میکروسکوپ الکترونی روبشی چیست؟ – از طرز کار تا کاربردها به زبان ساده

پس از اختراع میکروسکوپ در قرن هفدهم میلادی، دریچه‌ای تازه به روی پژوهشگران در رشته‌های مختلف گشوده شد. میکروسکوپ نوری می‌توانست با استفاده از نور، تصاویری بزرگ شده از نمونه‌های مختلف تهیه کند. اما مشکل این میکروسکوپ ناتوانی آن در به تصویر کشیدن نمونه‌های بسیار کوچک بود. از این‌رو، پژوهشگران به دنبال جایگزین مناسبی برای نور در میکروسکوپ نوری بودند. سرانجام، پس از پیدایش فیزیک کوانتوم و بیان دوگانگی موج ذره، دانشمندان به این نتیجه رسیدند که ذرات کوانتومی، مانند الکترون‌ها، می‌توانند همانند نور طول موج داشته باشند. سرانجام، در دهه ۳۰ میلادی میکروسکوپ الکترونی، به خصوص میکروسکوپ الکترونی روبشی (Scanning Electron Microscope | SEM)‌ و «میکروسکوپ الکترونی عبوری» (Transmitting Electron Microscope | TEM) اختراع شد.

در میکروسکوپ الکترونی روبشی به جای نور، از پرتو الکترونی با طول موجی بسیار کوچک‌تر استفاده می‌شود. از این‌رو، با استفاده از این میکروسکوپ می‌توانیم نمونه‌هایی با اندازه‌های بسیار کوچک را مشاهده کنیم و از آن‌ها تصاویری با وضوح بالا به‌دست آوریم. الکترون‌های تولید شده در تفنگ الکترونی، با استفاده از عدسی‌های الکترومغناطیسی روی سطح نمونه متمرکز می‌شوند. توجه به این نکته مهم است که در میکروسکوپ الکترونی روبشی، الکترون‌ها به جای عبور از نمونه، سطح آن را جاروب می‌کنند. با توجه به برهم‌کنش پرتو الکترونی با سطح نمونه، اطلاعات مختلفی در مورد ساختار سطحی نمونه،‌ ضخامت و عناصر تشکیل‌دهنده آن را می‌توانیم به‌دست آوریم.

در این مطلب از مجله فرادرس، با تعریف میکروسکوپ الکترونی روبشی، اجزای تشکیل‌دهنده، انواع و چگونگی عملکرد آن به زبان ساده آشنا می‌شویم و در پایان، با استفاده از نرم‌افزار Imagej، تصویر SEM از نانوذرات با اندازه‌‌های مختلف را با یکدیگر بررسی می‌کنیم.

میکروسکوپ الکترونی روبشی چیست؟

در میکروسکوپ الکترونی روبشی به جای نور، از پرتو الکترونی با طول موجی بسیار کوتاه‌تر استفاده می‌شود. از این‌رو، با استفاده از این میکروسکوپ می‌توانیم نمونه‌هایی با اندازه‌های بسیار کوچک را مشاهده کنیم و از آن‌ها تصاویری با وضوح بالا به‌دست آوریم. پرتو الکترونی با روبش سطح نمونه، با آن برهم‌کنش می‌کند. میکروسکوپ نوری در قرن هفدهم میلادی کشف و تا اواسط قرن بیستم بسیار مورد استفاده قرار می‌گرفت. با استفاده از این میکروسکوپ، پرسش‌های بسیاری در مورد جهان میکروسکوپی پاسخ داده شد. پژوهشگران با استفاده از میکروسکوپ نوری می‌توانستند سلول‌های تکی را مشاهده کنند.

اما ساختارهای کوچک‌تر از سلول توسط این میکروسکوپ قابل مشاهده نبودند. با اختراع و ساخت میکروسکوپ الکترونی در دهه‌های ۳۰ و ۴۰ میلادی، دانشمندان توانستند ساختارهایی بسیار کوچک‌تر از سلول را مشاهده کنند. قدرت تفکیک برخی میکروسکوپ‌های الکترونی در حدود ۰/۲ نانومتر است. این عدد در حدود ۱۰۰۰ مرتبه بهتر از قدرت تفکیک بهترین میکروسکوپ‌های نوری است. میکروسکوپ‌های الکترونی با این قدرت تفکیک می‌توانند نمونه موردمطالعه را تا یک میلیون مرتبه بزرگ کنند.

با این مقدار بزرگنمایی، دانشمندان به راحتی می‌توانند ساختار داخلی سلول‌ها، ساختار مولکولی ویروس‌ها و بسیاری از نانوساختارها را مطالعه کنند. از این‌رو، می‌توانیم درک بهتری از دنیای میکروسکوپی داشته باشیم. چرا با استفاده از میکروسکوپ الکترونی می‌توانیم ساختارهای بسیار کوچک را مشاهده کنیم؟ زیرا در میکروسکوپ الکترونی، به جای پرتو نور، از پرتو الکترونی استفاده می‌شود. الکترون‌ها یا از نمونه عبور یا سطح آن را جاروب می‌کنند. بنابراین، با توجه به نوع برهم‌کنش الکترون با نمونه، دو نوع میکروسکوپ الکترونی داریم:

• «میکروسکوپ الکترونی روبشی» (Scanning Electron Microscope | SEM)
• «میکروسکوپ الکترونی عبوری» (Transmitting Electron Microscope | TEM)

در این مطلب، در مورد میکروسکوپ الکترونی روبشی،‌ انواع و تفاوت آن با میکروسکوپ الکترونی عبوری صحبت می‌کنیم. الکترون‌ها، ذرات زیراتمی با بار الکتریکی منفی هستند. طول موج الکترونی بسیار کوچک‌تر از طول موج نور مرئی و در حدود ۰/۰۱ نانومتر است. این طول موج کوچک به ما اجازه می‌دهد تا با استفاده از میکروسکوپ‌های الکترونی بتوانیم جزییات بیشتری از نمونه با قدرت تفکیک بسیار بالاتری را مشاهده کنیم.

اصلی‌ترین قسمت‌ها تشکیل‌دهنده میکروسکوپی نوری عبارت هستند از:

• منبع نور
• عدسی برای متمرکز کردن نور روی نمونه
• جمع‌کننده نور پس از برهم‌کنش آن با ماده
• آشکارساز نور برهم‌کنش‌کننده با نمونه

در میکروسکوپ نوری برای متمرکز کردن و جمع‌آوری نور از عدسی شیشه‌ای استفاده می‌شود. بسیاری اجزای تشکیل‌دهنده میکروسکوپ الکترونی مشابه میکروسکوپ نوری است. در میکروسکوپ الکترونی، به جای منبع نور، از تفنگ الکترونی برای تولید الکترون استفاده می‌شود. همچنین، در میکروسکوپ نوری به جای عدسی شیشه‌ای، از عدسی الکترومغناطیسی برای متمرکز کردن نور استفاده می‌کنیم. همچنین، آشکارساز به جای حساس بودن به نور، به الکترون حساس است. در میکروسکوپ الکترونی، به خصوص میکروسکوپ الکترونی عبوری، الکترون با نمونه برهم‌کنش می‌کند. برهم‌کنش الکترون با نمونه به چند صورت می‌تواند انجام شود:

• هنگامی‌که پرتو الکترونی به نمونه برخورد می‌کند، برخی الکترون‌ها ممکن است توسط نمونه جذب شوند.
• برخی الکترون‌ها در پرتو الکترونی پس از برخورد به سطح نمونه، پراکنده می‌شوند. به این الکترون‌ها، الکترون‌های برگشتی می‌گوییم.
• هنگام برخورد پرتو الکترونی به نمونه ممکن است الکترون‌های داخل نمونه با کسب انرژی لازم بتوانند از آن خارج شوند. به این الکترون‌ها، الکترون‌های ثانویه گفته می‌شود.

اگر تعداد الکترون‌های برخوردکننده به نمونه با تعداد الکترون‌های خروجی پس از برخورد برابر نباشند، نمونه باردار خواهد شد. این حالت تاثیر منفی بر تصویر تولید شده از نمونه می‌گذارد. برای جلوگیری از باردار شدن نمونه، بسیاری از نمونه‌ها با لایه‌ نازکی از فلز، مانند طلا یا نقره، پوشانده می‌شوند. بیشتر تصاویر ایجاد شده توسط SEM، با استفاده از الکترون‌های ثانویه ایجاد می‌شوند. عکسی که در ادامه آمده است، تصویری از نانوسیم‌ها و نانوگل‌های اکسیدروی را نشان می‌دهد. این تصویر با استفاده از الکترون‌های ثانویه تهیه شده است. تصویر به‌دست آمده از الکترون‌های ثانویه ساختار سطحی نمونه را به صورت سه‌بعدی نشان می‌دهد. خطی زردرنگ در پایین تصویر، سمت راست، رسم و زیر آن عدد ۵/۰۰ میکرومتر نوشته شده است. از این خط می‌توان به عنوان مقیاسی برای اندازه‌گیری نانوسیم‌ها و نانوگل‌ها استفاده کرد.

تصویر زیر سلول‌هایی را نشان می‌دهد که بالای ستون‌های ساخته شده کشت شده‌اند. به این نکته توجه داشته باشید که نوار مقیاس در این تصویر بسیار بزرگ‌تر از نوار مقیاس در تصویر بالا و برابر ۵۰ میکرومتر است. میکروسکوپ الکترونی روبشی می‌تواند ساختارهایی به کوچکی یک تا دو نانومتر و به بزرگی یک تا دو میلی‌متر را به تصویر بکشد.

تصاویر به‌دست آمده توسط الکترون‌ها برگشتی در مقایسه با تصاویر ایجاد شده توسط الکترون‌های ثانویه، جزییات کمتری را از سطح نشان می‌دهند. در بیشتر موارد، تصاویر به‌دست آمده از الکترون‌های برگشتی بسیار مسطح به نظر می‌رسند. همان‌طور که در تصویر زیر مشاهده می‌شود، برخی از قسمت‌های تصویر به‌دست آمده از الکترون‌های برگشتی، بسیار روشن‌تر از قسمت‌های دیگر هستند. این کنتراست مشاهده شده در تصویر مربوط به تفاوت عدد اتمی متوسط است. نواحی از نمونه که عدد اتمی بالاتری دارند، الکترون‌های برگشتی بیشتری تولید می‌کنند. بنابراین،‌ روشن‌تر به نظر می‌رسند. تصویر زیر پلیمری را نشان می‌دهد که ذرات تیتانات باریم در آن قرار گرفته‌اند. از آنجا که عدد اتمی تیتانات باریم بسیار بزرگ‌تر است، در تصویر بسیار روشن‌تر از پلیمر به نظر می‌آیند.

بسیاری از میکروسکوپ‌های روبشی دو آشکارساز برای آشکار کردن الکترون‌های برگشتی و ثانویه دارند. بنابراین، هم‌زمان می‌توان دو تصویر از نمونه تهیه کرد. دو تصویر به‌دست آمده از نمونه در ادامه نشان داده شده‌اند و تصویر شماره یک با استفاده از الکترون‌های ثانویه تهیه شده است و در آن می‌توانیم ساختار سطحی را به وضوح ببینیم. اما تصویر شماره دو، کنتراست عددی اتمی در نمونه را نشان می‌دهد. نواحی روشن در تصویر عدد اتمی بزرگ‌تری در مقایسه با نواحی تاریک دارند. هر دو تصویر اطلاعات جالبی در مورد نمونه به ما می‌دهند.

خلأ در میکروسکوپ الکترونی روبشی

یکی از قسمت‌های اصلی در میکروسکوپ الکترونی روبشی،‌ سیستم خلأ است. در حالت کلی، میکروسکوپ‌های الکترونی برای بهترین عملکرد به خلأیی کمتر از $$10 ^ { -5  }$$ تور نیاز دارند. در SEM نیاز به پرتویی متمرکز داریم. الکترون‌های داخل پرتو الکترونی می‌توانند توسط مولکول‌های تشکیل‌دهنده هوا پراکنده شوند. برای کاهش پراکندگی الکترون‌ها،‌ از خلأ استفاده می کنیم. همان‌طور که می‌دانیم در سیستم‌های خلأ،‌ تعداد مولکول‌های هوا در حجمی مشخص کاهش می‌یابند، بنابراین، احتمال پراکندگی الکترون‌ها به شدت کاهش می‌یابد. از آنجا که در محیط خلأ نمی‌توانیم از نمونه‌های تر استفاده کنیم، تمام نمونه‌های استفاده شده در میکروسکوپ الکترونی روبشی باید کاملا خشک باشند.

اگر در نمونه‌ای آب باشد، برای مطالعه آن باید ابتدا نمونه را به طور کامل خشک کنیم. در بیشتر مواقع، با انجام این کار ساختار سطحی نمونه مختل می‌شود و از شکل واقعی اولیه فاصله می‌گیرد. ساختار کلی میکروسکوپ الکترونی روبشی در تصویر زیر نشان داده شده است. همان‌طور که در تصویر مشاهده می‌کنید، پرتو الکترونی بسیار باریک است و توسط عدسی‌های الکترومغناطیسی به خوبی روی نمونه متمرکز می‌شود.

میکروسکوپ الکترونی روبشی دیگری نیز به نام میکروسکوپ الکترونی روبشی محیطی (Environmental SEM | ESEM) داریم. به هنگام کار با ESEM می‌توانیم به صورت کنترل شده مقداری بخار آب به محفظه خلأ وارد کنیم. اما ورود مولکول‌های آب به محفظه خلأ بدون مشکل نیست، زیرا الکترون‌ها در مسیر خود به مولکول‌های آب برخورد می‌کنند و پراکنده می‌شوند. از این‌رو،‌ پرتو الکترونی در ESEM نمی‌تواند به خوبی روی نمونه متمرکز شود.

در نتیجه،‌ وضوح تصویرهای گرفته شده با ESEM به خوبی وضوح تصاویر به‌دست آمده توسط SEM نیست. یکی از مزیت‌های ESEM در مقایسه با SEM آن است که با استفاده از آن می‌توانیم نمونه‌های حاوی آب، مانند سلول‌ها و باکتری‌ها مختلف را بدون خشک کردن کامل آن‌ها مطالعه کنیم. از این‌رو، تصاویر به‌دست آمده توسط ESEM، نمونه‌ها را در حالت طبیعی خود نشان می‌دهند. همچنین، می‌توانیم با ورود مقدار کمی بخار آب به محفظه خلأ، از باردار شدن نمونه‌ها در میکروسکوپ الکترونی روبشی محیطی جلوگیری کنیم. از این‌رو، به راحتی می‌توانیم از نمونه‌های نارسانا بدون نیاز به پوشش سطح آن‌ها با ماده رسانا، تصویر تهیه کنیم. تصویر زیر باکتری را نشان می‌دهد که با استفاده از ESEM گرفته شده است.

همان‌طور که در تصویر بالا دیده می‌شود، باکتری‌ها ذراتی میله‌ای شکل هستند که طول هر کدام در حدود یک میکرومتر است. با استفاده از ESEM به خوبی می‌توانیم از این دسته از باکتری‌ها تصویر تهیه کنیم.

به هنگام کار با میکروسکوپ الکترونی روبشی باید مراحل زیر را طی کنیم:

1. آماده‌سازی نمونه: نمونه قبل از قرار گرفتن در میکروسکوپ الکترونی روبشی باید آماده شود. آماده‌سازی نمونه به نوع نمونه بستگی دارد. در حالت کلی، نمونه یا با لایه‌ نازکی از ماده رسانا پوشانده یا با استفاده از سمباده نازک می‌شود. پس از آماده‌سازی نمونه،‌ آن را روی نگه‌دارنده یا حامل و داخل محفظه خلأ قرار می‌دهیم.
2. قرار دادن نمونه در جایگاه مخصوص: نمونه پس از آماده‌سازی داخل محفظه مخصوص قرار داده می‌شود. ممکن است برای مشاهده قسمت‌های مختلف نمونه آن را حرکت دهیم یا بچرخانیم.
3. تنظیم پرتو الکترونی: به منظور مشاهده نمونه و داشتن بهترین کیفیت و ایجاد کمترین صدمه به نمونه باید شدت و انرژی پرتو الکترونی را تنظیم کنیم.
4. جمع‌آوری و پردازش داده‌های تصویر: الکترون‌های پراکنده یا منعکس شده از سطح نمونه توسط آشکارساز الکترونیکی آشکار می‌شوند و از آن‌ها برای ایجاد تصویر از نمونه استفاده می‌کنیم. تصویر ایجاد شده می‌تواند توسط نرم‌افزارهای مختلف تحلیل و بررسی شود.
5. تحلیل تصویر: تصویر ایجاد شده از نمونه را می‌توانیم روی صفحه نمایش مشاهده کنیم. با استفاده از این تصویر می‌توان ساختار سطحی و مشخصات نمونه را مطالعه کرد.

اجزای میکروسکوپ الکترونی روبشی

در مطالب بالا فهمیدیم میکروسکوپ الکترونی روبشی چیست و چه تفاوتی با میکروسکوپ نوری دارد. در این بخش با اجزای تشکیل‌دهنده میکروسکوپ الکترونی آشنا می‌شویم.

مهم‌ترین بخش‌های تشکیل‌دهنده میکروسکوپ الکترونی عبارت هستند از:

• تفنگ الکترونی
• عدسی‌های الکترومغناطیسی
• نگه‌دارنده نمونه
• سیستم مشاهده و ضبط تصویر
• آشکارساز
• سیستم الکترونیکی و کامپیوتر

در ادامه در مورد هر یک از این بخش‌ها به اختصار توضیح می‌دهیم.

تفنگ الکترونی

در میکروسکوپ الکترونی روبشی، پرتو الکترونی در محلی به نام تفنگ الکترونی ایجاد می‌شود. رشته‌ای از جنس عنصر تنگستن به عنوان کاتد در تفنگ الکترونی قرار دارد و از آن به عنوان منبع تولید الکترون استفاده می‌شود. رشته تنگستن به ولتاژ منفی وصل شده است. همچنین، صفحه آند در پایین تفنگ الکترونی قرار دارد و به زمین (ولتاژ صفر) وصل می‌شود. به عنوان مثال، اگر برای مشاهده تصویر به ولتاژی برابر ۳۰ کیلوولت نیاز داشته باشیم، رشته تنگستن را به ولتاژ ۳۰- کیلوولت متصل می‌کنیم. به این نکته توجه داشته باشید که از ولتاژ اعمال شده برای شتاب دادن به الکترون‌ها استفاده می‌کنند. جریان از رشته تنگستن عبور می‌کند و سبب گرم شدن آن می‌شود. الکترون‌های سطحی تنگستن با دریافت انرژی کافی به دلیل گرم شدن این عنصر، می‌توانند از سطح آن خارج شوند.

به خروج الکترون‌ها به دلیل گرما از تنگستن، تابش گرمایی گفته می‌شود. در بیشتر میکروسکوپ‌های الکترونی روبشی، رشته تنگستن توسط لایه‌ای از اکسید زیرکونیوم پوشانده شده است. وجود این لایه اکسیدی و میدان الکتریکی در نزدیکی تفنگ الکترونی سبب خروج الکترون‌های بیشتری از رشته تنگستن می‌شود. علاوه بر رشته تنگستن، از دو تفنگ الکترونی دیگر نیز در SEM استفاده می‌شود:

• کریستال حالت جامد (سریم هگزابورید)
• «تفنگ گسیل میدانی» (Field Emission Gun | FEG)

همان‌طور که در تصویر زیر دیده می‌شود، رشته تنگستن به شکل $$V$$ برعکس و طول آن در حدود ۱۰۰ میکرومتر است. این سیم به شکل مقاومتی گرم می‌شود و الکترون‌ها پس از به‌دست آوردن انرژی کافی از آن خارج می‌شوند. رشته تنگستن یکی از ابتدایی‌ترین منابع تابش الکترون است.

کریستال حالت جامد

این تفنگ الکترونی نیز از نوع تفنگ تابشی گرمایی و درخشش و طول عمر آن در حدود ۱۰ تا ۱۵ برابر رشته تنگستن است.

تفنگ گسیل میدانی

در این تفنگ الکترونی از سیم تنگستن با نوک خیلی تیز، کوچک‌تر از ۱۰۰ نانومتر، استفاده می‌شود. تفنگ گسیل میدانی همان‌گونه که از نام آن مشخص است با استفاده از میدان الکتریکی، الکترونی تابش و پرتو الکترونی تولید می‌کند. نوک تیز و بسیار کوچک سیم تنگستن سبب بهبود تابش و تمرکز الکترونی‌ها می‌شود.

عدسی های الکترومغناطیسی

همان‌طور که در مطالب بالا اشاره کردیم در میکروسکوپ‌های نوری برای تمرکز نور روی نمونه از عدسی‌های شیشه‌ای استفاده می‌کنیم، اما در میکروسکوپ‌های الکترونی به جای نور، با پرتو الکترونی با بار الکتریکی منفی سروکار داریم، بنابراین به جای عدسی‌های شیشه‌ای، از عدسی‌های الکترومغناطیسی استفاده می‌کنیم. یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های عدسی‌ها آن است که پرتو تابشی را خم و آن را روی نقطه مشخصی متمرکز می‌کنند. عدسی مقعری در تصویر زیر نشان داده شده است که امواج صفحه‌ای پس از برخورد به آن و عبور از عدسی، خمیده و در نقطه‌ای مشخص متمرکز شده‌اند. به این نقطه، مرکز کانونی عدسی گفته می‌شود. امواج تابیده به عدسی ممکن است موازی نباشند. باید توجه داشته باشیم که حتی امواج غیرموازی نیز پس از برخورد به عدسی و عبور از آن، در نقطه‌ای مشخص متمرکز می‌شوند.

جسمی دلخواه را روبروی عدسی شیشه‌ای در نظر بگیرید. پرتوهای نور خارج شده از جسم به عدسی برخورد می‌کنند. نورهای خارج شده از جسم در هوا، طول موج مشخصی دارند. رفتار نور در هوا با رفتار آن داخل عدسی متفاوت است، زیرا ماهیت دو محیط به طور کامل با یکدیگر فرق دارند. طول موج نور داخل عدسی کوچک‌تر از طول موج نور آن در هوا است. پرتوهای خروجی از جسم پس از برخورد به عدسی و عبور از آن، در سمت دیگر عدسی یکدیگر را قطع می‌کنند و تصویر نمونه در محل تقاطع پرتوها ایجاد می‌شود. با توجه به نوع عدسی شیشه‌ای و قدرت بزرگ‌نمایی آن، تصویر ایجاد شده می‌تواند تا چند برابر بزرگ‌تر از جسم تشکیل شود.

با ظهور فیزیک کوانتوم و مطرح کردن دوگانگی موج و ذره، الکترون‌ها به عنوان ذرات کوانتومی نه‌تنها ذره هستند، بلکه از خود رفتار موجی نیز نشان می‌دهند. با تکیه بر این رفتار دوگانه، ایده ساخت میکروسکوپ الکترونی در دهه ۳۰ میلادی مطرح شد. برای ساخت میکروسکوپ الکترونی باید از عدسی به نام عدسی الکترونی استفاده می‌شد. چگونه می‌توانیم عدسی برای الکترون‌ها بسازیم؟ انجام این کار بسیار ساده است. اگر سیم فلزی بلندی را برداریم و آن را به شکل سیم‌پیچ‌ درآوریم و جریانی برابر I را از آن عبور دهیم، میدان مغناطیسی به صورت نشان داده شده در تصویر زیر ایجاد می‌شود. خطوط میدان مغناطیسی، سطح سیم‌پیچ را می‌پوشانند.

اکنون الکترونی را در نظر بگیرید که از تفنگ الکترونی خارج و به سمت میدان مغناطیسی ایجاد شده می‌آید. اگر الکترون به صورت نشان داده شده در تصویر زیر به سمت میدان مغناطیسی حرکت کند، بدون حس کردن نیرویی از جانب میدان و بدون انحراف، عبور می‌کند. این حالت مشابه حالتی است که ذرات فوتون از وسط عدسی شیشه‌ای عبور می‌کنند. این فوتون‌ها بدون انحراف از عدسی عبور می‌کنند.

اگر الکترون با زاویه‌ای مشخص نسبت به خطوط میدان مغناطیسی، وارد سیم‌پیچ شود، نیروی F بر آن وارد می‌شود. این نیرو، مسیر حرکت الکترون را منحرف می‌کند. مقدار این نیرو به سرعت الکترون و میدان مغناطیسی وابسته است و با استفاده از رابطه زیر به‌دست می‌آید:

$$\overrightarrow{ F } = \overrightarrow{ v } \times \overrightarrow{ B }$$

جهت نیروی وارد شده بر الکترون را می‌توانیم با استفاده از قانون درست راست به‌دست آوریم. بر این اساس، الکترون روی مسیر مارپیج به صورت نشان داده شده در تصویر زیر حرکت می‌کند.

الکترون به مسیر خود به صورت مارپیچ ادامه می‌دهد تا به انتهای سیم‌پیچ برسد. در آنجا نیرو در جهت مخالف بر الکترون وارد می‌شود. بنابراین، حرکت محیطی الکترون روی روی مسیر دایره‌ای و مارپیچ متوقف می‌شود. الکترون‌های خارج شده از تفنگ الکترونی پس از ورود به سیم‌پیچ متمرکز می‌شوند. به تصویر نشان داده شده در ادامه توجه کنید. در این تصویر سطح مقطع سیم‌پیچی متعلق به عدسی الکترونی یا عدسی الکترومغناطیسی را مشاهده می‌کنید. نقطه‌های سیاه نشان داده شده روی سیم‌پیچ متعلق به سیم‌های پیچیده شده به شکل دایره‌ای است. جریان عبوری از این سیم‌ها، میدان مغناطیسی با خطوطی به صورت نشان داده شده در تصویر زیر ایجاد می‌کند. محور نوری عدسی از مرکز آن عبور می‌کند.

الکترون‌ها از نقطه A خارج می‌شوند. برخی از الکترون‌ها پس از خروج از نقطه A روی محور نوری عدسی حرکت می‌کنند و بدون انحراف، از سیم‌پیچ خارج می‌شوند و به نقطه B می‌رسند. برخی از الکترون‌ها نیز از محور نوری خارج می‌شوند. بنابراین، نیرویی از طرف میدان مغناطیسی بر آن‌ها وارد و روی مسیر مارپیچی حرکت می‌کنند. همان‌طور که در تصویر زیر دیده می‌شود، این الکترون‌ها پس از ورود به میدان مغناطیسی ابتدا از محور نوری دور و سپس به آن نزدیک می‌شوند.

با استفاده از عدسی‌های الکترومغناطیسی می‌توانیم الکترون‌ها خارج شده از تفنگ الکترونی را به شکل پرتو الکترونی درآوریم. در میکروسکوپ الکترونی روبشی به طور معمول از سه نوع عدسی استفاده می‌شود:

• عدسی همگرا: این عدسی پرتو الکترونی را روی نمونه متمرکز می‌کند.
• عدسی شیئی: الکترون‌های خروجی از نمونه از سیم‌پیچ‌های مغناطیسی دسته دوم به نام عدسی شیئی عبور می‌کنند. این عدسی‌ها به شکل‌گیری تصویر بزرگ شده میانی کمک می‌کنند.
• عدسی چشمی: با کمک این عدسی‌ها می‌توان تصویر نهایی و بزرگ‌تر از تصویر میانی را تشکیل داد.

تفنگ الکترونی بالای عدسی الکترومغناطیسی قرار گرفته است. همان‌طور که در تصویر بالا مشاهده می‌کنید، عدسی الکترومغناطیسی محوری به نام محور اپتیکی دارد که از مرکز آن عبور می‌کند. در حالا ایده‌ال، الکترون‌ها روی محور اپتیکی حرکت می‌کنند، اما در حالت واقعی این‌گونه نیست. به همین دلیل با دو مشکل مواجه می‌شویم:

1. الکترون‌های خارج شده از تفنگ الکترونی در راستای محور اپتیکی قرار ندارند.
2. عدسی‌ها ممکن است نسبت به یکدیگر کاملا افقی نباشند و با زاویه‌ای هر چند کوچک نسبت به یکدیگر قرار گرفته باشند.

برای هم‌راستا کردن تمام الکترون‌های خروجی در راستای محور اپتیکی، از سیستمی به نام منحرف‌کننده در سیستم عدسی الکترومغناطیسی استفاده می‌شود. منحرف‌کننده، سیم‌پیچ‌هایی هستند که به صورت عمود بر جهت پرتو الکترونی قرار گرفته‌اند. به این نکته توجه داشته باشید که در حالت واقعی، هیچ عدسی الکترومغناطیسی نمی‌تواند میدان مغناطیسی با خطوط کاملا متقارن ایجاد کند. برای ساخت سیم‌پیچ از سیم‌های فلزی نازک استفاده می‌شود. ضخامت این سیم‌ها در تمام قسمت‌های آن یکسان نیست. از این‌رو، مقاومت در قسمت‌های مختلف سیم متفاوت خواهد بود. در نتیجه، جریان عبوری از سیم‌ها در قسمت‌های مختلف آن متفاوت است. بنابراین، میدان مغناطیسی ایجاد شده نیز به طور کامل متقارن نخواهد بود.

همچنین، برای ثابت نگه داشتن دمای عدسی الکترومغناطیسی، اطراف آن سیستم خنک‌کننده به صورت لوله‌های آب قرار گرفته است. گاهی ممکن است دمای قسمتی از عدسی الکترومغناطیسی بالاتر از دمای قسمت دیگر باشد. بنابراین، مقاومت الکتریکی نیز در قسمت‌های مختلف عدسی متفاوت خواهد بود. این تفاوت به صورت عدم تقارن در خطوط میدان مغناطیسی دیده می‌شود. به این حالت، «آستیگماتیسم»‌ (Astigmatism)‌ می‌گوییم. در این حالت میدان مغناطیسی ایجاد شده در قسمتی از عدسی قوی‌تر از قسمت دیگر است و الکترون‌ها در قسمتی که میدان مغناطیسی قوی‌تر است بیشتر متمرکز می‌شوند. به هنگام تصویربرداری از نمونه باید آستیگماتیسم حذف شود یا به حداقل مقدار ممکن برسد تا بتوانیم تصویری واقعی و واضح از نمونه داشته باشیم.

نگه دارنده نمونه

نمونه پس از آماده سازی باید در مکان مخصوص خود در محفظه قرار داده شود. همان‌طور که در مطالب بالا اشاره شد میکروسکوپ الکترونی روبشی تحت خلأ کار می‌کند. بنابراین، پس از قرار دادن نمونه در محفظه و بستن در آن، فشار محفظه را تا رسیدن به عدد موردنظر کاهش می‌دهیم. مکان قرارگیری نمونه به گونه‌ای طراحی شده است که به راحتی می‌توانیم نمونه را حرکت یا حول محور مشخصی دروان دهیم.

آشکارساز

از آشکارساز برای آشکارسازی الکترون‌های منعکس یا پراکنده شده از سطح نمونه استفاده می‌شود. از آنجا که پس از برخورد پرتو الکترونی با سطح نمونه، اتفاق‌های متفاوتی رخ می‌دهند، از آشکارسازهای مختلفی در میکروسکوپ الکترونی روبشی استفاده می‌شود:

• آشکارسازی برای تشخیص الکترون‌های برگشتی از سطح نمونه
• آشکارسازی برای تشخیص الکترونی‌های ثانویه
• آشکارسازی برای تشخیص پرتو ایکس

با توجه به ولتاژ شتاب و چگالی نمونه، سیگنال‌های از عمق‌های نفوذ متفاوتی می‌آیند. فرض کنید عمق نمونه به چند لایه سطحی، میانی و عمیق تقسیم می‌شود. «الکترون‌های اوژه» (Auger Electrons) از سطحی‌ترین لایه نمونه می‌آیند. الکترون‌های اوژه هنگامی آزاد می‌شوند که اتمی با الکترون‌های پرانرژی بمباران شود. در این حالت، ممکن است حفره‌ای در ترازهای انرژی مختلف ایجاد شود. الکترون‌های اوژه، الکترون‌هایی هستند که از تراز انرژی بالاتر، برای پر کردن حفره به تراز انرژی پایین‌تر می‌روند. پس از الکترون‌های اوژه، الکترون‌های ثانویه از لایه بعدی خارج می‌شوند. از الکترون‌های ثانویه برای ایجاد تصویرهای توپوگرافی استفاده می‌کنیم.

آشکارساز الکترونی بازگشتی، الکترون‌هایی را که به صورت کشسان پراکنده شده‌اند، آشکار می‌کند. آشکارساز الکترون‌های برگشتی برای کار کردن نیاز به خلأ کمتری در مقایسه با آشکارسازهای دیگر دارد.

آشکارساز الکترون های برگشتی

همان‌طور که در مطالب بالا اشاره شد در میکروسکوپ الکترونی روبشی، تصویر نمونه‌های مختلف با استفاده از پرتو الکترونی به‌دست می‌آید. آشکارساز الکترونی برگشتی الکترون‌هایی که به صورت کشسان پراکنده شده‌اند را تشخیص می‌دهد. این الکترون‌ها انرژی بیشتری در مقایسه با الکترون‌های ثانویه دارند. با توجه به ترکیب و توپوگرافی نمونه، تعداد و جهت الکترون‌های برگشتی تغییر می‌کند. کنتراست تصویر ایجاد شده توسط این الکترون‌ها به عوامل مختلفی مانند عدد اتمی نمونه، ولتاژ شتاب پرتو اولیه و زاویه نمونه نسبت به پرتو اولیه بستگی دارد. نمونه‌های ساخته شده از عناصری با عدد اتمی بزرگ‌تر در مقایسه با نمونه‌های تشکیل شده از عناصری با عدد اتمی کوچک‌تر، الکترون‌های برگشتی بیشتری را تولید می‌کنند.

در تصویر زیر آشکارساز الکترونی برگشتی حالت جامدی را مشاهده می‌کنید که از چهار ربع دایره تشکیل شده است. با استفاده از این آشکارساز می‌توانیم تصاویری از توپوگرافی سطحی نمونه با کنتراست‌های مختلف تهیه کنیم.

طیف سنجی پراکنده انرژی

الکترون‌های برخوردی به سطح نمونه می‌توانند سبب تابش پرتو ایکس توسط نمونه می‌شوند. انرژی و طول موج پرتو ایکس به ترکیب عنصری نمونه وابسته است. از این طریق می‌توان عنصرهای تشکیل‌دهنده نمونه سنتز شده و تا حدودی درصد هر یک از آن‌ها را داخل نمونه به‌دست آورد. از آنجا که اختلاف انرژی بین ترازهای الکترونی داخلی و خارجی در هر عنصر منحصربه‌فرد است، با استفاده از پرتو ایکس به‌دست آمده می‌توان ترکیب عنصری نمونه را به‌دست آورد. داده‌های «طیف‌سنجی پراکنده انرژی» (Energy Dispersive Spectroscopy | EDS)‌ را می‌توان در نقطه‌ای مشخص، در امتداد خط یا به صورت نقشه‌ای روی سطح نمونه به‌دست آورد.

توجه به این نکته مهم است که علاوه بر تهیه تصویر از سطح نمونه باید عناصر تشکیل‌دهنده آن را نیز با استفاده از EDS به‌دست آوریم. در این صورت، اطلاعات بسیار جامع‌تر و کامل‌تری از نمونه سنتز شده خواهیم داشت.

آماده سازی نمونه برای میکروسکوپ الکترونی روبشی

در این قسمت چگونگی آماده سازی نمونه جامد کریستالی را برای قرار دادن در میکروسکوپ الکترونی روبشی توضیح می‌دهیم.

وسایل موردنیاز برای آماده‌سازی نمونه عبارت هستند از:

• نمونه
• انبرک برای حمل نمونه
• حامل دایره‌ای شکل برای حمل و قرار دادن نمونه روی آن
• نوارچسب رسانا
  • نوارچسب کربنی
  • نوارچسب مسی
• «پوشاننده کندوپاش» (Sputterig Coater)
• قیچی

نمونه جامد کریستالی به شکل پودر است. مراحل آماده‌سازی این نمونه را به صورت مرحله به مرحله در ادامه توضیح می‌دهیم.

مرحله اول

نمونه را با استفاده از نوارچسب دوطرفه کربنی روی حامل دایره‌ای قرار می‌دهیم. برای انجام این کار ابتدا با استفاده از قیچی، مربعی یک در یک از نوارچسب کربنی جدا می‌کنیم. نوار بریده شده را روی حامل قرار می‌دهیم و با استفاده از تیغی نوک‌تیر پوشش سفیدرنگ روی نوار را جدا می‌کنیم.

مرحله دوم

به این نکته توجه داشته باشید که در تمام مراحل آماده‌سازی نمونه، به منظور جلوگیری از آلوده کردن نمونه، از دستکش آزمایشگاهی استفاده می‌کنیم. پودر جامد کریستالی را روی کاغذی تمیز می‌ریزیم و پس از جدا کردن پوشش سفیدرنگِ نوارچسب کربنی، حامل را به صورت نشان داده شده در تصویر زیر روی پودر می‌مالیم. به این صورت مقداری پودر به نوارچسب می‌چسبد.

مرحله سوم

برای اطمینان از چسبیدن پودر به صورت کامل به نوارچسب، حامل را پس از قرار دادن روی پودر برمی‌گردانیم و ضربه‌های آرامی با لبه آن به میز می‌زنیم. بنابراین، پودرهایی که به صورت کامل به نوار نچسبیده‌اند، جدا می‌شوند و روی کاغذ می‌ریزند. پس از انجام این کار، پودر باید به صورت نشان داده شده در تصویر زیر روی نوارچسب قرار گرفته باشد.

مرحله چهارم

اگر نمونه‌ای رسانا نباشد، باید قبل از قرار گرفتن در میکروسکوپ الکترونی روبشی، با لایه نازکی از ماده‌ای رسانا پوشانده شود. با انجام این کار از باردار شدن نمونه جلوگیری می‌کنیم. برای لایه‌نشانی می‌توانیم از دستگاه اسپاترینگ رومیزی استفاده می‌کنیم. با استفاده از این دستگاه می‌توانیم سطح نمونه را با لایه نازکی از طلا، پالادیوم یا کربن بپوشانیم.

برای لایه‌نشانی نمونه، آن را به صورت نشان داده شده در محفظه نشان داده شده در تصویر بالا قرار می‌دهیم. ابتدا درپوش محفظه را برمی‌داریم و نمونه را به آرامی در محل موردنظر می‌گذاریم. پس از قرار دادن نمونه، درپوش محفظه را می‌بندیم و پمپ خلأ را روشن می‌کنیم. لایه‌نشانی نمونه باید در فشار کم انجام شود.

مرحله پنجم

پس از رسیدن فشار محفظه به مقداری مشخص می‌توانیم لایه‌نشانی را شروع کنیم. به هنگام لایه‌نشانی، پلاسمایی از ماده رسانای موردنظر تشکیل می‌شود که با خاموش کردن چراغ‌های آزمایشگاه به راحتی می‌توانیم پلاسمای تشکیل شده را مشاهده کنیم.

ضخامت لایه نشانده شده را به راحتی می‌توانیم با استفاده از دستگاه اسپاترینگ مشخص کنیم. روی دستگاه قسمتی به نام Thickness به معنای ضخامت وجود دارد که برحسب نانومتر است. به هنگام لایه‌نشانی، عددی روی این قسمت نشان داده می‌شود که با گذشت زمان تغییر می‌کند. به طور معمول، لایه‌ای به ضخامت دو نانومتر برای جلوگیری از باردار شدن نمونه کافی است. اگر نمونه موردمطالعه رسانا باشد یا اگر برای تصویربرداری از نمونه از میکروسکوپ ESEM استفاده می‌کنیم، مرحله لایه‌نشانی با ماده رسانا حذف می‌شود. پس از اتمام لایه‌نشانی می‌توانیم برای تصویربرداری از نمونه به آزمایشگاه SEM برویم.

تصویربرداری با میکروسکوپ الکترونی روبشی

در بخش قبل، مراحل آماده‌سازی نمونه برای میکروسکوپ الکترونی روبشی را توضیح دادیم. در این بخش، چگونگی تصویربرداری با این میکروسکوپ را توضیح می‌دهیم. میکروسکوپ الکترونی روبشی می‌تواند در سه حالت مختلف کار کند:

1. خلأ بالا: در این حالت، فشار محفظه کمتر از $$5 \times 10 ^ { -5 }$$ تور است.
2. خلأ پایین: در این حالت فشار محفظه بالاتر و بین ۰//۱ تا ۱/۵ تور است.
3. ESEM: در این حالت،‌ فشار محفظه در محدوده ۱/۵ تا ۲۰ تور قرار دارد.

در این قسمت، تصویربرداری در هر سه حالت را توضیح می‌دهیم. همان‌طور که در مطالب بالا اشاره شد SEM تحت خلأ کار می‌کند. بنابراین، برای باز کردن محفظه این میکروسکوپ ابتدا باید فشار داخلی آن را به فشار محیط برسانیم. در غیر این صورت به دلیل اختلاف فشار نمی‌توانیم درپوش محفظه را باز کنیم. پس از رسیدن فشار محفظه به فشار محیط، در آن را باز می‌کنیم و حامل به همراه نمونه را در جایگاه نشان داده شده در تصویر زیر قرار می‌دهیم.

برای آن‌که بدانیم لایه‌نشانی نمونه با ماده رسانا چه تاثیری روی تصویر به‌دست آمده می‌گذارد، نمونه‌ای لایه‌نشانی نشده را به منظور مقایسه در کنار نمونه لایه‌نشانی شده قرار می‌‌دهیم. پس از قرار دادن نمونه در محفظه، به آرامی در آن را می‌بندیم. بیشتر میکروسکوپ‌های الکترونی در مدت زمان بسیار کوتاهی به فشار موردنظر می‌رسند. برای تصویر برداری ابتدا حالت فشار پایین یا خلأ بالا را انتخاب می‌کنیم. نخستین کار به هنگام تصویربرداری آن است که پرتو الکترون را روی نمونه متمرکز کنیم. همچنین، برای به‌دست آوردن تصویری با وضوح بالا، باید آستیگماتیسم را حذف یا به کمینه حالت آن برسانیم.

پس از انجام تنظیمات لازم، به راحتی می‌توانیم به اطراف نمونه حرکت کنیم و بزرگ‌نمایی سطح آن را تغییر دهیم. خط مقیاس نشان داده شده در زیر تصویر به ما مقدار بزرگی ساختارهای مختلف روی سطح نمونه را نشان می‌دهد. نمونه آماده شده در این بخش، نمک‌طعام است که تصویر تهیه شده از آن را در ادامه مشاهده می‌کنید. این تصویر به خوبی ساختار کریستالی دانه‌های نمک را نشان می‌دهد.

در ادامه، تصویر نمونه لایه‌نشانی نشده را مشاهده می‌کنیم. در تصویر نمونه لایه‌نشانی نشده نقاط روشن و تاریکی را مشاهده می‌کنید. این موضوع به دلیل باردار شدن سطح نمونه است که در ابتدای مطلب به ان اشاره کردیم.

چگونه تصویرهای گرفته شده توسط SEM را تفسیر کنیم ؟

با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی می‌توانیم ساختار سطحی نمونه‌های ساخته شده در آزمایشگاه را مشاهده کنیم و حتی اندازه ساختارها را به‌دست آوریم. اندازه نمونه‌های ساخته شده ممکن است در محدود میکرومتر یا نانومتر قرار داشته باشند.

با استفاده از تصویر به‌دست آمده توسط SEM می‌توانیم ادعا کنیم در آزمایشگاه نانوساختار ساخته‌ایم یا خیر. به تصویر زیر توجه کنید. نخستین سوالی که به هنگام مشاهده تصویر SEM از خود می‌پرسید آن است که در این تصویر چه ساختاری را مشاهده می‌کنید. در تصویر زیر رشته‌های بلندی را با قطرهای مختلف مشاهده می‌کنید.

برای به‌دست آوردن قطر رشته‌ها می‌توانیم از نوار سفیدرنگی که دور آن خط‌چین قرمز کشیده شده است، استفاده کنیم. در کنار این نوار، عدد ۱۰۰ نانومتر نوشته شده است و طول نوار سفیدرنگ را نشان می‌دهد. طول این نوار را می‌توانیم با قطر رشته‌های مختلف مقایسه و قطر هر رشته را حدودی به‌دست آوریم. روی نوار مشکی‌رنگ زیرِ تصویر اطلاعات دیگری مانند ولتاژ و تاریخ تصویربرداری از نمونه را نیز می‌توانید مشاهده کنید. برای دیدن سطح مقطع نمونه می‌توانیم آن را حول محوری مشخص بچرخانیم و تصویر سطح مقطع آن را نیز مشاهده کنیم. همان‌طور که در عکس زیر دیده می‌شود تصویر به‌دست آمده از سطح مقطع نمونه نشان می‌دهد که رشته‌های سنتز شده توخالی هستند. این تصویر در مقیاس بزرگ‌تر، یک میکرومتر، گرفته شده است.

برای آن‌که بتوانیم تفسیر دقیق‌تری از رشته‌های سنتز شده داشته باشیم می‌توانیم تصویر نمونه را در مقیاس بسیار کوچک‌تری، در حدود ۱۰۰ نانومتر، تهیه کنیم. تصویر به‌دست آمده از نمونه در این مقیاس در ادامه نشان داده شده است. همان‌طور که مشاهده می‌کنید، حفره‌های ایجاد شده در نوک رشته به خوبی و به وضوح دیده می‌شوند. با توجه به خط مقیاس نشان داده شده در زیر تصویر می‌توان نتیجه گرفت که قطر حفره‌های تشکیل شده در حدود ۱۰۰ نانومتر است.

نمونه سنتز شده دیگری را در آزمایشگاه در نظر بگیرید. هیچ توصیف تصویری از نمونه شاخته شده و ساختار آن ندارید، اما بر طبق روش‌های سنتز ارائه شده در مقاله‌های علمی انتظار دارید که نمونه‌ای متشکل از ذراتی در مقیاس میکرو و نانو ساخته باشید. به راحتی و با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی می‌توانید ادعای خود را اثبات کنید. تصویر زیر در مقیاس یک میکرومتر از نمونه به‌دست آمده است. چه اطلاعاتی را می‌توان از این تصویر به‌دست آورد؟ برای به‌دست آوردن اطلاعات و تفسیر تصویر ابتدا به نوار سیاه‌رنگ پایین نگاه می‌کنیم:

• تصویر در بزرگ‌نمایی ۲۰ هزار برابر و در مقیاس یک میکرومتر تهیه شده است.
• ولتاژ اعمال شده برای شتاب دادن به الکترون‌ها برابر ۴ کیلوولت است.

ذراتی با اندازه‌های مختلف در تصویر مشاهده می‌شود. در تصویر دو ذره با اندازه بسیار بزرگ و تعداد بسیار زیادی ذره با اندازه‌های بسیار کوچک‌تر مشاهده می‌کنیم. با توجه به خط سفید در نوار مشکی که برابر یک میکرومتر است، قطر ذرات بزرگ‌تر در حدود یک میکرومتر به‌دست می‌آیند.

با بزرگ‌کردن تصویر فوق می‌توانیم متخلخل بودن ذرات کوچک‌تر را مشاهده کنیم. فرض کنید لایه نازکی را روی زیرلایه‌ای مانند شیشه یا سیلیکون نشانده‌اید. برای محاسبه ضخامت لایه نشانده شده می‌توان از روش‌های مختلفی استفاده کرد، اما یکی از بهترین‌ روش‌ها، تهیه تصویر SEM از سطح مقطع لایه نشانی شده است. تصویر به‌دست آمده را در ادامه مشاهده می‌کنید. برای محاسبه ضخامت لایه، تنها کافی است طول نوار سفیدرنگ و طول لایه نشانده شده در تصویر را با استفاده از خط‌کش به‌دست آوریم و طول لایه را بر طول نوار سفیدرنگ محاسبه کنیم. از این‌رو، ضخامت لایه نشانده شده در حدود ۹ میکرومتر به‌دست می‌آید.

تفسیر تصویر SEM با استفاده از نرم افزار ImageJ

برای مشاهده و تفسیر تصاویر به‌دست آمده از SEM می‌توانیم از نرم‌افزارهای مختلفی مانند ImageJ استفاده کنیم. برای دانلود این نرم‌افزار تنها کافی است عبارت «ImageJ» رو در گوگل سرچ کنید. پس از دانلود، نیار به نصب هیچ برنامه‌ای نیست و تنها با رفتن در فولدر «ImageJ» و زدن روی گزینه ImageJ، می‌توانیم این نرم‌افزار را باز کنیم. پس از باز کردن برنامه، نواری به شکل نشان داده شده در تصویر زیر را مشاهده می‌کنید.

برای باز کردن تصاویر SEM تنها کافی است روی File بزنید، Open را انتخاب و تصویر مورد‌نظر را انتخاب کنید. نخستین تصویری که می‌خواهیم با استفاده از این نرم‌افزار مطالعه کنیم در ادامه نشان داده شده است. در نخستین گام توجه به این نکته مهم است که نرم‌افزار هیچ چیزی در مورد مقیاس تصویر نمی‌داند و تنها در مورد پیکسل تصویر اطلاعات دارد. بنابراین، باید بین مقیاس و پیکسل ارتباط برقرار کنیم.

مقیاس تصویر را می‌توانیم در نوار مشکی رنگ در پایین آن مشاهده کنیم. برای بزرگ یا کوچک‌تر کردن تصویر، گزینه ذره‌بین در نوار را انتخاب می‌کنیم. پس از انتخاب این گزینه و رفتن روی تصویر، آیکون موس به شکل نشان داده شده در تصویر زیر درمی‌آید. با زدن دکمخ راست موس (راست کلیک) روی تصویر، اندازه آن بزرگ‌تر و با زدن دکمه چپ موس روی تصویر، اندازه آن کوچک‌تر می‌شود.

با چند بار زدن کلید سمت راست موس روی تصویر، مقدار آن را تا اندازه دلخواه بزرگ‌تر می‌کنیم. سپس، تصویر بزرگ شده را در قسمت مقیاس ۱۰۰ نانومتری قرار می‌دهیم و روی خط‌کش کلیک و آن را انتخاب می‌کنیم. در ادامه، خطی افقی به صورت نشان داده شده در تصویر زیر می‌کشیم.

پس از رسم خط، با انتخاب گزینه Analyze، روی Set Scale کلیک می‌کنیم. جعبه‌ای به شکل نشان داده شده در تصویر زیر باز می‌شود. همان‌طور که در تصویر مشاهده می‌کنیم، خط رسم شده برحسب پیکسل در Set Scale نوشته شده است. اما می‌دانیم خط رسم شده روی مقیاس برابر ۱۰۰ نانومتر است، بنابراین جلوی «Known distance» مقدار ۱۰۰ را می‌نویسیم. همچنین، مقدار «Pixel aspect ratio» را تغییر نمی‌دهیم و آن را برابر ۱/۰ نگه می‌داریم. در ادامه، جلوی عبارت «Unit of length» واحد اندازه‌گیری (در اینجا نانومتر) را می‌نویسیم. در پایان روی ok کلیک می‌کنیم.

در ادامه، با انتخاب دوباره گزینه ذره‌بین، تصویر را به حالت اولیه برمی‌گردانیم. اکنون می‌خواهیم اندازه ذرات را به‌دست آوریم. استفاده از تمام تصویر بسیار سخت است، بنابراین قسمتی از تصویر را به عنوان نمونه برای اندازه‌گیری قطر ذرات انتخاب و برای انجام این کار روی تصویر مستطیل کلیک می‌کنیم. ناحیه انتخاب شده در تصویر زیر نشان داده شده است.

پس از انتخاب ناحیه موردنظر، با انتخاب گزینه image، روی Duplicate کلیک می‌کنیم. به راحتی می‌توانیم نام نوشته شده در Title را به اسم دلخواه خود تغییر دهیم و سپس گزینه ok را انتخاب کنیم.

به این نکته توجه داشته باشید که برای بررسی تعداد زیادی تصاویر SEM به صورت متوالی باید از مقیاس یکسانی استفاده کنیم. برای به دست آوردن اندازه ذرات از دو راه می‌توانیم استفاده کنیم:

• مساحت
• طول

ابتدا باید بدانیم چگونه می‌توان مساحت ذره‌ای مشخص در تصویر را نشان داد. برای انجام این کار، گزینه چندضلعی را انتخاب می‌کنیم. سوال مهمی که ممکن است مطرح شود آن است که چرا برای مشخص کردن سطح و شکل ذرات از گزینه چند ضلعی استفاده می‌کنیم. دلیل این موضوع آن است که ذرات شکل منظمی ندارند. بنابراین، بهترین گزینه برای انتخاب سطح ذرات، استفاده از گزینه چندضلعی است.

پس از انتخاب گزینه چندضلعی، ذره‌ای دلخواه را به صورت نشان داده شده در تصویر زیر انتخاب می‌کنیم. برای انجام این کار، تنها کافی است روی ذره موردنظر کلیک کنیم. ذره انتخاب شده را در تصویر زیر نشان داده شده است. خطوطی متقاطع به دور ذره رسم و توسط مربع‌های کوچک سفیدی به یکدیگر وصل شده‌اند. هر یک از این مربع‌ها بعد از راست کلیک روی تصویر ایجاد می‌شود. به بیان دیگر، هر بار با تغییر مسیر خط باید روی تصویر کلیک کنیم.

پس از انتخاب ذره موردنظر، روی Analyze کلیک و Measure را انتخاب می‌کنیم.

پس از انتخاب Measure، اطلاعاتی در مورد مساحت ذره انتخاب شده به ما داده می‌شود. مساحت ذره انتخاب شده در حدود ۳۳ هزار نانومتر مربع است. در روش دوم از طول استفاده می‌کنیم. برای انجام این کار روی خط کلیک و به صورت نشان داده شده در تصویر زیر خطی در امتداد بزرگ‌ترین قطر ذره موردنظر رسم و بار دیگر گزینه Measure را انتخاب می‌کنیم. با انجام این کار قطر ذره موردنظر را در امتداد خط رسم شده اندازه می‌گیریم.

در ادامه باید اندازه تمام ذرات در ناحیه انتخاب شده را به‌دست آوریم. این کار را می‌توانیم با خط کشیدن به راحتی انجام دهیم. ۲۵ ذره را در ناحیه موردنظر انتخاب و اندازه هر یک را به‌دست آوردیم. توزیع اندازه ذرات در نمونه را به راحتی با استفاده از این نرم‌افزار می‌توانیم رسم کنیم. گزینه Distribution در Results را انتخاب می‌کنیم.

پس از انتخاب Distribution، باید مشخص کنیم که توزیع ذرات نمونه بر چه اساسی نشان داده شود. در گزینه Parameter، توزیع برحسب طول را انتخاب می‌کنیم. نموداری به شکل زیر رسم می‌شود.

توجه به این نکته مهم است که با انتخاب گزینه Summarize در Results می‌توانید اطلاعات آماری در مورد ذرات با اندازه‌های مختلف در نمونه به‌دست آورید.

با انتخاب این گزینه، چهار سطر به صورت نشان داده شده در تصویر زیر به Results اضافه می‌شوند. Mean به معنای میانگین اندازه ذرات انتخاب شده است. همچنین، اندازه کوچک‌ترین و بزرگ‌ترین ذرات نیز در دو ردیف آخر نوشته شده‌اند. میانگین اندازه ۲۵ ذره انتخاب شده برابر ۲۸۰/۸۸۹ نانومتر، اندازه بزرگ‌ترین ذره برابر ۴۷۴/۰۵۸ نانومتر و اندازه کوچک‌ترین ذره برابر ۱۲۲/۵۷۰ نانومتر است.

اطلاعات داده شده را می‌توانیم در پوشه انتخابی ذخیره کنیم. همان‌طور که در تصویر SEM در ابتدای این بخش مشاهده می‌کنید، نوار مقیاس به صورت خطی سبزرنگ کشیده شده است. در بیشتر مجلات علمی، نوار مقیاس به صورت خطی سفیدرنگ قابل پذیرش است.

تفاوت میکروسکوپ الکتررونی روبشی و میکروسکوپ الکترونی عبوری چیست ؟

تفاوت اصلی بین میکروسکوپ‌های الکترونی عبوری و روبشی در آن است که میکروسکوپ الکترونی روبشی از الکترون‌های بازگشتی یا پراکنده از سطح نمونه تصویر ایجاد می‌کند، در حالی‌که میکروسکوپ الکترونی عبوری از الکترون‌های عبوری از نمونه برای ایجاد تصویر استفاده می‌کند. از این‌رو، TEM اطلاعات لازم در مورد ساختار داخلی نمونه، مانند ساختار کریستالی را به ما می‌دهد، اما با استفاده از تصویر ایجاد شده توسط SEM می‌توانیم اطلاعاتی در مورد ساختار سطحی نمونه و عناصر تشکیل‌دهنده آن به‌دست آوریم.

قبل از بیان تفاوت این دو میکروسکوپ، ابتدا شباهت آن‌ها با یکدیگر را مرور می‌کنیم. هر دو میکروسکوپ برای تصویربرداری از الکترون استفاده می‌کنند. بخش‌های اصلی آن‌ها عبارت هستند از:

• تفنگ الکترونی
• تعدادی عدسی الکترومغناطیسی و الکترواستاتیکی که به صورت متوالی قرار گرفته‌اند و شکل و قطر پرتو الکترونی را کنترل می‌کنند.

این اجزا داخل محفظه خلأ قرار دارند. در ابتدای این بخش، تفاوت اصلی SEM و TEM را بیان کردیم. SEM از سیم‌پیچ‌های مخصوصی برای روبش سطح نمونه توسط الکترون و جمع‌آوری الکترون‌های پراکنده شده استفاده می‌کند. در مقابل، در TEM الکترون‌ها پس از عبور از سطح نمونه جمع‌آوری می‌شوند. همچنین، تفاوت مهم دیگر این دو میکروسکوپ در قدرت تفکیک آن‌ها است. این مقدار در SEM برابر ۰/۵ نانومتر و در TEM برابر ۵۰ پیکومتر است. شاید از خود پرسیده باشید کدام میکروسکوپ برای تصویربرداری از نمونه بهتر است. پاسخ به این پرسش به نوع اطلاعاتی که از نمونه خود می‌خواهید بستگی دارد. به عنوان مثال، اگر اطلاعاتی در مورد سطح نمونه مانند زبری آن می‌خواهید، SEM بهترین انتخاب است.

اما اگر اطلاعاتی در مورد ساختار کریستالی یا نقص‌های موجود در ساختار نمونه می‌خواهید، TEM گزینه مناسبی به نظر می‌رسد. همچنین،‌ SEM تصویری سه‌بعدی از نمونه و TEM تصویری دوبعدی از آن می‌دهد. نمونه‌های TEM باید بسیار نازک و در حدود ۱۵۰ نانومتر باشند، اما برای SEM ضخامت نمونه اهمیت چندانی ندارد. به دلیل تفاوت در ضخامت نمونه‌ها در هر میکروسکوپ، آماده‌سازی نمونه در TEM بسیار وقت‌گیر و چالش‌برانگیز است. تفاوت مهم دیگر SEM و TEM در نوع عملکرد آن‌ها است. به طور معمول، در میکروسکوپ الکترونی روبشی تا ولتاژ ۳۰ کیلوولت استفاده می‌شود، اما این ولتاژ در میکروسکوپ الکترونی عبوری می‌تواند در ناحیه ۶۰ تا ۳۰۰ کیلوولت تنظیم شود.

همچنین، TEM می‌تواند نمونه را تا ۵۰ میلیون مرتبه بزرگ کند، اما نمونه در SEM می‌تواند تا یک تا دو میلیون برابر بزرگ‌تر شود. نحوه ایجاد تصویر در دو میکروسکوپ نیز با یکدیگر تفاوت دارد. در SEM، نمونه پایین ستون الکترونی قرار می‌گیرد و الکترون‌های پراکنده شده توسط آشکارسازهای الکترون، آشکار می‌شوند. سپس، از تشدیدکننده‌های نور برای تبدیل این سیگنال به سیگنال ولتاژ استفاده و سیگنال ولتاژ برای ایجاد تصویر تقویت می‌شود. در مقابل، نمونه در TEM در وسط ستون الکترونی قرار گرفته است. تصویر به صورت مستقیم روی صفحه فلورسانس نشان داده می‌شود. میکروسکوپ‌های الکترونی عبوری و روبشی در جدول زیر با یکدیگر مقایسه شده‌اند.

کاربردهای میکروسکوپ الکترونی روبشی چیست ؟

همان‌طور که در مطالب بالا اشاره شد SEM میکروسکوپ پیشرفته‌ای است که با استفاده از پرتو الکترونی تصاویری با وضوح بالا از سطح نمونه‌های مختلف تهیه می‌کند. از این میکروسکوپ می‌توان در رشته‌های مختلفی مانند علم مواد، زیست و مهندسی برای مطالعه ساختار، ترکیب و مشخصه‌های نمونه‌های وسیعی استفاده کرد.

برخی از رایج‌ترین کاربردهای این میکروسکوپ عبارت هستند از:

• میکروسکوپی: از SEM می‌توان برای مطالعه ساختارهای سطحی نمونه‌های کوچک استفاده کرد. از این‌رو، می‌توانیم مواد را در مقیاس میکرو و نانو را بررسی کنیم.
• آنالیز سطحی: با استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی می‌توانیم ساختار سطحی نمونه‌های مختلف را با وضوح بالایی مشاهده کنیم و از آن‌ تصویری سه‌بعدی تهیه کنیم.

• عناصر تشکیل‌دهنده نمونه: با استفاده از الکترون‌های پراکنده از سطح نمونه می‌توانیم عنصرهای تشکیل‌دهنده نمونه را تعیین کنیم. به عنوان مثال، اگر نمونه موردنظر اکسیدروی باشد، انتظار می‌رود پس از تحلیل الکترون‌های برگشتی از سطح نمونه، عناصر روی و اکسیژن در نمونه آشکار شوند.
• تعیین ضخامت لایه نشانده شده روی زیرلایه: با استفاده از SEM و به صورت شهودی می‌توانیم ضخامت لایه نشانده شده روی زیرلایه‌ای دلخواه را اندازه بگیریم. برای این کار باید سطح مقطع نمونه را مشاهده کنیم.

همان‌طور که در مطالب بالا اشاره شد، الکترون‌ها پس از روبش سطح نمونه، به صورت الکترون‌های ثانویه یا برگشتی، از سطح نمونه برمی‌گردند. الکترون‌های برگشتی حاصل برهم‌کنش کشسان بین پرتو الکترونی و نمونه هستند. اما الکترون‌های ثانویه از اتم‌های تشکیل‌دهنده نمونه می‌آیند. پرتو الکترونی پس از برخورد به سطح نمونه و برخورد ناکشسان با آن، سبب تحریک الکترون در اتم‌های نمونه می‌شود و این الکترون‌ها پس از کسب انرژی لازم، از اتم خارج می‌شوند. از این‌رو، الکترون‌های برگشتی از نواحی عمیق‌تر نمونه و الکترون‌های ثانویه از نواحی سطحی نمونه می‌آیند. از این‌رو، با توجه به نوع الکترون آشکار شده توسط آشکارساز، تصاویر مختلفی را می‌توان از نمونه تهیه کرد و اطلاعات متفاوتی از آن به‌دست آورد.

نحوه کار با میکروسکوپ الکترونی عبوری چگونه است ؟

در این بخش نحوه عملکرد میکروسکوپ الکترونی را به صورت خلاصه با یکدیگر مرور می‌کنیم.

• مرحله اول: ابتدا تا رسیدن فشار محفظه به مقدار موردنظر صبر می‌کنیم. تفنگ الکترونی که در بالای ستون SEM قرار گرفته است تا دمای مشخصی گرم می‌شود. الکترون‌ها از تفنگ الکترونی آزاد می‌شوند.
• مرحله دوم: پرتو الکترونی به پایین ستون و به سمت عدسی‌های الکترومغناطیسی شتاب داده می‌شوند. سرعت الکترون‌ها با عبور از این عدسی‌های افزایش یا کاهش داده می‌شود. به همین دلیل می‌توان پرتو الکترونی را روی نمونه متمرکز کرد.
• مرحله سوم: کامپیوتری به سیستم SEM وصل شده است. از این کامپیوتر می‌توان برای تعیین بزرگ‌نمایی نمونه استفاده کرد.
• مرحله چهارم: الکترون‌ها پس از برهم‌کنش با نمونه به صورت‌ پرتو ایکس، الکترون‌های برگشتی یا ثانویه توسط آشکارسازهای مختلف، تشخیص داده می‌شوند. هر یک از موارد گفته شده اطلاعاتی را در مورد نمونه سنتز شده به ما می‌دهد.

انواع میکروسکوپ الکترونی روبشی چیست؟

الکترون‌ها می‌توانند با استفاده از تفنگ‌های الکترونی مختلفی مانند تفنگ الکترونی حرارتی و گسیل میدانی تولید شوند. با توجه به نوع تفنگ الکترونی استفاده شده در SEM، میکروسکوپ الکترونی روبشی انواع مختلفی مانند میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی و میکروسکوپ الکترونی روبشی انتشار میدانی دارد.

جمع‌بندی

در این مطلب از مجله فرادرس در مورد میکروسکوپ الکترونی روبشی صحبت کردیم. در این میکروسکوپ، برخلاف میکروسکوپ نوری، از پرتو الکترون برای تصویربرداری استفاده می‌شود. میکروسکوپ‌های الکترونی می‌توانند از ساختارهایی به کوچکی یک نانومتر تا ساختار‌هایی به بزرگی یک میلی‌متر تصویر تهیه کنند.