میکروسکوپ TEMجلسه ۳

میکروسکوپ TEMجلسه ۳Reviewed by جلالی on Sep 10Rating:

tem

میکروسکوپ TEM
جلسه ۳
مقدمه

درباره همه چیز : زمانیکه الکترون ها به نمونه برخورد می کنند، با اجزای تشکیل دهنده نمونه از طریق نیروهای الکترواستاتیک کولمبی برهمکنش می کنند. در نتیجه این نیروها، برخی از الکترون ها پراکنده شده، جهت حرکت آنها تغییر نموده یا در بسیاری موارد مقداری از انرژی خود را به نمونه انتقال می دهند. براین اساس می توان پراکندگی الکترون ها را در برخورد به نمونه به دو دسته الاستیک و غیرالاستیک طبقه بندی نمود.
پراکندگی الاستیک شامل برهمکنش کولمبی الکترون با هسته اتم است. هر هسته تمرکز بالایی از بار را نشان می دهد و میدان الکتریکی در نزدیکی آن از شدت بالایی برخوردار است، در نتیجه زمانیکه الکترون برخوردی به آن نزدیک می شود با زاویه زیاد منحرف می شود. این نوع پراکندگی به پراکندگی رادرفورد معروف است زیرا توزیع زاویه ای این پراکندگی مشابه با محاسبات انجام گرفته توسط رادرفورد برای پراکندگی ذرات آلفا است.
اکثر الکترون ها در فاصله بیشتری از هسته یک اتم حرکت می کنند جایی که میدان هسته ضعیف تر است و در حقیقت هسته توسط الکترون های اتم مورد محافظت قرار می گیرد. در نتیجه بیشتر الکترون های برخوردی در زوایای کوچکتری پراکنده می شوند، عمدتاً در مورد انرژی برخوردی ۱۰۰KeV در حد چند درجه (۱۰۰-۱۰میلی رادیان) است. در گاز یا جامد آمورف، اتم ها یا مولکول ها به طور مستقل از یکدیگر در پراکندگی نقش دارند، اما در جامد بلوری ماهیت موجی الکترون های برخوردی نمی تواند نادیده گرفته شود و تداخل بین امواج الکترونی پراکنده شده، پیوستگی توزیع شدت پراکندگی را تغییر می دهد و در زوایایی که مشخصه فاصله اتمی است پیک های تیزی ایجاد می شود[۳].
۱- پراکندگی غیرالاستیک

پراکندگی غیرالاستیک ناشی از برخورد بین الکترون برخوردی با الکترون های اتمی اطراف هر اتم است. پراکندگی غیرالاستیک یک عبارت کلی است که به هر فرآیندی که باعث می شود الکترون اولیه مقدار محسوسی از انرژی خود ΔE را از دست بدهند اطلاق می گردد. برای تجهیزاتی که معمولاً در میکروسکوپ های الکترونی به کار می رود، ΔE باید بسیار بیشتر از ۰٫۱eV بوده تا قابل مشاهده باشد. فرایندهای بسیاری وجود دارد که باعث از دست رفتن انرژی الکترون اولیه و انتقال آن به الکترون ها یا اتم های نمونه می شوند. فرایندهای تفرق غیرالاستیکی (احتمالاً به صورت ترکیبی) باعث توقف یک الکترون توسط یک جامد می شوند. تقریباً تمام انرژی سینتیک الکترون اولیه، در نمونه به حرارت تبدیل می شود. بخش کوچکی از انرژی ممکن است به صورت پرتو X، نور یا الکترون های ثانویه فرار کند.
۱-۱- پراکندگی فونون

فونون ها کوانتای ارتعاشات اتمی در جسم جامد هستند. یک الکترون اولیه می تواند با تولید یک فونون، انرژی از دست داده و انرژی حرارتی به جسم وارد کند. مقدار افت انرژی در این تفرق (معمولاً کمتر از ۱eV) و پویش آزاد میانگین برای الکترون ها (معمولاً در محدوده میکرومتر) بسیار کوچک هستند. این حقیقت بدین معناست که تفرق فونون بی اهمیت بوده و قابل اندازه‌گیری نیست. باید به این نکته توجه شود که تمام الکترون هایی که در جسم باقی می مانند احتمال دارد که بعد از اینکه مقادیر بیشتری از انرژی را به روش های دیگر از دست دادند نهایتاً فونون ایجاد کنند. همچنین وقتی تفرق اتفاق می افتد الکترون متفرق شده معمولاً تحت زاویه نسبتاً بزرگی (بیش از ۱۰درجه) منحرف می شود[۲].
۲-۱- پراکندگی پلاسمون

پلاسمون یک موج ایجاد شده توسط دریای الکترون‌های باند هدایت فلزات است. در غیرفلزات نیز اثرات مشابهی در الکترون های پیوندهای اتمی به وجود می‌آید. در پراکندگی پلاسمون، پرتو اولیه ۵ تا ۳۰ الکترون ولت از دست داده و پویش آزاد میانگین کوچکی (برای اغلب مواد حدود چند صد نانومتر) برای الکترون ثانویه ایجاد می‌کند. این نوع تفرق تفرق، در واکنش الکترون- جسم جامد بسیار اتفاق می افتد.
۳-۱- برانگیختگی تک الکترون ظرفیت

احتمال کمی وجود دارد که یک الکترون اولیه به جای دریای الکترون، مقداری انرژی به یک تک الکترون ظرفیت منتقل کند. پویش آزاد میانگین برای این فرایند بزرگ (در حد میکرومتر) و افت انرژی کوچک (حدود   ۱ الکترون ولت) و زاویه تفرق هم کوچک است. این فرایند در میکروسکوپ الکترونی اهمیت زیادی ندارد.
۴-۱- برانگیختگی مدار داخلی

یک شکل نادر ولی با ارزش تفرق غیرالاستیک، بیرون کردن یکی از الکترون¬های مدار داخلی است. از آنجا که انرژی پیوند الکترون های مدار K و L بزرگ است، افت انرژی الکترون اولیه هم بسیار بزرگ خواهد بود. به عنوان مثال ،۶۹٫۵۰۸ الکترون ولت برای بیرون کردن یک الکترون تنگستن K و ۱۱۰۰ الکترون ولت برای بیرون کردن یک الکترون مس L لازم است[۲].
 
filereader.php?p1=main_ec6ef230f1828039eشکل ۱- دیاگرام سطح انرژی یک جامد، شامل لایه L ، و K  و باندهای ظرفیت حالات غیر مستقر، EF سطح فرمی و Evac سطح خلاء است[۳].


۲- طیف نگار
طیف نگار الکترونی بعد از نمونه نصب می شود و معمولاً آخرین قسمت میکروسکوپ را تشکیل می دهد. اصول کار دستگاه این است که از یک میدان مغناطیسی برای انحراف تمام الکترون ها در زاویه حدود ۹۰ درجه استفاده می شود. هرچه انرژی الکترون ها بیشتر باشد میزان انحراف آنها کمتر است. و بنابراین پرتو الکترونی به طیفی از انرژی های مختلف تقسیم می شود.
دو راه برای آشکارسازی طیف وجود دارد. اگر فقط یک آشکارساز وجود داشته باشد، می توان با تغییر دادن قدرت میدان، طیف را در مقابل شکاف آشکارساز، اسکن نموده و به این ترتیب هر انرژی به نوبت آشکار می-شود. اما با استفاده از آشکارساز حساس به موقعیت می توان تمام طیف را به صورت همزمان آشکار کرد. این را طیف نگار موازی می نامند و این تکنیک به عنوان طیف نگاری موازی افت انرژی الکترون نامیده می شود. اغلب طیف نگارهای اولیه از نوع سری بودند. اگرچه امروزه طیف نگارهای موازی به دلیل راندمان بالا بسیار متداول شده اند. فرض کنید طیفی شامل یک هزار نقطه، شمارش الکترون هایی با یک هزار انرژی متفاوت لازم باشد. یک طیف نگار سری یک هزارم وقت آنالیز را صرف شمارش یک انرژی می کند، در حال که یک طیف نگار موازی تمام انرژی ها را در تمام طول زمان آنالیز می شمارد. بعضی عدم کارایی ها در آشکارساز موازی باعث می شود که مزیت آن کاملاً هزار به یک نباشد ولی به هر حال سیستم های آشکارساز موازی در حال حاضر اکثریت طیف نگارها را تشکیل می دهند[۳].
۳-طیف آنالیز کمی
معمولاً طیف EEL از سه ناحیه تشکیل می شود:

  •  الکترون هایی که تفرق غیرالاستیک قابل توجهی ندارند. این الکترون ها که معمولاً اکثریت الکترون ها را تشکیل می‌دهند، پیک صفر را تشکیل می دهند.
  • ناحیه با افت انرژی کم که شامل الکترون هایی است که تا ۵۰eV انرژی از دست داده اند. این ناحیه معمولاً در اثر تفرق پلاسمون پدیدار می‌شود. همچنین ممکن است چند پیک مربوط به افت پلاسمون در طیف وجود داشته باشد. اولین پیک، مربوط به الکترون هایی است که در طی عبور از نمونه یک پلاسمون به وجود آورده اند. این در حالی است که دومین پیک پلاسمون و پیک های بعدی مربوط به الکترون هایی است که دو پلاسمون یا بیشتر را ایجاد کرده‌اند. پیک های پلاسمون چندان برای آنالیز مناسب نیستند.
  • برای مقاصد مشخصه‌یابی مواد، مطالعه لبه های مشخصه در مقادیر بیشتر افت انرژی مفیدتر است. تعداد الکترون‌هایی که لبه‌های مشخصه رامی‌سازد، الکترون‌هایی که انرژی زیادی از دست می دهند، کم است. اما انرژی های لبه های مربوط به تحریک لایه های داخلی، به اندازه پیک های پرتو X مشخصه، عناصر مورد بررسی هستند. این لبه ها هستند که معمولاً برای آنالیز EELS استفاده می شوند.
  • آنالیز کیفی با تعیین انرژی هر لبه قابل مشاهده، معمولاً ۲۰۰۰-۱۰۰ الکترون ولت، و مقایسه آنها با جداول مربوط به عناصر انجام می شود. شکل ۲ قسمتی از طیف EEL نیتریت بور را نشان می‌دهد. در این شکل لبه ۱۸۸eV از انتقال K مربوط به عنصر بور ناشی می شود. این در حالی است که لبه  ۳۹۹eV مربوط به نیتروژن است.


filereader.php?p1=main_1d665b9b1467944c1
شکل ۲- قسمتی از طیف EEL از نیتریت بور که لبه های K مربوط به بور و نیتروژن را نشان می دهد.

 

لبه های انرژی EELS و پرتو X مشخصه، به دلیل منشاء مشترک دارای انرژی های تقریبا مشابه هستند. البته اصولاً لبه های انرژی (جذب) EELS باید کمی بالاتر از پیک های (انتشار) پرتوهایX مربوطه باشند. یکی از نقاط قوت EELS آن است که می توان از آن برای آشکارسازی لبه های عناصری که پرتو X نمی توانند آن را آشکار کند (هلیم، لیتیم و بریلیم) استفاده کرد.
در اصل استنتاج ترکیب شیمیایی یک نمونه از روی طیف EEL انجام می‌پذیرد. اندازه هر لبه با تعداد اتم های آن عنصر در ناحیه آنالیز شده نمونه، متناسب است. اگر بتوان لبه هر عنصر در نمونه را شناسایی و اندازه هر لبه را اندازه گیری نمود، می توان ترکیب شیمیایی نمونه را محاسبه کرد. این اساس آنالیز کمی است اما انجام آنالیز مقداری نیز پیچیده می‌باشد.
باید ابتدا احتمال اینکه الکترون هایی با انرژی مشخص، یک اتم را تحریک کنند در نظر گرفته شود. این احتمال با استفاده از یک سطح مقطع احتمالی برای تحریک مدار داخلی استنتاج می شود. سطح مقطع لازم برای تحریک یک لایه بخصوص (معمولاً از لایه K به عنوان مثال در نظر گرفته می شود)، به نوع عنصر، محدوده زوایایی که الکترون هایی به درون طیف سنج پذیرفته می شوند β، و محدوده انرژی Δ که در نظر گرفته می شود بستگی دارد. سطح مقطع برای عناصر با عدد اتمی بالا کاهش می یابد. این در حالی است که با افزایش β یا Δ سطح مقطع افزایش می یابد. طیف نگاری با β ثابت، لبه های عناصر سبک را با شدت بسیار بیشتری از عناصر حتی با عدد اتمی متوسط نشان می دهد. از آنجا که لبه های عناصر با جرم اتمی متوسط، بسیار کوچک هستند، تکنیک EELS خصوصاً برای آنالیز عناصر سبک، ابزاری قدرتمند است.
یکی از محدودیت های عمده آنالیز EELS این است که هر لبه همانند ناحیه با افت انرژی کم، پهن می شود. به عبارت دیگر هر الکترونی که یک مدار داخلی را تحریک می کند، می تواند یک یا چند پلاسمون نیز ایجاد کند. این باعث می شود که لبه در طیف حاصله در افت انرژی بالاتری ظاهر شود و در نتیجه شکل ایده آل لبه از دست می رود و پهن شود. با ضخیم تر شدن نمونه این اثر شدیدتر می شود. تیزترین لبه ها توسط نواحی بسیار نازک نمونه تولید می شوند. اما معمولاً آنالیز مناطقی که آنقدر نازک باشند که پلاسمون های کمی را ایجاد کند عملی نیست. همچنین در این موارد سیگنال ( یعنی تعداد شمارش های طیف) بسیار کوچک و صحت آماری هم بسیار پایین است. بنابراین در اغلب موارد آنالیز، باید شرایط بهینه ای بین قدرت و سیگنال و عدم وضوح لبه، برقرار شود.
مثالی از آنالیز EELS در شکل۳ از الماس، گرافیت و C60 نشان داده شده است. این مواد از نظر ترکیب شیمیایی تنها از کربن ساخته شده اند و به دلیل وجود کربن در ساختار آنها، همگی آنها با پیک های جذبی در حدود ۲۴۸eV   در EELS مشخص شده‌اند. از آنالیز شکل پیک های جذب، اختلاف پیوند و وضعیت الکترونی آنها می تواند آشکار شود[۲].

filereader.php?p1=main_7bc3ca68769437ce9

شکل ۳-مقایسه پیک های جذب (EELS) الماس، گرافیت و C60 .


۴- اطلاعات مورد استفاده از روش EELS:


۱-۴-آنالیز ترکیب عنصری
۲-۴- اطلاعات در مورد پیوندهای شیمیایی
۳-۴- پراکندگی اتم های مجاور
۴-۴- ضخامت بلور
۵-۴- اطلاعات مربوط به ظرفیت
۶-۴- تابع دی الکتریک کمپلکس
۵- معایب روش EELS:

۱-۵- همراه با دستگاه TEM ساخته می شود بنابراین تکنیک پرهزینه ای است که با تخریب نمونه نیز همراه است.
۲-۵- آمادهسازی نمونه خیلی وقت گیر است.
۳-۵- ابعاد نمونه کوچک می باشد.
۴-۵- گرچه EELS قادر به استخراج اطلاعات به کمک انرژی می باشد اما تفکیک مکانی آن توسط دستگاه TEM محدود می شود[۲].
نتیجه‌گیری:

طیف نگاری الکترونی افت انرژی به عنوان تکنیکی با کیفیت بالا محسوب می شود که برای آنالیز نمونه های نازک مورد استفاده قرار می گیرد. از این تکنیک جهت دستیابی به اطلاعاتی نظیر آنالیز ترکیب عنصری، پیوندهای شیمیایی، پراکندگی اتم های مجاور، ضخامت بلور، ظرفیت اتم و تابع دی الکتریک کمپلکس استفاده می‌گردد.
نمایه ها : طیف نگاری الکترونی افت انرژی EELS پراکندگی غیرالاستیک لبه انرژی پراکندگی فونون پراکندگی پلاسمون

منابـــــع :

  • ۱٫ پیروز مرعشی، سعید کاویانی، حسین سرپولکی و علیرضا ذوالفقاری، اصول و کاربرد میکروسکوپ¬های الکترونی و روش¬های نوین آنالیز ابزار شناسایی دنیای نانو، چاپ اول، دانشگاه علم و صنعت ایران، ۱۳۸۳٫
  • ۲٫ مرتضی رزم آرا، مبانی و کاربرد میکروسکوپ¬های الکترونی و روش¬های آنالیز پیشرفته، مشهد، ارسلان، ۱۳۸۴٫
  • ۳٫ R. F. Egerton, “Electron Loss Energy Spectroscopy in Electron Microscope”, ۲nd Edition, plenum press, (1996).


سایتی به وسعت همه چیز که در اون سعی میکنم تجربیات و مطالب در خور توجه رو که دوستشون دارم قرار بدم و امیدوارم با پیشنهادات و انتقادات خودتون من رو راهنمایی کنید. با تشکر


پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

دوست داری سایت خودتو داشته باشی همین الان این کار رو بکن
امتیاز دهید:
به این صفحه

به این سایت
برای محبوب کردن سایت روی 1+ کلیک کنید