نور یا الکترون، کدام‏یک مناسب است؟

[parisa]

• مقدمه:
  دانشمندان از روش‏های مختلفی برای بررسی ماده بهره می‏برند. دسته‏ای از این روش‏ها شامل روش‏های مبتنی بر استفاده از پرتوهای الکترومغناطیسی، پرتوهای الکترونی و پرتوهای نوترونی می‏باشد. در دسته‏های دیگر از این روش‏ها با اعمال نوعی شرایط ویژه، نوع رفتار ماده در پاسخ به این شرایط اعمالی سنجیده می‏شود. در حالت بسیار ساده، می‏توان به اندازه‏گیری میزان مقاومت الکتریکی یک ماده، که با دانش دبیرستانی از فیزیک قابل درک و طرح‏ریزی است، اشاره کرد.
  در این دسته از مقالات به روش بسیار بدیعی از بررسی ساختار و خواص ماده می‏پردازیم که با وجود سابقه‏ی بسیار زیاد آن در علوم مختلف، در فناوری‌نانو اهمیت بسیاری دارد. میکروسکوپ الکترون عبور کننده دستگاهی است که با استفاده از باریکه‏ای از پرتوهای الکترونی، نگاه پرسش‏گر انسان را به اعماق ساختار ماده برده و پرده از گوشه‏ای از اسرار خلقت آفرینش برمی‏دارد.

• چرا از الکترون‏ها استفاده می‏کنیم؟
  همان‏گونه که احتمالا می‏دانید، استفاده از باریکه‏های الکترون به عنوان جای‏گزینی برای پرتوهای نوری بسیار متداول است. استفاده از پرتوهای نوری در بررسی مواد زیستی و مهندسی سابقه‏ی بسیار طولانی در علوم دارد. از نظر تاریخی، دلیل روی آوردن به استفاده از الکترون‏ها را باید در محدودیت «حد تفکیک» یا «رزولوشن» تصاویر در میکروسکوپ‏های نوری دانست. این محدودیت به دلیل اندازه‏ی طول موج پرتوهای نور مرئی ایجاد می‏شود. گرچه پس از این‏که میکروسکوپ‏های الکترونی توسعه یافتند، دلایل بیشتری برای استفاده از الکترون‏ها به جای پرتوهای نور به دست آمد. برخی قابلیت‏های میکروسکوپ‏های TEM کنونی مرهون این ویژگی‏های متمایز الکترون‏هاست.

پرسش 1: آیا می‏توانید ویژگی‏های ممتاز الکترون‏ها در برابر نور مرئی را نام ببرید؟​

• مختصری موجز از تاریخچه‏ی TEM
  همان‏طور که در کتاب شیمی سال دوم دبیرستان اشاره شده است، در سال 1925 دانشمندی به نام لویی دوبروی به الکترون که ذره‏ای بودن آن قبلا به اثبات رسیده بود، طول موجی نسبت داد. این طول موج مقدار بسیار کمتری از طول موج نور مرئی دارد.

پرسش 2: در کتاب شیمی سال دوم دبیرستان، از نسبت دادن رفتار دوگانه‏ی موج-ذره به ماده گفته شده است. آیا شما نیز رفتار موجی دارید؟ اگر چنین است، طول موج شما چقدر است؟​

در سال 1927 دانشمندانی از دو گروه تحقیقاتی به تجربیاتی از پدیده‏ای مشهور به تفرق الکترونی دست یافتند. این پدیده رفتار موجی الکترون‏ها را تایید نمود. دیری نگذشت که ایده‏ی طراحی یک میکروسکوپ الکترونی شکل گرفت. اصطلاح میکروسکوپ الکترونی برای اولین بار در مقاله‏ای که آقایان نول و روشکا در سال 1932 به چاپ رساندند، به کار رفت. در این مقاله ایشان موفقیت خود را در زمینه‏ی لنزهای الکترونی توضیح دادند و هم‏چنین تصاویری را که توسط میکروسکوپ ابداعی خود تهیه کرده بودند، نمایش دادند (شکل 1).

شکل 1- میکروسکوپ الکترونی ساخته شده توسط روشکا (با لباس آزمایشگاه) و نول در برلین​

این کار قدم بزرگی بود که منجر شد روشکا دو سال قبل از وفات، به دریافت جایزه‏ی نوبل در سال 1986 مفتخر گردد.

پرسش 3: در مورد پدیده‏ی تفرق یا پراش الکترونی چه می‏دانید؟ آیا این پدیده تنها در مورد الکترون‏ها رخ می‏دهد؟ چرا مشاهده‏ی پدیده‏ی تفرق، موجب اثبات ماهیت موجی الکترون‏ها شد؟​

پس از آن اولین نمونه‏ی تجاری این دستگاه در سال 1936 به بازار ارائه شد. این دستگاه ایرادات بسیاری داشت و اولین نمونه‏ی مورد قبول از TEM در سال 1939 عرضه شد. در اواسط دهه‏ی 1950 دانشمندانی به نام بولمن در سوئیس و هیرش در انگلستان به روش‏هایی برای نازک کردن نمونه‏های فلزی دست یافتند. این نمونه‏ها به گونه‏ای بودند که عبور باریکه‏ی الکترونی از آن‏ها به راحتی امکان‏پذیر بود. این رویداد برای محققین حوزه‏ی مهندسی و علم مواد بسیار حائز اهمیت بود.

پرسش 4: اگر از شما پرسیده شود که «میکروسکوپ چیست؟»، چه می‏گویید؟

• میکروسکوپی و مفهوم حد تفکیک

بسیاری از مردم خواهند گفت که میکروسکوپ ابزاری است که می‏تواند اشیای بسیار ریز را که با چشم غیرمسلح دیده نمی‏شوند، بزرگ کند. البته ممکن است در برخی موارد به میکروسکوپ نوری نیز اشاره نمایند. در این‏جا تعریفی جدید از میکروسکوپ را ارائه می‏دهیم که بر مبنای یکی از مهم‏ترین مفاهیم میکروسکوپی بنا شده است.
چشم انسان می‏تواند بین نقاطی که حداقل فاصله‏شان در حدود mm 0.2-0.1 باشد، تفکیک قائل شود و آن‏ها را از هم تشخیص دهد. البته این عدد در بهترین حالت به دست می‏آید. طبق تعریف، به این عدد «حد تفکیک» یا در اصطلاح متداول انگلیسی آن، «رزولوشن» می‏گوییم. بنابراین هر ابزاری که بتواند تصویری را به ما ارائه دهد که در آن جزئیات ظریف‏تر از mm0.1 را نمایان ساخته باشد، با عنوان میکروسکوپ توصیف می‏شود. بیشترین بزرگ‏نمایی مجاز و قابل استفاده‏ی هر میکروسکوپ نیز بسته به حد تفکیک آن است. این موضوع در ادامه در مقالات بعدی توضیح داده خواهد شد.
میکروسکوپ TEM جذابیت‏های بسیاری در نظر محققین دارد. با توجه به این‏که اندازه‏ی الکترون‏ها بسیار کوچک‏تر از اندازه‏ی اتم‏هاست، حداقل از دیدگاه نظری می‏توان میکروسکوپی ساخت که بتوان جزئیاتی پایین‏تر از سطوح اتمی را با آن مشاهده کرد. این نکته‏ی کلیدی انگیزه‏های بسیاری را برای توسعه‏ی سریع میکروسکوپ‏های TEMایجاد نمود.

• حد تفکیک چگونه به دست می‏آید؟

از نظر یک متخصص، حد تفکیک TEM وابسته به عوامل متعددی است. در اینجا برای سادگی می‏توانیم از معیار کلاسیک ریلی (Rayleigh) که برای میکروسکوپ‏های نوری ارائه شده است، استفاده نماییم. طبق این رابطه، کم‏ترین فاصله‏ای که می‏توان بین دو نقطه تشخیص داد، r، به طور تقریبی از رابطه‏ی زیر به دست می‏آید:

در این رابطه، λ طول موج پرتو مورد استفاده، μ ضریب شکست محیط، و β برابر با نصف زاویه‏ی همگرایی لنز مورد استفاده می‏باشد. برای سادگی درک این رابطه می‏توان مقدار μsinβ را برابر با یک در نظر گرفت. در این حالت مقدار حد تفکیک تقریبا برابر با نصف طول موج مورد استفاده خواهد بود. در صورت استفاده از این ساده‏سازی، مقدار حد تفکیک برای نور سبز که با طول موج حدود nm 550 درمیانه‏ی طیف نور مرئی قرار دارد، برابر با nm 300 خواهد بود. با وجود این‏که این عدد بسیار کوچک است و دستیابی به آن در میکروسکوپ‏های نوری یک موفقیت بزرگ محسوب می‏شود، اما این اندازه تقریبا برابر با اندازه‏ی 1000 اتم در کنار هم می‏باشد. بنابراین برای مشاهده‏ی جزئیات مهم در نانوفناوری و بسیاری از کاربردهای دیگر مناسب نیست.
در TEM با استفاده از رابطه‏ای مشابه رابطه‏ی ریلی، می‏توان به حد تفکیک‏های بسیار کوچک‏تری دست یافت. بنابراین رابطه

بنابراین دیده می‏شود که استفاده از پرتوهای الکترونی با طول موج‏های بسیار کوچک و از مرتبه‏ی هزارم و ده هزارم نانومتر می‏تواند در دست‏یابی به حد تفکیک‏های زیر اتمی مفید باشد.