میکروسکوپ الکترونی روبشی

میکروسکوپ الکترونی

0

میکروسکوپ الکترونی روبشی روشی عالی برای مشاهده سطح سلول ها و اندام ها است و جزئیات نفیس از پیش بینی های سطح را ارائه می دهد.

دیدن با الکترون

ساختار اتمی که پروتون ها ، نوترون ها و الکترون ها را نشان می دهد

عکس: درون یک اتم: الکترون ها ذره هایی هستند که در پوسته ها (مدارهای مداری) اطراف هسته (مرکز) قرار دارند.

در این مقاله ما می توانیم اشیاء جهان را در اطراف خود ببینیم زیرا پرتوهای نوری (یا از خورشید یا از منبع نور دیگری ، مانند یک لامپ دسک تاپ) آنها را منعکس می کنند و به چشم ما می خورند. هیچ کس واقعاً نمی داند که نور چگونه است ، اما دانشمندان بر این عقیده اند که نوعی شخصیت شکافته دارد. آنها دوست دارند این ذرات موج را دوگانگی بنامند ، اما ایده اصلی بسیار ساده تر از آن است که به نظر می رسد. بعضی اوقات نور مانند قطار موج رفتار می کند – دقیقاً مثل موج هایی که از طریق دریا می روند. در موارد دیگر ، بیشتر شبیه جریان ثابت ذرات است – در صورت تمایل ، بمباران توپ های میکروسکوپی. شما می توانید این کلمات را روی صفحه رایانه خود بخوانید زیرا ذرات سبک از صفحه نمایش پخش می شوند به چشمان شما در یک نوع توده ، طوفان افقی! ما این ذرات مجزا را از فوتون های نور می نامیم : هر کدام یک بسته کوچک از انرژی الکترومغناطیسی هستند .

اگر می خواهید به مواردی که از اتم ها بزرگتر هستند ، دیدن با فوتون ها خوب است. اما اگر می خواهید چیزهای کوچکتر ببینید ، فوتون ها بسیار دست و پا چلفتی و بی فایده هستند. فقط تصور کنید اگر شما یک نجار ارباب چوب بودید ، در سراسر جهان برای مبلمان منبت کاری شده ای که ساخته اید مشهور است. برای حک کردن چنین جزئیات ریز ، به ابزارهای کوچک و تیز و دقیق و کوچکتر از الگوی مورد نظر خود نیاز دارید. اگر همه شما با سورتمه کش و لکه دار بودید ، حک کردن مبلمان پیچیده غیرممکن است. قانون اساسی این است که ابزارهایی که شما استفاده می کنید باید کوچکتر از چیزهایی باشد که از آنها استفاده می کنید.

و همین موضوع برای علم نیز پیش می رود. کوچکترین چیزی که می توانید با میکروسکوپ مشاهده کنید ، توسط نوری که از درون آن می درخشد (تا حدودی) مشخص می شود. یک میکروسکوپ نوری معمولی از فوتون های نور استفاده می کند ، که معادل امواج با طول موج تقریبا ۴۰۰-۷۰۰ نانومتر است . برای مطالعه چیزی مثل موی انسان ، که تقریباً ۱۰۰ برابر بزرگتر است (قطر ۵۰،۰۰۰-۱۰۰،۰۰۰ نانومتر) ، خوب است. اما در مورد باکتری هایی که ۲۰۰ نانومتر از آن عبور کرده اند یا پروتئین فقط ۱۰ نانومتر طول دارد ، چه می توان گفت؟ اگر می خواهید چیزهای کاملاً ریز و جزئی را ببینید که “از نور کوچکتر هستند” (از طول موج فوتون ها کوچکتر هستند) ، باید از ذراتی استفاده کنید که دارای طول موج حتی کوتاه تر از فوتون ها باشند: به عبارت دیگر ، شما باید از الکترون ها استفاده کنید. همانطور که احتمالاً می دانید ، الکترون ها ذره ای با بار دقیقه هستند که نواحی بیرونی اتم ها را اشغال می کنند . (آنها همچنین ذراتی هستند که در مدارها الکتریسیته حمل می کنند .) در میکروسکوپ الکترونی ، جریانی از الکترون ها جای پرتوی نور را می گیرند. یک الکترون دارای طول موج معادل تقریبا بیش از ۱ نانومتر است که به ما امکان می دهد چیزهایی کوچکتر از خود نور (کوچکتر از طول موج فوتون های نور) مشاهده کنیم.

میکروسکوپ های الکترونی چگونه کار می کنند

اگر تاکنون از میکروسکوپ معمولی استفاده کرده اید ، می دانید که ایده اولیه ساده است. در پایین یک چراغ وجود دارد که از طریق یک برش نازک از نمونه به سمت بالا می درخشد. شما می توانید از یک چشم و یک لنز قدرتمند دیدن کنید تا تصویری بزرگنمایی شده از نمونه را ببینید (معمولاً ۱۰ تا ۲۰۰ برابر بزرگتر). بنابراین اساساً چهار قسمت مهم برای یک میکروسکوپ معمولی وجود دارد:

  1. منبع نور.
  2. نمونه
  3. لنزهایی که نمونه را بزرگتر می کنند.
  4. تصویر ذره بین نمونه ای که مشاهده می کنید.

در میکروسکوپ الکترونی ، این چهار چیز کمی متفاوت است.

  1. منبع نور توسط پرتوی الکترونهای پر سرعت در حال تعویض است.
  2. نمونه معمولاً باید بطور ویژه در داخل محفظه خلائی که هوا از آن خارج شده تهیه و تهیه شود.
  3. لنزها با مجموعه ای از الکترومغناطیس های سیم پیچ شکل که از طریق آن پرتوی الکترون حرکت می کند ، جایگزین می شوند. در یک میکروسکوپ معمولی ، لنزهای شیشه ای پرتوهای نوری که از طریق آنها عبور می کنند را خم می کنند (یا آن را شکست می دهند) تا بزرگنمایی کنند. در میکروسکوپ الکترونی ، سیم پیچ ها پرتوهای الکترون را به همان روش خم می کنند.
  4. تصویر به صورت عکس (با نام میکروگراف الکترونی ) یا به عنوان تصویر روی صفحه تلویزیون تشکیل می شود .

این ایده اصلی و کلی میکروسکوپ الکترونی است. اما در واقع انواع مختلف میکروسکوپ الکترونی وجود دارد و همه آنها به روش های مختلفی کار می کنند. به سه نوع آشنا میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) ، میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEMs) و میکروسکوپ های تونلینگ اسکن (STMs) گفته می شود.

میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)

عکس: سمت چپ: مطالعه نمونه با میکروسکوپ الکترونی عبوری. تفنگ الکترونی در لوله خاکستری بلند در قسمت بالا قرار دارد. با تقدیر از مرکز تحقیقاتی گلن ناسا . راست یک میکروسکوپ الکترونی روبشی معمولی. تجهیزات اصلی میکروسکوپ در سمت چپ افراطی قرار دارد. می توانید تصویری که در دو صفحه نمایش داده می شود را مشاهده کنید. با احترام از مرکز تحقیقاتی لانگلی ناسا .

میکروسکوپ های الکترونیکی انتقال (TEM)

TEM ارتباط زیادی با میکروسکوپ نوری معمولی دارد. شما باید یک قطعه نازک از نمونه را کاملاً با دقت آماده کنید (این یک فرایند نسبتاً پر زحمت است) و آن را در یک محفظه خلاء در وسط دستگاه بنشینید. وقتی این کار را کردید ، یک تیر الکترونی را از روی نمونه از یک تفنگ الکترونی غول پیکر در بالا شلیک می کنید. این اسلحه از سیم پیچ های الکترومغناطیسی و ولتاژهای بالا (به طور معمول از ۵۰،۰۰۰ تا چند میلیون ولت) برای سرعت بخشیدن به الکترون ها به سرعت های بسیار بالا استفاده می کند. به لطف دوگانگی ذرات موج دوست قدیمی ما ، الکترون ها (که معمولاً به عنوان ذرات از آن فکر می کنیم) می توانند مانند امواج رفتار کنند (دقیقاً همانطور که امواج نور می توانند مانند ذرات رفتار کنند). هر چه سریعتر سفر شوند ، امواج تشکیل شده کوچکتر می شوند و تصاویری که نشان داده می شوند ، دقیق تر هستند. با رسیدن به حداکثر سرعت ، الکترونها از طریق نمونه و از طرف دیگر بزرگنمایی می کنند ، در آنجا کویل های بیشتر آنها را متمرکز می کنند تا تصویری را بر روی صفحه نمایش (برای مشاهده فوری) یا بر روی صفحه عکاسی (برای ایجاد یک ثبت دائمی از تصویر) تشکیل دهند. TEM ها قدرتمندترین میکروسکوپ الکترونی هستند: ما می توانیم از آنها برای دیدن موارد فقط ۱ استفاده کنیماندازه نانومتر ، بنابراین آنها به طور موثر توسط یک میلیون بار یا بیشتر بزرگنمایی می کنند.

نحوه کار میکروسکوپ الکترونی انتقال (TEM)

آثار هنری برچسب خورده نشان می دهد که چگونه میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) کار می کند.

میکروسکوپ الکترونی عبوری آتش سوزی یک پرتویی از الکترون ها از طریق یک نمونه برای تولید یک تصویر بزرگ از یک شی.

  1. منبع تغذیه با ولتاژ بالا ، کاتد را قدرت می دهد.
  2. کاتد یک رشته گرم است ، کمی شبیه به اسلحه الکترون در یک لوله قدیمی به روش اشعه کاتدی (CRT). این پرتو از الکترونها را تولید می کند که به روش مشابهی با پرتو نور در میکروسکوپ نوری کار می کند.
  3. سیم پیچ الکترومغناطیسی (اولین لنز) الکترون ها را در پرتوی قدرتمندتر متمرکز می کند.
  4. سیم پیچ الکترومغناطیسی دیگر (لنز دوم) پرتو را روی قسمت خاصی از نمونه متمرکز می کند.
  5. نمونه در وسط لوله میکروسکوپ اصلی روی یک شبکه مسی قرار می گیرد. تیر از نمونه عبور می کند و تصویری از آن را “جمع می کند”.
  6. لنز پروژکتور (لنز سوم) تصویر را بزرگ می کند.
  7. هنگامی که پرتوی الکترون روی صفحه دستگاه فلورسنت در پایه دستگاه برخورد می کند ، تصویر قابل مشاهده می شود. این مشابه صفحه نمایش فسفر در جلوی یک تلویزیون قدیمی است.
  8. تصویر را می توان به طور مستقیم (از طریق پورتال مشاهده) ، از طریق دوربین شکاری در کنار ، یا روی مانیتور تلویزیون متصل به یک تشدید کننده تصویر مشاهده کرد (که دیدن تصاویر ضعیف را آسان تر می کند).

میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)

بیشتر تصاویر میکروسکوپ الکترونی الکترونیکی که در کتاب ها مشاهده می کنید – چیزهایی مانند زنبورهایی که میکروچپ ها را در دهان خود نگه می دارند – توسط TEM ها ساخته نمی شوند بلکه توسط میکروسکوپ های الکترونیکی (SEM) اسکن می شوند ، که به منظور تهیه تصاویر از سطوح اشیاء ریز ساخته شده اند. دقیقاً مانند TEM ، بالای یک SEM یک اسلحه الکترونیکی قدرتمند است که یک تیر الکترونی را به سمت نمونه شلیک می کند. مجموعه ای از سیم پیچ های الکترومغناطیسی ، پرتو را به جلو و عقب می کشند ، آن را به آرامی و منظم در سطح نمونه اسکن می کنند. پرتوی الکترون به جای سفر از طریق نمونه ، مستقیماً مستقیماً آن را خاموش می کند. الکترونهایی که در آن نمونه منعکس شده اند (معروف به الکترون های ثانویه هستند) به صفحه نمایش داده می شوند ، شبیه به صفحه تلویزیون پرتوی کاتدی، جایی که آنها یک تصویر مانند تلویزیون ایجاد می کنند. SEM ها به طور کلی حدود ۱۰ برابر کمتر از TEM هستند (بنابراین می توانیم از آنها برای دیدن اندازه ۱۰ نانومتر استفاده کنیم). از طرف دیگر ، آنها تصاویر بسیار تیز و سه بعدی (در مقایسه با تصاویر مسطح تولید شده توسط TEMs) تولید می کنند و نمونه های آنها به آماده سازی کمتری نیاز دارند.

سالمونلا زیر میکروسکوپ الکترونی e-coli تحت میکروسکوپ الکترونی
عکس: تصاویر معمولی تولید شده توسط یک SEM. ۱) میکروگراف الکترونی روبشی با رنگ مصنوعی که Salmonella typhimurium (قرمز) حمله به سلولهای انسانی انسانی را نشان می دهد. ۲) میکروگرافی الکترونی روبشی از باکتری اشرشیا کولی (E.coli). عکسها با حسن نیت ارائه داده از آزمایشگاههای کوهستانی Rocky ، انستیتوی ملی آلرژی و بیماریهای عفونی ایالات متحده (NIAID) و انستیتوی ملی بهداشت ایالات متحده.

نحوه کار میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)

آثار هنری برچسب خورده نشان می دهد که چگونه میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) کار می کند.

میکروسکوپ الکترونی روبشی اسکن یک دسته پرتو الکترونی بیش از یک نمونه به تولید یک تصویر بزرگ از یک شی. این کاملاً متفاوت از TEM است ، جایی که پرتوهای الکترونها دقیقاً از طریق نمونه عبور می کنند.

  1. الکترونها به داخل دستگاه شلیک می شوند.
  2. قسمت اصلی دستگاه (جایی که جسم مورد بررسی قرار می گیرد) درون یک محفظه خلاء بسته شده قرار دارد زیرا پرتوهای الکترونیکی دقیق نمی توانند به طور مؤثر از طریق هوا حرکت کنند.
  3. یک الکترود با بار مثبت (آند) الکترون ها را جذب کرده و آنها را در پرتوی پر انرژی شتاب می بخشد.
  4. یک سیم پیچ الکترومغناطیسی ، پرتوی الکترون را با تمرکز بسیار دقیقی ، دقیقاً شبیه لنز ، به ارمغان می آورد.
  5. سیم پیچ دیگر ، پایین به پایین ، پرتو الکترون را از یک طرف به طرف دیگر هدایت می کند.
  6. پرتو به طور سیستماتیک در سراسر جسم مورد مشاهده اسکن می شود.
  7. الکترونها از پرتو به سطح جسم برخورد کرده و از آن گزاف گویی می کنند.
  8. یک ردیاب این الکترون های پراکنده را ثبت می کند و آنها را به یک تصویر تبدیل می کند.
  9. تصویری با ذره بین از جسم در صفحه تلویزیون نمایش داده می شود.

میکروسکوپ های تونل زنی روبشی (STM)

عکس: تصویری STM از اتمهای روی سطح یک سلول خورشیدی . با تقدیر از وزارت انرژی ایالات متحده / آزمایشگاه ملی انرژی تجدیدپذیر (NREL) .

در میان جدیدترین میکروسکوپ های الکترونیکی ، STM ها توسط Gerd Binnig و Heinrich Rohrer در سال ۱۹۸۱ اختراع شدند. مولکولهای روی سطح چیزی مانند کریستال. آنها نسبت به TEM ها و SEM ها نیز متفاوت عمل می کنند: آنها یک پروب فلزی بسیار تیز دارند که به جلو و عقب در سطح نمونه اسکن می شود. با انجام این کار ، الکترونها سعی می کنند با یک پدیده غیرمعمول به نام “تونل سازی” از داخل نمونه بیرون بیایند و از شکاف پرش کنند. هرچه کاوشگر به سطح نزدیک تر باشد ، تونل الکترون ها در داخل آن آسان تر است ، الکترون ها بیشتر فرار می کنند و جریان تونل زنی بیشتر است. میکروسکوپ به طور مداوم کاوشگر را با مقادیر کمی بالا یا پایین حرکت می دهد تا جریان تونل زنی ثابت شود. با ثبت میزان حرکت کاوشگر ، قله ها و فرورفتگی های سطح نمونه را به طور موثر اندازه گیری می کند. یک کامپیوتر این اطلاعات را به نقشه نمونه ای که ساختار اتمی دقیق آن را نشان می دهد تبدیل می کند. یک اشکال بزرگ در میکروسکوپ های الکترونی معمولی این است که آنها با استفاده از پرتوهای پر انرژی الکترون ها ، جزئیات شگفت انگیزی را تولید می کنند ، که تمایل دارند به اشیاء تصویربرداری آنها آسیب برساند. STM با استفاده از انرژی های بسیار کمتری از این مشکل جلوگیری می کنند. یک اشکال بزرگ در میکروسکوپ های الکترونی معمولی این است که آنها با استفاده از پرتوهای پر انرژی الکترون ها ، جزئیات شگفت انگیزی را تولید می کنند ، که تمایل دارند به اشیاء تصویربرداری آنها آسیب برساند. STM با استفاده از انرژی های بسیار کمتری از این مشکل جلوگیری می کنند. یک اشکال بزرگ در میکروسکوپ های الکترونی معمولی این است که آنها با استفاده از پرتوهای پر انرژی الکترون ها ، جزئیات شگفت انگیزی را تولید می کنند ، که تمایل دارند به اشیاء تصویربرداری آنها آسیب برساند. STM با استفاده از انرژی های بسیار کمتری از این مشکل جلوگیری می کنند.

میکروسکوپهای نیروی اتمی (AFM)

اگر فکر می کنید STM ها شگفت انگیز هستند ، AFM ها (میکروسکوپ های نیروی اتمی) ، که توسط Gerd Binnig نیز اختراع شده اند ، حتی بهتر هستند! یکی از اشکالات بزرگ STM این است که آنها به جریانهای الکتریکی (جریان الکترون ها) که از طریق مواد عبور می کنند ، تکیه می کنند ، بنابراین آنها فقط می توانند تصاویر از رساناها را تهیه کنند. AFM ها از این مشکل رنج نمی برند ، زیرا اگرچه هنوز از تنظیم استفاده می کنند ، اما به جریان جاری بین نمونه و یک مشکل اطمینان ندارند ، بنابراین ما می توانیم از آنها برای ساختن تصاویر در مقیاس اتمی از موادی مانند پلاستیک استفاده کنیم. برق را انجام ندهید.

AFM یک میکروسکوپ با بازوی کمی به نام طناب با نوک انتهای آن است که در سطح یک نمونه اسکن می شود. هرچه نوک روی سطح خود می چرخد ​​، نیروی بین اتمهایی که از آن ساخته شده و اتمهای روی سطح به طور مداوم تغییر می کند ، باعث می شود که طناب را به مقدار دقیقه خم کنید. مقداری که کانسیلر خم می شود با پرش پرتو لیزر از سطح آن مشخص می شود. با اندازه گیری میزان پرتوهای لیزر تا چه اندازه می توانیم اندازه گیری کنیم که کانسیلر خم می شود و نیروهایی که از آن لحظه به لحظه عمل می کنند و از آن اطلاعات می توان برای تشخیص و ترسیم خطوط سطح استفاده کرد. نسخه های دیگر AFM ها (مانند نمونه ای که در اینجا نشان داده شده است) با اندازه گیری جریان که “تونل” بین نوار اسکن و یک کاوشگر تونل درست در پشت آن قرار دارد ، تصویری را ایجاد می کنند.فناوری نانو .

آثار هنری: چگونگی کار AFM اصلی Gerd Binnig – بسیار ساده شده است. نمونه ای که باید اسکن شود (۱) بر روی مکانیسم درایو (۲) نصب شده است که می تواند آن را در سه بعد حرکت دهد. برای جلوگیری از لرزش های ناخواسته ، آن مکانیزم بر روی یک کوسن لاستیکی (۳) که روی یک پایه آلومینیومی محکم (۴) سوار شده است ، تثبیت می شود ، که توسط لایه های مختلف صفحات آلومینیومی و لنت های لاستیکی (بیشتر نشان داده نمی شود) کشیده شده است. برای ایجاد یک تصویر ، نمونه به آرامی در اطراف نقطه تصویربرداری تیز و ثابت (۵) جابجا می شود ، که روی یک طناب بهاری ساخته شده از فویل طلای نازک (۶) نصب شده است ، به یک پیزو الکتریک وصل شده است.کریستال (۷) ، و در همان پایه آلومینیومی ثابت شده است. در انتهای دیگر دستگاه ، یک کاوشگر تونلینگ (۸) بسیار نزدیک (به حدود ۰٫۳nm) از کنسرو فنر به وسیله یک مکانیسم درایو دوم (۹) ، جدا شده توسط یک کوسن لاستیکی دیگر (۱۰) منتقل می شود. به عنوان نمونه (۱) در اطراف نقطه تصویربرداری (۵) حرکت می کند ، جریان است که تونل بین طناب بهاری (۶) و نوک تونل (۸) به طور مداوم اندازه گیری می شود. این اندازه گیری ها به داده هایی تبدیل می شوند که می توانند برای ترسیم نقشه سطح دقیق از نمونه استفاده شوند. بر اساس ترسیم اصلی از ثبت اختراع ایالات متحده از Gerd Binnig ۴،۷۲۴،۳۱۸: میکروسکوپ نیروی اتمی و روش تصویربرداری از سطوح با وضوح اتمی .

چه کسی میکروسکوپ الکترونی را اختراع کرده است؟

در اینجا مختصراً از لحظات مهم در میکروسکوپ الکترونی آورده شده است – تا کنون!

  • ۱۹۲۴: فیزیکدان فرانسوی لوئیس د بروگلی (۱۹۸۷-۱۸۹۲) متوجه می شود که پرتوهای الکترون طبیعت موجکی شبیه به نور دارند. پنج سال بعد ، او برای این کار برنده جایزه نوبل فیزیک می شود .
  • ۱۹۳۱: دانشمندان آلمانی Max Knoll (۱۹۹۷-۱۹۹۷) و شاگرد او Ernst Ruska (۱۹۰۶-۱۹۶۶) اولین TEM آزمایشی را در برلین ساختند.
  • ۱۹۳۳: ارنست روسکا اولین میکروسکوپ الکترونی را ساخت که از میکروسکوپ نوری قدرتمندتر است.
  • ۱۹۳۵: ماکس نول اولین SEM خام ساخت.
  • ۱۹۳۵: جیمز هیلیر و آلبرت پربوس در دانشگاه تورنتو مشغول کار Ruska بودند تا اولین TEM موفقیت آمیز تجاری را برای RCA در آمریکای شمالی تولید کنند.
  • ۱۹۴۱: مهندسان برق آلمانی ، مانفرد فون آردن و بدو فون بوریز “میکروسکوپ اسکن الکترونی” (SEM) را به ثبت رساندند .
  • ۱۹۶۵: شرکت کمبریج ابزار تولید اولین SEM تجاری در انگلستان.
  • ۱۹۸۱: Gerd Binnig (۱۹۴۷– ۱۹۴۷) و Heinrich Rohrer (۱۹۳۳–) آزمایشگاه تحقیقاتی زوریخ IBM STM را اختراع کرده و تصاویر مفصلی از اتمها را روی سطح کریستال طلا تولید می کنند .
  • ۱۹۸۵: بنیگ و همکارش کریستوف گربر با اتصال الماس به یک قطعه فویل طلا ، اولین میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) را تولید می کنند.
  • ۱۹۸۶: بینگی و روهر جایزه نوبل فیزیک را با پیشگام اصلی میکروسکوپ های الکترونی ، ارنست روسکا به اشتراک گذاشتند.
  • ۱۹۸۹: اولین AFM تجاری توسط سانگ ایل پارک (بنیانگذار پارک سیستمهای پالو آلتو ، کالیفرنیا) تولید می شود.

 

منبع: explainthatstuff

ارسال یک پاسخ

آدرس ایمیل شما منتشر نخواهد شد.