#06d - NAGYFELBONTÁSÚ ELEKTRONMIKROSZKÓPIA és a JEMS SZIMULÁCIÓS PROGRAM - személyes HONLAP Témavezető: FOGARASSY Zsolt, Tel.:392-2222-1876, Épület:25, Szoba:217, E-mail:fogarassy@mfa.kfki.hu, GEarth:(KFKI_25)

1. ábra. JEOL gyártmányű elektronmikroszkóp.

Napjainkra az alap és az ipari kutatásokban mindennapossá vált a transzmissziós elektronmikroszkópok (TEM) használata az anyag szerkezetének megismerésére (1. ábra). A TEM segítségével betekintést nyerhetünk a vizsgált anyag atomjainak konkrét elrendeződésére, amely végül meghatározza az anyag makroszkopikus tulajdonságait. Az optikai mikroszkópokhoz hasonlóan, alapvetően itt is csak egy 2-dimenziós képet kapunk a mintáról, amelyből következtethetünk az atomok 3-dimenziós elhelyezkedésére. Ugyanakkor a számítógépek térnyerésével már több programot is írtak, amelyek szimuláció révén képesek végigkövetni az elektronnyaláb útját a mintán keresztül, így megfelelően megadva az atomi koordinátákat 3 dimenzióban is megkaphatjuk a feltételezett szerkezet szimulált TEM-es képét. Aztán a detektált (valóságosan mért) és a szimulált elektronmikroszkópos kép összevetésével meggyőződhetünk arról, hogy az atomok elhelyezkedésére vonatkozó modellünk mennyire használható, nem téves-e teljesen.

Mi is az a transzmissziós elektron mikroszkóp?
Ha egyszerűen akarjuk megfogalmazni, akkor lényegében hasonló eszköz, mint egy optikai mikroszkóp, csak éppen a fotonok helyett jól felgyorsított (100-1000kV-tal) elektronokat használunk a leképezéshez. Az optikai lencsék helyett elektromos és mágneses lencséket vetünk be, amelyek megfelelően eltérítik, illetve fókuszálják az elektronokat. Az elektronmikroszkóp előnye, hogy az eléggé felgyorsított elektronoknak a hullámhossza nagyságrendekkel kisebb, mint a látható fényé, s ez lényegesen jobb felbontást tesz lehetővé. (A TEM részletesebb leírása megtalálható ITT.)

A legjobb nagyfelbontású elektronmikroszkópok ( HRTEM, vagyis High Resolution Transmission Electron Microscope) esetén a felbontás már eléri a 0.1 nm-t (tized nanométert, vagyis 1 Ångström-öt), ami már pontosan az atomok méretének nagyságrendje, és így "láthatóvá válik" az atomok elhelyezkedése. (1 nm = 10^-9 méter.) A hagyományos optikai mikroszkópok felbontása csak valamivel jobb, mint 10^-6 méter, szóval a különbség durván 4 nagyságrend az elektronmikroszkóp javára!)

2. ábra. Rácsos szerkezetű mintatartó TEM-es mérésekhez.

A transzmissziós elektronmikroszkópia mellett már léteznek más vizsgálati módszerek is, amelyek hasonlóan jó felbontást tudnak adni (STM, AFM, SPM), viszont ezek elsődlegesen csupán a legfelső felületről adnak információt, ami sok esetben nem elégséges, így kiegészítő vizsgálatok is szükségesek. A transzmissziós elektronmikroszkópiai módszer legfőbb hátránya a mintakészítés nehézsége. Ahhoz ugyanis, hogy az elektronnyalábbal megfelelően át tudjuk "világítani" a mintánkat, a vizsgálni kívánt terület nem lehet vastagabb néhányszor 10 nm-nél, amelynek elérése általában egy bonyolult többnapos eljárást tesz szükségessé.

Mintakészítés:
Tehát a mintát a TEM-es vizsgálatok előtt általában vékonyítani kell. Ez nálunk többnyire a durvább mechanikai csiszolást követő finomabb ionsugaras vékonyítással történik. Vannak olyan vizsgálatok is, ahol a minta megfelelően finomszemcsés (nanoszemcsék, nanocsövek), ekkor elég egy szénhártyával fedett rostélyra helyezni, vagy hasonlóra (2. ábra).

Szimulációs program (JEMS):
A nagyfelbontású elektronmikroszkópos képek szimulációjához a JEMS szimulációs programot használjuk. A szimuláció elkezdése előtt fontos, hogy legyen egy előzetes elképzelésünk, egy modellünk az anyag szerkezetére nézve, mert ha ez megvan, akkor ennek alapján már felépíthetjük a virtuális mintánkat. Legegyszerűbb esetben ismétlődő cellákból dolgozhatunk. Ha az anyagban nem kell feltételezni rácshibákat, akkor elég ezt az ún. elemi cellát elkészíteni, azaz megadni a programon belül a rácspontokat, illetve az azokban elhelyezkedő atomok fajtáit. Bonyolultabb esetekben minden egyes atomi pozíciót külön nekünk kell megadni, és ehhez külön programot kell írni. A szimulációk segítségével aztán jobban megérthetjük az elektronmikroszkóppal készített képeket (hogy melyik részletnek mi lehet az oka, jelentése), ami által részletesebb betekintést nyerhetünk a minket körülvevő anyagok világába.

3. ábra. A JEMS programmal készített 3-dimenziós atomi modell.

FELADAT: A téma keretében a diák kutató megismerheti egy minta elektronmikroszkópos vizsgálatát az elejétől a végéig (mintakészítéstől az elkészült képek kiértékeléséig). A JEMS szimulációs programmal modellezheti is a vizsgált anyagot és a modell alapján elkészítheti annak szimulált nagyfelbontású elektronmikroszkópos és diffrakciós képet. ÉRDEMES ÁTNÉZNI: A középiskolás geometriai és fizikából az optikai ismereteket, valamint nem árt jóban lenni a számítógéppel. TERVEZETT PROGRAM: 1. kristályszerkezetek és egyes rácshibák elméleti megismerése 2. elméleti és gyakorlati ismerkedés az elektronmikroszkóppal 3. képek kiértékelése és szimulációk készítése 4. a tanultak összefoglalása, prezentáció összeállítása