Các kỹ thuật hiển vi điện tử truyền qua (TEM) trong phân tích vật liệu

Ta biết rằng kính hiển vi quang học sử dụng ánh sáng khả kiến để quan sát các vật nhỏ, do đó độ phân giải của kính hiển vi quang học bị giới hạn bởi bước sóng ánh sáng khả kiến, và không thể cho phép nhìn thấy các vật có kích thước nhỏ hơn. Một điện tử chuyển động với vận tốc v, sẽ có xung lượng {displaystyle p=m_{0}.v} p=m_{0}.v, và nó tương ứng với một sóng có bước sóng cho bởi hệ thức de Broglie: {displaystyle lambda ={frac {h}{p}}} lambda ={frac {h}{p}} Ta thấy rằng bước sóng của điện tử nhỏ hơn rất nhiều so với bước sóng ánh sáng khả kiến nên việc sử dụng sóng điện tử thay cho sóng ánh sáng sẽ tạo ra thiết bị có độ phân giải tốt hơn nhiều kính hiển vi quang học. Năm 1931, lần đầu tiên Ernst August Friedrich Ruska cùng với một kỹ sư điện là Max Knoll lần đầu tiên dựng nên mô hình kính hiển vi điện tử truyền qua sơ khai, sử dụng các thấu kính từ để tạo ảnh của các sóng điện tử. Thiết bị thực sự đầu tiên được xây dựng vào năm 1938 bởi Albert Presbus và James Hillier (19152007) ở Đại học Toronto (Canada) là một thiết bị hoàn chỉnh thực sự. Nguyên tắc tạo ảnh của TEM gần giống với kính hiển vi quang học, điểm khác quan trọng là sử dụng sóng điện tử thay cho sóng ánh sáng và thấu kính từ thay cho thấu kính thủy tinh

Các kỹ thuật hiển vi điện tử truyền qua (TEM) trong phân tích vật liệu

Hà Nội, 14/7/2016

TS Trần Quang Huy

Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương Phó Tổng Biên tậpTạp chí Y học dự phòng Email: tqh@nihe.org.vn/ huytq.nihe@gmail.com

http://www.neb-researchgroup.vn/detail-mem/22 http://tapchiyhocduphong.vn

VIỆN VẬT LIỆU XÂY DỰNG

Phân tích TEM cần gì?

1: Mẫu 2: Lưới và màng 3: Kính HVĐT TQ 4: Kiến thức về phân

tích hình ảnh TEM

Chuẩn bị lưới phủ màng cacbon

Tạo màng formvar

Đưa màng đỡ lên lưới Lưới phủ có màng phủ cacbon

Mẫu vật liệu

 Điện tử có khả năng xuyên qua: độ dày < 100 nm

 Trạng thái ban đầu của vật liệu: dạng hạt; polymer hoặc khối

Mẫu dạng hạt

(bột, hạt nano, sợi nano)

 Kích thước mong muốn: < 500 nm

 Mẫu bột thô => nghiền bằng cối

 Chuẩn bị mẫu: hòa mẫu vào trong dung môi thích hợp (nước cất, cồn, isopropanol…) sau đó đưa lên lưới

phủ cacbon => để bay hơi dung môi => TEM

Phân tích ảnh TEM mẫu hạt

Phân tích ảnh TEM mẫu hạt và sợi

Các hạt nano bạc có cấu

trúc lõi - vỏ, kích thước

trung bình 20nm lớp vỏ

polyme có độ dày 1nm

Ống nano cácbon có chứa

các hạt sắt bên trong Hình của dây nano GaAs, lớp bên ảnh TEM phân giải cao

ngoài có cấu trúc lập phương trong khi bên trong

có cấu trúc lục giác

Quy trình chuẩn bị mẫu dạng hạt/sợi

 Nếu hạt có kích thước đủ nhỏ để điện tử có thể xuyên qua: < 100 nm

• Hòa 1 lượng nhỏ bột => dung môi thích hợp

• Rung siêu âm 10 – 30 phút để các hạt phân tán hoàn toàn

• Nhỏ 1 giọt lên lưới đã phủ cac bon => chờ khô

 Nếu hạt có kích thước lớn

• Nghiền hạt bằng chày và cối mã lão => kích thước nhỏ=> theo qui trình trên;

• Phân tán hạt trong resin => cắt mỏng như trong mẫu sinh học => đưa lên lưới

và quan sát bằng TEM

Mẫu dạng polymer/nhựa/composite

 Tạo thành các lát cắt có độ dày: < 100 nm

 Mẫu có độ cứng vừa phải => đúc trong polymer chuyên dụng (Epon 810) => cắt thành các lát cắt cực mỏng

bằng máy thường (ultramicrotome)

 Mẫu mềm (nhựa mềm, cao su…) => cắt thành các lát cắt cực mỏng bằng máy cắt lạnh (cryo-ultramicrotome)

 Chuẩn bị mẫu: đưa lát cắt lên lưới đã phủ màng

cacbon => để khô => TEM

Máy cắt cực mỏng thường Máy cắt cực mỏng lạnh

Máy cắt cực mỏng

Phân tích ảnh TEM mẫu cắt

Nền polyme chèn khe vào các

lớp đất sét, tách thành những

khe rộng 3-4nm Một số vị trí

khác các lớp vẫn chưa tách

hoàn toàn, tạo thành những bó

giống như các sợi sắp xếp liền

sát nhau

Mẫu dạng khối

 Yêu cầu phải sử dụng các kỹ thuật mài và làm mỏng tinh;

 Chuẩn bị mẫu dạng đĩa, đường kính 3mm (bằng đường kính

lưới sử dụng cho TEM);

 Các kỹ thuật làm mỏng tinh:

+ Ăn mòn hóa học;

+ Ăn mòn điện hóa;

+ Làm mỏng bằng chùm ion (phải làm mỏng sơ bộ ở tâm đĩa ~ 30 μm)

Quy trình chuẩn bị mẫu dạng khối

 Làm mỏng sơ bộ để tạo thành lát có độ dày ~500 μm;

 Cắt thành đĩa có đường kính 3 mm;

 Làm mỏng sơ bộ vùng trung tâm của cả 2 mặt tới vài micromet;

 Ăn mòn (đánh bóng)vùng trung tâm của đĩa xuống độ dày dưới 100 nm

 Lưu ý:

• Phương pháp được sử dụng linh hoạt, phụ thuộc vào bản chất của vật liệu phân tích (cứng hay mềm, dẻo hoặc giòn)

Cắt mẫu dạng đĩa

 Tán hoặc làm mỏng sơ bộ mẫu thành lát có độ dày 500 μm;

 Sau đó cắt thành đĩa bằng máy cắt siêu âm hoặc máy dập cơ học

Tán mỏng đĩa sơ bộ

 Tán mỏng mẫu 2 mặt phẳng song song, dày 70 – 100 μm

Máy tán mỏng đĩa cơ học

Tạo vết lõm ở trung tâm đĩa

 Khoét tạo vùng lõm ở khu vực trung tâm đĩa: < 5 μm;

Ăn mòn bằng chùm ion hội tụ

 Ăn mòn góc thấp bằng chùm ion ở góc thấp (<1 0 )

Lưu ý với mẫu ăn mòn bằng chùm ion

 Nhiều khuyết điểm khi đánh bóng

mẫu với chùm ion

Các phương pháp ăn mòn khác

 Ăn mòn hóa học;

 Ăn mòn điện hóa;

(chỉ áp dụng cho những mẫu dẫn điện như kim loại hoặc hợp kim)

Phân tích ảnh TEM vật liệu khối

Một số lưu ý

Ảnh chưa hội tụ - hội tụ - quá hội tụ

Một số lưu ý

Ảnh bị loạn thị - ảnh chuẩn

Xin cảm ơn!