MEM 3213 Karakterizasyon Teknikleri 1 Snavlar ve Yzdeleri

MEM 3213 Karakterizasyon Teknikleri 1

Sınavlar ve Yüzdeleri I. Vize Ödev Final Sınavı %30 %40 2

Kaynaklar • Materials Characterization. Introduction to Microscopic and Spectroscopic Methods, Yang Leng, John. Wiley &Sons Ltd, ISBN: 9780 -470 -82298 -2 • Materials Chemistry, B. D. Fahlman, Springer Publishing, ISBN: 978 -14020 -6119 -6 • ASM Handbook, Volume 10, Materials Characterization, ISBN: 087170 -007 -7 • Electron Microscopy and Analysis, P. J. Goodhews, J. Humphreys, R. Beanland. Taylor and Francis Publishing, ISBN: 0 7484 0968 8 3

Konular ØKarakterizasyon teknikleri ØOptik Mikroskoplar ØTaramalı Elektron Mikroskobu (Scanning Electron Microscope, SEM) ØGeçirimli Elektron Mikroskobu (Transmission Electron Microscope, TEM) ØX-Işınları Kırınım (X-ray Diffraction, XRD) ØX-Işınları Floresans (X-ray Fluorescence, XRF) ØX-Işınları Fotoelektron Spektroskopisi (X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS) ØRaman Spektroskopisi ØFourier Dönüşüm Kızılötesi Spektroskopisi (Fourier transform infrared, FT-IR) ØUltraviyole Spektroskopisi (UV) 4

Karakterizasyon Teknikleri ØKarakterizasyon nedir? ØKarakterizasyon tekniklerine neden ihtiyaç duyulur? ØKalitatif ve kantitatif analiz! 5

Karakterizasyon Teknikleri ØGelişen teknolojiyle birlikte malzemelerin yapısındaki atomların dahi konumlarının görülebileceği 2 ve 3 boyutlu analize olanak tanıyan resimlerin alınmasını sağlayan yöntemler geliştirilmiştir (HR-TEM, STM/AFM, SEM/EDX). ØYine kantitatif analiz yöntemleri ile numune içerisinde analiz edilen bir türün ppt (parts per trillion) veya ppb (parts per billion) düzeyinde tayinleri mümkün olabilmektedir. 6

Cu-Si Nanocable Arrays as High-Rate Anode Materials for Lithium-Ion Batteries 7

Karakterizasyon Teknikleri 8

Karakterizasyon Teknikleri 9

(a, b) FESEM and (c, d) HRTEM images of α-Mn. O 2 nanorods with d-spacing in (310) plane direction as inset (d). Enhanced pseudocapacitance from finely ordered pristine α-Mn. O 2 nanorods at favourably high current density using redox additive 10

Karakterizasyon Teknikleri 11

Karakterizasyon Teknikleri 12

Bir Yapının Karakterizasyonuna Neden İhtiyaç Duyulur? ØBir malzemenin yapısı onun özelliklerini ve kullanım alanlarını belirler ØYapı: Atomların düzenlenme şekilleri olarak tanımlar. (Mikroyapı, nanoyapı) Kristal yapı: Malzeme biliminde makroskopik olarak kristalli minerallerin yüzeyleri arasında, mikroskobik olarak ise çoğu katının atomları arasında görülen tekrarlı düzen (> 100 nm). Amorf yapı: Atomların düzensiz bir şekilde gelişigüzel istiflendiği yapılar (<100 nm) 13

Bir Yapının Karakterizasyonuna Neden İhtiyaç Duyulur? ØBir malzemenin yapısı onun özelliklerini ve kullanım alanlarını belirler ØYapı: Atomların düzenlenme şekilleri olarak tanımlar. (Mikroyapı, nanoyapı) Kristal yapı: Malzeme biliminde makroskopik olarak kristalli minerallerin yüzeyleri arasında, mikroskobik olarak ise çoğu katının atomları arasında görülen tekrarlı düzen (> 100 nm). Amorf yapı: Atomların düzensiz bir şekilde gelişigüzel istiflendiği yapılar (<100 nm) ØFaz/Fazlar: Allotropi/Polimorfizm Allotropi: Bazı elementler birbirlerinin allotropları olarak bilinen iki veya daha fazla farklı formda var olma özelliği olarak tanımlanır. Polimorfizm: Katı maddenin birden fazla formda veya kristal yapıda bulunma kabiliyetidir ØKimyasal bileşim ØFiziksel, kimyasal ve mekanik özellikler 14

15

16

Karakterizasyon Teknikleri 17

Karakterizasyon Teknikleri 18

Işık Mikroskopu/Optik Mikroskop 19

Işık Mikroskopu/Optik Mikroskop ØMalzemelerin morfolojik karakterizasyonunda kullanılan ışık mikroskopu, bu alanda kullanılan en basit yöntem olarak sınıflandırılabilir. ØKökenin 1880 yıllara dayanan bu yöntem, araştırmacılar ve mühendisler tarafından malzemelerin mikroyapılarının incelenmesinde kullanılmaktadır. ØMetalurjistler ise bu yöntemi metalik malzemelerin yapılarının incelenmesinde kullanmışlar ve bu alan metalografi adını almıştır. ØYöntem aynı zamanda polimer ve seramik malzemelerin morfolojik karakterizasyonunda da geniş bir kullanım alanı bulmuştur. 20

Işık Mikroskopu/Optik Mikroskop Işık mikroskopu yansıyan veya geçen ışığın incelenmesine göre ikiye ayrılır. Bunlar; ØGeçirimli Işık Mikroskobu ØYansıtmalı Işık Mikroskobu 21

Işık Mikroskopu/Optik Mikroskop ØBirçok mikroskop her iki yönteminde kullanımı için tasarlanmıştır. ØAncak bir çok katı malzeme üretilme şekillerine bağlı olarak geçirgen olmayan yapıda olurlar. ØMalzemelerin ince filmleri hazırlanmadığı sürece geçirimli ışık mikroskobunun kullanımı oldukça zordur. ØBu sebeple malzeme bilimciler genellikle yansımalı mikroskob modunu kullanırlar ve bu yöntem diferansiyel girişim zıtlık (differential interference contrast, DIC) mikroskopisi adını alır. 22

Görüntüleme İlkeleri: Optik Mikroskopların optik ilkeleri; • görüntü oluşumu, • büyütme • çözünürlük 23

Karakterizasyon Teknikleri 24

Bir Merceğin Büyütmesi ØBir mikroskobun büyütmesi doğrusal optik ile hesaplanabilir; M: Yakınsak merceğin büyütmesi f: odak uzaklığı v: mercek ile görüntü arasındaki mesafe ØDaha yüksek büyütmeli bir mercek daha kısa bir odak uzaklığına sahiptir. 25

Bir Mikroskopun Büyütmesi ØBir mikroskopun toplam büyütülmesi: objektif merceğin büyütülmesi ile projeksiyon merceğinin büyütülmesi çarpılacaktır. 26

Karakterizasyon Teknikleri 27

Çözünürlük ØBir ışık mikroskobunda büyütme oranını çözünürlük kavramı sınırlar. ØÇözünürlük kavramı, iki nokta arasındaki görsel olarak ayırt edilebilecekleri minimum mesafeyi belirtir. ØBir mikroskopun çözünürlüğü teorik olarak ışığın kırınımı ile kontrol edilir. 28

Çözünürlük ØMikroskop çözünürlüğünü kontrol eden ışık saçılımı, kendinden ışıklı iki nokta nesnesinin görüntüleriyle gösterilebilir. ØNokta nesnesi büyütülürken, görüntüsü tek bir nokta değil, bir dizi kırınım halkası (Şekil 1) ile çevrelenmiş merkezi bir noktadır (Airy disk). ØKısa mesafeyle birbirinden ayrılmış iki nokta nesnesini birbirinden ayırmak için, Airy diskler birbiriyle çakışmamalıdır. ØBu sebeple, Airy diskinin boyutunu kontrol etmek çözünürlüğü kontrol etmenin anahtarıdır. 29

Çözünürlük ØAiry diskinin (d) boyutu, ışığın dalga boyu (λ) ve lens içine gelen ışık açısı ile ilgilidir. ØMikroskopun çözünürlüğü (R) ayırt edilebilen iki Airy disk arasındaki minimum mesafe olarak tanımlanır. ØDolayısıyla çözünürlük, mikroskop parametrelerinin bir fonksiyonudur. ص: Nesne ile mercek arasındaki ortamın refraktif indeksi. ØMerceğe giren konik ışının yarım açısıdır Øμsin α ise sayısal diyafram olarak isimlendirilir 30

Çözünürlük 31

Elektromanyetik Tayf 32

Maksimum Çözünürlük Nasıl Elde Edilir ØDaha kısa dalga boylu ışık ve daha büyük NA kullanmalıyız, ØGörünür ışığın en kısa dalga boyu yaklaşık 400 nm ØObjektifin NA değeri nesnle ile mercek arasındaki ortama (α'ya) bağlıdır Øμ= 1 varsayımında maksimum NA değeri yaklaşık olarak 1. 5 olarak hesaplanabilir. ØMikroskopta çözünürlük değeri insan gözünün çözünürlük seviyesi olan 0. 2 mm’ye kadar genişletilebilir. (1000 kat büyütme optik mikroskop için) 33

Maksimum Çözünürlük Nasıl Elde Edilir ØDaha kısa dalga boylu ışık ve daha büyük NA kullanmalıyız, ØGörünür ışığın en kısa dalga boyu yaklaşık 400 nm ØObjektifin NA değeri nesnle ile mercek arasındaki ortama (α'ya) bağlıdır Øμ= 1 varsayımında maksimum NA değeri yaklaşık olarak 1. 5 olarak hesaplanabilir. ØMikroskopta çözünürlük değeri insan gözünün çözünürlük seviyesi olan 0. 2 mm’ye kadar genişletilebilir. (1000 kat büyütme optik mikroskop için) 34

Maksimum Çözünürlük Nasıl Elde Edilir 35

Maksimum Çözünürlük Nasıl Elde Edilir ML 1188 yumurta kabuğu (a) Yumurta kabuğunun radyal kesitinin SEM mikrografisi (b) optik mikrografi (c) yumurta kabuğunun dış yüzeyinin SEM mikrografı ve (d) yumurta kabuğunun iç yüzeyinin SEM mikrografisi. 36

Parlaklık ve Kontrast ØBir materyal örneğinde bir mikro yapılar içeren bir nesneyi görünür kılmak için yüksek büyütme yeterli değildir. Øİdeal bir mikroskop nesneden gelen ışık için yeterli parlaklık ve kontrastını üretmelidir. ØParlaklık: Parlaklık, ışığın yoğunluğunu belirtir. ØGeçirimli bir ışık mikroskobunda parlaklık diyafram (NA) ve büyütme ile orantılıdır. 37

Parlaklık ve Kontrast ØGeçirimli ışık mikroskobunda parlaklık; ØYansıtmalı ışık mikroskobunda parlaklık büyük oranda diyaframa (NA) bağlıdır. ØDenklemlerden görüleceği üzere yüksek büyütmelerde parlaklık azalır. 38

Parlaklık ve Kontrast 39

Parlaklık ve Kontrast ØKontrast, bir nesne ile arka planı arasında ışık yoğunluğundaki (I) göreceli değişiklik olarak tanımlanır. ØGörünürlük, bir nesnenin kontrastının "kontrast eşiği" olarak adlandırılan kritik bir değeri aşmasını gerektirir ØBir nesnenin kontrast eşiği tüm görüntüler için sabit değildir ve görüntü parlaklığı ile değişir. ØParlak ışıkta, eşik% 3 kadar düşük olabilirken, loş ışıkta eşik% 200'den büyük olur. 40

Parlaklık ve Kontrast 41

Parlaklık ve Kontrast 42

Parlaklık ve Kontrast 43

Alan Derinliği ØBir görüntünün fotoğrafını çekerken alan derinliği önemli bir kavramdır. ØAlan derinliği, üzerinde odaklama yapılan objenin, kişinin ya da fotoğraflanan konunun önünde ve arkasında oluşan netlik sahasıdır. 44

Alan Derinliği ØBir nesnenin görüntüsü, o nesnenin objektif mercekten belli bir mesafede bulunan bir düzlemde uzandığı zaman net olarak odaklanır. ØObjenin konumunun lensten uzak veya lense yakın olması durumunda görüntü odak dışındadır. 45

Alan Derinliği 46

Alan Derinliği ØIşık mikroskobunda α=45 o’dir (tan 45 o=1) olduğunda, alan derinliği çözünürlüğe eşittir. 47

Işık Mikroskobunun Bileşenleri Işık mikroskopu aşağıdaki ana bileşenleri içerir: ØIşıklandırma sistemi; ØObjektif lens; ØMercekleri; ØFotomikrografik sistem; ØÖrnek zemini. 48

Yansıtmalı Işık Mikroskobunun Yapısı 49

Aydınlatma Sistemi Bir mikroskop aydınlatma sistemi, gözle görülür ışık sağlar ve bu şekilde numunenin gözlemlenmesi sağlanır. Işık mikroskoplarında kullanılan üç temel elektrik lambası tipi vardır: ØDüşük voltajlı tungsten filament ampuller; ØTungsten-halojen ampuller; ve ØGaz deşarj tüpleri. 50

Düşük Voltajlı Tungsten Filament Ampuller Tungsten ampuller yaklaşık 300 ila 1500 nm dalga boyu arasında sürekli bir ışığı sağlarlar. Renkli fotoğrafçılık için önemli olan ışığın renk sıcaklığı nispeten düşüktür. Düşük renk sıcaklığı kavramı daha sıcak (daha sarı-kırmızı) ışık anlamına gelir. Yüksek renk sıcaklığı, daha soğuk (daha mavi) ışık anlamına gelir. 51

Tungsten-halojen Ampuller ØTungsten-halojen ampuller, sıradan tungsten ampuller gibi sürekli bir spektrum sağlar. ØIşık daha parlaktır ve renk sıcaklığı normal tungsten ampullerden önemli derecede yüksektir. ØBununla birlikte, tungsten-halojen ampullerin yüksek filament sıcaklığı, ışık yolunda bir ısı filtresi ve iyi bir havalandırma gerektirir. 52

Gaz Deşarj Tüpleri ØBasınçlı cıva veya ksenon buharı ile doldurulmuş gaz deşarj tüpleri son derece yüksek parlaklık sağlarlar. ØDaha sık kullanılan tüpler, aralıklı bir spektruma sahip cıva ile doldurulur. ØXenon, sürekli bir spektruma ve çok yüksek renk sıcaklığına sahiptir. ØGaz deşarj tüpleri için ek soğutma gerekir. 53

Köhler Sistemi Modern mikroskoplarda görüntüleme sistemi şu bileşenlerden oluşur; ØLamba (genelde tungsten-halojen ampül) ØAydınlatma sağlamak için bir yoğunlaştırıcı mercek ve bir toplayıcı mercek (Köhler Sistemi olarak bilinir) Köhler sisteminin temel özelliği, bir lambanın filamanından gelen ışığın ilk olarak bir kolektör mercekle yoğunlaştırıcı merceğin ön odak düzleminde odaklanmasıdır. Daha sonra yoğunlaştırıcı mercek kaynaktan sapmış ışığı toplar ve incelenecek olan numunenin küçük bir alanına yönlendirir. Köhler sistemi, numune alanı üzerinde eşit aydınlatma yoğunluğu sağlar. 54

Köhler Sistemi 55

Işık filtreleri genellikle aydınlatma sistemlerinin ışık yollarına dahil edilir. Işık filtreleri, fotomikrografi için en iyi görsel incelemeyi elde etmek için mikroskoplarda dalga boylarını ve aydınlatma yoğunluğunu kontrol etmek için kullanılır. ØNötr yoğunluklu (ND) filtreler dalga boyunu değiştirmeden ışık yoğunluğunu düzenler. ØRenkli filtreler ve girişim filtreleri belirli renkleri veya dalga boyu bantlarını izole etmek için kullanılır. 56

Renkli Filtreler ve Girişim Filtreleri ØRenkli filtreler yaygın olarak geniş bir renk bandı üretmek için kullanılır, ØGirişim filtreleri keskin bir şekilde tanımlanmış bant genişlikleri sunar. 57

Işık Filtreleri ØRenkli filtreler ışığın renk sıcaklığını fotoğrafik filmlerin gerektirdiği renklerle eşleştirmek için kullanılır. ØSeçilen filtreler farklı renklerde örnek alanları arasındaki kontrastı da artırabilir. ØIsı filtreleri, tungsten-halojen ampulün ışık kaynağı olarak kullanıldığı durumlarda, numunenin ısıtılmasına neden olan kızılötesi radyasyonun çoğunu absorbe eder. 58

Işık Filtreleri 59

Objektif Mercek ØObjektif mercek, bir ışık mikroskopunun en önemli optik bileşenidir. ØGöz merceği genellikle 10× sabit bir büyütme oranına sahip olduğu için, objektif merceğin büyütülmesi mikroskopun toplam büyütmesini belirler. ØObjektif mercek, numunenin birincil görüntüsünü üretir ve çözünürlüğü resmin son çözünürlüğünü belirler. 60

Objektif Mercek ØObjektif türüne bağlı olarak, objektif merceğin sayısal diyafram açıklığı (NA) 0, 16 ila 1, 40 arasında değişir. ØYüksek büyütme oranına sahip bir lens, daha yüksek bir NA'ya sahiptir. ØKuru bir mercek için en yüksek NA (lens ve numune arasındaki ortamın hava olduğu durumda) yaklaşık 0. 95'tir. Bir yağ ortamına batırılmış bir mercek kullanarak NA'da daha fazla artış elde edilebilir. Yağ daldırmalı mercek genellikle 1000 x büyütmeden büyük mikroyapıyı incelemek için kullanılır. 61

Objektif Mercek ØObjektif merceğin sınıflandırılması, sapma düzeltme yeteneklerine (esas olarak renk sapması) dayanmaktadır. - Achromat; - Semi-achromat (also called ‘fluorite’) - Apochromat. 62

Objektif Sapması Çözünürlük ve alan derinliği hesaplamaları, mikroskopun tüm bileşenlerinin mükemmel olduğu varsayımlarına dayanır ve bir nesnedeki herhangi bir noktadaki ışık ışınları, görüntüdeki benzersiz bir noktaya odaklanır. Maalesef bu, mercek sapmaları olarak adlandırılan lensin görüntü bozulmaları nedeniyle neredeyse imkansızdır. 63

Sapmalar Kromatik sapmalar, ışık dalga boyları aralığında (ışık dağılımı) lensin kırılma indeksindeki değişimden kaynaklanır. Mercek camının refraktif indeksi daha kısa dalga boylarında (örneğin mavi) daha uzun dalga boylarında (örneğin kırmızı) göre daha fazladır. 64

Renk Sapmaları Böylece, bir lensin ışık sapması derecesi ışığın dalga boyuna bağlıdır. Sıradan ışıkta (beyaz ışık) bir dizi dalga boyu bulunduğundan ışık, tek bir noktaya odaklanamaz. 65

Küresel Sapma ØKüresel özürlülük bir lensin küresel eğriliğinden kaynaklanır. Optik eksende nesnedeki bir noktadan gelen ışık ışınları, Şekil 1. 8'de gösterildiği gibi farklı açılardaki bir mercekle girer ve tek bir noktaya odaklanamaz. ØObjektifin optik eksenden en uzak kısmı, ışınları objektifin orta kısmından objektife daha yakın bir odaya getirir. 66

Astigmatizm ØObjektifin dikey çaplarından geçen ışınlar, Şekil 1. 9'da gösterildiği gibi, yatay çaplardan geçen ışınlar ile aynı görüntü düzlemine odaklanmadığında, astigmatizm oluşur. ØBu durumda, bir noktanın görüntüsü, en iyi odak düzleminin her iki tarafında eliptik bir çizgi haline gelir. Asimetrik eğriliği olan bir lenste, astigmatizm ciddi olabilir. 67

Eğrilik Alanı ØEğrilik alanı, eksen dışı bir sapmadır. Bir görüntünün odak düzleminin düz olmadığı ve içbükey bir küresel yüzeye sahip olduğu durumlarda oluşur. ØBu sapma özellikle kısa odak uzaklığına sahip yüksek büyütme merceği ile kullanımda sorun oluşturur. 68

ØMerceklerdeki sapmalar sonucu görüntü bozuk görünür. ØMercek sapmalarını düzeltmek veya azaltmak için çeşitli yollar vardır. ØÖrneğin, lensleri farklı şekiller ve refraktif indekslerle birleştirmek, kromatik ve küresel sapmaları düzeltir. ØFiltrelerin kullanılmasıyla tek dalga boyu aydınlatmanın seçilmesi, renk sapmalarını ortadan kaldırmaya yardımcı olur. ØMercek sapmalarının düzeltilme derecesi objektifin maliyetine yansır. ØBu durum geniş fiyat aralıklarında mikroskopların bulunmasının en önemli sebebidir. 69

Akromatik Mercekler ØAkromatik mercekler iki dalga boyu için (kırmızı ve mavi) renk sapmasını düzeltir. ØSistem, siyah-beyaz fotoğrafçılık ve iyi bir gözlem için yeşil aydınlatma gerektirir. Akromatik Mercek 70

Yarı-akromatik Mercekler ØYarı-akromatik mercekler, renk sapmasının düzeltilmesini iyileştirir. ØBu merceğin NA değeri, aynı büyütme ile akromatik mercekten daha büyüktür ve daha aydınlık aynı zamanda çözünürlüğü daha yüksek görüntüler elde edilmesini sağlar. Yarı-akromatik Mercekler 71

Apokromatik Mercekler ØApokromatik mercekler, en yüksek seviyede sapma düzeltmesi sağlar. ØBu mercek renk sapması nerdeyse tamamen ortadan kaldırır. Ayrıca iki renk için küresel sapmaların düzeltilmesini sağlar. ØNA değeri yarı-akromatik merceklerden büyüktür. ØGörüntü kalitesinin iyileştirilmesi mercek yapısının karmaşıklığının artması ile sağlanır, bu durum da mercek maliyetini artıran önemli bir etkendir. ØApokromatik bir merceğin yapısında 12 den fazla optik bileşen bulunabilir. 72

Apokromatik Mercekler 73

ØFL, FLUOR ‘veya’ NEOFLUOR ’ merceğin yarı akromatik olduğunu belirtir; Ø‘APO’, merceğin apokromatik olduğunu gösterir; ØYukarıdaki işaretlerden hiçbiri görünmezse, mercek akromatik olur; Ø‘PLAN’ veya ‘PL’, düzlemsel anlamına gelir ve merceğin alan eğriliği için düzeltildiğini ve dolayısıyla düz bir görüntü alanı oluşturduğunu gösterir; Ø‘DIC’, merceğin diferansiyel girişim kontrastı için bir Wollaston prizması içerdiği anlamına gelir; Ø‘PH’ veya ‘PHACO’, merceğin faz kontrast mikroskobu için bir faz halkasına sahip olduğu anlamına gelir; Ø‘Sayı/sayı’, büyütme/sayısal açıklığı gösterir. Böylece, ‘ 40 /0. 75 ’, lensin 40× büyütülmüş ve 0, 75'lik bir sayısal açıklığa sahip olduğu anlamına gelir. 74

Mercek (Eyepiece) ØMercek, objektif mercek tarafından oluşturulan gerçek birincil görüntüyü görüntülemek için kullanılır. ØBu mercek, bazı durumlarda, sapmaların düzeltilmesini de tamamlar. ØMercek, optik yolun içine kazınmış bir ağ içeren bir cam disk oluşturur. ØBu ağ, ölçüm için bir mikrometre görevi görür. ØMercek, odaklama mekanizması olarak ya sarmal bir iplik ya da bir sürgülü montaja sahiptir. 75

Ağ (Retikül olarak da bilinir) 76

Mercek 77

En İyi Çözünürlüğü Elde Etmenin Adımları ØYüksek NA değerine sahip bir objektif mercek kullanmak; ØYüksek büyütmede çalışmak, ØSeçilen objektif mercekle uyumlu bir mercek kullanmak, ØOlabildiğince düşük dalga boyunda ışık kullanmak, ØIşık sistemini merkezde tutmak, ØMevcut ise, yağ daldırmalı mercek kullanmak, ØAlan diyaframını ayarlamak (yüksek çözünürlük ve karşıtlık için) ØEn iyi çözünürlük için parlaklığı ayarlamak. 78

Alan Derinliğini Artırmanın Adımları ØDiyafram açıklığını kapatarak NA'yı azaltın veya daha düşük NA'ya sahip objektif mercek kullanmak, ØVerilen bir NA değeri için büyültmeyi azaltmak, ØDüşük güçlü, yüksek NA objektifli açıklığına sahip yüksek güçlü bir mercek kullanmak, ØOlabildiğince en uzun dalga boylu ışığı kullanmak. 79

Görüntüleme Modları En yaygın olarak kullanılan inceleme modları dalga genliklerindeki farklardan dolayı oluşan kontrastı temel alan, aydınlık alan ve karanlık alan görüntüleme sistemleridir. 80

81

Metal (Yansıtmalı Işık) Mikroskopu 82

Metal (Yansıtmalı Işık) Mikroskopu 83

84

Karşıtlık Oluşturma ØPolycarbonate/ polybutylene terephthalate composite ØKütle yoğunluğu farkı ile kontrast 85

Görüntüleme Modları ØMikroskopik objelerden yansıyan ışık dalgalarının özelliklerinde meydana gelen farklılıklar bu objeleri ışık mikroskobu ile gözlemlememizi sağlar. ØIşık dalgası şekilde gösterildiği gibi bir nesne ile etkileşime girdiğinde genlik veya fazda değişir. ØGöz, ışık dalgalarındaki genlik ve dalga boyu farklılıklarını fark ederken faz değişimini fark edemez. 86

Işık 87

Görüntüleme Modları En çok kullanılan inceleme modları; ØParlak alan görüntüleme ØKoyu alan görüntüleme (dalga genliklerindeki farklılıklara bağlı olarak kontrastaki değişimle alakalıdır) 88

Görüntüleme Modları Dalga fazı farklılıkları, inceleme modlarında olduğu gibi özel optik düzenlemelerle genlik farklılıklarına dönüştürülmelidir. ØFaz kontrastı, ØPolarize ışık, ØNomarski kontrastı. 89

Parlak Alan ve Karanlık Alan Görüntüleme Parlak alan görüntüleme, daha çok mikroyapıyı incelemek için uygundur. Karanlık alan görüntüleme, parlak alandan daha yüksek kontrastlı bir görüntü elde etmek için yaygın olarak kullanılır. a) Parlak alan aydınlatması; ve (b) iletilen modda karanlık alan aydınlatması. Gölgeli alanlar ışığın nerede engellendiğini gösterir. Not: Parlak alan görüntülemede, örnek bir ışık kaynağı tarafından eşit olarak aydınlatılır. 90

Karanlık Alan Görüntüleme ØKaranlık alan görüntüleme, numunenin eğik ışınları ile aydınlatılmasını gerektirir. ØIşık yolunun merkez kısmının numuneyi doğrudan aydınlatmasını engellemek için ışık yolunda merkezi bir durma vardır. Bu nedenle, numuneyi aydınlatan ışık ışınlarının açısı, mikroskobik nesneler tarafından dağılmadıkça, objektife objektif merceğin giremeyeceği kadar büyüktür. 91

Yansıyan Modda Karanlık Alan Görüntüleme Bir halka şeklindeki ışık ışınları, bir numune yüzeyini eğik bir açı ile aydınlatmak için daha fazla yansıtılacaktır. 92

ØAISI 1080 yüksek karbonlu çeliğin (a) parlak alan ve (b) karanlık alan görüntüleri. Tane sınırlarına ve oksit parçacıklarına ek olarak, karanlık alan görüntüde tavlama ikizleri ortaya çıkar. ØŞekilde görüldüğü gibi, tane sınırları ve ikinci faz parçacıkları gibi mikroskobik özellikler, karanlık alan görüntüsünde kendiliğinden aydınlanır. 93

Işık mikroskobunda tane sınırlarının aşınmasıyla oluşan kontrast: (a) bir yüzeyin farklı kısımlarından yansıma (b) karanlık çizgiler olarak görünen tane sınırlarının mikrografı. 94

Elektrolitik demirin mikroyapısı a) Parlak Alan Görüntüleme b) Karanlık Alan Görüntüleme 95

Faz Kontrast Mikroskopisi ØFaz kontrastı, parlak alan modunda çok az kontrast oluşturan polimerler gibi örnekler için yararlı bir tekniktir. ØTeknikte, bir nesnenin ışık kırınımından kaynaklanan bir faz değişimi, bir genlik değişikliğine dönüştürülür. ØBu dönüşüm, ışık dalgalarının girişim fenomenine dayanır. Not: Girişim; iki veya daha fazla dalganın üste binerek, yeni bir dalga şeklinde sonuç vermesidir. İki ışık dalgası, ışık dalgasını oluşturan elektrik ve manyetik alan vektörleri vektörel olarak toplanabildiği için girişim yaparlar. Girişim sonucu, yeni elektrik ve manyetik alan vektörlerine sahip yeni bir dalga oluşur. 96

Yapıcı Girişim ØYapısal girişim, aralarında faz farkı olmayan iki dalga boyu dalgaları birleştirirken ortaya çıkar. 97

Yıkıcı Girişim ØAynı frekansta iki dalganın zıt fazda toplanması sonucunda girişim olmadan ki genliklerinden daha küçük bir dalga genliğiyle sonuçlanan etkileşim. Øİki dalgayı yarı dalgaboyunun faz farkı ile birleştirirken yıkıcı girişim oluşur. 98

Faz Kontrast Mikroskopisi 99

Polarize Işık Mikroskobu ØOptik anizotropi sergileyen örnekleri incelemek için polarize ışık kullanılır. ØOptik anizotropi, materyaller farklı yönlerde farklı hızlarla ışık ilettiğinde veya yansıttığında ortaya çıkar. ØOptik anizotropi sergileyen materyallerin çoğu kübik olmayan kristal yapıya sahiptir. 100

Polarize Işık Mikroskobu 101

Polarize Işık Mikroskobu ØIşık, bir elektromanyetik dalga olarak, yayılma yönüne dik olarak her yöne titreşir. ØIşık dalgaları polarizör denilen polarize edici bir filtreden geçiyorsa, iletilen dalga tek bir düzlemde titreşir. ØBu ışık düzlem polarize ışık olarak adlandırılır. 102

Polarize Işık Mikroskobu ØPolarize ışık anizotropik malzemeden geçtirildiğinde veya yansıtıldığında, polarize ışık gelen düzlemden farklı bir düzlemde titreşir. ØBu tür polarizasyon değişiklikleri anizotropik materyallerle ilişkili kontrastı oluşturur. 103

Polarize Işık Mikroskobu Anizotropi: Belirli yönlerde (doğal veya kasıtlı olarak işlenerek elde edilen) yönlendirilmiş taneli malzemeler farklı yönlerde farklı mekanik, optik, manyetik veya dielektrik özelliklere sahiptir. 104

Polarize ışık ve anizotropik nesne arasındaki etkileşimler Çift kırılgan kristaller; İki dikey yönde farklı kırılma indislerine sahip optikçe geçirgen yapıdaki maddeler. 105

ØBir polarize ışık ışını çift kırıcı bir kristale çarptığında, ışık ışını birbirine dik iki düzlemde titreşen iki polarize ışık dalgalarına (sıradan dalga ve olağanüstü dalga) ayrılır. 106

Øİki kırılma indisi olduğu için, iki bölünmüş ışık ışını farklı hızlarda (hız) hareket eder ve bu nedenle faz farkı gösterirler. Øİki dik düzlemde titreşen ve bir faz farkı olan bu iki ışın, dalgalarının elektrik vektörleri eklendiğinden polarize ışık üretir. ØOrtaya çıkan polarize ışığa eliptik olarak polarize ışık denir çünkü bir düzlemde elde edilen vektörlerin projeksiyonu eliptiktir. 107

ØEğer iki polarize ışık dalgası λ / 4 faz farkına sahipse, ortaya çıkan ışığın izdüşümü bir spiral çemberdir. ØEğer iki polarize ışık dalgası λ / 2 faz farkına sahipse, ortaya çıkan ışığın izdüşümü doğrusaldır. ØEğer iki polarize ışık dalgası başka bir faz farkına sahipse, ortaya çıkan ışının izdüşümü spiral bir elipstir. 108

Analizör ØOrtaya çıkan ışıktaki farklılıklar, analizör denen başka polarizasyon filtresi ile tespit edilebilir. ØHem polarizör hem de analizör sadece düzlem polarize ışığın iletilmesine izin verebilir. ØAnalizör polarize ediciye göre farklı bir polarizasyon düzlemine sahiptir. Eliptik polarize ışık değiştiğinde bir analizörden geçen polarize ışığın yoğunluk değişimi. Polarizör ve analiz cihazı çapraz konumdadır. 109

Saf titanyum numunesi için polarize ışık mikroskopisi örneği: (a) parlak alan görüntüsü; ve (b) tanelerin ortaya çıkarıldığı polarize ışık görüntüsü. 110

ØKristalize, yüksek yoğunluklu polietilen numunesine ait (HDPE) polarize ışık mikrografı. 111

Polarize Işık Mikroskobunun Uygulamaları ØPolarize ışık, anizotropik malzemelerin, özellikle de aşındırma zor olduğunda, kontrastını arttırabilir. ØAnizotropik kaplamaların kesitlerinden kalınlığı polarize ışık ile incelenebilir. İzotropik metaller üzerindeki kalın bir oksit film, filmdeki yüzey düzensizliklerinden kaynaklanan çift yansıma nedeniyle onları polarize ışığın yönüne duyarlı hale getirir. 112

Polarize Işık Mikroskobunun Uygulamaları ØJeolojik numunelerin ve minerallerin tanımlanması için polarize ışık mikroskopisi kullanılabilir. ØMetamorfik bir kaya olan fillit, kristallerin sıcaklığın ve stresin etkileri altında hizalanmasını açıkça göstermektedir. 113

Polarize Işık Mikroskobunun Uygulamaları ØSaf Alüminyum Mikroyapı a) Parlak Alan b) Polarize Işık 114

Polarize Işık Mikroskobunun Uygulamaları ØTitanyumkemik implantının arayüzü 115

Nomarski Mikroskobu ØNomarski mikroskopi, diferansiyel girişim kontrastını (DIC) kullanan bir inceleme modudur. ØDIC'nin ürettiği görüntüler, görünür gölgeler ve kabartma benzeri bir görünüm ile aldatıcı bir şekilde üç boyutludur. ØNomarski mikroskobu polarizör ile polarize ışık kullanır ve analizör polarize ışık modunda olduğu gibi kurgulanır. 116

Nomarski Mikroskobu ØAyrıca, çift kuvars prizmalar; (Wollaston prizmalar veya DIC prizmalar) polarize ışığı bölmek ve bir faz farkı oluşturmak için kullanılır. Ø Wollaston prizması ortogonal eksenlere sahip iki adet üçgen kalsit prizmasının yapıştırılması ile oluşan diğer bir çiftkırılım polarizörüdür. İç arayüzde polarize olmamış bir ışın, prizmayı 15 -45 derecelik bir sapma açısıyla terkeden iki lineer polarizasyonlu ışına ayrılır. 117

Nomarski Mikroskobu ØPolarize ışık kullanarak Nomarski kontrast üretimi. Øİlk DIC prizması, polarizörün arkasına ve kondansatör merceğinin önüne yerleştirilir ve ikinci DIC prizması, objektif lensin arkasına ve analizörün önüne yerleştirilir. ØPrizmanın yarattığı iki ışın, görüntü düzleminde tutarlı bir şekilde birbirine karışır ve fazda farklılık gösteren iki hafifçe yer değiştirmiş görüntü üretir, böylece yükseklik kontrastı oluşturur. 118

Nomarski Mikroskobu ØBir örnek iki paralel arasında bir yol farkı oluşturmazsa, ikinci DIC prizması çiftleri yeniden birleştirir ve lineer polarize ışık üretir. Böylece, bir polarizör ile çapraz pozisyonda analizör ışık iletimini engeller. ØBir örnek, sağ taraftaki ışın çifti tarafından gösterildiği gibi, bir çift kirişte bir yol farkı oluşturuyorsa, ikinci DIC prizması tarafından üretilen yeniden birleştirilen çift, eliptik olarak polarize ışık olacaktır. 119

Nomarski Mikroskobu Yansıyan ışık aydınlatmasında Nomarski mikroskopisinin optik düzenlenmesi: 1 → polarizör; 2, → λ/4 - plaka; 3 → DIC prizması; 4 → objektif lens; 5 → örnek; 6 → ışık reflektörü ve 7 → analiz cihazı. 120

121

Nomarski Mikroskobu Nomarski kontrastının karbon çelik mikrograflarına etkileri: (a) parlak alan; ve (b) Aynı alanın Nomarski kontrastı. 122

Nomarski Mikroskobu 123

Nomarski Mikroskobu 124

Konfokal Mikroskobu ØKonfokal mikroskopi, üç boyutlu (3 D) optik çözünürlük sağlayan yeni bir tekniktir. ØKonfokal mikroskopta görüntü oluşumu geleneksel ışık mikroskobundan önemli ölçüde farklıdır. ØGeleneksel bir bileşik mikroskopla karşılaştırıldığında, modern bir konfokal mikroskop, yapısında iki farklı özelliğe sahiptir: bir lazer ışık kaynağı ve bir tarama cihazı. 125

Konfokal Mikroskobu ØBöylece, konfokal mikroskop genellikle konfokal lazer tarama mikroskobu (CLSM) olarak adlandırılır. ØLazer ışığı, numunedeki tek mikroskopik noktalardan görüntü sinyalleri oluşturmak için yüksek yoğunluklu bir ışın sağlar. ØTarama cihazı, bir bilgisayardaki 3 D görüntüyü oluşturmak için ışını dikdörtgen bir numune alanında hareket ettirir. 126

Konfokal Mikroskopu Konfokal mikroskobunun çalışma prensibi. 127

Konfokal Mikroskopu ØLazer ışını, yansıyan ışının toplanması için objektif bir mercek olarak görev yapan bir kondenser merceğin numunenin belirli bir odak düzlemi üzerinde yoğun bir nokta olarak odaklanır. ØBir ışık deliği açıklığı, ışık detektörünün önünde bir konfokal düzlemde yerleştirilir. ØHer defasında örnekte odak noktasından sadece ışık sinyalleri kaydedilir. Øİğne deliği açıklığı büyük miktarda yansıyan ışığı bloke edebileceğinden, detektör tarafından yeterli sinyallerin alınmasını sağlamak için yüksek yoğunluklu lazer aydınlatması gereklidir. ØDetektör genellikle bir bilgisayarda görüntü işleme için ışık sinyallerini elektrik sinyallerine dönüştüren bir fotomultiplier tüpdür (PMT). 128

Konfokal Mikroskopu ØOdak düzleminin bir görüntüsünü elde etmek için, düzlem iki yanal doğrultuda taranmalıdır (x-y yönleri). ØBir numunenin 3 boyutlu görüntüsünü elde etmek için, farklı dikey konumlardaki düzlem görüntüleri de kaydedilmelidir. ØBir tarama cihazı, odak lazer noktasını düzlemdeki x-y yönlerinde, raster adı verilen düzenli bir modelde hareket ettirir. ØBir tarama düzlemini bitirdikten sonra, bir sonraki paralel düzlemi taramak için odak noktası dikey yönde hareket ettirilir. 129

Konfokal Mikroskopu ØTarama modları (a) örnek taraması (b) lazer taraması. 130

Örnek Taraması ØÖrnek taraması, erken konfokal mikroskoplarda kullanılmıştır. Bu sistemde, örnek odak noktasına göre hareket ederken ve optik düzenleme sabit tutulur. ØIşın her zaman mikroskopta optik eksende bulunur, böylece optik sapma en aza indirilir. Bu yöntemin ana dezavantajı düşük tarama hızıdır. 131

Lazer Taraması ØLazer tarama, karşılıklı olarak dikey eksenler boyunca dönen iki tarama aynası ile gerçekleştirilir. ØTarama aynası, aynanın yansıtma açısını hassas bir şekilde değiştirerek odak noktasını numunede hareket ettirebilir. ØSpotun dikey pozisyonunun değiştirilmesi, numunenin lazer tarama yönteminde hareket ettirilmesiyle gerçekleştirilir. 132

Çözünürlük ØKonfokal mikroskopun çözünürlüğü esas olarak lazer ışınının odak noktasının büyüklüğüne göre belirlenir. ØYaklaşık 0. 2 um büyütme ile yüksek çözünürlük elde edilebilir. ØNumunenin opaklığına bağlı olarak, 200μm'ye kadar kalınlığa sahip bir 3 D görüntü örneği de elde edilebilir. 133

134

135

136

137

• http: //zeiss-campus. magnet. fsu. edu/tutorials/ • http: //www. microscopyu. com/tutorials • http: //olympusmicro. com/galleries/polarizedlight/index. html • http: //www. youtube. com/watch? list=PLA 805902168850295&v=Nl. TYHe. LZ 5 co&feature=player _detailpage 138