میکروسکوپ الکترونی

            

ميكروسكوپ های الکترونی

 ميكروسكوپ های الکترونی، ابزاری كاملاً ضروري براي تحقيقات نوين در دنیای نانو هستند. در اغلب مطالعات انجام‌ شده روي خواص مواد نانو ساختار، از ميكروسكوپ های الكتروني برای بررسي خواصي مانند اندازه ذرات، شكل ذرات، ساختار و استوکیومتری و کریستالوگرافی سطح مواد استفاده می شود.
فرآیند ساخت این میکروسکوپ ها از سال 1873 شروع شد، وقتی که ارنست آبه ثابت کرد که برای تشخیص دقیق دو ذره نزدیک به هم، طول موج نور نباید بیشتر از دو برابر فاصله دو ذره از یکدیگر باشد.
این ایده پایه اصلی ساخت میکروسکوپ های الکترونی را شکل داد. چرا که طبق آن، الکترون طول موجی بسیار کوچکتر از طول موج نور مرئی مورد استفاده در میکروسکوپ های نوری داشت و در نتیجه دقت اندازه گیری به میزان چشمگیری افزایش می یافت. توسعه این فرآیند تا سال ۱۹۳۹ به طول انجامید و در آن سال اولین میکروسکوپ الکترونی ساخته شد.
می دانیم که دقت اندازه گیری در ميكروسكوپ های الکترونی مي تواند به كمتر از یک آنگستروم و بزرگ نمایی با بیش از یک میلیون برابر برسد. البته امروزه دقت چنين دستگاه هايي به ۵۰ پیکومتر (پنج صدم نانومتر) نیز رسيده است. قوی‌ترین میکروسکوپ الکترونی دنیا با نام پیکو در سال ۲۰۰۹ در مدرسه عالی فنی آخن در آلمان ساخته شده كه توان نمایش ذراتی به اندازه ۵۰ پیکومتر و تصاویری از اجزای اتم و حرکت اتم‌ها را دارد. این میکروسکوپ دو برابر دقیق‌تر از میکروسکوپی‌ است که سال 2008 در دانشگاه برکلی ساخته شده بود.
برای درک کاملی از فرآيند ساختاري میکروسکوپ های الکترونی، با توجه به ماهیت آنها، باید انواع چشمه هاي الكتروني را مورد مطالعه قراردهيم:


 چشمه توليد الكترون
همان گونه که اشاره شد در میکروسکوپ های الکترونی از الکترون برای تهیه تصاویر استفاده می شود. الكترون در این میکروسکوپ ها معمولاً به دو صورت ترمويونيك و گسیل ميدانی تولید می شود:

1- چشمه ترمویونیک  Thermoionic :
در این روش از یک فيلامان به عنوان منبع کاتدی استفاده می شود. با عبور جریان الکتریکی از فیلامان و گرم شدن آن الکترون ها از سطح فیلامان گسیل شده و تحت یک ولتاژ بالا تا 400 کیلو ولت شتاب می گیرند.
فیلامان می تواند از جنس تنگستن،LaB6 و یا CeB6 باشد. در شكل1، نمايي از اين نوع چشمه ها نشان داده شده است.  


شكل1: تصوير چشمه هاي الكتروني ترمويونيك  

2- چشمه گسیل ميدانی Field emission
این تکنیک اخیراً به دلیل آنکه موجب افزایش چشمگیر قدرت تفكيك و در نتیجه افزایش وضوح تصویر در میکروسکوپ های الکترونی شده است، بیش از پیش مورد استفاده قرار می گیرد.
در این تکنیک از مطابق شکل 2، پدیده تونل زنی الکترون روی یک نوک سوزنی بسیار تیز از جنس تنگستن، تحت ولتاژهای بالا استفاده می شود و به دو دسته کاتد سرمایی و گرمایی تقسیم می شود.    

         
شکل2: چشمه توليدالكتروني به روش گسیل میدانی
 
در فرآیند کاتد سرد، میدان الکتریکی روی نوک سوزنی به بیش از  (V/Cm107 ) می رسد و بواسطه این میدان قوی الکترون ها از نوک سوزنی (با شعاع کمتر از یک دهم میکرومتر) گسیل می شوند.
در فرآیند گسیل میدان گرم علاوه بر ولتاژ از گرما و نیز واکنش های شیمیایی برای غلبه بر پتانسیل مرزی استفاده می شود.
برای انجام این کار به خلأ بالاتر از ^11-10 تور نیاز است تا از وجود هر نوع ذره خارجي بر روی نوک سوزنی و یا اکسید شدن آن جلوگیری شود. در جدول 1 چشمه های مختلف الکترونی با یکدیگر مقایسه شده اند.

در اين جدول پارامترهايي مانند عمر مفيد، اندازه چشمه الكتروني، انرژي منتشر شده، خلأ مورد نياز براي توليد الكترون و يكنواختي جريان براي چهار چشمه تنگستن، LaB6 ، FEG گرمایی و  FEGسرمایی آمده است. 
 
جدول1: مقايسه شرايط مختلف چشمه هاي الكتروني



ساختار ميكروسكوپ هاي الكتروني
همانطور كه اشاره شد مبناي كار میکروسکوپ هاي الكتروني، برهم كنش باريكه الكتروني با نمونه است. با این تفاوت که در ميكروسكوپ هاي SEM از الکترون ها و یا پرتوهای برگشتی از سطح نمونه و در میکروسکوپ TEM از الکترون های عبوری برای آناليز سطح استفاده می شودکه مطابق شکل 3، با استفاده از چند آشکارساز، شناسایی و جهت تجزیه و تحلیل خواص ماده هدف مورد استفاده قرار می گیرند.
از مهم ترين آنها می توان به آشکارساز الکترون های پس پراکندگی، آشکارساز الکترونهای ثانویه، آشکارساز الکترون های اوژه (AES ) و آشکارساز پرتو  x (EDS ) اشاره نمود.    


شكل3: آشكارسازهاي مختلف موجود در يك ميكروسكوپ الكتروني 
 
به صورت کلی، قسمت هاي اصلی یک میکروسکوپ الکترونی عبارتند از:
1- چشمه الکترونی(ترمویونیک و یا گسیل میدانی)
2- لنزهاي الکترومغناطیسی که خود شامل چند نوع می باشند:
الف) لنزهاي کانونی کننده (Condenser) که وظیفه کنترل شدت باریکه، چگالی، همگرایی و همدوسی باریکه را برعهده دارند.
ب) لنزهاي شیئی Objective جهت بزرگ نمایی وکنتراست
ج) لنزهاي میانی Intermediate جهت بزرگ نمایی بیشتر، تصویرسازی و یا پراش
د) لنزهاي تصویری Projective جهت بزرگ نمایی نهایی

3- آشکارسازها

4- سیستم خلأ که خود شامل سه بخش اصلی است: الف- محفظه خلأ (که ستون میکروسکوپ را شامل می شود و شامل کلیه تجهیزات میکروسکوپ     می شود) ب- پمپ های تولید کننده خلأ ج- گیج ها، شیرها و بخش کنترل و بازرسی خلأ

---

منبع : کتاب مبانی لایه نشانی و آنالیز نانو ساختار تالیف آقای جهانبخش مشایخی، انتشارات مرکز نشر دانشگاهی