میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM)

در یک میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM)، برای هر 1 الکترون ولت انرژی ایجاد شده در باریکه ی الکترونی، هزینه ای برابر با 2 دلار دارد و اگر شما قصد داشته باشید تا از تمام امکانات آن استفاده کنید، این هزینه می تواند به حدود 4- 5 دلار بر هر الکترون ولت انرژی مصرفی نیز برسد. همانگونه که در ادامه ی این مقاله خواهید دید، ما از باریکه های الکترونی با انرژی هایی در گستره ی 100000 تا 400000 الکترون ولت استفاده می کنیم، بنابراین، یک TEM یک وسیله ی گران قیمت است. در نیتجه دلایل علمی زیادی وجود دارد که از این وسیله استفاده می شود. در این مقاله، ما به شما برخی توسعه های تاریخی در زمینه ی TEM را معرفی می کنیم. علت این مسئله این است که بررسی جنبه های تاریخی مطالعه ی این وسیله، به ما می گوید چرا ما نیاز به استفاده از TEM در شناسایی مواد داریم. به نظر می رسد، سایر دلایل در زمینه ی استفاده از TEM در توسعه های انجام شده در این زمینه، نهفته است. بدبختانه همراه با مزیت هایی که در زمینه ی استفاده از این نوع میکروسکوپ وجود دارد، برخی محدودیت های جدی در استفاده از آن وجود دارد. این محدودیت ها، کارایی میکروسکوپ را محدود می کند و شما باید با این محدودیت ها نیز آشنا باشید.
به نظر می رسد که یک TEM می تواند به چندین شکل مختلف باشد. انواع مختلف این دستگاه ها می تواند با نام های مخففی مانند HRTEM، STEM و AEM نامیده شوند. انواع مختلف این دستگاه ها در بخش های بعدی معرفی شده اند. ما همچنین ما در اینجا، از واژه های یکسانی برای بیان روش شناسایی و ابزار شناسایی استفاده کرده ایم. ما به انواع مختلف TEM ها به عنوان یک سیستم واحد نگاه می کنیم که هر کدام اندکی نسبت به نوع دیگر متفاوت هستند. ما برخی از ویژگی های فیزیکی الکترون را نیز به طور خلاصه مورد بررسی قرار داده ایم و خواننده را با برهمکنش ها مختلف الکترون با مواد، آشنا می کنیم.
در نهایت، ما برخی از متداول ترین نرم افزارهای کامپیوتری مورد استفاده در TEM را معرفی می کنیم. ما این نرم افزارها را معرفی کرده ایم تا اهمیت نرم افزارهای و آنالیزهای کامپیوتری را در آنالیز با استفاده از TEM، به شما گوشزد کنیم.

چرا از الکترون استفاده می کنیم؟

چرا باید ما از میکروسکوپ الکترونی، استفاده می کنیم. از لحاظ تاریخی، TEM ها به این دلیل توسعه یافتند تا محدودیت مربوط به رزولیشن در میکروسکوپ های نوری، برداشته شود. محدودیت موجود در زمینه ی میکروسکوپ های نوری به دلیل طول موج نور ایجاد شده است. تنها بعد از اینکه میکروسکوپ الکترونی توسعه یافت، این تشخیص داده شد که دلایل متعدد دیگری در زمینه ی استفاده از الکترون وجود دارد. بیشتر این ویژگی ها در میکروسکوپ های الکترونی عبوری مدرن مورد استفاده قرار گرفته است. بیایید ببینیم TEM چگونه توسعه یافته است و مخالفین و موافقات استفاده از یک چنین وسیله ای، را بشناسیم.

خلاصه ی تاریخی در زمینه ی توسعه ی TEM

Louis de Broglie (1925) اولین بار با استفاده از تئوری نشان داد که الکترون دارای خواص شبه موجی است. این فرد تشخیص داد که الکترون ها دارای طول موجی کمتر از طول موج نور مرئی هستند. پس Davisson و Germer (1927) و Thompson و Reid (1927) به طور مستقل تجربیات کلاسیک خود در زمینه ی تفرق الکترون را انجام دادند. این تجربیات نشان داد که الکترون دارای ماهیت موجی است. زمان طولانی نگذشت که ایده ی میکروسکوپ الکترونی در مقاله ی Knoll و Ruska (1932) ارائه گردید. در این مقاله، آنها ایده ی لنزهای الکترونی را یک ایده ی قابل دستیابی، معرفی کردند و توانستند با استفاده از میکروسکوپ الکترونی نشان داده شده در شکل 1، عکس برداری کنند. این مسئله موجب شد تا Ruska در سال 1986، جایزه ی نوبل دریافت کند. بعد از یک سال از انتشار کارهای انجام شده بوسیله ی Knoll و Ruska، حد رزولیشن میکروسکوپ نوری شکسته شد. Ruska آشکار ساخت که او ایده ی Broglie در مورد موج های الکترونی را نشنیده است و فکر می کرده است که حد موج برای الکترون قابل اعمال نیست. TEM ها بعدا از 4 سال، تجاری سازی شد. اولین TEM تجاری، Metropolitan Vickers EM1 بود. این TEM در سال 1936 در انگلیس تولید شد اما ظاهر این وسیله به خوبی کار نمی کرد و TEM های با کارکرد مناسب در سال 1939 بوسیله ی زیمنس و Halske در آلمان، تولید شد. بعد از جنگ جهانی دوم، سایر شرکت ها مانند هیتاچی، JEOL، فیلیپس و RCA نیز بعدها TEM تولید کردند.
از لحاظ علم مواد، مهم ترین توسعه در دهه ی 1940 انجام شد. در این زمان، Heidenreich (1949) فویل های فلزی نازکی تولدی کردند که در برابر الکترون شفاف هستند. این کار بوسیله ی Switzerland و Hirsch و همکارانشان، در کمبریج ادامه یافت. به دلیل اینکه بیشتر TEM های آن زمان بر روی فلزی کارا بودند، فویل های کاری مشابه نمونه عمل می کنند. علاوه بر این، کنتراست تفرق که در آن قابلیت تشخیص وجود داشته باشد، تمام خطوط و عیوب کریستالی شبکه ای است که در تصویر TEM مشاهده می شود. از نقطه نظر مهندسی مواد، کاربردهای عملی TEM برای حل مشکلات مهندسی مواد در آمریکا و بوسیله ی Thomas انجام شده است.
امروزه بیشتر TEM ها از جمله سهل الوصول ترین و پر بازده ترین ابزارها در شناسایی مواد می باشد. اگر شما بخواهید تاریخچه ای در مورد TEM مطالعه کنید می توانید کتاب Marton (1968) را مطالعه کنید. Fujita (1986) کارهای زیادی در زمینه ی توسعه ی این ابزار در ژاپن، انجام داد. کارهای افراد گذشته به حدی مهم است که امروزه نیز پیش گامان ساخت TEM به مقالات چاپ شده بوسیله ی گذشتگان، مراجعه می کنند. اگر شما علاقه مند به مطالعه در مورد تاریخ علوم هستید، ما به شما پیشنهاد می کنیم تا کتاب 50 سال تفرق الکترونی را مطالعه کنید. این کتاب بوسیله ی Doodman نوشته شده است. همچنین کتاب های زیاد دیگری در این زمینه به چاپ رسیده است.

میکروسکوپی و مسئله ی رزولیشن

وقتی از افراد در مورد میکروسکوپ سوال می کنیم، بیشتر آنها می گویند، میکروسکوپ یک ابزار افزایش بزرگنمایی است که بوسیله ی آن امکان دیدن چیزهای کوچک مقدور می شود. این چیزهای کوچک با استفاده از چشم غیر مسلح، قابل مشاهده نمی باشد. به دلیل مشابهت بالای میان مباحث مربوط به میکروسکوپ های نوری و الکترونی، ما مباحث مربوط به میکروسکوپ های الکترونی را با توجه به ساختار میکروسکوپ نوری، بیان می کنیم.
کوچکترین فاصله ی میان دو نقطه که ما می توانیم با چشم خود ببینیم، در حدود 1/0 تا 2/0 میلی متر می باشد. مقدار دقیق این فاصله، در چشم های مختلف، متفاوت است. البته این مسائل با فرض ثابت بودن میزان روشنایی محیط است. این فاصله رزولیشن یا قدرت تفکیک نامیده می شود. بنابراین هر ابزاری که بتواند به ما تصویر نشان دهد، جزئیاتی تا 1/0 میلی متر را برای ما آشکار می کند. این بالاترین بزرگنمایی است که قابل حصول می باشد. یکی از جاذبه ها برای افرادی که در ابتدا به دنبال ساخت TEMبودند، این بود که از آنجایی که الکترون ها کوچکتر از اتم ها هستند، از لحاظ تئوری، استفاده از آنها، امکان دیدن جزئیات داخل اتم وجود دارد. چشم ما نسبت به الکترون حساس نیست. اگر یک باریکه از الکترون با انرژی بالا به چشم شما برخورد کند، شما چیزی متوجه نمی شوید در حالی که این الکترون ها موجب تخریب سلول های شبکیه می شوند و موجب می شود تا شما نابینا شوید. بنابراین، چیزی که در هر میکروسکوپ الکترونی و بر روی صفحه ی نمایش مشاهده می کنید، مجموعه ای از نقاط روشن و تاریک است. برخورد این الکترون ها موجب پدید آمدن شدت های نوری مختلف می شود. این شدت های مختلف به صورت یک عکس در می آید.
رزولیشن یک TEM در عملکرد های مختلف دستگاه، معانی مختلفی دارد و ما در مورد آنها در جای مناسب صحبت می کنیم. این ساده تر است که ما رزولیشن تصویر یک TEM را به صورت معیار کلاسیک رایلی که برای میکروسکوپ های نوری بیان شده است، بیان کنیم. این رزولیشن ( ) بیان کننده ی کوچکترین فاصله ای است که قابل مشاهده است. فرمول رزولیشن به صورت زیر است:

در معادله ی بالا، طول موج تابش، اندیس تفرق محیط تصویربرداری و نصف زاویه ی همگرایی لنزهای بزرگنمایی است. به منظور ساده سازی، ما می توانیم عبارت را 1 فرض کنیم و بنابراین، رزولیشن برابر می شود با نصف طول موج نور. برای صفحات نمایشگر، طول موج نور در بین طیف نور مرئی قرار گرفته است. این نور دارای طول موجی برابر با 550 نانومتر است و بنابراین، رزولیشن بهترین میکروسکوپ های نوری در حدود 300 نانومتر است. در TEM ها، رزولیشن برابر با 0.61λ/β می باشد. بعدا مشاهده می شود که این مقدار، عددی بسیار کوچک است .
حال اگر چه 300 نانومتر یک فاصله ی کوچک برای ما بشمار می آید (این فاصله برابر 1000 برابر قطر اتم است)، بسیاری از ویژگی هایی که خواص ماده را کنترل می کند، در زیر این مقیاس قرار دارد. بنابراین، اگر ما بخواهیم از خواص مواد اطلاع پیدا کنیم، نیاز داریم تا از سطوح اتمی تصویربرداری کنیم. در واقع دلیل اصلی استفاده از TEM ها نیز همین خاصیت می باشد.
این محدودیت میکروسکوپ نوری، در شروع قرن گذشته و بوسیله ی ارنست آبه، مورد بررسی قرار گرفت. ارنست آبه یکی از بزرگان در این زمینه می باشد. این فرد آرزو داشت تا با ابتکارهای آینده، این محدودیت میکروسکوپ های نوری، برطرف گردد. امروزه معادله ی معروف دوبری نشان می دهد که طول موج الکترون ها با انرژی (E) آنها در ارتباط است و اگر ما از اثرات نسبیتی صرفنظر کنیم، می توانیم نشان دهیم که

در این معادله، E ولتاژ الکترون (بر حسب الکترون) و λ بر حسب نانومتر است. به یاد آورید که ما باید در استفاده از واحد های ولت و الکترون ولت، دقت کنیم. واحد ولت بیان کننده ی ولتاژ شتاب دادن میکروسکوپ است، در حالی که واحد الکترون ولت بیان کننده ی انرژی الکترون ها در میکروسکوپ است. بنابراین، برای الکترون های با انرژی 100 keV، ما می فهمیم که است که این مقدار کوچکتر از قطر اتم هاست.
ما بعدا می بینیم که به این حد طول موج نرسیده ایم زیرا ما نمی توانیم لنزهای الکترونی کامل بدست آوریم. این نکته باید بیان گردد که پیشرفت های سریع بعد از کارهای اولیه Ruska به منظور تولید لنز، ایجاد شده است و در میانه ی دهه ی 1970، که بسیاری از TEM های تجاری قادر بودند ستون های اتمی را در کریستال ها از هم تفکیک کنند، TEM های با رزولیشن بالا (HRTEM) تولید شد. یک تصویر HRTEM نمونه وار در شکل 2 نشان داده شده است. مزیت های طول موج کمتر موجب شد تا در دهه ی 1960، میکروسکوپ های الکترونی با ولتاژ بالا (HVEMs) تولید شد. در این میکروسکوپ ها ولتاژ هایی بین 1 تا 3 مگا ولت ایجاد می شود. در حقیقت، بیشتر این ابزارها برای اعمال مقدار کنترل شده ای از تخریب های تابشی در نمونه مورد استفاده قرار می گیرد. با ایجاد این تغییرات تلاش می شود تا محیط رآکتور هسته ای شبیه سازی شود. البته امروزه دیگر این زمینه مورد استفاده قرار نمی گیرد. در حالی که ما می توانیم هنوز هم رزولیشن را بهبود دهیم، محرک افزایش رزولیشن هم اکنون وجود ندارد و TEM به روش های دیگر تولید می شوند. در حقیقت، تنها یک HVEM ( 1 MV) برای تصویربرداری HRTEM در دهه ی1980 و سه دستگاه در دهه ی 1990، ساخته شده است. میکروسکوپ های الکترونی با ولتاژ متوسط (IVEMs) در دهه ی 1980 تولید شده اند. این TEM ها در ولتاژهایی بین 300 تا 400 کیلو ولت، کار می کردند اما رزولیشن ایجادی بوسیله ی آنها بسیار بالا بود و نزدیک به رزولیشن ایجادی بوسیله ی TEM های با ولتاژ 1 MV تولیدی در قبل بوده است.

برهمکنش الکترون ها با ماده

الکترون ها یک نوع تابش یونیزه شده است که توانایی کندن یکی از الکترون های پوسته ی داخلی ماده ای را دارد که به آن برخورد می کند.
یکی از مزیت های استفاده از تابش یونیزه شده، این است که این تابش بعد از برخورد به نمونه، گستره ی وسیعی از سیگنال های ثانویه را ایجاد می کند. برخی از این تابش ها در شکل 3 به طور خلاصه آورده شده است. بسیاری از این سیگنال ها برای آنالیز در میکروسکوپی الکترونی تحلیلی (AEM)، مورد استفاده قرار می گیرند. با استفاده از این میکروسکوپی، اطلاعات شیمیایی و بسیاری از جزئیات در مورد نمونه ها، تشخیص داده می شود. AEM از طیف سنجی انرژی اشعه ی X (XEDS) و طیف سنجی اتلاف انرژی الکترونی (EELS) استفاده می کند. برای مثال، شکل 4A یک طیف اشعه ی X را نشان می دهد که از یک ناحیه ی کوچک از نمونه ی TEM، بدست آمده است. این طیف نشاندهنده ی پیک های شاخصه ی است که بوسیله ی آنها حضور عناصر تشخیص داده می شود. ما می توانیم این طیف ها را به صورت داده های کمی تبدیل کنیم و بتوانیم تغییرات ساختار غیر هموژن که در مواد اتفاق می افتد را تعیین کنیم (شکل 4B و C). در عوض، میکروسکوپ هایی که از تابش غیر یونیزه (مانند نور مرئی) استفاده می کنند، معمولا تنها نور ایجاد می کنند. AEM ها عموما کارایی بهبود یافته ای را در ولتاژهای متوسط، ایجاد می کند (مشابه با HRTEM ها).
برای اینکه بهترین سیگنال از نمونه بدست آید، باید تابش الکترونی مناسبی به نمونه برخورد کند. بنابراین TEM های مدرن ابزارهایی با توانایی ایجاد سیگنال های خوب هستند. برای متمرکز کردن این سیگنال ها، ما نیاز داریم تا باریکه ی بسیار نازکی از الکترون ایجاد کنیم. به طور نمونه وار، این باریکه قطری کمتر از 10 نانومتر دارد و در بهترین حالت این قطر باید کمتر از 1 نانومتر باشد. همچنین می توان یک SEM و یک TEM را ترکیب کرده و یک میکروسکوپ روبشی، عبوری (STEM)، تولید کنیم. یک STEM هم به عنوان یک AEM و هم به عنوان یک میکروسکوپ تصویربرداری مورد استفاده قرار می گیرد. در حقیقت، وسایلی از این نوع وجود دارد که توانایی کار در یکی از این دو حالت را دارا می باشد. این وسایل DSTEM نامیده می شوند.

عمق میدان

عمق میدان یک میکروسکوپ، اندازه ای از این کمیت است که تا چه میزان می توانیم شیئ در حال نگاه کردن را تغییر مکان دهیم اما هنوز هم فوکوس مناسب وجود داشته باشد. مانند رزولیشن، این خاصیت بوسیله ی لنزهای میکروسکوپ تعیین می شود. برای مینیمم کردن مشکلات مربوط به لنزها، سعی می شود تا باریکه ی ایجاد شده بوسیله ی تفنگ الکترونی، تا حد ممکنه باریک باشد. استفاده از این بخش ها اگر چه شدت باریکه ی الکترونی را کاهش می دهد، بلکه همچنین امکان افزایش عمق میدان برای ما مقدور می شود. به یاد داشته باشید که عمق میدان به نمونه مربوط می شود در حالی که عمق فوکوس به تصویر مربوط است.
در حالی که این عمق میدان بزرگ بطور عمده در SEM و برای تولید تصاویر سه بعدی از سطح نمونه های با توپولوژی ناهموار، مورد استفاده قرار می گیرد، این پارامتر در TEM ها نیز مهم می باشد. اگر چه این عمق میدان در TEM زیاد مهم نمی باشد، تمام نمونه ها معمولا باید در فوکوس مناسبی قرار داشته باشند (بدون توجه به توپولوژی نمونه). شکل 5 یک تصویر TEM از برخی نابجایی ها را در یک کریستال نشان می دهد. نابجایی ها در این نمونه شروع و به پایان می رسند اما در حقیقت آنها راه خود را از بالا به پایین، شیار می دهند. علاوه بر این، ما می توانیم تصاویر نهایی را در مکان های مختلف زیر لنز آخر دستگاه، ثبت کنیم و هنوز هم فوکوس مناسب داشته باشیم. این وضعیت را با میکروسکوپ نوری مقایسه کنید. در میکروسکوپ نوری اگر سطح نمونه صاف باشد، فوکوس در تمام بخش ها یکسان می شود. این جنبه ی TEM هم به عنوان مزیت و هم به عنوان محدودیت برای این میکروسکوپ مطرح می شود.

تفرق الکترون

تامسون و Reid نشان داده اند که الکترون ها زمانی که از میان کریستال های نازک نیکل عبور داده شوند، متفرق می شوند و احتمال ترکیب شدن تفرق الکترونی در TEM ها بوسیله ی Kossel و Mollenstedt تشخیص داده شد. امروزه، تفرق الکترونی بخشی جدایی ناپذیر هر TEM است و یکی از جنبه های مفید استفاده از TEM در علم مواد نیز همین تفرق هاست. شکل 6 یک الگوی تفرق الکترونی نشان داده شده است که بوسیله ی یک TEM گرفته شده است. این تصویر شامل اطلاعاتی در مورد ساختار کریستالی، فاصله ی شبکه ای و شکل نمونه است. ما خواهیم دید که این الگو همواره می تواند به تصویر ناحیه ای از نمونه مربوط باشد که مورد تصویربرداری قرار گرفته اند. شما باید به این نکته توجه کنید که علاوه بر چیزهایی که در بالا بدان ها اشاره شد، شما می توانید با استفاده از این روش، یک آنالیز تقارن کریستالوگرافی را از کریستال های کوچک، بدست آورید. به دلیل طول موج بزرگ در میکروسکوپ های نوری، قابلیت انجام این کار در این میکروسکوپ ها، وجود ندارد.
بنابراین، یک میکروسکوپ الکترونی می تواند تصاویری در سطح اتمی ایجاد کند. این تصاویر می تواند نشانه های زیادی را به ما معرفی کند که بوسیله ی آن اطلاعات ارزنده ای در زمینه ی شیمی و کریستالوگرافی مواد مورد آنالیز، حاصل می شود. سایر دلایل نیز برای استفاده از میکروسکوپ های الکترونی وجود دارد. ما آرزومندیم تا با مطالعه ی این مقاله، اطلاعات ارزنده ای به خواننده منتقل گردد. همچنین دلایل بسیار دیگری وجود دارد که می گوید، چرا نباید همواره برای حل مشکلات خود، از میکروسکوپ الکترونی عبوری استفاده کنید.

محدودیت های TEM

ساخت نمونه

تمام مزیت های بالا که در مورد TEM گفته شد، با محدودیت هایی همراه هستند. اول از همه، قیمت بالای استفاده از این روش موجب شده است تا از این روش برای کارهای حساس استفاده شود. همچنین با وجود رزولیشن بالا، ساخت نمونه های TEM سخت است. Von Heimendahl (1980) گزارشی در مورد محاسبات انجام شده بوسیله ی Swann در سال 1970 ارائه داده است که با توجه به این محاسبات تخمین زده شده است که تمام TEM ها که به صورت تجاری تا آن زمان موجود بودند، تنها می توانستند نمونه هایی را مورد آنالیز قرار دهند که دارای حجمی در حد بوده اند. در حال حاضر این حجم به رسیده است. بنابراین، ما وسیله ای را در اختیار داریم که نمونه سازی آن مشکل است. این مسئله به ای ن معناست که پیش از قرار دادن نمونه در داخل TEM، شما باید نمونه را با استفاده از یک روش آماده سازی کنید. همچنین باید پیش از آماده سازی نمونه، بررسی هایی با استفاده از میکروسکوپ نوری، چشم غیر مسلح و میکروسکوپ الکترونی روبشی بر روی نمونه ها انجام شود. این بدین معناست که پیش از نگاه به برگ های یک جنگل، باید به خود جنگل نگاه کنید.
یکی دیگر از مشکلات TEM، این است که به ما تصویری 2 بعدی از نمونه ای سه بعدی ارائه می دهد. چشمان و مغز ما به طور روتین تصاویر نوری انعکاس یافته را می فهمند اما تفسیر تصاویر TEM کاری ساده نیست و بنابراین ما باید در تفسیر این عکس ها، دقت کنیم. Hayes (1980) با نشان دادن یک تصویر از دو اسب آبی، این مشکل را نشان داد. تصویر این دو اسب آبی به گونه ای است که انگار سر یکی به دنب دیگری متصل شده است (شکل 7). شاید با دیدن این تصویر بخندید چون ما حقیقت سه بعدی این تصویر را مشاهده و درک کرده ایم اما وقتی ما به یک چنین تصویری در TEM نگاه کنیم، گیج می شویم. بنابراین، باید در مورد این مسئله در TEM، دقت کنیم.
یک جنبه از این محدودیت این است که تمام اطلاعات TEM که ما در این مقاله مشاهده می کنیم، متوسطی از ویژگی ها در ضخامت های مختلف را در بر دارد. به عبارت دیگر، یک تصویر TEM منفرد، نسبت به عمق حساس نیست، همانگونه که در شکل 5 قابل مشاهده است. بنابراین، برای سایر روش ها که نسبت به سطح یا عمق حساس هستند (مانند میکروسکوپی یونی میدانی، میکروسکوپ پروبی- روبشی، میکروسکوپی اوژه، تفرق بازگشتی رادرفورد و ... ) باید تدابیری اندیشیده شود و نمونه ها پیش از انجام آزمون، تحت عملیات های خاص قرار گیرند.

تخریب های ناشی از برخورد باریکه ی الکترونی

یک اثر جانبی تابش های یونیزه شده، این است که این تابش ها می توانند به نمونه خسارت وارد کنند مخصوصا این مسئله در مواد پلیمری و برخی سرامیک ها، مشهود است. برخی جنبه های تخریبی باریکه ی الکترونی در ولتاژهای بالا، بیشتر نمود دارد. این مسئله در برخی وسایل تجاری که توانایی ایجاد ولتاژهایی در حدود 400 kV را دارا می باشند، مشهود تر است (حتی برای فلزات دیرگداز). شکل 8 ناحیه ای از نمونه را نشان می دهد که بواسطه ی برخورد الکترون های پر انرژی، تخریب شده است. ترکیب باریکه های با انرژی بالا با منابع الکترونی با شدت بالا بدین معناست که ما می توانیم هر نمونه ای را تخریب کنیم. البته باید دقت کنید که خودتان تحت تابش قرار نگیرید. TEM های مدرن به خوبی طراحی و ساخته شده اند و میزان ایمنی آنها بالاست اما باید این نکته را همواره مد نظر قرار دهید که تماس با ولتاژ بالا می تواند به شما آسیب برساند. بنابراین، بدون تماس با سازنده ی TEM، هیچ گاه آن را دستکاری نکنید.

آماده سازی نمونه

اگر شما می خواهید در زمینه آماده سازی نمونه ی خود برای آزمون TEM اطلاعات کسب کنید، باید بدانید که نمونه ی شما باید نازک شود. نازک شدن یک واژه ی نسبی است اما در این زمینه، نازک شدن به معنای این است که ضخامت نمونه باید به حدی کاهش یابد که نمونه در برابر الکترون شفاف باشد. برای یک نمونه ی شفاف در برابر الکترون، نمونه باید به حدی نازک باشد که الکترون های کافی از آن عبور کند و شدت مناسبی را بر روی صفحه ی نمایش ایجاد کند. عموما شدت نقاط ایجاد شده بر روی صفحه ی نمایش TEM به انرژی الکترون ها و متوسط عدد اتمی نمونه ی مورد آنالیز، بستگی دارد. به طور نمونه وار، برای الکترون های با انرژی 100 KeV، نمونه های تولیدی از آلیاژهای آلومینا تا ضخامت 1 میکرون، برای تصویربرداری با TEM، مناسب هستند در حالی که برای فولاد، ضخامت باید از چند صد نانومتر بیشتر نباشد. به هر حال، در TEM، این یک اصل بدیهی است که نمونه ی نازک تر برای تصویربرداری مناسب تر است. در واقع محدوده ی ضخامت کمتر از 100 نانومتر گستره ی اندازه ی مناسب است. این در حالی است که برای تصویر برداری با HRTEM، این ضخامت باید کمتر از 50 نانومتر باشد. این نیازمندی، با افزایش ولتاژ کمتر می شود، اما با افزایش ولتاژ، میزان تخریب های ایجاد شده بر روی نمونه ها، کاهش می یابد.
بنابراین، این واضح است که در حالی که TEM و تکنیک های مربوطه در هنگام استفاده ی مناسب، روش های قدرتمندی هستند، این روش ها به طور مجزا قابلیت حل کردن مشکلات موجود در زمینه ی مهندسی مواد را دارا نمی باشند. شما باید قبل از استفاده از TEM، نمونه ها را با چشم غیر مسلح، میکروسکوپ نوری و میکروسکوپ الکترونی روبشی، مورد بررسی قرار دهید. همچنین امکان بروز اشتباه به دلیل وجود محدودیت های اشاره شده در بالا، زیاد است.

انواع مختلف TEM

همانگونه که شما در قسمت های قبلی خوانده اید، انواع مختلفی از TEM ها به بازار آمده اند. این انواع عبارتند از: HRTEM، HVEM، IVEM، STEM و AEM. در اینجا ما به بیان اصول اولیه ی استفاده از این ابزارها می پردازیم. در حقیقت، یک TEM 300 یا 400 کیلو الکترون ولتی، می تواند تمام انواع مختلف میکروسکوپ که در بالا بدان اشاره شد، را با هم داشته باشد. شکل 9، 4 نوع مختلف از TEM ها را نشان داده است. این مسئله مفید است که برخی از ویژگی های ابزارهای نشان داده شده در اینجا را در نظر بگیریم. یک HVEM معمولا نیازمند یک اتاق دو طبقه است. وضعیت دستگاه می تواند با در نظر گرفتن ارتفاع اپراتور، تنظیم گردد. یک ماشین مدرن ضرورتا دارای یک ستون الکترونی است و بیشتر بخش های دیگر نیز بوسیله ی کامپیوتر، کنترل می شوند. توجه کنید که DSTEM تنها دارای صفحات نمایش CRT است و صفحه ی نمایشی وجود ندارد. علاوه بر این، منبع الکترونی در پایین ستون قرار گرفته اند نه در بالای آن.

برخی از خواص پایه ای الکترون ها

در این بخش برخی از خواص الکترون را مورد بررسی قرار می دهیم. شما می دانید که الکترون ها دارای خواص ذره ای و موجی هستند. این مسئله یکی از معماهای پیچیده ی فیزیک کوانتمی است. در حقیقت، TEM به طور روتین هم از خواص ذره ای و هم موجی الکترون ها بهره می برد. جریان یک باریکه ی الکترونی در TEM در حدود 1/0 تا 1 میکرو آمپر است. این بدین معناست که الکترون از سطح مقطع نمونه عبور می کند. اما همانگونه که در ادامه می بینید، وجود انرژی 100 KeV، این الکترون ها با سرعتی نصف سرعت نور ( ) از میان نمونه عبور می کند؛ بنابراین با در نظر گرفتن ضخامت کوچک نمونه، در هر لحظه، بیش از یک الکترون در نمونه وجود ندارد. با این حال، تفرق الکترونی و برهمکنش رخ می دهد. هر دوی این برهمکنش ها، پدیده های موجی هستند و نشاندهنده ی برهمکنش های ایجادی با باریکه ی الکترونی است. با وجود این وضعیت پیچیده، ما اطلاعات زیادی در مورد الکترون و رفتار آن داریم که در این ویژگی ها در جدول 1 خلاصه شده است.
برخی معادلات مهم وجود دارد که شما باید در مورد آنها اگاهی داشته باشید. اول از همه، بر اساس ایده ی دوبری در مورد دوگانگی موجی، ذره ای، ما می توانیم مومنتوم ذره (p) را به طول موج ( ) مرتبط کنیم، بنابراین،

در TEM، ما مومنتوم الکترون را با شتاب دادن آن بیان می کنیم. در این حالت، انرژی پتانسیل باید برابر انرژی سینتیکی، بنابراین،

حال، ما می توانیم مومنتوم را به جرم الکترونی و سرعت (v) مرتبط کنیم و از رابطه ی قبلی، رابطه ی زیر را بدست آوریم:

با توجه به همه ی این فرمول ها، ارتباط میان طول موج و ولتاژ شتاب دهی، ایجاد می شود:

این رابطه جوانب بسیار مهمی را به ما معرفی می کند. در واقع، با افزایش ولتاژ شتاب دهی، طول موج الکترون کاهش می یابد. با استفاده از فرمول بالا امکان تخمین طول موج یک TEM تجاری وجود دارد.
ساده ترین طرز عمل، این است که از اثرات نسبیتی صرفنظر کنیم اما بدبختانه برای میکروسکوپ الکترونی در ولتاژ 100 KeV، اثرات نسبیتی را نمی توان در نظر نگرفت زیرا سرعت الکترون ها بزرگتر از نصف سرعت نور می شود. بنابراین، بهتر است که معادله ی قبل را اصلاح کنیم:

با قرار دادن ولتاژ در دو معادله ی بالا، می توان تفاوت آنها را متوجه شد. این اثرات نسبی برای ولتاژهای شتاب دهی بالاتر، مشهود تر است (جدول 2).
در هنگام در نظر اندازه گیری رزولیشن میکروسکوپ ها، دانستن این اعداد می تواند به ما کمک کند. همچنین در هنگام انجام محاسبات در زمینه ی برهمکنش الکترون ها با ماده، نیز این اعداد یاری کننده هستند.
باید واحدهای پارمترهای بالا در سیستم SI باشند. تفاوت سیستم های گوسی و SI در کتاب های فیزیک آورده شده است.

میکروسکوپی در اینترنت

استفاده کنندگان از TEM می توانند از طریق اینترنت با هم در تماس باشند و اطلاعات مفیدی در زمینه ی این دستگاه پیدا کنند. شما همچنین می توانید از طریق اینترنت، نتایج TEM را به صورت مستقیم و از مکانی دور نسبت به محل تصویربرداری نگاه کنید.
علاوه بر این، نرم افزارهای خاصی وجود دارد که به ما اجازه می دهند آنالیزهای پیشرفته ای انجام دهیم. در واقع با استفاده از این نرم افزارها امکان بررسی و تجزیه و تحلیل الگوهای تفرق وجود دارد.
استفاده از مطالب این مقاله با ذکر منبع راسخون بلامانع می باشد.