מבוא ל- Transmission Electron Microscopy ב- Polymer Science

פולימרים הם חומרים מודרניים, החל ממוצרי פלסטיק לרי הנדסה ביצועים גבוהים ומערכות ביודידה. התכונות המקרוסקופיות של חומרים אלה - כוח מכני, התנגדות תרמית, בהירות אופטית, וכושר רב-עוצמה - נשלטים ביסודן על ידי המיקרו-מבנה שלהם בקנה מידה nanometer.

Transmission Electron Microscopy (TEM) התפתחה כטכניקה בולטת עבור הדמיה ישירה של מיקרו-מבנה פולימרי.בניגוד לסרוק מיקרוסקופית אלקטרונים (SEM), אשר חוקרת טופוגרפיה, TEM מעבירה קרן ממוקדת של אלקטרונים באמצעות דגימה אולטרה-ממדית (בדרך כלל <100 nm עבה) כדי ליצור תמונות שחשפו מבנים פנימיים.

מימון של Transmission Electron Microscopy עבור Polymers

אינטראקציות אלקטרון-חומר ב- Polymer Specimens

הניגוד בתמונות TEM נובע מריאציות באלקטרון מפוזרות על פני הדגימה. Polymers מורכבים בעיקר מרכיבים קלים (פחמן, מימן, חמצן, חנקן) עם מספרים אטומיים נמוכים (Z) כתוצאה מכך, הם מתפזרים אלקטרונים באופן חלש בהשוואה למתכות או קרמיקה, וכתוצאה מכך ניגודיות נמוכה לחלוטין.הפיזור מחזור צלב תלוי בצפיפות מקומית והרכב: אזורים גבישיים יותר מופיעים יותר באלקטרומגנטיים באזורים בהירים יותר, בעודם, מופיעים באזורים בהירים יותר, כמו גם באזורים בהירים יותר, בעודם, כמו גם באזורים בהירים יותר, בעודם, כמו גם ניגודים.

כדי לשפר את הניגודיות, כתמים מתכת כבדים (למשל, אווסיום tetroxide, ruthenium tetroxide, uranyl acetate, או חומצה זרפוגנטית) מוצגים לעתים קרובות. כתמים אלה מעדיפים באופן מועדף קבוצות פונקציונליות מסוימות או שלבים - לדוגמה, osmium teoxides להגיב עם אג"מים לא רוויים, 000 פיזור גומי ספקטרום (למשל, ספקטרום) ספקטרום אופטיקה אופטיקה ספקטרום אלקטרוני) ספקטרום (D) ספקטרום אופטימפוסדי) ספקטרום אופטימפוסדימיים) ספקטרום ספקטרום ספקטרום אופטימפוסדימיים ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

מצבי אי-השמדה ו Imaging Modes

TEM מודרני (למשל, Thermo Fisher Spectra, JEOL JEM-ARM200F, או Hitachi HF-3300) פועל במתחים מצטברים מ 80 עד 300 kV מתחים גבוהים יותר לשפר את חדירת החדירה אך עלייה בדלקת האשם - פגיעה קריטית בסחר עבור פולימרים, אשר מקטין את רמות הדמיה אינטנסיביות של אלקטרון.

  • (FLT:0)bright-Field (BF) TEMOVA:FLT:1 Scattered אלקטרונים נשללים על ידי צמצם אובייקטיבי; אלקטרונים לא מכווצים יוצרים תמונה בהירה. Dense או אזורי גביש מופיעים כהים.
  • (FLT:0) Dark-Field (DF) TEMOVA:FLT:1 רק אלקטרונים מפוזרים נאספים, שיפור הניגודים ממטוסים מסוימים או אטומים כבדים.
  • (FLT:0) High-Resolution TEM (HRTEM): הדמיה שלב-contrast באמצעות קצבה אובייקטיבית המאפשרת התערבות בין דבורים המועברות ומפוצרות, פתרון שולי מילימטר ועמודות אטומיות באזורי גביש.
  • (FLT:0) scanning TEM (STEM): ההרחבה 1 (Acron-Rasters) A ממוקדת של בדיקות אלקטרונים על פני הדגימה; תמונות נוצרו באמצעות גלאי לאלקטרונים המועברים (BF-STEM, HAADF-STEM) , ארקנטרל גבוה ארקנרטרנטי כהה שדה כהה (HAADF) STEM) מספק תמונות רגישות למספר אטומי.
  • (FLT:0) ,Electron Diffraction:FLT:1 שטח נבחר של אלקטרונים diffraction (SAED) וננובאם אלקטרונים diffraction (NBED) חושפים גבישיות, אוריינטציה ופרמטרים לנטייה.

המונחים: Polymer TEM

הכנה של הדגימה באיכות גבוהה היא ככל הנראה הצעד הקריטי ביותר בפולימר פולימר TEM.הדגימה חייבת להיות אלקטרון- ⁇ (<100 nm עבה), ללא חפצים (למשל, סימני סכין, דחיסה, זיהום), ונציג של המיקרו-מבנה הגדול.

Ultramicrotomy

Ultramicrotomy נשאר טכניקת העבודה עבור פולימרים רכים ומורכבים. סכין יהלום (בדרך כלל 35 מעלות או 45 מעלות כלולים זו זווית) פרוסת דגימה קפואה מוטבעת בחדר או טמפרטורה נמוכה (< -120 מעלות צלזיוס) Cryo-ultramicrotomy חיוני עבור מחסנים ופולימרים דחיסות למחצה כדי למנוע smming או התכה של קטעי פחמן ניתן לאסוף על גבי מתכת.

Ion Beam (FIB) Milling

מכשירי FIB (למשל, FEI Helios G4 UX) משתמשים בדבורה ממוקדת של אגדות גליום לאזורים ספציפיים של אתר מגודל חומרים.שיטה זו חיונית עבור פולימרים קשים, סרטים רב-שכבתיים, ונייר חוצה חלקים.הדגם הוא קודם כל עם שכבת מתכת מגן (למשל, זהב או פלטינה) כדי להפחית את הנזק.

טכניקות הכנה אחרות

  • (ב) [15] ⁇ ⁇ : ⁇ : ⁇ : ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (FLT:0) טכניקות רבקה:FLT:1hil טופוגרפיה על פני השטח משוכפל באמצעות סרט פחמן צלל כבד, ואז הפולימרים מומסים.
  • (FLT:0)Plasma Polishing:FLT:1ir אנרגיה נמוכה או פלזמה חמצן יכול להסיר נזק פני השטח מ ion ion או microtomy, שיפור איכות התמונה.

לכל שיטה יש כוחות ומגבלות. Ultramicrotomy הוא מהיר יותר ומייצר אזורים גדולים, אבל זה נאבק עם פולימרים קשים מאוד או מלוחים.FIB מציע מפרט אתר גבוה אבל סיכונים ion ion ו amorphization. שילוב של טכניקות - למשל, מיקרוטומי ואחריו עדין פיבייטץ - לעתים קרובות מניב תוצאות אופטימליות.

שיטות מתקדמות של ניתוח Microstructural Polymer

מעבר הדמיה בסיסית, חבילה של שיטות מתקדמות TEM מספקת מידע כמותי וכימיקלי קריטי להבנת מערכות יחסים פרוספקטיביות במבנה בפולימרים.

אלקטרון דיפרקציה לניתוח קריסטלוגרפיה

תבניות שטח נבחרים של אלקטרונים diffraction (SAED) מ גבישים פולימרים מראים כתמים חדים או טבעות, שממנו lattice ספאcings וסימטריה ניתן לקבוע.לדוגמה, polyethylene Orthorhombic Unit פרמטרים תאים (a=7.40 ⁇ , b=4.93 ⁇ , c=2.54 ⁇ ) הם קבועים.

High-Resolution TEM (HRTEM) של קריסטלים פולימר

HRTEM יכול לצלם ישירות את מטוסי הנקה ב גבישי פולימרים, בתנאי שהדגימה היא די דקה (מספיקה די דקה)

נספח X-ray Spectroscopy (EDX) ו-EELS

EDX מזהה פתרון X-rays אופייני שנפלט כאשר אלקטרונים erradiation ejects אלקטרונים פנימיים-shell אלקטרונים. in פולימר nanocomposites, EDX ממפה את ההפצה של אלמנטים ממלאים (למשל, Si in silica, Ti in titania, Al in titania לכידת CLS) לדוגמה, בפולימיד 6 /מורידיוט nanocomposites, XS EDX מראה מיפוי יעיל של מידע מ-S רזולוציה אופטיקה (D) באמצעות ספקטרום אופטימדומים (D).

Tomography for Three-Dimensional Micro Structure

טומוגרפיה אלקטרון הפכה את האופי של מורולוגיות פולימר מורכבות.על ידי רכישת סדרת הטיה של תמונות (בדרך כלל ±70 מעלות), שחזור חישובי מניב נפח 3D עם פתרון מוגבל על ידי הטיה increment ודגימה. in block copolymers, HAADF-STEM tomography חושפת את הרשת תלת-ממדית של שלב המיעוט (ggic, gragic) עם פיזור חומרים כימיים, דחיסות, דחיסות (L) או סגסוגת של סגסוגת) סגסוגת (D) סגסוגת סגסוגת של סגסוגת אלגוריתמית (D) סגסוגת סגסוגת סגסוגת סגסוגת סגסוגת סגסוגת ⁇ .

In-Situ TEM: צפייה בפולימרים בתגובה Stimuli

In-situ TEM התפתחה כגישה טרנספורמטיבית, המאפשרת התבוננות בזמן אמת של התפתחות מיקרו-אורלית תחת גירויים חיצוניים.בעלי התמחות מציגים חום (עד 1000 מעלות צלזיוס), זנים מכניים (tensile או דחוס), הטיה חשמלית, או סביבות גז.במחקר פולימרי, ב-Situating מחמם את TEM Tracks, מתמס, ו-Retrastaletiums, לדוגמה, בדיקות אלקטרו-אווירהמות של אלקטרו-חמצני.

תוצאות חיפוש: Case Studies in Polymer Micro Structure

Semicrystalline Polymers: Polyethylene ופוליפרופילן

Polyethylene (PE) ופוליפרופילן (iPP) הם מודלים פולימרים סמיקלקטיים. TEM מחקרים של גבישים בודדים מפוזרים פתרון הקימו את מודל lamellar כפול שרשרת. Ultramicrotomed של רוב גלקסיות PESateline lamellae ו amorphous interlayers (מולקולות אלקטרון אלקטרון) מאשר אוריינטציות וצורות עבודה SADIS-Hicide, IPOD-R.

בלוק קופואלימר ו- Self-Assembled Nanostructures

בלוק copolymers (למשל, polystyrene-b-polyisoprePIne, PS-b-PI) self-a להרכיב nanostructures הורה כגון תחומים, גלילים, גריגואידים, וlamellae עם ספאם שטח של 10-100 nm. TEM עם כתמים נבחרים (OsO4 עבור , RUSL) עבור PTOLIVEL ניגודיות ניגודיות מפונקציה בין מפונקציה חמורה , הוא סימטרית של PTD.

Polymer Nanocomposites: Dispersion and Interfacial Effects

בפולימר nanocomposites, הפיזור וההפצה של ננופלרים (clay, פחמן nanotubes, גרפן, סיליקה) לקבוע חיזוק מכני ותכונות מחסום. TEM הוא הכלי העיקרי עבור התפלגות ממילוי קוונטית. לדוגמה, בפולי(ויניל אלכוהול) / תחמוצת הפחמן graphene דחיסות, HEM מראה שכבות גרפן חלקית עטוף על ידי הפוליד FAD-F-F-F-F-F-F-F-F-משלב את הפחתת החמצן בממשק המשולב של גרף.

פולימרים ואלקטרוניקה אורגנית

פולימרים מוליכים, כגון פולי(3-hexylthiophene) (P3HT) ופולינילין (PANI), להציג יעילות סמיקלסטלית או ממורולוגיות המצטברות השולטות בתחבורה אחראית. High-resolution TEM מזהה ⁇ - ⁇ ערימה של מרחקים ב- P3HT ננופיברים (3.8 ⁇ ⁇ ) את מידת הג'סטיאלטי וכיוון של הדבקה של אלקטרו-מפוספסיביות (D) עם תמונות משולבות).

מגבלות ואתגרים של Polymer TEM

למרות כוחו, פולימר TEM עומד כמה מגבלות אינטרימיות.היתר הוא נזק קרן: אלקטרונים עם אנרגיות >80 keV לשבור אג"ח קוהרנטי, רשתות בין-קישורים, וגורמים לאובדן המוני.טכניקות נמוכות-דוז (באמצעות פחות מ -10 נקודות מבט אלקטרוניות) ואלקטרוניות ישירות להפחית את הנזק אך להפחית את האות-ל-לנוסקופיה בטמפרטורה של חנקן (xic) במולקולות קטנות יותר.

שיטות עתידיות וטכנולוגיות מתפתחות

העשור הבא יראה המשך החדשנות בפולימרטי TEM. Direct אלקטרונים עם שיעורי מסגרת גבוהה ויעילות פולית קוונטית יאפשרו מיצוי המינון ותיקון ה- tropy-damage הדמיה (למשל, שלב וולטה) משפר את הניגודים ללא כתמים, פתח את הדלת להתבוננות בפולימרים לא מזוהים.

מסקנה

Transmission Electron Microscopy נשאר טכניקה הכרחית עבור האופי המתקדם של מיקרון פולימר.מהדמיה ישירה של מטוס קרייש ליטיצ'ה לשחזר תלת-ממדי של מורולוגיות מורכבות, TEM מספק את ההחלטה nanoscale הדרושים כדי לחבר סינתזה פולימרית עיבוד לנכסים חומריים סופיים.המשך התקדמות במכשור, דגימות, ו- in-itus Promise להרחיב את התפקיד של מהנדסיפולימרים אלה, חומרים אופטיים, חומרים אופטיים, חומרים אופטיים, חומרים מתקדמים.

לקריאה נוספת, ייעוץ מקורות סמכותיים כגון: FLT:0in-itu TEM מחקרים על התגבשות פולימריות בטבע דוחות מדעיים: FLT:2review על מיקרוסקופ אלקטרוני של בלוק copolymers ב MacroleculesFLT 3: ו-FLT:4JOL יישומים על פי גירסאות פולימר:5 LT5: