טוב מראה עיניים, על מיקרוסקופ אלקטרונים סורק

כאשר מכשיר חשמלי מפסיק לעבוד ישנן שתי גישות שכדאי לנקוט במקביל לאיתור התקלה. הראשונה היא לבדוק את תקינות המעגל החשמלי בנקודות שונות בעזרת מד-מתח למשל. השניה היא פשוט להתבונן במעגל ולראות האם משהו נראה לא כשורה כגון קבל שרוף או חוט מנותק. אך מה תעשו אם המעגל שלכם הוא שבב מוליך-למחצה שעליו מודפסים מספר עצום של טרנזיסטורים בגודל ננומטרי? שתי הגישות עדיין תקפות רק שכדי לראות את המעגל יש להשתמש במיקרוסקופ מתאים, למשל מיקרוסקופ אלקטרונים סורק (Scanning electron microscope או בקיצור SEM) שבו אנחנו רואים באמצעות אלקטרונים במקום באמצעות אור.

מהו אותו SEM וכיצד הוא עובד?

תמונה 1: הדמיה של סוגים שונים של אבקנים באמצעות SEM בהגדלה פי 500, כך שגודלו של האבקן דמויי השעועית בפינה השמאלית למטה הוא כ-50 מיקרומטר (סדר גודל של קוטר שערה). המקור לתמונה: ויקיפדיה.

ראשית אציין שישנם מספר סוגים של מיקרוסקופ אלקטרונים אך אני מתמקד כאן ב-SEM, שהוא כלי נפוץ למדי במעבדות מחקר וגם בתעשיה. בניגוד לחלק גדול משיטות המיקרוסקופיה המתקדמות שנמצאות בשימוש כיום ה-SEM כלל אינו חדש. כבר בשנות ה-30 של המאה הקודמת פותחו המכשירים הראשונים במעבדות, ושווקו לראשונה באופן מסחרי בשנות ה-60.

אם במיקרוסקופ אופטי מואר משטח באמצעות קרני אור ונעשה שימוש בקרניים המוחזרות ממנו כדי להרכיב תמונה, במיקרוסקופ אלקטרונים נעשה שימוש בקרני אלקטרונים. היתרון העיקרי הוא שיפור משמעותי ברזולוציה המרחבית לרמה של ננומטרים בודדים (במיקרוסקופ אופטי – כמה מאות) עקב אורך הגל הקצר יותר של האלקטרונים. ישנם שני יתרונות חשובים נוספים ל-SEM ביחס לשיטות מיקרוסקופיה סורקות אחרות. הראשון הוא מהירות הסריקה הגבוהה שמאפשרת להתבונן בדגם בזמן אמת והשני הוא עומק השדה הגדול. הכוונה באחרון היא שהמרחק בין העצמים הרחוקים והקרובים ביותר שיראו בפוקוס בו-זמנית גדול באופן יחסי. תכונה זאת מאפשרת לראות עצמים תלת-ממדיים באיכות גבוהה, כפי שניתן לראות בתמונה 1.

הפיזיקה

כאשר קרן האלקטרונים פוגעת במשטח חלקם מתנגשים בו ומוחזרים עם אנרגיה גבוהה. לחלופין, חלקם חודרים לחומר, מתנגשים באטומים ונעים בכיוונים אקראיים תוך איבוד הדרגתי של האנרגיה שלהם. תוך כדי תהליך זה נפלטים מהחומר אלקטרונים בעלי אנרגיה נמוכה 'שנקרעו' מהאטומים ונקראים 'שְנִיוֹנִיים' ונפלטת גם קרינה אלקטרומגנטית. צורתו של הנפח שבו מתרחשת האינטרקציה של האלקטרונים החודרים עם האטומים דומה לדמעה או לבצל (ראו איור 2) וגודלו תלוי באנרגיה של הקרן, במספר האטומי של החומר ובצפיפותו. גם האלקטרונים הניתזים חזרה, גם האלקטרונים השניוניים שנפלטים וגם הקרינה ניתנים למדידה על ידי שימוש בגלאי מתאים שממוקם נכון. השימוש הסטנדרטי והמוכר ביותר, שבו אתמקד, הוא גילוי של אלקטרונים שניוניים.

איור 2: תיאור סכמטי של פגיעת קרן אלקטרונים במשטח הדגם, ושל ההבדל באינטראקציה בין פגיעה במשטח אופקי למשטח אנכי.

קצהו של נפח האינטראקציה דמוי הבצל אמנם מגיע לעומק של כמה עשרות ננומטרים בתוך החומר אבל האנרגיה של האלקטרונים השניוניים נמוכה מידי ואינה מספיקה כדי להביאם לפני השטח וכדי לצאת מהחומר. רק אלקטרונים שמקורם בשכבה דקה ברוחב כמה ננומטרים בפני השטח מצליחים לצאת ולהגיע לגלאי.

נבחן שני מקרים המתוארים באיור 2. שתי קרני אלקטרונים פוגעות במשטח שעליו ישנה בליטה מלבנית. קרן אחת פוגעת במרכז הבליטה וקרן אחרת בדופן. הפס האדום מסמן את עומק השכבה הדקה ממנה נפלטים אלקטרונים שניוניים. ניתן לראות שבמקרה של פגיעה במשטח אנכי יש חפיפה רבה יותר בין המשטח האדום לבצל ולכן מספר האלקטרונים שיפלטו ויגיעו אל הגלאי רב יותר והאות הנמדד חזק יותר. בעקבות תכונה זאת משטחים אנכיים או כאלה בזווית יראו בתמונה בהירים יותר ממשטחים אופקיים. הניגודיות (contrast) מאפשרת לנו לייצר הדמיה של פני השטח ומעניקה לתמונה מראה תלת-מימדי. גורמים נוספים שתורמים לניגודיות בתמונת ה-SEM הם סוגי חומרים שונים, מוליכים אל מול מבודדים וגבהים שונים של פני השטח.

הפרטים הטכניים

כדי ליצור את קרן האלקטרונים ישנו ב-SEM חלק שדומה באופן רעיוני לתותח אלקטרונים שנמצא בכל טלוויזיה מהסוג הישן (CRT). האלקטרונים נפלטים עקב חימום קתודה מתכתית ועוברים דרך עדשות אלקטרוסטטיות ליישור הקרן ומיקודה. הקרן מכוונת מנקודה לנקודה במסלול מחזורי על ידי הפעלת שדה מגנטי לשם סריקת האזור הדרוש. גם התותח וגם הדגם הנסרק נמצאים יחדיו בואקום כדי למנוע מהאלקטרונים להתנגש במולקולות אוויר ולאבד כיוון ואנרגיה.

איור 3: דיאגרמה סכמטית המתארת את מבנה ה-SEM. המקור לאיור: ויקיפדיה, לשם הועלה על יד המשתמשים Steff, ARTE, MarcoTolo.

ב-SEM, בניגוד למיקרוסקופ אור, ההגדלה אינה נקבעת על ידי חוזק העדשות אלא על ידי היחס בין מספר הפיקסלים בתמונה, כלומר בין מספר נקודות הדגימה של הקרן, לבין המרחק האמיתי בין נקודה לנקודה על גבי הדגם. לדוגמה, נוכל לקבוע שאנחנו מייצרים תמונה שמורכבת מ-512 על 512 פיקסלים. כל פיקסל מקורו בנקודה על פני הדגם שבה פוגעת קרן האלקטרונים ונמדד האות הרלוונטי הנקלט בגלאי. ככל שהמרחק בין הפיקסלים גדול יותר כך התמונה היא של שטח רחב יותר וההגדלה קטנה יותר. התכונה הזאת מאפשרת לקבל באמצעות ה-SEM טווח עצום של הגדלות, בין פי 10 לפי 200,000 בערך, שזה פי 200 יותר גדול מההגדלה המרבית שניתן לקבל במיקרוסקופ אופטי.

הרזולוציה או כושר ההפרדה של ה-SEM תלויה ברוחב אלומת האלקטרונים. הכוונה היא לגודל 'הכתם' שהקרן תייצר אם תוקרן על מסך בזווית ישרה. בהדמיה של אלמנטים קטנים מרוחב הכתם התמונה שלהם 'תמרח' ורוחבם יראה כרוחב הקרן. רוחב האלומה נקבע על ידי אורך הגל ומערכת העדשות האלקטרוסטטיות. גורם נוסף המשפיע על הרזולוציה הוא רוחב נפח האינטראקציה של האלקטרונים בתוך החומר.

דגמים שנסרקים ב-SEM סטנדרטי צריכים להיות מוליכים חשמלית (לפחות בפני השטח) ומחוברים לאדמה (הארקה). דבר זה הכרחי כדי לפנות את האלקטרונים הנוספים שהגיעו מהקרן ונתקעו בדגם. אלקטרונים אלה ישנו את הפוטנציאל החשמלי ויגרמו לעיוות התמונה. אם הדגם אינו מוליך באופן טבעי ניתן לצפות אותו בשכבה דקה מאוד של חומר מוליך. כהערת אגב, קיים סוג נוסף של SEM שבו ניתן לבחון גם דגמים לא מוליכים וללא ציפוי.

ולסיכום, טוב מראה עיניים: מומלץ להציץ בגלריית תמונות SEM בתחתית דף הויקיפדיה בנושא המדגימה יפה את המנעד הרחב של השימושים למכשיר.

האם כדאי לנקות את האסלה בעזרת קולה? על חומצות ובסיסים

לפני כשנה, תוך כדי קמפיין שיווקי, הכריז מנכ"ל אחד מרשתות השיווק הנישתיות שבקולה יש חומרים שמשמשים לניקוי שירותים. אני מנחש שהוא התבלבל בין שני חומרים שנשמעו לו דומים ושהמשותף להם הוא ששניהם מוגדרים כחומצות. חומצות מסוגים שונים נמצאות בחומרי ניקוי אך גם בקולה ובמיץ תפוזים. החומצה נמצאת גם בתוכנו. מנוזלי העיכול בקיבה ועד לאבני הבניין של הקוד הגנטי (ה-'A' ב-DNA לקוח מהמילה acid, כלומר חומצה).

אנחנו מוקפים בחומצות ומשתמשים בבסיסים כל הזמן. מה משותף לכל החומרים האלה? מה גורם לחומר אחד להיות חומצי לשני בסיסי ולשלישי לא זה ולא זה?

תמונה 1: למקרה שלא הייתם מודעים, כך נראים תפוזים ומיץ שנסחט מהם. המקור לתמונה: משרד החקלאות האמריקאי דרך ויקיפדיה.

את רוב החומצות אנחנו מכירים כאשר הן מומסות במים. במקרה, או שלא, זאת גם הדרך הפשוטה ביותר לעמוד על קנקנן. מסיבה זאת לפני שמסבירים את המושג 'חומצה', ראשית כדי לדון בשתי תכונות מיוחדות של מים.

כפי שכולם ודאי יודעים, מולקולת המים מורכבת משני אטומי מימן ואטום חמצן אחד, או בסימון כימי: H₂O. אבל זה לא סוף הסיפור. בכוס המים ממנה אתם לוגמים מתרחש תהליך בלתי פוסק של פירוק והרכבה. בכל רגע נתון חלק זעיר ממולקולות המים מתפרק ליונים ⁺H ו- ^–OH, וחלק מהיונים מתאחדים חזרה למולקולת מים. יון הוא אטום או מולקולה שבהם מספר האלקטרונים שונה ממספר הפרוטונים ולכן הוא בעלי מטען חשמלי. היון חיובי ומסומן בפלוס אם מספר האלקטרונים נמוך ממספר הפרוטונים ולהפך. כמו כן, שימו לב ש- ⁺H הוא למעשה שם מהודר לפרוטון. במים הפרוטון לא נשאר לבד ולכן יופיע בצורת יון הידרוניום: ⁺H₃O ניתן לסכם את התהליך בכיתוב הכימי הבא:

H₂O (l)+ H₂O (l)↔ H₃O⁺(aq)+ OH^–(aq)

כלומר שתי מולקולות מים מתפרקות ליון הידרוניום חיובי ויון הידרוקסיד שלילי. החץ הדו-כיווני מסמן שהתהליך ההפוך מתרחש גם כן, (l) מסמל נוזל ו-(aq) מסמל מומס במים. בכל רגע נתון תהיה מולקולה מפורקת אחת על כל 10⁷ מולקולות שלמות. תהליך הפירוק וההרכבה נמצא בשיווי משקל כימי, וניתן להראות (ראו מסגרת 2) שמכפלת הריכוזים של ההידרוניום וההידרוקסיד היא מספר קבוע. דמו את המצב לנדנדה, היא יכולה להיות מאוזנת, אבל אם צד אחד יורד הצד השני חייב לעלות באותה מידה.

ערכם של ריכוזי הרכיבים המפורקים יכול להשתנות בתחום רחב מאוד (סדרי גודל) ולכן נוח להביע אותו באופן לוגריתמי. כך מתקבל סולם ה-pH שהוא בעצם הלוגריתם של ריכוז הפרוטונים או ההידרוניום במים (ראו מסגרת 2). pH=7 הוא מצב שיווי המשקל של מים טהורים שבו ישנה מולקולת הידרוניום על כל 10⁷ מולקולות של מים.

מסגרת 2: שיווי משקל במים והגדרת ה-pH לחובבי משוואות כמוני. יותר פורמליזם, יותר צבע, פחות מילים.

למים יש עוד תכונה חשובה לעניינינו. יש להם יכולת לשבור בקלות סוגים מסוימים של קשרים כימיים (למשל יוניים או קוולנטיים פולריים). דוגמה אחת היא הוספה של נתרן-כלורי (NaCl או מלח בישול) למים שתוביל לשבירת הקשר הכימי ולקבלת היונים ⁺Na ו- ^–Cl. דוגמה נוספת היא הוספה של HCl שתגרום לקבלת היונים ⁺H ו- ^–Cl.שימו לב שהפירוק של האחרון גורם לעליה בכמות ההידרוניום במים. אם נניח למשל שריכוז ההידרוניום עלה ולכן במקום 1 על כל 10⁷ מולקולות של מים יש 1 על כל 10⁶ זה אומר שה-pH ירד ל-6, וזאת ההגדרה לחומצה. תמיסה שה-pH שלה נמוך מ-7, כלומר שריכוז ההידרוניום עלה ביחס למצב הרגיל, היא חומצית. אם המסת חומר במים גורמת לעליה בריכוז ההידרוניום הוא מוגדר כחומצה.

סימונו הכימי של נתרן הידרוקסידי, או בשמו האחר סודה קאוסטית, הוא NaOH. כאשר הוא מתמוסס במים הוא מתפרק ליונים ⁺Na ו- ^–OH, כלומר הוא יעלה את ריכוז ההידרוקסיד בתמיסה. עקב תנאי שיווי המשקל דבר זה יגרור לירידה בריכוז ההידרוניום. לדוגמה, אם ריכוז ההידרוקסיד עולה מ-1 ל-10⁷ מולקולות מים ל-1 ל-10⁶, זה אומר שריכוז ההידרוניום ירד ל-1 ל-10⁸, כלומר ה-pH עולה ל-8. אם המסת חומר במים גורמת לירידה בריכוז ההידרוניום הוא מוגדר כבסיס.

[הערת שוליים: ישנן עוד שתי הגדרות לחומצה שמרחיבות את היריעה ומאפשרות לטפל בעוד מקרים, אך לעת עתה נשאיר אותן לכימאים]

תמונה 3: כדוריות של נתרן הידרוקסידי או בשמו השני סודה קאוסטית. המקור לתמונה: ויקיפדיה, לשם הועלתה על ידי המשתמש Walkerma.

אז למה אנחנו כל כך פוחדים מחומצות? מסיבה טובה, אם הן חזקות מספיק הן גורמות לכוויות. הסיבה לכך היא שחומצות ובסיסים גורמים לעידוד הפירוק במים של קשרים כימיים מסוימים שמרכיבים חלבונים ושומנים (בתהליך הידרוליזה). הבעיה היא, כמובן, שהתאים שלנו מורכבים מחלבונים ושומנים. אגב, התהליך הזה בין שומן לבסיס משמש גם בתעשיה ליצירת סבון.

אז למה תפוז לא גורם לנו כוויות? רמת הסכנה הנובעת מתמיסה חומצית או בסיסית תלויה בריכוז של החומר המומס במים וב'חוזק' שלו. החוזק של חומצה תלוי בנטיה שלה לאבד פרוטון למים. בחומצות חזקות כל מולקולת חומצה תתרום פרוטון. בחומצות חלשות רק חלק מהמולקולות יעברו יינון והשאר לא יתרמו פרוטון. החומצה HCl שנמצאת גם בקיבה שלנו היא דוגמה לחומצה חזקה וחומצה ציטרית שנמצאת בפירות הדר היא דוגמה לחומצה חלשה.

מה יקרה כאשר נערבב חומצה ובסיס? יתרחש תהליך שנקרא סתירה שבו שניהם מאבדים מ'כוחם' (אך התמיסה לא בהכרח תגיע ל-pH 7). במקרים הפשוטים שבהם אנחנו עוסקים התוצרים של התהליך הם מים ומלח (לא בהכרח מלח בישול). במקרים רבים התהליך גם מלווה בפליטת חום. ניתן לנסח את התהליך באופן כללי בכיתוב כימי כך:

HA + BOH → BA + H₂O

שבו HA היא החומצה, BOH הבסיס ו-BA המלח. ועבור HCl ו-NaOH:

HCl + NaOH  → NaCl + H₂O

ושתי הערות לסיום: 1) אם חומצה חזקה כבר עליכם, אל תנסו לסתור אותה. היכנסו למקלחת ומזערו נזקים. 2) התשובה לשאלה בכותרת היא לא! הקולה מפוצצת בסוכר והאסלה תיהפך דביקה.