میکروسکوپ‌های اولیه که میکروسکوپ ساده نام داشت که فقط شامل یک عدسی بود اما میکروسکوپ الکترونی، که میکروسکوپ مرکب است از ترکیب حداقل دو عدسی بوجود آمده است. در طول قرن هجدهم میکروسکوپ در زمره وسایل تفریحی به شمار می‌آمد. با پژوهش‌های بیشتر پیشرفت‌های قابل توجهی در شیوه ساختن عدسی شئی حاصل شد. بطوری که عدسی‌های دیگر یصورت ذره‌ بینهای معمولی نبودند بلکه خطاهای موجود در آنها که به کنجهایی معروف هستند، دفع شده‌اند و آنها می‌توانستند جرئیات یک شی را دقیقا نشان دهند. پس از آن در طی پنجاه سال، پژوهشگران بسیاری تلاش کردند تا بر کیفیت و مرغوبیت این وسیله بیافزایند. بالاخره «ارنست آبه» توانست مبنای علمی میزان بزرگ‌نمایی میکروسکوپ را تعریف کند.

بدین ترتیب میزان بزرگ‌نمایی مفید آن بین ۵۰ تا ۲۰۰۰ برابر مشخص شد. البته می‌توان میکروسکوپ‌هایی با بزرگنمایی بیش از ۲۰۰۰ برابر ساخت. مثلا قدرت عدسی چشمی را بیشتر کرد. اما قدرت تفکیک نور ثابت است و درنتیجه حتی بزرگنمایی بیشتر می‌تواند دو نقطه از یک شی را بهتر تفکیک کند. هرچه بزرگ‌نمایی شیئ افزایش یابد به میزان پیچیدگی آن افزوده می‌شود. بزرگ‌نمایی شی در میکروسکوپ‌های تحقیقاتی جدید معمولا ۳X ،۶X ،۱۰X ،۱۲X ،۴۰X و ۱۰۰X است. در نتیجه بزرگ‌نمایی در این میکروسکوپ بین ۱۸ تا ۱۵۰۰ برابر است. چون بزرگ‌نمایی میکروسکوپ نوری از محدوده معینی تجاوز نمی‌کند برای بررسی بسیاری از پدیده‌هایی که احتیاج به بزرگ‌نمایی خیلی بیشتر دارند مفید است. تحقیقات بسیاری صورت گرفت تا وسیله دقیق تری با بزرگ‌نمایی بیشتر ساخته شود. نتیجه این پژوهش‌ها منجر به ساختن میکروسکوپ الکترونی شد.

یکی از تجهیزات بزرگ علمی، «میکروسکوپ الکترونی» است که براساس قوانین نوری کار می‌کند. در این دستگاه شار الکترون پر انرژی از یک منبع الکترون خارج شده و تحت شتاب به طرف هدف می‌رود در مسیر خود از روزنه‌های تعبیه شده در یک فلز عبور کرده وبا عبور از لنزهای مغناطیسی بر روی شیئ مورد نظر تابانده شده و در نتیجه بازتاب نور تصویر شیئ دیده خواهد شد.

میکروسکوپ مرکب از یک لوله تشکیل شده که در دو انتهای آن دو عدسی شیئ نزدیک به شیئ مورد مطالعه و عدسی چشمی قرار دارد. تصویری که توسط عدسی شیئ بوجود می‌آید، بوسیله عدسی چشمی بزرگتر می‌شود. به این جهت بزرگ‌نمایی آن بیش از قدرت یک عدسی است. در میکروسکوپ‌های پیشرفته، دستگاه نوری پیچیده‌تر است. بدین ترتیب که در آنها علاوه بر لامپ، یک کندانسور (مجموعه عدسی‌های متمرکز کننده نور) و یک دیافراگم که شدت نور را کنترل می‌کند، قرار داده شده است. لامپی که در این نوع میکروسکوپ‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد، با ولتاژ کم، کار می‌کند. لامپ‌های فراوانی برای این منظور وجود دارند که هرکدام نوری با شدت و طول موج مورد نظر تأمین می‌کنند. بنابراین برای تفکیک دو نقطه نزدیکتر از ۲۵۰۰ آنگستروم، باید از میکروسکوپ الکترونی استفاده کرد؛ زیرا طول موج الکترون از طول موج نور کمتر است.

اولین میکروسکوپ الکترونی که ساخته شد، درست مانند میکروسکوپ نوری که شعاع نور را از داخل نمونه مورد مطالعه عبور می‌دهد، شعاع الکترون را از داخل مقطع بسیار نازکی عبور می‌دهد. چون تراکم مواد در تمام قسمت‌های نمونه مورد مطالعه یکسان نیست، میزان الکترونی که از قسمت‌های مختلف عبور می‌کند متفاوت است. درنتیجه تصویری از قسمت‌های تاریک و روشن آن به دست می‌آید. میکروسکوپ الکترونی دارای یک قسمت لوله‌ای شکل است که الکترون می‌تواند آزادانه از آن عبور کند. در قسمت بالای لوله یک قطب منفی الکتریکی به شکل رشته سیم نازک وجود دارد که جنس آن از تنگستن است. این قسمت آنقدر حرارت داده می‌شود تا بتواند از خود الکترون آزاد کند.

این عمل با ایجاد اختلاف پتانسیل از ۲۰۰۰۰ تا ۱۰۰۰۰۰ ولت بین کاتد و آند صورت می‌گیرد. در نتیجه یک شعاع الکترونی بسوی پایین قسمت لوله‌ای شکل شتاب داده می‌شود. به این سیستم تفنگ الکترونی می‌گویند. در طول لوله عدسی‌هایی همگرا اندازه و روشنایی شعاع الکترونی را قبل از برخورد با نمونه مورد مطالعه کنترل می‌کنند. مقطع مورد بررسی روی یک صفحه مشبّک دایره شکلی قرار داده می‌شود. شعاع الکترونی پس از عبور از مقطع و قبل از این که به حد بزرگ‌نمایی نهایی برسد، از میان عدسی‌هایی شیئ عبور کرده و تنظیم می‌شود. سپس توسط عدسی‌هایی بر روی صفحه زیر میکروسکوپ منعکس می‌شود. چگالی بزرگ‌نمایی بیشتر میکروسکوپ‌ها از ۵۰ تا ۸۰۰۰۰۰ برابر است. صفحه زیر میکروسکوپ از مواد فسفر دار (فسفید روی) پوشانیده شده که در مقابل پرتو الکترون از خود نور تولید می‌کند. در زیر این صفحه یک دوربین عکاسی قرار دارد که از تصویر روی صحنه عکس می‌گیرد.

– توپوگرافی شیئ (نقشه برداری): در اینکار، با آشکار کردن مشخصات سطح و بافت داخلی شیئ، می‌توان به خواصی مانند سفتی و میزان ارتجاعی بودن آن پی برد.

– مورفولوژی (زیست شناسی): به دلیل اینکه در این رؤیت شکل و سایر ذرات مشخص است، می‌توان به نیروی استحکام پی برد.

– ترکیب: این میکروسکوپ می‌تواند عناصر سازنده شیئ را مشخص نماید. بنابراین می‌توان به خواصی مانند نقطه ذوب، اکتیویته شیئ دست یافت.

– بلور شناسی: میکروسکوپ الکترونی چگونگی چیده شدن اتم را در مجاورت یکدیگر نشان می‌دهد. به این ترتیب می‌توان آنها را از نظر رسانایی و خواص الکتریکی بررسی نمود.

در میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) مانند میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM)، یک پرتو الکترونی به نمونه می‌تابد. منبع الکترونی (تفنگ الکترونی) معمولا از نوع انتشار ترمویونیکی فیلامان یا رشته تنگستنی است اما استفاده از منابع گسیل میدان برای قدرت تفکیک بالاتر، افزایش یافته است.

معمولاً الکترون‌ها بینKeV1-30 شتاب داده می‌شوند. سپس دو یا سه عدسی متمرکز کننده پرتو الکترونی را کوچک می‌کنند، تا حدی که در موقع برخورد با نمونه قطر آن حدودا بین nm2-10 است.

۱. تصویرگرفتن از سطوح در بزرگنمایی ۱۰ تا ۱۰۰,۰۰۰ برابر با قدرت تفکیک در حد ۳ تا ۱۰۰ نانومتر (بسته به نمونه)

۲. در صورت تجهیز به آشکارساز Back Scattered میکروسکوپ‌ها قادر به انجام امور زیر خواهند بود:

– مشاهده مرزدانه، در نمونه‌های حکاکی ‌نشده

– مشاهده حوزه‌ها (Domains) در مواد فرومغناطیس

– ارزیابی جهت کریستالوگرافی دانه‌ها با قطرهایی به کوچکی ۲ تا ۱۰ میکرومتر

– تصویر نمودن فاز دوم روی سطوح حکاکی نشده (در صورتی که متوسط عدد اتمی فاز دوم، متفاوت از زمینه باشد)

۳. با اصلاح مناسب میکروسکوپ می‌توان از آن برای کنترل کیفیت و بررسی عیوب قطعات نیمه هادی استفاده نمود.

۱. بررسی نمونه‌هایی که برای متالوگرافی آماده شده‌اند، در بزرگ‌نمایی بسیار بیشتر از میکروسکوپ نوری

۲. بررسی مقاطع شکست و سطوحی که حکاکی عمیق شده‌اند، که مستلزم عمق میدانی بسیار بزرگتر از حد میکروسکوپ نوری است.

۳. ارزیابی جهت کریستالوگرافی اجرایی نظیر دانه‌ها، فازهای رسوبی و دندریت‌ها بر روی سطوح آماده‌شده برای کریستالوگرافی

۴. شناسایی مشخصات شیمیایی اجزایی به کوچکی چند میکرون روی سطح نمونه‌ها، برای مثال،‌ آخال‌ها، فازهای رسوبی و پلیسه‌های سایش

۵. ارزیابی گرادیان ترکیب شیمیایی روی سطح نمونه‌ها در فاصله‌ای به کوچکی µm 1

۶. بررسی قطعات نیمه هادی برای آنالیز شکست، کنترل عملکرد و تأیید طراحی

اندازه: محدودیت اندازه توسط طراحی میکروسکوپ‌های الکترونی رویشی موجود تعیین می‌شود. معمولاً نمونه‌هایی به بزرگی ۱۵ تا ۲۰ سانتیمتر را می‌توان در میکروسکوپ‌ قرار داد ولی نمونه‌های ۴ تا ۸ سانتیمتر را می‌توان بدون جابجاکردن نمونه بررسی کرد.

آماده‌سازی: مواد غیرهادی معمولا با لایه نازکی از کربن، طلا یا آلیاژ طلا پوشش داده می‌‌شوند. باید بین نمونه و پایه اتصال الکتریکی برقرار شود و نمونه‌هایی ریز نظیر پودرها باید روی یک فیلم هادی نظیر رنگ آلومینیوم پخش شده و کاملاً خشک شوند. نمونه‌ها باید عاری از مایعاتی با فشار بخار بالا نظیر آب، محلول‌های پاک‌کننده آلی و فیلم‌های روغنی باقی‌مانده باشند.

هرگاه الکترون‌هایی با انرژی بالا به یک نمونه جامد برخورد کنند، موجب تولید اشعه X مشخصه اتم‌های موجود در نمونه می‌شوند.

به هنگام بحث در مورد تشکیل تصویر در SEM و TEM این پرتوهای X تا حد زیادی نادیده گرفته می‌شود. اگر چه با اینکار از حجم عظیمی از اطلاعات صرف‌نظر می‌شود با این حال دانشمندان در دهه ۱۹۵۰ متوجه این نکته شدند و از آن زمان میکروسکوپ‌های الکترونی به طور فزاینده‌ای برای میکروآنالیز (Microanalysis) استفاده می‌شوند.

عبارت میکروآنالیز به این معنی است که آنالیز می‌تواند بر روی مقدار بسیار کوچکی از نمونه، یا در بیشتر موارد بر روی قسمت بسیار کوچکی از یک نمونه بزرگتر، صورت گیرد. از آنجا که با روش‌های معمولی شیمیایی و طیف‌نگاری نمی‌توان این کار را انجام داد، میکروآنالیز در میکروسکوپ الکترونی به صورت ابزار مهمی برای تشخیص خصوصیات انواع مواد جامد درآمده است.

اصولا دو چیز را می‌توان از طیف پرتوی X منتشر شده توسط هر نمونه تعیین نمود. اندزه‌گیری طول موج (یا انرژی) هر پرتو X مشخصه منتشر شده امکان تشخیص عناصر حاضر در نمونه یا انجام آنالیز کیفی را میسر می‌سازد. اندازه‌گیری تعداد هر نوع پرتو X منتشر شده در هر ثانیه، تعیین مقدار حضور عنصر در نمونه یا انجام آنالیز کمّی را امکان‌پذیر می‌سازد شرایط لازم برای نمونه و دستگاه جهت آنالیز کمّی به گونه‌ای است که گذر از مرحله آنالیز کیفی به کمّی به آسانی میسر نخواهد بود.

منبع: http://ketabfarsi.ir