TEM-EELS เป็นเครื่องมือที่ยอดเยี่ยมสำหรับการดูอะตอม TEM-EELS แบ่งออกเป็นสองอุปกรณ์คือ TEM และ EELS มาเรียนรู้เกี่ยวกับหลักการแต่ละข้อกัน


ทุกวันนี้เรายอมรับว่าสสารทุกชนิดประกอบด้วยอะตอม แต่เมื่อ 150 ปีที่แล้ว ผู้คนยังสงสัยว่าอะตอมมีอยู่จริงหรือไม่ ในความเป็นจริง หลักฐานทางอ้อมเกี่ยวกับการมีอยู่ของอะตอมได้สะสมไว้เป็นจำนวนมากในเวลานั้น อย่างไรก็ตาม เหตุผลที่นักวิทยาศาสตร์ไม่สามารถละทิ้งความสงสัยได้เพียงเพราะพวกเขาไม่เคยเห็นอะตอมมาก่อน สิ่งเล็กๆ น้อยๆ ที่นักวิทยาศาสตร์มองเห็นด้วยแว่นขยายในขณะนั้นคือแบคทีเรีย แต่หากต้องการดูอะตอม คุณต้องขยายให้มากกว่านี้หลายแสนเท่า โดยธรรมชาติแล้วนักวิทยาศาสตร์ไม่สามารถยอมรับการมีอยู่ของสสารขนาดเล็กที่ไร้สาระเช่นนี้ได้อย่างง่ายดาย และเขาต้องการยืนยันการมีอยู่ของอะตอมด้วยตาของเขาเอง

แล้วอะไรคือปัจจัยชี้ขาดที่ทำให้นักวิทยาศาสตร์ยืนยันการมีอยู่ของอะตอม? แว่นขยายที่ได้รับการปรับปรุงซึ่งแสดงให้เห็นโดยตรงถึงการมีอยู่ของอะตอมคือ EM (กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน) EM สามารถแบ่งได้หลายประเภทขึ้นอยู่กับกลไกการทำงานของมัน ในบรรดาสิ่งเหล่านั้น สิ่งที่ดึงดูดความสนใจเนื่องจากมีความละเอียดสูงสุดคือ TEM-EELS (กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่าน-สเปกโทรสโกปีการสูญเสียพลังงานของอิเล็กตรอน) ตามชื่อ TEM-EELS แบ่งออกเป็นสองอุปกรณ์ ได้แก่ TEM และ EELS

TEM เป็นอุปกรณ์ที่ฉายอิเล็กตรอนไปยังวัตถุเพื่อวิเคราะห์ แล้ววิเคราะห์วิถีโคจรของอิเล็กตรอนที่หักเห อะตอมที่ประกอบเป็นวัตถุจะถูกแบ่งออกเป็นนิวเคลียสที่มีประจุบวกและอิเล็กตรอนที่มีประจุลบ ดังนั้น เมื่ออิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาจากอุปกรณ์ TEM ผ่านเข้าไปภายในวัตถุ พวกมันจะได้รับแรงดึงดูดจากนิวเคลียสของอะตอมและแรงผลักจากอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสของอะตอม ถ้าอิเล็กตรอนเคลื่อนผ่านใกล้นิวเคลียสของอะตอม วิถีโคจรของอิเล็กตรอนจะหักเหด้วยแรงดึงดูดของนิวเคลียร์ การโก่งตัวของอิเล็กตรอนนี้เรียกว่าการกระเจิงแบบยืดหยุ่น ในทางกลับกัน อิเล็กตรอนที่ฉายภาพอาจถูกอิเล็กตรอนตัวอื่นที่อยู่รอบนิวเคลียสเบี่ยงเบนไปจากระยะห่างจากนิวเคลียส เนื่องจากอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสของอะตอมมีการแพร่กระจายอย่างกว้างขวางในอวกาศ การโก่งตัวอย่างมีนัยสำคัญจึงเกิดขึ้นเนื่องจากการผลักกันระหว่างอิเล็กตรอนเมื่ออิเล็กตรอนสองตัวเข้ามาใกล้พอที่จะชนกัน เมื่อโปรเจ็กต์อิเล็กตรอนเข้าใกล้อิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสของอะตอมมาก อิเล็กตรอนที่ฉายจะถูกกระเด้งไปในทิศทางอื่นด้วยแรงผลักอันรุนแรง การหักเหของแสงที่เกิดจากกลไกนี้เรียกว่าการกระเจิงแบบไม่ยืดหยุ่น โดยปกติแล้ว ระดับของการโก่งตัวของอิเล็กตรอนเนื่องจากการกระเจิงแบบยืดหยุ่นจะมากกว่าระดับของการกระเจิงแบบไม่ยืดหยุ่น ดังนั้น TEM จึงสามารถดูวิถีโคจรของอิเล็กตรอนหักเหได้ และค้นหาว่ามาจากการกระเจิงแบบยืดหยุ่น (นิวเคลียสของอะตอม) หรือการกระเจิงแบบไม่ยืดหยุ่น (อิเล็กตรอน) TEM จะส่งอิเล็กตรอนซ้ำๆ ในทิศทางและความเร็วเดียวกันไปยังจุดต่างๆ ของวัตถุ และบันทึกตำแหน่งของนิวเคลียสของอะตอมและตำแหน่งของอิเล็กตรอน การรวมข้อมูลเหล่านี้ช่วยให้เราทราบว่าอะตอมถูกจัดเรียงทั่วทั้งวัตถุอย่างไร

อย่างไรก็ตาม มีปัญหาประการหนึ่งกับวิธีการข้างต้น ตัวอย่างเช่น สมมติว่าอิเล็กตรอนถูกฉายภาพโดยใช้ TEM รอบนิวเคลียสของอะตอมที่มีประจุบวกเล็กน้อย เนื่องจากประจุบวกมีขนาดเล็ก แรงดึงดูดระหว่างนิวเคลียสของอะตอมและอิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาจึงลดลง ดังนั้นระดับการเบี่ยงเบนของอิเล็กตรอนก็จะอ่อนลงเช่นกัน เมื่อปรากฏการณ์นี้แย่ลง TEM จะไม่สามารถแยกแยะได้ว่าอิเล็กตรอนที่มีการหักเหอย่างอ่อนนั้นมาจากการกระเจิงแบบยืดหยุ่นหรือการกระเจิงแบบไม่ยืดหยุ่นหรือไม่ ดังนั้น นักวิทยาศาสตร์จึงได้ติดตั้งอุปกรณ์ที่เรียกว่า EELS ให้กับ TEM เพิ่มเติม EELS เป็นอุปกรณ์ที่บันทึกพลังงานของอิเล็กตรอน ในขณะที่ TEM บันทึกวิถีโคจรของอิเล็กตรอนที่ส่งผ่าน ดังที่ได้กล่าวไว้ข้างต้น เมื่ออิเล็กตรอนที่ฉายรังสีประสบกับการกระเจิงแบบยืดหยุ่น ทิศทางของพวกมันก็จะเปลี่ยนไปเนื่องจากแรงดึงดูดของนิวเคลียสของอะตอม อย่างไรก็ตาม เมื่ออิเล็กตรอนประสบกับการกระเจิงที่ไม่ยืดหยุ่น พวกมันจะเข้ามาใกล้พอที่จะชนกับอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสและกระเด็นออกไป ดังนั้นความเร็วของอิเล็กตรอนจึงเพิ่มขึ้นอย่างมาก ดังนั้น แม้ว่าการกระเจิงแบบยืดหยุ่นและการกระเจิงแบบไม่ยืดหยุ่นจะหักเหอิเล็กตรอนที่ฉายออกมาในระดับที่ใกล้เคียงกัน โดยการหาพลังงานของอิเล็กตรอนด้วย EELS ก็เป็นไปได้ที่จะระบุได้ว่าอิเล็กตรอนที่กระเจิงตัวใดถูกหักเหผ่านการกระเจิงครั้งใด ตัวอย่างเช่น หากพบอิเล็กตรอนในวิถีที่แน่นอนด้วยความเร็วหรือพลังงานจลน์มากจนอิเล็กตรอนที่กระเจิงแบบยืดหยุ่นไม่สามารถมีได้ ก็ระบุได้ว่าอิเล็กตรอนตัวนี้หักเหเนื่องจากการกระเจิงแบบไม่ยืดหยุ่น

TEM-EELS ซึ่งทำหน้าที่เป็นแว่นขยายสำหรับนักวิทยาศาสตร์ยุคใหม่ผ่านกลไกข้างต้น ถูกนำมาใช้ตลอดการวิจัย เพื่อเพิ่มคุณสมบัติทางกายภาพและเคมีของอุปกรณ์ที่ใช้ในสังคมยุคใหม่ให้เกิดประโยชน์สูงสุด การทดลองระดับอะตอมจึงมีความจำเป็น ค่อนข้างยุ่งยากและยากที่จะยืนยันการจัดเรียงอะตอมหรือประเภทของวัสดุโดยใช้วิธีทางอ้อมอื่นๆ ที่ไม่มี TEM-EELS ตัวอย่างเช่น กระบวนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ที่จำหน่ายในเกาหลีในปัจจุบันใช้หน่วยระดับ 10 นาโนเมตร และ 10 นาโนเมตรมีอะตอมเพียง 100 อะตอม แม้ว่าจะมีอะตอมเพียงอะตอมเดียวจาก 100 อะตอมที่วางผิดตำแหน่ง เซมิคอนดักเตอร์ก็จะทำงานไม่ถูกต้อง เป็นไปไม่ได้ที่จะยืนยันได้ว่ามีสิ่งผิดปกติเกิดขึ้นกับเซมิคอนดักเตอร์หรือไม่โดยไม่เห็นโครงสร้างอะตอมโดยตรง ความสำคัญของแว่นขยายประสิทธิภาพสูงที่เรียกว่า TEM-EELS ได้รับการเน้นย้ำอีกครั้ง