میکروسکوپ الکترونی | میکروسکوپ الکترونی چگونه کار می‌کند؟| SEM
میکروسکوپ الکترونی | میکروسکوپ الکترونی چگونه کار می‌کند؟| SEM

چه کسی میکروسکوپ الکترونی را اختراع کرد؟

چه کسی میکروسکوپ الکترونی را اختراع کرد؟

میکروسکوپ الکترونی

دسته‌ای از میکروسکوپ‌ها که از پرتویی از الکترون‌های شتاب‌دار به عنوان منبع تابش استفاده می‌کنند، میکروسکوپ‌های الکترونی نامیده می‌شوند. تصویر برداری با استفاده از میکروسکوپ الکترونی(EM) تکنیکی برای به‌دست آوردن تصاویر با وضوح بالا از نمونه‌های بیولوژیکی و غیر بیولوژیکی است. میکروسکوپ الکترونی در تحقیقات زیست پزشکی برای بررسی ساختار دقیق بافت‌ها، سلول‌ها، اندامک‌ها و مجتمع‌های ماکرومولکولی استفاده می‌شود. وضوح بالای تصاویر میکروسکوپ‌های الکترونی همراه با بزرگنمایی تا حد یک میلیون برابر، ناشی از استفاده الکترون به عنوان منبع تابش است.

 با توجه به اینکه طول موج پرتوی الکترون ۱۰۰ هزار مرتبه کوچک‌تر از طول موج فوتون‌های نور مریی است، میکروسکوپ‌های الکترونی دارای قدرت آشکار‌سازی به مراتب بیشتر از میکروسکوپ‌های نوری هستند. این میکروسکوپ‌ها می‌توانند با قدرت تفکیک بهتر از ۵۰ پیکومتر، تصویر ساختاری از ریزترین اجسام را ارایه دهند. بزرگنمایی میکروسکوپ‌های الکترونی بیش از ۱۰ میلیون برابر است در حالی که میکروسکوپ‌های نوری به علت محدودیت حاصل از پدیده پراش دارای رزولوشن ۲۰۰ نانومتر و بزرگنمایی کمتر از ۲۰۰۰ برابر هستند.

در شرایط عادی و نور کافی و بدون استفاده از لنزهای بزرگنمایی، چشم انسان قادر به تفکیک دو جسم در فاصله حداقل ۰.۲ میلیمتر از یکدیگر می‌باشد که به این فاصله رزولوشن چشم می‌گویند. لنزهای بزرگنمایی و ادوات همراه آن‌ها که میکروسکوپ نامیده می‌شوند، کمک می‌کنند تا این فاصله بزرگنمایی شود و انسان بتواند اجسامی با فصله کمتر از ۰.۲ میلیمتر نسبت به یکدیگر را نیز از یکدیگر تمییز دهد. از آنجا که ابعاد افزاره‌ها، سیستم‌ها و مواد گوناگون در حال کوچک‌تر شدن است، ساختار بسیاری از مواد با میکروسکوپ‌های نوری قابل تشخیص و بررسی نیست. مثلا به منظور تعیین یکپارچگی یک لایه نانو الیاف با کاربرد فیلتراسیون، نیاز است تا از میکروسکوپ الکترونی کمک گرفته شود.

 

انواع میکروسکوپ الکترونی

از انواع میکروسکوپ‌های الکترونی می‌توان به دو نوع اصلی آن یعنی میکروسکوپ الکترونی روبشی(Scanning Electron Microscope (SEM)) و میکروسکوپ الکترونی عبوری(Transmission Electron Microscope (TEM)) اشاره کرد. از میکروسکوپ الکترونی عبوری برای مشاهده نمونه‌های نازک(بخش‌های بافتی، مولکول‌ها و غیره) استفاده می‌شود که الکترون‌ها از آنها عبور می‌کنند و تصویر تولید می کنند.

TEM، از بسیاری جهات شبیه به میکروسکوپ نوری معمولی(مرکب) است. از TEM برای تصویربرداری از فضای داخل سلول‌ها(در بخش‌های نازک)، ساختار مولکول‌های پروتئین(با استفاده از تکنیک Metal Shadowing)، سازماندهی مولکول‌ها ‌در ویروس‌ها و رشته‌های اسکلتی، و آرایش مولکول‌های پروتئین در غشای سلول استفاده می‌شود.

 

میکروسکوپ الکترونی چگونه کار می‌کند؟

هنگاهی که پرتوی پر انرژی الکترونی به نمونه برخورد می‌کند واکنش های مختلفی ممکن است رخ دهد. بخشی از الکترون‌ها با اتم‌های نمونه برخورد کرده و با تغییر جهت ۱۸۰ درجه‌ای در مسیر مخالف باز می‌گردند. به این دسته از الکترون‌ها، الکترون‌های بازگشتی(Backscattered Electron) می‌گویند. تعداد دیگری از الکترون ها از نزدیکی اتم‌ها عبور می‌کنند. مسیر عبوری آن‌ها آنقدر نزدیک به اتم‌های نمونه است که بخشی از انرژی خود را به الکترون‌های اتم منتقل می‌کنند. در اثر این انتقال انرژی، الکترون فرودی مقداری از انرژی خود را از دست داده و تغییر مسیر می‌دهد و اتم مورد نظر نیز الکترون خود را از دست می دهد و یونیزه می‌شود. الکترون جدا شده از اتم که با انرژی بسیار کم(در حدود ۵۰ الکترون ولت) اتم را ترک می‌کند، الکترون ثانویه(Secondary Electron) نامیده می‌شود.

هر کدام از الکترون‌های فرودی می‌توانند چندین الکترون ثانویه ایجاد کنند. جای خالی ایجاد شده در اتم به علت جدا شدن الکترون ثانویه توسط یک الکترون از ترازهای بالاتر پر می‌شود. فرود الکترون به لایه‌ای با انرژی کمتر موجب ایجاد انرژی مازاد در اتم می‌شود. این انرژی مازاد با جدا شدن یک الکترون از خارجی‌ترین لایه اتم یا ساطع شدن اشعه ایکس از اتم جبران می‌شود. به این الکترون جدا شده الکترون اوژه(Auger Electron) می‌گویند.  

 

نمونه‌هایی با ضخامت کم

در صورتی که ضخامت نمونه به اندازه کافی کم باشد، دسته ای از الکترون‌ها از آن عبور می‌کنند بدون آنکه واکنش و برخوردی انجام دهند. به این دسته از الکترون‌ها، الکترون‌های غیر برگشتی(Unscattered Electron) می‌گویند. دسته‌ای از الکترون‌ها نیز پس از برخورد با اتم به صورت الاستیک منحرف می‌شوند. یعنی بدون از دست دادن انرژی خود در مسیر دیگری از نمونه عبور می‌کنند. الکترون‌هایی که به صورت غیر الاستیک با اتم برخورد می‌کنند نیز مقداری از انرژی خود را از دست داده و از سایر بخش‌های نمونه عبور می‌کنند.   

میکروسکوپ الکترونی روبشی بر اساس گسیل الکترون‌های ثانویه عمل می‌کند. با توجه به اینکه الکترون‌های ثانویه انرژی کمی دارند، دارای میانگین مسیر آزاد(Mean Free Path) کمی در اجسام جامد هستند و در سطح جسم تا عمق چند نانومتر حرکت می‌کنند. تصویری که در اثر الکترون‌های ثانویه ایجاد می‌شود از سطح جسم با رزولوشنی کمتر از ۱ نانومتر است. این در حالی است که تصویر ناشی از الکترون‌های بازگشتی، به علت انرژی بیشتر آن‌ها عمیق‌تر بوده و رزولوشن کمتری نیز دارد.

نمونه‌هایی که قرار است با میکروسکوپ الکترونی تصویر برداری شوند باید به اندازه کافی کوچک باشند تا کاملا در محل مناسب قرار گیرند. معمولا نمونه‌ها با چسبی که از نظر الکتریکی رسانا است به نگهدارنده زیرلایه چسبانده می‌شوند تا بار الکتریکی منفی که در اثر برخورد الکترون‌ها به آنها ایجاد می‌شود، از این مسیر تخلیه و نمونه باعث ایجاد میدان الکتریکی که مانع از برخورد الکترون‌های بعدی می‌شود، نگردد. در صورتی که نمونه‌ها از نظر الکتریکی نارسانا باشند یا دارای رسانایی الکتریکی کمی باشند، هنگامی که توسط پرتوی الکترونی اسکن می‌شوند، بارهای الکتریکی(مخصوصا الکترون‌های ثانویه) را جذب کرده و موجب اختلال در تصویر برداری می‌شوند. برای تصویر برداری نمونه‌ها با میکروسکوپ الکترونی، نیاز است تا نمونه‌ها از نظر الکتریکی رسانا باشند(حداقل در سطح نمونه) و به اتصال زمین متصل شوند تا از هرگونه تجمع بار روی نمونه‌ها جلوگیری به عمل آید.

 

آماده سازی نمونه‌های میکروسکوپ الکترونی

در مرحله آماده سازی معمولا روی نمونه‌های نارسانا یا دارای رسانایی کم، یک لایه بسیار نازک چند نانومتری از فلزات رسانا با استفاده از روش اسپاترینگ یا تبخیر حرارتی پوشانده می‌شود. موادی که غالبا نمونه‌ها با آن پوشش داده می‌شوند عبارتند از: کربن، طلا، پلاتین، آلیاژ طلا/پالادیوم، ایریدیوم و کروم. با وجود این لایه رسانای نازک، ساختار زیر آن قابل مشاهده است مثلا شبیه یک نرده فلزی که همه جای آن رنگ خورده است ولی شکل و ابعاد آن کاملا قابل تشخیص است.

در روش اسپاترینگ نمونه‌ها در محفظه خلاء قرار می‌گیرند و سپس در حضور پلاسمای ایجاد شده از گاز آرگون، لایه‌ای چند نانومتری از ماده هدف روی نمونه ایجاد می‌شود. مدل‌هایی از دستگاه‌های ساخت شرکت پوشش های نانوساختار که قادر به انجام عمل لایه نشانی به روش اسپاترینگ هستند، گزینه‌های مناسبی برای کاربران میکروسکوپ‌های الکترونی می‌باشند. در بین محصولات شرکت پوشش های نانوساختار مدل های DSR1، DST1، DSCR، DSCT، DST3 مناسب برای انجام لایه نشانی به روش اسپاترینگ هستند که بسته به ماده مورد نظر(اکسید پذیر با اکسید ناپذیر) می‌توان از مدل‌های مجهز به پمپ روتاری یا مدل‌های مجهز به پمپ روتاری و توربومولکولار استفاده کرد.

از روش تبخیر حرارتی نیز می‌توان برای آماده سازی نمونه های میکروسکوپ الکترونی بهره جست. در این روش نمونه داخل محفظه خلاء قرار گرفته و سپس بخار ماده مورد نظر که در اثر عبور جریان الکتریکی ایجاد می‌شود، به صورت لایه‌ای چند نانومتری روی نمونه را می‌پوشاند. دستگاه لایه نشانی به روش تبخیر حرارتی مدل DTT، ساخت شرکت پوشش های نانو ساختار برای این منظور بسیار مناسب است. برای لایه نشانی کربن روی نمونه‌های میکروسکوپ الکترونی نیز از روش تبخیر الکتریکی استفاده می‌شود. به این صورت که با عبور جریان الکتریکی نسبتا بالایی از نخ کربن یا میله کربنی، کربن در محیط خلاء بخار شده و روی نمونه می‌نشیند.

برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد محصولات شرکت پوشش های نانو ساختار به آدرس اینترنتی آن، مراجعه نمایید.

 

منابع

  1. https://en.wikipedia.org/wiki/Electron_microscope
  2. https://www.britannica.com/technology/scanning-electron-microscope
  3. https://www.nanoscience.com/techniques/scanning-electron-microscopy/
  4. https://en.wikipedia.org/wiki/Scanning_electron_microscope
  5. https://www.unl.edu/ncmn-cfem/xzli/em/interact.htm