Kính hiển vi điện tử quét truyền qua (Transmission Electron Microscopy – TEM)

Kính hiển vi điện tử quét truyền qua (TEM) là một kỹ thuật hiển vi sử dụng chùm electron năng lượng cao truyền qua mẫu vật mỏng để tạo ra hình ảnh. Hình ảnh được hình thành từ sự tương tác giữa electron và mẫu vật, cho phép quan sát các chi tiết ở mức độ nguyên tử. TEM cung cấp độ phóng đại và độ phân giải vượt trội so với kính hiển vi quang học, cho phép nghiên cứu cấu trúc bên trong, hình thái, thành phần và tinh thể học của vật liệu.

Nguyên lý hoạt động

TEM hoạt động dựa trên nguyên lý tương tác giữa chùm electron và mẫu vật. Quá trình này bao gồm các bước sau:

Nguồn electron: Một súng phóng electron tạo ra chùm electron. Các electron được gia tốc bởi điện áp cao, thường từ 60 kV đến 300 kV, tạo ra một chùm electron có bước sóng rất ngắn. Bước sóng $\lambda$ của electron được tính theo công thức de Broglie:

$\lambda = \frac{h}{p} = \frac{h}{\sqrt{2m_e E}}$

Trong đó:
* $h$ là hằng số Planck.
* $p$ là động lượng của electron.
* $m_e$ là khối lượng của electron.
* $E$ là năng lượng của electron.
Bước sóng ngắn của electron cho phép TEM đạt được độ phân giải cao hơn nhiều so với kính hiển vi quang học, vốn bị giới hạn bởi bước sóng của ánh sáng khả kiến.

Thấu kính điện từ: Hệ thống thấu kính điện từ được sử dụng để hội tụ và điều khiển chùm electron, tương tự như cách thấu kính quang học hoạt động với ánh sáng. Các thấu kính này sử dụng từ trường để bẻ cong đường đi của electron.
Tương tác với mẫu vật: Khi chùm electron truyền qua mẫu vật, một số electron bị tán xạ hoặc hấp thụ bởi các nguyên tử trong mẫu. Mức độ tán xạ phụ thuộc vào mật độ và độ dày của mẫu vật. Sự tương tác này tạo ra các tín hiệu khác nhau như tán xạ đàn hồi, tán xạ không đàn hồi, và hấp thụ electron, mang thông tin về cấu trúc và thành phần của mẫu.
Hình ảnh: Các electron truyền qua mẫu vật được hội tụ bởi thấu kính điện từ để tạo thành hình ảnh trên màn huỳnh quang hoặc được ghi lại bằng máy ảnh kỹ thuật số. Các vùng tối trên hình ảnh tương ứng với vùng mẫu vật dày đặc hoặc tán xạ mạnh, trong khi các vùng sáng tương ứng với vùng mẫu vật mỏng hơn hoặc tán xạ yếu. Phân tích hình ảnh TEM cho phép nghiên cứu cấu trúc tinh thể, khuyết tật, hình thái và thành phần nguyên tố của mẫu vật.

Ứng dụng

TEM được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm:

Khoa học vật liệu: Nghiên cứu cấu trúc vi mô của vật liệu, khuyết tật tinh thể, kích thước và hình dạng hạt nano, phân tích pha và cấu trúc tinh thể.
Sinh học: Quan sát cấu trúc tế bào, vi khuẩn, virus và các đại phân tử sinh học, nghiên cứu tương tác giữa các thành phần tế bào.
Y học: Chẩn đoán bệnh, nghiên cứu mô bệnh học, phân tích virus và vi khuẩn gây bệnh.
Bán dẫn: Kiểm tra chất lượng và phân tích lỗi trong sản xuất chip, nghiên cứu cấu trúc vi mô của vật liệu bán dẫn.
Khoa học pháp y: Phân tích dấu vết và bằng chứng, xác định thành phần và cấu trúc của vật liệu.
Công nghệ nano: Nghiên cứu và phát triển vật liệu nano, phân tích cấu trúc và tính chất của vật liệu nano.

Ưu điểm

Độ phân giải cao: Cho phép quan sát chi tiết ở mức độ nguyên tử, cung cấp thông tin chi tiết về cấu trúc vật liệu.
Thông tin cấu trúc bên trong: Khả năng quan sát cấu trúc bên trong của vật liệu, không chỉ bề mặt.
Kết hợp với các kỹ thuật phân tích khác: Có thể kết hợp với các kỹ thuật phân tích khác như EDS (Energy-dispersive X-ray spectroscopy) hoặc EELS (Electron energy loss spectroscopy) để xác định thành phần nguyên tố và trạng thái hóa học của mẫu.

Nhược điểm

Mẫu vật mỏng: Mẫu vật phải mỏng để electron có thể truyền qua, việc chuẩn bị mẫu có thể phức tạp và tốn thời gian.
Chuẩn bị mẫu phức tạp: Quá trình chuẩn bị mẫu có thể phức tạp, đòi hỏi kỹ thuật cao và có thể làm thay đổi cấu trúc của một số loại mẫu.
Thiết bị đắt tiền và vận hành chuyên môn cao: Thiết bị TEM đắt tiền và yêu cầu kỹ thuật vận hành chuyên môn cao.
Môi trường chân không cao: Môi trường chân không cao cần thiết cho hoạt động của TEM có thể ảnh hưởng đến một số loại mẫu, đặc biệt là các mẫu sinh học.

Các chế độ hoạt động của TEM

Ngoài chế độ tạo ảnh sáng trường (bright-field imaging) được mô tả ở phần trước, TEM còn có các chế độ hoạt động khác, bao gồm:

Tạo ảnh trường tối (Dark-field imaging): Chùm electron tán xạ bởi mẫu vật được sử dụng để tạo hình ảnh. Vùng tán xạ mạnh sẽ sáng, trong khi vùng tán xạ yếu sẽ tối. Chế độ này hữu ích để quan sát các hạt nano, khuyết tật và các cấu trúc nhỏ khác.
Nhiễu xạ electron (Electron diffraction): Chùm electron tương tác với cấu trúc tinh thể của mẫu vật tạo ra các mẫu nhiễu xạ. Phân tích các mẫu nhiễu xạ này cung cấp thông tin về cấu trúc tinh thể, định hướng và các khuyết tật trong mạng tinh thể.
Quang phổ tán xạ năng lượng tia X (Energy-dispersive X-ray spectroscopy – EDS) hoặc Quang phổ tán xạ bước sóng tia X (Wavelength dispersive X-ray spectroscopy – WDS): Khi chùm electron tương tác với mẫu, nó có thể kích thích các nguyên tử trong mẫu phát ra tia X. Phân tích phổ năng lượng hoặc bước sóng của tia X này cho phép xác định thành phần nguyên tố của mẫu vật.
Quang phổ mất năng lượng electron (Electron energy-loss spectroscopy – EELS): Đo lượng năng lượng bị mất bởi electron khi chúng truyền qua mẫu vật. Thông tin này có thể được sử dụng để xác định thành phần nguyên tố, trạng thái hóa trị và cấu trúc điện tử của mẫu vật.

Chuẩn bị mẫu

Chuẩn bị mẫu là một bước quan trọng trong TEM. Mẫu vật phải đủ mỏng để electron có thể truyền qua, thường có độ dày từ vài nanomet đến vài trăm nanomet. Một số kỹ thuật chuẩn bị mẫu phổ biến bao gồm:

Cắt mỏng cơ học: Mẫu được cắt mỏng bằng microtome hoặc các phương pháp cơ học khác.
Mài mòn ion: Dùng chùm ion để làm mỏng mẫu, thường được sử dụng để chuẩn bị mẫu cho TEM độ phân giải cao.
Phún xạ: Phủ một lớp mỏng vật liệu lên lưới đỡ.
Cắt lát bằng ultramicrotome: Sử dụng cho mẫu sinh học, cho phép cắt lát rất mỏng.
Electro-polishing: Sử dụng cho mẫu kim loại, làm mỏng mẫu bằng phương pháp điện hóa.

So sánh TEM và SEM (Scanning Electron Microscopy – Kính hiển vi điện tử quét)

Đặc điểm	TEM	SEM
Chùm electron	Truyền qua mẫu	Quét bề mặt mẫu
Hình ảnh	Cấu trúc bên trong	Hình thái bề mặt
Độ phân giải	Cao hơn	Thấp hơn
Độ phóng đại	Cao hơn	Thấp hơn
Chuẩn bị mẫu	Phức tạp hơn	Đơn giản hơn
Thông tin	Cấu trúc, thành phần nguyên tố, trạng thái hóa trị	Hình thái bề mặt, thành phần nguyên tố

Những tiến bộ gần đây trong TEM

TEM hiệu chỉnh quang sai (Aberration-corrected TEM): Giảm thiểu quang sai của thấu kính điện từ, cải thiện đáng kể độ phân giải, cho phép quan sát cấu trúc ở mức độ nguyên tử.
Cryo-TEM: Cho phép quan sát mẫu vật sinh học ở trạng thái đông lạnh, bảo tồn cấu trúc tự nhiên của chúng.
TEM quét (Scanning TEM – STEM): Kết hợp các tính năng của TEM và SEM, cho phép tạo ảnh có độ phân giải cao và phân tích thành phần nguyên tố đồng thời. STEM cũng cho phép thu thập tín hiệu tán xạ ở góc cao, cung cấp thông tin về cấu trúc tinh thể và thành phần nguyên tố.

Tóm tắt về Kính hiển vi điện tử quét truyền qua

TEM là một kỹ thuật hiển vi mạnh mẽ cho phép quan sát các chi tiết ở mức độ nguyên tử. Nguyên lý hoạt động của TEM dựa trên việc sử dụng chùm electron năng lượng cao truyền qua mẫu vật mỏng. Sự tương tác giữa electron và mẫu vật tạo ra hình ảnh cho phép nghiên cứu cấu trúc bên trong, hình thái, thành phần và tinh thể học của vật liệu. Độ phân giải cao của TEM, vượt trội so với kính hiển vi quang học, bắt nguồn từ bước sóng rất ngắn của electron được gia tốc. Bước sóng này $ \lambda $ được tính theo công thức de Broglie: $ \lambda = \frac{h}{p} $, trong đó $ h $ là hằng số Planck và $ p $ là động lượng của electron.

Có nhiều chế độ hoạt động khác nhau của TEM, bao gồm tạo ảnh sáng trường, tạo ảnh trường tối, nhiễu xạ electron, và các kỹ thuật phân tích như EDS và EELS. Mỗi chế độ cung cấp thông tin khác nhau về mẫu vật. Ví dụ, nhiễu xạ electron cung cấp thông tin về cấu trúc tinh thể, trong khi EDS và EELS cho phép xác định thành phần nguyên tố và cấu trúc điện tử. Việc lựa chọn chế độ hoạt động phù hợp phụ thuộc vào mục đích nghiên cứu.

Chuẩn bị mẫu là một bước cực kỳ quan trọng trong TEM. Mẫu vật phải đủ mỏng để electron có thể truyền qua. Có nhiều kỹ thuật chuẩn bị mẫu khác nhau, và việc lựa chọn kỹ thuật phù hợp phụ thuộc vào loại mẫu và mục đích nghiên cứu. Một mẫu được chuẩn bị không đúng cách có thể dẫn đến hình ảnh kém chất lượng hoặc kết quả sai lệch.

So với SEM, TEM cung cấp độ phân giải và độ phóng đại cao hơn, cho phép quan sát cấu trúc bên trong của vật liệu. Tuy nhiên, TEM yêu cầu quá trình chuẩn bị mẫu phức tạp hơn và thiết bị đắt tiền hơn so với SEM. Việc lựa chọn giữa TEM và SEM phụ thuộc vào thông tin cần thu thập và nguồn lực sẵn có. Sự phát triển liên tục của các kỹ thuật TEM, như TEM hiệu chỉnh quang sai và Cryo-TEM, đang mở ra những khả năng mới cho việc nghiên cứu vật liệu và các hệ thống sinh học.

Tài liệu tham khảo:

Williams, D. B., & Carter, C. B. (2009). Transmission electron microscopy: A textbook for materials science. Springer.
Fultz, B., & Howe, J. M. (2013). Transmission electron microscopy and diffractometry of materials. Springer.
Reimer, L. (1997). Transmission electron microscopy: Physics of image formation and microanalysis. Springer.

Câu hỏi và Giải đáp

Sự khác biệt chính giữa TEM và SEM là gì, và khi nào nên sử dụng từng loại kính hiển vi?

Trả lời: Sự khác biệt chính nằm ở cách chùm electron tương tác với mẫu vật. TEM sử dụng chùm electron truyền qua mẫu mỏng, cho phép quan sát cấu trúc bên trong vật liệu ở độ phân giải cao. SEM sử dụng chùm electron quét bề mặt mẫu, cung cấp thông tin về hình thái và thành phần bề mặt. Nên sử dụng TEM khi cần nghiên cứu cấu trúc bên trong vật liệu ở độ phân giải cao (ví dụ: khuyết tật tinh thể, cấu trúc nguyên tử), trong khi SEM phù hợp để nghiên cứu hình thái bề mặt và phân tích thành phần bề mặt.

Quang sai trong TEM là gì và làm thế nào để giảm thiểu ảnh hưởng của nó?

Trả lời: Quang sai là những khuyết tật của thấu kính điện từ làm biến dạng hình ảnh và giảm độ phân giải. Các loại quang sai phổ biến bao gồm quang sai cầu, quang sai sắc và loạn thị. TEM hiệu chỉnh quang sai (Aberration-corrected TEM) sử dụng các bộ hiệu chỉnh đa cực để bù trừ quang sai, cải thiện đáng kể độ phân giải và chất lượng hình ảnh.

Tại sao việc chuẩn bị mẫu lại quan trọng đối với TEM và một số kỹ thuật chuẩn bị mẫu phổ biến là gì?

Trả lời: Vì TEM sử dụng chùm electron truyền qua mẫu, nên mẫu vật phải đủ mỏng (thường dưới 100nm) để electron có thể xuyên qua. Mẫu dày sẽ làm tán xạ electron mạnh, dẫn đến hình ảnh kém chất lượng. Một số kỹ thuật chuẩn bị mẫu phổ biến bao gồm: cắt mỏng cơ học, mài mòn ion, phún xạ, và cắt lát ultramicrotome (cho mẫu sinh học). Lựa chọn kỹ thuật phù hợp phụ thuộc vào loại mẫu và mục đích nghiên cứu.

EELS cung cấp thông tin gì về mẫu vật và nó khác với EDS như thế nào?

Trả lời: EELS (Electron energy-loss spectroscopy) đo lượng năng lượng bị mất bởi electron khi chúng truyền qua mẫu vật. Thông tin này có thể được sử dụng để xác định thành phần nguyên tố, trạng thái hóa trị, cấu trúc điện tử và độ dày của mẫu. Khác với EDS (Energy-dispersive X-ray spectroscopy) phân tích tia X phát ra từ mẫu, EELS phân tích năng lượng bị mất của electron. EELS thường nhạy hơn với các nguyên tố nhẹ hơn so với EDS.

Cryo-TEM có ứng dụng gì trong nghiên cứu sinh học?

Trả lời: Cryo-TEM cho phép quan sát các mẫu sinh học (ví dụ: protein, virus) ở trạng thái đông lạnh gần như tức thời, bảo tồn cấu trúc tự nhiên của chúng trong môi trường dung dịch nước. Kỹ thuật này rất hữu ích để nghiên cứu cấu trúc 3D của các đại phân tử sinh học ở độ phân giải cao mà không cần sử dụng các phương pháp nhuộm màu có thể làm biến dạng mẫu. Cryo-TEM đã đóng góp đáng kể vào sự hiểu biết của chúng ta về các quá trình sinh học ở cấp độ phân tử.

Một số điều thú vị về Kính hiển vi điện tử quét truyền qua

Hình ảnh đầu tiên: Hình ảnh TEM đầu tiên được chụp vào năm 1931 bởi Ernst Ruska và Max Knoll, hai nhà khoa học người Đức, chỉ vài năm sau khi phát minh ra kính hiển vi điện tử. Hình ảnh này là của một lưới kim loại, cho thấy khả năng phóng đại của kỹ thuật mới này.
Độ phóng đại đáng kinh ngạc: TEM hiện đại có thể đạt độ phóng đại lên đến hơn một triệu lần, cho phép chúng ta nhìn thấy các nguyên tử riêng lẻ. Để hình dung, điều này tương tự như việc phóng to một quả bóng tennis lên kích thước của Trái Đất.
Giải Nobel: Ernst Ruska đã được trao giải Nobel Vật lý năm 1986 cho công trình phát minh ra kính hiển vi điện tử và phát triển TEM. Điều thú vị là ông đã phải chờ hơn 50 năm sau phát minh của mình để nhận được sự công nhận này.
Cryo-TEM cách mạng hóa sinh học cấu trúc: Kỹ thuật Cryo-TEM, cho phép quan sát các mẫu sinh học ở trạng thái đông lạnh gần như tức thời, đã cách mạng hóa lĩnh vực sinh học cấu trúc. Nó cho phép các nhà khoa học nghiên cứu các cấu trúc phức tạp như protein và virus ở trạng thái gần với tự nhiên nhất, mà không cần sử dụng các phương pháp nhuộm màu có thể làm biến dạng mẫu.
TEM giúp khám phá vật liệu mới: TEM đóng vai trò quan trọng trong việc khám phá và phát triển các vật liệu mới, bao gồm cả vật liệu nano. Bằng cách quan sát cấu trúc nguyên tử của vật liệu, các nhà khoa học có thể hiểu rõ hơn về tính chất của chúng và thiết kế vật liệu mới với các tính năng mong muốn.
TEM không chỉ nhìn thấy vật chất, mà còn thấy cả từ trường: Một số kỹ thuật TEM chuyên dụng cho phép quan sát từ trường ở mức độ nano. Điều này rất hữu ích trong việc nghiên cứu các vật liệu từ tính và thiết bị lưu trữ dữ liệu.
TEM đòi hỏi môi trường làm việc đặc biệt: Do chùm electron dễ dàng bị tán xạ bởi các phân tử khí, TEM phải hoạt động trong môi trường chân không cao. Điều này đòi hỏi thiết kế và vận hành phức tạp hơn so với kính hiển vi quang học.