אפיון חומרים
אִפְיוּן חֳמָרִים הוא תחום חשוב ובסיסי במדע חומרים ובהנדסת חומרים העוסק בזהוי חומרים ומאפייניהם – המבנה, מיקרו־מבנה והרכב. קיימים שלושה סוגים של שיטות עיקריות לאפיון חומרים:
- שיטות מיקרוסקופיה
- שיטות פיזור ועקיפה.
- ספקטרוסקופיה
גבולות הגדרת המונח משתנים מהקשר להקשר וכמה הגדרות משמשות לו במקביל. לעיתים משתמשים בשיטות נוספות הלקוחות מתחומים שונים למשל אנליזה כימית ובדיקות מקרוסקופיות שונות. קנה המידה של המבנים הניתנים לאפיון נעה בין אנגסטרמים בודדים, למשל בהדמית אטומים יחידים וקשרים כימיים, עד סנטימטרים, כגון הדמיה של גרעינים גסים במתכות. חלק מהשיטות מקנות מידע על עומק הדגמים וחלקן רק על פני השטח של הדגם, חלקן פוגעות או משנות את הדגמים וחלקן בדיקות לא הורסות, חלקן כמותיות וחלקן איכותיות.
טכניקות אפיון רבות ידועות כבר מאות שנים, כמו מיקרוסקופיה אופטית בסיסית, למשל, ומנגד מתודולוגיות וטכניקות חדשות מתגלות ומתפתחות כל העת. בפרט כניסתם של מיקרוסקופ האלקטרונים וספקטרוסקופיית מסות היונים השניוניים, במהלך המאה ה־20, חוללה מהפכה בתחום, איפשרה הדמיה וניתוח של מבנים בקני מידה קטן בהרבה משהיה ניתן בעבר, והובילה לגידול עצום ברמת ההבנה שלנו בדבר הקשר בין מבנה החומרים השונים ומאפייניהם התנהגותיים.[1] בעשורים האחרונים המצאת מיקרוסקופ הכוח האטומי הגדילה עוד יותר את הרזולוציה המרבית אפשרית בניתוח דגימות מסוימות עד כדי דימות של אטומים יחידים בשריג.[2]
מיקרוסקופיה ועקיפה
מיקרוסקופיה היא שם כולל למספר טכניקות אפיון אשר חוקרות וממפות את פני השטח והשכבות הקרובות לפני השטח של הדגם. טכניקות מיקרוסקופיה שונות משתמשות בפוטונים, אלקטרונים, יונים או בגשש פיזי ומיפוי הכוחות בינו לבין פני הדגם. הן אוספות נתונים על המבנה הדגם במגוון סקלות אורך. דוגמאות נפוצות של מכשירי מיקרוסקופיה הן:
- מיקרוסקופ אופטי
- מיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM)
- מיקרוסקופ אלקטרונים חודר (TEM)
- Field Ion Microscope (FIM)
- מיקרוסקופ מִנהור סורק (STM)
- מיקרוסקופית חוד סורק (SPM)
- מיקרוסקופ כוח אטומי (AFM)
- X-ray diffraction topography (XRT)
- דיפרקציית אלקטרונים באנרגיה נמוכה (LEED)
- דיפרקציית אלקטרונים בהחזרה באנרגיה גבוהה (RHEED)
- דיפרקציית קרני X בזויות קטנות (GIXD)
ספקטרוסקופיה
קבוצה זו של טכניקות משמשת במגוון עקרונות כדי לחשוף את ההרכב הכימי ולעיתים גם את המבנה הגבישי ומאפיינים הפוטואלקטריים של חומרים. מספר שיטות ומכשירי ספקטרוסקופיה נפוצים הם:
- ספקטרוסקופיית נפיצת אנרגיה של קרני X (EDX)
- ספקטרוסקופיית נפיצת אורכי גל של קרני X (WDX)
- עקיפה של קרני רנטגן (XRD)
- ספקטרומטריית מסת
- ספקטרוסקופיית מסות של יונים שניוניים (SIMS)
- ספקטרוסקופיית איבוד אנרגיה (EELS)
- ספקטרוסקופיית אלקטרוני אוז'ה (AES)
- ספקטרוסקופיית פוטואלקטרונים (XPS)
- ספקטרוסקופיה בתחום הנראה עד העל סגולי (UV-vis)
- ספקטרוסקופיית פורייה (FTIR)
- נהורנות תרמית (TL)
- נהורנות אור (PL)
- פיזור אור דינמי (DLS)
- ספקטרוסקופיית טרה־הרץ
בדיקות מקרוסקופיות
מגוון עצום של טכניקות מתחומי הנדסת החומרים, גם כאלה שלא נחשבות כשיטות קלסיות לאפיון חומרים, משמשות לאפיון על ידי מדידת תכונות מקרוסקופית שונות והישענות על ידע מוקדם. למשל:
- בדיקות מכניות כמו מתיחה, מאמץ, פיתול, זחילה (דפורמציה), התעייפות החומר, בדיקות קשיחות וקשיות.
- ניתוח תרמי הבדלי (DTA)
- Dielectric thermal analysis
- אנליזה תרמוגרווימטרית (TGA)
- Differential scanning calorimetry (DSC)
- Impulse excitation technique (IET)
- טכניקות אולטרה סאונד, למשל Resonant ultrasound spectroscopy[3]
הערות שוליים
- ^ Mathys, Daniel, Zentrum für Mikroskopie, University of Basel: Die Entwicklung der Elektronenmikroskopie vom Bild über die Analyse zum Nanolabor, p. 8
- ^ Patent US4724318 - Atomic force microscope and method for imaging surfaces with atomic resolution - Google Patents
- ^ R. Truell, C. Elbaum and C.B. Chick., Ultrasonic methods in solid state physics New York, Academic Press Inc., 1969.
