موضوع مقاله: میکروسکوپ الکترونی کم انرژی | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # میکروسکوپ الکترونی کم انرژی | مقدمه: عملکرد الکترون‌های پرانرژی (۱۵ تا ۲۰ کیلوالکترون‌ولت) از تفنگ الکترونی منتشر می‌شوند، با مجموعه‌ای از عدسی‌های چگالنده (condenser optics) متمرکز شده و از میان انحراف‌گر مغناطیسی (معمولاً با زاویهٔ ۶۰ یا ۹۰ درجه) عبور می‌کنند. | ## بخش 1: میکروسکوپ الکترونی کم انرژی | الکترون‌های «سریع» از عدسی شیئی (objective lens) عبور کرده و در نزدیکی سطح نمونه شروع به کاهش انرژی تا مقادیر پایین‌تر (۱ تا ۱۰۰ الکترون‌ولت) می‌کنند، زیرا پتانسیل نمونه نزدیک به پتانسیل تفنگ تنظیم شده است. در این مرحله، الکترون‌های کم‌انرژی به‌عنوان سطح‌حساس شناخته می‌شوند و عمق نمونه‌برداری نزدیک به سطح را می‌توان با تغییر انرژی الکترون‌های تابیده‌شده تنظیم کرد (اختلاف میان پتانسیل نمونه و تفنگ، منهای تابع‌کار نمونه و سامانه). الکترون‌های بازتابیده‌شدهٔ الاستیک از سطح دوباره از عدسی شیئی عبور کرده، تا ولتاژ تفنگ شتاب می‌گیرند (زیرا عدسی شیئی زمین شده است) و مجدداً از جداکنندهٔ پرتو عبور می‌کنند. تصویر‌سازی از صفحهٔ کانونی پشتی عدسی شیئی در صفحهٔ جسم عدسی تصویرساز (با استفاده از عدسی میانی) یک الگوی پراش (پراش الکترون‌های کم‌انرژی، LEED) در صفحهٔ تصویری تولید می‌کند که به چندین روش مختلف ثبت می‌شود. توزیع شدت این الگوی پراش به تناوب سطح نمونه بستگی دارد و مستقیماً ناشی از ماهیت موجی الکترون‌هاست. می‌توان با خاموش‌کردن عدسی میانی و نصب روزنهٔ کنتراست در صفحهٔ کانونی پشتی عدسی شیئی (یا در دستگاه‌های پیشرفته‌تر، در مرکز جداکننده، بسته به تحریک عدسی شیئی)، تصویرهای مجزایی از شدت نقاط الگوی پراش به‌دست آورد. این کار امکان مشاهدهٔ فرآیندهای دینامیکی بر سطح را به‌صورت زنده و آنی فراهم می‌کند. پدیده‌هایی که به این روش قابل بررسی‌اند عبارت‌اند از: توموگرافی، گذارهای فازی، جذب، واکنش‌های شیمیایی، جدایش، رشد فیلم‌های نازک، اچ‌کردن، آزادسازی کرنش، تصعید و ریزساختار مغناطیسی. این تحقیقات تنها به‌سبب قابلیت دسترسی مستقیم به نمونه ممکن شده‌اند، و به همین دلیل امکان انجام بررسی‌ها در گسترهٔ وسیعی از دماها وجود دارد. میکروسکوپ LEEM توسط ارنست باوئر در سال ۱۹۶۲ اختراع شد؛ اما توسعهٔ کامل آن (توسط ارنست بائر و ولفگانگ تلیپس) تا سال ۱۹۸۵ صورت نگرفت. مقدمه میکروسکوپ الکترونی با انرژی پایین (LEEM) در چهار جنبهٔ اصلی با میکروسکوپ‌های الکترونی معمولی تفاوت دارد: نحوهٔ تابش نمونه: نمونه باید از همان طرف اپتیک تصویربرداری، یعنی از طریق لنز شیئی، مورد تابش قرار گیرد، زیرا نمونه‌ها برای الکترون‌های کم‌انرژی شفاف نیستند. جداسازی پرتوهای تابیده‌شده و پراکنده‌شده: برای جداسازی الکترون‌های کم‌انرژیِ برخوردی و بازتابیدهٔ الاستیک، از جداکننده‌های پرتو مغناطیسی موسوم به «منشور الکترونی» استفاده می‌شود؛ این منشورها الکترون‌ها را هم درون و هم بیرون صفحه از مسیر پرتو متمرکز می‌کنند تا از بروز تحریفات در تصویر و الگوی پراش جلوگیری شود. کندسازی الکترون‌ها نزدیک سطح نمونه: در عدسی شیئی غوطه‌ور الکترواستاتیکی، پتانسیل نمونه به پتانسیل تفنگ الکترونی نزدیک آورده می‌شود و در نتیجه، الکترون‌های پرانرژی تنها درست پیش از برخورد با سطح نمونه تا انرژی مورد نظر کاهش می‌یابند. شرایط خلأ کاری: این دستگاه باید در محیط خلأ فوق‌بالا (UHV) یعنی حدود 10−10 تور (در حالی که فشار ۷۶۰ تور برابر با یک اتمسفر است) عمل کند. در اینجا، این کار در یک سیستم LEED معمولی انجام می‌شود، با این حال، در LEEM، اپتیک الکترونی پیچیده‌ای وجود دارد که امکان تصویربرداری از الگوهای پراش حاصل و در نتیجه، سطح نمونه را فراهم می‌کند. پراکندگی جنبشی یا الاستیک زمانی رخ می‌دهد که الکترون‌های کم‌انرژی (در بازهٔ ۱ تا ۱۰۰ الکترون‌ولت) به یک نمونهٔ بلوری تمیز و با نظم اتمی بالا برخورد کنند. در این حالت فرض می‌شود که هر الکترون تنها یک بار دچار پراکندگی می‌شود، و پرتو الکترون‌های تابیده شده را می‌توان به‌صورت یک موج تخت (plane wave) توصیف کرد که طول‌موج آن از رابطهٔ زیر به دست می‌آید: و در این رابطه: h ثابت پلانک است، m جرم الکترون، E انرژی جنبشی الکترون، و λ طول‌موج الکترون در واحد آنگستروم است. این توصیف نظری اساس تحلیل الگوهای پراش سطحی در میکروسکوپ الکترونی با انرژی پایین است و ارتباط مستقیمی با ساختمان بلوری و تناوب شبکهٔ سطحی دارد. در گسیل گرمایونی، الکترون‌ها از نوک منبع (که معمولاً از دی‌بورید لانتانوم، LaB6 ساخته می‌شود) با گرم‌کردن مقاومتی و اعمال میدان الکتریکی آزاد می‌شوند. وقتی انرژی ارتعاشی گرمایی کافی به دست آید، الکترون‌ها می‌توانند از سد الکترواستاتیکی سطح عبور کرده، وارد خلأ شوند و به‌طرف پتانسیل تفنگ شتاب بگیرند (زیرا عدسی‌ها در پتانسیل زمین قرار دارند). در گسیل میدانی، به‌جای گرم‌کردن نوک منبع، از تحریک الکترونی ناشی از میدان قوی استفاده می‌شود. نوک منبع (معمولاً از جنس تنگستن) به شکل نقطه‌ای بسیار باریک تراشیده می‌شود تا میدان‌های الکتریکی شدید روی آن متمرکز شوند. این امر سد انرژی خروج را کاهش داده و امکان تونل‌زنی الکترون‌ها از نوک به خلأ را فراهم می‌سازد. اپتیک‌های چگالنده یا تاباننده: این مجموعه وظیفه دارد الکترون‌های خروجی از تفنگ را متمرکز کرده و پرتو تابشی را هدایت یا جابه‌جا کند. در این بخش از عدسی‌های الکترونی چهارقطبی الکترومغناطیسی استفاده می‌شود؛ تعداد آنها بسته به سطح تفکیک و انعطاف‌پذیری در تمرکز، توسط طراح مشخص می‌گردد. | ## بخش 2: میکروسکوپ الکترونی کم انرژی | روزنهٔ پرتو تابشی: این روزنه به پژوهشگران اجازه می‌دهد مساحت ناحیه‌ای از نمونه را که تحت تابش قرار می‌گیرد کنترل کنند. این ویژگی در LEEM معادل روش پراش از ناحیهٔ انتخاب‌شده در میکروسکوپ‌های الکترونی معمولی است و در اینجا «میکروپراش» نام‌گذاری می‌شود. جداکنندهٔ مغناطیسی پرتو: برای تفکیک پرتو تابشی و تصویری (و جدا کردن مسیر اپتیکی هرکدام) لازم است. عدسی شیئی غوطه‌ور الکترواستاتیکی: این عدسی تصویر واقعی نمونه را از طریق یک تصویر مجازی با بزرگ‌نمایی حدود دو‌سوم که در پشت نمونه تشکیل می‌شود، ایجاد می‌کند. روزنهٔ کنتراست: در LEEM، این روزنه در مرکز سمت عدسی تصویرساز (پروژکتور) در جداکنندهٔ پرتو قرار دارد. در بیشتر میکروسکوپ‌های الکترونی، روزنهٔ کنتراست در صفحهٔ کانونی پشتی عدسی شیئی (جایی که صفحهٔ واقعی پراش قرار دارد) نصب می‌شود، اما در LEEM چنین نیست؛ زیرا در تصویربرداری میدان تاریک (dark-field imaging) لازم است روزنه به‌صورت جانبی جابه‌جا شود و در صورت تغییر زیاد، با پرتو تابشی برخورد خواهد کرد. در نتیجه، پژوهشگران تحریک عدسی شیئی را به گونه‌ای تنظیم می‌کنند که تصویر الگوی پراش در وسط جداکنندهٔ پرتو تشکیل شود و شدت نقطهٔ پراش مورد نظر را با روزنهٔ کنتراست مخصوص مشاهده کنند. اپتیک‌های تصویربرداری: این بخش برای بزرگ‌نمایی تصویر یا الگوی پراش و افکندن آن بر صفحهٔ تصویری یا نمایشگر استفاده می‌شود. صفحهٔ نمایش تصویر الکترونی را قابل مشاهده می‌کند و می‌تواند به شکل‌های مختلفی از جمله صفحه‌های فسفرسانت، صفحات تصویری یا حسگرهای CCD و سامانه‌های مشابه طراحی شود. پله‌های اتمی، دسته‌های پله‌ای، جزایر و تراس‌ها به راحتی از کنتراست پراش عمودی ناشی از ماهیت موجی الکترون‌ها قابل تشخیص هستند. قطر ناحیه تصویربرداری شده 10 میکرومتر است.مقاله اصلی: پراش الکترون‌های کم‌انرژی پس از آنکه یک پرتو موازی از الکترون‌های کم‌انرژی با نمونهٔ بلوری برخورد می‌کند، الکترون‌ها الگویی از پراش یا الگوی LEED تشکیل می‌دهند که به تناوب موجود در سطح نمونه بستگی دارد و مستقیماً نتیجهٔ ماهیت موجی الکترون‌هاست. در روش LEED معمولی، کل سطح نمونه با پرتو موازی الکترون‌ها روشن می‌شود، و بنابراین الگوی پراش حاوی اطلاعاتی دربارهٔ کل سطح است. الگوی پراش در صفحهٔ کانونی پشتی عدسی شیئی تشکیل می‌شود، سپس با استفاده از عدسی میانی در صفحهٔ جسم عدسی تصویری (projective lens) نمایش داده می‌شود، و در نهایت روی صفحهٔ فسفرسانت، صفحهٔ عکاسی یا حسگر CCD ظاهر می‌گردد. به‌دلیل اینکه الکترون‌های بازتابیده با عبور از منشور از منبع تفکیک می‌شوند، می‌توان الکترون‌های بازتابیدهٔ آیینه‌ای (specular reflected) را حتی از انرژی فرود صفر اندازه‌گیری کرد؛ زیرا سایهٔ منبع در صفحهٔ نمایش دیده نمی‌شود (که در ابزارهای LEED معمولی مشکل‌ساز است). شایان ذکر است که فاصلهٔ میان پرتوهای پراش‌یافته با افزایش انرژی جنبشی، مانند دستگاه‌های LEED متعارف افزایش نمی‌یابد. علت این است که الکترون‌های تصویربرداری، پس از تشکیل تصویر، تا انرژی زیاد ستون تصویربرداری شتاب گرفته و بنابراین در فضای k با اندازهٔ ثابت تصویر می‌شوند، صرف‌نظر از انرژی فرودی الکترون‌ها. میکروپراش از نظر مفهومی، میکروپراش دقیقاً مشابه LEED است؛ اما در آزمایش LEED معمولی، سطح نمونه‌ای که مورد بررسی قرار می‌گیرد چند میلی‌متر مربع وسعت دارد. در روش میکروپراش، با وارد کردن روزنهٔ تابش و روزنهٔ پرتو در مسیر پرتو در حین تصویربرداری از سطح، اندازهٔ ناحیهٔ نمونه‌برداری کاهش می‌یابد. محدودهٔ انتخابی معمولاً از کسری از یک میکرومتر مربع تا چند میکرومتر مربع تغییر می‌کند. اگر سطح نمونه ناهمگن باشد، الگوی پراشی که در آزمایش LEED معمولی به‌دست می‌آید ممکن است به‌شدت پیچیده و دشوار برای تحلیل باشد؛ اما در آزمایش میکروپراش، پژوهشگر می‌تواند بر یک بخش خاص (مانند یک جزیره، تراس یا ناحیهٔ دامنه‌ای) تمرکز کند و الگوی پراشی به‌دست آورد که صرفاً از یک ویژگی سطحی تشکیل شده است. بدین ترتیب، این روش از نظر تحلیل موضعی و مجزا کردن رفتار اجزای سطحی، ابزاری بسیار سودمند و قدرتمند به‌شمار می‌رود. (چپ) میکروگراف LEEM میدان روشن از نمونه‌هایی از گرافن دولایه، سه‌لایه و چهارلایه که به صورت میان‌لایه قرار گرفته‌اند. حوزه‌هایی با کنتراست متناوب به وضوح قابل مشاهده هستند که نشان‌دهنده نواحی با ترتیب چینش متفاوت هستند. اقتباس از تصویربرداری میدان روشن در تصویربرداری میدان روشن، از پرتو بازتابیدهٔ آیینه‌ای یا پرتو با شاخص پراش (0,0) برای تشکیل تصویر استفاده می‌شود. این روش همچنین با نام‌های تصویربرداری کنتراست فاز یا تصویربرداری کنتراست تداخلی شناخته می‌شود. | ## بخش 3: میکروسکوپ الکترونی کم انرژی | تصویربرداری میدان تاریک در تصویربرداری میدان تاریک (که گاهی تصویربرداری کنتراست پراش نیز نامیده می‌شود) پژوهشگران نقطهٔ پراش خاصی را انتخاب می‌کنند و روزنهٔ کنتراست را طوری تنظیم می‌کنند که تنها الکترون‌هایی عبور کنند که به آن نقطهٔ پراش مربوط‌اند. در صفحات تصویری پس از روزنهٔ کنتراست، می‌توان مشاهده کرد که این الکترون‌ها در فضا از کدام نقاط نمونه منشأ گرفته‌اند. به این ترتیب می‌توان بررسی کرد که در کدام نواحی از نمونه، ساختاری با بردار شبکه یا تناوب خاصی وجود دارد. این روش امکان مطالعهٔ موضعی ویژگی‌های بلوری و نواحی با نظم شبکه‌ای متفاوت را فراهم می‌سازد. طیف‌سنجی هر دو روش (میکرو) پراش و تصویربرداری‌های میدان روشن و میدان تاریک می‌توانند به‌صورت تابعی از انرژی فرود الکترون انجام شوند — یعنی الگوی پراش یا تصویر در بازه‌ای از انرژی‌ها ثبت شود. این شیوه اندازه‌گیری که غالباً به نام LEEM-IV شناخته می‌شود، طیف‌هایی برای هر نقطهٔ پراش یا هر موقعیت نمونه ارائه می‌دهد. در ساده‌ترین حالت، این طیف به‌منزلهٔ اثر انگشت سطح تلقی می‌شود و با استفاده از آن می‌توان ساختارهای مختلف سطحی را شناسایی کرد. یکی از کاربردهای ویژهٔ طیف‌سنجی میدان روشن، شمارش دقیق تعداد لایه‌ها در مواد لایه‌ای مانند گرافن با چند لایه، نیترید بور شش‌ضلعی و برخی دی‌کالکوژنیدهای فلزات واسطه‌ای است. در اینجا، یک لامپ جیوه فوتون‌هایی با انرژی درست بالاتر از آستانه تابع کار نقره تولید می‌کند و انتشار الکترون ثانویه حاصل تصویربرداری می‌شود. میکروسکوپ الکترونی فوتوگسیل مقاله اصلی: میکروسکوپ الکترونی فوتوگسیل در PEEM، هنگامی که نمونه در معرض تابش الکترومغناطیسی (فوتون‌ها) قرار می‌گیرد، الکترون‌های ثانویه از سطح تحریک و گسیل می‌شوند و سپس تصویر آنها تشکیل می‌شود. توسعهٔ اولیهٔ این روش به اوایل دههٔ ۱۹۳۰ میلادی بازمی‌گردد، زمانی که از نور فرابنفش (UV) برای القای گسیل نوری الکترون‌های ثانویه استفاده می‌شد. از آن زمان تاکنون این تکنیک پیشرفت‌های چشمگیری داشته است؛ مهم‌ترین پیشرفت، ترکیب PEEM با منبع نور سنکروترون بود که امکان تابش با قطبش خطی قابل تنظیم، قطبش دایره‌ای چپ و راست را در محدودهٔ اشعهٔ X نرم فراهم ساخت. این کاربرد به پژوهشگران اجازه می‌دهد کنتراست‌های توپوگرافیک، عنصری، شیمیایی و مغناطیسی سطح را به‌دست آورند. درک دقیق منبع تغییرات کنتراست در این روش بسیار پیچیده است، اما نکتهٔ مهم این است که تغییرات ارتفاع سطح موجب تغییر ویژگی‌های میدان کندکننده شده، و به این ترتیب بر شدت پرتو بازتابیدهٔ آیینه‌ای اثر می‌گذارد. در این حالت هیچ الگوی پراش (LEED) تشکیل نمی‌شود، زیرا هیچ برخورد پراکنده‌ای میان الکترون‌ها و اتم‌ها رخ نداده است. اقتباس از Latychevskaia و همکاران هولوگرافی الکترون با انرژی پایین هولوگرافی الکترون با انرژی پایین با الکترون‌هایی انجام می‌شود که انرژی جنبشی آنها در محدودهٔ ۳۰ تا ۲۵۰ الکترون‌ولت (eV) قرار دارد. موج عبورکرده از نمونه به سوی آشکارساز حرکت کرده و در آنجا الگوی تداخل حاصل از برهم‌نهی موج پراکنده‌شده با موج غیرپراکنده (مرجع) ثبت می‌شود، که یک هولوگرام درون‌خطی (in-line hologram) را تشکیل می‌دهد. ساختار جسم (مانند مولکول‌های بزرگ زیستی) سپس از این هولوگرام به‌وسیلهٔ روش‌های عددی بازسازی می‌شود. هولوگرافی الکترون با انرژی پایین با موفقیت برای تصویربرداری از مولکول‌های زیستی منفرد به‌کار رفته است، از جمله: غشای پروتئین بنفش، مولکول‌های DNA، مولکول‌های فتالوسیانیناتو پلی‌سیلوکسان، ویروس موزاییک تنباکو، باکتریوفاژ، فریتین و پروتئین‌های منفرد مانند آلبومین گاوی، سیتوکروم C و هموگلوبین. تصویربرداری کنتراست بازتابی بازپراکندگی کشسان الکترون‌های کم‌انرژی از سطح‌ها بسیار قوی است. ضریب بازتاب سطح‌ها به‌شدت به انرژی الکترون‌های برخوردی و بار هسته‌ای اتم‌ها وابسته است، و این وابستگی غیریکنواخت است. بنابراین می‌توان کنتراست تصویر را با تغییر انرژی الکترون‌های تابیده‌شده بر سطح، بهینه کرد. اسپین‌پلاریزه در روش SPLEEM از پرتو الکترون‌هایی با قطبش اسپینی استفاده می‌شود تا ساختار مغناطیسی سطح را از طریق برهم‌کنش اسپین–اسپین میان الکترون‌های تابشی و اسپین‌های سطحی مطالعه کند. | ## جمع‌بندی | این روش امکان تصویربرداری از توزیع و جهت‌گیری مغناطیسی در سطح نمونه را فراهم می‌سازد.