برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۹/۰۴/۲۱ تا ۱۳۹۹/۰۴/۲۷

ضمائم مقاله
مقالات مرتبط
اخبار مرتبط
آمار مقاله
  • بازدید کل ۵۱,۸۳۸
  • بازدید این ماه ۱۲۰
  • بازدید امروز ۰
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۱,۲۷۰
  • قبول شدگان ۹۷۳
  • شرکت کنندگان یکتا ۴۸۵
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۷۰
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

پیشرفته 1

نویسندگان
کلمات کلیدی
امتیاز کاربران

اجزا و عملکرد SEM: سیستم روبشگر و آشکارسازها

در مقاله قبل بررسی دو مورد از اجزای میکروسکوپ الکترونی روبشی انجام شد. در این مقاله به بررسی برخی دیگر از اجزای  این میکروسکوپ پرداخته خواهد شد. SEM یک میکروسکوپ الکترونی روبشی است، بنابراین نیاز است که پرتوی الکترونی بر روی سطح نمونه روبش (حرکت) داده شده و نقاط مختلف آن را بررسی کند. این وظیفه بر عهده سیستم روبشگر در SEM است که از دو سیم پیچ تشکیل شده است. علاوه بر این، به تجیهزاتی نیاز است تا پس از برهم‌کنش پرتوی الکترونی با نمونه، پرتوهای خروجی از آن را به نحوی دریافت، جمع آوری و بررسی کند. این کار توسط آشکارسازها انجام می‌شود. آشکارسازهای اورهارت تورنلی، نیمه‎هادی، رابینسون و درون لنزی از مهم‎ترین آشکارسازها در SEM هستند. سیستم روبشگر و آشکارسازها موضوع مورد بحث این مقاله است.

 

1- جز سوم SEM: سیستم روبشگر

پس از این که یک پرتوی موازی با قطر مناسب تولید شد، نوبت به مرحله روبش می‌رسد. عملی که در این مرحله صورت می‌گیرد، زاویه گرفتن یا همان کج کردن پرتوی ساطع شده از لنزها است تا بدین ترتیب امکان انجام فرایند روبش سطح فراهم شود. این روبش به صورت نقطه به نقطه انجام می‌شود تا یک خط روبش شکل بگیرد و این فرایند خط به خط ادامه پیدا می‌کند.
علاوه بر امکان کج کردن پرتو در دو جهت، یک سیستم روبش باید از قابلیت‌های کنترلی مناسبی برخوردار باشد تا امکان پردازش نتایج حاصل از روبش پرتو امکان‎پذیر باشد. پردازش موفق نتایج روبش الکترونی، تنها در سایه نظم در روبش امکان‌پذیر است که خود نتیجه کنترل مناسب سیستم روبش بر زوایای کج شدن پرتو است.
به منظور کج کردن پرتوی الکترونی از دو سیم پیچ روبشی (scan coil) استفاده می‌شود که هر دو با اعمال میدان‌های مغناطیسی عمود بر محور اپتیکی، پرتوی الکترونی را به سمت مناسب کج می‎کنند. اولین سیم پیچ، زاویه مناسب با محور اپتیکی را ایجاد می‌کند و دومی آن را به سمت محور اپتیکی برمی‌گرداند. این عمل به نحوی انجام می‌شود که پرتو بتواند از روزنه ورودی لنز نهایی وارد منطقه داخلی لنز نهایی شود (سیستم پیماشگر قبل از لنز نهایی قرار دارد). در این منطقه، قطر پرتو به طور مؤثر کاهش یافته و با ادامه  دادن به مسیر خود، از محور اپتیکی زاویه می‌گیرد. اگر تنها یک مرحله کج کردن پرتو وجود داشت، با زاویه گرفتن پرتو و دور شدن آن از محور اپتیکی، امکان ورود آن از روزنه ورودی لنز نهایی وجود نداشت و اگر هم درصدی از پرتو می‌توانست به آن وارد شود، علاوه بر بازده ناچیز عبور پرتو، کنترلی بر امتداد پرتو و زاویه نهایی آن وجود نداشت. اما با استفاده از طراحی دو مرحله‌ای سیم پیچ‌های روبشی، علاوه بر تعیین دقیق و نهایی زاویه کج شدن پرتو، قبل از ورود به لنز نهایی، بازده ورود پرتو به لنز نهایی بسیار بالا خواهد بود. در شکل 1 شماتیک کار سیم پیچ‎های روبش نشان داده شده است. در تصویر کوچک بالایی واقع در سمت چپ شکل می‌بینیم که یک ولتاژ دندانه اره‌ای به جفت سیم پیچ‎هایI1-I1 و I2-I2 اعمال می‎شود. میدان‌های مغناطیسی تولید شده توسط سیم پیچ‌ها، نیرویی اعمال می‎کنند که پرتوی الکترونی را از چپ به راست و در امتداد خطی که در پایین روی نمونه رسم شده است، منحرف می‌کند. میدان‌های مغناطیسی متغیر در جفت سیم پیچ‌های f1-f1 و f2-f2 انحراف‌های کوچک‎تری را از نقطه 1 به ´1 و به´´1 که با جزئیات در تصویر کوچک A نشان داده شده است، تولید می‌کنند. بنابراین پرتوی الکترونی به طور مکرر، پهنای نمونه را از چپ به راست و با الگوی شبکه‎ای روبش می‎کند که نهایتاً کل سطح قاب r×r روی نمونه را دربر می‌گیرد [1،2]. چندرسانه‌ای 1 نیز نحوه روبش پرتوی الکترونی بر روی سطح را نمایش می‌دهد.
filereader.php?p1=main_ec6ef230f1828039e
شکل 1– سیستم روبش دو مرحله‌ای SEM. وقتی سیم پیچ‌های روبشی بالایی (I1-I1)، پرتوی الکترونی را تحت زاویه θ منحرف می‌کنند، سیم پیچ‎های روبش پایینی (I2-I2) آن را تحت زاویه 2θ برمی‌گرداند و الکترون‎ها به ترتیب در امتداد خط نشان داده شده، به نمونه برخورد می‎کنند. تصویر کوچک بالایی در سمت چپ شکل، ولتاژی دندانه‎ای را نشان می‎دهد که جریان عبوری از سیم پیچ‌های روبش I  را کنترل می‎کند. تصویر کوچک پایینی در سمت چپ شکل، دنباله نقاط روی نمونه برای مسیرهای الکترونی مختلف 1، 2، 3، 4 و 5 در امتداد میکروسکوپ را نشان می‌دهد. سیم پیچ‌های روبش f1-f1 و f2-f2 انحراف پرتو برای دنباله نقاط 1، ´1 و ´´1 را موجب می‌شوند (جزئیات در شکل تکمیلی A) ا[2].

2- جز چهارم SEM: آشکارسازها
پرتوی الکترونی تولید شده در تفنگ الکترونی با طی مسیری بسیار پیچیده از میان لنزهای متمرکزکننده، سیم پیچ‌های روبشی و لنز نهایی آماده‌سازی می‎شود.

عنوان : دستگاه وری میکروسکوپ الکترونی روبشی(SEM)

توضیحات : پرتو الکترونی تولید شده توسط تفنگ الکترونی در میکروسکوپ الکترونی روبشی، به کمک میدان های الکتروستاتیک و الکترومغناطیس شکل داده شده و روی نمونه متمرکز می شود. به طوریکه پرتو نهایی، دارای قطر و توزیع تراکمی مناسب و شکل متقارن گردد.

نمایش توضیحات فیلم


چندرسانه‌ای 1 : دستگاهوری میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)

پرتوی نهایی به گونه‌ای است که نهایتاً دارای قطر مناسب، توزیع تراکمی خوب و حتی الامکان متقارن و دایره‌ای باشد. این پرتو روی سطح روبش می‌شود و با برخورد آن به هر واحد از سطح نمونه، واکنش متقابل پرتوی الکترونی و ماده رخ می‌دهد که موجب گسیل پرتوهای خاصی می‌گردد. برای تصویرسازی، نیاز به جمع‎آوری این پرتوها و ترجمه آن‌ها به یک تصویر دیجیتال عموماً دو بعدی است.
می‌توان یک فضای بزرگ (به صورت یک نیم کره) را در بالای نمونه متصور شد که پرتوهای خروجی از نمونه در آن انتشار می‌یابند. بنابراین اگر بخواهیم از تمامی این پرتوهای خروجی استفاده کنیم، باید تمامی این فضا پوشیده از آشکارسازها باشد که این حداقل از نظر طراحی فیزیکی دستگاه امکان‌پذیر نیست. بنابراین جمع‎آوری و آشکارسازی پرتوها کار مشکلی بوده و به طور کلی بخش کوچکی از این پرتوها برای ساخت تصویر مورد استفاده قرار می‎گیرند. از این رو، برای این که بتوان از مقدار ناچیز پرتو جمع‌آوری شده، تصویر ساخت، نیاز به یک تقویت‌کننده بسیار قوی است. در این بخش انواع آشکارسازهای مورد استفاده در SEM شرح داده می‌شوند [3].

1-2- آشکارساز اورهارت - تورنلی (E-T (Everhart-Thornley
تصویر شماتیکی از این آشکارساز در شکل 2 نشان داده شده است. جز اصلی این آشکارسازها، یک جرقه‌زن (Scintillator) است. ماده تشکیل‌دهنده این جرقه‎زن به گونه‎ای است که در صورت اصابت یک الکترون پر انرژی، شروع به ساطع کردن نور می‎کند که البته شدت نور ساطع شده، متأثر از مقدار الکترون برخورد کرده به سطح جرقه‎زن است. نور تولید شده پس از عبور از داخل یک هدایتگر نور (Light pipe)، وارد قسمت تقویت‌کننده نور (Photomultiplier) می‌شود.

عنوان : آشکارساز اورهارت- تورنلی

توضیحات : از آشکارسازها جهت اندازه گیری سیگنال های بدست آمده از برهمکنش ماده و الکترون استفاده می شود که پر کاربردترین آنها برای توپوگرافی تصویری و مورفولوژی، آشکارساز اورهارت-تورنلی(ET) است که در آن بدون حساسیت به الکترون های کم انرژی، تصویری با کنتراست بالا از الکترون های ثانویه ارائه می دهد.

نمایش توضیحات فیلم


چندرسانه‌ای 2 : آشکارساز اورهارت- تورنلی

در اکثر جرقه‌زن‌ها، حداقل انرژی لازم برای الکترون اصابت‎کننده، 10 تا 15 کیلو الکترون ولت است که البته اگر انرژی الکترون اصابت کرده از این مقدار کمتر باشد، جرقه‌زنی انجام نشده و نور ساطع نمی‌شود.در عمل، اگر گستره انرژی پرتو الکترونی ورودی عمدتاً بیش از 20 الکترون ولت باشد، بخش عمده‌ای از پرتوی الکترونی بازگشت یافته از نمونه، قدرت جرقه‌زنی را دارد. با این حال، معمولاً الکترون‌های پرتوی ثانویه بسیار کم انرژی‌تر از ارقام مذکور هستند و بنابراین به آشکارساز این الکترون‌ها، ولتاژ مثبتی معادل با 12 کیلو ولت اعمال می‌شود. در اثر این ولتاژ، الکترون‌ها قبل از برخورد به جرقه‌زن شتاب می‌گیرند و با انرژی کافی به آن برخورد کرده و نور تولید می‌کنند. جرقه‌زن توسط یک شبکه فلزی که به آن «شبکه فاراده» گفته می‌شود، احاطه شده است. این شبکه فلزی در ولتاژی بین 50- تا 250+ ولت نگه داشته می‌شود که به آن «ولتاژ جمع‌کننده» گفته می‌شود. وجود شبکه فلزی با قابلیت تغییر ولتاژ در یک بازه حدود 300 ولتی می‌تواند دو تأثیر مهم داشته باشد:
(1) از تأثیرگذاری ولتاژ بسیار بالای جرقه‌زن (12000 ولت جهت شتاب‌دهی به الکترون‌های ثانویه) بر پرتوی الکترونی جلوگیری کند و (2) منجر به جذب انتخابی (ثانویه یا برگشتی) پرتوی الکترونی نمونه، به سمت جرقه‌زن شود.
لذا با این که عموماً آشکارساز به طور دقیق مقابل نمونه قرار نمی‌گیرد، اما از بازده جذب مناسبی برخوردار است. چندرسانه‌ای 2 عملکرد آشکارسازی E-T را نمایش می‌دهد.

filereader.php?p1=main_1d665b9b1467944c1
شکل 2– آشکارساز اورهارت- تورنلی [1]

هرچند که در آشکارساز E-T مقداری از الکترون‌های برگشتی نیز جمع‌آوری می‌شوند، اما بازده این کار بسیار کم است. بر این اساس، همه میکروسکوپ‎های الکترونی به انواع آشکارسازهای مخصوص پرتوی الکترونی برگشتی مجهز هستند که در ادامه توضیح داده می‌شود [1].

2-2- آشکارسازهای نیمه‌هادی
اساس کار آشکارسازهای نیمه‌هادی یا همان آشکارسازهای حالت جامد (Solid State Detectors)، ایجاد تعداد بسیار زوج‎های «الکترون- حفره»، با ورود یک الکترون پرانرژی به یک ماده نیمه‌هادی است. در این شرایط، اگر دو الکترود به دو طرف قطعه نیمه‌هادی وصل شده و توسط یک مدار خارجی، اختلاف پتانسیلی بین دو الکترود ایجاد شود، آن گاه الکترون‌های آزاد به سمت الکترود مثبت جذب می‌شوند و همزمان با این پدیده حفره‌ها نیز در جهت عکس الکترون‌ها حرکت خواهند کرد. لذا جریانی به وجود می‌آید که در مدار خارجی قابل مشاهده است. اگر جریان مذکور به نحو مناسبی تقویت شود، می‌تواند به صورت یک سیگنال تصویری درآید.
در این نوع آشکارساز، هر چه انرژی الکترون برخوردکننده بیشتر باشد، تعداد جفت‌های «الکترون- حفره» بیشتر و در نتیجه جریان ایجاد شده نیز قوی‌تر خواهد بود. به بیان دیگر، آشکارسازهای مذکور به مقدار انرژی الکترون‌های ورودی حساس هستند و به همین دلیل نمی‌توانند برای الکترون‌های کم انرژی ثانویه مفید باشند. اثر الکترون‌های ثانویه در آشکارساز E-T نیز، با وجود انجام عملیات شتاب‌دهی، بسیار ناچیز و مستلزم حساسیت بسیار بالای آشکارساز است. لذا آشکارسازهای نیمه‌هادی عموماً در آشکارسازی الکترون‌های برگشتی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
طرحی از آشکارسازهای نیمه‌هادی در شکل 3 نشان داده شده است. در این آشکارسازها می‌توان از تراشه‌های نیمه‌هادی دایره‌ای شکل با قطر 25 میلیمتر یا حتی بیشتر استفاده کرد. این تراشه‌ها که وسط آن‌ها روزنه‌ای برای عبور پرتو اولیه وجود دارد، معمولاً در انتهای ستون، در بالای نمونه و در نزدیک‌ترین جای ممکن نسبت به نمونه کار گذاشته می‌شوند. در چنین شرایطی، زاویه فضایی شکل گرفته در حین جمع‌آوری الکترون‌های برگشتی بسیار نزدیک به نیم کره خواهد بود و از این نظر، آشکارسازهای نیمه‌هادی از بازده بالاتری نسبت به آشکارسازهای E-T برخوردارند. علاوه بر این، هزینه ساخت و نگهداری آشکارسازهای نیمه‌هادی بسیار پایین‌تر از آشکارسازهای E-T است، زیرا اصلی‌ترین قطعه مورد نیاز آن تنها یک تراشه نیمه‌هادی است. معایب آشکارسازهای نیمه‌هادی، نیاز به انرژی تحریک بالا و نیز موضوع کیفیت و سرعت پایین تقویت‌کننده‌های مورد استفاده برای آن‌هاست [1،4]. در چندرسانه‌ای 2، نحوه عملکرد این آشکارساز نمایش داده شده است.

filereader.php?p1=main_7bc3ca68769437ce9
شکل 3– شماتیک آشکارساز نیمه‌هادی: (الف) محل قرار گرفتن، (ب) جزئیات عملکرد و اجزای آشکارساز [1]

3-2- آشکارسازهای رابینسون
ساختار آشکارسازهای رابینسون بسیار شبیه به آشکارسازهای E-T بوده و مشابه آن‌ها از بخش‌های اصلی: جرقه‌زن (معمولاً از جنس پلاستیک)، هدایتگر نوری و تقویت‌کننده نوری تشکیل شده است. سطح آشکارگرهای مذکور، بسیار وسیع‌تر از آشکارسازهای حالت جامد است و اندازه نسبتاً بزرگ این نوع آشکارسازها منجر به محدود کردن فاصله کاری شده و معمولاً جلوی رسیدن پرتوی X به آشکارساز آنالیزگر را می‌گیرد (آشکارساز آنالیزگر، آنالیز شیمیایی نمونه را بر عهده دارد). بنابراین معمولاً برای انجام آنالیز نیاز به دور کردن آشکارساز مذکور از امتداد ستون است. مزیت آشکارساز مورد بحث (مشابه آن چه در رابطه با آشکارساز E-T گفته شد)، زمان پاسخ کوتاه آن است که تهیه تصاویر BSE در مد تلویزیون را نیز امکان‌پذیر می‌سازد. آشکارساز رابینسون معمولاً در بررسی نمونه‌های بیولوژیکی و به طور کلی غیرصلب (در میکروسکوپ‌های الکترونی روبشی محیطی (ESEM: Environmental Scanning Electron Microscope) مورد استفاده قرار می‌گیرد. در شکل 4 یک نوع آشکارساز رابینسون ساده نشان داده شده است [1].

filereader.php?p1=main_13207e3d5722030f6
شکل 4– شماتیک آشکارساز رابینسون ساده [4]

4-2- آشکارسازهای درون لنزی (Through the Lens (TTL) detectors)
آشکارسازهای درون لنزی که شماتیک ساده‌ای از آن‌ها در شکل 5 آورده شده است، بیشتر در میکروسکوپ‌های الکترونی روبشی مجهز به تفنگ‌های الکترونی پرقدرت نشر میدانی به کار می‌روند. در این میکروسکوپ‌ها، لنز نهایی دارای میدان مغناطیسی بسیار قوی است و خطای کروی در آن به حداقل خود رسانده خواهد شد (انواع خطاها در بخش‌های بعد شرح داده خواهند شد).
روش عملکرد این آشکارساز به این صورت است که بخش عمده‌ای از پرتوهای ثانویه ساطع شده از سوی نمونه، تحت اثر میدان مغناطیسی بسیار قوی لنز نهایی شروع به حرکت مارپیچ به سمت بالا (داخل ستون) کرده و به یک آشکارساز از نوع جرقه‌زن، هدایتگر نوری و تقویت‌کننده نوری که در داخل لنز کار گذاشته شده است، برخورد می‌کنند. این سیستم بازده بسیار بالایی در جمع‌آوری پرتوهای ثانویه دارد، اما فاصله کاری در آن نسبتاً کم است که خود منجر به محدودیت‌هایی در شکل و اندازه نمونه می‌شود [1].

filereader.php?p1=main_ed92eff813a02a31a
شکل 5– شماتیک آشکارسازهای درون لنزی (TTL) ا[1]

3- بحث و نتیجه‌گیری
وظیفه سیستم روبشگر، حرکت دادن پرتوی الکترونی بر روی سطح نمونه است که توسط دو سیم پیچ انجام می‌شود. علت استفاده از دو سیم پیچ به جای یک سیم پیچ، دستیابی به کنترل، دقت و بازده بالاتر است.
برای دریافت و ترجمه پرتوهای گسیل شده از نمونه از آشکارسازها استفاده می‌شود. علاوه بر این، تقویت پرتوهای دریافت شده، جهت دستیابی به تصویری با کیفیت بهتر، به وسیله تقویت‌کننده‌ها انجام می‌شود. آشکارساز اورهارت - تورنلی E-T که رایج‌ترین آشکارساز است، بیشتر برای کار با الکترون‌های ثانویه استفاده می‌شود و از دیگر آشکارسازهایی چون نوع نیمه‌هادی، رابینسون و درون لنزی برای الکترون‌های برگشتی استفاده می‌شود. آشکارساز E-T و رابینسون بر مبنای سیستم جرقه‌زن و تقویت‌کننده عمل می‌کنند، در حالی که اساس عملکرد آشکارساز نیمه‌هادی، زوج‌های الکترون - حفره و جریان حاصل از آن‌هاست.

در فیلم زیرتوضیحاتی در رابطه با اجزای میکروسکوپ SEM شامل سیستم روبشگر و آشکارگرها ارائه شده است.
 

منابـــع و مراجــــع

1. م. کرباسی،"میکروسکوپ الکترونی روبشی و کاربردهای آن در علوم مختلف و فناوری نانو"،چاپ اول، اصفهان: جهاد دانشگاهی واحد صنعتی اصفهان،(1388).

2. چ. پ. پول و ف. ج. اونسز،"مقدمه¬ای بر نانوفناوری"، ترجمه¬ی ن. تقوی¬نیا، چاپ دوم، تهران: مؤسسه انتشارات علمی دانشگاه صنعتی شریف،(1389).

3. ی. خرازی و ا. ش. غفور،"ابزار شناسایی ساختار مواد"،چاپ اول، تهران: دانشگاه علم و صنعت ایران،(1380).

4. Egerton, R. F., “Physical Principles of Electron Microscopy-an Introduction to TEM, SEM, and AEM”, New York: Springer, (2005).

نظرات و سوالات

نظرات

1 0

بهزاد حبیبی - ‏۱۳۹۳/۱۰/۱۹

تشکر بابت مطالب مفیدتون