میکروسکوپ الکترونی روبشی (Scanning Electron Microscopy) (بخش اول)

مقدمه

برای شناسایی و تعیین خواص ترکیب­ های شیمیایی و پلیمرها روش ­های مختلفی وجود دارند. یکی از مفیدترین و کاربردی ت­رین روش­ ها به ­ویژه در زمینه فناوری نانو، روش ­های میکروسکوپی برای بزرگ­نمایی نمونه­ ها هستند. در این میان، میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) از معروف­ترین روش های میکرسکوپی است که علاوه­ بر بزرگ­نمایی نمونه، در صورت اضافه شدن تجهیزات دیگر قادر به آنالیز شیمیایی نیز است.

عملکرد میکروسکوپ الکترونی

میکروسکوپ الکترونی، یک پرتو الکترونی متمرکز را روی سطح نمونه برای ایجاد یک تصویر روبش می­ کند. الکترون‌ها با نمونه برهمکنش می‌­دهند و سیگنال‌های مختلفی تولید می‌کنند که می‌توان از آنها برای به دست آوردن اطلاعاتی در مورد ریخت­ شناسی (مورفولوژی) و ترکیب سطح استفاده کرد [1].

چرا از میکروسکوپ الکترونی بجای میکروسکوپ نوری استفاده می­ شود؟ در بهترین حالت، چشم انسان بدون استفاده از لنز می­ تواند دو نقطه را به فاصله 2/0 میلی ­متر تشخیص دهد. میکروسکوپ­ ها برای بزرگ­نمایی نقاطی که با فاصله کمتر از 2/0 میلی ­متر هستند، استفاده  می­ شوند. پیشرفته ­ترین میکروسکوپ ­های نوری توانایی بزرگنمایی حدود 1000 برابر را دارند. قدرت تفکیک میکروسکوپ نه تنها به تعداد و کیفیت عدسی‌ ها بستگی دارد، بلکه به طول­ موج نوری که برای روشنایی آن استفاده می‌شود نیز وابسته است. میانگین محدوده طول ­موج نور سفید 500 نانومتر است، که منجر به حد تئوری تفکیک میکروسکوپ نوری در حدود 200 تا 250 نانومتر می­ شود. میکروسکوپ­ های الکترونی زمانی ساخته شدند که طول­ موج به عامل محدودکننده میکروسکوپ­ های نوری تبدیل شد. الکترون­ ها دارای طول موج بسیار کوتاه ­تری نسبت به نور سفید هستند، بنابراین، وضوح بهتری را امکان ­پذیر می­ کنند. از آنجا­که تعداد بیشماری از مواد و ابزارها در اندازه بسیار کوچک ساخته می­ شوند، بسیاری از آن­ها را نمی­ توان با میکروسکوپ نوری تشخیص داد. به­ عنوان مثال در شکل 1، برای شناسایی نانوالیاف در یک نمونه فیلتر، میکروسکوپ الکترونی تصویر بسیار واضح­ تری ایجاد کرده است [2].

شکل 1 تصویرهای میکروسکوپ­ های الکترونی (راست) و نوری (چپ) از یک نمونه نانوالیاف [2].

برهمکنش نمونه و پرتو الکترون

دستگاه ­های میکروسکوپ الکترونی در بالای ستون خود دارای یک تفنگ الکترونی هستند که برای تولید باریکه الکترونی به کار می رود. برهمکنش پرتو الکترونی و نمونه باید در محفظه خلا انجام شود. وقتی پرتوی الکترونی روبشی با نمونه برهمکنش می‌دهد، نتیجه آن، جذب، عبور و یا ساطع شدن پرتوهایی است که به نمونه برخورد کرده ­اند. الکترون­ های جذب شده و یا عبوری به­ گرما و یا اشعه ایکس تبدیل می­ شوند، اما، پرتوهای ساطع شده با کمک آشکارساز دریافت و شناسایی می‌شوند و این داده­ ها را به تصویر تبدیل می­ کنند.

آماده­ سازی نمونه

نمونه ­ها برای تصویربرداری نیازمند آماده­ سازی هستند. نمونه مورد استفاده باید جامد و یا دارای فشاربخار اندک باشد. نمونه­ های هادی فقط نیاز به پولیش دارند، ولی نمونه­ های غیرهادی با لایه نازکی از طلا یا آلیاژ طلا پوشش داده می­ شوند تا قابل تصویربرداری شوند. برای نمونه ­های پودری بهتر است که نمونه ابتدا در یک حلال قطبی با امواج فراصوت پراکنده و سپس خشک شود. شکل 2 تصویر یک حشره پوشش داده شده با طلا و تصویر میکروسکوپ الکترونی آن را نشان می­دهد [3].

شکل 2 تصویر یک حشره پوشش داده شده با طلا و تصویر میکروسکوپ الکترونی آن [3].

میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی (FE-SEM)

این میکروسکوپ نیز یک میکروسکوپ الکترونی روبشی است، با این تفاوت که دارای تفنگ الکترونی انتشار میدانی است. نوع تفنگ میکروسکوپ الکترونی روبشی، انتشار گرمایی است، درحالی­که، تفنگ الکترونی نشر میدانی به انرژی گرمایی برای چیرگی بر پتانسیل سطحی نیاز ندارد و با به ­کاربردن میدان الکتریکی بسیار بالا بر روی سطح ماده، الکترون ­ها از سطح جدا می­ شوند. بنابراین، میزان الکترون ساطع شده از سطح نمونه برای آشکارساز افزایش می­ یابد. این میکروسکوپ عمق تمرکز، توان تفکیک، تنوع سیگنال‌ و پردازش بالاتری دارد و درنتیجه، تصویرهایی با وضوح و کیفیت بالاتری فراهم می­ کند. در شکل 3 مشاهده می­ شود که تصویرهای به دست آمده از یک نمونه با میکروسکوپ الکترونی FE-SEM وضوح و توان تفکیک بسیار بالاتری نسبت به میکروسکوپ الکترونی SEM دارد [4].

شکل 3 تصویرهای میکروسکوپ الکترونی SEM (بالا) و میکروسکوپ الکترونی FE-SEM (پایین) از یک نمونه [4].

گردآورنده: جمال الدین شاکری/ واحد تحقیق و توسعه

مراجع

[1]https://serc.carleton.edu/research_education/geochemsheets/techniques/SEM.html

[2] https://www.nanoscience.com/techniques/scanning-electron-microscopy/

[3]https://p2k.unhamzah.ac.id/IT/2-3073-2970/electron-microscopy_8109_p2k-unhamzah.html

[4] P. Gnanamoorthy • V. Karthikeyan, Field Emission Scanning Electron Microscopy (FESEM) characterisation of the porous silica nanoparticulate structure
of marine diatoms, J Porous Mater (2014) 21:225–233.