จุลทรรศน์อิเล็กตรอนของวัสดุ

จุลทรรศน์อิเล็กตรอนใช้ลำแสงอิเล็กตรอนที่โฟกัสเพื่อสร้างภาพโครงสร้างจุลภาคของวัสดุที่ละเอียดกว่าความละเอียดของแสงมาก และด้วยสัญญาณที่อิเล็กตรอนสร้างขึ้น สามารถวิเคราะห์องค์ประกอบและโครงสร้างผลึกในระดับท้องถิ่นได้

Definition

จุลทรรศน์อิเล็กตรอนของวัสดุคือการใช้ลำแสงอิเล็กตรอนเพื่อสร้างภาพขยายของโครงสร้างจุลภาคและเพื่อทำการวิเคราะห์องค์ประกอบและโครงสร้างผลึกที่แยกตามตำแหน่ง โดยใช้ประโยชน์จากความยาวคลื่นสั้นของอิเล็กตรอนเพื่อให้ได้ความละเอียดที่ไม่สามารถทำได้ด้วยแสงที่มองเห็นได้

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านและแบบสแกนของวัสดุ: การสร้างภาพโดยอิเล็กตรอนที่ส่องผ่านและกระเจิง, คอนทราสต์จากการเลี้ยวเบนและการสร้างภาพความละเอียดสูงในการส่องผ่าน, การสร้างภาพพื้นผิวโดยอิเล็กตรอนทุติยภูมิและอิเล็กตรอนกระเจิงกลับในการสแกน, และสัญญาณรังสีเอกซ์และอิเล็กตรอนที่ใช้สำหรับการวิเคราะห์องค์ประกอบระดับจุลภาค นอกจากนี้ยังกล่าวถึงช่วงขนาดที่เข้าถึงได้, การเตรียมตัวอย่าง, และวิธีการรวมโหมดการสร้างภาพและการวิเคราะห์เข้าด้วยกัน

Core questions

• กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านและแบบสแกนสร้างภาพได้อย่างไร?
• เหตุใดอิเล็กตรอนจึงมีความละเอียดสูงกว่าแสงมาก?
• การวัดองค์ประกอบเฉพาะที่ด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนทำได้อย่างไร?
• โหมดการสร้างภาพและการวิเคราะห์ถูกนำมารวมกันเพื่อจำแนกลักษณะโครงสร้างจุลภาคได้อย่างไร?

Key concepts

• จุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน
• จุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกน
• คอนทราสต์จากการเลี้ยวเบนและเฟส
• อิเล็กตรอนทุติยภูมิและอิเล็กตรอนกระเจิงกลับ
• การวิเคราะห์รังสีเอกซ์แบบกระจายพลังงาน
• สเปกโทรสโกปีการสูญเสียพลังงานอิเล็กตรอน

Key theories

การสร้างภาพในจุลทรรศน์อิเล็กตรอน

ในจุลทรรศน์แบบส่องผ่าน อิเล็กตรอนที่ผ่านชิ้นงานบางๆ จะสร้างภาพโดยคอนทราสต์จากการเลี้ยวเบนและเฟสที่เผยให้เห็นข้อบกพร่องและคอลัมน์อะตอม; ในจุลทรรศน์แบบสแกน ลำแสงที่โฟกัสซึ่งกวาดไปบนพื้นผิวจะสร้างอิเล็กตรอนทุติยภูมิและอิเล็กตรอนกระเจิงกลับที่แสดงแผนที่ภูมิประเทศและองค์ประกอบ

การวิเคราะห์จุลภาคจากสัญญาณลำแสง-ชิ้นงาน

ลำแสงอิเล็กตรอนกระตุ้นรังสีเอกซ์ลักษณะเฉพาะและสัญญาณการสูญเสียพลังงานซึ่งมีพลังงานที่ระบุองค์ประกอบที่ปรากฏ ดังนั้นกล้องจุลทรรศน์จึงสามารถสร้างแผนที่องค์ประกอบในระดับละเอียดเดียวกับภาพของมัน โดยเชื่อมโยงโครงสร้างทางเคมีแบบจุดต่อจุด

Mechanisms

อิเล็กตรอนที่ถูกเร่งความเร็วซึ่งมีความยาวคลื่นสั้นกว่าแสงมาก จะทำปฏิกิริยากับชิ้นงานโดยการกระเจิงแบบยืดหยุ่นที่ทำให้เกิดการเลี้ยวเบนและคอนทราสต์ของภาพ และโดยการกระเจิงแบบไม่ยืดหยุ่นที่สร้างรังสีเอกซ์และสัญญาณการสูญเสียพลังงาน การรวบรวมสัญญาณเหล่านี้จะสร้างภาพและแผนที่องค์ประกอบที่ความละเอียดระดับนาโนเมตรถึงอะตอม

Clinical relevance

จุลทรรศน์อิเล็กตรอนเผยให้เห็นโครงสร้างจุลภาค — เกรน, เฟส, รอยต่อ, และข้อบกพร่อง — ที่ควบคุมคุณสมบัติของวัสดุ, ระบุองค์ประกอบและการกระจายตัวของเฟสและสิ่งปนเปื้อน, และวินิจฉัยกระบวนการผลิตและความเสียหาย ทำให้เป็นเครื่องมือสำคัญในสาขาวิชาเคมีวัสดุและวิศวกรรมวัสดุ

History

Ruska สร้างกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านเครื่องแรกในช่วงต้นทศวรรษ 1930 ซึ่งมีความละเอียดเหนือกว่ากล้องจุลทรรศน์แสง และ von Ardenne ได้พัฒนากล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกนในเวลาไม่นานหลังจากนั้น การปรับปรุงเลนส์, ตัวตรวจจับ, และการแก้ไขความคลาดเคลื่อนตลอดหลายทศวรรษที่ผ่านมาได้นำไปสู่การสร้างภาพความละเอียดระดับอะตอมและการวิเคราะห์จุลภาคขนาดเล็กที่ใช้กันทั่วไปในการจำแนกลักษณะวัสดุ

Key figures

• Ernst Ruska
• Manfred von Ardenne

Seminal works

• williams2009
• goldstein2018

Frequently asked questions

เหตุใดกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนจึงสามารถมองเห็นได้เล็กกว่ากล้องจุลทรรศน์แสงมาก?

ความละเอียดถูกจำกัดด้วยความยาวคลื่นของโพรบ อิเล็กตรอนที่ถูกเร่งให้มีพลังงานสูงมีความยาวคลื่นสั้นกว่าแสงที่มองเห็นได้หลายพันเท่า ดังนั้นกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนจึงสามารถแยกแยะคุณลักษณะต่างๆ ได้ถึงระดับนาโนเมตรหรือแม้กระทั่งระดับอะตอมที่แสงไม่สามารถทำได้

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนบอกได้อย่างไรว่ามีองค์ประกอบใดบ้าง?

เมื่อลำแสงกระทบชิ้นงาน มันจะทำให้อิเล็กตรอนในเปลือกชั้นในหลุดออก และอะตอมจะปล่อยรังสีเอกซ์ที่พลังงานจำเพาะของแต่ละองค์ประกอบ การตรวจจับรังสีเอกซ์เหล่านี้ ซึ่งมักจะรวมกับสัญญาณการสูญเสียพลังงานอิเล็กตรอน ทำให้กล้องจุลทรรศน์สามารถระบุและสร้างแผนที่องค์ประกอบในระดับละเอียดเดียวกับภาพของมัน