میکروسکوپ الکترونی عبوری (Transmission Electron Microscope) با نام متداول TEM، یک ابزار آنالیزی برای دیدن نمونه ها در محدوده میکرومتر (i10-6 m) تا نانومتر (i10-9 m) است. اساس روش TEM مشابه روش های میکروسکوپی نوری ست. اما در روش TEM از پرتو الکترونی به جای پرتو نوری استفاده می شود و به همین علت جزئیات و پیچیدگی هایی غیرقابل دسترس با میکروسکوپ نوری در تصاویر TEM به راحتی قابل مشاهده خواهد بود. میکروسکوپ الکترونی عبوری قوی ترین میکروسکوپ است که کاربردهای بسیاری در زمینه های مختلف علوم از جمله شیمی زمین شناسی بیولوژی مواد و غیره دارد. آنالیز کمی و کیفی، تعیین فاز و ساختار کریستالی، نقایص شبکه بلوری و .. با روش TEM امکان پذیر است.
اصول میکروسکوپ الکترونی عبوری
مشابه امواج نوری پرتو الکترونی نیز در برخورد با ماده برهم کنش های مختلفی خواهد داشت (شکل 1). پرتو الکترونی با عبور از ماده ممکن است متوقف شده یا منحرف شود. به زبان ساده در روش TEM، میزان و نحوه عبور الکترون ها از نمونه بسیار نازک، و برهم کنش های مختلف الکترون با نمونه توسط یک صفحه نمایش یا دوربین جمع آوری و ثبت می شوند. بزرگ نمایی این روش تا 1000000 بار و تفکیک زیر 1nm می تواند با روش TEM بدست آید.
دستگاهوری روش TEM
از نظر دستگاهوری میکروسکوپ الکترونی عبوری، اصولی مشابه میکروسکوپ های نوری دارد. الکترون جایگزین فوتون، لنزهای الکتررومغناطیس جای لنزهای شیشه ای و تصاویر صفحات حساس جایگزین مشاهده چشمی شده است. یک دستگاه TEM معمولا از اجزاء شامل: تفنگ الکترونی، ستون الکترونی، لنزهای الکترومغناطیسی، آشکارساز، محفظه نمونه، سیستم خنک کننده و قسمت های الکترونیکی برای کنترل و اپراتوری دستگاه تشکیل شده است. تصویر سمت چپ شکل 2 شمای کلی یک دستگاه TEM را نشان می دهد.
تفنگ الکترونی به عنوان منبع پرتو الکترونی برای دستگاه عمل می کند. جزییات بیشتر درباره تفنگ الکترونی در بخش SEM شرح داده شده است. سرعت الکترون ها به طور مستقیم به طول موج آنها بستگی دارد. هرچه الکترون سریعتر حرکت کند طول موج کوتاه تر و جزییات و کیفیت تصاویر بهتر خواهد بود.
الکترون ها ذراتی با بار منفی هستند و برخلاف امواج نوری توسط لنزهای شیشه ای متمرکز نمی شوند و باید از لنزهای الکترومغناطیسی برای متمرکز کردن پرتو الکترونی استفاده شود. ستون الکترونی مجموعه ای از لنزهای کندانسور (Condenser lens) و لنزهای شیئی (Objective lens) برای تنظیم و متمرکز کردن پرتو الکترونی روی نمونه است. لنزهای میانی (intermediate lens) و لنزهای پروژکتور (projector lens) پرتو را بزرگ نمایی کرده و آن را به سمت دوربین یا صفحه نمایش برای تشکیل تصویر می فرستند. کل ستون الکترونی و سیستم لنزهای الکترومغناطیسی در خلاء قرار دارند.
تصویر بزرگ نمایی شده بر روی یک وسیله تصویربرداری مانند صفحه فلورسانس، فیلم عکاسی و یا توسط حسگرهایی مانند دوربین وسیله انتقال بار (Charge-Coupled device) یا دوربین CCD ثبت می شوند. تصاویر TEM به صورت سیاه سفید هستند. مناطقی که الکترون ها توسط ماده متوقف شده اند تاریک و مناطقی که الکترون ها پراکنده نشده اند تصویر روشن به دست می آید. مناطق خاکستری مناطقی هستند که الکترون با ماده برهم کنش داشته و به صورت الاستیک پراکنده شده اند.
نمونه برای میکروسکوپ الکترونی عبوری باید مشخصات خاصی داشته باشد و به اندازه کافی ورقه ای باشد که الکترون بتواند از آن عبور کند. در واقع نمونه باید خاصیت شفافیت الکترون (electron transparency) را دارا باشد. نمونه باید در برابر خلاء بالا مقاومت داشته باشد. اغلب نمونه ها قبل از تصویربرداری با TEM نیاز به آماده سازی دارند. آماده سازی نمونه مرحله مشکلی است و ممکن است به ساعت ها زمان نیاز باشد.
فرق عمده میکروسکوپ الکترونی روبشی با میکروسکوپ الکترونی عبوری در اپتیک دستگاه ها، چگونگی شناسایی سیگنال و نوع اطلاعاتی به دست آمده است. میکروسکوپ الکترونی روبشی از سطح نمونه تصویربرداری می کند و TEM از داخل نمونه. پرتو الکترونی در SEM برای روبش نقطه به نقطه و خط به خط نمونه به کار می رود ولی در TEM پرتو الکترونی از نمونه عبور می کند و بنابراین به ولتاژهای بسیار بالاتر نیاز است تا پرتو الکترونی توان لازم برای عبور از نمونه را داشته باشد. آماده سازی نمونه برای SEM آسان تر از TEM است. درجه تفکیک و بزرگ نمایی تصاویر TEM بسیار بهتر و بیشتر از SEM است. شکل 2 تفاوت اجزاء اصلی دستگاهی ونحوه قرارگیری آنها در میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) و میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) را ارائه می دهد.
میکروسکوپ الکترونی عبوری روبشی
میکروسکوپ الکترونی عبوری روبشی (Scanning transmission electron microscopy) یا به اختصار STEM ترکیبی از دو روش میکروسکوپ الکترونی عبوری و میکروسکوپ الکترونی روبشی است. مانند روش TEM در این روش نیز نمونه بسیار نازک باشد و باید شفافیت الکترونی داشته باشد. مزیت عمده روش STEM نسبت به TEM توانایی آن در استفاده از سیگمال های دیگر مانند الکترون های برگشتی، الکترون های ثانویه، مشخصه پرتو ایکس و الکترون های پراکنده است.
مشابه روش SEM در روش STEM نیز نمونه با یک پرتو بسیار متمرکز الکترونی به صورت خطوط موازی (raster) روبش می شود. اثرات متقابل پرتو الکترونی و اتم های نمونه در هر نقطه سیگنال هایی تولید می کند که موقعیت اتمی را در نمونه مشخص می کند از این رو میزان و سطح سیگنال در هر مکان در نمونه تصویر نمونه را ارائه می کند. مزیت عمده این روش نسبت به SEM بهبود تفکیک فضایی تصاویر است.
نکات آنالیزی میکروسکوپ الکترونی عبوری
- بیشترین بزرگ نمایی (تا یک میلیون بار) در تصویربرداری را دارد.
- فراهم آوردن اطلاعات عنصری و ترکیب ساختاری مواد با دقت و کیفیت بالا
- در زمینه های نانوتکنولوژی، پزشکی، بلور شناسی، متالورژی و مواد، علوم زیستی و صنعت کاربرد منحصر به فردی دارد.
- اطلاعات توپوگرافی، مورفولوژی، کریستالی و ترکیبی از نمونه ارائه می دهد.
- امکان تصویربرداری در سطح مولکولی و در نتیجه آنالیز بافت و ساختار مواد
- تشخیص معایب و شکستگی ها در تولیدات میکرو مانند میکرو چیپ ها و نیمه هادیها
- دستگاه بزرگ و گران قیمتی است و نگهداری از آن به تجهیزات ویژه نیاز دارد.
- آماده سازی نمونه کاری سخت و زمان بر است. نمونه ها باید دارای شفافیت الکترونی بوده، بتوانند خلاء بالا محفظه نمونه را تحمل کنند و به اندازه کافی کوچک باشند که در محفظه جا شوند.
- کار با دستگاه نیاز به تخصص و مهارت دارد.
