توموگرافی الکترونی یکی از روش‌های تصویربرداری سه‌بعدی از نمونه‌های مختلف است. نمونه‌های زیستی را که اغلب دارای ساختار آمورف هستند، با استفاده از این روش می‌توان به‌صورت سه‌بعدی تصویربرداری نمود. در حال حاضر، نیاز جدی برای بهبود روش‌های تصویربرداری سه‌بعدی با توموگرافی وجود دارد. در این مقاله، قابلیت‌ها و محدودیت‌های میکروسکوپ الکترونی عبوری برای توموگرافی از نمونه‌های مختلف مورد بررسی قرار خواهد گرفت.
1-مقدمه
2-شبکه آازمایشگاهی فناوری راهبردی
3-نتیجه گیری
2-شبکه آازمایشگاهی فناوری راهبردی
3-نتیجه گیری
1- مقدمه
طی یک دهه گذشته با توسعه فناوری‌نانو در حوزه‌های مختلف، ابعاد مواد و محصولات کاهش یافته است. هر ساله شاهد کاهش ابعاد پردازنده‌ها و ادوات ذخیره‌سازی اطلاعات هستیم. کاهش ابعاد، چالش‌هایی را با خود به همراه دارد؛ برای مثال، باید نقص‌های ساختاری با استفاده از روش‌های سه‌بعدی مورد بررسی قرار گیرد.
میکروسکوپ الکترونی عبوری با قدرت تفکیک بالا و میکروسکوپ الکترونی عبوری روبشی به‌طور معمول برای تصویربرداری با قدرت تفکیک اتمی مورد استفاده قرار می‌گیرند. علاوه‌بر این، از طیف‌سنجی اتلاف انرژی نیز می‌توان برای کسب اطلاعات شیمیایی در مقیاس نانومتری از سطح نمونه استفاده کرد. با کوچک شدن بخش‌های مورد نظر در نمونه، تصویربرداری دو‌بعدی، پاسخ‌گوی نیاز محققان نبوده و باید به‌صورت سه‌بعدی تصویربرداری کرد. ارائه روش‌های تصویربرداری سه‌بعدی در مقیاس نانومتری دشوار است. در این مقاله، توموگرافی الکترونی با استفاده از TEM برای تصویربرداری سه‌بعدی مورد ارزیابی قرار می‌گیرد.
با استفاده از میکروسکوپ الکترونی عبوری هم از طریق مود روشن و هم مود تاریک می‌توان فرآیند توموگرافی را انجام داد. توموگرافی به‌صورت معمول برای تصویربرداری از نمونه‌های آمورف یا نمونه‌های بلوری با پراش ضعیف استفاده می‌شود.
محققان در حوزه مواد زیستی از مود روشن برای تصویربرداری توموگرافی استفاده می‌کنند. اطلاعات ساختاری سه‌بعدی با چرخش دو‌بعدی در نمونه و تصویربرداری‌های متعدد امکان‌پذیر است. با چرخش نمونه، باید اصلاحاتی در تصاویر گرفته شده اعمال شود که این اصلاحات اغلب مربوط به تغییرات فوکوس و تغییر مکان تصویر است. در انتهای کار، سلسله تصاویر گرفته شده کنار هم قرار داده می‌شوند و امکان خلق تصویر سه‌بعدی از نمونه فراهم می‌شود. برای تصویربرداری از نمونه‌های بلوری نیاز به روش‌های دیگری است. وجود پراش می‌تواند مشکلاتی را در توموگرافی از نمونه‌های بلوری به همراه داشته باشد. روش‌هایی نظیر تصویربرداری میکروسکوپ الکترونی عبوری انرژی فیلتر شده و میکروسکوپ الکترونی عبوری روبشی میدان تاریک با زاویه حلقوی بالا گزینه‌های جایگزین برای تصویربرداری از نمونه‌های بلوری هستند.کنتراست ایجاد شده در زمینه تصاویر، وابسته به جنس نمونه است. اثرات پراش الکترونی در این نوع تصویربرداری می‌تواند روی حرکت غیرالاستیک الکترون تاثیرگذار بوده و در نهایت این اثرات می‌توانند روی تصویر به‌دست آمده نیز موثر باشند. یکی از عوامل مهم در این نوع تصویربرداری، ضخامت نمونه است که باید به حداقل مقدار برسد. با افزایش ضخامت، اثرات ناخواسته‌ای روی تصویر ایجاد می‌شود [1]. براساس مقاله‌ای که موباس و همکارانش [2] منتشر کردند محدودیت‌هایی در تصویربرداری از نمونه‌هایی با ضخامت کمتر از 0/7 مسیر آزاد حرکت غیرالاستیک الکترون در بالاترین زاویه چرخش وجود دارد. برای مثال، اگر تصویربرداری با زاویه 65 درجه با انرژی 200 کیلوالکترون ولت انجام شود، حداقل ضخامت برای نمونه، 35 نانومتر است. برای نمونه‌های ضخیم، مقدار حد ضخامت از مقدار ذکر شده در بالا کمتر است.
میکروسکوپ الکترونی عبوری با قدرت تفکیک بالا و میکروسکوپ الکترونی عبوری روبشی به‌طور معمول برای تصویربرداری با قدرت تفکیک اتمی مورد استفاده قرار می‌گیرند. علاوه‌بر این، از طیف‌سنجی اتلاف انرژی نیز می‌توان برای کسب اطلاعات شیمیایی در مقیاس نانومتری از سطح نمونه استفاده کرد. با کوچک شدن بخش‌های مورد نظر در نمونه، تصویربرداری دو‌بعدی، پاسخ‌گوی نیاز محققان نبوده و باید به‌صورت سه‌بعدی تصویربرداری کرد. ارائه روش‌های تصویربرداری سه‌بعدی در مقیاس نانومتری دشوار است. در این مقاله، توموگرافی الکترونی با استفاده از TEM برای تصویربرداری سه‌بعدی مورد ارزیابی قرار می‌گیرد.
با استفاده از میکروسکوپ الکترونی عبوری هم از طریق مود روشن و هم مود تاریک می‌توان فرآیند توموگرافی را انجام داد. توموگرافی به‌صورت معمول برای تصویربرداری از نمونه‌های آمورف یا نمونه‌های بلوری با پراش ضعیف استفاده می‌شود.
محققان در حوزه مواد زیستی از مود روشن برای تصویربرداری توموگرافی استفاده می‌کنند. اطلاعات ساختاری سه‌بعدی با چرخش دو‌بعدی در نمونه و تصویربرداری‌های متعدد امکان‌پذیر است. با چرخش نمونه، باید اصلاحاتی در تصاویر گرفته شده اعمال شود که این اصلاحات اغلب مربوط به تغییرات فوکوس و تغییر مکان تصویر است. در انتهای کار، سلسله تصاویر گرفته شده کنار هم قرار داده می‌شوند و امکان خلق تصویر سه‌بعدی از نمونه فراهم می‌شود. برای تصویربرداری از نمونه‌های بلوری نیاز به روش‌های دیگری است. وجود پراش می‌تواند مشکلاتی را در توموگرافی از نمونه‌های بلوری به همراه داشته باشد. روش‌هایی نظیر تصویربرداری میکروسکوپ الکترونی عبوری انرژی فیلتر شده و میکروسکوپ الکترونی عبوری روبشی میدان تاریک با زاویه حلقوی بالا گزینه‌های جایگزین برای تصویربرداری از نمونه‌های بلوری هستند.کنتراست ایجاد شده در زمینه تصاویر، وابسته به جنس نمونه است. اثرات پراش الکترونی در این نوع تصویربرداری می‌تواند روی حرکت غیرالاستیک الکترون تاثیرگذار بوده و در نهایت این اثرات می‌توانند روی تصویر به‌دست آمده نیز موثر باشند. یکی از عوامل مهم در این نوع تصویربرداری، ضخامت نمونه است که باید به حداقل مقدار برسد. با افزایش ضخامت، اثرات ناخواسته‌ای روی تصویر ایجاد می‌شود [1]. براساس مقاله‌ای که موباس و همکارانش [2] منتشر کردند محدودیت‌هایی در تصویربرداری از نمونه‌هایی با ضخامت کمتر از 0/7 مسیر آزاد حرکت غیرالاستیک الکترون در بالاترین زاویه چرخش وجود دارد. برای مثال، اگر تصویربرداری با زاویه 65 درجه با انرژی 200 کیلوالکترون ولت انجام شود، حداقل ضخامت برای نمونه، 35 نانومتر است. برای نمونه‌های ضخیم، مقدار حد ضخامت از مقدار ذکر شده در بالا کمتر است.
با این حال، روش HAAD-STEM مشکلات کمتری برای کاربر دارد و درصورت وجود نمونه‌های بلوری می‌توان از این روش برای تصویربرداری سه‌بعدی با کمترین محدودیت استفاده کرد. در این روش، در ظاهر نباید پراشی در تصویر دیده شود اما در عمل به دلیل محدودیت در زوایای جمع‌آوری اطلاعات از سطح نمونه، مقدار بسیار کمی پراش در تصویر دیده می‌شود. این مقدار پراش در زوایای بالاتر از 70 رادیان در 200 کیلوالکترون ولت قابل اغماض است. در این روش تصویربرداری، تنها چیزی که می‌تواند در تصاویر، ایجاد اثر ناخواسته کند، بلوری است که محور اصلی آن در راستای پرتو الکترونی قرار گرفته است. هر چند در چرخش نمونه، به ندرت این تقارن اتفاق می‌افتد. بنابراین، می‌توان گفت این روش برای تصویربرداری طیف وسیعی از نمونه‌ها، از جمله نمونه‌های بلوری، مناسب است. لازم به ذکر است که روش EFTEM چندان جذابیتی برای توموگرافی ندارد که دلیل این امر، محدودیت جدی ضخامت در این روش است. در مجموع باید گفت که روش‌های تصویربرداری با مود روشن و HAADF-STEM برای توموگرافی مناسب‌تر هستند [1].
کاتالیست‌ها به‌طور معمول شامل مواد متخلخل غیربلوری هستند که درون آنها از نانوذرات مختلف پر شده‌است. تصویر دو‌بعدی می‌تواند توضیحاتی درباره دانسیته حفره‌ها ارائه دهد. زمانی که نمونه کمی ضخیم شود، به سختی می‌توان درباره ساختار کاتالیست قضاوت کرد. شکل (1) نمونه‌ای از کاتالیست مورد استفاده در فرآیند پالایش نفت است. تنها نتیجه‌ای که می‌توان از روی این تصویر به‌دست آورد این است که دانسیته مواد در وسط تصویر کم است. به سختی می‌توان درباره توزیع و ابعاد ذرات در نمونه اظهار نظر کرد. اما در شکل (2) که به‌صورت سه‌بعدی ترسیم شده می‌توان جزئیات بیشتری از نمونه را دریافت. برای مثال، این کاتالیست دارای ساختار ورقه‌ای است که به‌صورت خطوطی از میان حجم نمونه عبور کرده است. میانگین ضخامت نمونه 4 تا 5 نانومتر است؛ هر چند صفحه‌هایی با ضخامت 8 نانومتر نیز دیده می‌شود. این صفحه‌ها در تمام جهت‌ها قرار دارند.
نتایج توموگرافی می‌تواند ویژگی‌های ساختاری حفره‌ها از قبیل میزان اتصال آنها به هم را نشان دهد. از آنجایی که واکنش شیمیایی در این دستگاه به شدت به نفوذ مواد در داخل کاتالیست وابسته است، خواص انتقالی کاتالیست بر فعالیت آن نیز تاثیرگذار است. برای درک بهتر خواص انتقال در این کاتالیست باید بتوان مدل واقعی حفره‌ها را شناسایی کرد.
شکل (3) تصویر کاتالیست دیگری را نشان می‌دهد. این کاتالیست، آلومینیوم بوده که روی آن نانوذرات پلاتین قرار دارد. در واقع، خاصیت کاتالیستی با استفاده از این نانوذرات ایجاد می‌شود. با افزایش ضخامت به 150 نانومتر، بخش‌های فعال کاتالیست غیرقابل مشاهده می‌شود. برای حل این مشکل، نمونه چرخانده شده و تصاویری در زوایای مختلف گرفته می‌شود که در شکل (4) می‌توان آن را مشاهده نمود. همان‌طور که ملاحظه می‌شود، کنتراست در تصاویری که بازسازی شده بهتر از تصویر اولیه است به طوری که می‌توان به وضوح ذرات پلاتین را مشاهده نمود. قدرت تفکیک در تصویر بازسازی شده به‌گونه‌ای است که هم ذرات پلاتین دیده می‌شود و هم امکان آنالیز آماری توزیع ابعاد فراهم است.
شکل (3) تصویر کاتالیست دیگری را نشان می‌دهد. این کاتالیست، آلومینیوم بوده که روی آن نانوذرات پلاتین قرار دارد. در واقع، خاصیت کاتالیستی با استفاده از این نانوذرات ایجاد می‌شود. با افزایش ضخامت به 150 نانومتر، بخش‌های فعال کاتالیست غیرقابل مشاهده می‌شود. برای حل این مشکل، نمونه چرخانده شده و تصاویری در زوایای مختلف گرفته می‌شود که در شکل (4) می‌توان آن را مشاهده نمود. همان‌طور که ملاحظه می‌شود، کنتراست در تصاویری که بازسازی شده بهتر از تصویر اولیه است به طوری که می‌توان به وضوح ذرات پلاتین را مشاهده نمود. قدرت تفکیک در تصویر بازسازی شده به‌گونه‌ای است که هم ذرات پلاتین دیده می‌شود و هم امکان آنالیز آماری توزیع ابعاد فراهم است.
بالس و همکارانش [3] نیز روی تصویربرداری از نمونه نانوکاتالیست پلاتین با ابعاد 5 تا 7 نانومتر کار کردند. آنها با استفاده از توموگرافی، اقدام به ترسیم ساختار این کاتالیست کرده و نقشه سه‌بعدی ذرات سازنده کاتالیست را ترسیم کردند. این گروه تحقیقاتی، اقدام به ایجاد برش‌های مقطعی از این کاتالیست نموده و از هر برش که در زاویه خاصی انجام شده، تصاویری تهیه کردند که این تصاویر، با استفاده از میکروسکوپ الکترونی عبوری با قدرت تفکیک بالا گرفته شد. تیم تحقیقاتی بالس موفق شدند با این روش، کانال‌هایی را روی این کاتالیست شناسایی کنند. مطالعه این ساختارها با استفاده از روش‌های مرسوم امکان‌پذیر نیست. این گروه تحقیقاتی برای حذف اثر پراش، از توموگرافی با میکروسکوپ الکترونی عبوری میدان تاریک حلقوی استفاده کردند. در این روش با استفاده از روزنه (اپرچر) آبجکتیو حلقوی، پرتو مرکزی و تمام الکترون‌های پراش یافته در یک زاویه مشخص، حذف شدند. در صورتی که این نمونه با استفاده از HRTEM تصویربرداری شود، تفاوت ضخامت در بخش‌های مختلف نمونه می‌تواند روی کنتراست تصویر تاثیرگذار باشد. این در حالی است که روش ADF-TEM می‌تواند برای توموگرافی از این کاتالیست استفاده شود.
این گروه تحقیقاتی با استفاده از این روش موفق شدند از چهارپایه‌های تلورید کادمیم تصویر سه‌بعدی تهیه کنند (شکل 5). یافته‌های این پروژه نشان داد که روش ADF-TEM برای ایجاد تصویر سه‌بعدی از نمونه‌های بسیار کوچک مناسب بوده و نمونه‌های سنگین‌تر از شدت روشنایی بالاتری نسبت به نمونه‌های سبک‌تر برخوردار هستند. یکی از مزایای این روش آن است که زمان مورد نیاز برای تابش الکترون به نمونه 3 تا 5 ثانیه است. این زمان نسبت به زمان مورد نیاز برای توموگرافی با روش‌های HAADF-STEM یا EFTEM بسیار کوتاه‌تر است.
نوکی آیوواجی و همکارانش [4] با استفاده از توموگرافی میکروسکوپ الکترونی اقدام به تصویربرداری سه‌بعدی از نانوذرات CaTiO3 کردند. این گروه تحقیقاتی نشان دادند که بلورهای این نانوذرات در کدام صفحه بلوری رشد می‌کنند. در واقع، از دیگر کاربردهای توموگرافی می‌توان به شناسایی جهت رشد بلورها اشاره نمود. یکی از مصائب کار با نانوذرات، تجمع آنها است؛ بسیاری از محققان به دنبال تولید نانوساختارهای منفرد هستند. وجود چنین ساختارهایی اثربخشی محصول را افزایش می‌دهند. بنابراین، تصویربرداری از نانوذرات به‌صورت سه‌بعدی امکان بررسی تجمع را در نانوذرات نشان می‌دهد. این گروه تحقیقاتی با تصویربرداری سه‌بعدی از نانوذرات نشان دادند که چه تعداد نانوذره روی هم انباشته شده و تجمع یافته‌اند.
میزوگوچی و همکارانش [5] با ترکیب دو روش HAADF-STEM و مود روشن TEM، مرزهای دانه در ترکیب سرب و آلومینیوم را بررسی کردند. بررسی مرزهای دانه در مواد، چالشی است که راهکار ساده‌ای ندارد. به‌صورت معمول، مرز دانه‌ها در مقیاس نانومتر است به طوری که نیاز به تصویربرداری بسیار دقیق در مقیاس‌های نانو دارد. این گروه تحقیقاتی با استفاده از توموگرافی، موفق شدند از ساختار سرب و آلومینیوم به‌طور سه‌بعدی تصوبربرداری کنند. این آلیاژ اهمیت زیادی در صنعت دارد و شکل دانه‌ها در آن نقش مهمی در انرژی سطحی این آلیاژ دارد. با استفاده از مود روشن TEM تنها می‌توان تصویر دو‌بعدی از آلیاژ تهیه کرد. بنابراین، برای ترسیم بعد سوم نمونه، لازم است از توموگرافی استفاده شود. از آنجایی که توموگرافی میدان روشن به‌طور معمول موجب بروز خطای دید در تصاویر می‌شود، لازم است با روش دیگری این اشکالات را رفع نمود. از این رو، محققان این پروژه با ترکیب توموگرافی میدان روشن با توموگرافی HAADF-STEM اقدام به تصویربرداری از مرزهای دانه کردند. شکل (6) تصویر نهایی به‌دست آمده از این پروژه را نشان می‌دهد. در این تصویر عناصر ناخواسته‌ای نیز ایجاد شده‌است که این عناصر به نوعی خطای دید در کار است. این خطا با دایره در تصویر نشان داده شده‌است.
میزوگوچی و همکارانش [5] با ترکیب دو روش HAADF-STEM و مود روشن TEM، مرزهای دانه در ترکیب سرب و آلومینیوم را بررسی کردند. بررسی مرزهای دانه در مواد، چالشی است که راهکار ساده‌ای ندارد. به‌صورت معمول، مرز دانه‌ها در مقیاس نانومتر است به طوری که نیاز به تصویربرداری بسیار دقیق در مقیاس‌های نانو دارد. این گروه تحقیقاتی با استفاده از توموگرافی، موفق شدند از ساختار سرب و آلومینیوم به‌طور سه‌بعدی تصوبربرداری کنند. این آلیاژ اهمیت زیادی در صنعت دارد و شکل دانه‌ها در آن نقش مهمی در انرژی سطحی این آلیاژ دارد. با استفاده از مود روشن TEM تنها می‌توان تصویر دو‌بعدی از آلیاژ تهیه کرد. بنابراین، برای ترسیم بعد سوم نمونه، لازم است از توموگرافی استفاده شود. از آنجایی که توموگرافی میدان روشن به‌طور معمول موجب بروز خطای دید در تصاویر می‌شود، لازم است با روش دیگری این اشکالات را رفع نمود. از این رو، محققان این پروژه با ترکیب توموگرافی میدان روشن با توموگرافی HAADF-STEM اقدام به تصویربرداری از مرزهای دانه کردند. شکل (6) تصویر نهایی به‌دست آمده از این پروژه را نشان می‌دهد. در این تصویر عناصر ناخواسته‌ای نیز ایجاد شده‌است که این عناصر به نوعی خطای دید در کار است. این خطا با دایره در تصویر نشان داده شده‌است.
خطا در تصویربرداری مود روشن و توموگرافی، بخش جدایی ناپذیر تحقیقات در این حوزه است. تلاش‌های متعددی برای رفع این خطاها صورت گرفته است. به‌صورت معمول، برای حل این مشکل از ترکیب چند روش استفاده می‌شود.
ربلد و همکارانش [6] از روش بردار خطای برانگیخته برای کاهش بروز خطا در توموگرافی استفاده کردند. در تصویربرداری، گاهی کنتراست‌های ناخواسته‌ای ایجاد می‌شود؛ این کنتراست‌ها ریشه برخی از خطاها است. برای حل این مشکل ربلد و همکارانش از الگوریتم‌های مختلفی استفاده کردند. این گروه تحقیقاتی با ترکیب روش چرخش آهسته الکترون، توموگرافی الکترونی میدان روشن و استفاده از چند الگوریتم مختلف موفق به ارائه روشی با خطای بسیار کم برای تولید تصویر سه‌بعدی شدند.
ربلد و همکارانش [6] از روش بردار خطای برانگیخته برای کاهش بروز خطا در توموگرافی استفاده کردند. در تصویربرداری، گاهی کنتراست‌های ناخواسته‌ای ایجاد می‌شود؛ این کنتراست‌ها ریشه برخی از خطاها است. برای حل این مشکل ربلد و همکارانش از الگوریتم‌های مختلفی استفاده کردند. این گروه تحقیقاتی با ترکیب روش چرخش آهسته الکترون، توموگرافی الکترونی میدان روشن و استفاده از چند الگوریتم مختلف موفق به ارائه روشی با خطای بسیار کم برای تولید تصویر سه‌بعدی شدند.
2- شبکه آزمایشگاهی فناوری راهبردی
این مقاله از مجموعه مقالات فصل نامه شبکه آزمایشگاهی فناوری‌های راهبردی سال 2015، شماره 12 برگرفته شده است. برای دسترسی به مراکز خدمات دهنده TEM بر روی لینک زیر کلیک کنید [7].
| نام دستگاه |
| میکروسکوپ الکترونی عبوری |
3-نتیجه‌گیری:
توموگرافی الکترونی یکی از روش‌های رایج برای تصویربرداری سه‌بعدی است. به‌طور معمول با استفاده از TEM تنها تصویر دو‌بعدی به‌دست می‌آید. این تصاویر به‌طور معمول فاقد اطلاعاتی در مورد ساختار بلوری یا مرزهای دانه در نمونه است. از این رو توموگرافی برای کسب اطلاعات بیشتر استفاده می‌شود. HAADF-STEM و توموگرافی میدان روشن ابزار مناسبی برای تعیین ساختار سه‌بعدی مواد است. از این روش می‌توان برای تعیین مرز دانه‌ها نیز استفاده کرد. در ترکیبات زیستی نظیر پروتئین‌ها که در آنها شکل و ساختار اهمیت زیادی در عملکرد ماده دارد، توموگرافی نقش بسیار مهمی را ایفا می‌کند.
منابـــع و مراجــــع
۱ – Christian Kübel, Andreas Voigt, Remco Schoenmakers, Max Otten, David Su, Recent Advances in Electron Tomography: TEMHAADF-STEM Tomography for Materials ScienceSemiconductor Applications, Microsc. Microanal. 11, 378–400, 2005
۲ – Möbus, G., Doole, R.C. & Inkson, B.J. Electron tomography. Ultramicroscopy 96, 433–451.
۳ – S.Bals Tomography using annular dark field imaging in TEM, Microsc Microanal 11(Suppl 2), 2005.
۴ – Naoki Iwaji, Hiromichi Takebe,Makoto Kuwabara Three-Dimensional TEM Tomography Analysis of Epitaxially Assembled Perovskite Oxide Nanocrystalline Particles Key Engineering Materials Vol. 388 (2009) pp 127-130.
۵ – T. MizoguchiU. Dahmen 3D shapeorientation of nanoscale Pb inclusions at grain boundaries In Al observed by TEMSTEM tomography Philosophical Magazine Letters Vol. 89, No. 2, February 2009, 104–112.
۶ – J.M. Rebled, , Ll.Yedra, S.Estrade´, J.Portillo, F.Peiro´ A new approach for 3D reconstruction bright field TEM imaging: Beam precession assisted electron tomography J Ultramicroscopy 111 (2011) 1504–1511.
۷ – فصل نامه شبکه آزمایشگاهی فناوری‌های راهبردی سال2015 و شماره 12
