1
ستاد ویژه توسعه فناوری نانو Iran Nanotechnology Initiative Council بستن
  • ستاد ویژه توسعه فناوری نانو

  • بانک اطلاعات شاخص های فناوری نانو

  • سایت جشنواره فناوری نانو

  • سیستم جامع آموزش فناوری نانو

  • شبکه آزمایشگاهی فناوری نانو

  • موسسه خدمات فناوری تا بازار

  • کمیته استانداردسازی فناوری نانو

  • پایگاه اشتغال فناوری نانو

  • کمیته نانو فناوری وزارت بهداشت

  • جشنواره برترین ها

  • مجمع بین المللی اقتصاد نانو

  • اکو نانو

  • پایگاه اطلاع رسانی محصولات فناوری نانو ایران

  • شبکه ایمنی نانو

  • همایش ایمنی در نانو

  • گالری چند رسانه ای نانو

  • تجهیزات فناوری نانو

  • صنعت و بازار

  • باشگاه نانو

میکروسکوپ الکترونی روبشی-عبوری و کاربرد آن در فناوری نانو و علم‌مواد

افراد مقاله : ‌ نویسنده اول - نفیسه پرهیزکار , نویسنده دوم - محمود علی اف خضرایی , نویسنده سوم - تقی شهرابی فراهانی

موضوع : علم و پژوهش - تجهیزات و مدل سازی کلمات کلیدی : نانو مواد - میکروسکپ الکترونی عبوری TEM - قدرت تفکیک تاریخ مقاله : 1394/11/19 تعداد بازدید : 5076

میکروسکوپ‌های الکترونی عبوری-روبشی (STEM) به منظور جمع‌آوری اطلاعات ساختاری، شیمیایی و مورفولوژیکی از نانو ذرات در مقیاس اتمی یا نانومتری ساخته می‌شوند. اختراع میکروسکوپ ‌STEM در شیکاگو در دهه‌های 1960 و 1970 گامی بلند در راستای پیشرفت میکروسکوپ‌های الکترونی است. برای اولین بار در تاریخ بشری، آنالیز مواد جامد در ابعاد اتمی ممکن شد. میکروسکوپ STEM اولین تصاویر اتم‌های منفرد را بدون دخالت میدان‌های الکتریکی شدید فراهم کرد. در واقع STEM یک روش میکرو آنالیز کمی با حساسیت اتمی است که به منظور تعیین نوعِ شیمیایی اتم‌ها در نمونه از برهمکنش غیر الاستیک بین الکترون‌ها در پروب با اندازه‌ی اتمی استفاده می‌شود. شناخته شده‌ترین پیشرفت در میکروسکوپی الکترونی در سالهای اخیر STEM بوده است. STEM دارای بعضی از مزایای TEM و SEM به صورت یکجا می‌باشد. در این روش سطح نمونه توسط پرتویی که به کوچکترین اندازه ممکن متمرکز شده است روبش شده و همزمان سیگنال مورد نظر جمع آوری می‌شود (برای مثال پرتوی ایکس، الکترون‌های عبوری، الکترون‌های ثانویه یا الکترون‌های برگشتی). بسیاری از میکروسکوپ‌های عبوری جدید به سیم‌پیچ‌های روبش مجهز شده‌اند که امکان استفاده از آن‌ها در حالت STEM را فراهم می‌آورد. STEMهای جدید با توجه به اندازه کوچک پروب آن (nm 0.1) کاربردهای زیادی در فناوری نانو، علم مواد، علوم فیزیک و علوم زیستی و غیره پیدا کرده‌اند. برخی از این کاربردها عبارتند از تصویربرداری مستقیم از اتم‌های منفرد یا آرایش آن‌ها بر روی سطح و برهمکنش آن‌ها با بالکِ یک نمونه، ساختار اتمی مرزدانه و تصویربرداری ذرات کاتالیست با عدد اتمی بالا که اغلب برای رشد نانولوله‌ها استفاده می‌شود.

 

 

1-    مقدمه
میکروسکوپ الکترونی روبشی -عبوری[1] (STEM) ابزاری گرانبها برای مشخصه‌یابی نانو ساختارهاست که می‌تواند محدوده‌ای از حالت‌های تصاویر مختلف و اطلاعاتی از ترکیب عنصری و ساختار الکترونیکی با حساسیت بسیار بالا برای یک عنصر تنها را فراهم کند [1]. در یک دستگاه STEM، باریکه‌ی الکترونی متمرکز می‌شود و سطح نمونه‌ی از پیش تعریف شده را روبش می‌کند. از مزایای این میکروسکوپ‌ها، باریکه‌ی خیلی ریز (با قطر کوچکتر یا مساوی nm 1/0) و بسیار براق است، که به علت عمق فکوس کم (nm 8) ، قدرت تفکیکِ تصویر بهتر از nm 1/0 را فراهم می‌کند و اجازه می‌دهد تصویربرداری در مقیاس اتمی در حالت میدان روشن (BF) و میدان تاریک حلقوی با زاویه بالا[2] (HAADF) انجام شود. مزیت بعدی، ولتاژ عملیاتی متغییر از 100 تا kV 60 است. در حالت BF، الکترون‌ها از پراش مرکزی، در محدوده‌ی زاویه‌ای mrad 6–0 جمع‌آوری می‌شوند. در حالت HAADF، الکترون‌‌هایی که به زوایای بالا پراکنده شده‌اند، در یک آشکارساز حلقوی با محدوده‌ی زاویه mrad 210–70 جمع‌آوری می‌‌شوند. این الکترون‌ها که تحت پراکندگی الاستیک نامنسجم قرار دارند، دارای شدتِ متناسب با مربع عدد اتمیِ عنصر پراکنده‌کننده هستند. از این الکترون‌ها در تصویر‌برداری با کانتراست عدد اتمی (کانتراست–Z) به منظور‌شناسایی ترکیب شیمیایی استفاده می‌شود. در بزرگنمایی‌‌های بالا، به علت اندازه‌ی پروب ریز و استفاده از فاصله‌ی نقاط روبش زیر آنگستروم، اتم‌های مجزا می‌توانند مشخص شوند، که سبب دست‌یابی به تصاویر HAADF با قدرت تفکیک اتمی می‌شود. چنین تصاویری می‌توانند بسیار سریع‌تر و آسانتر از تصاویر کانتراست فاز BF تفسیر شوند. آنالیز عنصری/شیمیایی با استفاده از طیف‌نگاری افت انرژی الکترون[3] در میکروسکوپ STEM می‌تواند با حساسیت بالا و با قدرت تفکیک فضایی مشابه تصاویر به‌دست آمده انجام شود [2].

STEM با همان قاعده کلی SEM معمولی کار می‌کند. یک اشعه متمرکز شده از الکترون‌ها روی نمونه روبش می‌شود تا سیگنال مطلوب برای ایجاد تصویر جمع‌آوری شود. تفاوت آن با SEM در آن است که نمونه‌های نازک استفاده می‌شوند؛ بنابراین حالت عبوری تصویر نیز موجود است. اگرچه نیاز به مواد بالک نازک که در برابر عبور الکترون شفاف هستند کار عمده در آماده‌سازی نمونه است، این امر اغلب برای مواد نانو ساختار غیر ضروری است و آماده‌سازی نمونه بیشتر از چکاندن یا پخش کردن نانو ساختار بر روی غشاء نگهدارنده کربنی نازک نیست. عدم نیاز به سمباده زدن، پولیش کردن یا کندوکاو یونی، STEM را به ابزاری سریع برای مشخصه‌یابی نانو ساختارها تبدیل می‌‌کند [1]. مشابه SEM، الکترون‌های برگشتی یا ثانویه می‌‌توانند برای تصویرسازی در STEM استفاده شوند، اما سطح سیگنال بالاتر و قدرت تفکیک فضایی بهتری از طریق آشکارسازی الکترون‌های عبوری فراهم می‌‌شود. یک آشکارساز میدان روشن (BF) ، اشعه عبور کرده را می‌‌شمارد و بنابراین حفره‌ها روشن ظاهر می‌‌شوند، در حالی که یک آشکارساز میدان تاریک، اشعه عبور کرده را راه نمی‌دهد و حفره‌ها تیره ظاهر می‌شوند. هر آشکارساز یک چشم انداز تکمیلی و متفاوت از نمونه را فراهم می‌کند. این یکی از مزایای کلیدی STEM است که آشکارساز چندگانه دارد که با هم عمل کرده تا ماکزیمم اطلاعات ممکن از هر روبش را جمع‌آوری کند. اگر چه آشکارسازهای الکترون عبوری به طور مفید بر روی ابزار SEM متداول که در ولتاژ نسبتاً پایین کار می‌کنند سوار می‌شوند، اما فواید زیادی در افزایش ولتاژ شتاب دهنده وجود دارد. با افزایش ولتاژ شتاب دهنده می‌توان از نمونه‌های ضخیم‌تری استفاده کرد، اما مهمتر از آن کاهش طول موج الکترون است که منجر به افزایش قدرت تفکیک فضایی و توانایی دیدن پیکربندی اتمی واقعی در نانو ساختار می‌شود. بنابراین STEM می‌تواند چند شکل داشته باشد: یک آشکار ساز افزوده شده ساده به یک SEM ولتاژ پایین استاندارد، یک STEM ولتاژ متوسط با استفاده آسان و اختصاصی و با عملکرد سریع یا یک وسیله قابل قیاس با میکروسکوپ الکترون عبوری ولتاژ بالا (TEM) که قادر به فراهم کردن حساسیت و قدرت تفکیک فضایی نهایی است. این میکروسکوپ‌های STEM ولتاژ متوسط برای تعیین توزیع اندازه نانوذرات در سطح nm 1 و بالاتر، ایده‌آل هستند اما فاقد حساسیت در سطح اتمی هستند. برای فهم نانو ساختارها، بررسی کردن نانو ساختارهای انفرادی با حساسیت سطح اتمی، بسیار مطلوب است. این امر نیازمند ابزاری پیچیده‌تر است. STEM‌های این نوع، عموماً بر اساس ستون‌‌های TEM ولتاژ بالا هستند که در ولتاژ kV300-200 عمل می‌‌کنند [1]. در اکثر دستگاه‌های STEM مجزا یا اختصاصی[4] (DSTEM) تفنگ الکترونی در پایین ستون میکروسکوپ قرار دارد و الکترون‌ها به سمت بالا حرکت می‌کنند. بیشتر دستگاه‌های STEM متصل به میکروسکوپ TEM هستند که تفنگ الکترونی در بالای ستون میکروسکوپ قرار دارد. این دستگاه‌ها می‌توانند در دو حالتِ TEM و STEM تصویر‌برداری کنند. در حالت TEM عدسی‌ها بعد از نمونه قرار می‌گیرند تا تصویری با بزرگنمایی بالا ایجاد کنند، اما در حالت STEM عدسی‌ها بعد از نمونه قرار می‌گیرند [3]. مسیر اشعه نوری در دستگاه TEM و STEM متفاوت و بر خلاف هم است. در TEM تفنگ الکترونی در بالای ستون میکروسکوپ قرار دارد. امواج الکترونی از تفنگ الکترونی ساطع می‌شوند و با استفاده از یک عدسی محدب، به موازات محور نوری در می‌آیند و روی نمونه برخورد می‌کنند. سپس امواج پراکنده شده (پراشیده شده) به‌وسیله‌ی نمونه، به وسیله عدسی‌های متمرکز‌کننده (عدسی شیئی) جمع‌آوری می‌شوند و بر روی صفحه‌ای دور از عدسی‌ها (صفحه تصویر) متمرکز می‌شوند. در مقابل، در STEM تفنگ الکترونی در پایین ستون میکروسکوپ قرار دارد. در STEM، امواج الکترونی منتشر شده از تفنگ الکترونی ابتدا به صورت یک باریکه‌ی الکترونی بر روی نمونه همگرا و سپس روبش می‌شوند [4]. به طور ایده‌آل، ما می‌‌خواهیم هر اتم را در موقعیت سه‌بعدی آن ببینیم؛ یک رویا که فینمن[5] نخستین بار در کنفرانس مشهور خود بیان کرد. او دوره‌ی فناوری نانو را پیش‌بینی کرد، همچنین صریحاً بهبود 100 برابری در قدرت تفکیک میکروسکوپ الکترونی را اشاره کرد. اگر ما بتوانیم به طور واضح اتم‌ها را ببینیم، به طور حتم قادر خواهیم بود که ببینیم نانو ساختارها چگونه عمل می‌کنند. امروزه ما قادریم اتم‌های جداگانه‌ی با عدد اتمی بالا (Z) را ببینیم؛ هم در سطوح و هم در داخل ماده‌ی بالک. همچنین از طریق طیف‌نگاری و آنالیز اتم‌های منفرد، می‌توانیم محیط الکترونیکی محلی آن‌ها را به‌وسیله‌ی طیف نگاری افت انرژی الکترون (EELS) تعیین کنیم. پیشرفت در قابلیت STEM در چند سال گذشته در مقایسه با دو دهه‌ی گذشته کاملاً چشمگیر بوده است [1]. در دو دهه‌ی گذشته، میکروسکوپ الکترونی عبوری -روبشی (STEM) در آشکار کردن اطلاعات مواد در سطح اتمی، به شدت قدرتمند شده است [5, 6]. به عنوان اولین تقریب، قدرت تفکیک در STEM مستقیماً مربوط به اندازه پروب الکترون است به طوری که هر چه قطر پروب کوچکتر باشد، قدرت تفکیک فضایی بیشتر می‌شود. با این حال، کاهش اندازه پروب و افزایش قدرت تفکیک فضایی یک پیامد دارد و آن این است که سبب کاهش جریانِ باریکه می‌شود و بنابراین نسبت سیگنال به نویز در تصویر را کاهش می‌دهد. این امر اشکالاتی در انجامِ آزمایشات قدرت تفکیک بالا ایجاد می‌کند که دو روش مشهورتر تصویربرداری میدان تاریک با زاویه حلقوی بالا (HAADF) و طیف‌نگاری افت انرژی الکترون (EELS) است که به طور ذاتی فقط کسری از الکترون‌های پراکنده شده را جمع‌آوری می‌کنند. بنابراین، اکثر پیشرفت‌های اخیر در STEM بر افزایش جریان باریکه در پروب کوچک، متمرکز شده است. در این راستا، بهبود در تفنگ انتشار میدان (FEG) و تصحیحِ انحراف کروی سبب افزایش چگالی جریان باریکه می‌شود [6]. از آنجایی که EELS می‌تواند با تصویربرداری عبوری ترکیب شود، این روش برای مطالعه‌ی فیزیک و شیمیِ مواد مهم است [7]. در واقع EELS یک روش تحلیلی در TEM و STEM است که به موجب آن الکترون‌های برخوردی سریع (معمولاً با انرژی 100 تا KeV400) تکانه و انرژی را به الکترون‌ها در ماده منتقل می‌کنند. این پراکندگی غیر الاستیک، سببِ افت انرژی و تکانه در الکترون‌های سریع می‌شود که سبب ایجاد یک سیگنال می‌شود [8].

 

2-    طراحی ساختاری STEM و اجزاء آن
شکل 1 ساختار پایه‌ای یک نمونه STEM که در سال 1966 در کرو انگلستان[6] توسعه پیدا کرد را نشان می‌دهد. الکترون‌هایی که از یک تفنگ الکترونی FEG سرد خارج می‌شوند، به‌وسیله‌ی عدسی‌های تفنگ الکترواستاتیک برای خروج و عدسی‌های شیئی (L2) و متمرکزکننده مغناطیسی (L1) در یک پروب کوچکتر از nm1 ادغام می‌شوند. پروب به‌وسیله‌ی دو سیم‌پیچ انعکاسی[7] بر روی سطح نمونه روبش می‌شود. الکترون‌های خروجی از نمونه، وارد آشکارسازهای الکترون می‌شوند (D و D`). در گذشته سیگنال‌های زمان‌های متوالی، برای نقشه‌برداری، به‌وسیله‌ی یک لوله پرتوی کاتدی[8] (CRT) به‌دست می‌آمد اما حالا از یک کریستال مایع استفاده می‌شود. این سیستم تصویربرداری اساساً شبیه یک تلویزیون کار می‌کند. در حال حاضر با استفاده از STEMهای اصلاح شده می‌توان از اتم‌های تنها تصویربرداری کرد. بزرگ‌نمایی تصاویر STEM برابر است با نسبت اندازه‌ی صفحه نمایش به مساحت روبش شده بر روی سطح نمونه. بزرگ‌نمایی در STEM به‌وسیله‌ی تغییر جریان اعمالی به کویل‌های انعکاسی، تغییر می‌کند. قدرت تفکیک تصاویر STEM به‌وسیله‌ی فاکتورهای زیر تعیین می‌شود:

(1)     شدت الکترون‌های پراکنده شده و بازده آشکارسازی

(2)     روشنایی تفنگ الکترونی و انحرافات عدسی‌های متمرکز‌کننده (شیئی در STEM) ، که اندازه پروب الکترونی را تعیین می‌کند

(3)     نفوذ جانبی الکترون‌های برخوردی که در داخل نمونه رخ می‌دهد

(4)     فاصله‌ی بین خطوط اسکن در صفحه نمایش [4]

فاکتور شماره 3 به معنای بدتر شدن قدرت تفکیک به‌وسیله‌ی گسترش جانبی پروب الکترون در نمونه و برخورد پروب گسترش یافته به اجزاء درون نمونه، برای مثال، کلاسترهای کوچک تعبیه شده درون یک کریستال، است. تصاویر STEM میدان روشن (BF) با استفاده از یک آشکارساز (D) با زوایه پذیرش کوچک به‌دست می‌آید. هنگامیکه یک آشکارساز زاویه‌ای (D`) برای جمع‌آوری الکترون‌های پراکنده شده در زاوایای بزرگتر خارج از دیسک اشعه‌ی مستقیم استفاده می‌شود، شدت تصویر STEM میدان تاریک زاویه‌ای (ADF) به‌دست می‌آید. با وجود عدم فکوس پروب، تصویر ستون‌های اتمی همیشه روشن است. این ویژگی تصاویر ADF–STEM برای‌شناسایی ستون‌های اتمی در ساختارهای اتمی پیچیده که در آن تفسیر تصویر مشاهده شده بیشتر ممکن است، مفید است. در STEM میدان تاریک حلقوی با زاویه بالا (HAADF) ، شدت پراش در زوایای بالاتر جمع آوری می‌شود [4]. محبوبیت تصویربرداری ADF-STEM برای مشخصه‌یابی مواد پیشرفته، مدیون عدم چرخش تصویر نسبت به نمونه (هم‌راستا بودن تصویر و نمونه) و در نتیجه تفسیر مستقیم تصاویر است [9]. تصاویر HAADF–STEM اطلاعاتی از نمونه فراهم می‌آورند که حساس به ترکیب شیمیایی است [10] و اطلاعات شیمیایی و ساختاری کمی فراهم می‌کند [11].

اجزاء مهم در STEM یک تفنگ الکترونی برای به‌دست آوردن اشعه الکترونی براقتر و یک سری عدسی برای ایجاد پروب کوچک است. به منظور به دست آوردن پروب الکترونی کوچکتر و براقتر، به تفنگ‌های الکترونی با براقییت بالا FEG [9] نیاز است [4]. استفاده از STEM برای مشخصه‌یابی مواد در مقیاس اتمی ضروری است، برای مثال مشخصه‌یابی در عیوب، فصل مشترک‌ها، یا حتی در کریستال‌های معیوب. با این حال اندازه‌گیری فاصله‌ی ستون‌های اتمی یا جابه‌جایی‌ها در حضور رانش نمونه، مختل شده است. در حین تهیه تصویر، رانش، اعوجاج‌هایی متناسب با سرعت رانش ارائه می‌دهد که مانع اندازه‌گیری‌های ساختار اتمی دقیق می‌شود. اگر چه تجهیزات STEM مدرن برای کاهش ارتعاش، جریان هوا، و نوسانات درجه حرارت بهینه شده‌اند، اما هنوز برخی نمونه‌ها رانش دارند [12].

 

3-    آشکارسازها
تطبیق پذیری STEM بر اساس توانایی آن در آشکار کردن انواع سیگنال‌ها با منشاء متفاوت است. علاوه‌بر این، برهمکنش غیر الاستیک الکترون‌ها با ماده مانند الکترون‌هایی که انرژی مشخصی را از دست می‌دهند، الکترون‌های ثانویه، اشعه ایکس و الکترون‌های پراکنده یا پراشیده شده به صورت الاستیک می‌توانند در یک روش مشابه مانند TEMهای سنتی، استفاده شوند. تصاویر از طریق اندازه‌گیری شدت این الکترون‌ها با استفاده از آشکارسازهای میدان روشن (BF) دیسک مانند و میدان تاریک زاویه‌ای (ADF) قرار گرفته در زیر نمونه ایجاد می‌شوند. فاصله‌های مختلف آشکارساز از محور نوری میکروسکوپ، به عنوان مثال استفاده از محدوده‌های زاویه‌ای مختلف در فضای متقابل، اجازه‌ی جمع‌آوری (اغلب به صورت همزمان) الکترون‌هایی را می‌دهد که انواع مختلفی از اطلاعات را حمل می‌کنند (شکل 2 الف و ب). اگرچه قطر آشکارساز ADF کوچک است، الکترون‌هایی که به طور عمده پراکنده می‌شوند، اندازه‌گیری می‌شوند. در مقابل، قطرهای بزرگ منجر به تصاویر ضبط شده با الکترون‌هایی که به صورت غیر متجانس در زوایای بالا پراکنده شده‌اند، می‌شود (HAADF–STEM). در این مورد، شدتِ یک موقعیت معین بر روی نمونه، وابسته به پتانسیل پراکندگی آن قسمت از نمونه است (کانتراست عدد اتمی). اگر نیم زاویه همگرایی برخوردی کوچک باشد (شکل 2 الف) ، تصاویر BF-STEM مطابق با تصاویر BF–TEM خواهد بود که اطلاعات عمده‌ی موجود در اشعه‌ی مستقیم را حمل می‌کنند، که شامل کانتراست پراش و ضخامت-جرم است. همچنین به خوبی مشخص است که اطلاعات کانتراست فاز[10] (PC) نیز انتقال داده می‌شود اما برای استخراج آن با یک نسبت سیگنال به نویز مناسب، یک زاویه همگرای بزرک اشعه الکترون‌های ورودی و یک آشکارساز BF کوچک ضروری است. به علت این آشکارساز BF کوچک، کانتراست فاز در BF–STEM، یک روش تصویربرداری ناکارامد در نظر گرفته می‌شود چرا که تنها از کسر کوچکی از الکترون‌هایی که از نمونه عبور می‌کنند استفاده می‌کند [13].

خوشبختانه تصحیح نقص کرویِ عدسی‌های تشکیل دهنده‌ی پروب، اجازه‌ی افزایش زاویه روشنایی α در STEM را می‌دهد که یک پیش نیاز برای PC–STEM است. برای این مورد (شکل 3 الف و ب) ، زاویه جمع‌آوری β در STEM که به‌وسیله‌ی قطر آشکارساز BF تعریف می‌شود، یک پارامتر خیلی مهم است زیرا مقدار کانتراست فاز شرکت‌کننده در تشکیل تصویر را تعیین می‌کند. در آزمایش‌های واقعی با میکروسکوپ STEM مدرن، زوایای جمع‌آوری مختلف در تصویربرداری BF و ADF اغلب به‌وسیله‌ی دو آشکارساز انجام می‌شود. یعنی یکی برای تصویربرداری Bf و یکی برای تصویربرداری DF، اما تنظیمات مختلف یک سیستم عدسی پروژکتور اضافی با یک روزنه‌ی قرار گرفته در ستون میکروسکوپ بینِ نمونه و آشکارسازها، زوایایِ جمع‌آوری مورد نظر را ایجاد می‌کند. در شکل 3 (ب) ، آشکارسازهای BF مختلف به صورت شماتیک نشان داده شده‌اند [13]. تصویربرداری میدان تاریک حلقوی با قدرت تفکیک اتمی که در آن یک آشکارساز حلقوی در سطح بیرونیِ ناحیه میدان روشن قرار می‌گیرد، اجازه‌ی تصویربرداری ستونی قابل تفسیر به صورت مستقیم در STEM را می‌دهد. بنابراین این نوع تصویر‌برداری به علت مستقیم بودن تصویر (هم‌راستا بودن تصویر و نمونه و عدم چرخش تصویر) یک روش امیدبخش برای آنالیز ساختاری کریستال‌ها به صورت موضعی است [14, 15].

اهمیت علمی و فناورانه عناصر سبک در طیف متنوعی از مواد (اکسیژن در ابر رساناها، لیتیم در مواد باتری، هیدروژن در مواد ذخیره‌سازی هیدروژن) تصویربرداری از این عناصر در مشخصه‌یابی مواد را بسیار مطلوب کرده است. برای آنالیز ساختاری با رزولوشن اتمی، تصویر‌برداری میدان تاریک زاویه‌ای (ADF) در STEM، تصاویر قابل تفسیر به صورت مستقیم و قوی‌ای ایجاد می‌کند، اما کانتراست غالبِ پراکندگی حرارتی[11]، به شدت در عناصر سنگین روی می‌دهد. تصویربرداری ADF اخیراً به‌وسیله‌ی توسعه‌ی تصویربرداری میدان روشن زاویه‌ای[12] (ABF) کامل شده است که شامل یک آشکارساز زاویه‌ای در ناحیه‌ی بیرونی میدان روشن (به سمت ناحیه پراکندگی) است و امکان تصویربرداری همزمان از عناصر سبک و سنگین با کنتراست مشابه را دارد. یک رویکرد مشابه دیگر، تصویربرداری میدان روشن با زاویه متوسط[13] (MaBF) است که شامل یک آشکارساز بر روی محور دیسک با زاویه بیرونی در حدود نیمی از زاویه دیافراگم تشکیل دهنده پروب (از این رو "متوسط") است و عناصر سبک و سنگین با کانتراست متضاد با رزولوشن بهتر را نشان می‌دهد. تصاویر MaBF و ADF می‌توانند به منظور کمک به تفسیر چشمی، به صورت تصاویر کامپوزیتی رنگی ترکیب شوند [16-18].

 

4-    تصویربرداری کانتراست Z در STEM
اکثر تصاویر STEM، با استفاده از یک آشکارساز میدان تاریک حلقوی با زاویه ی بالا (HAADF) ایجاد می‌شوند که در آن پراکندگی متناسب با سطح مقطع پراکنده کننده‌ی رادرفورد است. به این نوع، تصویربرداری کانتراست عدد اتمی[14] گفته می‌شود چرا که وابستگی توان دوم Z2 به عدد اتمی مرکز پراکنده‌کننده دارد. همان طور که ذکر شد، یک تصویر کانتراست عدد اتمی، از طریق جمع‌آوری پراکندگی زاویه بالا بر روی یک آشکارساز حلقوی و نمایشِ همزمانِ خروجیِ یک پارچه بر روی صفحه‌ی تلویزیون یا رایانه در حالیکه پروب الکترون سطح نمونه را روبش می‌کند، ایجاد می‌گردد. آشکارسازیِ شدت پراکنده شده در زوایای بالا و ادغام آن در سرتاسر یک محدوده‌ی زاویه‌ای بزرگ به طور مؤثر میانگین اثرات مرتبط بین ستون‌های اتمی در نمونه را به‌دست می‌آورد؛ در نظر گرفته می‌شود که هر اتم به طور مستقل با یک سطح مقطع وابسته به عدد اتمی، پراکنده می‌‌شود. این سطح مقطع، یک تابع شیءی[15] ایجاد می‌کند که در مکان‌های اتمی به شدت پیک می‌دهد. عرض کوچک این تابع شیءی (حدود 1/0 آنگستروم) بدین معناست که قدرت تفکیک فضایی، فقط به‌وسیله‌ی اندازه پروب میکروسکوپ محدود شده است. برای یک ماده کریستالی در جهت محور منطقه که فاصله‌ی اتمی بزرگتر از اندازه پروب است، ستون‌های اتمی می‌توانند به صورت جداگانه روشن شوند. بنابراین، چنانچه پروب در سرتاسر نمونه روبش شود، یک نقشه ترکیبی با قدرت تفکیک اتمی تولید می‌شود که در آن، شدت وابسته به عدد اتمی میانگین اتم‌ها در ستون است. یک ویژگی مهم این روش این است که تغییر در فکوس و ضخامت سبب معکوس شدن کانتراست در تصویر نمی‌شود؛ بنابراین مکان‌های اتمی می‌توانند به روشنی در حین آزمایش مشخص گردند. از آنجا که تصاویر می‌توانند مستقیماً در زمان حال در حین کار بر روی میکروسکوپ تفسیر شوند، می‌توان پروب را در موقعیتی قرار داد که بتوان طیف افت انرژی الکترون از موقعیت‌های تعیین شده در ساختار را به‌دست آورد؛ بنابراین یک آنالیز طیفی کامل در ارتباط با تصویر در مقیاس اتمی صورت می‌گیرد [19].

 

5-    مثال‌هایی از کاربرد STEM در فناوری نانو و علم مواد
تصویربرداری مستقیم از اتم‌های منفرد، یا آرایش آن‌ها بر روی سطح و برهمکنش آن‌ها با بالکِ یک نمونه، مدت زیادی است که به عنوان یک نیاز و نیز یک چالش برای میکروسکوپ و جامعه‌ی پژوهشی شناخته شده است. میکروسکوپ تونلی–روبشی مدرن[16]، قدرت تفکیک اتمی فراهم می‌کند، اما فقط از سطح اتم‌های یک نمونه‌ی صاف. در مقابل، STEM می‌تواند از اتم‌ها در بالک تصویر بگیرد اما حساسیت سطحی کمی دارد، درحالیکه میکروسکوپ الکترونی روبشی مدرن (SEM) می‌تواند مورفولوژی سطح را بگیرد اما قدرت تفکیک اتمی ارائه نمی‌کند. در SEM، تصویربرداری الکترون ثانویه، متداول‌ترین حالت عملیاتی است و معمولاً برای آشکار کردن توپوگرافی سطح نمونه استفاده می‌شود. سیستم نوری الکترون، دستیابی هم‌زمان به تصاویر اتمی از روی سطح (با استفاده از الکترون‌های ثانویه) و بالک نمونه (با استفاده از الکترون‌های عبوری و به صورت الاستیک پراکنده شده) را قادر می‌سازد، بنابراین دری برای محدوده‌ی وسیعی از کاربردها در علوم فیزیک و علوم زیستی باز می‌شود. به عنوان مثال در شکل 4، اتم‌های منفرد اورانیوم (درون دایره) و کلاسترهای اتم اورانیوم بر روی یک لایه‌ی حمایت کننده‌ی کربنی به صورت هم زمان با استفاده ابزار تولید‌کننده پروب روبشی nm 1/0، پراکندگی رو به جلو (شکل بالا سمت راست) و پراکندگی به عقب (شکل پایین سمت راست) ، تصویربرداری شده‌اند. شکل سمت راست وسط، قرارگیری تصاویر الکترون ثانویه (سبز) و ADF (قرمز) بر روی هم را نشان می‌دهد. نقاط قرمز که در (الف) حضور دارند اما در (ب) حضور ندارند، فرض می‌شود که در کف ماده قرار دارند. توانایی نشان دادن اتم‌های سطح و بالکِ ماده به صورت هم‌زمان، یک بُعد جدید در تحقیقات نانومواد به ارمغان می‌آورد؛ برای مثال ممکن است یک روز این امکان را به ما بدهد که مکان‌های فعالِ یک کاتالیست در حین فرآیند شیمیایی را تعیین کنیم [20]. میکروسکوپ الکترونی روبشی -عبوریِ نمونه‌ها در مایع، با استفاده از محفظه‌ی میکرو سیال با پنجره‌ی نیترید سیلیکون نازک نیز امکان‌پذیر است [21-23].

تصویر کانتراست عدد اتمی منحصراً برای تصویربرداری ذرات کاتالیست با عدد اتمی بالا که اغلب برای رشد نانولوله‌ها استفاده می‌شود مناسب است. شکل 5 (الف) ذرات کاتالیست Co–Ni در یک شبکه‌ی نانولوله‌های تک جداره را نشان می‌دهد. کوچکترین ذرات مشاهده شده قطر 2 نانومتر داشتند. نشان داده شده که در این مورد، قطر نانولوله‌ها به‌وسیله‌ی قطر ذرات دیکته نمی‌شود. شکل 5 (ب) یک ذره‌ی کاتالیست به قطر 2 نانو‌متر با پروفایل ترکیبِ به دست آمده به‌وسیله‌ی EELS را نشان می‌دهد. نسبت کبالت به نیکل در سرتاسر نانوذره ثابت است که نشان دهنده‌ی یک ترکیب آلیاژ یکنواخت است. شدت سیگنال EELS در مرکز نانوذره بالاتر است که نشان دهنده‌ی یک شکل ذره‌ی سه بعدی است. میکروسکوپ هرگز نمی‌تواند فرآیند هسته‌زایی را نشان دهد، اما تئوری می‌تواند فرآیندهای کاندید برای تعیین اینکه آیا از نظر انرژی مطلوب است، را بررسی کند. لوله خارج از قطره‌ی کوچک کربن–فلز خنک‌کننده رشد می‌کند، به طوری که دما به زیر نقطه‌ی یوتکتیک افت می‌کند. تئوری برای محاسبه‌ی انرژی ساختارهای آزمایشی مختلف استفاده می‌شود، از جمله ورقه‌های گرافیت، نیم کُره‌های فولرین[17]، و کُره‌ها فولرین، روی سطح فلز یا سطح آزاد. نیروی محرکه‌ی اصلی، انرژی بسیار بالای پیوند اتصال کربن است. بدون فلز، فولرین کمترین انرژی را دارد، اما در حضور فلز مطلوب است که باندهای اتصال در فلز دفن می‌شوند و کلاهک یا نانولوله‌ی بسته شده از نظر انرژی ترجیح داده می‌شود. محاسبات نشان می‌دهد که مطلوب است واحدهای پنج ضلعی درون صفحات گرافیتی از مراحل بسیار اولیه‌ی رشد، ایجاد شود، زیرا اجازه می‌دهد که صفحه خم و باندهای اتصال انرژی بالا در پیرامون آن دفن شود. شکل 5 (ج) تصویربرداری از اتم‌های یُد درج شده درون نانولوله‌های تک جداره را نشان می‌دهد [1]. خواص فیزیکی و شیمیایی نانوذرات به‌وسیله‌ی موفولوژی سه‌بعدی دقیق، ترکیب و ساختار آن‌ها کنترل می‌شود. بنابراین، روش‌های مشخصه‌یابی برای تعیین آرایش همه‌ی اتم‌ها در سه بعد نیاز است. هنگامیکه تصاویر متعدد از جهات کریستالوگرافی مختلف گرفته می‌شود یا حتی هنگام بررسی کردن تصاویر سیگنال، شمارش اتم با استفاده از ADF-STEM کارایی زیادی برای مشخصه‌یابی ساختار سه‌بعدی اتمی دارد. در واقع تصاویر ADF-STEM با قدرت تفکیک اتمی به شدت به تعداد ستون‌ها حساس هستند و بنابراین می‌توانند برای شمارش تعداد اتم‌ها در هر ستون اتمی استفاده شوند [24].

تصویربرداری کانتراست Z غلظت‌های کم از ناخالصی با عدد اتمی بالا را به طور مستقیم نشان می‌دهد. شکل 6 یک تصویر کانتراست عدد اتمی از یک مرزدانه در Si، بعد از دوپ شدن با As را نشان می‌دهد. ساختار اتمی مرزدانه به طور مستقیم از موقعیت نقاط روشن در تصویر تعیین می‌شود که نسبت به تمام ساختارهایی که قبلاً پیشنهاد شده است، متفاوت‌ است. این مرزدانه شامل یک توالی پیوسته از هسته‌های نابجایی است. یک نابجایی لبه‌ای کامل (1) و دو نابجایی مخلوط کامل (2 و3) به صورت یک دوقطبی مرتب شده‌اند و همان توالی به صورت آینه‌ای در میان صفحه‌ی مرزی تکرار می‌شود (׳1، ׳2 و ׳3). این نابجایی‌ها به عنوان یک آرایه‌ی پیوسته از آرایش‌های سه تایی و پنج ضلعی از ستون‌های اتمی ظاهر می‌شوند. یکی از هسته‌های نابجایی حاوی ستون‌هایی است که 20% براق‌تر از میانگین ستون‌های مشابه دیگر است، این ستون نشان دهنده‌ی اتم‌های As است. این افزایش شدت نور مطابق با میانگین غلظت فقط 5% As است، یعنی حدود 2 اتم As در هر ستون اتمی [25]. برخی از تحقیقات صورت گرفته به کمک میکروسکوپ STEM در جدول 1 به صورت خلاصه آورده شده است [26-43].

 

6-    خلاصه و نتیجه‌گیری
شناخته شده‌ترین پیشرفت در میکروسکوپی الکترونی در سال‌های اخیر STEM است. قاعده‌ی اصلی STEM، استفاده از عدسی‌های الکترون برای ایجاد یک اشعه‌ی متمرکز کوچک (باریکه) از الکترون‌ها بر روی سطح نمونه است. با روبشِ این پروب الکترونی در سرتاسر سطح نمونه، الکترون‌هایی که به‌وسیله‌ی نمونه پراکنده شده‌اند در یک سری آشکارساز جمع‌آوری می‌شوند. این آشکارسازها محدوده‌های زاویه‌ای مختلف را پوشش می‌دهند. بنابراین سیگنال در هر آشکارساز حاوی بخش‌های مختلفی از فیزیکِ برهمکنش بین اشعه و نمونه است. سیگنال‌‌های مختلفی که از سطح مشخصی از نمونه تولید می‌شوند، می‌توانند به‌طور جداگانه یا همزمان جمع آوری شوند و برای به‌دست آوردن اطلاعات تکمیلی از نمونه مورد استفاده قرار گیرند. از آنجاییکه هیچ چرخشی بین صفحات شییء و تصویر وجود ندارد، بزرگنمایی میکروسکوپ می‌تواند بدون کانونی کردن مجدد باریکه الکترونی برای حصول یک تصویر کانونی، تغییر داده شود. قدرت تفکیک تصاویر STEM به‌وسیله‌ی اندازه باریکه برخوردی، پایداری میکروسکوپ و ویژگی‌های ذاتی فرایندهای تولید سیگنال تعیین می‌‌شود. قابلیت مهم دستگاه‌های STEM، تشکیل باریکه‌هایی با روشنایی بالاست. برای ایجاد چنین باریکه الکترونی نانومتری، استفاده از تفنگ نشر میدانی (FEG) برای ایجاد سیگنال‌های قوی به منظور مشاهده و ثبت تصاویر، طیف‌ها و الگوهای تفرق در STEM ضروری است. با جمع‌آوری الکترون‌های تفرق یافته با زاویه زیاد به‌وسیله‌ی یک آشکارساز حلقوی، تصاویر زمینه تاریک حلقوی با زاویه زیاد (HAADF) یا تصاویر کنتراست Z برای به‌دست آوردن اطلاعاتی از تغییرات ساختاری و ترکیب در مقیاس اتمی، به‌دست می‌آیند. با توجه به رزولوشن اتمی STEM و قابلیت ترکیب شیمیایی اتم‌های منفرد به‌وسیله‌ی EELS-STEM، این میکروسکوپ کاربردهایی در علم مواد و نانومواد و فناوری نانو پیدا کرده است.

 

 منابع

 
1.         S. J. Pennycook, A. R. Lupini, M. Varela, A. Y. Borisevich, Y. Peng, M. P. Oxley, K. van Benthem and M. F. Chisholm, Scanning Transmission Electron Microscopy for Nanostructure Characterization, first ed., Springer, (2007).

2.         U. Bangert, M. Gass, R. Zan and T. P. Cheng, Scanning Transmission Electron Microscopy and

3.          P. D. Nellist, Scanning Transmission Electron Microscopy, Springer-Verlag New York, (2007).

4.         N. Tanaka and K. Saitoh, Basics of STEM. Scanning Transmission Electron Microscopy of Nanomaterials, first ed.,Imperial College Press, (2014).

5. P. D. Nellist, M. F. Chisholm, N. Dellby, O. L. Krivanek, M. F. Murfitt, Z. S. Szilagyi and A. R. Lupini, Science,305 (2004) 1741-1744.

6.         J. P. Buban, Q. Ramasse and B. Gipson, Journal of Electron Microscopy, 59 (2010) 12-103.

7.         R.F. Egerton, Rep. Prog. Phys.,72 (2009) 1-25.

8.         H. Daniels, A. Brown, A. Scott, Ultramicroscopy,96 (2003) 523-534.

9.         D.T. Nguyen, S.D. Findlay, and J. Etheridge, Ultramicroscopy,146 (2014) 6-16.

10.  G.T. Martinez, A. Rosenauer, A. De Backer, Ultramicroscopy,137 (2014) 12-19.

11.  G.T. Martinez, A. Rosenauer, A. De Backer, Micron,63 (2014) 57-63.

12.       X. Sang, and J.M. LeBeau, Ultramicroscopy,138 (2014) 28-35.

13.       F. Krumeich, E. MUller, and R.A. Wepf, Micron,49 (2013) 1-14

14.       S.D. Findlay, N. R. Lugg, N. Shibata, L. J. Allen, and Y. Ikuhara, Ultramicroscopy,111 (2011) 1144-1154.

15.       K. Kimoto,T. Asaka, X. Yu, T. Nagai, Ultramicroscopy,110 (2010) 778-782.

16.       S.D. Findlay, Y. Kohno, L. A. Cardamone, Ultramicroscopy,136 (2014) 31-41.

17.       M. Ohtsuka,T. Yamazaki, Y. Kotaka, Ultramicroscopy,120 (2012) 48-55.

18.       S.D. Findlay, N. Shibata, H. Sawada, E, Okunishi, Y. Kondo, Ultramicroscopy,110 (2010) 903-923.

19.       N. D. Browning, J. P. Buban, M. Chi and B. Gipson, Springer, (2012) 11-40.

20.       H. Inada, D. Su, R. F. Egerton, M. Konno, Ultramicroscopy,111 (2011) 865-876.

21.       T. Schuh, and N. Jonge, Comptes Rendus Physique,15 (2014) 214-223.

22.       E.A. Ring, and N. de Jonge, Micron, 43 (2012) 1078-1084.

23.       J.E. Evans, K. L. Jungjohann, P. C. K. Wong, Micron 43 (2012) 1085-1090.

24.       A. Backer, G. T. Martinez, K. E. Macarthur, Ultramicroscopy, 151 (2015) 56-61.

25.       S J. Pennycook and P.D. Nellist, springer, (1999) 161-207.

26.       F. Niekiel, P. Schweizer, S. M. Kraschewski, B. Butz, E. Spiecker, Acta Materialia, 90 (2015) 118-132.

27.       T. Nakamura, N. Hiyoshi, H. Hayashi, T. Ebina, Materials Letters,139 (2015) 271-274.

28.       Z. Liu, T. Hashimoto, I. Tsai, G. E. Thompson, P. Skeldon, H. Liu, Vacuum,115 (2015) 19-22.

29.       S. Kim, Y. jung, J. K. Joong, L. Sunyoung, L. Haebum, Journal of Alloys and Compounds,618 (2015) 545-550.

30.       E. Gallegos-Suarez, A. Guerrero-Ruiz, M. Fernandez-Garcia, I. Rodriguez-Ramos, A. Kubacka, Applied Catalysis B: Environmental,165 (2015) 139-148.

31.       D. Sorensen, B. Q. Li, W. W. Gerberich, K. A. Mkhoyan, Acta Materialia,63 (2014) 63-72.

32.       J.C. Sabol, C. J. Marvel, M. Watanabe, T. Pasang, W. Z. Misiolek, Scripta Materialia ,92 (2014) 15-18.

33.       E. Rotunno, M. Albrecht, T. Markurt, T. Remmele, V. Grillo, Ultramicroscopy,146 (2014) 62-70.

34.       N.L. Okamoto, A. Yasuhara, and H. Inui, Acta Materialia, 81 (2014) 345-357.

35.       M.A. Asoro, P.J. Ferreira, and D. Kovar, Acta Materialia,81 (2014) 173-183.

36.       S.J. Zheng, X. L. Ma, T. Yamamoto, Y. Ikuhara, Acta Materialia,. 61 (2013) 2298-2307.

37.       F. Krumeich, et al., Journal of Solid State Chemistry, 194 (2012) 106-112.

38.       J.C. Idrobo, W. Walkosz, R. F. Klie, S. Ogut, Ultramicroscopy,123 (2012) 74-79.

39.       R. Bjorge, C. Dwyer, M. Weyland, Acta Materialia, 60 (2012) 3239-3264.

40.       H. Yurdakul, J. C. Idrobo, S. J. Pennycook, Scripta Materialia, 65 (2011) 656-659.

41.       A. Rosenauer, T. Mehrtens, K. Muller, K. Gries, Ultramicroscopy,111 (2011) 1316-1327.

42.       C. Angeles-Chavez, P. Salas, T. Lopez-Luke, E. Rosa, Vacuum,84 (2010) 1226-1231.

43.       R. Bjorge, P. N. H. Nakashima, C. D. Marioara, S. J. Andersen, B. C. Muddle, J. Etheridge, R. Holmestad, Acta Materialia,59 (2011) 6103-6109.