برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۴/۰۲ تا ۱۳۹۷/۰۴/۰۸

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

ضمائم مقاله
اخبار مرتبط
آمار مقاله
  • بازدید کل ۳۸,۸۴۶
  • بازدید این ماه ۱۵
  • بازدید امروز ۵
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۱,۰۳۶
  • قبول شدگان ۸۰۹
  • شرکت کنندگان یکتا ۴۰۴
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۷۱
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

طرح درس

منابع پیشنهادی هشتمین مسابقه ملی-عناوین کلی

نویسندگان
کلمات کلیدی
امتیاز کاربران

سیستم‌های تصویرسازی و خلأ، و خطاها در میکروسکوپ الکترونی روبشی

پس از جمع آوری پرتوهای نشر شده از نمونه توسط آشکارسازها، نوبت به تشکیل تصویر با استفاده از آنها می رسد. این کار وظیفه ی سیستم تصویرسازی است. علاوه بر این، یک بخش مهم میکروسکوپ، سیستم خلأ آن می باشد. ستون میکروسکوپ به دلایل مختلفی باید به خلأ کافی برسد که این کار توسط پمپ های مربوطه انجام می شود. همچنین یکی از موضوعات مهم در میکروسکوپ ها، خطاهایی است که باعث می شوند تصویر از آنچه که از نظر تئوری انتظار می رود انحراف داشته باشد. سیستم تصویرسازی، سیستم خلأ و خطاهای موجود در دستگاه SEM در ادامه شرح داده خواهند شد.


4-1- جزء پنجم SEM: سیستم تصویرسازی
سیستم تصویر برداری در SEM بر استفاده از لوله ی پرتوی کاتدی Cathode Ray Tube) CRT)مبتنی است. تصویرسازی به این روش در کلیه ی سیستم های تصویری مانند انواع تلویزیون ها و مانیتورها رایج بوده است و تا قبل از ابداع تکنولوژی نمایش مبتنی بر استفاده از کریستال مایع Liquid Crystal Display) LCD)، از عمومیت گسترده ای برخوردار بوده است. شماتیک لوله های پرتوی کاتدی مورد استفاده در تلویزیون ها و صفحه های نمایش در شکل 1 آورده شده است. لوله ی پرتوی کاتدی، یک محفظه¬ی استوانه ای تحت خلأ است که در آن، تصویر با استفاده از تهییج نقاط مختلف یک صفحه ی فسفرسنت با انرژی مختلف ایجاد می گردد. با دقت در شکل 1 که نشانگر اجزای مختلف یک لوله ی پرتوی کاتدی تصویرساز است، به عبارت های آشنایی در مقوله ی میکروسکوپ الکترونی برخورد می کنیم: تفنگ الکترونی، سیم پیچ های منحرف کننده و پرتوی الکترونی. لذا به خوبی می توان کاربرد CRT در تصویرسازی توسط SEM را متصور شد. با اینحال یک مشکل اساسی در سر راه استفاده از CRT به طور مستقیم، در تصویرسازی در SEM، وجود دارد و آن انرژی کم پرتوهای الکترونی به دست آمده از نمونه (خصوصا پرتوهای الکترون های ثانویه) نسبت به انرژی موردنیاز برای تهییج صفحه ی فسفرسنت (مورد استفاده در CRT) است. بنابراین پیش از برخورد پرتوی الکترونی ناشی از نمونه به صفحه ی فسفرسنت، نیاز به مراحلی است که در ادامه شرح داده می شوند.

filereader.php?p1=main_ec6ef230f1828039e
شکل 1–شماتیک لوله های پرتوی کاتدی مورد استفاده در تلویزیون ها و صفحه های نمایش[1].

با برخورد پرتوی الکترونی ساطع شده از نمونه به جرقه زن، فوتون های نور تولید می شوند. انرژی هر یک از فوتون ها با انرژی پرتوی الکترونی برخورد کرده با آشکارساز متناسب است. فوتون های مذکور توسط هدایتگر نوری به داخل تقویت کننده ی نوری (که در خارج از محفظه ی خلأ دستگاه قرار دارد) هدایت شده و در آنجا با شدت بالایی در مراحل متعدد تقویت می شوند. پس از این مرحله، فوتون های نوری تقویت شده، با حفظ نسبت انرژی متناسب با انرژی پرتوی الکترون برخورد کرده به جرقه زن، وارد بخش تولید سیگنال الکتریکی می شود. این کار توسط یک فوتو کاتد انجام می گیرد. در این مرحله، مجددا نور به الکترون تبدیل شده و با برخورد به صفحه ی فسفرسنت، موجب ایجاد نقاط تصویری قابل مشاهده بر روی صفحه ی نمایش دستگاه می گردد.

عنوان : تشکیل تصویر در میکروسکوپ الکترونی روبشی

توضیحات : تشکیل تصویر در میکروسکوپ الکترونی روبشی توسط رسم شدت یکی از سیگنال های حاصل از برهمکنش ماده و الکترون صورت می گیرد. هر جزء مربوط به یک پیکسل روی صفحه می باشد که پیکسل ها برحسب شدت پرتوالکترونی ساطع شده با پیمایش افقی سطح توسط پرتوالکترونی متمرکز شده، نشان داده می شوند.

نمایش توضیحات فیلم


چندرسانه ای1 :تشکیل تصویر در میکروسکوپ الکترونی روبشی

بنابراین ایجاد یک تصویر بر روی CRT نیاز به تعیین و کنترل دو عامل دارد:
1- شدت پرتوی الکترونی
2- محل برخورد الکترون به صفحه ی فسفرسنت

بنابراین شدت سیگنال الکتریکی (پرتوی الکتریکی) برخورد کننده به صفحه ی فسفرسنت، بر مبنای شدت پرتوی الکترونی ساطع شده از نمونه و در آشکارساز تعیین می گردد. بعلاوه، محل این سیگنال، دقیقا منطبق بر محل ساطع شدن الکترون از نمونه در قاب تصویر بر روی نمونه است. به عبارت دیگر، متناظر با هر نقطه بر روی نمونه، نقطه ای بر روی CRT ایجاد می شود.
اندازه CRT ثابت است و از آنجا که هر نقطه بر روی نمونه، نقطه نظیری بر روی CRT دارد، با کاهش اندازه قاب تصویر یا همان مساحت روبش بر روی نمونه، می توان بزرگنمایی را افزایش داد و بالعکس. چندرسانه ای 1 روبش پرتوی الکترونی و تشکیل تصویر در دو بزرگنمایی مختلف را نمایش می دهد. لازم به ذکر است که هر چه ذرات پوشش فلورسنت صفحه ی CRT ریزدانه تر باشد، قدرت تفکیک بهتر خواهد بود. همچنین برای اینکه تصویری با کیفیت مناسب حاصل شود باید افزایش زمان تقویت کننده ویدئویی چندین برابر کوچکتر از زمان لازم برای حرکت پرتوی الکترونی روی اجزای نمونه  مورد بررسی باشد و نیز اندازه ی اجزای تصویر بزرگنمایی شده نباید از محدوده ی قدرت تشخیص چشم انسان (0.2 میلیمتر) کوچکتر باشد [1،2].

4-2- جزء ششم SEM: سیستم خلأ
علت اصلی نیاز به برقراری خلأ در سیستم های الکترونی و به خصوص میکروسکوپ های الکترونی از یک تفاوت عمده ی نور و پرتوی الکترونی نشأت می گیرد. الکترون ها در محیط های گازی به شدت پراکنده می شوند، درحالیکه پراکنده شدن نور در محیط های مشابه، بسیار کمتر از الکترون است. شدت پراکنده شدن الکترون ها در محیط های گازی آنقدر زیاد است که لازم است تمام مسیرهای اپتیکی در میکروسکوپ الکترونی تا فشاری کمتر از 10-10 پاسکال خلأ شوند. پراکنده شدن الکترون ها در شرایط خلأ نامناسب باعث کاهش قدرت تفکیک و وضوح تصویر می گردد. علاوه بر این، با توجه به دمای بسیار بالای فیلامان های ترمویونی و حساسیت شدید فیلامان های نشر میدانی به حضور اکسیژن و سایر مواد گازی، نیاز به کاهش شدید فشار گاز توسط سیستم های خلأ و کنترل حضور مواد گازی اجتناب ناپذیر است. پایین بودن خلأ در میکروسکوپ های الکترونی باعث تخلیه ی الکتریکی ناگهانی در طول مسیر اپتیکی و همچنین آلودگی نمونه و تجهیزات موجود می گردد.
سیستم خلأ میکروسکوپ های الکترونی نیز با پیشرفت های زیادی همراه و یکی از ارکان مهم تجاری شدن این میکروسکوپ ها بوده است. از عمومی ترین تجهیزات ایجاد خلأ بالا در میکروسکوپ های الکترونی روبشی، پمپ های چرخشی (Rotary Pump) مکانیکی هستند که خلأ اولیه را ایجاد می کنند. به منظور ایجاد خلأ نهایی در سیستم، پمپ مکانیکی مذکور به همراه پمپ های قوی تر توربومولکولی (Turbo Molecular Pump) یا پمپ های نفوذی (Diffusion Pump) به کار می روند [1-4].

4-2-1- پمپ های مکانیکی چرخشی
پمپ های چرخشی که به پمپ های پره ای نیز مشهورند، با اعمال فشار روغن بر یک پره ی خارج از مرکز کار می کنند که با چرخش پره ی مذکور جابجایی ساده هوا انجام می گیرد. نتیجه ی کار این پمپ، ایجاد خلأ ضعیفی در حدود 2-10 تور می باشد. شماتیکی مقطع این پمپ در شکل 2 نشان داده شده است.

filereader.php?p1=main_1d665b9b1467944c1
شکل 2–سطح مقطع یک پمپ مکانیکی چرخشی [2].

4-2-2- پمپ های نفوذی
پمپ نفوذی مستقیما در زیر ستون SEM قرار می گیرد و مرحله ی نهایی ایجاد خلأ را به پشتیبانی پمپ مکانیکی انجام می دهد. شماتیک این پمپ در شکل 3 نشان داده شده است. حداکثر خلأ ایجاد شده توسط پمپ های نفوذی 5-10 تور می باشد.

filereader.php?p1=main_7bc3ca68769437ce9
شکل 3–سطح مقطع یک پمپ نفوذی[3].

در پمپ های نفوذی از بخار روغن در ایجاد خلأ استفاده می‌شود که این امر منجر به باقی ماندن مقادیر بخار روغن در محفظه می شود. بخار روغن مورد استفاده در پمپ نفوذی، معمولا روی کلیه ی سطوح در تماس محفظه ی خلأ و نمونه رسوب می نماید. با انجام عملیات روبش الکترونی بر روی سطح نمونه و ایجاد امکان افزایش دما، در نواحی بسیار کوچک قاب تصویری بر روی نمونه، روغن مذکور سوخته و منجر به ایجاد دوده در سطح نمونه می شود. بعلاوه، وجود روغن در محفظه، منجر به خطا در تعیین کربن نمونه توسط آنالیزگر های همراه SEM می شود[1-3].

4-2-3- پمپ های توربومولکولی
این نوع پمپ ها از اهمیت بالایی برخوردارند، زیرا توانایی بالایی در به حداقل رساندن آلودگی در SEM دارند. این موضوع خصوصا هنگامی که دقت بالایی در آنالیز عناصر موجود در نمونه نیاز باشد اهمیت پیدا می کند. نمونه‌ای از پمپ‌های توربومولکولی در شکل 4 نشان داده شده است. تنها محدودیت این پمپ ها نسبت به پمپ های نفوذی، قیمت بالای آنها می باشد [1].

filereader.php?p1=main_13207e3d5722030f6
شکل 4–سطح مقطع یک پمپ توربومولکولی[2].

4-3- خطاهای لنزهای الکترونی
وقتی که از یک لنز دستی برای بزرگنمایی یک جسم خاص استفاده می شود، فرض بر این است که هر نقطه ی تصویر، به وسیله ی لنز، از یک نقطه ی جسم نشأت گرفته است. در مواجهه با بزرگنمایی هایی کم برای مقاصد عملی در چنین لنزهایی، این فرض به قوت خود باقی است. اما در میکروسکوپ های الکترونی که لنز ها با هم تلفیق شده و بزرگنمایی قابل توجهی ایجاد می نمایند، فرض «نقطه تصویر- نقطه جسم» به میزان کارکرد مناسب وابسته است. این امر نیز دور از حقیقت نیست که معمولا لنزها (شیشه ای یا مغناطیسی) دارای انحرافاتی هستند. در تصویرسازی نقطه به نقطه، خطاها کمترند، اما واقعیت تصویرسازی به صورت نقطه به صفحه (دایره ای) است. بنابراین با توجه به مقدار خطای لنز، هر نقطه از جسم به صورت یک صفحه ی دایره ای شکل (Disc) تصویر می شود. این صفحه به «صفحه ی آشفتگی» (Disc of Confusion) یا صفحه ی اغتشاش یافته معروف است. در ادامه به تشریح برخی از خطاها یا عیوب لنزهای مغناطیسی با ذکر منشأ خطاها و اثر آن بر پرتوی الکترونی پرداخته می شود [2،5].

4-3-1- خطای کروی
این خطا هنگامی بروز می نماید که قدرت میدان در عرض فاصله ی لنز متغیر باشد. همانطور که در شکل 5 ملاحظه می شود، در صورت وجود خطای کروی، میزان کج شدن و انحراف دورترین الکترون ها نسبت به محور لنز بیشتر از الکترون های نزدیک تر است. با نصب یک صفحه ی شکاف دار یا روزنه در مقابل پرتوهای ورودی می توان خطای کروی را به حداقل رسانید. افزایش قدرت میدان نیز قادر است از میزان خطای کروی بکاهد. صرف نظر از این توضیحات، خطای کروی به عنوان یک محدودیت در استفاده از میکروسکوپ الکترونی برای ایجاد تصویر از جزئیات نمونه های بسیار ریز است [2،5].

filereader.php?p1=main_ed92eff813a02a31a
شکل 5–خطای کروی در یک لنز مغناطیسی [2].

4-3-2- خطای رنگی
همانطور که از نام آن نیز مشخص است، خطای رنگی به امکان غیر تک رنگ شدن پرتوهای روشن کننده یا انرژی منتشر شده از الکترون ها مرتبط می شود. در صورت بروز حالت های زیر ممکن است عیب رنگی افزایش یابد:
• همه ی الکترون ها، پرتاب کننده الکترون را با همان سرعت اولیه ترک نکنند؛
• وسایل پایدار کننده ولتاژ بالا ناکافی بوده و یا خوب عمل نکنند (در این صورت فاصله ی کانونی لنز متغیر خواهد بود)؛
• جریان سیم پیچ ها به درستی کنترل نشوند (که باعث تغییر مقدار فاصله ی کانونی می شود)؛
• هنگام برخورد یا عبور الکترون ها به نمونه، تلفات انرژی وجود داشته باشد.
در شکل 6 شمایی از خطای رنگی نشان داده شده است. همانطور که ملاحظه می شود، اختلاف انرژی در پرتوها باعث ایجاد عدم تطابق و تمرکز در نقطه ی مشترک شده است. با کم شدن فاصله ی کانونی لنز نهایی و افزایش ولتاژ شتاب دهنده، ضمن افزایش توان تفکیک، خطای رنگی کاهش می یابد.

filereader.php?p1=main_c6c27fc98633c8257
شکل 6–خطای رنگی در یک لنز مغناطیسی[2].

همراه با خطای رنگی، اثری به نام «اثر پر کردن فضای خالی» (Space-Charge Effect) وجود دارد و پاسخ دهنده ی این سؤال است که چه مقدار الکترون ها می توانند بدون رانش متقابل (Mutual Repulsion) در یک نقطه کانونی متمرکز شوند. وقتی چگالی پرتوی الکترونی کم است، این اثر قابل اغماض می باشد. اما در چگالی بالای الکترون ها، این امر باعث تلفات سرعت و در نتیجه تغییر طول موج می شود [2،5].

4-3-3- آستیگماتیسم
در میکروسکوپ ها فرض بر این است که لنز ها با تقارن کامل تهیه شده اند. اما هرگونه انحراف از میدان های مغناطیسی متقارن کامل، باعث ایجاد تصویر یک نقطه از جسم به صورت خط یا رگه خواهد شد. بنابراین سعی سازندگان لنز بر این است که با طراحی مناسب، ماشینکاری و ساختمان صحیح لنزهای مغناطیسی و قطعات قطب های آنها، خطای آستیگماتیسم را به حداقل برسانند. هر چند به دلیل افزایش آلودگی در حین کارکرد معمولی میکروسکوپ از تکه های قطب لنز و روزنه ها ممکن است این خطا افزایش یابد. این آلودگی ها از خود نمونه و سیستم خلأسازی نیز می توانند ناشی شوند [2،5].

4-4- بحث و نتیجه گیری
تصویر در SEM با استفاده از لوله پرتوی کاتدی CRT و بر روی صفحه ی فسفرسنت تشکیل می-شود. از تقویت کننده جهت تقویت شدت پرتوهای گسیل شده از نمونه استفاده می شود. محل برخورد پرتوی الکترونی به صفحه ی فسفرسنت و شدت آن، تصویر را نقطه به نقطه شکل می دهد. به عبارت دیگر، هر نقطه روی تصویر متناظر با یک نقطه روی نمونه است.
برای اینکه SEM بتواند عمل کند محیط داخل ستون اپتیکی باید کاملا خلأ باشد تا اولا پرتوی الکترونی با برخورد به مولکول های هوا و دیگر گازها دچار پراکندگی نشوند و دوما فیلامان هایی که در دمای بالا عمل می کنند اکسید نشوند. برای دستیابی به خلأهای پایین 2-10 تور از پمپ چرخشی و برای خلأهای بالاتر از پمپ های نفوذی و توربومولکولی استفاده می شود.
خطاها در میکروسکوپ باعث می شوند که تصویر از حالت ایده آل خارج و به طور مثال هر نقطه به یک دیسک مبدل شود. مهم ترین خطاها، خطای کروی، رنگی و آستیگماتیسم می باشند. برای کاهش هر چه بیشتر این خطاها می توان راهکارهایی چون استفاده از روزنه ی مناسب، کم کرد فاصله ی کانونی لنز، افزایش ولتاژ شتاب دهنده و طراحی دقیق لنز ها را به کار گرفت.

در فیلم زیرتوضیحاتی در رابطه با اجزای میکروسکوپ SEM شامل سیستم تصویرسازی و سیستم خلا داده شده است.



در فیلم زیرعمومی ترین پارامترهای کاربری مانند زاویه نمونه، فاصله کاری، ولتاژ کاری و ... که یک کاربر باید به آن ها توجه کند و همچنین نکات مربوط به این پارامترها توضیح داده شده است.



در فیلم زیردرباره اجزای ستون و محفظه ی نمونه در میکروسکوپ SEM  توضیحات مختصری داده شده و بعد از آن در باره خلا و سرعت رسیدن به خلا مناسب نکاتی ذکر 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. ی. خرازی و ا. ش. غفور،"ابزار شناسایی ساختار مواد"،چاپ اول، تهران: دانشگاه علم و صنعت ایران،(1380).

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

4. پ. مرعشی، س. کاویانی، ح. سرپولکی و ع. ذوالفقاری،"اصول و کاربرد میکروسکوپ¬های الکترونی و روش¬های نوین آنالیز - ابزار شناسایی دنیای نانو"،ویرایش دوم. چاپ دوم، تهران: دانشگاه علم و صنعت ایران،(1389).

5. Goodhew, P. J., Humphreys, J., Beanland, R., “Electron Microscopy and Analysis”, 3rd Edition. London: Taylor & Francis, (2001).