المجاهر الالكترونية

المجهر الإلكتروني Electron Microscopy هو أسم يشمل شريحة واسعة من التقنيات المتخصصة في دراسة أسطح المواد بقوة تكبير تصل الى مستوى الجزيئات، و تنقسم هذه المجاهر الى قسمين رئيسيين هما المجاهر الإلكترونية الماسحة Scanning Electron Microscopy و التي يشار لها إختصار SEMو المجاهر الإلكترونية النافذة Transmission Electron Microscopy والتي يشار لها إختصار TEM ، و يعتمد مبدأ هذه المجاهر على إستخدام حزمة أشعاع إلكتروني عالي الطاقة بدل من الضوء الطبيعي أو الضوء الصناعي للحصول على دقة تمييز تصل الى مستوى أبعاد النانو، و قد تم بناء أول مجهر الكتروني في برلين عام 1931م على يد العالمين Max Knoll و Ernst Ruska و بهذا الإختراع تم تجاوز الحدود المفروضة على القدرة التكبيرية للمجاهر و التي كانت محكومة بموجات الضوء المرئي.

المجهر الإلكتروني الماسح

المجهر الإلكتروني الماسح و الذي يشار لها كما ذكرنا إختصار SEM من أهم أجهزة التصوير المجهري و التي لها الكثير من التطبيقات الرئيسية و المهمة في مجال علوم المواد و العلوم الطبية. و كلمحة تاريخية عن هذا المجهر فقد تم وضع تصور نظرية عمله بشكل كامل في الأربعينات الميلادية، و لم يتم تسويق أول نموذج من هذا الجهاز الا بعد مرور حوالا عشرون سنة إي في الستينات الميلادية. يتميز هذا المجهر بقدرته التكبيرية و التي تصل الى أكثر من نصف مليون مرة، و عليه فقد وجد هذا المجهر طريقه الى جميع التطبيقات العلمية و في شتى مجالات العلوم. فبواسطة المجاهر الإلكترونية الماسحة الحديثة نستطيع دراسة أسطح العينات و تركيباتها الدقيقة و مكوناتها الكيميائية و سماكتها، و كذلك دراسة أحجام الجسيمات و الجزيئات و الميكروبات، و الكثير من التطبيقات الأخرى.
 

SEM المجهر الإلكتروني الماسح

المبادئ الأساسية للمجهر الألكتروني الماسح

كما ذكرنا سابقا يتميز المجهر الألكتروني الماسح بقوة تكبير عالية جدا تصل الى أكثر من نصف مليون مرة، و يرجع السبب في ذلك الى إستخدام أشعاع الكيتروني عبارة عن حزمة من الإلكترونات Electron Beam عالية الطاقة ذات طول موجي قصير جدا في حدود 0.0068 nm لذا نجد أن قوة التمييز Resolution لهذا المجهر تصل الى أقل من 0.5 nm و قوة التمييز يقصد بها قدرة المجهر على التمييز "التفريق" بين جسمين دقيقين متقاربين بحيث يظهران منفصلين، و هذا يعتمد على الطول الموجي المستخدم، و للمقارنة دعنا نتذكر المجهر الضوئي، المجهر الذي يستخدم الضوء الصناعي أو الطبيعي ما هي حدود قدرة تمييزه؟ طبعا قدرة تمييز هذا المجهر محدودة بالطول الموجي لضوء و عليه ستكون قدرة تمميزه محكومة بالأطوال الموجية لطيف المرئي إي ما بين 400 nm الى 700 nm و بالتالي فإن قوة تمييزة في حدود 0.2 ميكرومتر، و لكن الطول الموجي لحزمة الإلكترونات المستخدمة في المجهر الإلكتروني كما ذكرنا سابقا هي 0.0068 nm فقط مما يجعله ذا قوة تمييز فائقة جدا.

تعتمد نظرية عمل المجهر الإلكتروني الماسح على إستخدام حزمة اليكترونية عالية الطاقة تصتدم بسطح العينة عاموديا بسطح العينة المدرسة، و من ثم جمع الإشارات Signalsالمنعكسة و الصادرة من العينة بإستخدم الكواشف المختلفة Detectors ، و في ما يلي سنقدم شرحا مبسطا لكيفية عمل هذا المجهر:

أولاً: يتم أنتاج الإلكترونات عن طريق الإنبعاث الحراري و ذلك عن طريقة فتيلة Filament تسخين تصنع عادة من التنجستين، و يطبق على هذه الفتيلة جهد تعجيل تتفاوت قيمته ما بين 0.1 V الى 30 V .

ثانيا: تمر حزمة الإلكترونات خلال عامود المجهر microscope columnالمفًرغ و يتم تركيز هذه الحزمة بواسطة مجموعة من العدسات الكهرومغناطيسية electromagnetic lenses على طوال هذا العمود.

ثالثاً: تعمل فتحات التحكم apertures الموجودة على طول عمود المجهر على التحكم في عرض حزمة الإلكترونات و ذلك بحجز الإلكترونات المتشتتة و المنحرفة عن مسار الحزمة.

رابعاً: تصتدم الحزمة الإلكترونية بسطح العينة و التي تكون داخل حيز مغلق و مفرغ تماما يسمى غرفة المجهر الإلكتروني الماسح SEM chamber حيث تتفاعل interaction هذه الحزمة مع سطح العينة ، و ينتج عن هذا التفاعل عدد من الإنبعاثات " الإشارات" signals من أهم هذا الإنبعاثات أو الإشارات و التي تستخدم في إنتاج صور أسطح العينات، إشارتان هما إنبعاث الإلكترونات الثانوية Secondary Electrons و يرمز لها إختصارا SE و إنبعاث إلكترونات الإستطارة الخلفية Backscattered Electron و يرمز لها إختصار BSE ، و أيضا هناك الإشعة السينية X-rays المنبعثة من العينة و لها أهمية كبيرة في دراسة ما هية عناصر العينة و كذلك نسبها، مما يعطي معلومات وافيه عن العينة المدروسة، و يجدر الإشارة هنا إلى أن كل إشارة من هذه الإشارات تنبعث من مستوى معين بالنسبة لسطح العينة و تشكل نسبة معينة من عملية التفاعل بين الحزمة الإلكترونية الساقطة و سطح العينة و تسمى عملية التفاعل هذه بأسم حجم التفاعل Interaction volume و الذي يبين الحيز ثلاثي الإبعاد لمدى التفاعل بين الحزمة الإلكترونية و العينة و كذلك مستوى و حجم كل إشارة من إشارات الإنبعاث كما هو موضح في الشكل أدناه.

خامسا: يتم تجميع كل إشارة بواسطة الكاشف الخاص بها، حيث يتم بعد ذلك تحليل هذة الإشارات و معالجتها و من ثم يتم إظهارها كصور بالنسبة للإشارتين SE و BSE أو كطيف تحليلي للأشعة السينية Spectrum للأشعة السينية X-ray.



شكل توضيحي مبسط يبين الأقسام الرئيسية للممجهر الإلكتروني الماسح SEM


في ما يلي سنتحدث بشيء من التفصيل عن هذه الإشارات الثلاثة التي ذكرناها سابقا:

أولا: إنبعاث الإلكترونات الثانوية SE:
تنبعث الإلكترونات الثانوية من سطح العينة و ذلك من عمق قد يصل الى 10 nm و تنتج هذه الإلكترونات عن التفاعل بين الكترونات الحزمة الإلكترونية الرئيسية primary beamو التي تسمى إيضا الحزمة الساقطة incident beam مع المجال الكهربائي لإلكترونات المدارات الخارجية في ذرات العينة و التي تتميز إي هذه الإلكترونات برتباطها الضعيف بذراتها، و ينجم عن هذا التفاعل إستطارة غير مرنة، حيث تنتقل طاقة الإلكترونات الساقطة الى ذرات العينة و التي بدورها تبعث إلكترونات تتميز بنخفاض طاقتها (أقل من 50 eV) تكون هي الإلكترونات الثانوية Secondary Electron أو SE و لإنخفاض طاقتها فإنه لا تعبر العينة من أعماق كبيرة و عليه فإن هذه الإلكترونات SE لا تنبعث ألا من السطح، و بالتالي تكوًن لنا هذه الإلكترونات صورة واضحة لسمات و خصائص سطح العينة surface topography و يتم تجميعها بواسطة كاشف الألكترونات الثانوية SE detector و الذي يكون قريبا جدا من سطح العينة لكي يتمكن من جمع إشارات هذه الإلكترونات ذات الطاقة المنخفضة.

ثانيا: إنبعاث إلكترونات الإستطارة الخلفية BSE:

تنبعث هذه الإلكترونات من مسافات أعمق في داخل العينة، حيث يصل عمق إنبعاثها ما بين 1000 nm الى 2000 nm، و تنتج هذه الإلكترونات نتيجة لتفاعل بين حزمة الإلكترونات الساقطة و المجالات الكهربائية لأنوية ذرات العينة، حيث تنعكس الإلكترونات الساقطة خلفيا بدون إي فقد يذكر في طاقتها، و تخرج "تنبعث" من العينة مكونت ما يعرف بإلكترونات الإستطارة الخلفية Backscattered electrons أو BSE و تتميز هذه الإلكترونات BSE برتفاع طاقتها (أكثرمن 50 eV) و يتراوح عمق إنبعاث هذه الإلكترونات من 1000 nm الى 2000 ، و يتم جمعها بإستخدم كاشف إلكترونات الإستطارة الخلفية Backscatter electron detector و الذي يوضع مباشرة فوق العينة و على مسافة كبيرة نسبيا من سطحها، و تتميز الصور الناتجة عن هذه الإلكترونات BSE بعدم و جود تفاصيل سطح العينة و ذلك لأن هذه الإلكترونات لا تنبعث من أسطح العينة بل من أعماق أكبر، حيث تظهر أسطح العينات في هذه الصور مسطحة وخالية من إي سمات، و لكنها تعطينا معلومات عن العناصر المكونة لهذه العينة و توزيعها في العينة حيث تظهر مناطق العناصر ذات الأعداد الذرية الكبيرة "الذرات الثقيلة" ذات لون أسود أو رمادي بينما تظهر العناصر ذات الأعداد الذرية الصغيرة "الذرات الخفيفة" باللون الأبيض.

ثالثاً: إنبعاث الأشعة السينية

في أجهزة المجاهر الإلكترونية الماسحة الحديثة يوجد وحدة كشف و تحليل الأشعة السينية X-ray و تعتبر هذه المعلومات مكملة للمعلومات التي يتم تحصيلها من التقنيتين السايقتين SE و BSE و تعطي الأشعة السينة هذه معلومات وافية عن ما هية العناصر التي تحتويها المادة و كم نسبتها إيضا. و التقنية الرئيسية المستخدمة في وحدة الأشعة السينية تعرف بإسم Energy Dispersive X-ray analysis و يرمز لها إختصارا EDX و تعني تحليل الطاقة المتفرقة للأشعة السينية، و كما ذكرنا سابقا إنبعاث الأشعة السينة هو أحد الإنبعاثات أو الإشارات الرئيسية التي تصدر من العينة بعد ضربها بالحزمة الإلكترونية عالية الطاقة داخل حجرة المجهر SEM chamber.

تنبع الأشعة السينية من عمق أكبر من إنبعاث إشارات SE و BSE و ذلك من عمق يتراوح مداه ما بين 2000 nm الى 5000 nm و يمثل إنبعاثها الجزء الأكبر من حجم التفاعل، و يحدث إنبعاث الإشعة السينية هنا عندما تنتقل طاقة الإلكترونات الساقطة الى الإلكترونات الداخلية لذرات العينة حيث تنتقل هذه الألكترونات الى مستويات طاقة أعلى مما يسبب إثارة لذرات و لك تعود الذرات المثارة الى مستوى طاقتها الأرضي فإنها تبعث الطاقة على شكل إشعاعات سينية، تنبعث من سطح العينة و يتم بعد ذلك كشفها و تحليبها بواسطة كاشف الأشعة السينية X-ray detector و تعطى نتيجة هذا التحليل طيف الأشعة السينية X-ray Spectrum و الذي عن طريقه يمكن معرفة العناصر التي تحتويها العينة و كذلك نسبة وجودها في العينة، حيث تشير كل موجة peak من موجات الطيف الى عنصر من العناصر التي تحتويها العينة المدروسة، كما يشير أرتفاع الموجة الى نسبة كل عنصر في العينة.
.




حجم التفاعل هو الفراغ الثلاثي الإبعاد الذي يوضح عمق و حجم الإنبعاثات "الإشارات" الحاصلة عن عملية التفاعل بين الحزمة الإلكترونية الساقطة و سطح العينة المدروسة


كاشف الأشعة السينية               كاشف إلكترونات الإستطارة الخلفية    كاشف الإلكترونات الثانوية


أنواع المجاهر الإلكترونية الماسحة

تحدثنا سابقا عن النوع الرئيسي للمجاهر الإلكترونية الماسحة و هو النوع الذي يتطلب تفريغ الجهاز أثناء دراسة العينات لذلك كان هذا الأمر سببا في محدودية إستخدامه في بعض التطبيقات و خاصة في العمل مع العينان الحيوية المحتوية على السوائل و الغازات و التي تتشوة و في بعض الأحيان تتناثر عند إستخدامها في حيز مفرغ، لذا فقد تم تطوير نوع آخر من هذه المجاهر يعمل في حدود الضغط الجوي الطبيعي و يستطيع دراسة الكثير من العينات الحيوية مثل الخلايا الحيوية و البكتيريا و الأشجار و البلاستك و السوائل و غيرها و يعرف هذا المجهر بأسم المجهر الإلكتروني البيئي الماسح Environmental Scanning Electron Microscope و يشار له إختصارا ESEM و يعود السبب في ذلك الى أن هذا المجهر يملك نظام تفريغ خاص به يجعل من الممكن أن تدرس العينات في حيز من الغاز مثل غاز ثاني أكسيد الكربون و غاز النتروجين و كذلك بخار الماء.

و إيضا هناك نوع آخر من المجاهر الإلكترونية الماسحة تعمل في درجات حرارة منخفضة جدا يمكن الباحثين من دراسة عينات الثلج و بلورات الجليد و كذلك الكثير من العينات في حيز بارد أو متجمد و يطلق على هذا النوع أسم المجهر الإلكتروني الماسح ذو الحرارة المنخفضة Low Temperature Scanning Electron Microscopy و يرمز له إختصار LTSEM.

المجهر الإلكتروني النفاذي

المجهر الإلكتروني النفاذي Transmission Electron Microscope يعرف كذلك إختصارا TEM ، تم بنائه و تطويره عن على يد الباحثين Knoll و Ruska و ذلك في بداية الثلاثينات من القرن الماضي و الجدير بالذكر هذا المجهر قد تم بنائه قبل المجهر الإلكتروني الماسح SEM بحوالي عشر سنوات و منذ بنائه تم إستخدامه في الكثير من الطبيقات الطبية و تطبيقات علوم المواد. و يستخدم TEM حاليا بشكل كبير في دراسة الخواص التركيبية و البلورية للعينات و غيرها من الخواص. و يتميز المجهر الإلكتروني النفاذي بقوة تمييز Resolution تصل في المتوسط الى 0.2 nm و يستخدم هذا المجهر حزمة إلكترونية قوية تتراوح طاقتها ما بين 30 k eV الى 350 k eV مما يعطيه قدرة تمييز تساعد على تحليل المميزات الذرية للعينات المدروسة. و بالرغم أن هذا المجهر يستخدم المدفع الإلكتروني لإنتاج حزمته الإلكترونية و كذلك يستخدمات العدسات الكهرومغناطيسية و فتحات التحكم كما هو الحال في المجهر الإلكتروني الماسح SEM ألا إن TEM يعمتمد على مبدأ نفاذ الإلكترونات الساقطة من خلال العينة المدروسة و من ثم تكوين الصور على شاشة فلورسانت أو على الأفلام الفوتوغرافية بواسطة القسم النافذ من الحزمة الإلكترونية و هذا المبدأ يختلف بالطبع عن مبدأ عمل SEM و الذي يعتمد على تجميع و تحليل الإشارات المنعكسة من سطح العينة المدروسة.


المجهر الإلكتروني النفاذي TEM


مبادئ عمل المجهر الإلكتروني النفاذي


في المجهر الإلكتروني النفاذي TEM يتم إنتاج الإلكترونات عن طريق الإنبعاث الحراري و ذلك بتسخين فتيلة تصنع غالبا من التنجستين حيث يتم تطبيق جهد تعجيل على هذه الفتيلة يتراوح ما بين 60 الى 100 فولت و تمتلك الإلكترونات المعجلة طاقة يتحكم بها عن طريق المستخدم تختلف حسب التطبيق المطلوب و في هذه المجهر تتراوح هذه الطاقة ما بين 30 keV الى . بعد ذلك تمر حزمة الإلكترونات خلال عامود المجهر microscope column المفًرغ و يتم تركيز هذه الحزمة بواسطة مجموعة من العدسات الكهرومغناطيسية electromagnetic lenses على طوال هذا العمود، كما تعمل فتحات التحكم apertures الموجودة على طول هذا العمود على التحكم في عرض حزمة الإلكترونات و ذلك بحجز الإلكترونات المتشتتة و المنحرفة عن مسار الحزمة الرئيسية. بعد ذلك تصل هذه الحزمة الإلكترونية ذات الطاقة العالية و التي تم تركيزها و توجيهها الى العينة و ينتج عن ذلك تفاعل لهذه الإلكترونات مع سطح العينة حيث ينفذ جزء من الحزمة الساقطة يسمى الحزمة النافذة Transmitted beam عبارة عن حزم إلكترونية نافذة بدون إنحراف و حزم إلكترونية متشتتة و منحرفة من ذرات و جزيئات العينة و يتم بعد ذلك تحسين هذا الحزمة النافذة بإستخدام العدسات الكهرومغناطيسية و فتحات التحكم و إستقبالها و إظهارها على شاشة فلورسنت بشكل صورة، و يجدر الإشارة هنا الى أن الصورة تحتوي على المناطق المظلمة dark areasو المناطق المضيئة bright areas على حسب نوع العينة و نوع العناصر التي تحتويها و ببساطة نجد أن المناطق المظلمة تشير إلى إن الإلكترونات لم تصل (لم تنفذ) الى الشاشة من هذه المناطق و ذلك لإمتصاصها من ذرات هذه المناطق أو تشتتها بشكل كبير و هذا يدل على أن العينة في هذه المناطق التي تظهر بشكل مظلم تحتوي على عناصر ذات ذرات ثقيلة (أعداد ذرية كبيرة) و بالتالي فإن المناطق المضيئة تشير الى وصول (نفاذ) أعداد كبيرة من الإلكترونات من هذه المناطق مما يدل على إن الإلكترونات لم تعاني إي إمتصاص أو تشتت كبير من ذرات هذه المناطق مما يدل على أن العينة في هذه المناطق التي تظهر بشكل مضيء تحتوي على عناصر ذات ذرات خفيفة (أعداد ذرية صغيرة)، و يجدر الإشارة هنا الى أن المناطق شبة المظلمة (درجات مختلفة من اللون الأسود) تدل على درجات مختلفة من الإمتصاص و التشتت و تدل كذلك على أعداد ذرية مختلفة لذرات هذه المناطق، و من المهم أن نعرف أن الإلكترونات الممتصة تظهر بشكل حرارة تسخين للعينة أو إنبعاث أنواع من الموجات الكهرومغناطيسية مثل أشعة أكس كما أن الإلكترونات المتشتتة بشكل كبير يتم حجبها بفتحات التحكم أو تمتص عن طريق الجدران الداخلية لعمود المجهر.
أما العينة المستخدمة فيشترط أن تكون ذات سمك رقيق جدا يترواح ما بين 100 nm الى 200 nm و يجب التنبيه هنا الى أن العينات ذات الذرات الخفيفة تكون أكثر سماكة من العينات ذات الذرات الثقيلة و تجريبا تكون سماكة العينات في حدود 200 nm


شكل توضيحي مبسط يبين الأقسام الرئيسية للمجهر الإلكتروني النفاذي TEM
 

عداد الزوار : 7741