توجه به برخورد پرتوی الکترونی در فرایند تصویربرداری از نمونه با استفاده از روش میکروسکوپی الکترونی، ساختار نارسانای این نمونه ها موجب به دام افتاد الکترون ها در سطح این مواد شده و در نتیجه موجب باردار شدن موقت سطح می شود. این پدیده موجب سفید دیده شدن نواحی باردار شده در تصویر گرفته شده توسط میکروسکوپ الکترونی می شود. لایه رسانای نشانده شده روی نمونه قبل از فرایند میکروسکوپی مانند یک کانال  برای تخلیه بار الکتریکی از روی سطح عمل کرده و موجب حذف بارهای ایجاد شده روی سطح نمونه می شود.

لایه رسانایی که روی یک نمونه نشانده می شود تا در مرحله بعد با میکروسکوپ های الکترونی روبشی گسیل میدانی تصویربرداری شود باید بسیار نازک و یکنواخت باشد و دانه بندی ریزی داشته باشد تا علاوه بر زدودن بارهای الکتریکی اضافه روی نمونه، کنتراست را نیز در مواد با چگالی کم بهبود بخشد. حضور این لایه نازک رسانا مخصوصا در مواقعی که نمونه بیولوژیکی است  بسیار حائز اهمیت است. به منظور دستیابی به این لایه نازک که فقط با روش لایه نشانی در خلاء امکان پذیر است، انتخاب ماده مناسب و کنترل شرایط لایه نشانی مثل فشار و نوع زیرلایه بسیار پر اهمیت است. معمولا ضخامت مناسب برای آماده سازی نمونه میکروسکوپ های الکترونی روبشی گسیل میدانی، ۰.۵ تا ۳ نانومتر است. علاوه بر موارد ذکر شده، حضور لایه رسانا روی نمونه موجب تحریک الکترون های ثانویه خصوصا در سطح می شود. یک پوشش رسانا زمانی مناسب است که ویژگی های توپوگرافی نمونه ها به طور قابل توجهی توسط آن  بزرگ یا پنهان نشوند. ماده انتخاب شده باید دارای ضریب گسیل الکترونهای ثانویه مناسبی باشد تا به بهبود کنتراست تصویر کمک کند. شرایط بهینه لایه نازک جهت پوشش نمونه های میکروسکوب الکترونی روبشی گسیل میدانی زمانی حاصل می شود که لایه نازک رسانای ایجاد شده بر روی سطح حداقل ضخامت را داشته باشد و علاوه بر آن شامل دانه هایی باشد که تحرک پذیری سطحی نداشته باشند به گونه ای که تاثیری در ظاهر نمونه ایجاد نکنند و همچنین کوچکتر از قطر پرب باشند. 

محققان با مقایسه تصاویر میکروسکوب الکترونی روبشی گسیل میدانی گرفته شده از یک نمونه ثابت که با مواد مختلفی مانند کرم، آلیاژ طلا/پالادیوم و پلاتین پوشش داده شده است به نتایج جالبی دست یافته اند.

به عنوان مثال در مرحله آماده سازی نمونه های میکروسکوپ الکترونی که هادی جریان الکتریکی نبودند ، لایه نازک طلا/پالادیوم با شرایط مختلف روی نمونه ها پوشش داده شده است و تصاویر بدست آماده از SEM،  FE-SEM و TEM مطابق به شکل زیر می باشد:

تصاویر لایه نازک طلا/ پالادیوم با شرایط مختلف بر روی نمونه ها با میکروسکوپ های SEM، FE-SEM و TEM

توضیح تصاویر لایه نازک طلا/ پالادیوم با شرایط مختلف بر روی نمونه ها با میکروسکوپ های SEM، FE-SEM و TEM

تصاویر سمت راست مربوط به TEM است و مقیاس شکل ها ۵۰ نانومتر می باشد. در ردیف اول ضخامت لایه نازک ۳ نانومتر و برای سایر ردیف ها ۱.۵ نانومتر است. در ردیف اول سمت چپ تصویر مربوط به SEM و در سایر ردیف ها تصویر سمت چپ مربوط به FE-SEM است. لایه نشانی لایه نازک طلا/پالادیوم با دستگاه های اسپاترینگ از شرکت های مختلف صورت گرفته است. با توجه به شکل ها می توان گفت که حتی در شرایط فشار و توان یکسان در سیستم های لایه نشانی مختلف، نتایج مختلفی حاصل می شود. همانطور که مشاهده می شود ، لایه نشانده شده در ردیف دوم نسبت به ردیف اول یکنواخت تر است و دانه بندی ریزتری دارد. در ردیف سوم فضای بین ذرات نسبت به ردیف دوم واضح تر است.

در مرحله بعد پلاتین در ضخامت های ۱، ۱.۵ و ۲ نانومتر روی نمونه لایه نشانی شده و تصاویر مورد بررسی قرارگرفت.

تصاویر لایه نازک پلاتین با شرایط مختلف بر روی نمونه ها با میکروسکوپ های SEM، FE-SEM و TEM

تصاویر لایه نازک پلاتین با شرایط مختلف بر روی نمونه ها با میکروسکوپ های SEM، FE-SEM و TEM قسمت دوم

توضیح تصویر لایه نازک پلاتین با شرایط مختلف بر روی نمونه ها با میکروسکوپ های SEM، FE-SEM و TEM

در ردیف اول نمونه با لایه نازک ۲ نانومتری پلاتین پوشش داده شده است. همانطور که مشاهده می شود دانه بندی بسیار بزرگتری نسبت به طلا/پالادیوم دارد. در ردیف دوم فضای بیشتری بین دانه بندی ها مشاهده می شود اما ذرات نسبت به طلا/پالادیوم بزرگتر هستند.

تصویر لایه نازک کروم با شرایط مختلف بر روی نمونه ها با میکروسکوپ های SEM، FE-SEM و TEM

تصویر لایه نازک کروم با شرایط مختلف بر روی نمونه ها با میکروسکوپ های SEM، FE-SEM و TEM قسمت دوم

توضیح تصاویر لایه نازک کروم با شرایط مختلف بر روی نمونه ها با میکروسکوپ های SEM، FE-SEM و TEM

با مقایسه تصاویر مربوط به نمونه ای آماده شده با کروم، طلا/پالادیوم و پلاتین می توان گفت کروم برای کاربردهای تصویربرداری با رزولوشن بالا مناسب تر است. لایه نازک کروم ایجاد شده نسبت سایر لایه نازک ها، صاف و بدون زیر ساختار (sub structure) است. ولی استفاده از لایه نازک کروم هم مشکلات خودش را دارد. مثلا برای نمونه های بیولوژیکی مناسب نیست، محیط خلا بالا برای لایه نشانی آن نیاز است و دارای الکترون های ثانویه گسیلی کمتری نسبت به لایه نازک پلاتین و  طلا/پالادیوم می باشد. کروم به سرعت اکسید می شود لذا باید نمونه های پوشش داده شده را در محیط خلا نگهداری کرد. 

در صورت تمایل به مطالعه بیشتر به لینک های زیر مراجعه نمایید: