اليوم، جذب المجهر الإلكتروني النافذ انتباه العديد من الباحثين للبحث المتقدم في مختلف مجالات العلوم بسبب دقته العالية وتكبيره. في المقال التالي جرت محاولة للمقارنة بين نوعين من المجهر الإلكتروني النافذ والمجهر الإلكتروني النافذ بدقة عالية بعد مقدمة مختصرة، حتى يتمكن الباحثون الأعزاء من اختيار نوع تحليلهم بمعرفة كاملة.

1- مقدمة عن TEM

باستخدام تفاعل الإلكترونات عالية الطاقة مع العينة، يمكن للمجهر الإلكتروني النافذ إنشاء صور بدقة نانومتر واحد وتكبير يصل إلى مليون مرة. يتمتع هذا النوع من المجاهر بالقدرة على التقاط الصور من داخل العينة، ولهذا السبب يمكن التعرف على السمات الهيكلية المجهرية والبنية البلورية للمادة والعيوب البلورية فيها بدقة عالية. وتظهر مكونات هذا الجهاز في الشكل 1.

الشكل 1) المجهر الإلكتروني النافذ ومكوناته

المكون الرئيسي للمجاهر الإلكترونية هو مدفعها الإلكتروني، الذي يتواجد في نوعين من الانبعاث الأيوني والانبعاث الميداني وينتج شعاع الإلكترون. بعد تشكيل شعاع الإلكترون، يتم استخدام العدسات الكهرومغناطيسية في غرفة المجهر لتركيز شعاع الإلكترون. نظرًا لأن جودة الصورة التي تم إنشاؤها تعتمد بشكل كبير على شعاع شعاع الإلكترون ويجب تجنب تشتته قدر الإمكان، فإن مضخة التفريغ هي عنصر مهم آخر في هذا المجهر. كما يمنع الفراغ الناتج أكسدة العينة وتلوث مسدس الإلكترون.
وبعد اصطدامها بالعينة، إما أن تترك الإلكترونات العينة دون تغيير اتجاهها، أو تنحرف عن المسار الأصلي عن طريق اصطدامها بعوائق مختلفة مثل الذرات الشبكية والعيوب البلورية وغيرها، والتي هي أساس تكوين الصورة في المجهر الإلكتروني. إنها عابرة. تنقسم أوضاع التصوير المختلفة إلى ثلاث مجموعات: التصوير العادي، والمجال المظلم، والمجال الساطع. في التصوير العادي، تشارك جميع الأشعة المرسلة، سواء المنحرفة أو غير المنحرفة، في تكوين الصورة. يتميز هذا النوع من التصوير بدقة أقل من النوعين الآخرين. يتم استخدام التصوير في وضع المجال الساطع فقط من الأشعة التي لم تنحرف عن مسارها، وتمت إزالة الأشعة الأخرى بمساعدة مصاريع مدمجة. الصمامات قابلة للتعديل وتعديلها وفقًا للعينة والإخراج المطلوب. كلما زادت كثافة العينة، انخفضت شدة الضوء المرسل وأصبحت الصورة أغمق. يتم استخدام التصوير بوضع المجال المظلم عمومًا عندما يكون الهدف هو التحقق من ظاهرة معينة في العينة، مثل عيب بلوري، أو تغيير في التركيبة، أو التحقيق في أحد مكونات المركب. على عكس وضع المجال الساطع، يقوم هذا الوضع بفحص الأشعة المنحرفة فقط. يوضح الشكل 2 صورة المجهر الإلكتروني النافذ في كل من وضعي المجال الساطع والمجال المظلم

أساس تكوين الصورة في هذه المجاهر هو أن الشاشة الحساسة للإلكترونات والمثبتة في الجزء السفلي من المجهر يتغير لونها بسبب تأثير مرور الإلكترونات وتتكون الصورة. تُستخدم العدسات الشيئية والعدسية لتكبير الصورة وتقع خلف حجرة العينة. وبصرف النظر عن المكونات المذكورة، فمن الممكن استخدام أدوات للتحليل الكمي والنوعي للعناصر المكونة للعينة إلى جانب المجهر الإلكتروني.

الشكل 2) صورة بالمجهر الإلكتروني النافذ للمجال الساطع (يسار) والمجال المظلم (يمين).

مزايا استخدام المجهر الإلكتروني النافذ

• تحضير صور مجهرية ثنائية الأبعاد ذات تكبير ودقة عالية
• القدرة على تحليل علم البلورات لمكونات المواد الدقيقة جداً ودراسة العيوب البلورية
• تحديد حجم الجسيمات من المساحيق في أبعاد نانومتر، والتحقق من التشكل
• تحديد اتجاه نمو المواد البلورية والصفائح البلورية
• تحديد ناقل البرجر للخلعات وطاقة عيب التراص
• تحديد حدود الحبوب
• فحص التشابه
• التحولات غامضة

حدود المجهر الإلكتروني النافذ

• التحضير الصعب والوقت على العينة
• المعدات الثقيلة والمكلفة
• يجب أن تتمتع العينات بالقدرة على تمرير الإلكترونات من خلالها
• فحص جزء صغير جداً من العينة

2- مقدمة لـ HR-TEM

المجهر الإلكتروني النافذ عالي الدقة هو طريقة خاصة للتصوير بالمجهر الإلكتروني النافذ القادر على تصوير التركيب الذري للعينة. في الواقع، فإن الفرق الأكثر أهمية بين TEM وHRTEM هو نظام التصوير المتقدم، والذي يجعل من الممكن اكتشاف خصائص المواد مثل أشباه الموصلات والمعادن والجسيمات النانوية على المستوى الذري. ويستخدم هذا النوع من المجهر أيضًا لملاحظة تباين الطور في العينة.
ومن أجل زيادة دقة الصور لهذا النوع من المجهر، من الضروري إزالة الإلكترونات المارة عبر العينة ذات التشتت غير المرن لأنها تقلل من جودة الصورة. ولتحقيق هذا الهدف، يتم وضع مرشح للطاقة أسفل العينة، والذي يسمح فقط بمرور الأشعة ذات طاقة معينة. ويبين الشكل 3 الصورة المأخوذة من جسيمات القصدير النانوية باستخدام HRTEM. يتم التكبير في هذه الصور بحيث يتم تحديد المسافة بين المستويات الذرية أيضًا. ومن خلال حساب المسافة بين الصفائح، يمكن الحصول على معلومات حول الترتيب الذري وبنية الطور للمادة.

ونتيجة لذلك، إذا كان الباحثون الأعزاء يتطلعون إلى مراقبة التركيب الذري للمادة عند تكبيرات عالية جدًا، أو إذا كانت أبعاد جزيئاتها أصغر من 5 نانومتر، فمن الأفضل استخدام HRTEM.

مزايا استخدام المجهر الإلكتروني النافذ عالي الدقة

• دقة وتكبير عالي جدًا بسبب الطول الموجي الصغير لشعاع الإلكترون مقارنة بشعاع الضوء
• القدرة على تحليل علم البلورات لمكونات المواد الدقيقة جداً ودراسة العيوب البلورية

قيود استخدام المجهر الإلكتروني عالي الدقة

• احتمالية تلف العينة بواسطة الأشعة ذات الطاقة العالية
• اعتماد القرار على جودة المعدات وشعاع الإلكترون
• تخصيص النتائج لجزء محدود من العينة