میکروسکوپ الکترونی: سفری به اعماق نانومترها + انواع و کاربردها

احتمالا در آزمایشگاه‌های مدارس و دانشگاه‌ها با میکروسکوپ‌های نوری آشنا هستید. این میکروسکوپ‌ها با استفاده از نور، تصاویر را تا حدود 2000 برابر بزرگ‌تر نشان می‌دهند و قدرت تفکیک آن‌ها حدود 200 نانومتر است. اما میکروسکوپ الکترونی، ابزاری بسیار قدرتمندتر، به جای نور از پرتوهای الکترونی برای ایجاد تصویر استفاده می‌کند.

بزرگنمایی میکروسکوپ الکترونی می‌تواند تا 10,000,000 برابر افزایش یابد و قدرت تفکیک آن به 50 پیکومتر (0.05 نانومتر) می‌رسد. این به معنای مشاهده جزئیاتی است که با میکروسکوپ نوری به هیچ وجه قابل رویت نیستند. به این ترتیب، میکروسکوپ الکترونی امکان بررسی دقیق ساختار مواد در مقیاس اتمی و مولکولی را فراهم می‌آورد و کاربردهای فراوانی در علوم مختلف از جمله زیست‌شناسی، مواد، و پزشکی دارد.

بزرگنمایی میکروسکوپ الکترونی و نحوه عملکرد آن

میکروسکوپ الکترونی در مقایسه با میکروسکوپ نوری، مزایای قابل توجهی دارد: بزرگنمایی و قدرت تفکیک بسیار بالاتر. با این حال، معایبی نیز وجود دارد: هزینه و ابعاد بزرگ دستگاه، نیاز به آموزش تخصصی برای آماده‌سازی نمونه‌ها و کار با میکروسکوپ، و لزوم مشاهده نمونه‌ها در خلاء (اگرچه امکان استفاده از برخی نمونه‌های هیدراته نیز وجود دارد).

برای درک بهتر نحوه عملکرد میکروسکوپ الکترونی، می‌توان آن را با یک میکروسکوپ نوری مقایسه کرد. در میکروسکوپ نوری، شما از طریق یک عدسی چشمی و لنزها، تصویر بزرگ شده یک نمونه را مشاهده می‌کنید. این سیستم از یک نمونه، لنزها، یک منبع نور و تصویری که قابل دیدن است تشکیل شده است.

در میکروسکوپ الکترونی، یک پرتو الکترونی جایگزین نور می‌شود. نمونه باید به طور ویژه آماده شود تا الکترون‌ها بتوانند با آن تعامل داشته باشند. هوای داخل محفظه نمونه تخلیه می‌شود تا خلاء ایجاد شود، زیرا الکترون‌ها در گاز مسافت زیادی را طی نمی‌کنند. به جای لنزها، از سیم‌پیچ‌های الکترومغناطیسی برای متمرکز کردن پرتو الکترونی استفاده می‌شود. این الکترومغناطیس‌ها پرتو الکترونی را خم می‌کنند، درست مانند لنزها که نور را خم می‌کنند. تصویر توسط الکترون‌ها ایجاد می‌شود، بنابراین یا با گرفتن یک عکس (میکروگراف الکترونی) یا با مشاهده نمونه از طریق مانیتور دیده می‌شود.

به طور کلی سه نوع اصلی میکروسکوپ الکترونی وجود دارد که بر اساس نحوه تشکیل تصویر، نحوه آماده‌سازی نمونه و قدرت تفکیک تصویر، متفاوت هستند: میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM)، میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) و میکروسکوپ تونلی روبشی (STM).

میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM)

میکروسکوپ‌های الکترونی عبوری (TEM) اولین نوع میکروسکوپ‌های الکترونی بودند که اختراع شدند. در TEM، یک پرتو الکترونی با ولتاژ بالا به طور جزئی از یک نمونه بسیار نازک عبور داده می‌شود تا تصویری روی یک صفحه عکاسی، حسگر یا صفحه فلورسنت تشکیل شود. تصویر ایجاد شده دو بعدی و سیاه و سفید است، چیزی شبیه به عکس رادیولوژی. مزیت این تکنیک این است که قادر به بزرگنمایی و قدرت تفکیک بسیار بالا است (تقریباً یک مرتبه بهتر از SEM). عیب اصلی آن این است که بهترین عملکرد را با نمونه‌های بسیار نازک دارد. به همین دلیل آماده‌سازی نمونه در TEM از اهمیت بالایی برخوردار است.

میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)

در میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)، پرتو الکترونی در یک الگوی شطرنجی (raster) بر روی سطح نمونه اسکن می‌شود. تصویر با استفاده از الکترون‌های ثانویه که از سطح نمونه و در اثر تحریک توسط پرتو الکترونی ساطع می‌شوند، شکل می‌گیرد. آشکارساز، سیگنال‌های الکترونی را نگاشت می‌کند و تصویری ایجاد می‌کند که علاوه بر ساختار سطح، عمق میدان را نیز نشان می‌دهد.

در حالی که قدرت تفکیک SEM از TEM کمتر است، اما دو مزیت بزرگ دارد. اول، تصویر سه بعدی از نمونه ایجاد می‌کند. دوم، می‌توان از آن بر روی نمونه‌های ضخیم‌تر استفاده کرد، زیرا فقط سطح اسکن می‌شود. بنابراین، SEM برای بررسی توپوگرافی سطحی مواد بسیار مناسب است.

در هر دو روش TEM و SEM، مهم است توجه داشته باشیم که تصویر لزوماً نمایش دقیقی از نمونه نیست. نمونه ممکن است به دلیل آماده‌سازی برای میکروسکوپ، قرار گرفتن در معرض خلاء یا قرار گرفتن در معرض پرتو الکترونی، تغییراتی را تجربه کند.

میکروسکوپ تونلی روبشی (STM)

میکروسکوپ تونلی روبشی (STM) از سطوح در مقیاس اتمی تصویربرداری می‌کند. این تنها نوع میکروسکوپ الکترونی است که می‌تواند از اتم‌های منفرد تصویربرداری کند. قدرت تفکیک آن حدود 0.1 نانومتر با عمق حدود 0.01 نانومتر است. STM نه تنها در خلاء، بلکه در هوا، آب و سایر گازها و مایعات نیز قابل استفاده است. همچنین، می‌توان از آن در محدوده دمایی وسیعی، از نزدیک به صفر مطلق تا بیش از 1000 درجه سانتیگراد استفاده کرد.

عملکرد STM بر اساس تونل‌زنی کوانتومی است. یک نوک رسانای الکتریکی به سطح نمونه نزدیک می‌شود. هنگامی که اختلاف ولتاژی اعمال می‌شود، الکترون‌ها می‌توانند بین نوک و نمونه تونل بزنند. تغییر جریان نوک هنگام اسکن آن در سراسر نمونه اندازه‌گیری می‌شود تا یک تصویر تشکیل شود. برخلاف سایر انواع میکروسکوپ الکترونی، این ابزار مقرون به صرفه و به راحتی ساخته می‌شود. با این حال، STM به نمونه‌های بسیار تمیز نیاز دارد و راه‌اندازی آن می‌تواند دشوار باشد.

گرد بینینگ و هاینریش رورر به دلیل توسعه میکروسکوپ تونلی روبشی، جایزه نوبل فیزیک سال 1986 را دریافت کردند.