از میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) چه می دانید؟

به گزارش خبرنگار حوزه کلینیک  گروه علمی پزشكی باشگاه خبرنگاران جوان، میکروسکوپ الکترونی روبشی یکی از انواع بسیار معروف میکروسکوپ‌های الکترونی محسوب می شود که که کاربرد‌های فراوانی در فناوری نانو دارد. به همین منظور قصد داریم تا شما را بیشتر با این مدل از میکروسکوپ ها آشنا کنیم.

میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)

امروزه روش‌های مختلفی جهت شناسایی و آنالیز مواد وجود دارد که یکی از معروف‌ترین آن‌ها، روش‌های میکروسکوپی است و جالب است بدانید که در این روش‌ها می‌توان تصاویر بزرگنمایی شده از نمونه به دست آورد. میکروسکوپ الکترونی روبشی SEM که از گروه میکروسکوپ‌های الکترونی محسوب می شود، که علاوه بر تهیه تصاویر بزرگنمایی شده، در صورتی که به تجهیزات اضافی مجهز شود، می‌تواند برای آنالیز شیمیایی و دیگر بررسی‌ها نیز به کار گرفته شود.

این مطلب را از دست ندهید: دستیابی پژوهشگران دانشگاه کاشان به دانش ساخت میکرورآکتور

مبنای عملکرد این میکروسکوپ، برهم‌کنش پرتوی الکترونی با ماده است. پرتو‌های ساطع شده از این برهم‌کنش می‌تواند جهت بررسی‌ها مورد استفاده قرار گیرد. میکروسکوپ الکترونی روبشی که به آن Scanning Elecron Microscope یا به اختصار SEM می‌گویند، یکی از انواع بسیار معروف میکروسکوپ‌های الکترونی است که خصوصاً کاربرد‌های بسیاری در فناوری نانو پیدا کرده است.

نخستین تلاش‌ها در زمینه توسعه میکروسکوپ‎های روبشی به سال ۱۹۳۵ باز می‎گردد که ماکس نول (Max Knoll) در آلمان پژوهش‌هایی در زمینه پدیده‌های الکترونیک نوری انجام داد و تصویری را بر اساس کانتراست کانالی الکترونی (electron chanelling contrast) از فولاد سیلیسیومی به دست آورد.

این مطلب را از دست ندهید: زخم بدن زیر میکروسکوپ الکترونیکی+ عکس

مانفرد وان آردن (Manfred von Ardenne) تحقیقات بیشتری را بر روی اصول فیزیکی SEM و برهم‌کنش آن با نمونه انجام داد و توانست در سال ۱۹۳۸ با اضافه کردن سیم پیچ‌های روبشی به یک TEM، میکروسکوپ الکترونی عبوری ـ. روبشی بسازد. با این حال دستگاه او از نظر عملی مورد استقبال قرار نگرفت.

استفاده از SEM برای مطالعه نمونه‌های ضخیم غیرشفاف اولین بار توسط ژورکین (Zworykin) و همکاران در سال ۱۹۴۲ در ایالات متحده آمریکا انجام شد. توسعه بیشتر SEM توسط پروفسور چارلز اُتلی (Charles Oatley) و همکارش گَری استوارت (Gary Stewart) در دانشگاه کمبریج بریتانیا به انجام رسید و در سال ۱۹۶۵ برای اولین بار به صورت تجاری روانه بازار شد. ساخت SEM سبب شد تا محققان بتوانند نمونه‌ها را به سادگی و با وضوح بیشتری مطالعه کنند.

این مطلب را از دست ندهید: برنامه‌ریزی ستاد نانو برای تجاری‌سازی و صادرات محصولات داخلی

بمباران نمونه با پرتوی الکترونی سبب می‌شود تا از نمونه الکترون‌ها و فوتون‌هایی خارج و به سمت آشکارساز‌ها رها شوند که در آن قسمت تبدیل به سیگنال می‌شوند. حرکت پرتو بر روی نمونه مجموعه‌ای از سیگنال‌ها را فراهم می‌کند که بر این اساس میکروسکوپ می‌تواند تصویر متقابل از سطح نمونه را به صورت لحظه به لحظه بر صفحه نمایش دهد؛ بنابراین مکانیزم عملکرد SEM با میکروسکوپ‌های نوری کاملاً متفاوت است.

در ابتدا مزیت اصلی دستگاه SEM، تهیه تصاویر میکروسکوپی به طور مستقیم از نمونه‌های جامد با وضوح و قدرت تفکیک و تمرکز بهتر در مقایسه با میکروسکوپ‌های نوری بود.

ساختمان میکروسکوپ الکترونی روبشی SEM

میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) به یک سیستم اپتیکال الکترونی جهت ایجاد یک پروب الکترونی، یک پایه نمونه جهت قرار دادن نمونه، یک آشکارساز الکترون ثانویه جهت جمع آوری الکترون‌های ثانویه، یک دستگاه نمایش تصویر و یک سیستم عملکرد جهت انجام عملیات‌های مختلف، نیاز دارد.

این مطلب را از دست ندهید: سنجش نوسانات گرمایی لایه‌های "گرافن"

سیستم اپتیکال الکترونی از یک تفنگ الکترونی، یک عدسی متمرکز کننده و یک عدسی شیئی برای ایجاد یک پروب الکترونی، یک سیم پیچ روبشی جهت روبش پروب الکترونی و اجزای دیگر تشکیل شده است. سیستم اپتیکال الکترونی (درون ستون میکروسکوپ) و فضای احاطه کننده نمونه در خلاء نگه داشته می‌شوند.

تفنگ الکترونی

تفنگ الکترونی یکی از اجزای میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) است که پرتو الکترونی را ایجاد می‌کند؛ و همه امتیازات یک میکروسکوپ الکترونی به شدت وابسته به موارد زیر است:

• مقدار الکترون موجود در پرتویی که نهایتاً به نمونه می‌رسد. (میزان روشنایی پرتو)
•  قطر پرتوی الکترونی (معین قدرت تفکیک پرتو)
•  نحوه توزیع یا پراکندگی الکترون‌ها داخل باریکه پرتو (میزان تمرکز پرتو)

ساختمان لنز مغناطیسی

به طور کلی یک میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) از یک لنز مغناطیسی استفاده می‌کند. زمانی که شما یک جریان الکتریکی مستقیم را از یک سیم الکتریکی پیچیده شده عبور می‌دهید، یک میدان مغناطیسی متقارن دورانی شکل گرفته و عمل یک لنز روی یک پرتو الکترونی ایجاد می‌کنید. برای ساختن یک لنز مغناطیسی قوی (با یک فاصله کانونی کوتاه)، ضروریست که دانسیته خط مغناطیسی را افزایش دهید.

این مطلب را از دست ندهید: نانو سیم‌ها چگونه شکل می‌گیرند؟

این بخش با یک شکاف نازک که قطبک نامیده می‌شود با دقت بالا ساخته می‌شود. ویژگی اصلی لنز مغناطیسی آن است که هنگامی که شما جریان عبوری از سیم پیچ را تغییر دهید، نیروی لنز نیز با آن تغییر می‌کند. این امر با یک لنز نوری به دست نمی‌آید.

لنز متمرکز کننده (Condenser Lens) و لنز شیئی (Objective Lens)

قرار دادن یک لنز زیر تفنگ الکترونی شما را قادر به تنظیم قطر پرتو الکترونی می‌کند. یک پرتو الکترونی باریک (پروب) برای میکروسکوپ الکترونی روبشی مورد نیاز است. لنز‌های دو مرحله ای، که ترکیب لنز‌های متمرکز کننده و شیئی است، زیر تفنگ الکترونی قرار دارند. پرتو الکترونی از تفنگ الکترونی توسط لنز‌های دو مرحله‌ای متمرکز می‌شود و یک پروب الکترونی کوچک ایجاد می‌شود.

آشکارساز‌های الکترون

میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) از آشکارساز الکترون ثانویه برای شناسایی الکترون‌های ثانویه ساطع شده از نمونه استفاده می‌کند. یک ماده فلورسنت روی نوک آشکارساز پوشش داده می‌شود و یک ولتاژ بالا در حدود ۱۰ kV به آن اعمال می‌شود. الکترون‌های ثانویه از نمونه به این ولتاژ بالا جذب شده و هنگامی که به جرقه زن برخورد می‌کنند ایجاد نور می‌کنند.

این نور به یک تیوب تقویت کننده نور هدایت می‌شود. سپس نور به الکترون‌ها تبدیل می‌شود و این الکترون‌ها به عنوان یک سیگنال الکتریکی تقویت می‌شوند. یک الکترود مکمل که جمع کننده نامیده می‌شود قبل از جرقه زن قرار می‌گیرد. به طور کلی به منظور کمک به الکترون‌های ثانویه به دست آمده از جرقه زن، چند صد ولت به این جمع آورنده اعمال می‌شود. با تغییر این ولتاژ، شما می‌توانید تعداد الکترون‌های ثانویه که باید جمع آوری شود را کنترل کنید. این نوع آشکارساز‌ها در اصل توسط Everhart و Thornley توسعه یافته اند، بنابراین این آشکارساز E-T نامیده می‌شود.

تعداد زیادی از میکروسکوپ‌های الکترونی روبشی این آشکارساز را در محفظه نمونه قرار داده اند، با این وجود، زمانی که یک میکروسکوپ الکترونی روبشی با یک عدسی شیئی تهیجی قوی برای وضوح بالاتر تجهیز می‌شود، یک آشکارساز الکترونی ثانویه بالای عدسی شیئی قرار می‌گیرد و الکترون‌های ثانویه با استفاده از میدان‌های مغناطیسی عدسی شناسایی می‌شوند. این آشکارساز اغلب آشکارساز TTL (Through The Lens) نامیده می‌شوند.

این مطلب را از دست ندهید: تولید نانوالیاف از پوست پرتقال!

رایج‌ترین آشکارساز‌های الکترون‌های برگشتی آشکارساز‌های نیمه هادی یا حالت جامد هستند که معمولا شامل پیوند‌های p-n هستند. اساس کار بر مبنای تولید جفت‌های الکترون ، حفره توسط الکترون‌های برگشتی است که از نمونه خارج شده و توسط آشکارساز جذب می‌شوند. مقدار این جفت‌ها به انرژی الکترون‌های برگشتی بستگی دارد.

پیوند p-n به دو الکترود متصل است که یکی از آن‌ها الکترون‌ها و دیگری حفره‌ها را جذب می‌کند و در نتیجه یک جریان الکتریکی تولید می‌کند که به مقدار الکترون‌های برگشتی جذب شده بستگی دارد. برای به حداکثر رساندن جمع آوری الکترون‌های برگشتی، آشکارساز‌های الکترون‌های برگشتی در بالای نمونه و به شکل حلقه به طور متقارن نسبت به پرتو الکترونی قرار می‌گیرند و شامل بخش‌های مجزای متقارن هستند.

هنگامی که تمام قسمت‌ها فعال هستند، کنتراست تصویر، عدد اتمی Z  عنصر را نشان می‌دهد. از سوی دیگر، با فعال کردن بخشی خاص از آشکارساز، اطلاعات توپوگرافی از تصویر را می‌توان بازیابی کرد.

سیستم خلاء

درون سیستم اپتیکال الکترونی و محفظه نمونه باید در یک خلاء بالا در حدود ۱۰-۳ تا ۱۰-۴ نگه داشته شود؛ بنابراین محفظه این اجزا توسط یک پمپ دیفیوژن، خلاء می‌شود.

این مطلب را از دست ندهید: امیدی جدید برای مبتلایان به سرطان پوست با علم نانو

اگر یک کاربر یک محیط بدون مواد روغنی بخواهد یک پمپ توربومولکولار ممکن است استفاده شود. هنگامی که یک میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) از یک تفنگ نشر میدانی استفاده می‌کند، یک پمپ یونی پاششی استفاده می‌شود، زیرا تفنگ نشر میدانی نیاز به یک خلاء فوق العاده بالا دارد.

برای تعویض نمونه، از دو روش استفاده می‌شود، در یک مورد، کل محفظه نمونه را در زمان تعویض نمونه خارج می‌کنند و در مورد دیگر از یک محفظه پیش خلاء نمونه (محفظه هوابند) استفاده می‌کنند، در حالی که یک خلاء بالا در محفظه نمونه وجود دارد.

انتهای پیام/