TEM의 원리와 응용

TEM은 Transmission Electron Microscopy의 약자로 전자선을 사용하여 시료를 투과시킨 전자선을 전자렌즈로 확대하여 관찰하는 전자현미경입니다. 전자선을 사용하기 때문에 진공 환경이 필요합니다.

 

TEM의 작동 원리

전자현미경은 전자총에 의해 형성된 일련의 전자들이 인가된 전기장에 의해 시료를 향해 가속되는 것이 기본 원리입니다. 전자다발이 금속으로 형성된 조리개 (aperture)와 자기장을 이용한 렌즈에 의해 초점으로 모아지고 파장이 일정한 전자빔을 형성합니다. 이 전자빔이 다시 자기장을 이용한 대물렌즈에 의해 시료에 초점을 형성합니다. 전자현미경 중에서 투과 방식을 사용하는 경우 TEM이 되고, 물체 표면의 한 점을 초점으로 고정시켜 주사하는 주사 전자 현미경은 SEM (Scanning electron microscopy) 입니다. TEM의 경우 전자 소스에서 나온 전자는 컬럼을 통과하여 샘플로 향합니다. 샘플은 매우 얇은 두께로 만들게 되는데, 전자 빔은 샘플을 통과하거나 표면에 부딪혀 반사되거나 산란될 수 있습니다. 전자 빔이 샘플을 통과하면서 상호작용하면, 결과적으로 전자 파동이 간섭되고 산란됩니다. 이러한 산란 신호는 렌즈 시스템과 검출기를 통해 수집되게 됩니다. TEM에서는 전자 빔의 특성에 따라 다양한 이미징 모드와 분석 기법을 사용할 수 있습니다.

TEM의 작동 원리는 크게 다음의 세 가지 단계로 나눌 수 있습니다:

• 전자 광원: TEM에서는 Thermionic Electron Source 또는 Field Emission Source을 사용하여 전자를 생성합니다. 열전자 방출원은 필라멘트에 전기를 공급하여 전자를 방출하고, 필드 방출원은 전자를 강한 전기장으로 가속하여 방출합니다.
• 빔 교반: 전자 광학 컬럼은 전자 빔을 조절하고 교반하는 역할을 수행합니다. 전자 빔은 전자 광학 컬럼의 일련의 렌즈 및 조절 장치를 통과하면서 교차된 전기장과 자기장에 의해 형성되는 광학 경로를 따라 진행합니다. 이러한 광학 컬럼은 전자 빔의 초점, 조리개 크기, 방향 등을 조절하여 이미지 품질을 최적화합니다.
• 이미지 형성: 전자 빔이 샘플과 상호작용하면서 다양한 신호가 생성됩니다. 전자 빔은 샘플을 통과하거나 샘플의 표면에서 반사, 산란될 수 있습니다. 이러한 상호작용은 전자 파동의 간섭과 산란을 통해 정보가 포착되고 수집됩니다. 이 신호는 검출기로 전달되어 이미지를 생성합니다.

TEM은 전자 광학 컬럼 내의 렌즈와 조절 장치를 사용하여 전자 빔을 집중하고 형상화합니다. 이미지는 이미지 평면에서 수집되고 검출기로 전송됩니다. 검출된 신호는 전자 빔의 통과, 산란, 반사 등에 따라 다른 형태의 이미지로 표시됩니다. 이러한 이미지는 전자 광학 컬럼의 설정과 검출기의 종류에 따라 전자 밀도, 원자 배열, 결정 구조, 격자 결함 등을 나타낼 수 있습니다.

An example of TEM micrograph [1]

TEM의 응용분야

전자현미경의 TEM은 시료 내부의 결정 구조를 관찰하고, 분석하는데 사용됩니다. TEM은 전자파가 시료를 통과하면서 시료 내부의 구조를 보여주는데, 이를 통해 물질 내부의 결정 구조를 파악할 수 있습니다.

TEM은 고해상도 이미지를 취득하여 원자나 분자의 배치와 상호 작용을 연구하는 데 매우 유용합니다. TEM은 매우 높은 해상도를 제공하므로 원자의 위치, 결정 구조, 격자 결함, 표면 상태 등을 정확하게 분석할 수 있습니다. 또한, 에너지 분광법, 전자 회절, 전자 에너지 손실 분광법 등 다양한 분석 기법을 사용하여 샘플의 화학적 및 구조적 특성을 조사할 수 있습니다.

 

An example of HRTEM micrograph [1]

 

회절 패턴 (Diffraction pattern)

회절 패턴은 파동이 장애물을 만나면서 굴절되거나 산란되어 형성되는 패턴입니다. 이는 파동의 특성을 나타내며, 다양한 영역에서 관찰되고 활용됩니다. 특히, X-선, 전자, 빛 등의 파동에 의한 회절 패턴은 물질 내부의 결정구조와 상호작용을 이해하는 데 매우 유용합니다. 회절 패턴은 구조적인 장애물에 의해 파동의 방향이 변화하고 간섭이 발생하는 결과입니다. 장애물은 일반적으로 주기적인 배열이나 구조를 가진 격자로 구성된 결정체의 원자나 분자들입니다. 이러한 격자의 결정 구조에 따라 파동은 특정 방향과 강도로 산란됩니다. 회절 패턴은 회절 격자 상의 격자 상수, 입사 파동의 파장, 입사각 등의 요소에 의해 결정됩니다. 회절 패턴은 일련의 밝은 점, 링 또는 선 등으로 표현될 수 있습니다. 이러한 패턴은 회절 격자의 구조적 특성을 반영하며, 이를 분석하여 물질의 결정 구조, 결정 방향, 결정적 재료의 구성 등을 해석할 수 있습니다.

회절 패턴은 다양한 분야에서 활용됩니다. X-선 회절은 결정 구조 분석에 사용되며, 결정체의 원자나 분자의 배치, 결정 구조의 정밀한 매개변수 추정 등에 활용됩니다. 전자 회절은 전자 현미경을 통해 나노 물질의 구조와 결정성을 연구하는 데 사용됩니다. 빛의 회절 패턴은 빛의 파장과 구조적인 장애물의 크기에 따라 색상, 광학 필터, 레이저, 광섬유 등 다양한 광학 기술에 응용됩니다.

 

참고

[1] William D. Callister Jr., David G. Rethwisch, Materials Science and Engineering