میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) چیست؟
میکروسکوپ الکترونی عبوری معمولی (TEM) از پرتویی از الکترونها در برهمکنش با یک نمونه نازک استفاده میکند. الکترونها پس از برخورد به نمونه و عبور از آن جمعآوری میشوند تا تصویری را تشکیل دهند که ساختار نمونه را آشکار میکند. میکروسکوپهای الکترونی عبوری، از ابتدای اختراعشان، به طور مداوم توسعه یافتهاند تا بر چالشهای موجود بر سر راه افزایش وضوح تصویر زیر ۱ نانومتر و بزرگنمایی تا ۱,۰۰۰,۰۰۰ برابر غلبه یابند. همچنین این میکروسکوپها دارای حالتهای مختلفی برای کاربردهای گسترده، مانند تصویربرداری با وضوح بالا از ساختارهای میکرو-نانو، جهتگیریهای فاز کریستالی و تجزیه و تحلیل عنصری هستند.
علاوه بر این، دستیابی به نتایج با کیفیت بالا و دقیق برای میکروسکوپ الکترونی، به ویژه TEM، نیاز به ملاحظاتی در مراحل آمادهسازی نمونه قبل از تجزیه و تحلیل دارد. در این مقاله اصول اولیه، اجزا، حالتها و همچنین کاربردها، مزایا و چالشهای میکروسکوپ الکترونی عبوری مورد بحث قرار میگیرند.
اجزای میکروسکوپ الکترونی عبوری
یک میکروسکوپ الکترونی عبوری معمولی شامل چندین بخش است. در یک میکروسکوپ الکترونی عبوری، یک پرتو از الکترونهای پر انرژی در یک محیط خلاء تولید میشود و از یک ستون میکروسکوپ TEM حاوی لنزهای الکترومغناطیسی، روزنهها و نمونه عبور میکند. پرتو نهایی سپس توسط آشکارسازهای مختلف، از جمله دوربینهای تصویربرداری و طیفسنجها، جمعآوری میشود و دادههای حاصل از طریق نرمافزار مناسب تجزیه و تحلیل میشوند. برخی از بخشهای یک TEM در زیر معرفی شدهاند:
منبع الکترون: تفنگهای انتشار میدان سرد یا شاتکی میتوانند برای انتشار پرتوی پایدار از الکترونها با توزیع انرژی یکنواخت استفاده شوند.
سیستم خلاء: برای افزایش میانگین مسیر آزاد پرتو الکترونی و کاهش احتمال برخورد ناخواسته الکترونها و از دست رفتن دادهها، به یک محفظه خلاء بالا نیاز است.
ستون میکروسکوپ: شامل لنزها و روزنههای الکترومغناطیسی برای کنترل قطر و فوکوس پرتو است که منجر به بزرگنمایی کنترلشده و بررسی قسمتهای مختلف نمونه میشود.
آشکارسازها: میتوان از دوربینهای تصویربرداری و طیفسنجهای مختلف برای آشکار کردن ساختار و ترکیب عنصری نمونه استفاده کرد.
برهمکنشهای پرتو الکترون با نمونه
نتایج تصویربرداری TEM معمولی از الکترونهای عبوری از نمونه با استفاده از روزنه TEM جمعآوری میشوند. هنگامی که الکترونها با نمونه برخورد میکنند، بخشی از پرتو از نمونه عبور میکند و در نتیجه نواحی روشنتر تصویر ایجاد میشود که به آن تصویربرداری میدان روشن (BF-Bright Field) میگویند.
در این میکروسکوپها، الکترونهایی که از نمونه عبور میکنند دچار برهمکنش و پراکندگی در نتیجه برخورد با اتمهای ماده میشوند. این برهمکنشها ممکن است منجر به تغییراتی در ویژگیهای مختلف پرتوهای الکترونی، از جمله دامنه (از طریق پراکندگی برگشتی رادرفورد از طریق برخورد با اتمهای سنگین یا پراش براگ)، فاز (ناشی از تداخل مخرب و سازنده پرتوهای متعدد با تغییرات فاز نسبی) و غیره شود.
با جمعآوری الکترونهای پراکندهشده پس از برخوردهای کشسان و غیرکشسان الکترون و ماده و بررسی پارامترهای پراکندگی همچون انرژی و زاویه حرکت پرتو الکترون پس از برخورد، میتوان درباره ساختار کریستالی و عنصری نمونه اطلاعاتی به دست آورد.
پراکندگیهای کشسان و غیرکشسان
در برخوردهای کشسان، هیچ انتقال انرژی بین الکترون و ماده وجود ندارد و برهمکنش اصلی از طریق تغییر مسیر یا فاز پرتو الکترونی است.
در صورت تغییر انرژی پرتو الکترونی هنگام عبور از نمونه یک برهمکنش غیرکشسان رخ داده است. این برهمکنشها میتوانند منجر به برانگیختگیهای اتمی نمونه شود که باعث اتلاف انرژی قابل اندازهگیری و یا انتشار الکترونهای ثانویه با انرژیهای مشخصه مربوط به ساختار اتمی عناصر نمونه میشوند که معمولا برای تعیین ترکیب عنصری نمونه استفاده میشود.
تکنیکهای میکروسکوپ الکترونی عبوری
علاوه بر جمعآوری الکترونهای عبوری از نمونه که در میکروسکوپ الکترونی عبوری معمولی انجام میشود، تصویربرداری TEM میتواند در حالتهای عملیاتی مختلف و با استفاده از تکنیکهای مختلف برای دستیابی به بهترین نتیجه با توجه به نمونه مورد مطالعه و اطلاعات مورد نیاز انجام شود. این حالتها از طریق تنظیم پارامترهای اجزای مختلف میکروسکوپ، از جمله لنزها یا روزنهها، قابل دستیابی هستند.
در ادامه، برخی از کاربردیترین تکنیکهای TEM شرح داده شدهاند.
تصویربرداری میدان تاریک (DF-Dark Field)
در تصویربرداری میدان تاریک TEM، از یک روزنه شیئی برای جمعآوری الکترونهای پراکندهشده که از نمونه عبور میکنند استفاده میشود. این روزنهها الکترونهای عبوری، که در TEM معمولی برای تصویربرداری استفاده میشوند، را مسدود میکنند از این رو، جزئیات ساختار شبکه کریستالی را میتوان در این روش مطالعه کرد.
تصویربرداری پراش
یک الگوی پراش، مانند پراش براگ، زمانی اتفاق میافتد که طول موج الکترون با فاصله کریستالی شبکه ماده قابل مقایسه باشد. بدین ترتیب، بخشهایی از پرتو الکترونی به زوایای مشخص (براگ) پراکنده میشوند. جمعآوری این الکترونها و مسدود کردن الکترونهای عبوری، تصویری را فراهم میکند که در آن یک نمونه تاریک در یک پسزمینه روشن ظاهر میشود. تصویربرداری میدان تاریک (DF) در مطالعه ساختارهای بیولوژیکی مانند ویروسها، باکتریها و بخشهایی از اندامکهای سلولی استفاده میشود که به منظور تصویربرداری TEM بر روی سوراخهای شبکه توری مخصوص پوشیده شده با پلاستیکی نازک (مانند Formvar) که میتواند با پوشش کربنی تقویت شود، قرار دارند.
پراش ناحیه انتخابشده (SAD)
با استفاده از دیافراگم SAD و محدود کردن ناحیه مشاهده، تصویری حاوی آرایهای از نقاط یا حلقههای پراکنده، بسته به ساختار کریستالی نمونه، در زیر نمونه در صفحه کانونی پشتی ظاهر میشود که امکان دستیابی به ساختار کریستالی را فراهم مینماید.
پراش الکترونی پرتو همگرا (CBED)
در CBED، پرتو الکترونها به جای استفاده از دیافراگم شیئی با تنظیم فوکوس (عدسی شیئی) به یک نقطه واحد روی نمونه همگرا میشود و الگوهای پراش دیسک-مانند حاوی اطلاعات مربوط به تقارن کریستال نمونه برای تعیین ساختار کریستالی ثبت میشوند.
میکروسکوپ الکترونی عبوری با وضوح بالا (HR-TEM)
در تصویربرداری TEM با وضوح بالا از تغییر فاز بین چندین پرتو عبوری و پراش یافته برای ایجاد کنتراست استفاده میشود که میتواند تحت تاثیر انحرافات لنز میکروسکوپ، از جمله عدم فوکوس، انحراف کروی و آستیگماتیسم قرار گیرد. HR-TEM امکان مشاهده مستقیم ساختارهای اتمی در موادی مانند نیمهرساناها، فلزات، نانوذرات و پیوند کربنsp² (مانند گرافن، نانولولههای کربنی) را فراهم میکند. این میکروسکوپ با ثبت توزیع دامنه موج فضایی دوبعدی، شبیه به یک میکروسکوپ نوری کلاسیک است و بالاترین وضوح آن حدود ۰.۵ آنگستروم (۰.۰۵۰ نانومتر) است که امکان مشاهده اتمهای منفرد و نقصها در کریستالها را فراهم میکند.
برای تصویربرداری کریستال سهبعدی، چندین نما از زوایای مختلف از طریق تکنیکی به نام توموگرافی الکترونی ترکیب میشوند.
میکروسکوپ الکترونی عبوری روبشی (STEM)
این تکنیک تصویربرداری امکان استفاده از چندین سیگنال همبسته، شامل الکترونهای پراکنده و الکترونهای ثانویه را فراهم میکند و استفاده از سیگنالهای دیگری را که نمیتوانند در TEM همبستگی مکانی داشته باشند، از جمله اشعه ایکس مشخصه و اتلاف انرژی الکترون را امکانپذیر میسازد و امکان نقشهبرداری عنصری بسیار دقیق و تجزیه و تحلیل شیمیایی نمونهها را فراهم میکند.
تصویربرداری میدان تاریک حلقوی
این روشی برای نقشهبرداری از ساختار نمونهها در میکروسکوپ الکترونی عبوری روبشی است. برخلاف تصویربرداری میدان تاریک TEM معمولی که از یک روزنه شیئی برای تمایز الکترونهای پراکندهای که از پرتو اصلی عبور میکنند، استفاده میکند، تصاویر میدان تاریک حلقوی STEM با جمعآوری الکترونهای پراکنده با یک آشکارساز میدان تاریک حلقوی تشکیل میشوند.
در نتیجه، الکترونهای بیشتری در این روش جمعآوری میشوند که منجر به افزایش کنتراست و راندمان جمعآوری سیگنال میشود و همچنین امکان هدایت پرتو اصلی به یک آشکارساز طیفسنجی اتلاف انرژی الکترون (EELS) را فراهم میکند. تصویربرداری میدان تاریک حلقوی همچنین میتواند به موازات تصویربرداری میدان روشن STEM و آنالیز طیفسنجی اشعه ایکس پراکنده (EDX) انجام شود.
تصاویر میدان تاریک حلقوی با زاویه بالا (HAADF)
تکنیک HAADF زیرمجموعه روش STEM است که منجر به ایجاد تصاویری با وضوح بهتر از ۰.۰۵ نانومتر میشود. در این روش الکترونهای پراکنده شبه الاستیک رادرفورد در زوایای پراکندگی بالا (نیم زاویه همگرایی ~۵۰-۲۰۰ میلیرادیان) با استفاده از یک آشکارساز میدان تاریک حلقوی ثبت میشوند، که در مقایسه با نیم زاویه حدود ۲۵ میلیرادیان برای یک TEM معمولی ۲۰۰ کیلوولت زاویه پراکندگی بسیار بالاتری است.
به دلیل برهمکنشهای الکترواستاتیکی قویتر بین هسته اتم و پرتو الکترونی فرودی، شدت تصاویر HAADF با مجذور عدد اتمی همبستگی دارد و باعث میشود اتمهای سنگین روشنتر به نظر برسند در حالی که اتمهای سبک کمتر قابل مشاهده هستند. تصاویر حاصل از این روش با به حداقل رساندن پراکندگیهای چندگانه بدون هیچ اثر تداخلی اطلاعات بیشتری درباره نمونه فراهم میآورند.
تکنیک HAADF به تغییرات عدد اتمی حساس است و تصاویر کنتراست Z تولید میکند، در نتیجه این روش برای شناسایی عناصر با Z بالا در ماتریسهای عناصر سبکتر (عدد Z پایینتر)، به ویژه در کاتالیز ناهمگن، برای تعیین اندازه و توزیع ذرات فلزی بسیار مناسب است.
برخلاف تصویربرداری میدان تاریک معمولی، HAADF از روزنه استفاده نمیکند، بلکه الکترونهای پراکنده را از طریق یک آشکارساز حلقوی جمعآوری میکند و راندمان سیگنال را افزایش میدهد.
روش میدان تاریک حلقوی با زاویه کم (LAADF) و میدان روشن حلقوی (ABF)
روشهای LAADF و ABF تکنیکهای مکمل HAADF هستند که با قرار دادن آشکارسازهای مربوطه در زیر آشکارساز HAADF، به قابل مشاهده شدن عناصر سبک نمونه کمک میکنند.
طیفسنجیهای EELS و EDX
طیفسنجی اتلاف انرژی الکترون (EELS) و طیفسنجی پراش انرژی پرتو ایکس (EDS یا EDX) از جمله بررسیهای مختلف پراکندگی غیرالاستیک هستند که میتوانند در طول تصویربرداری TEM انجام شوند. در EELS، اتلاف انرژی پرتو الکترونی فرودی اندازهگیری میشود، در حالی که پرتوهای ایکس مشخصه مواد نمونه از طریق طیفسنجی پراش انرژی پرتو ایکس (EDS یا EDX) شناسایی میشوند. در صورت انتشار فوتونهای کمانرژیتر، در مقایسه با پرتوهای ایکس، میتوان نور مرئی را مشاهده کرد که پدیده کاتدولومینسانس (CL) نامیده میشود.
تکنیک HAADF، در ترکیب با طیفسنجی اتلاف انرژی الکترون (EELS) میتواند موقعیت ستون اتمی عناصر را ترسیم کند.
روش TEM همبسته
میکروسکوپی همبسته شامل استفاده از چندین سیستم میکروسکوپی برای مشاهده یک نمونه مشابه، مانند میکروسکوپ نوری یا میکروسکوپ الکترونی روبشی، همراه با میکروسکوپ الکترونی عبوری است.
روش Cryo-TEM
در این تکنیک، نمونههای بیولوژیکی در حالت منجمد مورد مطالعه قرار میگیرند که به تجسم ساختار ماکرومولکولی آنها، مانند پروتئینها، با وضوح زیر نانومتر، بدون نیاز به تثبیت شیمیایی و آسیب به نمونه، کمک میکنند.
آمادهسازی نمونه برای تصویربرداری TEM
روش آمادهسازی نمونه این میکروسکوپها، به شدت به خواص نمونه بستگی دارد. نمونه مورد مطالعه میتواند به اشکال مختلفی مانند پودر، نمونههای بیولوژیکی، تودههای سخت یا نرم باشد و حاوی موادی باشد که برهمکنشهای مختلفی با پرتو الکترونی فرودی نشان میدهند. بر این اساس، چندین مرحله آمادهسازی برای برآورده کردن الزامات دستیابی به تصویربرداری TEM با وضوح بالا طراحی شده است.
این تکنیکهای آمادهسازی نمونه، ممکن است شامل برش، نازک کردن نمونه با پرتو یونی (آسیاب یونی)، دهیدراته کردن نمونه، منجمدسازی، خوردگی، پلیمریزاسیون، ایجاد نمونه ثانویه و نصب روی شبکه توری، بسته به ویژگیهای نمونه، باشد.
نمونه ثانویه (Replica)
در تصویربرداری TEM از نمونههای حساس به پرتو، معمولا نمونههای بیولوژیکی مانند ویروسها، الیاف یا آنزیمها، سطح آنها با یک لایه نازک از فلز تبخیر شده، مانند پلاتین یا طلا، پوشانده میشود. همچنین برای افزایش پایداری میتواند با یک لایه کربنی نمونه ثانویه فلزی پوشش داده شود. سپس، توده بیولوژیکی شکننده در حمام اسید حل میشود و نمونه ثانویه باقی مانده روی شبکه TEM نصب میشود.
آمادهسازی شبکههای TEM
شبکههای TEM با شیارهای باز یا مشهای طرحدار، نمونه TEM را نگه میدارند تا به طور موثر با پرتو الکترونی تعامل داشته باشند، بدون اینکه در سیگنالهای حاصل تداخل ایجاد کنند. این شبکهها معمولاً با یک لایه پلاستیکی نازک (مانند Formvar) که توسط یک پوشش کربنی پشتیبانی میشود، پوشانده میشوند تا نمونه را روی شبکه نگه دارند.
کاربردهای TEM
میکروسکوپ الکترونی عبوری با تصویربرداری از ساختارهای میکرو و نانو، بررسی موارد زیادی همچون لایههای نازک و لایههای اپیتاکسیال، طول موج ابرشبکه، ترکیب و ضخامت پوششها، جهتگیری فصل مشترک، اندازهگیری و توزیع اندازه نانوذرات با وضوح اتمی را امکانپذیر میکند و در زمینههای مختلفی مانند علوم زیستی، پزشکی و مواد، مطالعات نانوساختارها و پروتئینها و همچنین زمینشناسی و علوم محیطی مفید است.
علاوهبراین، تصویربرداری TEM امکان شناسایی فاز مواد را از طریق پراش الکترونی ناحیه انتخابشده (SAD) روی فازهای ثانویه و رابطه جهتگیری کریستال با الگوهای پراش فراهم میکند.
همچنین، TEM یکی از ابزارهای اصلی در تصویربرداری و تجزیه و تحلیل مواد کوانتومی در مقیاس نانو در فضای واقعی و متقابل است تا ساختار آنها را در وضوح فضایی زیر آنگستروم نمایان کند.
نقشهبرداری شیمیایی از مرزهای دانه تخریبشده برای مشاهده نفوذ عناصر در فصل مشترکها در نتیجه خوردگی و گرمایش، یکی دیگر از کاربردهای آنالیز TEM است.
مزایا و چالشهای TEM
مزایای TEM
تصویربرداری TEM مزایای مختلفی نسبت به سایر تکنیکهای میکروسکوپی دارد، از جمله:
- بالاترین بزرگنمایی و وضوح
- حالتهای تصویربرداری قابل تنظیم: میدان تاریک و روشن، و همچنین کنتراست فاز و میدان تاریک حلقوی با زاویه بالا (HAADF)
- دستیابی به اطلاعات ساختاری و کریستالوگرافی با تولید الگوهای پراش الکترونی (مانند تکنیک SAD)
- امکان تجزیه و تحلیل شیمیایی نمونهها در مقیاس نانو برای ترکیب عناصر و ساختار پیوند
چالشهای تصویربرداری TEM
علاوه بر نقاط قوت متعدد میکروسکوپ الکترونی عبوری، این تکنیک دچار محدودیتهایی است که عمدتا از پیچیدگی فرآیند ناشی میشوند، مانند:
- بستگی وضوح پراش به ارتعاشات مکانیکی، تداخلهای صوتی، منابع ولتاژ بالای ناپایدار و نمونههای ضخیم
- محدود بودن وضوح پراش به علت ابیراهی لنز شیئی
- محدود بودن اندازه نمونه مورد مطالعه به کمتر از ۱۰۰ نانومتر مربع برای نمونهبرداری تصویربرداری HR-TEM
- تفسیر پیچیده تصاویر TEM به عنوان تصاویر دو بعدی از ساختارهای سه بعدی
- مراحل پیچیده آمادهسازی نمونه
- تخریب ساختار مواد حساس به پرتو، مانند نمونههای نرم و بیولوژیکی، در نتیجه برهمکنشهای الکترون-نمونه
- غلبه بر این مشکل با استفاده از تکنیکهای پیشرفته مانند Cryo-TEM
- نیاز به شرایط خلاء در TEM معمولی و بررسی مواد در شرایط غیرعادی
- قابل حل با استفاده از روش In-Situ TEM
- مراحل پیچیده آمادهسازی نمونه
میکروسکوپ الکترونی عبوری یک تکنیک مشخصهیابی جامع است که میتواند در حالتهای مختلف انجام شود تا الکترونهای عبوری، پراکنده یا ثانویه را از نمونه جمعآوری کرده و نقشهبرداری ساختاری و عنصری از یک نمونه نازک را با بزرگنمایی و وضوح بالا آشکار میکند.
تصویربرداری TEM همچنین چالشهایی در آمادهسازی نمونه، عملکرد محدود به دلیل انحرافات لنز، محدود بودن ناحیه مورد مطالعه و افزایش برهمکنش نمونه-پرتو دارد که ممکن است به نمونه آسیب برساند.
میکروسکوپ الکترونی عبوری به طور مداوم در حال توسعه است تا بر کاستیها غلبه کند و دانش علمی جهان را پیش ببرد.
TEM در محصولات ما
لایهنشانهای میکروسکوپ الکترونی شرکت پوششهای نانوساختار، با قابلیت لایهنشانی لایههای نازک فلزات و کربن به منظور افزایش رسانش سطح نمونه، ساخت نمونه ثانویه، پوششدهی توریهای میکروسکوپ الکترونی عبوری و یا افزایش آبدوستی سطح توری TEM استفاده میشوند.
سیستمهای لایهنشانی شرکت پوششهای نانوساختار شامل اسپاترکوترهای خلاء پایین و بالا، مدلهای DSR1 و DST1، کربن کوترهای خلاء بالا و پایین، مدلهای DCR و DCT و لایهنشانهای ترکیبی DSCR، DSCT و DSCT-T با قابلیت انتخابی اعمال پلاسما بر سطح نمونه به منظور آمادهسازی نمونههای میکروسکوپ الکترونی ایدهآل هستند.
برخی سیستمهای خلاء پوششهای نانوساختار
منابع
- Wu, J., Shaw, C. M., & Martin, D. C. (2012). Electron microscopy of organic materials: an overview and review of recent developments.
- https://www.mri.psu.edu/materials-characterization-lab/characterization-techniques/transmission-electron-microscopy#:~:text=In%20a%20transmission%20electron%20microscopy,sensitive%20or%20low%20contrast%20samples.
- https://ares.jsc.nasa.gov/research/laboratories/transmission-electron-microscopy.html#:~:text=In%20a%20transmission%20electron%20microscope,Mars%2C%20comets%2C%20and%20asteroids.
- Moradifar, Parivash, et al. “Accelerating quantum materials development with advances in transmission electron microscopy.” Chemical Reviews 123.23 (2023): 12757-12794.
- Koster, A. J., et al. “Three-dimensional transmission electron microscopy: a novel imaging and characterization technique with nanometer scale resolution for materials science.” The Journal of Physical Chemistry B 104.40 (2000): 9368-9370.
- https://www.nanoscience.com/techniques/transmission-electron-microscopy/
- https://en.wikipedia.org/wiki/Annular_dark-field_imaging
- https://www.sciencedirect.com/topics/physics-and-astronomy/transmission-electron-microscopy
- https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC3907272/
- https://www.otago.ac.nz/omni/electron-microscopy/tem-techniques
- https://www.azolifesciences.com/article/TEM-Imaging-Modes.aspx
- https://en.wikipedia.org/wiki/High-resolution_transmission_electron_microscopy