میکروسکوپ الکترونی عبوری (1)
- چرا از الکترونها استفاده میکنیم؟
همانگونه که احتمالا میدانید، استفاده از باریکههای الکترون به عنوان جایگزینی برای پرتوهای نوری بسیار متداول است. استفاده از پرتوهای نوری در بررسی مواد زیستی و مهندسی سابقهی بسیار طولانی در علوم دارد. از نظر تاریخی، دلیل روی آوردن به استفاده از الکترونها را باید در محدودیت «حد تفکیک» یا «رزولوشن» تصاویر در میکروسکوپ‌های نوری دانست. این محدودیت به دلیل اندازهی طول موج پرتوهای نور مرئی ایجاد میشود. گرچه پس از اینکه میکروسکوپ‌های الکترونی توسعه یافتند، دلایل بیشتری برای استفاده از الکترونها به جای پرتوهای نور به دست آمد. برخی قابلیتهای میکروسکوپ‌های TEM کنونی مرهون این ویژگیهای متمایز الکترونهاست.
|
پرسش 1: آیا میتوانید ویژگیهای ممتاز الکترونها در برابر نور مرئی را نام ببرید؟ |
- مختصری موجز از تاریخچهی TEM
همانطور که در کتاب شیمی سال دوم دبیرستان اشاره شده است، در سال 1925 دانشمندی به نام لویی دوبروی به الکترون که ذرهای بودن آن قبلا به اثبات رسیده بود، طول موجی نسبت داد. این طول موج مقدار بسیار کمتری از طول موج نور مرئی دارد.
|
پرسش 2: در کتاب شیمی سال دوم دبیرستان، از نسبت دادن رفتار دوگانهی موج-ذره به ماده گفته شده است. آیا شما نیز رفتار موجی دارید؟ اگر چنین است، طول موج شما چقدر است؟ |
در سال 1927 دانشمندانی از دو گروه تحقیقاتی به تجربیاتی از پدیدهای مشهور به تفرق الکترونی دست یافتند. این پدیده رفتار موجی الکترونها را تایید نمود. دیری نگذشت که ایدهی طراحی یک میکروسکوپ الکترونی شکل گرفت. اصطلاح میکروسکوپ الکترونی برای اولین بار در مقالهای که آقایان نول و روشکا در سال 1932 به چاپ رساندند، به کار رفت. در این مقاله ایشان موفقیت خود را در زمینهی لنزهای الکترونی توضیح دادند و همچنین تصاویری را که توسط میکروسکوپ ابداعی خود تهیه کرده بودند، نمایش دادند (شکل 1).
شکل 1- میکروسکوپ الکترونی ساخته شده توسط روشکا (با لباس آزمایشگاه) و نول در برلین
این کار قدم بزرگی بود که منجر شد روشکا دو سال قبل از وفات، به دریافت جایزهی نوبل در سال 1986 مفتخر گردد.
|
پرسش 3: در مورد پدیدهی تفرق یا پراش الکترونی چه میدانید؟ آیا این پدیده تنها در مورد الکترونها رخ میدهد؟ چرا مشاهدهی پدیدهی تفرق، موجب اثبات ماهیت موجی الکترونها شد؟ |
پس از آن اولین نمونهی تجاری این دستگاه در سال 1936 به بازار ارائه شد. این دستگاه ایرادات بسیاری داشت و اولین نمونهی مورد قبول از TEM در سال 1939 عرضه شد. در اواسط دههی 1950 دانشمندانی به نام بولمن در سوئیس و هیرش در انگلستان به روشهایی برای نازک کردن نمونههای فلزی دست یافتند. این نمونهها به گونهای بودند که عبور باریکهی الکترونی از آنها به راحتی امکانپذیر بود. این رویداد برای محققین حوزهی مهندسی و علم مواد بسیار حائز اهمیت بود.
| پرسش 4: اگر از شما پرسیده شود که «میکروسکوپ چیست؟»، چه میگویید؟ |
- میکروسکوپی و مفهوم حد تفکیک
بسیاری از مردم خواهند گفت که میکروسکوپ ابزاری است که میتواند اشیای بسیار ریز را که با چشم غیرمسلح دیده نمیشوند، بزرگ کند. البته ممکن است در برخی موارد به میکروسکوپ نوری نیز اشاره نمایند. در اینجا تعریفی جدید از میکروسکوپ را ارائه میدهیم که بر مبنای یکی از مهمترین مفاهیم میکروسکوپی بنا شده است.
چشم انسان میتواند بین نقاطی که حداقل فاصلهشان در حدود mm 0.2-0.1 باشد، تفکیک قائل شود و آنها را از هم تشخیص دهد. البته این عدد در بهترین حالت به دست میآید. طبق تعریف، به این عدد «حد تفکیک» یا در اصطلاح متداول انگلیسی آن، «رزولوشن» میگوییم. بنابراین هر ابزاری که بتواند تصویری را به ما ارائه دهد که در آن جزئیات ظریفتر از mm0.1 را نمایان ساخته باشد، با عنوان میکروسکوپ توصیف میشود. بیشترین بزرگنمایی مجاز و قابل استفادهی هر میکروسکوپ نیز بسته به حد تفکیک آن است. این موضوع در ادامه در مقالات بعدی توضیح داده خواهد شد.
میکروسکوپ TEM جذابیتهای بسیاری در نظر محققین دارد. با توجه به اینکه اندازهی الکترونها بسیار کوچکتر از اندازهی اتمهاست، حداقل از دیدگاه نظری میتوان میکروسکوپی ساخت که بتوان جزئیاتی پایینتر از سطوح اتمی را با آن مشاهده کرد. این نکتهی کلیدی انگیزههای بسیاری را برای توسعهی سریع میکروسکوپ‌های TEMایجاد نمود.
- حد تفکیک چگونه به دست میآید؟
از نظر یک متخصص، حد تفکیک TEM وابسته به عوامل متعددی است. در اینجا برای سادگی میتوانیم از معیار کلاسیک ریلی (Rayleigh) که برای میکروسکوپ‌های نوری ارائه شده است، استفاده نماییم. طبق این رابطه، کمترین فاصلهای که میتوان بین دو نقطه تشخیص داد، r، به طور تقریبی از رابطهی زیر به دست میآید:
در این رابطه، λ طول موج پرتو مورد استفاده، μ ضریب شکست محیط، و β برابر با نصف زاویهی همگرایی لنز مورد استفاده میباشد. برای سادگی درک این رابطه میتوان مقدار μsinβ را برابر با یک در نظر گرفت. در این حالت مقدار حد تفکیک تقریبا برابر با نصف طول موج مورد استفاده خواهد بود. در صورت استفاده از این سادهسازی، مقدار حد تفکیک برای نور سبز که با طول موج حدود nm 550 درمیانهی طیف نور مرئی قرار دارد، برابر با nm 300 خواهد بود. با وجود اینکه این عدد بسیار کوچک است و دستیابی به آن در میکروسکوپ‌های نوری یک موفقیت بزرگ محسوب میشود، اما این اندازه تقریبا برابر با اندازهی 1000 اتم در کنار هم میباشد. بنابراین برای مشاهدهی جزئیات مهم در نانوفناوری و بسیاری از کاربردهای دیگر مناسب نیست.
در TEM با استفاده از رابطهای مشابه رابطهی ریلی، میتوان به حد تفکیکهای بسیار کوچکتری دست یافت. بنابراین رابطه
بنابراین دیده میشود که استفاده از پرتوهای الکترونی با طول موجهای بسیار کوچک و از مرتبهی هزارم و ده هزارم نانومتر میتواند در دستیابی به حد تفکیکهای زیر اتمی مفید باشد.
در مقالهی بعدی به نحوهی تشکیل باریکهی الکترونی برای استفاده در این میکروسکوپ خواهیم پرداخت.
مطالب مشابه :
معرفی چند میکروسکوپ نانو
معرفی چند میکروسکوپ نانو. در میکروسکوپ های نوری از عدسی های شیشه ای برای متمرکز کردن نور
میکروسکوپ الکترونی عبوری (1)
فناوری نانو دانشگاه صنعتی برخی قابلیتهای میکروسکوپ‌های tem کنونی مرهون این ویژگیهای
دنیای نانو و الماسواره ها
معرفی کتاب - دنیای نانو و الماسواره ها - معرفی کتاب های مهندسی، علوم پایه و
تجهیزات شناسایی نانو مواد
فناوری نانو چهارمین دوره توانمندسازی سرمایه های انسانی نانو; ها با استفاده از میکروسکوپ
میکروسکوپ پروبی روبشی Scanning Probe Microscopy
میکروسکوپ پروبی روبشی Scanning Probe Microscopy: میکروسکوپ های پروبی روبشی انواع گوناگونی دارند که از
میکروسکوپ الکترونی (EM)
هسته ی نانو فناوری دانشکده این در حالیست که میکروسکوپ های نوری قابلیت تفکیک 200 نانومتر و
دوره‌ي آموزشي عمومي و تخصصي فناوري نانو
انجمن نانو تكنولوژي دانشگاه الزهرائ میکروسکوپ‌های پروبی روبشی ; میکروسکوپ‌های نیروی
نانو چای
حال اگر ذرات چای را در حد نانو کوچک کنیم برگزاری کلاس های آشنایی میکروسکوپ نوری
نانو باکتری
اطلاق واژهٔ فسیل‌های نانو باکتریایی به آثار را با بهره گیری از میکروسکوپ‌های وضوح
برچسب :
میکروسکوپ های نانو