آنالیز TEM

 با کمک نتایج TEM می توان داده های مربوط به کریستالوگرافی، ترکیب نمونه، مورفولوژی سطحی، فازها و عیوب موجود در نمونه و جهت گیری آن ها را تجزیه و تحلیل کرد. در بعضی موارد از میکروسکوپ الکترونی عبوری با وضوح بالا یا HR-TEM (High Resolution TEM) استفاده می شود.

ویژگی نمونه برای انجام تست TEM

نمونه هایی که برای انجام انالیز TEM استفاده می شوند فقط باید به صورت جامد و یا پودری باشند. نمونه های جامد مانند فلزات، سرامیک ها، مواد معدنی، پلیمرها و مواد بیولوژیکی و غیره معمولا به شکل دیسک هایی به قطر 3 میلی متر و ضخامت 100 میکرون در می آیند که در قسمت وسط آن ها یک یا چند سوراخ ایجاد شده است. پرتو الکترونی قابلیت عبور از لبه های اطراف سوراخ، تا ضخامت 100 نانومتر را دارد.

نمونه های پودری با استفاده از یک شبکه نگهدارنده (grid) کربنی نازک نگه داشته می شوند. در شکل ب) تصویر بالا، قطعات کوچکی از نمونه نازک یا ذرات کوچک پودر روی دیسک توری فلزی نگهدارنده قرار گرفته اند. این کار به جلوگیری از جابه جایی نمونه در حین انجام آنالیز TEM کمک می کند.

از gridها برای برخی نمونه های خاص مانند نمونه های پودری، نانولوله ها و نانوذرات استفاده می شود.

آماده سازی نمونه برای انجام آنالیز TEM

روش های مختلفی برای آماده سازی نمونه بالک برای انجام آنالیز TEM وجود دارد. هدف از آماده سازی نمونه در انالیز TEM ، تولید نمونه نازکی از نمونه بالک اولیه است که مشخصات ماده مورد مطالعه و قابلیت عبور دادن الکترون را داشته باشد.

روش های آماده سازی نمونه بالک شامل الکتروپولیش و پولیش شیمیایی، پولیش مکانیکی، سایش یونی و اتمی و استفاده از رپلیکا می باشد. 

اجزای میکروسکوپ TEM

اجزای میکروسکوپ الکترونی TEM شامل محفظه روشنایی، محفظه نمونه، عدسی های بزرگنمایی و ثبت داده می شود. در دستگاه میکروسکوپ الکترونی عبوری TEM می توان از آشکارسازهای EDS برای شناسایی عناصر موجود در نمونه نیز استفاده کرد. عملکرد آشکارساز EDS در دستگاه TEM دقیقا همانند عملکرد EDS در SEM است.

محفظه روشنایی

قسمت روشنایی دستگاه آنالیز TEM شامل یک تفنگ الکترونی به عنوان منبع تابش است. تفنگ الکترونی می تواند به صورت تفنگ حرارتی و یا تفنگ انتشار میدانی باشد.

شدت تفنگ الکترونی در محدوده 200-40 الکترون ولت است. عدسی های متمرکزکننده اول و دوم و هم چنین دریچه متمرکزکننده نیز در قسمت روشنایی دستگاه TEM قرار دارند. عدسی های متمرکزکننده وظیفه کنترل spot size و شدت پرتو را برعهده دارند.

محفظه نمونه

در دستگاه TEM ، محفظه نمونه شامل جانمونه ای، عدسی شیئی، دریچه شیئی و دریچه پراش می شود. محفظه نمونه یا specimen chamber و میله نگهدارنده نمونه، قابلیت تغییر زاویه چرخش نمونه را در دستگاه آنالیز TEM دارند. محفظه نمونه در پایین قسمت سیستم متمرکزکننده قرار گرفته است. نمونه در داخل عدسی شیئی قرار می گیرد. امکان جابه جایی نمونه در حد چند میلی متر و چرخش زیاد آن در دستگاه TEM وجود دارد.

نمونه توسط میله نگهدارنده وارد دستگاه TEM می شود. این میله قابلیت نگه داشتن نمونه ای به قطر 3 میلی متر یا کوچکتر را دارد. وارد کردن میله نگهدارنده نمونه از طریق Airlock به داخل ستون میکروسکوپ الکترونی TEM صورت می گیرد.

میله می تواند در جهت های X و Y تا 2 میلی متر به منظور قرار دادن نمونه در جای مناسب، حرکت کند. نمونه می تواند به دور میله نگهدارنده تا 60 درجه و با گرداندن میله نگهدارنده، چرخانده شود.

عدسی شیئی روی نمونه فوکوس می کند و اولین تصویر میانی را ایجاد می کند.

بزرگنمایی میکروسکوپ TEM

قسمت بزرگنمایی میکروسکوپ الکترونی TEM حاوی عدسی میانی و 4 تا 5 عدسی تصویری است. عدسی میانی جهت تصویربرداری و تهیه الگوی پراش استفاده می شود. با تغییر محل فوکوس عدسی میانی میکروسکوپ الکترونی TEM ، می توان تصویر نمونه و یا الگوی پراش از ناحیه انتخابی را تهیه کرد.

ثبت داده های میکروسکوپ الکترونی TEM

ثبت داده در دستگاه آنالیز TEM نیز توسط صفحه نمایش فلورسانس و دوربین (فیلم عکاسی یا دیجیتال) انجام می شود.

مکانیزم کنتراست میکروسکوپ TEM

کنتراست در تست TEM به انحراف الکترون ها از جهت اولیه شان در حین عبور از نمونه وابسته است. کنتراست زمانی ایجاد می شود که در تعداد الکترون های متفرق شده از باریکه عبوری، اختلاف وجود داشته باشد.

مکانیزم های کنتراست تصویر در میکروسکوپ الکترونی TEM شامل کنتراست ناشی از ضخامت-جرم و کنتراست پراشی است.

مکانیزم کنتراست ضخامت-جرم در دستگاه TEM

انرژی و زاویه حرکتی الکترون های عبوری تحت تاثیر تفرق های الاستیکی و غیرالاستیکی در نمونه است. دریچه شیئی ای که در صفحه کانونی پشت عدسی شیئی قرار دارد، تمام الکترون هایی را که با زاویه بزرگتر از α متفرق می شوند را متوقف می کند و نمی گذارد در تشکیل تصویر مشارکت کنند.

شماتیک تفرق الکترون در مکانیزم کنتراست ضخامت-جرم آنالیز TEM

مکانیزم کنتراست ضخامت-جرم برای کاربردهای بیولوژیکی در میکروسکوپ ها استفاده می شود. در این مکانیزم، به منظور بالا بردن جرم بخش هایی از نمونه که مدنظر است، آن را به فلزی سنگین مانند اسمیم آغشته می کنند. در این صورت تصویر، از بخش های دیگر متمایز می شود. تفرق الاستیک و غیرالاستیک الکترون های پرانرژی، موجب می شود جهت به مقدار کمی تغییر کند در نتیجه، زاویه α باید کمتر از 1 درجه باشد.

در تصویر زیر، در نمونه نازک (سمت چپ) ، تفرق کمتری نسبت به نمونه ضخیم تر (تصویر وسط) رخ می دهد. در ناحیه ای با ضخامت یکسان ولی چگالی بیشتر (سمت راست) ، تفرق بیشتری رخ می دهد.

مکانیزم کنتراست پراشی میکروسکوپ الکترونی عبوری

کنتراست پراشی، مکانیزم اصلی تشکیل تصویر در آناليز TEM برای نمونه های بلوری است.  کنتراست پراشی آنالیز TEM ، به زاویه قرارگیری نمونه در نگهدارنده بسیار حساس است، اما کنتراست چگالی جرمی، به جرم کلی در ضخامت بر واحد سطح نمونه بستگی دارد.

کنتراست پراشی به این معنی است که، در جهت های خاصی از نمونه، شدت تفرق به مقدار زیادی افزایش پیدا می کند. درنتیجه یکی از دو پرتوی عبوری یا پراشیده توسط عدسی شیئی موجب تشکیل تصویر می شوند که پرتوی پراشیده کنتراست شدیدتری ایجاد می کند. برای درک کنتراست پراشی باید خصوصیات اصلی پراش الکترونی را تحت نظر قرار داد.

مکانیزم کنتراست پراشی تشکیل تصویر در آنالیز TEM

کنتراست پراشی از قانون براگ پیروی می کند که در زیر آورده شده است.

nλ=2d_hkl sinϴ :قانون براگ

طول موج الکترون های پراشی 3-2 پیکومتر است. درنتیجه طول موج، از فاصله صفحات خیلی کوچکتر است بنابراین رابطه بالا تبدیل به رابطه زیر می شود.

nλ≈2d_hklϴ

درنتیجه ϴ∝d_hkl^-1 است. درنتیجه هرچه صفحات اتمی به یکدیگر نزدیکتر باشند، زاویه پراش بزرگتر خواهد شد.

ایجاد تصویر زمینه روشن (bright field)  در TEM

اگر دریچه با محور اپتیکی هم مرکز باشد، تصویری با زمینه روشن دیده می شود که تصویربرداری میدان روشن (bright field imaging) نامیده می شود. به بیانی دیگر، دریچه، الکترون هایی که با زاویه بزرگتر پراشیده شده اند را متوقف می کند درنتیجه تصاویر با زمینه روشن تشکیل می شود. مناطقی از نمونه که ضخیم تر باشد یا چگالی بالاتری داشته باشد، الکترون ها را شدیدتر متفرق می کند و در تصویر TEM تاریک تر دیده می شوند.

تصویر TEM یک سل حیوانی (تصویر سمت راست با قرار دادن دریچه شیئی و استفاده از کنتراست و تصویر سمت چپ بدون دریچه شیئی گرفته شده است.)

ویژگی های دستگاه TEM

• گرفتن تصویر از ریزساختار در بزرگنمایی 1000 تا 1000000 برابر و نمایش جزئیات ساختاری با قدرت تفکیک زیر 1 نانومتر توسط ميکروسکوپ TEM.
• آنالیز عنصری کیفی و کمی اجزای نانوسایز با استفاده از آناليز TEM.
• تحلیل نتایج ميکروسکوپ الکتروني TEM به منظور تعیین ساختار و جهت بلوری اجزای نانوسایز.

• تهیه تصویر صفحات بلوری با فاصله های نسبتا زیاد توسط دستگاه TEM.
• استفاده از میکروسکوپ الکترونی عبوری برای تعیین آنالیز ریزساختاری فلزات، سرامیک ها، مواد زمین شناسی، پلیمرها و مواد بیولوژیکی در بزرگنمایی های بالا.
• شناسایی ترکیب شیمیایی و ساختار بلوری، فازهای غیرآلی، رسوبات و آلودگی ها توسط آنالیز TEM.

محدودیت های دستگاه TEM

• آماده سازی نمونه به منظور انجام اناليز TEM کمی سخت و خسته کننده است.
• در میکروسکوپ الکترونی TEM ، آنالیز کمی معمولا فقط برای عناصری با عدد اتمی بزرگتر از 11 امکانپذیر است.

• در بعضی دستگاه های میکروسکوپ TEM ، حتی به صورت کیفی هم فقط عناصری با عدد اتمی بزرگتر از 11 می توانند آنالیز شوند.
• زمان بررسی و انجام آنالیز TEM طولانی است.

مقایسه میکروسکوپ الکترونی عبوری و میکروسکوپ نوری

• ماکزیموم رزولوشن آنالیز میکروسکوپ نوری حدود 200 نانومتر و برای میکروسکوپ الکترونی TEM ، تقریبا 2/0 نانومتر است.

• محدوده آنالیز میکروسکوپ نوری 2000-2 برابر و میکروسکوپ TEM در حد 1000000-500 برابر است.
• منبع تابشی در میکروسکوپ نوری، نور مرئی بوده و در میکروسکوپ الکترونی TEM ، الکترون ها با سرعت بالا منبع تابشی هستند.
• لنزهای مورداستفاده در میکروسکوپ نوری از جنس شیشه بوده و لنزهای دستگاه TEM لنزهای الکترومغناطیس هستند.

• محیط عملیاتی آنالیز میکروسکوپ نوری در هوا یا مایع و برای میکروسکوپ TEM خلاء شدید است.
• تشکیل تصویر در میکروسکوپ نوری با چشم قابل مشاهده بوده ولی در ميکروسکوپ الکتروني TEM تشکیل تصویر روی صفحات فسفرسانس اتفاق می افتد.

مقایسه آنالیز TEM و SEM

آنالیز SEM تصویر سه بعدی و سطحی از نمونه را ارائه می دهد ولی ميکروسکوپ الکتروني عبوري ، تصویر دو بعدی را نشان می دهد. اناليز TEM قابلیت نشان دادن داخل ذرات و عکسبرداری در مقیاس اتمی را نیز دارد.

اما می توان گفت میکرسکوپ الکترونی عبوری و میکروسکوپ الکترونی روبشی مکمل یکدیگر بوده و برای داشتن نتایج باکیفیت تر و دقیق تر، بهتر است از هر دو تست برای انجام تحقیقات استفاده شود.

هزینه تست TEM

هزینه تست TEM که امروزه در بسیاری از آزمایشگاه ها و مراکز تحقیقاتی انجام می شود، بستگی به عوامل مختلفی دارد. برای مثال، تعداد نمونه ها، تعداد عکس ها، انجام آماده سازی نمونه و انجام آنالیز TEM به صورت حضوری و غیرحضوری، بر هزینه تست TEM تاثیر می گذارند. آنالیز TEM ، کمی هزینه بر است اما از آنجایی این تست اطلاعات کمی و کیفی زیادی از ریزساختار در اختیار کاربر قرار می دهد، برای انجام کارهای تحقیقاتی مفید بوده و کاربرد دارد.

خدمات آنالیز TEM

خدمات آنالیز TEM در آزمایشگاه ها و مراکز تحقیقاتی انجام می شود. دریافت نمونه از مشتری، آماده سازی نمونه برای انجام آنالیز TEM ، تصویربرداری از نمونه و تحویل نتایج TEM به مشتری از خدمات آنالیز TEM است. هم چنین در برخی از مراکز انجام آنالیز TEM ، تحلیل نتایج میکروسکوپ الکترونی عبوری توسط کارشناسان و محققان به عنوان خدمات آنالیز TEM انجام می شود.

 امروزه در بسیاری از کشورها دستگاه TEM در آزمایشگاه ها وجود دارد و دانشجویان می توانند بدون نگرانی در مورد وقت و هزینه از این تست ارزشمند استفاده کنند.