میکروسکوپ الکترونی عبوری

میکروسکوپ الکترونی عبوری یا TEM نوعی میکروسکوپ الکترونی است که در آن پرتویی از الکترون ها از یک نمونه فوق العاده نازک عبور می کنند و در اثر تعامل الکترون های عبوری با نمونه تصویر تشکیل می شود. سپس تصویر بر روی یک ابزار تصویر ساز مانند یک صفحه نمایش فلورسنت، یا یک لایه از فیلم عکاسی متمرکز و بزرگنمایی شده، یا توسط یک سنسور مانند یک دستگاه بارجفت شده (به انگلیسی: Charge-coupled device, CCD) که نوعی حسگر تصویربرداری می باشد آشکار می گردد.TEMS قادر به تصویربرداری با وضوح قابل توجهی بالاتر از میکروسکوپ نوری هستند و علت آن کوچکتر بودن طول موج الکترون ها نسبت به طول موج نوراست؛ لذا قابلیت عکس برداری از ریزساختار مواد با بزرگنمایی ۱٬۰۰۰ تا ۱٬۰۰۰٬۰۰۰ برابر با قدرت تفکیکی در حد کوچک تر از ۱ نانومتر را دارد. میکروسکوپ الکترونی عبوری همچنین توانایی آنالیز عنصری، تعیین ساختار و جهت کریستالی اجزایی به کوچکی ۳۰ نانومتر را به صورت کیفی و کمی دارد.میکروسکوپ نوری TEM در طیف وسیعی از رشته های علمی مثل فیزیک، شیمی و علوم زیستی و علم مواد/متالورژی و … مورد استفاده قرار می گیرد.
تعیین جهت رشد مواد بلورین و صفحات کریستالی
تعیین بردار برگرز نابجایی و انرژی نقص انباشتگی
تعیین عیوب بلوری و مرزدانه ها
بررسی هم سیمایی
استحاله های فازی
بازیابی و تبلور مجدد
خستگی
اکسیداسیون
رسوب
بررسی های ساختاری
بررسی سطوح شکست
تشخیص مناطق دارای تنش پسماند
شناسایی ترکیب شیمایی فازهای غیرآلی
مطالعه سرامیک ها و کانی ها
لوئیس دو بروی در سال ۱۹۲۵ برای اولین بار تئوری خصوصیات موجی الکترون ها که طول موجی کمتر از نور مرئی دارند را ارائه کرد. در سال ۱۹۲۷ دیویسون و گرمر و همچنین تامپسون و رید به طور مستقل آزمایش های کلاسیک تفرق الکترونی را انجام دادند که نشان دهندهٔ طبیعت موجی الکترون ها بود. در سال ۱۹۳۲ روسکا و نول اولین بار ایدهٔ میکروسکوپ الکترونی را مطرح کردند. در سال ۱۹۳۶ اولین میکروسکوپ الکترونی عبوری توسط شرکت Metropolitian-Vickers در انگلستان ساخته شد.شکل اصلی میکروسکوپ الکترونی، میکروسکوپ انتقال الکترونی از یک پرتو الکترونی ولتاژ بالا برای ساخت یک تصویر استفاده می کند. الکترون ها به وسیلهٔ یک تفنگ الکترونی انتشار می یابند، که معمولاً با یک کاتد ساخته شده از تنگستن رشته ای به عنوان یک منبع الکترون پر شده است. پرتو الکترونی به وسیلهٔ یک آند معمولی با ولتاژ kV100+ (40تا 400kV) شتاب می گیرد با توجه به نوع کاتد، به وسیلهٔ عدسی های الکترواستاتیکی و الکترومغناطیسی تمرکز یافته، و از طریق نمونه که در بخش شفاف به الکترون است انتقال می یابد، و در نقطه خارج از پرتو آن ها پراکنده می شود. هنگامی که از نمونه ظاهر می شود، پرتو الکترونی اطلاعاتی در مورد ساختار نمونه که به وسیلهٔ عدسی های هدف سیستم میکروسکوپ بزرگنمایی شده را حمل می نماید. تنوع فضایی در این اطلاعات (تصاویر) ممکن است به وسیلهٔ طرح تصویر الکترونی بزرگ شده بر روی یک صفحه نمایش فلور سنت پوشش داده شده با فسفر یا مادهٔ جرقه زنی مثل سولفید روی مشاهده شود. متناوباً، تصویر می تواند به وسیلهٔ نمایش یک فیلم عکسی یا صفحه ای مستقیماً رو به پرتو الکترونی، یا یک فسفر وضوح بالا همراه شده و بوسیلهٔ سیستم عدسی نوری یا یک فیبر نوری چراغ راهنمایی برای حسگر یک دوربین CCD (دستگاه باردار) ثبت عکسی شود. تصویر بوسیلهٔ CCD که می تواند آن را در مانیتور یا کامپیوتر نمایش دهد شناسایی می شود. وضوح TEM در درجهٔ اول بوسیلهٔ انحراف کروی محدود می شود، اما نسل جدید تنظیم کننده های انحراف قادر به غلبه بر بخشی از انحراف کروی برای افزایش وضوح هستند. سخت افزار اصلاح انحراف کروی برای میکروسکوپ انتقال الکترونی با وضوح بالا (HRTEM) اجازه داده است تصاویری با وضوح بالای ۵/۰آنگستروم (۵۰ پیکومتر) و بزرگنمایی بالای ۵۰ میلیون بار تولید شود. توانایی تعیین موقعیت اتم ها در داخل مواد HRTEM را یک ابزار مهم برای توسعه و تحقیق نانو تکنولوژی ساخته است.یک حالت استفاده مهم TEM پراش الکترون است. مزایای پراش الکترونی روی اشعه X در بلورشناسی این است که نمونه نیازمند یک تک بلور یا حتی پودر چند بلوری نبوده، و هم چنین این که تبدیل فوریه بازسازی ساختار شیئ بزرگ شده به طور فیزیکی رخ می دهد و در نتیجه بعد از بدست آوردن تصویر بلوری الگوهای پراش اشعه X آن ها به صورت یک تک بلور یا پودر چند بلوری، از نیاز به حل مشکل فاز مواجه شده به وسیلهٔ اشعهX اجتناب می شود.عمده معایب میکروسکوپ انتقال الکترونی این است که نیازمند بخش های بسیار باریک از نمونه، معمولاً حدود nm 100 می باشد. نمونه های زیستی معمولاً نیازمند ثبوت شیمیایی هستند، آب از دست داده و جاسازی شده در یک رزین پلیمری برای ایجاد ثبات در آن ها، به آن ها اجازه تشکیل برشی به اندازه کافی نازک می دهد. بخشی از نمونه های زیستی، پلیمرهای آلی و مواد مشابه ممکن است نیاز ویژه به رنگ آمیزی با برچسب اتم سنگین به منظور دستیابی به کنتراست تصویر مورد نیاز داشته باشند.
در شکل مقابل اجزای اصلی یک میکروسکوپ الکترونی عبوری نشان داده شده است. این طرح، بنا به مورد کاربرد، به منظور به کارگیری انواع اثرات متقابل الکترون و نمونه به تجهیزات کمکی ویژه مجهز می شود. همان طور که مشاهده می شود از اجزای اصلی یک دستگاه TEM، می توان تفنگ الکترونی، عدسی جمع کننده، نگهدارنده نمونه، عدسی شیئی و تصویری، سیستم های از بین برنده آلودگی، پرده فلورسنت و دوربین عکاسی را برشمرد. کل سیستم در خلأ حداقل ۰/۰۰۰۱ تور قرار دارد تا مسیر آزاد طولانی برای الکترون موجود باشد.
در بخش فوقانی دستگاه یعنی حدود یک متر بالاتر از سر کاربری که پشت میکروسکوپ نشسته است، تفنگ الکترونی قرار گرفته است. رایج ترین تفنگ های الکترونی مورد استفاده در TEM از نوع حرارتی است که می توانند الکترون ها را در محدوده اختلاف پتانسیل ۴۰ الی۲۰۰ کیلو ولت شتاب دهند. اینکه انرژی الکترون ها باید چقدر باشد، به طبیعت نمونه و اطلاعات مورد نیاز بستگی دارد.

میکروسْکوپ الکترونی عبوری (transmission electron microscope)
میکروسْکوپ الکترونی عبوری
قوی ترین میکروسکوپ الکترونی، با قدرت تفکیک دَه برابر میکروسکوپ الکترونی روبشی و هزار برابر میکروسکوپ نوری. در این میکروسکوپ، باریکۀ الکترونیظریفی از نمونه عبور می کند و بنابراین، لازم است نمونه برشی بسیار نازک باشد. ضخامت نمونه معمولاً در حدود ۱۰۰۰/۱ضخامت ورق کاغذ و برابر ۱۰۰ نانومتر است. میکروسکوپ الکترونی عبوری اجسامی به فاصلۀ۰.۰۰۱ میکرومتررا از هم تفکیک می کند، یعنی به فاصله ای ۱۰۰هزار برابر کمتر از آن چه چشم غیرمسلح تشخیص می دهد. میکروسکوپ الکترونی عبوری از یک ستون مرتفع خالی از هوا تشکیل می شود که در بالای آن رشته ای گداخته وجود دارد که الکترون گسیل می کند. الکترون ها با سرعت یکنواخت و زیاد و تحت ولتاژ بالایی در حدود ۱۰۰هزار ولت از ستون پایین می آیند و تقریباً در نیمۀ راه از نمونه عبور می کنند. از آن جا که چگالی نمونه متغیر است، سایۀ باریکۀ الکترونی روی صفحۀ فلوئورسانِ نزدیک کف ستون می افتد و تصویری تشکیل می دهد. دوربینی زیر این صفحه قرار دارد که تصویر را ثبت می کند. سیم پیچ های الکتریکی، با نام عدسی الکترونیکی، میدان هایی مغناطیسی تولید می کنند که باریکۀ الکترونی را کنترل می کنند. یکی از عدسی های الکترونی، با نام چگالنده، اندازه و روشنایی باریکه را پیش از برخورد به نمونه کنترل می کند. عدسی الکترونی دیگر، با نام عدسی شیئی، باریکه را روی نمونه متمرکز می سازد و تصویر را تقریباً ۵۰ برابر بزرگ می کند. عدسی های الکترونی دیگری که در زیر نمونه قرار دارند، تصویر را باز هم بزرگ تر می کنند. در میکروسکوپ الکترونی عبوری ولتاژبالا (اِچ وی ایی اِم)، از ولتاژهایی حدود ۳میلیون ولت برای شتاب دادن به باریکۀ الکترونی استفاده می کنند. ارتفاع بزرگ ترین میکروسکوپ از این نوع به اندازۀ ارتفاع ساختمانی سه طبقه است. نخستین میکروسکوپ الکترونی عبوری آزمایشی را در ۱۹۳۱، دانشمندان آلمانی، ماکس کنول و ارنست روسکا، در دانشکدۀ فنی برلین ساختند. آن ها تصویری از توریی پلاتینی با بزرگ نمایی ۱۱۷ تهیه کردند. در ۱۹۳۶، نخستین میکروسکوپ الکترونی تجاری در انگلستان ساخته شد.