تصویربرداری کنتراستی کانال‌سازی الکترونی

**تصویربرداری کنتراستی کانال‌سازی الکترونی** (به انگلیسی: *Electron Channelling Contrast Imaging*، به‌اختصار **ECCI**) روشی مبتنی بر پراش در میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) است که برای مطالعهٔ عیوب بلوری به‌کار می‌رود. این روش می‌تواند نابجایی‌ها، خطای چیدمان، مرز دانه‌های با زاویهٔ کم و پله‌های اتمی نزدیک سطح نمونه را آشکار کند. در مقایسه با استفاده از میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) برای بررسی نابجایی‌ها، ECCI معمولاً روشی سریع‌تر، کم‌هزینه‌تر و غیرمخرب به‌شمار می‌آید.

تصویربرداری کنتراستی کانال‌سازی الکترونی بر پدیدهٔ کانال‌سازی الکترون در بلورها تکیه دارد؛ در این حالت، پرتو الکترونی با انرژی نسبتاً بالا (معمولاً حدود ۲۰ تا ۳۰ کیلوالکترون‌ولت) به نمونهٔ بلوری تابانده می‌شود و الکترون‌ها در کانال‌های بین‌صفحه‌ای شبکه هدایت می‌شوند. هر گونه نابجایی، کرنش یا خم‌شدن صفحات بلوری این کانال‌سازی را مختل می‌کند و باعث تغییر در شدت الکترون‌های برگشتی (BSE) می‌شود که به صورت خطوط یا لکه‌های دارای کنتراست در تصویر دیده می‌شوند. با تنظیم دقیق شرایط، از جمله انتخاب الگوی کانال‌سازی مناسب (SACP)، تیلت دادن نمونه تا نزدیکی لبهٔ باند کانال‌سازی روی محور نوری، استفاده از منبع میدان‌گسیل (FEG) با جریان بالا و آشکارساز چهارربعی BSE، می‌توان کنتراست نابجایی‌ها را در عمق حدود ۱۰۰ نانومتر تا ۱ میکرومتر در نمونه‌های توده‌ای بهینه کرد.

بندانگشتی
 |تصویری از حالت‌های مسیر الکترون‌های واردشده به یک شبکهٔ اتمی. حالت (a) «کانال بسته» و حالت (b) «کانال باز» را نشان می‌دهد. حضور یک نابجایی لبه‌ای در حالت (c) می‌تواند یک کانال باز را به کانال بسته تبدیل کند.

## پیشینه
با آن‌که امروز از ECCI به‌عنوان یکی از روش‌های جاافتاده در میکروسکوپ الکترونی روبشی یاد می‌شود، تبدیل آن به یک ابزار عملی چند دهه طول کشیده است. حدود سی سال میان نخستین پیشنهادِ مشاهدهٔ عیوب بلوری به‌صورت کنتراست در تصاویر SEM و معرفی ECCI به‌عنوان روشی در دسترس برای کاربران معمولی این میکروسکوپ فاصله بوده است. در این فاصله، توسعهٔ تفنگ الکترونی گسیل میدانی (FEG) و به‌کارگیری آن در سامانه‌های تجاری SEM برای دستیابی به تفکیک‌پذیری فضایی مناسبِ کاربردهای کانال‌سازی ضروری بود.

در ادامه، ویلکینسون و همکاران از ECCI برای بررسی خوشه‌های نابجایی‌های ناسازگار در فصل‌مشترک لایه‌های Si–Ge رشد یافته روی Si، در عمق‌های بیش از حدود یک میکرومتر زیر سطح، استفاده کردند. آنان اشاره کردند که در این عمق، تفکیک تک‌تک نابجایی‌ها محدود است، اما با این حال، معیارهای نامرئی‌شدن نابجایی‌ها (شرایط
g
⋅
b
=
۰
g⋅b=۰ و
g
⋅
b
×
u
=
۰
g⋅b×u=۰) مشابه TEM قابل اعمال است. این مطالعات روی نمونه‌هایی با تیلت نسبتاً زیاد (حدود ۴۰ تا ۷۰ درجه) و با آشکارسازهای BSE جانبی مشابه آرایش پراش الکترون‌های برگشتی (EBSD) انجام شد.

در کاربردهای فلزی، ECCI معمولاً با تیلت‌های کم‌تر از حدود ۱۰ درجه به‌کار می‌رود. این آرایش چند مزیت دارد: آشکارساز استاندارد سیلیکون‌دیودی را می‌توان روی نگه‌دارندهٔ قطبیده نصب کرد و زاویهٔ جمع‌آوری بزرگی برای سیگنال BSE به‌دست‌آورد، حجم برهم‌کنش کاهش می‌یابد و در نتیجه، تفکیک فضایی بهبود پیدا می‌کند. نقطه‌ضعف این هندسه، کاهش شدت سیگنال BSE است؛ هرچند در فلزات به‌دلیل عدد اتمی بالاتر، این مشکل نسبت به نیمه‌هادی‌ها کم‌تر محسوس است. وایدنر و بیرمن در یک مقالهٔ مروری، کاربردهای ECCI در مواد فلزی را به‌طور گسترده جمع‌بندی کرده‌اند.

از حدود سال ۲۰۰۶، گروه تراگر-کوان نشان داد که استفاده از ECCI برای توصیف ساختاری نیتریدها، به‌ویژه GaN، بسیار سودمند است. از آن زمان، این روش به‌طور گسترده برای آشکارسازی عیوب گسترده و ویژگی‌های مورفولوژیکی در نمونه‌های GaN و سایر نیمه‌هادی‌های گروه III–V به‌کار رفته است.

با آن‌که نزدیک به چهار دهه از معرفی اولیهٔ ECCI می‌گذرد، در بسیاری از مقالات علمی هنوز از آن به‌عنوان روشی نسبتاً نو یاد می‌شود. یکی از دلایل اصلی این وضعیت آن است که این تکنیک به‌سختی در قالب یک رویهٔ استاندارد واحد قرار می‌گیرد و هر گروه پژوهشی، بسته به نوع ماده، پیکربندی SEM و نوع آشکارسازهای در دسترس، تنظیم‌ها و رویهٔ خاص خود را برای ثبت تصاویر ECCI به کار می‌گیرد.

## کاربردها
در فلزات و آلیاژها، ECCI برای تصویربرداری و اندازه‌گیری چگالی نابجایی‌ها و ساختارهای ناشی از تغییر شکل پلاستیک، مانند سلول‌های نابجایی و مرزهای زاویه‌کم، بر روی نمونه‌های توده‌ای به‌کار می‌رود. این داده‌ها برای برقراری ارتباط میان ریزساختار بلوری و خواص مکانیکی، از جمله استحکام، سختی و رفتار خستگی، استفاده می‌شوند.

در نیمه‌رساناهای مرکب و لایه‌های اپیتاکسی، ECCI امکان تصویربرداری نسبتاً سریع و غیرمخرب از نابجایی‌های پیچی و لبه‌ای و سایر عیوب گسترده را فراهم می‌کند. این روش در ارزیابی کیفیت رشد لایه‌ها و بهینه‌سازی فرایندهای ساخت ادوات الکترونیکی و اپتوالکترونیکی کاربرد گسترده‌ای دارد.

ECCI همچنین برای مطالعهٔ نواحی کرنش‌دار در نزدیکی ترک‌ها، مرز دانه‌ها و مناطق آسیب‌دیده به‌کار می‌رود و نحوهٔ توزیع نابجایی‌ها و اندازهٔ ناحیهٔ پلاستیک را آشکار می‌کند. این اطلاعات در تحلیل سازوکار رشد ترک و رفتار شکست مواد مهندسی اهمیت زیادی دارد.

## منابع

رده:میکروسکوپ‌های الکترونی
رده:فنون علمی