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

VIỆN VẬT LIỆU XÂY DỰNG Các kỹ thuật hiển vi điện tử truyền qua (TEM) phân tích vật liệu 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 Hà Nội, 14/7/2016 Phân tích TEM cần gì? 1: Mẫu 2: Lưới màng 3: Kính HVĐT TQ 4: Kiến thức 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 xuyên qua: độ dày < 100 nm  Trạng thái ban đầu vật liệu: dạng hạt; polymer khối Mẫu dạng hạt (bột, hạt nano, sợi nano)  Kích thước mong muốn: < 500 nm  Mẫu bột thô => nghiền cối  Chuẩn bị mẫu: hòa mẫu vào dung môi thích hợp (nước cất, cồn, isopropanol…) sau đưa lên lưới phủ cacbon => để bay dung môi => TEM Phân tích ảnh TEM mẫu hạt Phân tích ảnh TEM mẫu hạt 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 hạt sắt bên Hình ảnh TEM phân giải cao dây nano GaAs, lớp bên có cấu trúc lập phương bên có cấu trúc lục giác Quy trình chuẩn bị mẫu dạng hạt/sợi  Nếu hạt có kích thước đủ nhỏ để điện tử xuyên qua: < 100 nm • Hòa lượng nhỏ bột => dung môi thích hợp • Rung siêu âm 10 – 30 phút để hạt phân tán hoàn toàn • Nhỏ giọt lên lưới phủ cac bon => chờ khô  Nếu hạt có kích thước lớn • Nghiền hạt chày cối mã lão => kích thước nhỏ=> theo qui trình trên; • Phân tán hạt resin => cắt mỏng mẫu sinh học => đưa lên lưới quan sát TEM Mẫu dạng polymer/nhựa/composite  Tạo thành lát cắt có độ dày: < 100 nm  Mẫu có độ cứng vừa phải => đúc polymer chuyên dụng (Epon 810) => cắt thành lát cắt cực mỏng máy thường (ultramicrotome)  Mẫu mềm (nhựa mềm, cao su…) => cắt thành lát cắt cực mỏng máy cắt lạnh (cryo-ultramicrotome)  Chuẩn bị mẫu: đưa lát cắt lên lưới phủ màng cacbon => để khô => TEM Máy cắt cực mỏng Máy cắt cực mỏng thường Máy cắt cực mỏng lạnh Phân tích ảnh TEM mẫu cắt Nền polyme chèn khe vào lớp đất sét, tách thành khe rộng 3-4nm Một số vị trí khác lớp chưa tách hoàn toàn, tạo thành bó giống sợi xếp liền sát Mẫu dạng khối  Yêu cầu phải sử dụng kỹ thuật mài 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 chùm ion (phải làm mỏng sơ tâm đĩa ~ 30 μm) Quy trình chuẩn bị mẫu dạng khối  Làm mỏng sơ để tạo thành lát có độ dày ~500 μm;  Cắt thành đĩa có đường kính mm;  Làm mỏng sơ vùng trung tâm mặt tới vài micromet;  Ăn mòn (đánh bóng)vùng trung tâm đĩa xuống độ dày 100 nm  Lưu ý: • Phương pháp sử dụng linh hoạt, phụ thuộc vào chất vật liệu phân tích (cứng hay mềm, dẻo giòn) Cắt mẫu dạng đĩa  Tán làm mỏng sơ mẫu thành lát có độ dày 500 μm;  Sau cắt thành đĩa máy cắt siêu âm máy dập học Máy cắt đĩa siêu âm Máy dập đĩa học Tán mỏng đĩa sơ  Tán mỏng mẫu mặt phẳng song song, dày 70 – 100 μm Máy tán mỏng đĩa học Tạo vết lõm trung tâm đĩa  Khoét tạo vùng lõm khu vực trung tâm đĩa: < μm; Ăn mòn chùm ion hội tụ  Ăn mòn góc thấp chùm ion góc thấp ([...].. .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... góc thấp bằng chùm ion ở góc thấp (