میکروسکوپ الکترونی
میکروسکوپ الکترونی به دسته‌ای از میکروسکوپها گفته می‌شود که از یک باریکه الکترونی برای تصویرسازی استفاده می‌کنند. از آنجا که طول موج یک الکترون می‌تواند تا ۱۰۰٫۰۰۰ برابر کوتاهتر از فوتون‌های نور مرئی باشد، میکروسکوپ‌های الکترونی از قدرت تفکیک بالاتری نسبت به میکروسکوپ‌های نوری برخوردار بوده و می‌توانند ساختار اجسام کوچکتر را نمایان سازند.
یک میکروسکوپ (STEM (Scanning Transmission Electron Microscope می‌تواند در زمینه تاریک و در مقیاس 50pm حدود ۱۰٬۰۰۰٬۰۰۰ بزرگنمایی داشته باشد. در حالی که میکروسکوپ‌های نوری محدود به مقیاس 200nm و بزرگنمایی کمتر از ۲۰۰۰ هستند.
میکروسکوپ‌های الکترونی از میدان‌های مغناطیسی شکل استفاده می‌کنند تا سیستم‌های لنز نوری الکترونی را تشکیل دهند که مشابه لنزهای شیشه ای میکروسکوپ نوری است. میکروسکوپ‌های الکترونی برای بررسی زیر ساختاری طیف گسترده‌ای از نمونه‌های بیولوژیکی و معدنی از جمله میکروارگانیسم‌ها، سلول‌ها، مولکول‌های بزرگ، نمونه‌های بیوپسی، فلزات و کریستال‌ها استفاده می‌شوند. از نظر صنعتی، میکروسکوپ‌های الکترونی اغلب برای کنترل کیفیت و تجزیه و تحلیل شکست استفاده می‌شوند. میکروسکوپ‌های الکترونیکی مدرن با استفاده از دوربین‌های دیجیتالی و قاب‌های مخصوص قاب برای گرفتن تصاویر میکروگراف الکترونی تولید می‌کنند.
در سال ۱۹۲۶ هانس بوش لنز الکترومغناطیسی را توسعه داد.
میکروسکوپ الکترونی توسط فیزیک‌دان مجارستانی لیو زیلارد اختراع و ثبت شد. با این حال در سال ۱۹۳۱ ارنست روسکا فیزیک‌دان آلمانی و مکس نول مهندس برق نمونه میکروسکوپ الکترونی را با قدرت ۴۰۰ برابر بزرگ‌نمایی ساختند. دو سال بعد در ۱۹۳۳ روسکا یک میکروسکوپ الکترونی با قدرت بزرگ‌نمایی بیش از بزرگ‌نمایی قابل حصول از یک میکروسکوپ نوری ساخت. رینولد رودنبرگ مدیر علمی زیمنس-شوکرت ورک اختراع میکروسکوپ الکترونی را در ۱۹۳۱ ثبت کرد. بیماری خانواده مهندس برق را مجبور به ساخت یک میکروسکوپ الکتروستاتیکی کرد، زیرا او می‌خواست ویروس فلج اطفال را ببیند.
در سال ۱۹۳۲ ارنست لابک از زیمنس اند هالسکه آن را ساخت و عکس‌هایی از نمونه اولیه میکروسکوپ الکترونی با استفاده از مفاهیم شرح داده شده دربرنامه‌های ثبت شده رودنبرگ به دست آورد. سال ۱۹۳۳، روسکا اولین میکروسکوپ الکترونی را ساخت که از میکروسکوپ نوری (نوری) قابل دستیابی بیشتر بود. ۵ سال بعد در ۱۹۳۷ شرکت تأمین مالی کار ارنست روسکا و بودو بوریس، و استخدام هلموت روسکا (برادر ارنست) به منظور توسعه برنامه‌های کاربردی برای میکروسکوپ، خصوصاً با نمونه‌های زیستی تأسیس شد. همچنین در ۱۹۳۷ مانفرد فون آردن پیشگام ساخت میکروسکوپ اسکن الکترونی شد. نخستین تلاش عملی برای ساخت میکروسکوپ الکترونی در سال ۱۹۳۸، در دانشگاه تورنتو، بدست الی فرانکلین بورتون و دانشجویان سیسیل، جیمز هیلر، و آلبرت پرباس انجام گرفت و نخستین سری تجاری میکروسکوپ انتقال الکترونی در سال ۱۹۳۹ محصول زیمنس بود. اگرچه هم‌زمان با میکروسکوپ‌های الکترونی دارای دو میلیون قدرت بزرگنمایی، به عنوان ابزار علمی هم چنان آن‌ها بر اساس نمونهٔ روسکا باقی‌ماندند.
میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM)، از یک پرتو الکترونی با ولتاژ بالا برای روشن کردن نمونه و ایجاد تصویر استفاده می‌کند. پرتوی الکترون توسط یک تفنگ الکترونی تولید می‌شود، که معمولاً با یک کاتد رشته رشته تنگستن به عنوان منبع الکترون نصب می‌شود. پرتو الکترون با توجه به کاتد، توسط یک آند معمولاً در ۱+ کیلو ولت (۴۰ تا ۴۰۰ کیلو ولت) شتاب می‌یابد، توسط لنزهای الکترواستاتیک و الکترومغناطیسی متمرکز می‌شود و از طریق نمونه منتقل می‌شود که تا حدودی شفاف به الکترون‌ها است و در بخشی آنها را پراکنده می‌کند. از پرتو هنگامی که از نمونه بیرون می‌آید، پرتوی الکترونی اطلاعاتی در مورد ساختار نمونه که توسط سیستم لنز عینی میکروسکوپ بزرگ شده‌است، حمل می‌کند. تغییر مکان در این اطلاعات ("تصویر") ممکن است با نمایش تصویر الکترونی بزرگنمایی روی صفحه نمایش فلورسنت پوشش داده شده با یک فسفر یا ماده اسکنلاتور مانند سولفید روی مشاهده شود. از طرف دیگر، با قرار دادن یک فیلم یا صفحه عکاسی به‌طور مستقیم در پرتو الکترون، می‌توان عکس را ضبط کرد، یا یک فسفر با وضوح بالا ممکن است با استفاده از یک سیستم نوری لنز یا یک راهنمای نوری فیبر نوری به سنسور دیجیتال وصل شود. دوربین. تصویر شناسایی شده توسط دوربین دیجیتال ممکن است در مانیتور یا رایانه نمایش داده شود.
وضوح TEMها در درجه اول با انحراف کروی محدود است، اما نسل جدیدی از اصلاح کننده‌های سخت‌افزاری می‌توانند باعث کاهش عدم تغییر کروی شوند تا رزولوشن را در میکروسکوپ الکترونی عبوری با وضوح بالا (HRTEM) به کمتر از ۰٫۵ آنگستروم (۵۰ پیکومتر) افزایش دهند، امکان بزرگنمایی بالای ۵۰ میلیون بار دارد.توانایی (HRTEM) در تعیین موقعیت اتم‌ها در مواد برای تحقیق و توسعه فناوری نانو بسیار مفید است.
میکروسکوپهای الکترونی انتقال اغلب در حالت پراش الکترونی استفاده می‌شوند. از مزایای پراش الکترون نسبت به کریستالوگرافی اشعه X این است که نمونه نیازی به یک کریستال یا حتی پودر پلی کریستالی نیست، و همچنین اینکه بازسازی تبدیل فوریه ساختار بزرگ شده جسم از نظر جسمی اتفاق می‌افتد و در نتیجه از لزوم حل مسئله فاز جلوگیری می‌کند. کریستالوگرافی‌های اشعه ایکس پس از به دست آوردن الگوهای پراش پرتو X با آنها روبرو شده‌اند.
یکی از مضرات میکروسکوپ الکترونی عبوری، نیاز به بخش‌های بسیار نازک نمونه‌ها، به‌طور معمول حدود ۱۰۰ نانومتر است. ایجاد این بخش‌های نازک برای نمونه‌های بیولوژیکی و مواد از لحاظ فنی بسیار چالش‌برانگیز است. بخش‌های نازک نیمه هادی را می‌توان با استفاده از پرتو یون متمرکز ساخت. نمونه‌های بافت بیولوژیکی از نظر شیمیایی تثبیت شده، کم‌آبی و در یک رزین پلیمری تعبیه شده‌اند تا آنها را به اندازه کافی تثبیت کنند تا بخش‌بندی اولتراتین انجام شود. برای دستیابی به تضاد تصویر لازم، بخش‌هایی از نمونه‌های بیولوژیکی، پلیمرهای آلی و مواد مشابه ممکن است نیاز به رنگ آمیزی با برچسب اتم سنگین داشته باشد.
یکی از کاربردهای SEM میکروسکوپ الکترونی تسلسلی (Serial-section Electron Microscope) است که برای مثال در تجزیه و تحلیل اتصال در نمونه‌های حجمی بافت مغز با تصویربرداری از بسیاری از بخش‌های نازک استفاده می‌شود.
SEM با جستجوی نمونه با پرتو الکترونی متمرکز که در ناحیه مستطیل شکل نمونه (اسکن شطرنج) اسکن می‌شود، تصاویر را تولید می‌کند. هنگامی که پرتوی الکترون با نمونه در تعامل باشد، توسط مکانیسم‌های گوناگون انرژی خود را از دست می‌دهد. انرژی از دست رفته به اشکال جایگزین مانند گرما ، انتشار الکترونهای ثانویه با انرژی کم و الکترونهای کم مصرف با انرژی پرتراکم ، انتشار نور (کاتدولومینسانسسانس) یا انتشار اشعه ایکس تبدیل می‌شود، که همه اینها سیگنالهای حامل اطلاعات در مورد خواص نمونه را ارائه می‌دهند. سطح، مانند توپوگرافی و ترکیب آن. تصویری که توسط یک SEM نمایش داده می‌شود، شدت متفاوت هر یک از این سیگنال‌ها را در تصویر در موقعیتی متناسب با موقعیت پرتو در نمونه هنگام تولید سیگنال نقشه‌برداری می‌کند. در تصویر SEM مورچه ای که در زیر و سمت راست نشان داده شده‌است، این تصویر از سیگنال‌های تولید شده توسط یک ردیاب الکترونی ثانویه، حالت تصویربرداری عادی یا معمولی در اکثر SEMها ساخته شده‌است.
به‌طور کلی وضوح تصویر یک SEM نسبت به TEM پایین‌تر است. با این حال، به دلیل اینکه SEM سطح یک نمونه را به جای داخلی آن تصویر می‌کند، الکترون‌ها مجبور نیستند از طریق نمونه عبور کنند. این امر نیاز به آماده‌سازی گسترده نمونه را برای نازک شدن نمونه برای شفافیت الکترونی کاهش می‌دهد. SEM قادر به نمونه برداری‌های فله ای است که می‌توانند در صحنه آن جا بگیرند و هنوز هم مانور داده شوند، از جمله ارتفاع کمتری نسبت به فاصله کاری که استفاده می‌شود، اغلب ۴ میلی‌متر برای تصاویر با وضوح بالا. SEM همچنین از عمق میدان بسیار خوبی برخوردار است و به همین ترتیب می‌تواند تصاویری تولید کند که نمایانگر خوبی از شکل سطح سه بعدی نمونه هستند. یکی دیگر از مزایای SEMها میکروسکوپهای الکترونی روبشی محیطی (ESEM) است که می‌تواند تصاویر با کیفیت و وضوح خوب را با نمونه‌های هیدراته یا در خلاء کم، به جای زیاد، خلاء یا تحت گازهای محفظه تولید کند. این کار تصویربرداری از نمونه‌های بیولوژیکی ناقص است که در خلاء بالای میکروسکوپ‌های الکترونی معمولی ناپایدار است.
در میکروسکوپ الکترونی بازتابی (REM) مانند TEM، یک پرتو الکترونی روی یک سطح اتفاق می‌افتد اما به جای استفاده از انتقال (TEM) یا الکترون‌های ثانویه (SEM)، پرتوی منعکس شده از الکترون‌های پراکنده الاستیک تشخیص داده می‌شود. این روش به‌طور معمول با پراش الکترون پر انرژی (RHEED) و بازتاب انرژی با بازتاب بالا (RHELS) همراه است. [نیاز به استناد] یکی دیگر از تغییرات میکروسکوپ الکترونی الکترونی کم انرژی اسپین-قطبی (SPLEEM) است که برای جستجوی آن استفاده می‌شود ساختار ساختار حوزه مغناطیسی.
REMER STEM یک کاوشگر حادثه ای متمرکز در سراسر نمونه ای است که (مانند TEM) برای تسهیل در تشخیص الکترون‌های پراکنده شده در این نمونه نازک شده‌است. وضوح بالای TEM در STEM امکان‌پذیر است. عمل تمرکز (و انحرافات) قبل از برخورد الکترون‌ها در نمونه در STEM رخ می‌دهد، اما پس از آن در TEM. استفاده از STEMهای شستشوی پرتو SEM مانند تصویربرداری در زمینه تاریک حلقوی و سایر تکنیک‌های تحلیلی را ساده‌تر می‌کند، بلکه به این معنی است که داده‌های تصویر به صورت سریال و نه به صورت موازی بدست می‌آیند. غالباً TEM می‌تواند به گزینه اسکن مجهز شود و سپس می‌تواند به عنوان TEM و STEM عمل کند.
در STM، یک نوک رسانا که در ولتاژ نگه داشته می‌شود، در نزدیکی یک سطح قرار می‌گیرد و بر اساس احتمال تونل زنی یک الکترون از نوک به نمونه می‌توان یک پروفایل را بدست آورد زیرا این یک تابع مسافت است.
در رایج‌ترین پیکربندی‌های خود، میکروسکوپ‌های الکترونیکی تصاویری با مقدار روشنایی منفرد در هر پیکسل تولید می‌کنند، با نتایجی که معمولاً در مقیاس خاکستری ارائه می‌شود. با این حال، اغلب این تصاویر با استفاده از نرم‌افزار تشخیص ویژگی یا به سادگی با ویرایش دستی با استفاده از ویرایشگر گرافیک، رنگ آمیزی می‌شوند. این ممکن است برای روشن سازی ساختار یا برای اثر زیبایی‌شناسی انجام شود و به‌طور کلی اطلاعات جدیدی در مورد نمونه اضافه نمی‌شود.
در بعضی از پیکربندی‌ها، اطلاعات در مورد چندین خاصیت نمونه در هر پیکسل جمع می‌شود، معمولاً با استفاده از چندین آشکارساز. در SEM، صفات توپوگرافی و کنتراست مواد را می‌توان با یک جفت آشکارساز الکترونی پشتیبان بدست آورد و چنین ویژگی‌هایی با اختصاص یک رنگ اصلی متفاوت به هر ویژگی می‌توانند در یک تصویر واحد قرار بگیرند. به همین ترتیب، ترکیبی از سیگنالهای الکترونی پشتی و پراکنده را می‌توان به رنگهای مختلف اختصاص داد و روی یک میکروگراف رنگی یکسان قرار دادیم که همزمان خواص نمونه را نشان می‌دهد.
برخی از انواع آشکارسازهای مورد استفاده در SEM دارای قابلیت‌های تحلیلی هستند و می‌توانند چندین آیتم از داده را در هر پیکسل ارائه دهند. نمونه‌هایی از آشکارسازهای طیف‌سنجی اشعه ایکس پراکندگی انرژی (EDS) است که در آنالیز عنصری و سیستم‌های میکروسکوپ کاتدولومینسانس (CL) استفاده می‌شود که شدت و طیف لومینسانس ناشی از الکترون را در نمونه‌های زمین‌شناسی (مثلاً) تجزیه و تحلیل می‌کنند. در سیستم‌های SEM با استفاده از این آشکارسازها، رنگ آمیزی سیگنال‌ها و سوار کردن آنها در یک تصویر واحد رنگ معمول است، به طوری که تفاوت‌ها در توزیع اجزای مختلف نمونه به روشنی و مقایسه قابل مشاهده است. به صورت اختیاری می‌توان تصویر الکترونیکی ثانویه استاندارد را با یک یا چند کانال ترکیبی ادغام کرد، به طوری که می‌توان ساختار و ترکیب نمونه را مقایسه کرد. چنین تصاویری می‌توانند ضمن حفظ تمامیت سیگنال اصلی ساخته شوند که به هیچ وجه اصلاح نشده‌است.
موادی که در زیر میکروسکوپ الکترونی مشاهده می‌شوند ممکن است نیاز به پردازش داشته باشد تا یک نمونه مناسب داشته باشد. روش مورد نیاز بسته به نمونه و آنالیز مورد نیاز متفاوت است:
میکروسکوپ‌های الکترونی و یونی به جای نور از پرتویی از ذرات باردار استفاده می‌کنند و از لنزهای الکترومغناطیسی یا الکترواستاتیک برای تمرکز ذرات استفاده می‌کنند.
لنزهای الکترواستاتیک از صفحات فلزی متصل به ولتاژ بالا با دیافراگم که پرتوی الکترون از آن عبور می‌کند تشکیل شده‌است. لنزهای تک دیافراگم از یک صفحه فلزی منفرد با ولتاژ بالا تشکیل شده‌اند و غالباً در منابع الکترونی وجود دارد. لنزهای یک دیافراگم می‌توانند یک میدان شتاب را خاتمه دهند یا توسط یک میدان شتاب‌دهنده دنبال شوند. در حالت اول، لنز مثبت است، به این معنی که پرتو به یک متقاطع تبدیل می‌شود. یک لنز دو دیافراگم از دو صفحه فلزی با پتانسیل‌های مختلف با دیافراگم تراز وسط قرار دارد. الکترونهایی که وارد این لنز می‌شوند یک میدان قوی احساس می‌کنند که آنها را به محور نوری نزدیک تر می‌کند. با عبور از صفحه دوم، الکترون‌ها نیروی متضادی را احساس می‌کنند که آنها را به سمت دیافراگم سوق می‌دهد. به عنوان یک اثر کل، این یک لنز مثبت است و پرتو در یک صفحه زیر صفحه دوم متمرکز شده‌است.
یک لنز Einzel سه دیافراگم از سه صفحه با دیافراگم‌های هم تراز تشکیل شده‌است که می‌تواند قطر یکسانی داشته باشد، یا یک صفحه متفاوت. لنزهای Einzel به دلیل داشتن پتانسیل پرتوی برابر در ورودی و خروجی لنزها معمولاً در نوری الکترونی استفاده می‌شوند. سه الکترود سه لنز تولید می‌کنند: اول و سوم مثبت هستند، جایی که خطوط میدان الکتریکی به سمت صفحات نشان می‌دهند و دوم منفی است. کل لنزها مثبت هستند و پرتو روی یک هواپیما در زیر لنز سوم متمرکز شده‌است. از آنجا که پرتوی الکترون شارژ می‌شود (منفی)، می‌توان از نیروی الکترومغناطیسی به عنوان لنز استفاده کرد. سیم پیچ سیم پرتو را احاطه کرده و چنین میدانی را تولید می‌کند که نیرویی از افت فشار در الکترون‌ها ایجاد می‌کند.
لنزهای مغناطیسی از نیروی لورنتس متناسب با بار و سرعت الکترون برای دفع الکترون‌ها استفاده می‌کنند. لنزهای مغناطیسی از یک بدنه فلزی (به نام مدار فرومغناطیسی) تشکیل شده‌است که با دو قطب قطبی به پایان می‌رسد. میدان مغناطیسی توسط یک سیم پیچ که در قسمت بالای مدار فرومغناطیسی قرار دارد، داده می‌شود، همان‌طور که در شکل ۳ نشان داده شده‌است. قدرت لنز را می‌توان با تغییر در میدان مغناطیسی ب تغییر داد. این با تغییر هندسه قطعه قطب انجام می‌شود. یعنی فاصله بین قطب‌های قطبی و جریان موجود در سیم پیچ‌ها (برانگیختگی).
میکروسکوپ‌های الکترونی برای ساخت و نگهداری گران هستند، اما سرمایه و هزینه‌های جاری سیستم‌های میکروسکوپ کانفوکال در حال حاضر با میکروسکوپ‌های الکترونیکی اصلی همپوشانی دارند. میکروسکوپ‌های طراحی شده برای دستیابی به وضوح بالا باید در ساختمان‌های با ثبات (گاهی اوقات زیرزمینی) با سرویس‌های ویژه مانند سیستم‌های لغو میدان مغناطیسی قرار بگیرند.
نمونه‌ها تا حد زیادی باید در خلأ مشاهده شوند، زیرا مولکول‌هایی که هوا تشکیل می‌دهند، الکترون‌ها را پراکنده می‌کنند. یک استثناء میکروسکوپ الکترونی الکترونی فاز با استفاده از یک سلول مایع بسته یا یک محفظه محیطی است، به عنوان مثال، در میکروسکوپ الکترونی روبشی محیطی، که اجازه می‌دهد نمونه‌های هیدراته با فشار کم مشاهده شوند (تا 20 Torr یا 2.7 kPa) محیط مرطوب. تکنیک‌های مختلفی برای میکروسکوپ الکترونی درجا از نمونه‌های گازی نیز توسعه یافته‌است.
میکروسکوپهای الکترونی روبشی که در حالت خلاء بالا معمولی کار می‌کنند، معمولاً از نمونه‌های رسانای تصویر استفاده می‌کنند؛ بنابراین مواد غیر رسانا به پوشش رسانا نیاز دارند (آلیاژ طلا / پالادیوم، کربن، اسمی و غیره). حالت کم ولتاژ میکروسکوپ‌های مدرن، مشاهده نمونه‌های غیر رسانا بدون پوشش را ممکن می‌سازد. مواد غیر رسانا نیز می‌توانند توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی فشار متغیر (یا محیطی) تصویر شوند.
نمونه‌های کوچک و پایدار مانند نانولوله‌های کربن، فروستولهای دیاتوم و کریستالهای معدنی کوچک (به عنوان مثال الیاف آزبستو) قبل از بررسی در میکروسکوپ الکترونی نیازی به درمان خاصی ندارند. نمونه‌هایی از مواد هیدراته، از جمله تقریباً تمام نمونه‌های بیولوژیکی، برای تثبیت آنها، کاهش ضخامت آنها (مقطع اولتراستین) و افزایش کنتراست نوری الکترون (رنگ آمیزی) باید به روش‌های مختلفی تهیه شوند. این فرایندها ممکن است به مصنوعات منتهی شوند، اما معمولاً با مقایسه نتایج به دست آمده با استفاده از روشهای تهیه نمونه کاملاً متفاوت، می‌توان شناسایی کرد. از دهه ۱۹۸۰، تجزیه و تحلیل نمونه‌های انجماد شده و انجماد شده نیز به‌طور فزاینده ای توسط دانشمندان مورد استفاده قرار گرفت و بیشتر اعتبار این روش را تأیید کرد.
نیمه هادی و ذخیره‌سازی داده‌ها
زیست‌شناسی و علوم زندگی
تحقیقات مواد
صنعت
قوی‌ترین میکروسکوپ الکترونی دنیا با نام پیکو در سال ۲۰۰۹ در مدرسه عالی فنی آخن در آلمان ساخته شده و توان نمایش ذراتی به اندازه ۵۰ پیکومتر (پنج صدم نانومتر) و تصاویری از اجزای اتم و حرکت اتم‌ها را دارد. این میکروسکوپ دو برابر دقیق‌تر از میکروسکوپی‌ست که سال قبل در دانشگاه برکلی ساخته شده بود. میکروسکوپ الکترونی می‌تواند تصاویر سه بعدی از سطح سلول‌ها فراهم آورد، اما انواعی از آن برای مشاهده سلول‌های زنده کاربرد ندارند.