Kính hiển vi điện tử vật liệu

Kính hiển vi điện tử sử dụng các chùm điện tử hội tụ để tạo ảnh vi cấu trúc vật liệu ở độ phân giải thấp hơn nhiều so với kính hiển vi quang học và, thông qua các tín hiệu điện tử tạo ra, để phân tích thành phần và cấu trúc tinh thể cục bộ.

Definition

Kính hiển vi điện tử vật liệu là việc sử dụng các chùm điện tử để tạo ra các hình ảnh phóng đại của vi cấu trúc và để thực hiện phân tích thành phần và cấu trúc tinh thể có độ phân giải không gian, khai thác bước sóng ngắn của điện tử để đạt được độ phân giải không thể đạt được bằng ánh sáng nhìn thấy.

Scope

Chủ đề này bao gồm kính hiển vi điện tử truyền qua và quét vật liệu: sự hình thành ảnh bằng các điện tử truyền qua và tán xạ, độ tương phản nhiễu xạ và tạo ảnh độ phân giải cao trong kính hiển vi truyền qua, tạo ảnh bề mặt bằng các điện tử thứ cấp và tán xạ ngược trong kính hiển vi quét, và các tín hiệu tia X và điện tử được sử dụng để phân tích vi cấu trúc nguyên tố. Nó đề cập đến các thang độ dài có thể tiếp cận, chuẩn bị mẫu và cách kết hợp các chế độ tạo ảnh và phân tích.

Core questions

• Kính hiển vi điện tử truyền qua và quét tạo ảnh như thế nào?
• Tại sao điện tử đạt được độ phân giải cao hơn nhiều so với ánh sáng?
• Thành phần cục bộ được đo bằng kính hiển vi điện tử như thế nào?
• Các chế độ tạo ảnh và phân tích được kết hợp như thế nào để đặc trưng hóa vi cấu trúc?

Key concepts

• Kính hiển vi điện tử truyền qua
• Kính hiển vi điện tử quét
• Nhiễu xạ và độ tương phản pha
• Điện tử thứ cấp và tán xạ ngược
• Phân tích tia X tán sắc năng lượng
• Quang phổ mất năng lượng điện tử

Key theories

Sự hình thành ảnh trong kính hiển vi điện tử

Trong kính hiển vi truyền qua, các điện tử đi qua một mẫu mỏng tạo thành hình ảnh bằng nhiễu xạ và độ tương phản pha tiết lộ các khuyết tật và cột nguyên tử; trong kính hiển vi quét, một chùm tia hội tụ quét trên bề mặt tạo ra các điện tử thứ cấp và tán xạ ngược lập bản đồ địa hình và thành phần.

Phân tích vi cấu trúc từ các tín hiệu chùm tia-mẫu vật

Chùm điện tử kích thích các tia X đặc trưng và tín hiệu mất năng lượng mà năng lượng của chúng xác định các nguyên tố hiện có, do đó kính hiển vi có thể lập bản đồ thành phần ở cùng một quy mô nhỏ như hình ảnh của nó, liên kết cấu trúc với hóa học từng điểm một.

Mechanisms

Các điện tử được gia tốc, với bước sóng ngắn hơn nhiều so với ánh sáng, tương tác với mẫu vật bằng cách tán xạ đàn hồi tạo ra nhiễu xạ và độ tương phản hình ảnh và bằng cách tán xạ không đàn hồi tạo ra tia X và tín hiệu mất năng lượng; việc thu thập các tín hiệu này tạo ra hình ảnh và bản đồ thành phần ở độ phân giải từ nanomet đến nguyên tử.

Clinical relevance

Kính hiển vi điện tử tiết lộ vi cấu trúc — các hạt, pha, giao diện và khuyết tật — kiểm soát các tính chất vật liệu, xác định thành phần và sự phân bố của các pha và chất gây ô nhiễm, và chẩn đoán quá trình xử lý và hỏng hóc, làm cho nó trở thành một công cụ trung tâm trong hóa học và kỹ thuật vật liệu.

History

Ruska đã chế tạo kính hiển vi điện tử truyền qua đầu tiên vào đầu những năm 1930, vượt qua độ phân giải của kính hiển vi quang học, và von Ardenne đã phát triển kính hiển vi điện tử quét ngay sau đó. Hàng thập kỷ cải tiến về thấu kính, bộ dò và hiệu chỉnh quang sai đã mang lại khả năng tạo ảnh độ phân giải nguyên tử thường xuyên và phân tích vi cấu trúc quy mô nhỏ cho đặc tính vật liệu.

Key figures

• Ernst Ruska
• Manfred von Ardenne

Seminal works

• williams2009
• goldstein2018

Frequently asked questions

Tại sao kính hiển vi điện tử có thể nhìn thấy những vật thể nhỏ hơn nhiều so với kính hiển vi quang học?

Độ phân giải bị giới hạn bởi bước sóng của đầu dò. Các điện tử được gia tốc đến năng lượng cao có bước sóng ngắn hơn hàng nghìn lần so với ánh sáng nhìn thấy, do đó kính hiển vi điện tử có thể phân giải các đặc điểm xuống đến thang nanomet hoặc thậm chí nguyên tử mà ánh sáng không thể.

Kính hiển vi điện tử xác định các nguyên tố hiện có như thế nào?

Khi chùm tia chiếu vào mẫu vật, nó đánh bật các điện tử lớp trong, và các nguyên tử phát ra tia X ở các năng lượng đặc trưng của từng nguyên tố. Việc phát hiện các tia X này, thường cùng với tín hiệu mất năng lượng điện tử, cho phép kính hiển vi xác định và lập bản đồ các nguyên tố ở cùng một quy mô nhỏ như hình ảnh của nó.