Hiển vi điện tử (Electron Microscopy - EM) là một cụng cụ rất hữu ớch để nghiờn cứu hỡnh thỏi học bề mặt của xỳc tỏc dị thể, trong đú cú phương phỏp hiển vi điện tử quột SEM và hiển vi điện tử truyền qua TEM.
♦ Kớnh hiển vi điện tử quột
Kớnh hiển vi điện tử quột (Scanning Electron Microscope - SEM), là một loại kớnh hiển vi điện tử cú thể tạo ra ảnh với độ phõn giải cao của bề mặt mẫu vật bằng cỏch sử dụng một chựm điện tử (chựm cỏc electron) hẹp quột trờn bề mặt mẫu. Việc tạo ảnh của mẫu vật được thực hiện thụng qua việc ghi nhận và phõn tớch cỏc bức xạ phỏt ra từ tương tỏc của chựm điện tử với bề mặt mẫu vật.
Nguyờn tắc hoạt động và sự tạo ảnh trong SEM: Việc phỏt cỏc chựm điện tử trong SEM cũng giống như việc tạo ra chựm điện tử trong kớnh hiển vi điện tử truyền qua, tức là điện tử được phỏt ra từ sỳng phúng điện tử (cú thể là phỏt xạ nhiệt hay phỏt xạ trường, …), sau đú được tăng tốc. Tuy nhiờn, thế tăng tốc của SEM thường chỉ từ 10 kV đến 50 kV vỡ sự hạn chế của thấu kớnh từ, việc hội tụ cỏc chựm điện tử cú bước súng quỏ nhỏ vào một điểm cú kớch thước nhỏ sẽ rất khú khăn. Điện tử được phỏt ra, tăng tốc và hội tụ thành một chựm điện tử hẹp (cỡ vài trăm Angstrong đến vài nanomet) nhờ hệ thống thấu kớnh từ, sau đú quột trờn bề mặt mẫu nhờ cỏc cuộn quột tĩnh điện. Độ phõn giải của SEM được xỏc định từ kớch thước chựm điện tử hội tụ, mà kớch thước của chựm điện tử này bị hạn chế bởi quang sai, chớnh vỡ thế mà SEM khụng thể đạt được độ phõn giải tốt như TEM. Ngoài ra, độ phõn giải của SEM cũn phụ thuộc vào tương tỏc giữa vật liệu tại bề mặt mẫu vật và điện tử. Khi điện tử tương tỏc với bề mặt mẫu vật, sẽ cú cỏc bức xạ phỏt ra, sự tạo ảnh trong SEM và cỏc phộp phõn tớch được thực hiện thụng qua việc phõn tớch cỏc bức xạ này. Cỏc bức xạ này chủ yếu gồm:
Điện tử thứ cấp (Secondary electrons): Đõy là chế độ ghi ảnh thụng dụng nhất của kớnh hiển vi điện tử quột, chựm điện tử thứ cấp cú năng lượng thấp (thường nhỏ hơn 50 eV) được ghi nhận bằng ống nhõn quang nhấp nhỏy. Vỡ chỳng cú năng lượng thấp nờn chủ yếu là cỏc điện tử phỏt ra từ bề mặt mẫu với độ sõu chỉ vài nanomet, do vậy chỳng tạo ra ảnh hai chiều của bề mặt mẫu.
Điện tử tỏn xạ ngược (Backscattered electrons): Điện tử tỏn xạ ngược là chựm điện tử ban đầu khi tương tỏc với bề mặt mẫu bị bật ngược trở lại, do đú chỳng thường cú năng lượng cao. Sự tỏn xạ này phụ thuộc rất nhiều vào thành phần húa học ở bề mặt mẫu, do đú ảnh điện tử tỏn xạ ngược rất hữu ớch cho phõn tớch về độ tương phản thành phần húa học.
Mặc dự khụng thể cú độ phõn giải tốt như kớnh hiển vi điện tử truyền qua nhưng kớnh hiển vi điện tử quột lại cú điểm mạnh là phõn tớch mà khụng cần phỏ hủy mẫu vật và cú thể hoạt động ở chõn khụng thấp. Một điểm mạnh khỏc của SEM là cỏc thao thỏc đơn giản hơn rất nhiều so với TEM khiến cho nú rất dễ sử dụng. Một điều khỏc là giỏ thành của SEM thấp hơn rất nhiều so với TEM, vỡ thế SEM phổ biến hơn rất nhiều so với TEM.
♦ Kớnh hiển vi điện tử truyền qua
Kớnh hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electron Microscopy - TEM) là một thiết bị nghiờn cứu vi cấu trỳc vật rắn, sử dụng chựm điện tử cú năng lượng cao chiếu xuyờn qua mẫu vật rắn mỏng và sử dụng cỏc thấu kớnh từ để tạo ảnh với độ phúng đại lớn (cú thể tới hàng triệu lần), ảnh cú thể tạo ra trờn màn huỳnh quang, hay trờn film quang học, hay ghi nhận bằng cỏc mỏy kỹ thuật số.
Về mặt nguyờn lý, TEM cũng cú cấu trỳc tương tự như kớnh hiển vi quang học với nguồn sỏng (lỳc này là nguồn điện tử), cỏc hệ thấu kớnh (hội tụ, tạo ảnh …), cỏc khẩu độ … Tuy nhiờn, TEM đó vượt xa khả năng của một thấu kớnh hiển vi truyền thống, ngoài việc quan sỏt vật nhỏ, đến cỏc khả năng
phõn tớch đặc biệt mà kớnh hiển vi quang học cũng như nhiều loại kớnh hiển vi khỏc khụng thể cú nhờ tương tỏc giữa chựm điện tử với mẫu.
Xột trờn nguyờn lý, ảnh của TEM vẫn được tạo theo cỏc cơ chế quang học, nhưng tớnh chất ảnh tựy thuộc vào từng chế độ ghi ảnh. Điểm khỏc biệt cơ bản của ảnh TEM so với ảnh quang học là độ tương phản khỏc so với ảnh trong kớnh hiển vi quang học và cỏc loại kớnh hiển vi khỏc. Nếu như ảnh trong kớnh hiển vi quang học cú độ tương phản chủ yếu đem lại do hiệu ứng hấp thụ ỏnh sỏng thỡ độ tương phản của ảnh TEM lại chủ yếu xuất phỏt từ khả năng tỏn xạ điện tử. Cỏc chế độ tương phản trong TEM:
- Tương phản biờn độ (Amplitude contrast): Đem lại do hiệu ứng hấp thụ điện tử (do độ dày, do thành phần húa học) của mẫu vật. Kiểu tương phản này cú thể gồm tương phản độ dày, tương phản nguyờn tử khối (trong STEM).
- Tương phản pha (Phase contrast): Cú nguồn gốc từ việc cỏc điện tử bị tỏn xạ dưới cỏc gúc khỏc nhau - nguyờn lý này rất quan trọng trong cỏc hiển vi điện tử truyền qua phõn giải cao hoặc trong cỏc Lorentz TEM sử dụng cho chụp ảnh cấu trỳc từ.
- Tương phản nhiễu xạ (Diffaction contrast): Liờn quan đến việc cỏc điện tử bị tỏn xạ theo cỏc hướng khỏc nhau do tớnh chất của vật rắn tinh thể. Cơ chế này sử dụng trong việc tạo ra cỏc ảnh trường sỏng và trường tối.
TEM tạo ra ảnh thật với khả năng phõn giải siờu đẳng (tới cấp độ nguyờn tử), với chất lượng cao đặc biệt. TEM cho hỡnh ảnh về cấu trỳc vi mụ bờn trong mẫu vật rắn, khỏc hẳn với cỏc kiểu kớnh hiển vi khỏc. STM (Scanning Tunneling Microscope) cú thể cho ta những hỡnh ảnh phõn giải cao khụng kộm so với TEM nhưng nú chỉ cú khả năng chụp ra ảnh cấu trỳc bề mặt. Mà trong thế giới nano, đụi khi vi cấu trỳc bề mặt khụng giống với vi cấu trỳc bờn trong. Hay như SEM cũng cú khả năng chụp ảnh rất nhanh và đơn giản nhưng độ phõn giải của SEM cũn thua xa so với TEM, đồng thời SEM chỉ cú khả năng nhỡn bờn ngoài mà thụi. Tốc độ ghi ảnh của TEM rất
cao, cho phộp thực hiện cỏc phộp chụp ảnh động, quay video cỏc quỏ trỡnh động trong chất rắn.
Như vậy, nhờ khả năng phúng đại và tạo ảnh mẫu rất rừ nột và chi tiết, hiển vi điện tử quột (SEM) và hiện vi điện tử truyền qua (TEM) được sử dụng để nghiờn cứu bề mặt vật liệu, cho phộp xỏc định kớch thước và hỡnh dạng của vật liệu.