TEM-EELS הוא כלי נהדר לצפייה באטומים. TEM-EELS מתחלק לשני ציוד, TEM ו-EELS. בואו ללמוד על כל עיקרון.
בימינו אנו לוקחים כמובן מאליו שכל החומרים עשויים מאטומים, אבל אפילו לפני 150 שנה, אנשים הטילו ספק אם באמת קיימים אטומים. למעשה, עדויות עקיפות לקיומם של אטומים כבר הצטברו בכמויות גדולות עד אז. אף על פי כן, הסיבה לכך שמדענים לא יכלו להרפות מהספקות שלהם הייתה פשוט משום שמעולם לא ראו אטומים לפני כן. הדברים הקטנים ביותר שמדענים יכלו לראות בזכוכית מגדלת באותה תקופה היו חיידקים, אבל כדי לראות אטומים, היית צריך להגדיל פי מאות אלפי מונים. מטבע הדברים, מדענים לא יכלו לקבל בקלות את קיומו של חומר כה קטן בצורה אבסורדית. והוא רצה לאשר את קיומם של אטומים במו עיניו.
אז מה היה הגורם המכריע שהוביל את המדענים לאשר את קיומם של אטומים? זכוכית המגדלת המשופרת שהראתה להם ישירות את קיומם של אטומים הייתה ה-EM (מיקרוסקופ אלקטרוני). ניתן לחלק את EM למספר סוגים בהתאם למנגנון ההפעלה שלו. ביניהם, מי שמושך תשומת לב ברזולוציה הגבוהה ביותר שלו הוא TEM-EELS (Transmission Electron Microscope-Electron Energy Loss Spectroscopy). כפי שהשם מרמז, TEM-EELS מתחלק לשני ציוד, TEM ו-EELS.
TEM הוא ציוד המקרין אלקטרונים על אובייקט לניתוח ולאחר מכן מנתח את המסלולים של האלקטרונים השבורים. האטומים המרכיבים עצם מחולקים לגרעין בעל מטען חיובי ולאקטרון בעל מטען שלילי. בהתאם לכך, כאשר אלקטרונים הנפלטים מציוד TEM עוברים דרך פנים עצם, הם מקבלים כוח משיכה מגרעין האטום וכוח דחייה מהאלקטרונים שמסביב לגרעין האטום. אם אלקטרון עובר ליד גרעין האטום, המסלול המוקרן של האלקטרון נשבר על ידי המשיכה הגרעינית. סטיה זו של אלקטרונים נקראת פיזור אלסטי. מצד שני, האלקטרון המוקרן עשוי להיות מוטה על ידי אלקטרונים אחרים סביב הגרעין במרחק מהגרעין. מכיוון שהאלקטרונים מסביב לגרעין האטום מפוזרים באופן נרחב בחלל, סטיה משמעותית מתרחשת עקב הדחייה בין אלקטרונים כאשר שני אלקטרונים מתקרבים מספיק כדי להתנגש. כאשר האלקטרון המוקרן מתקרב מאוד לאלקטרון שמסביב לגרעין האטום, האלקטרון המוקרן מוחזר לכיוון אחר על ידי כוח דחייה חזק. שבירה הנגרמת על ידי מנגנון זה נקראת פיזור לא אלסטי. בדרך כלל, מידת הסטת האלקטרונים עקב פיזור אלסטי גדולה מזו של פיזור לא אלסטי. לכן, TEM יכול להסתכל על מסלול האלקטרון השבור ולגלות אם הוא הגיע מפיזור אלסטי (גרעין אטום) או פיזור לא אלסטי (אלקטרון). TEM מעביר שוב ושוב אלקטרונים באותו כיוון ובאותו מהירות לנקודות שונות של עצם ומתעד היכן נמצא גרעין האטום והיכן נמצאים האלקטרונים. שילוב הנתונים הללו מאפשר לנו לדעת כיצד האטומים מסודרים ברחבי העצם.
עם זאת, יש בעיה אחת בשיטה שלעיל. לדוגמה, נניח שאלקטרונים מוקרנים באמצעות TEM סביב גרעין אטום עם מטען חיובי קטן. מכיוון שגודל המטען החיובי קטן, כוח המשיכה בין גרעין האטום לאלקטרון המשוגר פוחת, ולכן גם מידת ההסטה של האלקטרון הולכת ונחלשת. כאשר תופעה זו מחמירה, TEM אינו מסוגל להבחין אם האלקטרונים שנשברו בצורה חלשה מגיעים מפיזור אלסטי או פיזור לא אלסטי. אז, מדענים ציידו בנוסף את TEM במכשיר שנקרא EELS. EELS הוא מכשיר שמתעד את האנרגיה של אלקטרונים בעוד TEM מתעד את המסלולים של אלקטרונים משודרים. כפי שהוזכר קודם לכן, כאשר האלקטרונים המוקרנים חווים פיזור אלסטי, כיוונם פשוט משתנה עקב המשיכה של גרעין האטום. עם זאת, כאשר אלקטרונים חווים פיזור לא אלסטי, הם מתקרבים מספיק כדי להתנגש באלקטרונים מסביב לגרעין ומקפצים, כך שמהירות האלקטרונים עולה באופן דרמטי. לכן, גם אם פיזור אלסטי ופיזור לא אלסטי ישברו את האלקטרונים המוקרנים במידה דומה, על ידי קביעת אנרגיית האלקטרונים עם EELS, ניתן לקבוע באיזה פיזור נשברו האלקטרונים. לדוגמה, אם נמצא אלקטרון במסלול מסוים עם מהירות או אנרגיה קינטית כה גדולים עד שלאלקטרונים מפוזרים אלסטית לא ניתן לקבל זאת, ניתן לקבוע שאלקטרון זה נשבר עקב פיזור לא אלסטי.
TEM-EELS, המשמשת כזכוכית מגדלת עבור מדענים מודרניים באמצעות המנגנון הנ"ל, מנוצלת לאורך כל המחקר שלהם. על מנת למקסם את התכונות הפיזיקליות והכימיות של מכשירים המשמשים בחברה המודרנית, ניסויים ברמה האטומית חיוניים. זה די מסורבל וקשה לאשר את הסידור האטומי או סוג החומר באמצעות שיטות עקיפות אחרות ללא TEM-EELS. לדוגמה, תהליך ייצור המוליכים למחצה הממוסחר כיום בקוריאה משתמש ביחידה ברמה של 10 ננומטר, ו-10 ננומטר מכיל רק 100 אטומים. גם אם רק אחד מ-100 האטומים האלה לא במקום, המוליך למחצה לא יתפקד כראוי. אי אפשר אפילו לאשר אם יש משהו לא בסדר עם המוליך למחצה מבלי לראות ישירות את המבנה האטומי. שוב מודגשת החשיבות של זכוכית מגדלת בעלת ביצועים גבוהים בשם TEM-EELS.