מיקרוסקופ אלקטרונים חודר

מיקרוסקופ אלקטרונים חודר (transmission electron microscopy, TEM) הוא מיקרוסקופ המבוסס על קרן אלקטרונים החודרת דרך דגמים דקים מאוד. המיקרוסקופ שייך למשפחת מיקרוסקופי האלקטרונים. קרן האלקטרונים החודרת את הדגם עוברת איתו אינטראקציות שונות בעודה עוברת דרכו. ניתן למקד את קרני האלקטרונים שעברו דרך הדגם, להגדיל את הדמות המתקבלת ולהקרין אותה על אמצעי דימות, כגון מסך פלורסצנטי, סרט צילום, או חישן כגון CCD. צילום מרובה מזוויות שונות מאפשר להגיע לתמונה תלת־ממדית. לצורך שיפור תמונה זו משתמשמים במשפט ההיטל המרכזי.

מיקרוסקופ אלקטרונים חודר מסוגל להגיע לרזולוציה גבוהה משמעותית ביחס למיקרוסקופ אור (מיקרוסקופ אופטי), וזאת בזכות אורך גל דה ברויי של אלקטרונים בעלי אנרגיה גבוהה. במיקרוסקופ אלקטרונים חודר משתמשים לרוב באלקטרונים בעלי אנרגיה של עשרות עד מאות קילו אלקטרון וולט. עובדה זו מאפשרת למיקרוסקופ האלקטרונים החודר להגיע לרזולוציה אטומית, בערך פי אלף יותר מאשר הרזולוציה הגבוהה ביותר המתאפשרת במיקרוסקופ אופטי.

למיקרוסקופ האלקטרונים החודר תרומה מכרעת בתחומים שונים של מדע ושל טכנולוגיה, ובהם חקר הסרטן, וירולוגיה מדע והנדסה של חומרים, מוליכים למחצה, מטלורגיה וננוטכנולוגיה.

הקונטרסט המתקבל בתמונה של מיקרוסקופ אלקטרונים חודר יכול לנבוע מכמה סוגים שונים של אינטראקציות בין האלקטרונים לבין הדגם הדק. לעיתים קרובות פועל יותר ממנגנון אינטראקציה אחד בו-זמנית. סוגי הקונטרסט העיקריים הם קונטרסט עובי-מסה הנובע מבליעה של אלקטרונים בחומר, קונטרסט דיפרקציה הנובע מעקיפה (דיפרקציה) של אלקטרונים בסריג וקונטרסט פאזה. בנוסף, קיימת אפשרות לאסוף אותות נוספים הנוצרים בזמן שקרני האלקטרונים עוברים דרך החומר ולקבל שפע רב של מידע על הפיזיקה והכימיה שבדגם. שיטות פופולריות הן ספקטרוסקופיה של דיספרסיית קרני X (המכונה גם EDX, EDS או EDAX), וספקטרוסקופיה של אובדן אנרגיית אלקטרונים (EELS).

שיטות דימות
שיטות הדימות במיקרוסקופ האלקטרונים החודר עושות שימוש במידע שמכילים גלי האלקטרונים היוצאים מהדגם על מנת ליצור תמונה. האופטיקה שנמצאת אחרי הדגם מאפשרת למקם את גלי האלקטרונים היוצאים מהדגם אל-תוך מערכת הצפייה. ניתן לקרב את התפלגות העוצמה של הדמות, המסומנת באות I, באמצעות ממוצע בזמן של האמפליטודה של פונקציות הגל של האלקטרונים, כאשר פונקציית הגל של האלקטרונים היוצאים מהדגם מסומנת באות :

כאשר k הוא אורך הגל ו-x הוא ווקטור המקום. מהמשוואה לעיל ניתן להסיק שהדמות המתקבלת אינה תלויה רק באמפליטודה של הדגם, אלא גם בפאזה של פונקציית הגל של האלקטרונים. 

עבור דגמים מספיק דקים ואלקטרונים מספיק אנרגטיים, בליעת האלקטרונים בדגם קטנה מספיק כך שהשינויים באמפליטודה של האלקטרונים אינם גדולים. במצב כזה, ההשפעה של הדגם על הפאזה של גלי האלקטרונים יכולה להיות משמעותית יותר מהשפעתו על האמפליטודה, ומצב כזה נקרא מנגנון קונטרסט פאזה.

מנגנוני קונטרסט
ניגודיות, או קונטרסט, היא הבסיס לדימות באמצעות מיקרוסקופ. מנגנוני הקונטרסט במיקרוסקופ האלקטרונים החודר מורכבים ומגוונים ביחס למיקרוסקופ אלקטרונים סורק, ומורכבים משמעותית ביחס למיקרוסקופ אור. האפשרות לשנות את אורך המוקד בעדשות האלקטרומגנטיות של מיקרוסקופ האלקטרונים מעניקה גמישות המאפשרת לעבור בין מנגנוני קונטרסט שונים. תכונה זו של מיקרוסקופ האלקטרונים החודר מאפשרת קבלה של מידע רב מאותו דגם, כמו למשל שינויים במבנה ובכיווניוּת הגבישית, שינויים בצפיפות ובעובי הדגם, וכדומה.

קונטרסט עובי-מסה (Mass-Thickness Contranst)

קונטרסט עובי מסה-מבוסס על שינוי באמפליטודת פונקציית הגל של האלקטרונים בגלל בליעה בדגם, לפי חוק Beer-Lambert. לפי חוק זה, דעיכה של גלים בתוך תווך תלויה אקספוננציאלית בעובי התווך ובצפיפותו. כלומר, אזורים צפופים יותר בדגם יבלעו יותר אלקטרונים - בליעה שמתבטאת בדעיכה חזקה יותר של האמפליטודה של פונקציית הגל ביחס לאזורים צפופים פחות. בתמונת הדמות האזורים שבולעים יותר אלקטרונים באופן יחסי יהיו כהים יותר ביחס לאלה שבולעים פחות. באותו אופן אזורים עבים יותר בדגם, יבלעו יותר אלקטרונים בהשוואה לאזורים דקים יותר - גם אם הם בעלי אותה צפיפות. הבדלי קונטרסט הנובעים מהבדלי עובי נפוצים מעט פחות, ולרוב הם מלמדים על חוסר אחידות בהכנת הדגם.

מנגנון קונטרסט עובי-מסה הוא המנגנון הפשוט והאינטואיטיבי ביותר, והוא גם המנגנון הנפוץ ביותר במיקרוסקופ אור. לעיתים קרובות ניתן להבחין בתרומה של מנגנון זה גם כשמנגנוני קונטרסט אחרים הם הדומיננטיים. זהו המנגנון היחיד שפועל בדגמים אמורפיים, משום שהוא היחיד שאינו מתבסס על אינטראקציה של אלקטרונים עם המחזוריות של אטומי סריג. מסיבות אלה, המנגנון שימושי במיוחד בדגמים ביולוגיים, אשר להם לעיתים קרובות מבנה אמורפי.

קונטרסט דיפרקציה (Diffraction Contrast)

מנגנון קונטרסט זה מתבסס על הבדלים בין קרני אלקטרונים שעברו דיפרקציה בדגם לבין אלו שלא עברו דיפרקציה. דימות המתבסס על קרני האלקטרונים שלא עברו דיפרקציה נקרא שדה בהיר (Bright field) ודימות המתבסס על קרני אלקטרונים שעברו דיפרקציה נקרא שדה חשוך (Dark field, ובתרגום פחות נפוץ "שדה כהה" או "שדה אפל").

קונטרסט פאזה (Phase Contrast)

מנגנון קונטרסט זה, אשר שימוש בו מכונה לפעמים גם מיקרוסקופיית אלקטרונים ברזולוציה גבוהה (HRTEM), מתבסס על שינויי פאזה של פונקציית הגל של האלקטרונים הנובעים מאינטראקציה עם המחזוריות של הסריג דרכו עוברים האלקטרונים. קבלת קונטרסט זה דורשת עבודה בהגדלות גבוהות (מסדר גודל של 200,000-1,000,000) עם דגמים דקים במיוחד (לרוב עשרות בודדות של ננומטר) ומקור אלקטרונים בהיר (מקור מסוג field emission הוא הנפוץ ביותר לשימוש זה, אולם בדגמים מתאימים הוא אינו הכרחי). 

מנגנון קונטרסט זה הוא המסובך ביותר לפענוח ולהבנה אינטואיטיבית. כאשר מבצעים דימות נכון בקונטרסט פאזה מתקבלות תמונות ברזולוציה תת-אטומית, אולם הפענוח של תמונות קונטרסט פאזה איננו ישיר. על מנת להפיק את מלוא המידע מתמונות אלה, ובפרט, לפענח את המיקום המדויק של עמודות האטומים בדגם, יש צורך בשיטת רכישה מורכבת של תמונות (focal series) והשוואתן לסימולציה של האינטראקציה של גלי האלקטרונים עם הסריג הספציפי אותו מנסים לדמות, בתנאי הדימות הספציפיים (כגון אוריינטציה, אופטיקה ועוד). שגיאה נפוצה בפענוח קונטרסט פאזה היא להסיק שמיקום הנקודות הבהירות בתמונה חופף למיקום עמודות האטומים בדגם.

קישורים חיצוניים

 הסברים, סימולציות ואנימציות של מיקרוסקופ אלקטרונים חודר מתוך matter.org.uk

הערות שוליים

מיקרוסקופיה
פיזיקה: מתקני ניסוי ותצפית