موضوع مقاله: میکروسکوپ الکترونی عبوری با وضوح بالا | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # میکروسکوپ الکترونی عبوری با وضوح بالا | مقدمه: یادآوری: عبارت «HREM» ممکن است به مانومتری مری با وضوح بالا نیز اشاره داشته باشد. | ## بخش 1: میکروسکوپ الکترونی عبوری با وضوح بالا | میکروسکوپ الکترونی عبوری با وضوح بالا یا HREM یکی از حالت‌های تصویربرداری در میکروسکوپ‌های الکترونی عبوری تخصصی است که امکان تصویرسازی مستقیم از ساختار اتمی نمونه‌ها را فراهم می‌کند.Spence, John C. این روش ابزاری قدرتمند برای بررسی ویژگی‌های مواد در مقیاس اتمی است؛ از جمله نیمه‌رساناها، فلزات، نانوذرات و کربن‌های با پیوند sp² (مانند گرافن و نانولوله‌ها). اگرچه این اصطلاح گاهی برای توصیف میکروسکوپ الکترونی روبشی عبوری با وضوح بالا نیز استفاده می‌شود (به‌ویژه در حالت میدان تاریک حلقوی با زاویهٔ بالا)، در اینجا تمرکز بر تصویربرداری مستقیم از یک شیء از طریق ثبت توزیع دوبعدی دامنهٔ موج فضایی در صفحهٔ تصویر است؛ مشابه با یک میکروسکوپ نوری کلاسیک. برای رفع ابهام، این روش گاهی با نام میکروسکوپ الکترونی عبوری با کنتراست فازی نیز شناخته می‌شود. در حال حاضر، بیشترین وضوح نقطه‌ای حاصل در میکروسکوپ الکترونی عبوری با وضوح بالا حدود ۰٫۵ آنگستروم (۰٫۰۵۰ نانومتر) است.C. S2CID 12689183 در این ابعاد بسیار کوچک، اتم‌های منفرد بلور و نیز نقص‌های ساختاری قابل مشاهده‌اند. برای مطالعهٔ بلورهای سه‌بعدی، لازم است چندین تصویر از زوایای مختلف گرفته و سپس در قالب یک نقشهٔ سه‌بعدی ترکیب شوند. یکی از دشواری‌های میکروسکوپ الکترونی عبوری با وضوح بالا این است که تشکیل تصویر بر کنتراست فازی متکی است. در تصویربرداری با کنتراست فازی، کنتراست به‌صورت شهودی قابل تفسیر نیست، زیرا تصویر تحت تأثیر ابیراهی‌های عدسی‌های تصویربرداری در میکروسکوپ قرار می‌گیرد. بزرگ‌ترین سهم‌ها در ابزارهای بدون تصحیح معمولاً ناشی از فوکوس‌زدایی، ابیراهی کروی و آستیگماتیسم عدسی شیئی هستند. کنتراست تصویر و تفسیر آن کنتراست تصویر در میکروسکوپ الکترونی عبوری با وضوح بالا از تداخل موج الکترونی با خودش در صفحهٔ تصویر ناشی می‌شود. به‌دلیل ناتوانی ما در ثبت فاز موج الکترونی، تنها دامنهٔ آن در صفحهٔ تصویر ثبت می‌شود. برای آشکارسازی این اطلاعات، ابیراهی‌های میکروسکوپ (مانند فوکوس‌زدایی) باید به‌گونه‌ای تنظیم شوند که فاز موج در صفحهٔ خروجی نمونه به دامنه‌ها در صفحهٔ تصویر تبدیل شود. برهم‌کنش موج الکترونی با ساختار بلورشناختی نمونه پیچیده است، اما می‌توان به‌راحتی درکی کیفی از این برهم‌کنش به‌دست‌آورد. در بالای نمونه، موج یک الکترون را می‌توان تقریباً به‌صورت یک موج تخت در نظر گرفت که به سطح نمونه فرود می‌آید. به‌طور هم‌زمان، برهم‌کنش میان موج الکترونی در ستون‌های اتمی مختلف منجر به پراش براگ می‌شود. توصیف دقیق پراکندگی دینامیکی الکترون‌ها در نمونه‌ای که تقریب فاز ضعیف شیء را برآورده نکند—که شامل تقریباً همهٔ نمونه‌های واقعی است—همچنان به‌عنوان جام مقدس میکروسکوپ الکترونی باقی مانده است. با این حال، فیزیک پراکندگی الکترون و تشکیل تصویر در میکروسکوپ الکترونی به‌خوبی شناخته شده‌اند، به‌گونه‌ای که امکان شبیه‌سازی دقیق تصاویر میکروسکوپ الکترونی فراهم است.O'Keefe, M. در نتیجهٔ برهم‌کنش با نمونهٔ بلوری، موج خروجی الکترون دقیقاً در زیر نمونه (x,u)φe به‌عنوان تابعی از مختصات فضایی x، برهم‌نهی‌ای از یک موج تخت و مجموعه‌ای از پرتوهای پراکنده‌شده با بسامدهای فضایی متفاوت درون صفحه u است (بسامدهای فضایی متناظر با زاویه‌های پراکندگی یا فاصلهٔ پرتوها از محور نوری در صفحهٔ پراش هستند). تغییر فاز (x,u)φe نسبت به موج فرودی در مکان ستون‌های اتمی به بیشترین مقدار خود می‌رسد. موج خروجی سپس از سامانهٔ تصویربرداری میکروسکوپ عبور می‌کند، جایی که دستخوش تغییر فاز بیشتری می‌شود و به‌عنوان موج تصویر در صفحهٔ تصویربرداری (که عمدتاً شامل حسگر پیکسلی دیجیتال مانند دوربین CCD است) با خود تداخل می‌کند. به‌عنوان مثال، شدت زیاد ممکن است نشان‌دهندهٔ وجود ستون اتمی در آن موقعیت مشخص باشد یا نباشد (به شبیه‌سازی مراجعه شود). | ## بخش 2: میکروسکوپ الکترونی عبوری با وضوح بالا | رابطهٔ میان موج خروجی و موج تصویر رابطه‌ای به‌شدت غیرخطی بوده و تابعی از ابیراهی‌های میکروسکوپ است. تابع انتقال کنتراست فاز تابع انتقال کنتراست فازی تابعی از دیافراگم‌های محدودکننده و ابیراهی‌ها در عدسی‌های تصویربرداری یک میکروسکوپ است. این تابع اثر آن‌ها را بر فاز موج خروجی الکترون φe(x,u) توصیف می‌کند و آن را به موج تصویر منتقل می‌سازد. ISBN 978-0-306-45324-3.، با فرض تقریب شیء با فاز ضعیف (نمونهٔ نازک)، تابع انتقال کنتراست به شکل زیر در می‌آید: در اینجا A(u) تابع دیافراگم است و E(u) تضعیف موج را برای بسامدهای فضایی بالاتر u توصیف می‌کند، که به آن تابع پوش نیز گفته می‌شود. جملهٔ سینوسی پایانی تابع انتقال کنتراست تعیین می‌کند که مؤلفه‌های با بسامد u با چه علامتی در کنتراست تصویر نهایی ظاهر شوند. اگر تنها ابیراهی کروی تا مرتبهٔ سوم و فوکوس‌زدایی در نظر گرفته شوند، χ نسبت به محور نوری میکروسکوپ تقارن چرخشی دارد و در نتیجه فقط به قدرمطلق u وابسته است و به‌صورت زیر داده می‌شود. در میکروسکوپ الکترونی عبوری، فوکوس‌زدایی را می‌توان به‌سادگی کنترل و با دقت بالایی اندازه‌گیری کرد؛ بنابراین می‌توان با تغییر فوکوس نمونه، شکل تابع انتقال کنتراست را به‌راحتی تغییر داد. برخلاف کاربردهای اپتیکی، فوکوس‌زدایی می‌تواند دقت و قابلیت تفسیر میکروگراف‌ها را افزایش دهد. تابع دیافراگم، پرتوهایی را که در زاویه‌هایی بزرگ‌تر از یک زاویهٔ بحرانی معین پراکنده شده‌اند قطع می‌کند (برای مثال زاویه‌ای که توسط قطعهٔ قطبی عدسی شیئی تعیین می‌شود) و بدین‌ترتیب به‌طور مؤثر وضوح قابل دستیابی را محدود می‌سازد. با این حال، معمولاً این تابع پوش E(u) است که سیگنال پرتوهای پراکنده‌شده در زاویه‌های بزرگ را تضعیف می‌کند و بیشینه‌ای برای بسامد فضایی منتقل‌شده اعمال می‌نماید. این بیشینه، بالاترین وضوح قابل دستیابی با یک میکروسکوپ را تعیین می‌کند و به «حد اطلاعات» معروف است. تابع E(u) را می‌توان به‌صورت حاصل‌ضرب چند تابع پوش منفرد توصیف کرد: در اینجا: Es(u): گسترش زاویه‌ای منبع Ec(u): انحراف رنگی Ed(u): رانش نمونه Ev(u): ارتعاش نمونه ED(u): آشکارساز رانش و ارتعاش نمونه را می‌توان در یک محیط پایدار به حداقل رساند. معمولاً این ابیراهی کروی Cs است که همدوسی فضایی را محدود می‌کند و Es(u) را تعیین می‌نماید، و همچنین ابیراهی رنگی Cc به‌همراه ناپایداری‌های جریان و ولتاژ که همدوسی زمانی را در Ec(u) مشخص می‌کنند. این دو تابع پوش، با تضعیف انتقال سیگنال در فضای فوریه همراه با افزایش بسامد فضایی u، حد اطلاعات را تعیین می‌کنند: در اینجا α نیم‌زاویهٔ دسته‌پرتوهایی است که نمونه را روشن می‌کنند. بدیهی است اگر ابیراهی موج (که در اینجا توسط Cs و Δf نمایش داده شده است) از بین برود، این تابع پوش مقدار ثابتی خواهد داشت. در مورد یک میکروسکوپ الکترونی عبوری بدون تصحیح با Cs ثابت، تضعیف ناشی از این تابع پوش را می‌توان با بهینه‌سازی مقدار فوکوس‌زدایی‌ای که تصویر در آن ثبت می‌شود (فوکوس‌زدایی لیخته) به حداقل رساند. تابع پوش زمانی را می‌توان به‌صورت زیر بیان کرد: در اینجا δ گسترهٔ فوکوس است که در آن انحراف رنگی Cc به عنوان پارامتر در نظر گرفته می‌شود: اصطلاحات و نشان‌دهندهٔ ناپایداری‌ها در جریان کل عدسی‌های مغناطیسی و ولتاژ شتاب‌دهنده هستند. حد اطلاعات در میکروسکوپ‌های الکترونی عبوری پیشرفتهٔ امروزی به‌طور قابل‌توجهی کمتر از ۱ آنگستروم است. با بهره‌گیری از یک محیط مکانیکی و الکتریکی بسیار پایدار، یک منبع الکترونی فوق‌درخشان و تک‌فام‌شده، و تصحیح‌کننده‌های ابیراهی دو-شش‌قطبی، به نخستین میکروسکوپ الکترونی عبوری دست یافت که به حد اطلاعات کمتر از ۰٫۵ آنگستروم رسید. در فوکوس گاوسی، تمرکززدایی برابر با صفر تنظیم می‌شود و نمونه در فوکوس قرار دارد. در نتیجه، کنتراست در صفحهٔ تصویر مؤلفه‌های خود را از کمینهٔ ناحیهٔ نمونه به دست می‌آورد و کنتراست موضعی است (بدون محوشدگی و بدون هم‌پوشانی اطلاعات از بخش‌های دیگر نمونه). در این حالت، تابع انتقال کنتراست به تابعی تبدیل می‌شود که با جملهٔ Cs u4 به‌سرعت نوسان می‌کند. | ## بخش 3: میکروسکوپ الکترونی عبوری با وضوح بالا | این بدان معناست که برای برخی پرتوهای پراکنده با بسامد فضایی u، سهم آن‌ها در کنتراست تصویر ثبت‌شده معکوس می‌شود و در نتیجه تفسیر تصویر دشوار می‌گردد. تمرکززدایی شرزر در تمرکززدایی شرزر، هدف آن است که جملهٔ u⁴ در تابع χ(u) با جملهٔ سهمی‌وار Δfu² خنثی شود. بدین‌ترتیب، با انتخاب مقدار مناسب تمرکززدایی Δf، تابع χ(u) تخت‌تر می‌شود و یک بازهٔ گسترده ایجاد می‌گردد که در آن بسامدهای فضایی پایین u با فازی تقریباً یکسان به شدت تصویر منتقل می‌شوند. شرزر در سال ۱۹۴۹ نشان داد که تمرکززدایی بهینه به ویژگی‌های میکروسکوپ، مانند ابیراهی کروی Cs و ولتاژ شتاب‌دهنده (از طریق λ)، به شکل زیر وابسته است: که در آن ضریب ۱٫۲ تمرکززدایی شرزرِ گسترش‌یافته را تعریف می‌کند. تفکیک‌پذیری نقطه‌ای یک میکروسکوپ به‌عنوان بسامد فضایی ures تعریف می‌شود که در آن تابع انتقال کنتراست برای نخستین بار محور افقی را قطع می‌کند. در تمرکززدایی شرزر، این مقدار به بیشینهٔ خود می‌رسد: که برای میکروسکوپ CM300 متناظر با 6.1 nm⁻¹ است. مؤلفه‌هایی با بسامد فضایی بالاتر از تفکیک‌پذیری نقطه‌ای را می‌توان با استفاده از یک دیافراگم مناسب حذف کرد؛ این کار به تصاویر قابل‌تفسیرتر منجر می‌شود، اما به بهای از دست رفتن مقدار زیادی از اطلاعات. تمرکززدایی گابور تمرکززدایی گابور در هولوگرافی الکترونی به‌کار می‌رود، جایی که هر دو کمیت دامنه و فازِ موج تصویر ثبت می‌شوند؛ بنابراین هدف آن است که تداخل متقابل (crosstalk) میان این دو به حداقل برسد. تمرکززدایی گابور را می‌توان به‌صورت تابعی از تمرکززدایی شرزر به شکل زیر بیان کرد: تمرکززدایی لیچه برای بهره‌برداری از تمام پرتوهایی که تا حد اطلاعات از میکروسکوپ عبور می‌کنند، از روشی پیچیده به نام بازسازی موج خروجی استفاده می‌شود که شامل معکوس‌سازی ریاضی اثر تابع انتقال کنتراست به‌منظور بازیابی موج خروجی اولیه φe(x,u) است. به‌منظور بیشینه‌سازی گذردهی اطلاعات، هانس لیخته در سال ۱۹۹۱ نوعی تمرکززدایی با ماهیتی اساساً متفاوت از تمرکززدایی شرزر پیشنهاد کرد: از آنجا که تضعیف ناشی از تابع پوش با مشتق اول χ(u) نسبت به u مقیاس می‌شود، لیخته تمرکززدایی‌ای را پیشنهاد داد که مقدار قدرمطلق dχ(u)/du را کمینه می‌کند.Lichte, Hannes (1991). برای میکروسکوپ CM300 با حد اطلاعات ۰٫۸ آنگستروم، تمرکززدایی لیخته در مقدار ۲۷۲- نانومتر قرار می‌گیرد. بازسازی موج خروجی برای محاسبهٔ معکوس و بازسازی φe(x,u)، موج موجود در صفحهٔ تصویر به‌صورت عددی به صفحهٔ نمونه بازانتشار داده می‌شود. اگر تمامی ویژگی‌های میکروسکوپ به‌خوبی شناخته شده باشند، می‌توان موج خروجی واقعی را با دقت بسیار بالا بازیابی کرد. با این حال، در گام نخست باید هر دو کمیتِ فاز و دامنهٔ موج الکترونی در صفحهٔ تصویر اندازه‌گیری شوند. از آنجا که ابزارهای ما تنها دامنه را ثبت می‌کنند، لازم است از روشی جایگزین برای بازیابی فاز استفاده شود. امروزه دو روش برای این منظور به‌کار گرفته می‌شوند: هولوگرافی، که توسط گابور به‌طور ویژه برای کاربردهای میکروسکوپ الکترونی عبوری توسعه داده شد، از یک منشور برای تقسیم پرتو به یک پرتو مرجع و پرتو دومی که از نمونه عبور می‌کند استفاده می‌کند. اختلاف‌های فاز میان این دو پرتو به جابه‌جایی‌های کوچک در الگوی تداخلی تبدیل می‌شوند و بدین‌وسیله امکان بازیابی هم‌زمان فاز و دامنهٔ موجِ در حال تداخل فراهم می‌گردد. در این روش، مجموعه‌ای شامل حدود ۲۰ تصویر تحت شرایط تصویربرداری یکسان ثبت می‌شود، با این تفاوت که مقدار فوکوس بین هر تصویر به‌طور مرحله‌ای تغییر داده می‌شود. این مجموعه، همراه با آگاهی دقیق از تابع انتقال کنتراست، امکان محاسبهٔ φe(x,u)را فراهم می‌سازد (به شکل مراجعه شود). هر دو روش، تفکیک‌پذیری نقطه‌ای میکروسکوپ را فراتر از حد اطلاعات—که بالاترین وضوح قابل دستیابی در یک دستگاه معین است—گسترش می‌دهند. | ## جمع‌بندی | مقدار تمرکززدایی ایده‌آل برای این نوع تصویربرداری با نام تمرکززدایی لیخته شناخته می‌شود و معمولاً چند صد نانومتر مقدار منفی دارد.