روش های آماده سازی نمونه TEM(میکروسکوپ الکترونی عبوری)(مقاله توضیحی)

در میکروسکوپ های TEM، بدلیل نیاز به عبور الکترون ها از نمونه، نیاز است که نمونه خیلی نازک باشد. علاوه بر آن، نمونه TEM میبایست خشک باشد و ابعاد آن در محدوده ابعادی قسمت نگهدارنده نمونه باشد. محفظه نمونه یکی از قسمت‌های بسیار مهم میکروسکوپ می‌باشد که در زیر قسمت سیستم متمرکز کننده قرار دارد. باید نمونه‌ای بسیار کوچک به طور بسیار دقیقی در جای مناسب خود در بین عدسی‌های شیئی قرار گیرد. محفظه نمونه باید بتواند در حد چند میلی‌متر جابجا شده و به میزان زیادی بچرخد. علاوه براین اگر از میکروسکوپ برای آنالیز شیمیایی نیز استفاده شود، پرتو X باید بتواند از این محل خارج شود. برای دستیابی به این مشخصات از میله نگهدارنده نمونه استفاده می‌شود که می‌تواند نمونه‌ای به قطر 3 میلی متر یا کوچکتر را که بر روی شبکه حمایتی با اندازه 3 میلی متر قرار دارد، مابین قطب‌های عدسی‌های شیئی قرار دهد. شکل 1 نگهدارنده نمونه در میکروسکوپ الکترونی عبوری را نشان می‌دهد.

نگه دارنده ی نمونه در میکروسکوپ الکترونی عبوری

در TEM، مانند میکروسکوپ SEM، برای سطوح نارسانا لازم است از پوشش های نازک رسانا (مانند طلا یا کربن) استفاده شود.

روش های آماده سازی نمونه TEM

روش های آماده سازی نمونه را می توان به دو دسته ی کلی تقسیم کرد. دسته ی اول روش هایی هستند که شامل کاهش ضخامت نمونه توسط روش های شیمیایی یا مکانیکی تا باقی ماندن یک نمونه ی نازک است. دسته ی دوم روش هایی هستند که شامل برش نمونه در امتداد صفحات کریستالی تا بخش بسیار نازکی از نمونه حاصل شود، هستند.

پولیش مکانیکی

اغلب نمونه های TEM، در اولین مرحله فرایند آماده سازی نمونه به صورت مکانیکی ساییده یا پولیش می شوند. ساییدن معمولاً با استفاده از کاغذهایی که لایه ای از ذرات سخت ( غالباً( SiC روی یک طرف آنها چسبانده شده است صورت می گیرد.

این ورق های سمباده بر مبنای اندازه ذرات، از کسری از میلیمتر تا چند میکرون درجه بندی شده اند. این کاغذهای سمباده روی صفحه چرخانی که آب کمی جهت روانسازی بر روی آن جریان دارد، نصب می شود. نمونه می تواند با چسب یا موم ترموپلاستیک روی پایه مخصوصی نصب می شود تا نرخ نازک کردن آن، کنترل شود. نمونه ابتدا با کاغذ سمباده خشن، صاف شده و در مراحل بعدی با کاغذ سمباده های نرم تر خسارت وارد شده بر نمونه توسط مرحله قبل برطرف می شود. برای آخرین مرحله پولیش از پودر الماسه با اندازه یک میکرون یا کمتر به صورت معلق در روغن یا آب نصب شده بر روی فیلم پلاستیکی، استفاده می شود. می توان با روش های مکانیکی- شیمیایی پولیش ظریف تری هم انجام داد. برای این کار غالباً از مخلوط کلوئیدی ذرات معلق سیلیکا در مایع قلیایی استفاده می شود.

روش های مختلفی بر پایه این فرایند وجود دارد. این تکنیک بطور گسترده ای برای تهیه نمونه هایی از مقاطع نیمه هادی ها به کار می رود .

روش پولیش مکانیکی

الکتروپولیش

پراستفاده ترین روش برای نارک کردن مواد رسانا نظیر فلزات و آلیاژها، الکتروپولیش است. اساس این روش قرار دادن نمونه به صورت آند در سلول الکترولیت است. با عبور جریان، نمونه به صورت آند عمل کرده و ضخامت آن کاهش می‌یابد. چناچه ترکیب شیمیایی الکترولیت و ولتاژ کاری مناسب انتخاب شود نمونه نه تنها نازک تر بلکه صاف تر هم می شود. نهایتاً سوراخی در نمونه به وجود می آید و چنانچه نواحی اطراف آن به اندازه کافی صاف باشند (یعنی خوب پولیش شده باشند) برای مشاهده در TEM به اندازه کافی نازک خواهند بود. در دستگاه های الکتروپولیش اتوماتیک معمولاً از نمونه های دیسکی شکل به قطر 3mm که لبه های ضخیم تر آنها منطقه نازک تر مرکزی را تقویت می کند، استفاده می شود. این دیسک ها مستقیماً در نمونه گیر میکروسکوپ قرار می گیرند. معمولاً لازم است که نمونه های نازکی که تهیه شده اند با دیسک های مشبک 3mm ساخته شده از مس یا سایر موادی که با آنالیز تداخل نمی کنند، تقویت شوند.

الکترولیت مورد استفاده در این فرآیند، بر اساس پروتوکول خاصی آماده می شود. دمای الکترولیت، تائیر زیادی بر سرعت حل شدن دارد. معمولا برای اینکه کنترل بیشتری بر فرآیند داشته باشند، از دماهای پایین (زیر صفر) استفاده می شود.

الکترولیت های مورد استفاده در الکتروپولیش، معمولا محلول اسید های غلیط با ویسکوزیته ی بالا هستند(مانند ترکیبات سولفوریک اسید و یا فسفریک اسید). دیگر الکترولیت های گزارش شده، شامل ترکیبات پرکلرات همراه acetic anhydride و محلول های metanolic سولفوریک اسید هستند.

برای مواد چند فازی که از ترکیبات شیمیایی مختلف تشکیل می شوند، لازم است که تحت فرآیند های الکتروپولیش مختلفی قرار بگیرند. در اینگونه موارد، بهتر است که ترکیب الکترولیت عوض شود و یا الکترولیت دیگری امتحان شود.

پولیش شیمیایی

پولیش شیمیایی روش حذف سختی های در ابعاد میکرو روی سطح است. در این روش با استفاده از فرآیند شیمایی، سختی سطح در کنار حذف لایه ی سطحی از بین میرود. در این روش معمولا از اسید ها برای پولیش سطح استفاده میشود.

اصلی ترین محدودیت الکتروپولیش عدم توانایی آن در مقابل مواد غیرهادی است. بنابراین روش نازک کردن شیمیایی با استفاده از مخلوط اسیدها بدون اعمال پتانسیل غالباً برای سرامیک ها، شیشه ها و نیمه هادی ها بکار می رود.

شماتیک ای از فرآیند پولیش مکانیکی – شیمیایی برای الماس

سایش یونی و اتمی

با تابیدن پرتویی از یون ها یا اتم های پرانرژی به سطح یک نمونه، احتمال کنده شدن اتم های نمونه وجود دارد که به این فرآیند “کندوپاش”(Sputtering) می گویند. این فرآیند می تواند برای نارک کردن نمونه به کار رود. معمولا از دو نوع تفنگ برای نازک کردن نمونه TEM استفاده می شود، تعدادی از این تفنگ ها از گاز (عمدتا آرگون) استفاده می کنند و در برخی از تفنگ های یونی انتشار میدان از گالیم مایع استفاده می شود. این روش برای نمونه های پودری قابل استفاده نمیباشد و نیاز است که نمونه به شکل یک دیسک درون فرآیند قرار بگیرد. این روش برای نمونه های حساس به گرما مناسب نمیباشد زیرا انرژی جنبشی یونها به نمونه TEM منتقل میشود و آنرا گرم میکند.

تفنگ نشر یون آرگون در حال تابش به نمونه

باریکه یونی متمرکز (FIB)

روش باریکه یونی متمرکز دارای سرعت و دقت بسیار بالایی (ضخامت nm 20) برای آماده سازی نمونه TEM است و جز تجهیزات بسیار پرکاربرد و همچنین گران قیمت می باشد. هر دستگاه FIB معمولا روی یک SEM نصب می شود. تجهیزات دیگری مانند آشکارساز EBSD نیز می توان روی این مجموعه نصب کرد و از مزایای آن استفاده کرد. روش FIB مستقل از جنس و ذات نمونه است و طیف وسیعی از مواد را شامل می گردد.

این روش برای نمونه هایی که نیاز به بررسی محل خاصی از آنها هست، معمولا بسیار پرکاربرد است. برای مثال، برای بررسی نقطه ی خاصی از یک مدار مجتمع. همچنین در مواردی که نیاز به یک فیلم بسیار نازک از نمونه داریم برای مثال در مورد مواد مغناطیسی به دلیل اینکه میدان مغناطیسی ناشی از آنها باریکه الکترونی میکروسکوپ را منحرف می کند، حتما می بایست از این روش برای آماده سازی نمونه استفاده کرد. همچنین نمونه هایی که نیاز به مطالعات خاص توموگرافیک دارند، که با استفاده از روش FIB آماده سازی می شوند.

روش FIB معمولا با استفاده از پرتو یون های گالیوم انجام می شود. این پرتو شتاب می گیرد و به سطح نمونه برخورد می کند. با این اتفاق نواحی خاصی از نمونه تراشیده می شوند. در مدل های جدید FIB از علاوه بر یون ها از الکترون ها نیز استفاده می شود.

محدودیت و ایراد روش FIB این است که ممکن است موجب القای یون و آسیب رساندن به توده باقیمانده نمونه گردد.

اولترامیکروتومی

اولترامیکروتومی، دستگاه برش زنی ظریفی است که در مورد نمونه های پلیمری و بیویی که بافت نرمی دارند، استفاده می شود. در اولترامیکروتومی نمونه ای با سطح کمتر از 1 میلیمتر مربع که کاملاً ثابت شده است از مقابل یک کارد با شیشه یا الماس ثابت عبور می کند.

استفاده از این روش برای نمونه های فلزی نیز رو به افزایش است. به منظور تثبیت نمونه در حین برش، در بسیاری از موارد لازم است تا نمونه در رزین قرار داده شود. بنابراین ممکن است تهیه یک مقطع نازک زمان نسبتاً زیادی بگیرد.

نتیجه گیری

روش های اصلی آماده سازی نمونه در این مقاله توضیح داده شدند. به طور کلی، انتخاب روش صحیح به جنس ماده مورد بررسی بستگی دارد. فرآیند آماده سازی نمونه TEM فرآیندی مخرب است و در بعضی مواقع ممکن است نمونه تخریب شود و نمونه بیشتری برای آماده سازی نیاز باشد. در داخل ایران از موارد ذکر شده، تجهیز FIB موجود نیست اما تجهیزات دیگر به صورت محدود در برخی دانشگاه ها و مراکز تحقیقاتی وجود دارد.