انواع میکروسکوپ نوری و الکترونی

میکروسکوپ پیمایشگر الکترونی SEM

میکروسکوپ پیمایشگر الکترونی که به آن Scanning Elecron Microscope یا به اختصار SEM گویند یکی از ابزارهای مورد استفاده در فناوری نانو است که با کمک بمباران الکترونی تصاویر اجسامی به کوچکی 10 نانومتر را برای مطالعه تهیه می کند. ساخت SEM سبب شد تا محققان بتوانند نمونه های بزرگتر را به سادگی و با وضوح بیشتر مطالعه کنند. بمباران نمونه سبب می شود تا از نمونه الکترونهایی به سمت صفحه دارای بار مثبت رها شود که این الکترون ها در آنجا تبدیل به سیگنال می شوند. حرکت پرتو بر روی نمونه مجموعه ای از سیگنال ها را فراهم می کند که بر این اساس میکروسکوپ می تواند تصویری از سطح نمونه را بر صفحه کامپیوتر نمایش دهد. SEM اطلاعات زیر را در خصوص نمونه در اختیار میگذارد:
- توپوگرافی نمونه: خصوصیات سطوح
- مورفولوژی: شکل ، اندازه و نحوه قرارگیری ذرات در سطح جسم
- ترکیب: اجزایی که نمونه را می سازند

چگونه SEM کار می کند؟
SEM وسیله ای است که به کمک آن می توان تصویر بزرگتر از نمونه را با کمک الکترون های (به جای نور) خلق کرد. پرتویی از الکترون ها با کمک تفنگ الکترونی میکروسکوپ تولید می شود.

پرتوی الکترونی در خلاء به صورت عمودی از میکروسکوپ عبور می کند. سپس با عبور از میدان های الکترومغناطیسی و لنزهای ویژه به صورت متمرکز به نمونه تابانده می شوند. به محض برخورد پرتو با نمونه، الکترون ها و اشعه های ایکش از نمونه خارج می شوند.

سپس آشکارسازها پرتوهای ایکس، الکترونهای اولیه و الکترونهای ناشی از برخورد الکترونهای اولیه با جسم را جمع آوری می کنند و آنها را به سیگنال مبدل کرده به صفحه نمایش (مانند صفحه تلویزیون) منتقل می کنند و به این طریق تصویر نهایی تهیه می شود.

آماده سازی نمونه
قبل از هر کار باید آب از نمونه جدا شود چرا که آب در خلاء تبخیر می شود. تمامی فلزات رسانا هستند لذا نیازی به آماده سازی آنها برای تهیه تصویر با SEM نیست. موادی که جزء دسته فلزات نیستند باید به وسیله یک لایه نازک رسانا پوشانده شوند. این کار به کمک ابزاری به نام پوشش دهنده انجام می شود که برای این کار از میدان الکتریکی و گاز آرگون استفاده می شود. برای این کار نمونه در یک محفظه ای که خلاء قرار داده می شود و گاز آرگون و میدان مغناطیسی سبب می شوند که الکترون از آرگون جدا شده و سبب شوند تا اتمها بار مثبت داشته باشند. یونهای آرگون توسط فویل طلای دارای بار منفی جذب میشوند. یونهای آرگون به اتمهای طلا ی سطح فویل طلا برخورد می کنند. این اتمهای طلا روی سطح نمونه قرار می گیرند و سبب ایجاد یک پوشش رسانا از طلا بر سطح نمونه می شوند.

۲-

آشنایی با ابزارهای مورد استفاده در فناوری نانو: میکروسکوپ انتقال الکترونی
با استفاده از TEM می توان جسمی به اندازه چند انگستروم (10 -10 متر) را مشاهده کرد. برای مثال می‌توانید اجزای موجود در یک سلول یا مواد مختلف در ابعادی نزدیک به اتم را مشاهده کنید. برای بزرگنمایی TEM ابزار مناسبی است که هم در تحقیقات پزشکی، بیولوژیکی و هم در تحقیقات مرتبط با مواد قابل استفاده است.

اساس عملکرد میکروسکوپ انتقال الکترونی (Transmission Electron Microscope) که به اختصار به آن TEM گویند مشابه میکروسکوپ های نوری است با این تفاوت که بجای پرتوی نور در آن از پرتوی الکترون استفاده می شود. آنچه که می توان با کمک میکروسکوپ نوری مشاهده کرده بسیار محدود است در حالی که با استفاده از الکترونها بجای نور، این محدودیت از بین می‌رود. وضوح تصویر در TEM هزار برابر بیشتر از یک میکروسکوپ نوری است.
با استفاده از TEM می توان جسمی به اندازه چند انگستروم (10 -10 متر) را مشاهده کرد. برای مثال می‌توانید اجزای موجود در یک سلول یا مواد مختلف در ابعادی نزدیک به اتم را مشاهده کنید. برای بزرگنمایی TEM ابزار مناسبی است که هم در تحقیقات پزشکی، بیولوژیکی و هم در تحقیقات مرتبط با مواد قابل استفاده است.
در واقع TEM نوعی پروژکتور نمایش اسلاید در مقیاس نانو است که در آن پرتویی از الکترون ها از تصویر عبور داده می شود. الکترون هایی که از جسم عبور می کنند به پرده فسفرسانس برخورد کرده سبب ایجاد تصویر از جسم بر روی پرده می شوند. قسمت های تاریک تر بیانگر این امر هستند که الکترون های کمتری از این قسمت جسم عبور کرده اند (این بخش از نمونه چگالی بیشتری دارد) و نواحی روشن تر مکانهایی هستند که الکترون از آنها عبور کرده است (بخش های کم چگال تر).
وضوح این میکروسکوپ 2/0 نانومتر است که در حد اتم است (بیشتر اتم ها ابعادی تقریبا برابر 2/0 نانومتر دارند). با این نوع میکروسکوپ حتی می توان نحوه قرار گرفتن اتمها در یک ماده را بررسی کرد.
استفاده از این میکروسکوپ گران و وقت گیر است چرا که نمونه باید در ابتدا به شیوه ای خاص آماده شود لذا تنها در مواردی خاص از میکروسکوپ انتقال الکترونی استفاده نمایند. از این میکروسکوپ جهت تحلیل و آنالیز ریخت شناسی، ساختار کریستالی (نحوه قرارگیری اتمها در شبکه کریستالی) و ترکیب نمونه ها استفاده می شود.

عملکرد میکروسکوپ:
با کمک یک منبع نور در بالای میکروسکوپ ، الکترون ها گسیل و منتشر می شوند. الکترون ها از تیوب خلاء میکروسکوپ عبور می کنند. در میکروسکوپ های نوری از عدسی های شیشه ای برای متمرکز کردن نور استفاده می شود در حالی که در TEM از عدسی های الکترومغناطیسی استفاده می شود تا الکترون های را جمع و متمرکز ساخته به صورت یک پرتوی باریک گسیل نماید. این پرتوی الکترونی از نمونه عبور داده می شود. بسته به چگالی مواد، الکترون ها ممکن است از بخش هایی از جسم بگذرند و به صفحه فلورسانس برخورد نمایند و تصویر سایه مانندی از نمونه ایجاد کنند که میزان تیرگی بخش های مختلف جسم به چگالی مواد در ان بخش ها وابسته است. هر چه جسم کم چگال تر باشد تصویر تیره تر خواهد بود. این تصویر می توان مستقیما توسط اوپراتور مطالعه شود و یا با کمک یک دوربین تصویر برداری شود.

آماده سازی نمونه:
همانطور که در بالا اشاره شد، آماده کردن نمونه نیز به دقت خاصی دارد که در ادامه به نحوه آماده سازی نمونه برای مطالعه آن با TEM اشاره می شود.
در TEM، نمونه ای که می خواهید بررسی کنید باید چگالی آن به حتی باشد که اجازه دهد تا الکترونها تا حدی از آن عبور کنند. راه های مختلفی برای تهیه این نوع نمونه وجود دارد. می توانید برش های بسیار نازک از نمونه مدنظر تهیه کنید و آن را در یک پلاستیک فیکس و ثابت نمایند یا اینکه آنرا منجمد کنید. روش دیگر تهیه نمونه ایزوله کردن نمونه و مطالعه محلولی از مولکول ها یا ویروس های مورد نظر با کمک TEM است.
همچنین می توان نمونه را با روش های مختلف رنگ کرد و با استفاده از مارکر گذاری آنرا مطالعه کرد. برای مثال، فلزات سنگین رنگ شده مانند اورانیوم و سرب الکترون های را به خوبی متفرق می کنند و کنتراست نمونه را در زیر میکروسکوپ بهبود می بخشند. در ادامه روش تهیه دو نمونه برای مطالعه آنها با TEM آورده شده است:
1. تهیه برش با کمک مواد در برگیرنده: مواد زیستی شامل مقادیر آب می باشند. به علت این برای استفاده از TEM باید کار در خلاء انجام شود لازم است تا آب به گونه ای تبخیر و یا جداسازی شود (با کمک الکل یا استون) و در نهایت نمونه فیکس و ثابت می شود. حال نمونه در پلاستیکی محصور می شود (به شکل یک بلوک پلاستیکی سخت) و سپس برشهای نازکی از آن به کمک چاقوی الماس مربوط به دستگاه اولترامیکروتوم (برای ایجاد برش های بسیار ظریف) تهیه می شود که تنها 50-100 نانومتر ضخامت دارند. برش های تهیه شده روی یک توری مسی قرار داده می شوند و با کمک فلزات سنگین رنگ می شوند. حال نمونه بافت آماده مطالعه با کمک پرتوی الکترونی TEM می باشد.

2. تهیه نمونه به روش رنگ کردن: در این روش از مواد ایزوله (که می توانند برای مطالعه باکتری ها و یا مولکول های ایزوله استفاده شوند) استفاده می شود به این طریق که ابتدا محلول محتوای باکتری روی توری ریخته و با پلاستیک پوشانده می شود. محلول نمکی یک فلز سنگین (مانند اورانیوم یا سرب) به آنها اضافه می شود. محلول نمکی فلز با مواد ترکیب نمی شود اما هاله ای را اطراف آن بر روی توری تشکیل می دهد. نمونه به صورت یک تصویر منفی در هنگامی که با کمک TEM مورد مطالعه قرار می گیرد نمایان می شود.

 

                     

   

ميكروسكوپ هاي الكتروني

          ميكروسكوپهاي الكتروني دستگاههاي قدرتمندي براي مطالعه ساختمانهاي ريز مي باشند. اينگونه ميكروسكوپ ها ضمن آنكه داراي توانايي بزرگ نمائي زياد مي باشند داراي قدرت تفكيك بسيار بالايي نيز هستند . ميكروسكوپهاي نوري قادر به تفكيك سلولها و هسته ها از همديگر نمي باشند، درحالي كه  ميكروسكوپ هاي الكتروني قادرند در عمق بيشتري از سلول نفوذ كرده و اجزاي داخلي سلول را نمايش دهند و آنها را در معرض ديد و قدرت تماشاي انسان بگذارند.قدرت تفكيك چشم غير مسلح حدود µm200 و قدرت تفكيك ميكروسكوپ هاي نوري حدود 250 نانومتر يعني در حدود هزار مرتبه بيشتر از چشم غير مسلح مي باشد .

        امروزه بررسي ويژگي ها و خواص مواد بدون مطالعه ريز ساختار امكان پذيرنيست . بررسي آرايش اتمي به همراه آناليز موضعي ، اطلاعات ارزشمندي براي درك كامل خواص و رفتار موا د ، طراحي مواد نو و پيش بيني خواص مورد نياز فراهم نموده است .اسـتفاده از تكنيك هاي جـديد براساس استفاده از پـروب هاي الكتروني ، يوني ، مكانيكي ، الكتريكي ، مغناطيسي و نوتروني بر محدوديت هاي نور مرئـي بعنوان يك پروب شناسـايي ، فائق آمده‌اند به گونه اي كه بزرگ نمايي هاي بالاترازيك ميليون برابر و درمقياس سـه بعدي تا حد تفكيك اتمي امكان پذير است .

  

                        

 

ميكروسكوپ الكتروني اسكنينگ

     بهترين ميكروسكوپ جهت بررسي نمونه هاي بزرگ SEM مي باشد . ميكروسكوپ الكتروني اسكنينگ(Leo 1455 VP  ) با دستگاه سيستم تجزيه اي INCA اكسفورد ، ميكروسكوپ تجزيه اي چندكاره اي است كه قادر به كار در حالت هاي خلاء بالا و پايين براي تصوير برداري و تجزيه كيفي وكميx-ray   جهت آزمون هاي حســـاس مي باشــد . اين دستگاه يكي از كاربردي ترين ابزارهاي پژوهشي در زمينه هاي علوم مواد ، متالورژي ، علوم زيستي ، پزشكي ، دندانپزشكي ، علوم‌گياهي وجانوري ، فيزيك ،نانـوتكنولوژي و غيره است .

 

 مدل دستگاه 1455

شرکت سازنده المان

سال ساخت 2002

سال راه اندازی2003

بزرگنمایی  1تا 300000 برابر

                                     

                   

در ميكروسكوپ الكتروني روبشي (SEM) مانند ميكروسكوپ الكتروني عبوري (TEM)، يك پرتو الكتروني به نمونه مي‌تابد.

شكل 5-1- تصوير الكتروني روبشي سطح یک فلز با مقیاس یک میکرون [1]

اجزاء اصلي و حالت كاري يك SEM ساده در شكل 5-2 نشان داده شده است.

شكل 5-2 – نمودار شماتيكي اجزاء اصلي يك ميكروسكوپ الكتروني روبشي[2]

منبع الكتروني (تفنگ الكتروني) معمولاً از نوع انتشار ترمويونيكي فيلامان يا رشته تنگستني است اما استفاده از منابع گسیل ميدان براي قدرت تفكيك بالاتر، افزايش يافته است معمولاً الكترون‌ها بينKeV1-30 شتاب داده مي‌شوند. سپس دو يا سه عدسي متمركزكننده پرتو الكتروني را كوچك مي‌كنند، تا حدي كه در موقع برخورد با نمونه قطر آن حدوداً بين nm2-10 است.
استفاده‌‌هاي عمومي

1- تصويرگرفتن از سطوح در بزرگنمايي 10 تا 100،000 برابر با قدرت تفكيك در حد 3 تا 100 نانومتر (بسته به نمونه)
2- در صورت تجهيز به آشكارساز back Scattered ميكروسكوپ‌ها قادر به انجام امور زير خواهند بود:
a) مشاهده مرزدانه، در نمونه‌هاي حكاكي ‌نشده، b) مشاهده حوزه‌ها (domains) در مواد فرومغناطيس، c) ارزيابي جهت كريستالوگرافي دانه‌ها با قطرهايي به كوچكي 2 تا 10 ميكرومتر، d) تصويرنمودن فاز دوم روي سطوح حكاكي‌نشده (در صورتي كه متوسط عدد اتمي فاز دوم، متفاوت از زمينه باشد).
3- با اصلاح مناسب ميكروسكوپ مي‌توان از آن براي كنترل كيفيت و بررسي عيوب قطعات نيمه‌هادي استفاده نمود.

نمونه‌هايي از كاربرد

1- بررسي نمونه‌هايي كه براي متالوگرافي آماده شده‌اند، در بزرگنمايي بسيار بيشتر از ميكروسكوپ نوري
2- بررسي مقاطع شكست و سطوحي كه حكاكي عميق شده‌اند، كه مستلزم عمق ميداني بسيار بزرگتر از حد ميكروسكوپ نوري است.
3- ارزيابي جهت كريستالوگرافي اجرايي نظير دانه‌ها، فازهاي رسوبي و دندريت‌ها بر روي سطوح آماده‌شده براي كريستالوگرافي
4- شناسايي مشخصات شيميايي اجزايي به كوچكي چندميكرون روي سطح نمونه‌ها، براي مثال،‌ آخال‌ها، فازهاي رسوبي و پليسه‌هاي سايش
5- ارزيابي گراديان تركيب شيميايي روي سطح نمونه‌ها در فاصله‌اي به كوچكي µm 1
6- بررسي قطعات نيمه‌هادي براي آناليز شكست، كنترل عملكرد و تأييد طراحي

نمونه‌ها

اندازه: محدوديت اندازه توسط طراحي ميكروسكوپ‌هاي الكتروني روبشي موجود تعيين مي‌شود. معمولاً نمونه‌هايي به بزرگي 15 تا 20 سانتيمتر را مي‌توان در ميكروسكوپ‌ قرار داد ولي نمونه‌هاي 4 تا 8 سانتيمتر را مي‌توان بدون جابجاكردن نمونه بررسي كرد.
آماده‌سازي: مواد غيرهادي معمولاً با لايه نازكي از كربن، طلا يا آلياژ طلا پوشش داده مي‌‌شوند. بايد بين نمونه و پايه اتصال الكتريكي برقرار شود و نمونه‌هايي ريز نظير پودرها بايد روي يك فيلم هادي نظير رنگ آلومينيوم پخش شده و كاملاً خشك شوند. نمونه‌ها بايد عاري از مايعاتي با فشار بخار بالا نظير آب، محلول‌هاي پاك‌كننده آلي و فيلم‌هاي روغني باقي‌مانده باشند.

آناليز شيميايي در ميكروسكوپ الكتروني

هر گاه الكترون‌هايي با انرژي بالا به يك نمونه جامد برخورد كنند، موجب توليد اشعه X مشخصه اتم‌هاي موجود در نمونه مي‌شوند.
به هنگام بحث در مورد تشكيل تصوير درSEM و TEM اين پرتوهاي x تا حد زيادي ناديده گرفته مي‌شود. اگر چه، با اين كار از حجم عظيمي از اطلاعات صرف‌نظر مي‌شود با اين حال دانشمندان در دهه 1950 متوجه اين نكته شدند و از آن زمان ميكروسكوپ‌هاي الكتروني به طور فزاينده‌اي براي ميكروآناليز(microanalysis) استفاده مي‌شوند. عبارت ميكروآناليز به اين معني است كه آناليز مي‌تواند بر روي مقدار بسيار كوچكي از نمونه، يا در بيشتر موارد بر روي قسمت بسيار كوچكي از يك نمونه بزرگتر، صورت گيرد. از آنجا كه با روش‌هاي معمولي شيميايي و طيف‌نگاري نمي‌توان اين كار را انجام داد، ميكروآناليز در ميكروسكوپ الكتروني به صورت ابزار مهمي براي تشخيص خصوصيات انواع مواد جامد درآمده است.
اصولاً دو چيز را مي‌توان از طيف پرتوx منتشر شده توسط هر نمونه تعيين نمود. اندزه‌گيري طول موج (يا انرژي) هر پرتو x مشخصه منتشر شده امكان تشخيص عناصر حاضر در نمونه يا انجام آناليز كيفي را ميسر مي‌سازد. اندازه‌گيري تعداد هر نوع پرتوx منتشر شده در هر ثانيه، تعيين مقدار حضور عنصر در نمونه يا انجام آناليز كمّي را امكان‌پذير می سازد شرايط لازم براي نمونه و دستگاه جهت آناليز كمّي به گونه‌اي است كه گذر از مرحله آناليز كيفي به كمّي ‌ به آساني ميسر نخواهد بود.

محدوديت‌ها

1-كيفيت تصوير سطوح تخت، نظير نمونه‌هايي كه پوليش و حكاكي متالوگرافي شده‌اند، معمولاً در بزرگنمايي كمتر از 300 تا 400، برابر به خوبي ميكروسكوپ نوري نيست.
2-قدرت تفكيك حكاكي بسيار بهتر از ميكروسكوپ نوري است، ولي پايين‌تر از ميكروسكوپ الكتروني عبوري و ميكروسكوپ عبوري روبشي است

           

 

ميکروسکوپ تونل زن (STM) از ترتيب اتمهاي سطح با استفاده از امواج حس شده در دانسيته الکتروني سطح که از مکان اتمهاي سطح ناشي مي شود، عکس مي گيرد. با استفاده از اين تکنيک ميکروسکوپي مي توان سطوح رساناي الکتريکي را تا مقياس اتمي مورد بررسي قرارداد. STM امکان جديدي براي تشخيص اينکه چگونه شرايط فرآيند آماده سازي مي تواند روي جزئيات اتمي سطح ماثر باشد، فراهم مي کند.    در STM نمونه به وسيله يک نوک فلزي بسيار نازک اسکن مي شود.نوک به شکل مکانيکي به اسکنر متصل است،اسکنر يک دستگاه تعيين کننده موضع XYZ است که توسط مواد پيزوالکتريک کار مي کند. نمونه اندکي بار مثبت يا منفي دارد، بنابراين اگر نوک با نمونه تماس يابد، يک جريان کوچک،« جريان تونل زن » جاري مي شود. با کمک جريان تونل زن،الکترونيک پس خور فاصله نوک ونمونه ثابت نگه داشته مي شود.اگر جريان تونل زن از ميزان فعلي اش بيشتر شود، فاصله بين نوک ونمونه افزايش مي يابد واگر از اين مقدار کمتر شود، پس خور فاصله را کم مي کند.نوک خط به خط سطح نمونه را پيروي از توپوگرافي نمونه اسکن مي کند.   دليل توانايي بسيار زيا د STM در مقياس اتمي ، خواص فيزيکي جريان تونل زن است. وقتي جريان تونل زن جاري مي شود، از فاصله اندکي که نوک را از نمونه جدا مي کند، عبور مي نمايد. اين مورد در فيزيک کلاسيک امکان پذير نيست اما با به کارگيري روشهاي بهتر مکانيک کوانتوم قابل توجيه مي باشد.جريان تونل زن به شکل تواني با افزايش فاصله کاهش مي يابد. تغيير بسيار کم در فاصله نوک –نمونه باعث تغييرات زيادي در جريان تونل زن مي شود، بنابراين فاصله نوک-نمونه بايد بسيار دقيق اندازه گيري شود. جريان تونل زن، توسط خارجي ترين اتم واقع در قسمت بيروني نوک ايجاد مي شود،اتمهاي نزديکتر به اين اتم مقدارکمي جريان ايجاد مي کنند،بنابراين سطح تنها به وسيله يک اتم اسکن مي شود.جريان تونل زن با کنده کاري يا کشيدن يک سيم نازک فلزي به راحتي به دست مي آيد. براي درک بهتر اين موضوع مثال زير را در نظر بگيريد: يک تپه مخروطي از ماسه را روي زمين تصور کنيد، اگر به دقت آنرا بررسي کنيد، آنگاه خواهيد ديد که يک دانه ماسه خارجي ترين قسمت قله را تشکيل مي دهد، اکنون جاي تپه را با نوک عوض کنيد با توجه به اين نکته که جريان تونل زن با فاصله به شکل تواني کاهش مي يابد، جريان تونل زن جاري مي شود و سطح نمونه با خارجي ترين اتم اسکن مي شود.