مقدمة
التصوير الحقلي المظلم الحلقي (ADF) هو أسلوب تصوير يستخدم في المجهر الإلكتروني الماسح النفذي (STEM) للحصول على صور تعتمد على تشتت الإلكترونات بزوايا عالية. على عكس التصوير الحقلي الساطع التقليدي، حيث يتم جمع الإلكترونات غير المشتتة لتكوين الصورة، يعتمد التصوير الحقلي المظلم الحلقي على جمع الإلكترونات التي تشتتت بزوايا كبيرة نسبيًا. هذا الأسلوب حساس للغاية للتغيرات في التركيب الذري والعدد الذري في العينة، مما يجعله أداة قوية لتوصيف المواد على نطاق النانو.
مبدأ العمل
في المجهر الإلكتروني الماسح النفذي، يتم تركيز حزمة من الإلكترونات إلى بقعة صغيرة جدًا على العينة. يتم مسح هذه البقعة عبر العينة، ويتم جمع الإلكترونات التي تمر عبر العينة بواسطة كواشف مختلفة. في التصوير الحقلي المظلم الحلقي، يتم وضع كاشف حلقي الشكل أسفل العينة. هذا الكاشف مصمم بحيث يحجب الإلكترونات غير المشتتة والإلكترونات المشتتة بزوايا صغيرة، ويسمح فقط للإلكترونات المشتتة بزوايا كبيرة بالوصول إليه. شدة الإشارة المجمعة بواسطة الكاشف تتناسب مع عدد الإلكترونات المشتتة، وبالتالي تعكس التركيب الذري للعينة.
تعتمد زاوية التشتت للإلكترونات على العدد الذري للذرات التي تتفاعل معها. الذرات الثقيلة تشتت الإلكترونات بزوايا أكبر من الذرات الخفيفة. لذلك، فإن مناطق العينة التي تحتوي على ذرات ثقيلة ستظهر أكثر سطوعًا في صورة ADF من المناطق التي تحتوي على ذرات خفيفة. هذه الخاصية تجعل التصوير الحقلي المظلم الحلقي مفيدًا بشكل خاص لتحديد وتصوير المواد المختلفة في العينات المركبة، مثل الجسيمات النانوية المعدنية المدعومة على مواد حاملة.
أنواع التصوير الحقلي المظلم الحلقي
هناك عدة أنواع من التصوير الحقلي المظلم الحلقي، تختلف في نطاق الزوايا التي يتم جمع الإلكترونات المشتتة عندها. بعض الأنواع الشائعة تشمل:
- التصوير الحقلي المظلم الحلقي القياسي (ADF): يستخدم كاشفًا حلقيًا يجمع الإلكترونات المشتتة بزوايا متوسطة إلى عالية.
- التصوير الحقلي المظلم الحلقي عالي الزاوية (HAADF): يستخدم كاشفًا حلقيًا يجمع الإلكترونات المشتتة بزوايا عالية جدًا. هذا النوع حساس بشكل خاص للتغيرات في العدد الذري، وغالبًا ما يستخدم لتحديد الذرات الثقيلة في العينات.
- التصوير الحقلي المظلم الحلقي منخفض الزاوية (LAADF): يستخدم كاشفًا حلقيًا يجمع الإلكترونات المشتتة بزوايا منخفضة. هذا النوع حساس للتغيرات في التوجه البلوري، ويمكن استخدامه لتصوير العيوب البلورية.
تطبيقات التصوير الحقلي المظلم الحلقي
التصوير الحقلي المظلم الحلقي لديه مجموعة واسعة من التطبيقات في علوم المواد، والفيزياء، والكيمياء، وعلم الأحياء. بعض التطبيقات الأكثر شيوعًا تشمل:
- توصيف المواد النانوية: يستخدم التصوير الحقلي المظلم الحلقي لتحديد حجم وشكل وتوزيع الجسيمات النانوية، ودراسة تركيبها الكيميائي، وفحص العيوب البلورية فيها.
- دراسة المواد الحيوية: يستخدم التصوير الحقلي المظلم الحلقي لتصوير الخلايا والأنسجة والكائنات الحية الدقيقة، ودراسة تركيبها ووظائفها. يمكن استخدامه أيضًا لتحديد وتصوير العلامات البيولوجية، مثل الأجسام المضادة والبروتينات.
- فحص أشباه الموصلات: يستخدم التصوير الحقلي المظلم الحلقي لفحص جودة أشباه الموصلات، وتحديد العيوب البلورية، ودراسة توزيع الشوائب.
- دراسة المحفزات: يستخدم التصوير الحقلي المظلم الحلقي لتوصيف المحفزات، ودراسة تركيبها الكيميائي، وتحديد مواقع العناصر النشطة.
- تطبيقات الطاقة: يستخدم التصوير الحقلي المظلم الحلقي في دراسة مواد تخزين الطاقة مثل البطاريات والخلايا الشمسية.
مزايا وعيوب التصوير الحقلي المظلم الحلقي
المزايا:
- حساسية عالية للتغيرات في العدد الذري: يمكن للتصوير الحقلي المظلم الحلقي الكشف عن الذرات الثقيلة في وجود الذرات الخفيفة.
- تباين عالي: ينتج التصوير الحقلي المظلم الحلقي صورًا ذات تباين عالي، مما يسهل رؤية التفاصيل الدقيقة.
- سهولة التفسير: الصور المنتجة سهلة التفسير نسبيًا، حيث أن شدة الإشارة تتناسب بشكل مباشر مع العدد الذري.
- إمكانية التصوير ثلاثي الأبعاد: يمكن استخدام التصوير الحقلي المظلم الحلقي لإنشاء صور ثلاثية الأبعاد للعينة.
العيوب:
- يتطلب عينات رقيقة: يجب أن تكون العينات رقيقة جدًا للسماح للإلكترونات بالمرور من خلالها.
- حساسية للإشعاع: يمكن أن تتضرر العينات الحساسة للإشعاع بسبب حزمة الإلكترونات.
- التكلفة: المجهر الإلكتروني الماسح النفذي مكلف، ويتطلب صيانة دورية.
- تفسير كمي معقد: على الرغم من أن الصور سهلة التفسير بشكل عام، إلا أن التحليل الكمي الدقيق قد يكون معقدًا ويتطلب برامج متخصصة.
تحضير العينات للتصوير الحقلي المظلم الحلقي
يعتبر تحضير العينات المناسب أمرًا بالغ الأهمية للحصول على صور عالية الجودة باستخدام التصوير الحقلي المظلم الحلقي. يجب أن تكون العينات رقيقة بما يكفي للسماح للإلكترونات بالمرور من خلالها دون تشتت كبير. تعتمد طريقة التحضير على طبيعة العينة. بعض الطرق الشائعة تشمل:
- الترقيق الأيوني: تستخدم هذه الطريقة حزمة من أيونات الغاز لتذرية سطح العينة تدريجيًا، مما يقلل من سمكها.
- التقطيع بالمجهر فائق البرودة: تستخدم هذه الطريقة سكينًا ماسيًا لتقطيع العينة إلى شرائح رقيقة جدًا في درجات حرارة منخفضة. هذه الطريقة مناسبة بشكل خاص للمواد الحيوية.
- التذرية: يتم ترسيب العينة على ركيزة رقيقة جدًا، مثل فيلم من الكربون أو السيليكون.
- التشتيت بالموجات فوق الصوتية: يتم تشتيت الجسيمات النانوية في مذيب، ثم يتم إسقاط بضع قطرات من المحلول على ركيزة وتجفيفها.
بالإضافة إلى ذلك، يجب أن تكون العينات نظيفة وخالية من الملوثات، حيث يمكن أن تؤثر الملوثات على جودة الصورة.
التطورات الحديثة في التصوير الحقلي المظلم الحلقي
شهد التصوير الحقلي المظلم الحلقي تطورات كبيرة في السنوات الأخيرة، مما أدى إلى تحسين دقته وحساسيته وقدرته على تصوير العينات المعقدة. بعض التطورات الحديثة تشمل:
- تصحيح الزيغ: يستخدم تصحيح الزيغ العدسي لتقليل التشوهات في الصورة الناتجة عن عيوب العدسات. هذا يسمح بتحقيق دقة مكانية أعلى.
- الكواشف المقطعية: تستخدم الكواشف المقطعية لجمع معلومات إضافية حول زاوية التشتت للإلكترونات. هذا يسمح بتحسين التباين والحساسية.
- التصوير رباعي الأبعاد (4D-STEM): يسجل هذا الأسلوب نمط تشتت الإلكترونات الكامل لكل موضع من مواضع المسح، مما يوفر معلومات شاملة عن التركيب والخصائص المحلية للعينة.
خاتمة
التصوير الحقلي المظلم الحلقي هو أسلوب قوي لتصوير المواد على نطاق النانو. حساسيته العالية للتغيرات في التركيب الذري والعدد الذري تجعله أداة قيمة لتوصيف المواد في مجموعة واسعة من التطبيقات. مع استمرار التطورات في هذه التقنية، من المتوقع أن تلعب دورًا متزايد الأهمية في فهمنا للمواد وتصميم مواد جديدة ذات خصائص محسنة.