TEM-EELS એ અણુઓ જોવા માટેનું શ્રેષ્ઠ સાધન છે. TEM-EELS બે સાધનોમાં વહેંચાયેલું છે, TEM અને EELS. ચાલો દરેક સિદ્ધાંત વિશે જાણીએ.
આજકાલ, આપણે તેને માની લઈએ છીએ કે બધા પદાર્થો અણુઓથી બનેલા છે, પરંતુ 150 વર્ષ પહેલાં પણ, લોકોને શંકા હતી કે શું અણુ ખરેખર અસ્તિત્વમાં છે. વાસ્તવમાં, અણુઓના અસ્તિત્વના પરોક્ષ પુરાવાઓ તે સમય સુધીમાં મોટી માત્રામાં એકઠા થઈ ગયા હતા. તેમ છતાં, વૈજ્ઞાનિકો તેમની શંકાઓને દૂર ન કરી શક્યા તેનું કારણ એ હતું કે તેઓએ પહેલાં ક્યારેય અણુ જોયા નહોતા. તે સમયે વિજ્ઞાનીઓ બૃહદદર્શક કાચ વડે જે નાની વસ્તુઓ જોઈ શકતા હતા તે બેક્ટેરિયા હતા, પરંતુ અણુઓને જોવા માટે, તમારે સેંકડો હજારો ગણા વધુ મેગ્નિફાય કરવું પડતું હતું. સ્વાભાવિક રીતે, વૈજ્ઞાનિકો આવા વાહિયાત નાના પદાર્થના અસ્તિત્વને સરળતાથી સ્વીકારી શક્યા નહીં. અને તે પોતાની આંખોથી અણુઓના અસ્તિત્વની પુષ્ટિ કરવા માંગતો હતો.
તો શું નિર્ણાયક પરિબળ હતું કે જેના કારણે વૈજ્ઞાનિકોએ અણુઓના અસ્તિત્વની પુષ્ટિ કરી? સુધારેલ બૃહદદર્શક કાચ કે જેણે તેમને અણુઓનું અસ્તિત્વ સીધું બતાવ્યું તે EM (ઇલેક્ટ્રોન માઇક્રોસ્કોપ) હતું. EM ને તેની ઓપરેટિંગ મિકેનિઝમના આધારે ઘણા પ્રકારોમાં વિભાજિત કરી શકાય છે. તેમાંથી, જે તેના સર્વોચ્ચ રિઝોલ્યુશન માટે ધ્યાન આકર્ષિત કરે છે તે છે TEM-EELS (ટ્રાન્સમિશન ઇલેક્ટ્રોન માઇક્રોસ્કોપ-ઇલેક્ટ્રોન એનર્જી લોસ સ્પેક્ટ્રોસ્કોપી). નામ સૂચવે છે તેમ, TEM-EELS બે સાધનો, TEM અને EELS માં વહેંચાયેલું છે.
TEM એ એક સાધન છે જે પૃથ્થકરણ કરવા માટે ઑબ્જેક્ટ પર ઇલેક્ટ્રોનનું પ્રોજેક્ટ કરે છે અને પછી રીફ્રેક્ટેડ ઇલેક્ટ્રોનની ગતિનું વિશ્લેષણ કરે છે. અણુઓ કે જે પદાર્થ બનાવે છે તે હકારાત્મક રીતે ચાર્જ કરેલ ન્યુક્લિયસ અને નકારાત્મક રીતે ચાર્જ કરેલ ઇલેક્ટ્રોનમાં વિભાજિત થાય છે. તદનુસાર, જ્યારે TEM સાધનોમાંથી ઉત્સર્જિત ઇલેક્ટ્રોન ઑબ્જેક્ટના આંતરિક ભાગમાંથી પસાર થાય છે, ત્યારે તેઓ પરમાણુ ન્યુક્લિયસમાંથી આકર્ષક બળ અને અણુ ન્યુક્લિયસની આસપાસના ઇલેક્ટ્રોનમાંથી પ્રતિકૂળ બળ મેળવે છે. જો કોઈ ઈલેક્ટ્રોન અણુ ન્યુક્લિયસની નજીકથી પસાર થાય છે, તો ઈલેક્ટ્રોનનો અંદાજિત માર્ગ પરમાણુ આકર્ષણ દ્વારા વક્રીભવન થાય છે. ઇલેક્ટ્રોનના આ વિચલનને સ્થિતિસ્થાપક સ્કેટરિંગ કહેવામાં આવે છે. બીજી તરફ, અનુમાનિત ઇલેક્ટ્રોન ન્યુક્લિયસની આસપાસના અન્ય ઇલેક્ટ્રોન દ્વારા ન્યુક્લિયસથી થોડા અંતરે વિચલિત થઈ શકે છે. કારણ કે અણુ ન્યુક્લિયસની આસપાસના ઇલેક્ટ્રોન અવકાશમાં વ્યાપકપણે ફેલાયેલા છે, જ્યારે બે ઇલેક્ટ્રોન અથડાવા માટે પૂરતા પ્રમાણમાં નજીક આવે છે ત્યારે ઇલેક્ટ્રોન વચ્ચેના વિકારને કારણે નોંધપાત્ર વિચલન થાય છે. જ્યારે પ્રક્ષેપિત ઇલેક્ટ્રોન અણુ ન્યુક્લિયસની આસપાસના ઇલેક્ટ્રોનની ખૂબ નજીક આવે છે, ત્યારે પ્રક્ષેપિત ઇલેક્ટ્રોન મજબૂત પ્રતિકૂળ બળ દ્વારા બીજી દિશામાં ઉછાળવામાં આવે છે. આ મિકેનિઝમ દ્વારા થતા રીફ્રેક્શનને ઇલેસ્ટિક સ્કેટરિંગ કહેવામાં આવે છે. સામાન્ય રીતે, સ્થિતિસ્થાપક સ્કેટરિંગને કારણે ઇલેક્ટ્રોન ડિફ્લેક્શનની ડિગ્રી અસ્થિર સ્કેટરિંગ કરતા વધારે હોય છે. તેથી, TEM રીફ્રેક્ટેડ ઇલેક્ટ્રોનના માર્ગને જોઈ શકે છે અને શોધી શકે છે કે શું તે સ્થિતિસ્થાપક સ્કેટરિંગ (અણુ ન્યુક્લિયસ) અથવા અસ્થિર સ્કેટરિંગ (ઇલેક્ટ્રોન) થી આવ્યું છે. TEM વારંવાર એક જ દિશામાં અને ગતિમાં ઇલેક્ટ્રોનને ઑબ્જેક્ટના વિવિધ બિંદુઓ પર પ્રસારિત કરે છે અને રેકોર્ડ કરે છે કે અણુ ન્યુક્લિયસ ક્યાં સ્થિત છે અને ઇલેક્ટ્રોન ક્યાં સ્થિત છે. આ ડેટાને સંયોજિત કરવાથી અમને જાણવા મળે છે કે અણુઓ સમગ્ર ઑબ્જેક્ટમાં કેવી રીતે ગોઠવાયેલા છે.
જો કે, ઉપરોક્ત પદ્ધતિમાં એક સમસ્યા છે. ઉદાહરણ તરીકે, ચાલો ધારીએ કે નાના ધન ચાર્જ સાથે અણુ ન્યુક્લિયસની આસપાસ TEM નો ઉપયોગ કરીને ઇલેક્ટ્રોનનો અંદાજ છે. કારણ કે સકારાત્મક ચાર્જનું કદ નાનું છે, અણુ ન્યુક્લિયસ અને પ્રક્ષેપિત ઇલેક્ટ્રોન વચ્ચેનું આકર્ષક બળ ઘટે છે, તેથી ઇલેક્ટ્રોન જે ડિગ્રી સુધી વિચલિત થાય છે તે પણ નબળું બને છે. જ્યારે આ ઘટના વધુ બગડે છે, ત્યારે TEM એ પારખવામાં અસમર્થ બની જાય છે કે નબળા રીફ્રેક્ટેડ ઇલેક્ટ્રોન સ્થિતિસ્થાપક સ્કેટરિંગમાંથી આવે છે કે સ્થિતિસ્થાપક સ્કેટરિંગમાંથી. તેથી, વૈજ્ઞાનિકોએ TEM ને EELS નામના ઉપકરણથી પણ સજ્જ કર્યું. EELS એ એક ઉપકરણ છે જે ઇલેક્ટ્રોનની ઊર્જા રેકોર્ડ કરે છે જ્યારે TEM પ્રસારિત ઇલેક્ટ્રોનની ગતિને રેકોર્ડ કરે છે. અગાઉ સૂચવ્યા મુજબ, જ્યારે પ્રક્ષેપિત ઇલેક્ટ્રોન સ્થિતિસ્થાપક સ્કેટરિંગનો અનુભવ કરે છે, ત્યારે અણુ ન્યુક્લિયસના આકર્ષણને કારણે તેમની દિશા બદલાય છે. જો કે, જ્યારે ઈલેક્ટ્રોન અસ્થિર સ્કેટરિંગનો અનુભવ કરે છે, ત્યારે તેઓ ન્યુક્લિયસની આસપાસના ઈલેક્ટ્રોન સાથે અથડાવા માટે પૂરતી નજીક આવે છે અને બાઉન્સ થઈ જાય છે, તેથી ઈલેક્ટ્રોનની ઝડપ નાટકીય રીતે વધે છે. તેથી, જો સ્થિતિસ્થાપક સ્કેટરિંગ અને અસમાન સ્કેટરિંગ પ્રક્ષેપિત ઇલેક્ટ્રોનને સમાન હદ સુધી રિફ્રેક્ટ કરે છે, તો પણ EELS વડે ઇલેક્ટ્રોનની ઊર્જા નક્કી કરીને, તે નક્કી કરવું શક્ય છે કે ઇલેક્ટ્રોન કયા સ્કેટરિંગ દ્વારા વક્રીકૃત થયા હતા. ઉદાહરણ તરીકે, જો કોઈ ઈલેક્ટ્રોન કોઈ ચોક્કસ માર્ગમાં ઝડપ અથવા ગતિ ઊર્જા સાથે જોવા મળે છે જેથી સ્થિતિસ્થાપક રીતે છૂટાછવાયા ઈલેક્ટ્રોન તેમાં ન હોઈ શકે, તો તે નિર્ધારિત કરી શકાય છે કે આ ઈલેક્ટ્રોન અસ્થિર સ્કેટરિંગને કારણે વક્રીભવન થયું હતું.
TEM-EELS, જે ઉપરોક્ત પદ્ધતિ દ્વારા આધુનિક વૈજ્ઞાનિકો માટે બૃહદદર્શક કાચ તરીકે કામ કરે છે, તેનો તેમના સમગ્ર સંશોધન દરમિયાન ઉપયોગ થાય છે. આધુનિક સમાજમાં ઉપયોગમાં લેવાતા ઉપકરણોના ભૌતિક અને રાસાયણિક ગુણધર્મોને મહત્તમ બનાવવા માટે, અણુ-સ્તરના પ્રયોગો આવશ્યક છે. TEM-EELS વિના અન્ય પરોક્ષ પદ્ધતિઓનો ઉપયોગ કરીને અણુ વ્યવસ્થા અથવા સામગ્રીના પ્રકારની પુષ્ટિ કરવી ખૂબ જ બોજારૂપ અને મુશ્કેલ છે. ઉદાહરણ તરીકે, કોરિયામાં હાલમાં વ્યાપારીકૃત સેમિકન્ડક્ટર ઉત્પાદન પ્રક્રિયા 10nm સ્તરના એકમનો ઉપયોગ કરે છે, અને 10nm માત્ર 100 અણુ ધરાવે છે. જો આ 100 અણુઓમાંથી માત્ર એક અણુ ખોટે છે, તો પણ સેમિકન્ડક્ટર યોગ્ય રીતે કાર્ય કરશે નહીં. અણુ માળખું સીધા જોયા વિના સેમિકન્ડક્ટરમાં કંઈક ખોટું છે કે કેમ તેની પુષ્ટિ કરવી પણ અશક્ય છે. TEM-EELS નામના ઉચ્ચ-પ્રદર્શન બૃહદદર્શક કાચના મહત્વ પર ફરી એકવાર ભાર મૂકવામાં આવ્યો છે.