میکروسکوپهای الکترونی و کاربرد آن ها در علم پزشکی

 مقدمه
پیدایش میکروسکوپ های الکترونی عبوری (TEM) به صورت تجاری به سال 1940 بازمی گردد، اما از سال 1950 به بعد بود که کاربردهای گسترده ای در بررسی فلزات پیدا نمودند. مهم ترین عامل کاهنده در کاربرد TEM مطالعه فلزات در آن سال ها به مشکلات تهیه نمونه مربوط می شد. اما امروزه با توجه به روش های گوناگون تهیه نمونه فلزات، این نوع میکروسکوپ ها جایگاه خاصی را در میان متخصصین مواد و متالوژی برای خود ایجاد نموده و باعث بروز نقطه عطف بسیاری از پژوهش ها و تحقیقات گشته، به آن ها سرعت فراوانی داده اند. امروزه میکروسکوپ الکترونی عبوری امکان مطالعه موارد متنوعی در مواد گوناگون نظیر ویژگی های ریزساختاری مواد، صفحات و جهات بلوری، نابجایی ها، دوقلویی ها، عیوب انباشتگی، رسوب ها، آخال ها، مکانیزم های جوانه زنی، رشدو انجماد، انواع فازها و تحولات فازی، بازیابی و تبلور مجدد، خستگی، شکست، خوردگی و … را فراهم آورده است. در کل قابلیت های امروزی TEM را می توان مرهون چهار پیشرفت زیر دانست که دوتای آن ها در ساختمان دستگاه و دوتای دیگر در نحوه تهیه نمونه حاصل شده اند:
– استفاده از چند عدسی جمع کننده
– پراش الکترونی سطح انتخابی
– نازک کردن نمونه ها برای تهیه نمونه های شفاف در برابر الکترون ها
– تهیه نمونه به روش ماسک برداری
در بررسی مواد، میکروسکوپ الکترونی عبوری دارای سه مزیت اصلی ذیل است:
1- قابلیت دسترسی به بزرگنمایی های بسیار بالا (حتی بیش از یک میلیون برابر) به دلیل به کارگیری انرژی بالی الکترون ها و در نتیجه طول موج کمتر پرتوها.
2- قابلیت مشاهد ساختمان داخلی فلزات و آلیاژها به دلیل قدرت عبور الکترون های پر انرژی از نمونه نازک.
3- قابلیت بررسی سطوح انتخابی نمونه به دلیل وجود حالت بررسی با پراش الکترون ها.
مقایسه TEM با OM
به طوور کلی میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) مشابه میکروسکوپ نوری (OM) است با این تفاوت که در آن به جای نور با طول موج حدود Å 5000 از الکترون هایی با طول موج حدود Å 05/0 برای روشن کردن نمونه استفاده می شود. این امر به میکروسکوپ امکان می دهد که از نظر تئوری دارای قدرت تفکیک 105 با بهتر از میکروسکوپ نوری گردد. اما در عمل به علت محدودیت های مربوط به طراحی عدسی ها و روش های نمونه گیری، قدرت تفکیک تنها به Å 2 می رسد که به نسبتی در حدود 1000 مرتبه از قدرت تفکیک میکروسکوپ نوری بهتر است. در کارهای روزمره قدرت تفکیک TEM حدود Å 10 است. قدرت تفکیک زیاد میکروسکوپ عبوری در مقایسه با میکروسکوپ نوردی امکان کاربرد آن برای بررسی رزساختار فلزات را فراهم می سازد. زیرا امکان مشاهده اجزای نمونه تا ابعاد اتمی را میسر می نماید.
این قدرت تفکیک مسلماً بدون زحمت و صرف وقت قابل دستیابی نیست، اما به هر حال در دسترس متالورژیست ها قرار دارد. بزرگنمایی زیاد نیز برای استفاده کامل از قدرت تفکیک میکروسکوپ ضروری است. با وجود این حتی با بزرگنمایی های حدود 1000 نیز نتایج TEM به مراتب روشن تر از نتایج میکروسکوپ نوری است. پرتوی روشن کننده در TEM الکترون و در OM، امواج نوری مرکب است. یک عدسی الکترونی ساده قادر است بزرگنمایی را حدود 50 تا 200 برابر افزایش دهد.
اجزای میکروسکوپ الکترونی عبوری TEM Parts
در شکل اجزای اصلی یک میکروسکوپ الکترونی عبوری نشان داده شده است. این طرح بنا به مورد کاربرد، به منظور به کارگیری انواع اثرات متقابل الکترون و نمونه اصلاح یا ترمیم شده و به تجهیزات کمکی و ویژه مجهز می گردد. همان طور که مشاهده می شود از اجزای اصلی یک دستگاه TEM، می توان تفنگ الکترونی، عدسی جمع کننده، ردیف کننده پرتو، نگهدارنده نمونه، عدسی شیئی، عدسی تصویری، سیستم های ازبین برنده آلودگی، پرده فلورسنت و دوربین عکاسی را برشمرد. کل سیستم در خلاء حداقل 4-10 تور قرار دارد تا مسیر آزاد طولانی برای الکترون ها موجود باشد. در شکل (3) نیز مسیر حرکت پرتوهای الکترونی نشان داده شده است.
تفنگ الکترونی Electron Gun
سیستم روشن کننده در TEM شامل یک تفنگ الکترونی است که از یک رشته (فیلامنت) گرم (عمدتاً از جنس تنگستن) متصل به پتاسیم الکتریکی بالا که با یک محفظه قطبی به نام استوانه و هنلت (Wehnelt ) احاطه می شود، تشکیل شده است. پایین تر از این قسمت یک آند متصل به زمین قرار گرفته که در وسط آن سوراخی برای عبور الکترون ها به طرف پایین ستون تعبیه شده است. ولتاژهای شتا ب دهنده به کار رفته در دو گروه عمده قرار می گیرند. میکروسکوپ های معمولی از ولتاژهای 20 تا 120 کیلووات استفاده می نمایند. تعداد ولتاژ انتخاب شده در این فاصله معین بوده و معمولاً با گام های 20 کیلوولتی است. در گروه دیگری از میکروسکوپ ها (مرسوم به میکروسکوپ های ولتاژ بالا) از ولتاژهای 200 تا 1000 کیلوولت نیز استفاده می شود.
شایان ذکر است که تمام انواع ذکرشده به صورت تجاری در دسترس بوده و قیمت متناسب با ولتاژ شتاب دهنده تعیین می گردد. جریان کلی تفنگ الکترونی در حدود   100 است. اما تنها کسری آن موجب تشکیل تصویر نهایی شده و بقیه آن توسط دریچه های گوناگون ستون میکروسکوپ جذب می گردد. هنگامی که به بزرگنمایی بالاتری نیاز است، از تفنگ الکترونی قوی تری استفاده می شود. عدسی Lens در میکروسکوپ های الکترونی از عدسی های خاصی استفاده می شود. عمده این عدسی ها در دو گروه عدسی های مغناطیسی (سیم پیچ مغناطیسی با هسته آهنی) و عدسی های الکترواستاتیکی طبقه بندی شده اند. عدسی های نوع دوم دارای مزیت یکنواختی زمینه هستند ولی با این وجود بیشتر از اعوجاج حوزه الکتریکی در اثر آلودگی تاثیر می پذیرند. به همین جهت تاکنون نتوانسته اند جای عدسی های مغناطیسی را بگیرند.
به خاطر محدودیت های موجود در طراحی، عدسی های میکروسکوپ TEM روزنه هایی به مراتب کوچکتر از روزنه های عدسی های شیشه ای میکروسکوپ را تشکیل می دهد. یک عدسی شیئی مغناطیسی نمونه با فاصله کانونی mm5/2 ( 2500) و روزنه شیئی  50 دارای نیم زاویه پذیرش(Acceptance Half-Angle) در حدود 3- 10×5 رادیان است، در حالیکه نیم زاویه پذیرش برای یک عدسی شیئی نوری خوب حدود رادیان (‍‎60) می باشد. بازده کم عدسی الکترونی تا حدی توسط عمق نفوذ بیشتر حوزه آن و عمق تمرکز بالا جبران می شود.
اکثر میکروسکوپ های TEM پیشرفته دارای 4 تا 6 عدسی می باشند. عدسی جمع کننده پرتوی الکترونی را روی نمونه متمرکز می نماید. عدسی شیئی اولین تصویر بزرگ شده را ایجاد می کند. این تصویر مجدداً توسط عدسی تصویری بزرگ شده و تصویر نهایی را که معمولاً قابل رویت است روی صفحه فلورسنت تشکیل می دهد. برای ثبت تصویر، صفحه فلورسنت برداشته شده و به جای آن یک صفحه فتوگرافیک یا فیلم قرار داده می شود. تمام آنچه که یک میکروسکوپ نوری قادر به تفکیک آن می باشد با بزرگنمایی 500 قابل مشاهده است. بزرگنمایی بالاتر مشاهده جزییات را آسان تر می کند اما قدرت تفکیک را افزایش نمی دهد. برای استفاده کامل از قدرت تفکیک میکروسکوپ الکترونی، بزرگنمایی تا 200000 یا بیشتر مورد نیاز است. این بزرگنمایی ها با استفاده از دو عدسی بدست نمی آیند. بنابراین از بزرگنمایی سه مرحله ای استفاده می شود. برای این کار یک عدسی میانی در بین عدسی های شیئی و تصویری قرار می دهند.
برای عدسی شیئی معمولاً از یک بزرگنمایی ثابت استفاده می شود که مقدار آن متناسب با موقعیت نمونه و فاصله کانونی است. عدسی تصویری نیز دارای بزرگنمایی های مشخصی می باشد. بزرگنمایی های بین این حدود را می توان با تنظیم شدت جریان در عدسی میانی بدست آورد. مقدار لازم بزرگنمایی بسته به نوع نمونه است، اما مرسوم آن است که برای تسهیل مقایسه تصاویر در بررسی یک نمونه از تعداد معینی بزرگنمایی ثابت استفاده گردد. به عنوان مثال در ماسک برداری صورت گرفته از نمونه های فولادی، بزرگنمایی های ثابت 2000، 5000، 10000 و 25000 را به کار می برند. همچنین صفحات فتوگرافیک را می توان تا 5 بار بدون هیچ گونه اشکالی بزرگ کرد.
عدسی جمع کننده Condenser Lens
وظیفه اصلی عدسی جمع کننده متمرکز نمودن پرتوهای الکترونی ساتع شده از تفنگ بر روی نمونه است. این عدسی امکان تغییر توان روشن نودن صفحه نمونه را برای انطباق با نوع نمونه و بزرگنمایی تصویر نهایی فراهم می آورد. به عبارت دیگر بزرگنمایی موردنظر مبین شدت روشنایی منبع و چگونگی عملکرد عدسی جمع کننده خواهد بود.
حداکثر شدت روشنایی هنگامی حاصل می شود که پرتوهای ارسالی از منبع الکترون در صفحه نمونه متمرکز شود. هر مقدار که مکان تمرکز پرتوها بالاتر یا پایین تر از صفحه نمونه باشد، شدت روشنایی کاهش می یابد. هرچه شدت روشنایی بیشتر باشد، به همان ترتیب تصویر نهایی آشکارتر خواهد بود. اگر تصویر متمرکز شده منبع الکترونی حداقل به اندازه خود منبع باشد، یعنی با پهنایی در حدود 40 تا 100 میکرومتر، تصویر زمینه بدست آمده روی میکروگراف حاصله در بزرگنمایی x100000 فقط حدود 1 میکرومتر خواهد بود. هرچه سطح تصویر منبع الکترونی بر سطح نمونه کوچکتر شود، شدت روشنایی بیشتر می گردد.
عدسی جمع کننده ثانویه Second Condenser
عدسی جمع کننده الکترون ها را روی نمونه متمرکز می کند. با تغییردادن فاصله کانونی این عدسی، پرتوی الکترونی پهن شده و به این ترتیب سطح تحت تابش نمونه افزایش می یابد. در این صورت شدت روشنایی کاهش خواهد یافت. با استفاده از یک عدسی جمع کننده، اندازه سطح تحت تابش از نمونه حداقل تا ابعاد منبع تابش یعنی حدود  40 قابل کاهش دادن است. واضح است که این مقدار بسیار بیشتر از مقدار لازم برای استفاده در بزرگنمایی های معمولی است. در بزرگنمایی x10000 چنین سطحی از نمونه تصویر نهایی به ابعاد cm 40 ایجاد می کند. به این معنی که سطح مورد تابش از نمونه بسیار بزرگتر از سطحی است که مشاهده می شود. این امر می تواند باعث گرم شدن نمونه و آلودگی قسمت بزرگی از آن به خاطر احیای مولکول های روغن جذب شده روی نمونه به کربن در اثر بمباران الکترونی شود.
استفاده موثر از پرتوی الکترونی با استفاده از عدسی جمع کننده ثانویه عملی می شود. در این حالت جمع کننده اولیه یک تصویر کوچک از منبع تابش ایجاد می نماید. سپس این تصویر توسط جمع کننده ثانویه روی نمونه متمرکز شده و کاهش قابل ملاحظه ای در قطر محدوده تابش بوجود می آید. این قطر می تواند تا  2 کاهش یابد. این امر باعث افزایش تابش الکترون بر سطح مورد آزمایش، افزایش وضوح تصویر و کاهش آلودگی سطح می شود. با استفاده از رشته های مخصوص و ضمایم ویژه می توان به پرتوهای نازکتر تا  1/0 نیز دست یافت که در بزرگنمایی های بالا و نیز پراش الکترونی سطح انتخابی مفید می باشد. استفاده از جمع کننده اولیه قادر به ایجاد شدت تابش کافی روی نمونه نیست. نوع جدیدی از تفنگ الکترونی به نام تفنگ حوزه یونی می تواند منبع تابش الکترون با ابعاد بسیار کوچک ایجاد نماید و ممکن است روزی جای تفنگ های الکترونی امروزی را بگیرد. اما این نوع تفنگ الکترونی هنوز به مرحله ای نرسیده است که این جایگزینی صورت پذیرد.
عدسی شیئی Ovjective Lens
این عدسی مهم ترین عدسی در ستون میکروسکوپ بوده و دارای کانون وسیعی در محدوده 1 تا 5 میلی متر می باشد. اصولاً کمتر بودن فاصله کانونی انحراف کمتری را دربر داشته و قدرت تفکیک بهتری را فراهم می آورد.
نزدیک به پشت صفحه کانونی عدسی شیئی، روزنه عدسی به همراه یک صفحه فلزی کدر با یک سوراخ مدور مرکزی روی محور عدسی قرار گرفته است.
این روزنه الکترون های پراکنده شده توسط نمونه که باعث کاهش تباین در تصویر می شوند را جدا می کند. کاهش تباین در این حالت به دلیل ترکیب عیوب رنگی و کروی است.
زاویه روزنه عدسی شیئی (2) مساوی نسبت D (قطر روزنه عدسی شیئی) به F (فاصله کانونی عدسی) می باشد. اندازه روزنه عدسی شیئی با توجه به میزان نسبت تباین به قدرت تفکیک تعیین می گردد. هرچه روزنه کوچکتر باشد، تباین بیشتر خواهد بود.
عدسی تصویری Projector Lens
سومین نوع عدسی در میکروسکوپ الکترونی عبوری، عدسی تصویری یا عدسی پروژکتور نام دارد. این عدسی نزدیک ترین عدسی به تصویر نهایی بوده و اثر شایانی بر بزرگنمایی تصویر می گذارد. مقدار فاصله کانونی عدسی تصویری در محدوده وسیعی قابل حصول است به طوری که هر فاصله کانونی یک نقش در مقدار بزرگنمایی و تغییر آن ایفا می نماید. یکی از عوامل اصلی موثر بر میزان بزرگنمایی نهایی حاصل از این عدسی، مقدار جریان عدسی است. در برخی میکروسکوپ ها گاهی از دو عدسی تصویری (یک عدسی میانی به عنوان عدسی تصویری اولیه و دیگری عدسی تصویری ثانویه) استفاده به عمل می آید.
ردیف کننده پرتو Beam Alignmentor
هنگامی که محور پرتوهای روشن کننده با محور عدسی شیئی تطابق داشته باشد، بهترین تصویر میکروسکوپی قابل حصول است. عدم تطابق دو محور ممکن است ناشی از یک جابجایی افقی بین دو محور موازی و یا یک تفاوت زاویه ای بین دو محور باشد. با جابجایی مسیر پرتوهای روشنایی از پهلو می توان به تطابق محوری دست یافت که منجر به حذف علت اول خواهد شد. علت دوم نیز با چرخش پرتوهای روشنایی به داخل درو محور موازی و سپس انطباق آن تصحیح می شود. عدم تطابق محوری میکروسکوپ با حرکت دادن فیزیکی و یا چرخشی مسیرهای میکروسکوپ قابل اصلاح است. امروزه در اکثر موارد عدسی های ستون میکروسکوپ در یک ردیف قرار می گیرند. هر تطابق محوری جزیی که لازم است مجدداً اعمال گردد، با تحت تاثیر قراردادن پرتوها توسط میدان الکتریکی حاصل از سیم پیچ های تعبه شده انجام می گیرد. این پرتو می تواند در محورهای x و y آنقدر تغییر داده شود تا حداکثر انطباق بدست آید. تغییر روشنایی نیز با تغییر ولتاژ امکان پذیر است.
نگهداری نمونه Support of Sample
نمونه در میکروسکوپ TEM معمولاً روی یک شبکه فلزی مدور باریکی به ضخامت 3 میلی متر نگهداری می شود. نمونه در یک زاویه قایمه با محور نوری (اپتیک) در نزدیکی کانون عدسی شیئی قرار دارد. نمونه بر یک نگهدارنده بیرونی سوار شده واز طریق یک شیر هوا به داخل جا نمونه ای میکروسکوپ وارد می شود.
بیشتر میکروسکوپ های TEM دارای یک نمونه گیر استاندارد هستند که امکان قراردادن نمونه در دو جهت عمود برهم را فراهم می سازد. ارتفاع نمونه از بالای عدسی شیئی طوری تنظیم می شود که بهترین تفکیک را ایجاد نماید. بسیاری از انواع نمونه گیرها به عنوان ضمایم اضافی برای انجام آزمایش های خاص عرضه می شوند که مثلاً امکان چرخیدن نمونه حول یک یا دو محور چرخش آزاد طی گرم کردن، سرد کردن و کشیدن نمونه یا ترکیبی از اینها را ایجاد نمایند. در کار متالورژی استفاده از یک نمونه گیر قابل چرخش اجتناب ناپذیر است. چرخش نمونه حول دو محور عمود برهم یا حول یک محور همراه با چرخش آزاد ضروری است. زاویه های چرخش باید حداقل تا 25 درجه از سطح افق برسند. چرخش های تا 60 درجه قابل دسترسی هستند اما همیشه ضروری نیستند. چرخش نمونه به کریستال های ظریف یا لایه های نازک فلزی امکان می دهد که به گونه ای قرارگیرند تا بهترین وضوح و روشنی تصویر و بیشترین اطلاعات از الگوی پراش و تصاویر با زمینه تاریک بدست آید.
دریافت و ثبت تصویر Receive & Record of Image
تصویر در TEM از طریق برخورد الکترون ها به صفحه فلورسنت ایجاد می شود. معمولاً از یک تلسکوپ با بزرگنمایی 10 برابر نیز برای مشاهده دقیق تر جزییات با تلسکوپ باید صفحه فلورسنت چرخانده شود تا دقیقاً عمود بر محور تلسکوپ قرار گیرد. اما در بسیاری از دستگاه های TEM به جای استفاده از تلسکوپ از یک صفحه متمرکزکننده ویژه استفاده می شود. معمولاً یک ابزار ویژه به صفحه فلورسنت متصل است که وظیفه آن اندازه گیری شدت تابش الکترون بر صفحه می باشد. پرده فلورسنت به کاررفته برای نمایان سازی تصویر، پرده ای پوشیده از فسفر است که اندازه ذرات فسفر موجود بر روی آن حدود 100 میکرومتر می باشد. TEM به اتاقکی موسوم به محفظه دید (Viewing Chamber) مجهز است که رویت تصویر با چشم غیر مسطح را میسر می سازد. به دلیل آن که محفظه مذکور تاریک است، جزییات تصویر با تباین کامل و بدون آشفتگی دیده می شود. پنجره های محفظه مشاهد از شیشه سربی ساخته شده است. این شیشه قادر است اشعه ایکس تولیدشده در داخل محفظه را جذب نماید. سیستم های پیشرفته امروزی از تلویزیون مداربسته استفاده می شود. در این سیستم ها تصویر صفحه فلورسنت به نمایشگر تلویزیونی انتقال می یابد. تصاویر صفحه فلورسنت همچنین می توانند بر روی دیسک های نوری – مغناطیسی و یا روی نوار ویدیو ضبط شوند. ساده ترین و مرسوم ترین عمل ثبت تصویر با بکارگیری یک صفحه فتوگرافیک در زیرصفحه فلورسنت امکان پذیر است.
سیستم کاهش آلودگی Contamination Decrease System
دستگاه ضدآلودگی ( که معمولاً به نام Cold Finger شناخته شده است.) سرعت آلوده شدن نمونه را به حداقل کاهش می دهد. در بیشتر سیستم های خلاء مولکول هایی از هیدروکربن ها در فضای تخلیه شده باقی می مانند. این مولکول ها می توانند از گریس تخلیه، روغن پمپ، اثرانگشت روی نمونه گیرها یا صفحات فتوگرافیک ناشی شوند. مولکول های روغن جذب شده روی سطح نمونه، توسط پرتوی الکترونی شکسته شده و تشکیل رسوبی از کربن می دهند که با سرعت A/sec 2 یا بیشتر ضخیم می شود. آلودگی جزییات تصویر را مخدوش می سازد. گاهی در بزرگنمایی های بالا قبل از ایجاد آلودگی روی سطح نمونه تنها یک تصویر می توان تهیه نمود. برای به حداقل رساندن آلودگی از ابزاری که به دستگاه TEM متصل شده و سطح بسیار سردی را برای نمونه قبل از انجام بررسی ایجاد می کند، استفاده به عمل می آید.
این ابزار معمولاً توسط نیتروژن مایع خنک شده و گاهی بسته به نوع دستگاه، به صورت یک بلوک بزرگ مسی به شکل مخروطی در اطراف نمونه یا صفحات نازک ساخته می شوند. با استفاده از ابزار ضدآلودگی موثر، سرعت افزایش ضخامت آلودگی تا A/sec 1/0 کاهش یافته، فرصت مشاهده نمونه قبل از آلوده شدن تا حدود یک ساعت افزایش می یابد. تمایل به افزایش قدرت تفکیک، استفاده از دستگاه ضدآلودگی را ضروری ساخته است. با استفاده از سیستم های سرکننده، جایگزین کردن واشرهای معمولی با واشرهای خاص، استفاده از روغن با فشار بخار پایین برای پمپ، پمپ کردن با فشارهای کمتر و استفاده از پمپ های یونی یا جذبی می توان آلودگی را به حداقل رساند. همچنین باید از دست زدن به قسمت های داخلی میکروسکوپ نیز خودداری نمود.
حالات عملکرد Operation Modes
میکروسکوپ الکترونی عبوری در حالت های گوناگون می تواند عمل نماید. TEM در حالت استاندارد از تباین های فازی، میدان روشن و میدان تاریک استفاده می کند. تصاویر روشن و تاریک تشکیل شده نیز به هنگامی است که تنها پرتوی مستقیم برای ایجاد تصویر به کار گرفته شود. روزنه عدسی از عبور همه پرتوهای دیگر به سمت سیستم ثبت کننده جلوگیری می کند. نمونه تحت زاویه ای قرار داده می شود که قانون براگ برای اکثر صفحات صادق باشد. بدین ترتیب علاوه بر پرتوی منعکس شده پرتوی برخوردی نیز تحریک می شود. اگر از پرتوی میدان تاریک برانگیخته شده استفاده به عمل آید تصویر میدان تاریک به دست خواهد آمد. از فصل مشترک حداقل دو پرتوی صفحه تصویر عدسی شیئی، یک تصویر شبکه شکل می گیرد. ریشه های شبکه نیز درصورت انعکاس دسته پرتوی متقارن تصویرساز در صفحه شبکه مشاهده می شوند. تصویر ساختار با استفاده از تعداد زیادی از پرتوهای شکل گرفته در صفحات با اندیس لاوه پایین تشکیل می شود. برای تشکیل تصویر با قدرت تفکیک بالا به تنظیم ویژه میکروسکوپ نیاز است. در میکروسکوپ الکترونی عبوری، علاوه بر تصاویر میدان روشن و تاریک دو نوع مشاهده، یکی با بررسی انرژی و دیگری با به کارگیری پرتوی ضعیف نیز کاربرد فراوانی یافته اند
هنگامی که الکترون ها در میکروسکوپ الکترونی از درون نمونه عبور می کنند، انرژی خود را از دست می دهند. این الکترون ها دارای توزیع انرژی خاصی هستند که مشخصه عنصر یا عناصر تشکیل دهنده نمونه است. شناسایی این پدیده محققان زیادی را به سمت توسعه بررسی و پردازش انرژی کشاند تا بتوان معیاری برای تعیین ترکیب شیمیایی نواحی فوق العاده کوچک بدست آورد. این محققان طیف انرژی الکترون های عبورکرده از نمونه را پس از عبور آنها از یک ستون باریک در داخل شبکه بلوری، تصویر می کنند. بدین ترتیب نوعی طیف سنج برای سنجش ترکیب شیمیایی مواد حاصل خواهدشد. یکی از کاربردهای اصلی TEM در مطالعه نابجایی هاست. نابجایی ها در TEM هنگامی قابل مشاهده اند که بلور رد زاویه انعکاسی براگ قرار گرفته باشد. برای اغلب فلزات، تصاویر نابجایی های رویت شده بدین طریق (میدان تاریک) دارای عرض 80 تا 100 آنگستروم هستند. بدین ترتیب تحلیل های فراوانی از آرایش، حرکت و تداخل نابجایی ها به عمل آمده است. با این همه روش پرتوی ضعیف برای دست یابی به تصویر نابجایی ها گسترش یافته است. در این روش، یک تصویر با زمینه تاریک و قدرت تفکیک بالا از طریق قراردادن بلور در معرض برداد g که از شرایط براگ دور است، تهیه می گردد. تنها ناحیه نزدیک مغز نابجایی که در آن صفحات بلور به طور موضعی خم شده و شرایط انعکاسی را بوجود آورده اند، در تشکیل تصویر موثرند. این روش برای تعیین دقیق عرض نابجایی منفرد مناسب است. احتمالاً محدودیت عمده روش پرتوی ضعیف، وقت گیر بودن و مشکل بودن مراحل دست یابی به تصاویر میکروسکوپی می باشد.
پراش الکترون در TEM Electuon Diffraction in TEM
یکی از مهم ترین منابع تهیه اطلاعات ساختاری، پراش الکترونی بوده و در تهیه اطلاعات از ورقه های نازک فلزی ونیز از فازهایی که از زمینه اصلی و به طریقه ماسک برداری استخراج شده اند، بسیار مفید و کاربردی است. در به کارگیری این شیوه لازم است که نمونه ها دارای شرایط زیر باشند:
1- هادی الکترون بوده و یا نسبت به آن شفاف باشند (Transparent to Electrons).
2- ساختار بلوری داشته باشند. مدل های پراش الکترونی شبیه مدل های پراش اشعه ایکس دست می آید. شکل(9) دوربین پراش معمولی را نشان می دهد که در آن از عدسی های جمع کننده برای تنظیم پرتوها استفاده شده و سایر عدسی ها خاموش می باشند. پرتوهای الکترونی، موازی هم از نمونه عبور نموده و پراش می یابند. مدل این پراش بر روی پرده قابل تنظیم و رویت است. مهم ترین عیب این سیستم حضور سه عدسی بین نمونه و مدل پراش اشعه می باشد، به طوری که مغناطیس باقیمانده در عدسی ها، سبب مخدوش شدن مدل پراش می گردد. در بعضی از تجهیزات، نمونه بجای عدسی و یا در زیر آن قرار می گیرد. این امر سبب می شود که مشکل مغناطیس باقیمانده در عدسی ها حذف گردد. پراش در سطح منتخب Selected Area Diffraction مهم ترین نوع پراش در میکروسکوپ های الکترونی، پراش در سطح منتخب (SAD) است. این سطح خیلی کوچک بوده و قطر آن از چندصد آنگستروم تجاوز نمی کند. اصول کاری SAD در شکل (10) نشان داده شده است. وقتی یک نمونه بلوری در معرض پرتوهای موازی الکترونی قرار گرفته و روشن می شود، الکترون ها طبق قانون براگ (Bragg) (dsin 2 =  و یا d 2 =  بخاطر کوچک بودن  ) پراش می یابند. پرتوهای پراش یافته با پرتوهای اصلی (Main Beam) در پشت صفحه کانونی عدسی شییئی متمرکز شده و یک مدرل پراش در آنجا تشکیل می دهند. بدین ترتیب اولین تصویر بزرگ شده نمونه در فاصله ای نزدیک صفحه کانونی تشکیل می شود. با تنظیم مناسب توان و با توجه به فاصله کانونی عدسی واسط، می تتوان تصویر نهایی را بر روی پدره رویت نمود. با تعبیه روزنه هایی با اندازه مناسب در سطح تصویر عدسی شیئی، امکان عبور پرتوهای پرا ش یافته در طول محفظه خلاء فراهم گشته و تصاویر مربوطه ضبط می شود. اندازه مدل پراش بستگی به شرایط عدسی تصویری و محل نصب آن دارد. با استفاده از عدسی های واسط ثانویه و یا عدسی های پراشی (Diffraction Lenses) می توان اندازه مدل پراش را تغییر داد امکانات اخیر قست های معینی از مدل را وسعت می دهند تا جزییات بیشتری مورد تجزیه و تحلیل قرار گیرد. تنظیم سطح روشن نمونه از طریق کنترل قطر پرتوی تابانده شده بر روی سطح بوسیله روزنه های تعبیه شده در عدسی جمع کننده انجام می شود. اطلاعاتی که از این طریق (SAD) به دست می آید، اطلاعاتی در مورد اندازه و جهات شبکه، مقایسه چند ناحیه مختلف نمونه نسبت به هم و تجزیه و تحلیل ذرات مختلف و کوچک در نمونه است.
میکروسکوپ با زمینه تاریک Dark – Field Microscopy
یکی دیگر از منابع باارزش تهیه اطلاعات، استفاده از تصاویری است که با زمینه ای تیره یا تاریک تهیه می شوند. با تغییر اندازه روزنه عدسی های شیئی، امکان انتقال پرتوهای پراش یافته و ممانعت از عبور پرتوهای اصلی فراهم شده و بدین ترتیب تصاویر با زمینه تاریک ساخته می شوند. تصاویر حاصله، ناحیه ای از نمونه را که این پرتوها از آن عبور نموده اند، نشان می دهند. از آنجایی که پرتوی پراش یافته از گوشه میدان عدسی عبور می کند، در این گونه تصاویر ساده، حد تفکیک پایین می باشد. جهت تهیه تصاویر با حد تفکیک بالا سعی می شود که پرتوی روشن کننده (IIIuminating Beam) را به گونه ای منحرف سازند تا به راستای محور چشمی میکروسکوپ نزدیک و در طول آن انتقال یابد (به جای پرتوی اصلی). انحراف پرتو بوسیله کج کردن و منحرف نمودن سیم پیچ های مغناطیسی صورت می گیرد که همواره در طراحی و ساخت این میکروسکوپ ها به آن توجه می شود.
تهیه نمونه Specimen Prparation
در صورت استفاده از میکروسکوپ تمیز و کارکرد خوب با آن، قدرت تفکیک قابل دسترس در کار متالورژی به شرایط نمونه بستگی خواهد داشت. در این راستا انتخاب روش تهیه نمونه از اهمیت فوق العاده ای برخوردار است. به طور کلی تهیه نمونه مشکل ترین قسمت متالوگرافی بوده و بیشتر از سایر مراحل کار در معرض خطا و نارسایی قرار دارد. در به کارگیری TEM در متالوگرافی، شیوه تهیه نمونه و ویژگی های نمونه آماده شده اهمیت و تاثیری مستقیم و شایان توجه بر نتایج ماخوذه دارد. در روش بررسی ساختار با میکروسکوپ الکترونی عبوری، ملموس ترین نوع نمونه، نمونه ای خیلی نازک است که الکترون قادر باشد از آن عبور نماید. در این راستا قدرت عبور الکترون از نمونه به ولتاژ شتاب دهنده پرتوها و نیز چگالی و عدد اتمی نمونه بستگی دارد. در جدول (1) تبعیت ضخامت نفوذپذیری یا عمق نفوذپذیری یا عمق نفوذ نمونه های مختلف با ولتاژهای متفاوت ارایه شده است. همان طور که ملاحظه می شود با افزایش ولتاژ شتاب دهنده، عمق نفوذ افزایش می یابد. از طف دیگر افزایش عدد اتمی منجر به کاهش عمق نفوذ می شود. جدول (1) : تاثیر ولتاژ شتاب دهنده و عدد اتمی بر عمق نفوذ الکترون.

جدول (1): تاثیر ولتاژ شتاب دهنده و عدد اتمی بر عمق نفوذ الکترون
عمق نفوذ (m) عمق نفوذ (m)
جنس نمونه
آلومینیم
آهن
اورانیم
عدد اتمی
13
26
92
در ولتاژ 100 کیلوولت
50/1
25/0
10/0
در ولتاژ 100 کیلوولت
8
5/1
5/0
نمونه هایی مناسب برای TEM بسته به عملکرد وسایل و ولتاژ کاری، ضخامتی در حدود چندصد نانومتر دارند. یک نمونه ایده آل ضخیم ترین حجم ممکن از نمونه را داشته، پایدا، تمیز و صاف می باشد. سطوح آن حتی الامکان موازی بوده و نمونه به راحتی در دست قرار می گیرد. به عبارتی حمل و نقل آسانی دارد. دارای هدایت الکتریکی مناسب بوده و از جدایش و عیوب سطحی مبری می باشد. بدیهی است تمام ویژگی های مذکور در یک نمونه اجتماع نداشته و سعی بر آن است که حداکثر فواید حاصل گردد. در روش های آماده سازی نمونه برای ‏TEM غالباً از یک نمونه لبه تیز (با زاویه کم) استفاده به عمل می آید. به طور کلی آماده سازی نمونه های TEM مشتمل بر دو مرحله آماده سازی اولیه نازک نمودن نهایی می باشد.
آماده سازی اولیه نمونه Initial Preparation
اولین گام در تهیه نمونه، بریدن یک تکه از نمونه اصلی است. در این خصوص لازم است که دیدگاه ها و نکات مورد مطالعه نیز مدنظر باشد. در مرحله اخیر به احتمال زیاد نمونه دارای حداقل دو سطح خشن بوده، ضخامت آن بسته به دستگاه و روش برشکاری است. یک ارٌه با دنده های ریز مو تواند زبری ها و حفراتی به اندازه حدود یک میلی متر بر روی ساختار نمونه فلز نرم ایجاد نماید. حداقل این عیوب در صورت استفاده از ماشین های برشکاری جرقه ای یا به کارگیری چرخ های برنده الماسه و یا سیم های گردان به همراه استفاده از دوغاب سایشی، حاصل می گردد. انتخاب روش برش نمونه به ویژگی های آن بستگی دارد.
آماده کردن سطوح صاف
بعد از این که ضخامت نمونه بریده شده به 5/0 تا 3 میلی متر رسید، لازم است که سطوح نمونه به صورت صاف و موازی درآیند. بدین منظور از ماشین های سنگ زنی، سنباده زنی و پرداخت کاری استفاده می شود. برای به حداقل رساندن عیوب ایجادی در سطح نمونه، استفاده از ساینده نرم و ریز دانه توصیه شده است. ورقه هایی از نمونه با سطوح موازی و به ضخامت m  100 (و کمتر) در اکثر موارد با استفاده از پرداخت کاری با پودرهای ساینده ای با دانه بندی 600 بدست خواهدآمد. اگر تنها به نمونه ای پولکی شکل با قطر 2 میلی متر نیاز باشد، در شرایط صنعتی می توان از صفحات گردان استفاده به عمل آورد. با به کارگیری وسایلی دقیق تر و پیشرفته تر از این دست می توان به ضخامت هایی کمتر از m  50 نیز دست یافت. با استفاده از چرخ های ساینده و پرداخت کاری این امر قابل حصول است.

نازک کردن شیمیایی Chemical Thinning
روشی که در آن می توان حداقل تخریب ها را در یک نمونه بدست آورد، پرداخت کردن شیمیایی است. با استفاده از این روش، برخی عیوب شناخته شده در مراحل مکانیکی آماده سازی نمونه تا حدودی از بین می رود، اما به دست آوردن سطوح موازی در نمونه مشکل به نظر می رسد. ماشین هایی که در آن با استفاده از فرآیندهای شیمیایی می توان ضخامت را کنترل نمود، در دسترس هستند. در این دستگاه ها هر دو سطح نمونه همزمان با یک محلول خوردنده پرداخت می شوند. اگر ماده نمونه زیاد باشد، کل نمونه در محلول غوطه ور شده و هیچ تلاشی برای جلوگیری از خوردگی لبه ها صورت نمی گیرد. به عبارت دیگر نمونه به اندازه کافی خورده شده و پراخت می شود. بنابراین با به کارگیری این روش نیازی به تهیه نمونه های اولیه بسیار کوچک نیست.
نازک کردن نهایی نمونه Final Thinning
پرداخت الکتریکی Electropolishing پرداخت الکتریکی یا الکتروپولیش اغلب برای رساندن ضخامت نمونه به ضخامت نهایی مورد استفاده قرار می گیرد. عملیات پرداخت الکتریکی در یک سلول حاوی الکترولیت که در آن نمونه در حالت آند قرار دارد، با اعمال یک پتانسیل مناسب برای حل کردن مقدار کنترل شده ای از نمونه، انجام می شود. این عمل تا ایجاد یک سوراخ در نمونه ادامه می یابد. محدوده عبور الکترون در ‏TEM ، نوار باریکی در محیط همین سوراخ است. سلول پرداخت الکترویکی در واقع با حذف برجستگی ها و نامنظمی ها بسیار ریز سطح نمونه، آنرا پرداخت می نماید. این امر باعث صاف شدن سطح و در نهایت نازک شدن یکنواخت، کامل و سریع نمونه می شوند. پرداخت الکتریکی در واقع روشی عکس فرآیند آبکاری الکتریکی است. در این روش، قطعه مورد پرداخت، آند قرار داده می شود و لذا گرایش به حل شدن در الکترولیت دارد. الکترولیت و چگالی جریان طوری کنترل می شوند که اکسیژن آزاد شده در آند، نقاط برجسته قطعه را اکسید نماید. فلز اکسید شده در الکترولیت حل شده و در نتیجه سطحی صیقلی مانند صیقل کاری مکانیکی بدست می آید.
در محلول الکترولیت سلول معمولاً یک عامل اکسیدکننده و یک معرف حضور دارند که باعث ایجاد یک لایه چسبناک، غلیظ و پایدار بر روی نمونه می شوند. پرداخت کاری نرم با حل شدن نمونه همراه بوده و همان طوری که در شکل نشان داده شده است، با طول مسیر نفوذ از فیلم چسبناک تا الکترولیت کنترل می شود. هرچه نقاط سطح نمونه به سطح آزاد الکترولیت نزدیک ترد باشند، عملیات حل شدن نسبت به محیط اصراف سریع تر صورت می گیرد. بدین ترتیب یک سطح نرم به دست می آید که از روشنایی و براقی آن قابل تشخیص است. از آن جا که می بایست لایه چسبناک نازک نگه داشته شود، لازم است که الکترولیت محتوی یک ماده حل کننده لایه چسبناک، یک عامل اکسیدکننده و یک تشکیل دهنده لایه باشد. گاهی یک نوع معرف می تواند به هر سه گونه رفتار نموده و الکترولیت را ساده نماید. یکی از این معرف ها محلول رقیق اسید پرکلریک )4 (HCLO در اتانول می باشد که یک عامل پرداخت کننده مرسوم است. هرچندگاهی الکترولیت های پیچیده ای با بیش از 3 الی 4 جزء نیز مشاهد می شود. در چنین مواردی یک عامل اکسیدکننده نظیر اسید پرکلریک
)4 (HCLO یا اسید نیتریک )3 (HNO، یک تشکیل دهنده لایه مانند اسید فسفریک
)4 SO 2 (H برای حل کردن اکسیدها و نیز یک رقیق کننده ای که می تواند غلیظ هم باشد مثل گلیسرول برای کنترل کردن سرعت واکنش، حضور دارد. ترکیب الکترولیت یا تغییرات اولیه پتانسیل کاربردی تعیین می شود. از طرف دیگر پتانسیل پایین با اچ شدن نمونه و پتانسیل بالا به سوراخ شدن و عدم پرداخت کاری منجر می گردد. بدیهی است می بایست از هر دو گونه شرایط مذکور دوری جست. شرایط صحیح عملکرد با مطالعه منحنی عملی ولتاژ – جریان قابل تشخیص است. پرداخت کاری بهینه در منطقه فلات منحنی رخ می دهد. هرچند یک پتانسیواستات برای اندازه مقدار واقعی منحنی ولتاژ – جریان مورد نیاز است. به دلیل وجود مشکلات بسیار در حصول شرایط پایدار، تحقیقات خبره کمتری برای رم منحنی های تجربی انجام شده است. در مجموع تحقیقات انجام شده مبین شروع فرآیند با پتانسیل توصیه شده است. فراتر رفتن پتانسیل، باعث اچ شدن و فروتر رفتن آن منجر به حفره دار شدن نمونه خواهد گشت.
روش پنجره The Window Technique
آخرین مرحله نازک کردن نمونه از صفحات حدود m  125 به ضخامتی نهایی تلاش های تحقیقی فراوانی را به خود جذب نموده است. در این میان متغییرهایی چون شکل هندسی آند و کاتد، پایداری ولتاژ، دمای محلول و تلاطم الکترولیت همگن مورد مطالعه قرار گرفته اند. رساندن نمونه به ضخامت هایی در حدود و رقم مذکور با روش هایی چون نازک کردن شیمیایی، پرداخت الکتریکی، کوبیدن، استفاده از جرقه و ماشین کاری، با به کارگیری ظرایف و نکاتی امکان پذیر است. ابتدایی ترین روش پراخت الکتریکی که با نام " روش پنجره " شناخته شده است، توسط Bollman (1965) ارایه شد. این روش بر سرعت گوناگون خوردگی مناطق مختلف سطح تکیه دارد. نمونه اولیه مورد استفاده در این روش مربعی با ابعاد 2×1 سانتی متر بوده، توسط گیره ای شبیه موچین در الکترولیت آویزان است. به منظور حفاظت در برابر حمله محلول، نمونه با یک لاک مقاوم به اسید پوشش شده است درون وان الکترولیت مواد به ارتفاع کافی حضور داشته و همزن مغناطیسی موجود تلاطم و گردش مناسب محلول را ایجاد می نماید. نمونه به قطب مثبت (آند) متصل است. کاتد نیز ورقه هایی از همان جنس نمونه یا موادی خنثی نظیر پلاتین یا فولاد ضدزنگ می باشد. موچین نگهدارند نمونه حتی می تواند با دست نگه داشته شده و با غوطه ور شدن نمونه در محلول، جریان برقرار گردد. در هر حال پس از برقراری جریان الکتریکی در داخل الکترولیت، نمونه آرام آرام خورد شده و به سمت ایجاد بخش هایی گلویی شکل حرکت می کند. به دلیل شفاف بودن ظرف و محلول الکترولیت، رویت فرآیند پرداخت الکتریکی و خورد ه شدن نمونه دایماً امکان پذیر خواهد بود. پس از سوراخ شدن این قسمت گلویی شده، نمونه مورد نظر برای TEM آماده خواهد بود. در نهایت چیزی که از نمونه باقی می ماند، شبیه پنجره است و نامگذاری این روش نیز به همین دلیل می باشد. در خاتمه نمونه به دست آمده را به منظور حذف مواد الکترولیت از روی آن در یک ظرف آزمایشگاهی حاوی حلال فروبرده و سپس شستشو می دهند. آن چه که Bollman در سال 1956 ابداع نمود، استفاده از دو کاتد در دو طرف نمونه بود. او کاتدهایی را فاصله یک میلی متری نمونه هایی که لبه های آن لاک شده بود قرار داد. بدین ترتیب سوراخ شدن در مرکز نمونه آغاز می شد. در حالی که عملیات پرداخت کاری در حال انجام بود، او فاصله کاتدها از نمونه را افزایش داده و به حدود یک سانتی متر می رساند. بدین ترتیب عمل سوراخ شدن در فصل مشترک لاک – فلز نیز آغاز می گشت. فرآیند پرداخت کاری تا زمانی که دو سوراخ مذکور به یکدیگر می رسیدند ادامه می یافت . بدین ترتیب با بریدن نمونه، دو نمونه زبانه ای شکل و نازک برای انجام آزمایش بدست می آمد.
پرداخت خودکار با افشانه Automatic Jet Polishing
در روش دیگری که برای نازک کردن نمونه ها استفاده می شود، نمونه اولیه یک صفحه دایره ای شکل با قطر تقریبی حداقل 3 و ضخامت حدود 5/0 میلی متر می باشد. می توان یک فرورفتگی در مرکز قرص ایجاد نمود و تمام قرص را تحت پرداخت الکتریکی قرار داد تا این که در همان مرکز قرص سوراخی ایجاد شود. بدین ترتیب نمونه ای بدست می آید که لبه های آن به قدر کافی همان مرکز قرص سوراخی ایجاد شود. بدین ترتیب نمونه ای بدست می آید که لبه های آن به قدر کافی ضخیم بوده و به آسانی گرفته و حمل و نقل می شود. از طرف دیگر مرکز نازک آن نیز محافظت می گردد. در روشی که برای اولین بار توسط Strutt (1961) به کارگرفته شد، نمونه از هر دو طرف با پاشش الکترولیت مواجه است. در این مرحله با استفاده از ولتاژ بالا به فرآیند پرداخت سرعت داده و پس از حصول منطقه نازک میانی، می توان قرص را درون وان های پرداخت الکتریکی معمولی قرار داد و عملیات را تا سوراخ شدن صفحه تعقیب نمود.
امروزه عموماً از افشانه های دوتایی برای پرداخت نمونه استفاده می کنند. بدین ترتیب که دو افشانه (Jet) در دو طرف نمونه قرارگرفته و محلول الکترولیت را با سرعت به نمونه می پاشند. افشانه ها نیز در فاصله 3 میلی متری مرکز نمونه قرار داشته و پاشش را به طور مستقیم انجام می دهند. نمونه در نگهدارنده ای قابل تعویض قرارگرفته و به آند متصل است. فرآیند پرداخت کاری می بایست به محض سوراخ شدن نمونه متوقف گردد. اگر فرآیند در اطراف سوراخ شکل گرفته ادامه یابد، نازک ترین منطقه حاصله با الکترولیت بیشتری محاصره شده و دچار خوردگی می شود و یا اینکه نیروهای مکانیکی حاصل از پاشش الکترولیت توسط افشانه منجر به تغییر شکل مناطق نازک شده می گردد. بنابراین به دلیل غیرقابل انتظار بودن اثرات، لازم است که لحظه شکل گیری سوراخ دقیقاً ردیابی شود. بدین منظور از یک منبع نور در یک طرف و یک دیود نوری حساس در طرف دیگر سلول استفاده به عمل می آید. در شرایط مناسب سوراخ شدن می تواند بعد از گذشت یک الی دو دقیقه حاصل شود. بدین ترتیب هم پرداخت شدن و هم سوراخ شدن نمونه در یک سیستم صورت گرفته و زمان آماده سازی نمونه کاهش می یابد.
ترکیبات الکترولیت متنوعی بسته به نوع نمونه مورد استفاده است. برخی از این الکترولیت ها وقتی تازه باشند، بهترین شرایط عملکرد خود را دارا هستند. بالعکس برخی دیگر پس از انبارشدن به مدت یک یا دوهفته و تعدادی پس از مصرف به شرایط بهینه می رسند. پس از پرداخت الکتریکی شستشوی کامل نمونه امری ضروری است. این عمل معمولاً در 4 الی 5 ظرف تمیز محتوی حلال انجام شده و با شستشو در محلولی مشتمل بر حلال سریع خشک شونده و بدون لک (مانند الکل) خاتمه می یابد.
برخی الکترولیت ها وقتی سر هستند، خوب عمل می نمایند. عملیات سردنمودن سلول به راحتی با قراردادن ظرف محتوی الکترولیت در مایعات خنکی چون آب با یخ، الکل با یخ خشک (دی اکسید کربن جامد) و یا الکل یا نیتروژن مایع ریخته شده در آن امکان پذیر می باشد. گاهی نیز از یخچال های کوچکی که مایع خنک شده را در لوله پیچ غوطه ور در الکترولیت پمپ می کنند، استفاده به عمل می آید که روش گرانی است. از مزایای این روش (مخصوصاً در تهیه نمونه از ورقه های نازک) می توان به موارد ذیل اشاره نمود:
الف – سرعت تهیه نمونه افزایش می یابد. زمان لازم برای تهیه نمونه به روش های دیگر در حدود 15 تا 60 دقیقه است در حالی که با این روش ظرف چند دقیقه نمونه آماده می شود.
ب- برش خاصی روی نمونه لازم نیست. بدین ترتیب هرگونه احتمال خراب شدن نمونه با ارٌه و چاقو منتفی شده، از تغییرشکل نمونه هنگام برشکاری جلوگیری می شود. پ- استحکام قاب دور نمونه از فروپاشی و کمانش آن ممانعت به عمل می آورد.
ت- سوراخ کردن مرکز قرص (نمونه) باعث افزایش قابلیت کنترل نمونه در مراحل گوناگون کار با TEM می شود، مثلاً خم نمودن و مطالعه زوایای مختلف آن.
ث- سطوح انتخابی نمونه ها نظیر مناطق تاثیر یافته از حرارت در جوشکاری و یا نمونه های کوچک آزمایش شده در آزمایش های کشش یا خزش می توانند مورد بررسی قرارگیرند. یکی از محدودیت های این روش بزرگ بودن نمونه واردشده به میکروسکوپ است و در صورت وجود مواد فرومغناطیس، پرتوی الکترونی منحرف شده و مشکلات مربوط به انحراف مسیر ایجاد می نماید.
نازک کردن با پرتوی یونی Ion – Beam Thinning
نازک کردن با استفاده از پرتوهای یونی اغلب برای نازک کردن ورقه ها و رساندن آن ها به ضخامت نهایی مورد استفاده قرار می گیرد. در این روش، یک پرتو از اتم ها یا یون های یک گاز خنثی مستقیماً به نمونه برخورد نموده و اتم ها یا ملکول هایی از نمونه رد محل برخورد یون متصاعد می شوند. اگر این امر بتواند بدون تولید مواد مصنوعی و زاید انجام گیرد، نازک کردن یونی یک روش ایده ال برای آماده سازی ورقه های مواد هادی و غیر هادی خواهد بود. این روش به پیش بینی و منظم نمودن چند اثر غیرقابل پیش بینی نظیر نشستن یون های پراکنده شده، توسعه توپوگرافی سطح زبر نمونه و گرم شدن نمونه نیازمنداست. به همین دلیل لازم است که طبیعت یون ها، انرژی و جهت پیدایش آن ها و نیز فرکانس ورودشان کنترل شود. وقتی که یون ها دارای انرژی حدود eV 100 باشند، می توانند اتم های سطحی را حذف نموده و پراکنده سازند. تعداد اتم های ساتع شده با برخورد هر پرتوی یون یا اتم، بازده پراکنش (S) (Sputtering Yield) نامیده می شود. عموماً S و در نتیجه سرعت نازک شدن با انرژی یون و مقدار جرم یون بمباران کننده افزایش می یابد. از طرف دیگر مقدار S با افزایش جرم اتمی نمونه دچار کاهش می شود. حصول ضریب پراکنش بالا بدون تغییر شیمیایی نمونه با استفاده از آرگون امکان پذیر است. گازهای خنثای سبک تر نظیر هلیم و نئون، سرعت نازک کردن بسیار آهسته تر و گازهای خنثای سنگین تر نظیر کریپتون و گزنون بسیار گران هستند. انتخاب مقدار انرژی یون آسان است. در ابتدا با افزایش انرژی یون، بازده پراکنش افزایش می یابد. اما پس از رسیدن به یک مقدار حداکثر، دوباره کاهش نشان می دهد. به عبارت دیگر یون ها در زیر سطح رسوب می کنند. در این حالت اتم های کمتری از سطح متصاعد می گردد. بنابراین مقدار انرژی بهینه در حدود KeV10-1 می باشد که در این میان مقدار KeV 6-3 کاربردی تر است. از طرف دیگر بازده پراکنش به زاویه ای که یون ها به سطح برخورد می کنند، بستگی دارد. زاویه معمولی مورد استفاده در محدوده 30-5 درجه می باشد.
انواع تفنگ یونی در هنگام استفاده سریعاً فرسوده می شوند. یون ها هم تفنگ و هم نمونه را مورد فرسایش قرار می دهند. بنابراین در نازک کردن یونی تعویض منظم اجزای تفنگ به ویژه کاتد، اجتناب ناپذیر است. امروزه ماشین های نازک کردن یونی با تفنگ های متنوعی در دسترس هستند. به علاوه اینکه اجزای موجود برای تنظیم کردن انرژی یون و جریان پرتو حداقل برای دو تفنگ می باشند. این ماشین ها معمولاً با نمونه گیرهایی که توان پذیرش قرص های (نمونه) 3 میلی متری را داشته و هنگام نازک شدن همزمان نمونه از هر دولبه حول محور عمودی خود در حال گردش هستند، ترکیب می شوند. به دلیل آن که فرسایش با سرعت بسیار کندی در حدود 10-1 میکرون بر ساعت رخ می دهد، تشخیص انتهای فرآیند، آن هم به صورت خودکار بسیار مرسوم است. بنابراین نازک کردن صفحه ای که تنها m 50 ضخامت دارد، ممکن است به چندین ساعت وقت نیاز داشته باشد. بدیهی است نازک کردن اولیه با روش های دیگر بدون آسیب رساندن به نمونه و یا ایجاد مشکلات حمل آن و سپس نازک تر کردن آن با پرتوهای یونی بسیار مفید و بهینه خواهد بود.
نازک کردن با پرتوهای یونی امروزه در محدوده وسیعی مورد استفاده بوده و عمدتاً برای سرامیک ها، شیشه ها و سایر نارساناها و نیز مواد دو فازی که تمایل پرداخت الکتریکی یک فاز نسبت به فاز دیگر سریعتر است، به کار می رود. اگرچه پراکنده شدن اتم ها یا مولکول های تمام مواد با یک شرایط تنظیم شده پرتوهای یونی امکان پذیر نیست، اما زاویه برخورد پرتو و گردش متناسب نمونه می تواند این اختلافات را به حداقل برساند.
روش ماسک برداری Replica Method
ماسک ها عکس بردان های مطمئنی از سطح آماده نمونه ها هستند. به تصویرکشیدن سطح نمونه ها به روش ماسک برداری به سال 1965 (توسط Bradley ) باز می گردد. مواد گوناگونی برای تهیه ماسک معرفی شده اند که از آن جمله می توان به کربن و پلاستیک اشاره نمود. خواص عمومی این مواد عبارتنداز:
1- تراکم اتمی بالا
2- استحکام و پایداری بال
3- کوچک بودن ساختمان اتمی یا مولکولی به نحوی که قابل تفکیک توسط TEM نبوده و بر روی تصویر بدست آمده اثری نگذارد.
4- سهولت ترسیب و نیز برداشتن مواد از روی نمونه روش های ماسک برداری شامل دوشیوه اصلی می باشند. در یکی سطح فلز پرداخت و اچ شده، ریزساختار آن به صورت واضح درآورده می شود که ماسک برداری از سطح اخیر صورد می پذیرد. در روش دوم سطح نمونه را آندایز نموده و فیلمی با ضخامت متغیر و منطبق با ناهمواری های ریزساختاری تهیه می نمایند. این فیلم از سطح فلز برداشته شده و به عنوان ماسک مورد استفاده قرارمی گیرد.
روش های یادشده مبتنی برتحت تاثیرقرارگرفتن غیر یکنواخت قسمت های مختلف ریزساختاری می باشند. این قسمت های مختلف همان مرز دانه ها، رسوب ها، فازهای ثانویه و … هستند.
بدین ترتیب برخلاف میکروسکوپ نوری که قادر به استفاده از رنگ های مختلف است در ماسک ها از ناهمواری های سطحی استفاده به عمل می آید. مهم ترین مزیت ورق های نازک در مقایسه با ماسک این است که توسط ورق ها می توان ساختار داخلی فلزات و آلیاژها را با جزییات آنها مشاهده نمود. عیوب بلوری مانند نابجایی ها و نقص انباشتگی و عوامل ساختاری مثل مرز دانه ها و سایر سطوح مشترک می توانند در یک ورق نازک مورد مشاهده قرار گیرند.

کاربردهای میکروسکوپ الکترونی عبوری
همانطور که قبلاً نیز گفته شده TEM می تواند ریزساختار فلزات را با قدرت تفکیکی با ابعاد اتمی نشان دهد به شرط اینکه دقت کافی هم در مرحله نمونه سازی و هم در کاربرد دستگاه معمول گردد. در غیر این صورت نیز قدرت تفکیک تا Å 20 را با میکروسکوپ های مدرن می توان به دست آورد. TEM اطلاعات مشروحی درباره فلزات از قبیل توزیع حرکت نابجایی ها، اندازه تعداد و توزیع رسوبات و آخال ها، مکانیزم های جوانه زنی و رشد، حرکت ترک ها و … را ارایه می دهد، از آنجا که تعداد زیادی از خواص فیزیکی و مکانیکی وابسته به ریزساختار هستند می توان ارتباط بین آنها را مورد مطالعه قرار داد. در عمل بررسی رزساختار از اندازه گیری تعداد زیادی از خواص مکانیکی آسان تراست. بنابراین چنانچه ارتباط صحیحی بین ریزساختار و سایر خواص به دست آید می توان از میکروسکوپ در تعیین و کنترل فرآیند کمک گرفت. روش TEM را می توان برای کنترل بعضی از فرآیندها به کار برد زیرا امکان تطبیق دادن ریزساختارها با استاندارد با دقت قابل قبول وجود دارد. تصاویر حاصل از روش TEM می توانند اطلاعاتی در زمینه شکست ارایه دهند که با هیچ آزمایش دیگری قابل تشخیص نیست.
TEM وجود رسوبات ریز در فولادهای آلیاژی و میکروآلیاژی و وجود نابجایی و نقص انباشتگی در فلزات را برای اولین بار نشان داده و امکان ارتباط دادن این پدیده ها را با خواص مکانیکی فراهم ساخته است. از TEM در موارد دیگری چون خودگی، اکسیداسیون، آبکاری، بررسی مواد مغناطیسی، مطالعه سرامیک ها و کانی ها و … استفاده های شایانی به عمل می آید.

3

1