جدیدتکنیک های پراش در میکروسکوپ TEM (پراش SAD، CBED، Kikuchi، EELS)
پیشنهاد می کنیم پیش از مطالعه این بخش، مقاله “میکروسکوپ الکترونی عبوری (آنالیز TEM)” را به تشریح میکروسکوپ الکترونی روبشی و آنالیز TEM پرداخته را مطالعه کنید.
همان طور که در مقاله “آنالیز TEM” اشاره کردیم، با آشکارسازی الکترون های پراش یافته توسط میکروسکوپ الکترونی عبوری می توانیم به اطلاعات ارزشمندی دست پیدا کنیم که در مباحث بلور شناسی کاربردهای فراوانی دارند. با تحلیل دقیق این اطلاعات، می توان تصویرسازی از ریزساختارها را به صورت کمی و کیفی روی آشکارسازی دانه ها و مرز دانه ها، توزیع جهاتی دانه ها، شناسایی فازهای موجود، اندازه و توزیع فازها و میزان بلورشدگی آنها و … انجام داد.
در این مقاله قصد داریم تا با تکنیک های پراش در میکروسکوپ الکترونی TEM آشنا شویم. به منظور درک بهتر شما با هر بخش مثالی از کاربردهای آن در مهندسی و علم مواد ذکر کرده ایم. با ما همراه باشید.
تعیین ساختار کریستالی با روش “پراش ناحیه منتخب” (SAD)
در میکروسکوپ TEM، یک نمونه بلورین نازک در معرض پرتوهای موازی الکترون‌های پرانرژی قرار می گیرد. می دانیم که در آنالیز TEM نمونه ها ضخامتی نانومتری دارند و پرتوهای الکترونی انرژی بالایی در حدود ۱۰۰ تا ۴۰۰ کیلو الکترون ولت دارند. بنابراین الکترون ها به راحتی از نمونه عبور می کنند.
از آنجا که طول موج الکترون‌های پرانرژی در حد چندهزارم نانومتر است و فاصله بین اتم‌ها در یک ماده جامد تقریبا صد برابر بزرگتر است، بخشی از الکترون ها با زوایای خاصی پراکنده می شوند. با استفاده از این شبکه های پراش به وجود آمده، می توان ساختار بلوری نمونه را مشخص کرد. در این حالت تصاویر به دست آمده از میکروسکوپ TEM به صورت مجموعه ای از نقاط مشاهده می شوند که هر نقطه نشان دهنده یک شرایط پراش مناسب از ساختار کریستالی نمونه است.
الگوهای پراش Selected Area Diffraction Pattern” SAD” روشی بسیار مناسب برای شناسایی ساختار و عیوب کریستالی محسوب می شوند. این روش شبیه پراش اشعه ایکس است، اما از این جهت منحصر به فرد است که می توانیم با استفاده از آن نواحی به پهنای چند صدنانومتر را آنالیز کنیم در حالی که در آنالیز XRD توانایی آنالیز تا چند سانتیمتر محدود می شود!
در تصاویر زیر تصاویر آنالیز TEM و پراش SAD حاصل از آن ها را مشاهده می کنید. تصاویر بالا نشان دهنده تصاویر میکروسکوپ TEM در زمینه روشن و تصاویر پایین پراش SAD را نشان می دهند.
الگوهای پراش SAD در آنالیز TEM
روش SAD معایبی نیز دارد. ما باید در تفسیر تصاویر SAD از نواحی که کمتر از ۰.۵ میکرومتر قطر دارند بسیار محتاط باشیم. چراکه اطلاعات موجود در این الگو ممکن است محدود به آن منطقه نباشند. در ضمن مقیاس این روش در مقایسه با ابعاد بسیاری از ساختارهای بلوری که ما را در علم مواد به آن ها علاقه مندیم بزرگتر است! نکته بعد این است که SAD تنها حاوی اطلاعات ۲ بعدی کریستالوگرافی است.
کشف کرنش های مکانیکی نمونه با آنالیز “پراش الکترونی پرتوهای همگرا” (CBED)
در طول ۴۰ سال گذشته روش های مختلفی برای غلبه بر معایب SAD ایجاد شده‌اند تا بر محدودیت‌های کنتراست مکانی TEM غلبه کنند. در میان این روش‌ها، آنالیز Convergent Beam Electron Diffractin” CBED” بسیار ساده و فراگیر است. نکته شگفت انگیز این است که با روش CBED شما می توانید به درون تک تک کریستال ها راه پیدا کنید که این همان معنای واقعی نانوتکنولوژی است! برای تشکیل الگوهای CBED باید یک بیم الکترونی بسیار کوچک (زیر ۱۰۰ نانومتر) با یک نیم زاویه همگرا همانند شکل زیر ایجاد کرد.
مشاهده ساختار درونی ماده با استفاده از آنالیز CBED
روش CBED در میکروسکوپ الکترونی عبوری یک روش تثبیت شده است که با استفاده از آن می توان اطلاعات کرنش در کریستال ها را به صورت کمی به دست آورد. همان طور که در تصاویر بالا مشاهده می کنید، در این روش وضوح تصاویر آنالیز در مقیاس نانومتر بسیار بالاست.
اساسا این روش با تکنیک “نقطه به نقطه” بر اساس آنالیز تغییرات رخ داده در “نواحی بسیار منظم لاوه” یا به اختصار HOLZ انجام می گیرد. خطوط HOLZ زمانی در دیسک مرکزی بیم الکترونی اتفاق می افتند که نمونه از هرگونه فعل و انفعالات دینامیکی خالی باشد. اگر طی آنالیز CBED هرگونه جابجایی در خطوط HOLZ اتفاق بیفتد نشان دهنده وجود کرنش در ساختار کریستالی نمونه است. به تصاویر زیر توجه کنید:
تشخیص وجود کرنش در ساختار کریستالی با استفاده از میکروسکوپ TEM
تعیین جهت بلوری مرزدانه ها توسط میکروسکوپ TEM
یکی از مهم ترین قابلیت های آنالیز TEM، بررسی دانه و مرزدانه ها است. به طور کلی مجموعه نقاط مجاور با جهت بلوری مشابه را یک دانه “Grain” در نظر می گیریم و حد فاصل بین دو ناحیه مجاور با امتداد بلوری متفاوت را مرزدانه “Grain Boundary” می نامند.
در هر مرز دانه یک نقطه اتصالی وجود دارد که با هیچکدام از دو دانه هم جهت نیست. عدم تطبیق امتدادهای بلوری در دو دانه مجاور باعث می شود که اتم ها در حد فاصل بین دو دانه کارایی کمتری داشته باشند و در نتیجه اتم هایی که در مرز بین دانه ها قرار دارند نسبت به اتم های درون دانه دارای انرژی بالاتری باشند. به این دلیل، شناسایی مرز دانه ها در بررسی رفتار نمونه بسیار مهم است.
با توجه به محدودیتی که قدرت تفکیک تصاویر میکروسکوپ نوری در بررسی ریزساختارها در مقیاس نانو و میکرو دارد، امروزه استفاده از پراش الکترون برگشتی به طور گسترده ای مورد توجه قرار گرفته است.
به عنوان مثال در شکل زیر تصویر یک فیلم مسی را مشاهده می کنید که در دماهای ۱۵۰ و ۲۰۰ و ۲۵۰ و ۳۰۰ درجه سانتیگراد قرار گرفته اند. در این تصاویر هر دانه با یک رنگ نشان داده شده است. مشاهده می شود که با افزایش دما بعضی دانه ها رشد داشته و مرز دانه ها تغییر کرده اند.
مشاهده تغییرات مرزدانه ها توسط میکروسکوپ TEM
تعیین زاویه مرزدانه ها با استفاده از الگوهای کیکوچی
در الگوی پراش خطوط کیکوچی “Kikuchi” از الکترون هایی که به صورت غیر الاستیک متفرق می شوند، برای تشکیل تصویر استفاده می شود. در نمونه های بلورین برخی از این الکترون ها که به صورت غیر الاستیک متفرق شده بودند، ممکن است دوباره به صورت الاستیک تفرق پیدا کنند. همین عامل سبب به وجود آمدن خطوط کیکوچی می شود.
نقش الگوهای کیکوچی “Kikuchi” در تعیین زاویه مرزدانه
در بررسی دانه ها و مرز دانه ها یکی از مباحث حائز اهمیت تعیین زاویه مرزهاست. در روش های متالوگرافی توانایی اندازه گیری عامل فوق وجود ندارد. به طور کلی، برای تعیین اندازه دقیق دانه و مرزدانه این عامل به عنوان یکی از متغیرهای اصلی محسوب می شود. این متغیر به عنوان “زاویه تحمل” در اندازه گیری ها نام برده می شود و به منظور کمی سازی محاسبه اندازه دانه، هر چه زاویه تحمل بیشتر باشد، اندازه دانه ها مقادیر بالاتری خواهند داشت. به طور معمول زاویه بیشتر از ۱۵ درجه را به عنوان مرز دانه های با زاویه بالا و بین ۲ تا ۱۵ درجه را مرز دانه های با زاویه پایین در نظر می گیرند. در شکل زیر تصاویر سه نمونه مختلف زیر میکروسکوپ TEM نشان داده شده است که برای آنالیز جهت گیری مرزدانه ویرایش شده اند.
استفاده از میکروسکوپ الکترونی TEM در مشاهده جهت گیری مرزدانه
بررسی بافت ریزساختارها
طیف گسترده ای از خواص فیزیکی، مکانیکی و شیمیایی وابسته به جهت بلورشناسی دانه ها است. اگر جهت گیری دانه ها به صورت توزیع تصادفی باشد، آن ماده همسانگرد”Isotropic” و اگر دانه ها جهت گیری خاصی داشته باشند ماده دارای بافت “Texture” می شود.
یکی از روش های استفاده در تجزیه و تحلیل بافت، الگوی پراش الکترونی و استفاده از آشکارسازهای میکروسکوپ TEM است. در بسیاری از فرآیندهای متالورژیکی نظیر شکل دهی مکانیکی و رشد دانه مشاهده می شود که این فرایندها باعث ایجاد بافت های مختلف با شدت های متفاوت در ساختار می شوند. حضور دانه های با جهات خاص در یک ساختار، خواص ماده مورد نظر را تا حدود زیادی غیریکنواخت و جهت دار می کند. در این بخش با استفاده از آنالیز TEM می توان مطالعات گسترده ای بر رفتارهای مقاومتی مواد و انتخاب مناسب ترین شرایط به دست آورد.
برای مثال در شکل زیر تصاویر پیرسختی برای دو نمونه از یک آلیاژ منیزیومی را مشاهده می کنید. در این تصاویر به خوبی می توان فازهای تشکیل شده و مرزدانه ها را پس از عملیات پیرسختی و نورد مشاهده کرد.
مشاهده ریزساختار بافت توسط میکروسکوپ TEM
اجرای هم زمان آنالیز ریزساختار و آنالیز فازی
یکی از اطلاعات به دست آمده در اثر پراش الکترون ها در میکروسکوپ TEM، تعیین همزمان ریزساختار و فاز است. برای این کار از ترکیب پراش الکترون های برگشتی با طیف سنج پرتو ایکس استفاده می شود. با اسکن پرتو الکترونی روی سطح نمونه می توانیم اطلاعات مفیدی از ترکیبات شیمیایی و نقشه های آنها با استفاده از آنالیزور طیف سنجی پراکندگی انرژی به صورت هم زمان تهیه کنیم. در این حالت کاری، ترکیبات شیمیایی، نوع فازها و مقدار آنها به همراه جهات بلوری می توانند به طور هم زمان تعیین شوند.
در شکل زیر ریزساختاری را مشاهده می کنید که متشکل از فازهای فلزی و بین فلزی Si، Zr و Al است. شکل سمت چپ تصویر فازی را نشان می دهد که با استفاده از آشکارساز الکترون برگشتی (BSD) به دست آمده است. تصویر وسط آشکارسازی عناصر را با استفاده از طیف سنجی پراکندگی انرژی (EDS) نشان می دهد. در نهایت الگوی سمت راست تصویر پراش الکترون ها با استفاده از الگوی EBSD را نشان می دهد که دانه ها و مرزدانه ها مشخص شده اند.
مشاهده آنالیز ریزساختاری و فازی در TEM
طیف سنجی الکترونی افت انرژی یا EELS
آنالیز Electron Energy Loss Spectroscopy” EELS” یکی از روش های جدید آنالیز میکروسکوپی برای نمونه های با ضخامت کم محسوب می شود. اساس این روش بر مبنای برخوردهای غیرالاستیکی است که در طی برهمکنش الکترون و سطح نمونه ایجاد می شود. بعضی از الکترون هایی که احتمال می رود به شکل غیر الاستیک برهمکنش کنند، بدون اینکه در مسیر حرکت آنها تغییر قابل توجهی بوجود آید، مقداری از انرژی خود را از دست می دهند. بنابراین آنها در باریکه الکترونی عبوری به همراه الکترون های پراکنش نیافته حضور خواهند داشت.
مقدار افت انرژی که الکترون ها در طی پراکنش غیرالاستیک دارند، تابعی از عمل پراکنش تحمیلی می باشد. این الکترون ها اصطلاحاً الکترون های افت انرژی نامیده شده و جهت تصویر و یا میکروآنالیز شیمیایی می توانند مورد استفاده قرار گیرند. بنابراین الکترون های ورودی که مقداری از انرژی خود را در طی این فرایند از دست می دهند، منبع اطلاعات EELS هستند.
کاربردهای معمول این تکنیک طیف سنجی عبارتند از:
- آنالیز عنصری با دقت بالا
- تصویربرداری و نقشه سازی از سطح عناصر
- بهبود کنتراست بدون کاهش
- رزولوشن و قدرت آشکارسازی در حدود ۱۰ برابر بهتر از EDS
- آنالیز کیفی همه عناصر با عدد اتمی بزرگتر از ۱۷
- آنالیز کمّی به وسیله لبه های یونیزاسیون لایه داخلی عناصر
- دارا بودن سیگنال هایی عموما قوی که شامل اطلاعات شیمیایی هستند
معایب طیف نگاری الکترونی افت انرژی نیز شامل موارد زیر می شود:
- همراه با دستگاه TEM ساخته می شود بنابراین تکنیک پرهزینه ای است که با تخریب نمونه نیز همراه است.
- آماده سازی نمونه در این روش خیلی وقت گیر است.
- ابعاد نمونه حتما باید کوچک می باشد.
- گرچه EELS قادر به استخراج اطلاعات به کمک انرژی است. اما تفکیک مکانی آن توسط دستگاه TEM محدود می شود.
جمع بندی
در این مقاله سعی شد تا به مهم ترین کاربردهای میکروسکوپ TEM اشاره شود. قابلیت های بالای این دستگاه در بررسی ساختار داخلی و مورفولوژی داخلی مواد باعث شده تا این ابزار به یکی از پرکاربردترین ابزارهای آنالیز در بسیاری از علوم از جمله مهندسی مواد به شمار آید. امروزه از میکروسکوپ TEM جهت دستیابی به اطلاعاتی نظیر آنالیز عنصری، فازی، پیوندهای شیمیایی، استحاله های فازی، تبلور مجدد و تشخیص عیوب داخلی قطعات استفاده می شود.
منابع
م.نوغانی، و.ابویی مهریزی (۱۳۹۳). “روش های نوین شناخت و آنالیز مواد”، چاپ اول، انتشارات فدک ایساتیس
مطالب مرتبط
دیدگاه کاربران