میکروسکوپ الکترونی عبوری

میکروسکوپ الکترونی عبوری یا TEM نوعی میکروسکوپ الکترونی است که در آن پرتویی از الکترون‌ها از یک نمونه فوق‌العاده نازک عبور می‌کنند و در اثر تعامل الکترون‌های عبوری با نمونه تصویر تشکیل می‌شود. سپس تصویر بر روی یک ابزار تصویر ساز مانند یک صفحه نمایش فلورسنت، یا یک لایه از فیلم عکاسی متمرکز و بزرگنمایی شده، یا توسط یک سنسور مانند یک دستگاه بارجفت شده (به انگلیسی: Charge-coupled device, CCD) که نوعی حسگر تصویربرداری می‌باشد آشکار می‌گردد.
TEMS قادر به تصویربرداری با وضوح قابل توجهی بالاتر از میکروسکوپ نوری هستند و علت آن کوچکتر بودن طول موج الکترون‌ها نسبت به طول موج نوراست؛ لذا قابلیت عکس‌برداری از ریزساختار مواد با بزرگنمایی ۱٬۰۰۰ تا ۱٬۰۰۰٬۰۰۰ برابر با قدرت تفکیکی در حد کوچک‌تر از ۱ نانومتر را دارد. میکروسکوپ الکترونی عبوری همچنین توانایی آنالیز عنصری، تعیین ساختار و جهت کریستالی اجزایی به کوچکی ۳۰ نانومتر را به صورت کیفی و کمی دارد.
میکروسکوپ نوری TEM در طیف وسیعی از رشته‌های علمی مثل فیزیک، شیمی و علوم زیستی و علم مواد/متالورژی و … مورد استفاده قرار می‌گیرد.

تاریخچه

لوئیس دو بروی در سال ۱۹۲۵ برای اولین بار تئوری خصوصیات موجی الکترون‌ها که طول موجی کمتر از نور مرئی دارند را ارائه کرد. در سال ۱۹۲۷ دیویسون و گرمر و همچنین تامپسون و رید به‌طور مستقل آزمایش‌های کلاسیک تفرق الکترونی را انجام دادند که نشان‌دهندهٔ طبیعت موجی الکترون‌ها بود. در سال ۱۹۳۲ روسکا و نول اولین بار ایدهٔ میکروسکوپ الکترونی را مطرح کردند. در سال ۱۹۳۶ اولین میکروسکوپ الکترونی عبوری توسط شرکت Metropolitian-Vickers در انگلستان ساخته شد.
شکل اصلی میکروسکوپ الکترونی، میکروسکوپ انتقال الکترونی از یک پرتو الکترونی ولتاژ بالا برای ساخت یک تصویر استفاده می‌کند. الکترون‌ها به وسیلهٔ یک تفنگ الکترونی انتشار می‌یابند، که معمولاً با یک کاتد ساخته شده از تنگستن رشته‌ای به عنوان یک منبع الکترون پر شده‌است. پرتو الکترونی به وسیلهٔ یک آند معمولی با ولتاژ kV100+ (40تا 400kV) شتاب می‌گیرد با توجه به نوع کاتد، به وسیلهٔ عدسی‌های الکترواستاتیکی و الکترومغناطیسی تمرکز یافته، و از طریق نمونه که در بخش شفاف به الکترون است انتقال می‌یابد، و در نقطه خارج از پرتو آن‌ها پراکنده می‌شود. هنگامی که از نمونه ظاهر می‌شود، پرتو الکترونی اطلاعاتی در مورد ساختار نمونه که به وسیلهٔ عدسی‌های هدف سیستم میکروسکوپ بزرگنمایی شده را حمل می‌نماید. تنوع فضایی در این اطلاعات (تصاویر) ممکن است به وسیلهٔ طرح تصویر الکترونی بزرگ شده بر روی یک صفحه نمایش فلور سنت پوشش داده شده با فسفر یا مادهٔ جرقه زنی مثل سولفید روی مشاهده شود. متناوباً، تصویر می‌تواند به وسیلهٔ نمایش یک فیلم عکسی یا صفحه‌ای مستقیماً رو به پرتو الکترونی، یا یک فسفر وضوح بالا همراه شده و بوسیلهٔ سیستم عدسی نوری یا یک فیبر نوری چراغ راهنمایی برای حسگر یک دوربین CCD (دستگاه باردار) ثبت عکسی شود. تصویر بوسیلهٔ CCD که می‌تواند آن را در مانیتور یا کامپیوتر نمایش دهد شناسایی می‌شود. وضوح TEM در درجهٔ اول بوسیلهٔ انحراف کروی محدود می‌شود، اما نسل جدید تنظیم‌کننده‌های انحراف قادر به غلبه بر بخشی از انحراف کروی برای افزایش وضوح هستند. سخت‌افزار اصلاح انحراف کروی برای میکروسکوپ انتقال الکترونی با وضوح بالا (HRTEM) اجازه داده‌است تصاویری با وضوح بالای ۵/۰آنگستروم (۵۰ پیکومتر) و بزرگنمایی بالای ۵۰ میلیون بار تولید شود. توانایی تعیین موقعیت اتم‌ها در داخل مواد HRTEM را یک ابزار مهم برای توسعه و تحقیق نانو تکنولوژی ساخته‌است.
یک حالت استفاده مهم TEM پراش الکترون است. مزایای پراش الکترونی روی اشعه X در بلورشناسی این است که نمونه نیازمند یک تک بلور یا حتی پودر چند بلوری نبوده، و هم چنین این که تبدیل فوریه بازسازی ساختار شیئ بزرگ شده به‌طور فیزیکی رخ می‌دهد و در نتیجه بعد از بدست آوردن تصویر بلوری الگوهای پراش اشعه X آن‌ها به صورت یک تک بلور یا پودر چند بلوری، از نیاز به حل مشکل فاز مواجه شده به وسیلهٔ اشعهX اجتناب می‌شود.
عمده معایب میکروسکوپ انتقال الکترونی این است که نیازمند بخش‌های بسیار باریک از نمونه، معمولاً حدود nm 100 می‌باشد. نمونه‌های زیستی معمولاً نیازمند ثبوت شیمیایی هستند، آب از دست داده و جاسازی شده در یک رزین پلیمری برای ایجاد ثبات در آن‌ها، به آن‌ها اجازه تشکیل برشی به اندازه کافی نازک می‌دهد. بخشی از نمونه‌های زیستی، پلیمرهای آلی و مواد مشابه ممکن است نیاز ویژه به رنگ‌آمیزی با برچسب اتم سنگین به منظور دستیابی به کنتراست تصویر مورد نیاز داشته باشند.

اجزای دستگاه

در شکل مقابل اجزای اصلی یک میکروسکوپ الکترونی عبوری نشان داده شده‌است. این طرح، بنا به مورد کاربرد، به منظور به‌کارگیری انواع اثرات متقابل الکترون و نمونه به تجهیزات کمکی ویژه مجهز می‌شود. همان‌طور که مشاهده می‌شود از اجزای اصلی یک دستگاه TEM، می‌توان تفنگ الکترونی، عدسی جمع‌کننده، نگهدارنده نمونه، عدسی شیئی و تصویری، سیستم‌های از بین برنده آلودگی، پرده فلورسنت و دوربین عکاسی را برشمرد. کل سیستم در خلأ حداقل ۰/۰۰۰۱ تور قرار دارد تا مسیر آزاد طولانی برای الکترون موجود باشد.

تفنگ الکترونی

در بخش فوقانی دستگاه یعنی حدود یک متر بالاتر از سر کاربری که پشت میکروسکوپ نشسته‌است، تفنگ الکترونی قرار گرفته‌است. رایج‌ترین تفنگ‌های الکترونی مورد استفاده در TEM از نوع حرارتی است که می‌توانند الکترون‌ها را در محدوده اختلاف پتانسیل ۴۰ الی۲۰۰ کیلو ولت شتاب دهند. اینکه انرژی الکترون‌ها باید چقدر باشد، به طبیعت نمونه و اطلاعات مورد نیاز بستگی دارد.

سیستم متمرکزکننده

در زیر تفنگ الکترونی دو یا چند عدسی متمرکزکننده قرار دارند. این عدسی‌ها به کمک یکدیگر پرتوی منتشره از طریق تفنگ الکترونی را باریک کرده و قطر آن را هنگام برخورد با نمونه کنترل می‌کنند. این امر باعث می‌شود تا اپراتور بتواند سطحی از نمونه را که در معرض پرتو قرار می‌گیرد و نیز شدت پرتو تابیده شده بر روی نمونه را کنترل کند. دریچه‌ای بین عدسی‌های متمرکزکننده قرار دارد که به دریچه متمرکزکننده معروف بوده و برای کنترل مقدار زاویه همگرایی پرتو مورد استفاده قرار می‌گیرد. میزان پرتوی الکترونی که نمونه را هدف قرار می‌دهد (از لحاظ شدت و وسعت) توسط فردی که با میکروسکوپ کار می‌کند با توجه به نوع اطلاعاتی که از او می‌خواهد و با توجه به نمونه تغییر داده می‌شود.

محفظه نمونه

محفظه نمونه یکی از قسمت‌های بسیار مهم میکروسکوپ است که در زیر قسمت سیستم متمرکزکننده قرار دارد. باید نمونه‌های بسیار کوچک به‌طور بسیار دقیقی در جای مناسب خود در داخل عدسی‌های شیئی قرار گیرد. اما همین نمونه باید بتواند در حد چند میلی‌متر جابه‌جا شده و به میزان زیادی بچرخد. علاوه بر این، اگر از میکروسکوپ برای آنالیز شیمیایی نیز استفاده شود، پرتو X باید بتواند از این محل خارج شود. برای دستیابی به این مشخصات از میله نگهدارنده نمونه استفاده می‌شود که می‌تواند نمونه‌ای به قطر ۳ میلی‌متر یا کوچک‌تر را که بر روی شبکه حمایتی با اندازه ۳ میلی‌متر قرار دارد، بین قطب‌های عدسی‌های شیئی قرار دهد.

عدسی‌های میانی و شیئی

نقش عدسی شیئی تشکیل اولین تصویر یا الگوی پراش میانی است که بعداً توسط عدسی‌های تصویری بزرگ شده و بر روی صفحه نمایش نموده می‌شود.
مشخصه اساسی سیستم شیئی، نگهدارنده دریچه‌ها (aperture) است که این امکان را به وجود می‌آورد که یکی از سه یا چهار دریچه کوچک بتواند در جایی که صفحه کانونی شیئی قرار دارد و به درون ستون میکروسکوپ برده شود. دریچه شیئی، محدوده‌ای را که الکترون‌های پراکنده شده می‌توانند به طرف پائین ستون میکروسکوپ حرکت و در تشکیل تصویر مشارکت کنند (باید توجه داشت این محدوده به صورت زاویه‌ای در نظر گرفته می‌شود) تعیین می‌کند؛ بنابراین قطر دریچه، قدرت تفکیک نهایی را به دست می‌دهد، کنترل می‌کند. پس برای قدرت تفکیک بالا، دریچه‌ای بزرگ مورد نیاز است.

عدسی‌های تصویری

اولین تصویر که توسط عدسی‌های شیئی ایجاد می‌شود، معمولاً از بزرگنمایی ۱۰۰–۵۰ برابر برخوردار است. این تصویر توسط یک سری از عدسی‌های میانی و تصویری بزرگ شده و نهایتاً بر روی صفحه نمایش فلوئورسانس میکروسکوپ تابانده می‌شود. با استفاده از سه یا چهار سری عدسی، که هر سری می‌تواند تا بیست برابر تصویر را بزرگ کند، به راحتی، بزرگنمایی نهایی تا حدود یک میلیون قابل دستیابی خواهد بود. برای بزرگنمایی کمتر نیازی به استفاده از تمام عدسی‌ها نیست، لذا می‌توان یک یا تعداد بیشتری از عدسی‌های تصویر را خاموش کرد.