Jak działa mikroskop elektronowy? Czym różni się od mikroskopu optycznego, czy jest między nimi jakaś analogia?

Działanie mikroskopu elektronowego opiera się na właściwości niejednorodnych pól elektrycznych i magnetycznych, które mają symetrię obrotową, powodując skupianie wiązek elektronów. Zatem rolę soczewek w mikroskopie elektronowym pełni zespół odpowiednio obliczonych pól elektrycznych i magnetycznych; odpowiednie urządzenia tworzące te pola nazywane są „soczewkami elektronicznymi”.

W zależności od rodzaju soczewek elektronicznych mikroskopy elektronowe dzielą się na magnetyczne, elektrostatyczne i kombinowane.

Jakiego rodzaju obiekty można badać za pomocą mikroskopu elektronowego?

Podobnie jak w przypadku mikroskopu optycznego, przedmioty mogą po pierwsze być „samoświecące”, czyli służyć jako źródło elektronów. Jest to na przykład podgrzewana katoda lub oświetlona katoda fotoelektronowa. Po drugie, można zastosować obiekty „przezroczyste” dla elektronów z określoną prędkością. Innymi słowy, podczas pracy w transmisji obiekty muszą być wystarczająco cienkie, a elektrony wystarczająco szybkie, aby mogły przejść przez obiekty i dostać się do układu soczewek elektronowych. Ponadto za pomocą odbitych wiązek elektronów można badać powierzchnie masywnych obiektów (głównie metali i próbek metalizowanych). Ta metoda obserwacji jest podobna do metod odblaskowej mikroskopii optycznej.

Zgodnie z charakterem badania obiektów mikroskopy elektronowe dzielą się na transmisję, odbicie, emisję, raster, cień i lustro.

Najpopularniejsze obecnie mikroskopy elektromagnetyczne typu transmisyjnego, w których obraz tworzony jest przez elektrony przechodzące przez obiekt obserwacji. Składa się z następujących głównych elementów: systemu oświetleniowego, kamery obiektowej, układu ogniskowania oraz zespołu rejestracji końcowego obrazu, składającego się z kamery i ekranu fluorescencyjnego. Wszystkie te węzły są ze sobą połączone, tworząc tzw. Kolumnę mikroskopową, wewnątrz której utrzymywane jest ciśnienie. System oświetleniowy składa się zwykle z trójelektrodowego działa elektronowego (katoda, elektroda skupiająca, anoda) i soczewki kondensora (mówimy o soczewkach elektronowych). Tworzy wiązkę szybkich elektronów o wymaganym przekroju i natężeniu i kieruje ją do badanego obiektu znajdującego się w komorze obiektowej. Wiązka elektronów przechodząca przez obiekt wchodzi do układu skupiającego (projekcji) składającego się z soczewki obiektywu i jednej lub więcej soczewek projekcyjnych.

Termin „mikroskop” ma greckie korzenie. Składa się z dwóch słów, które w tłumaczeniu oznaczają „mały” i „wyglądam”. Główną rolą mikroskopu jest jego zastosowanie w badaniu bardzo małych obiektów. Jednocześnie urządzenie to pozwala określić wielkość i kształt, budowę i inne cechy ciał niewidoczne gołym okiem.

Historia stworzenia

W historii nie ma dokładnej informacji o tym, kto był wynalazcą mikroskopu. Według niektórych źródeł został on zaprojektowany w 1590 roku przez ojca i syna Janssensów, wytwórców okularów. Kolejnym pretendentem do tytułu wynalazcy mikroskopu jest Galileo Galilei. W 1609 roku naukowcy ci zaprezentowali publiczności w Accademia dei Lincei instrument z wklęsłymi i wypukłymi soczewkami.

Na przestrzeni lat system oglądania mikroskopijnych obiektów ewoluował i udoskonalał. Ogromnym krokiem w jej historii było wynalezienie prostego, achromatycznie regulowanego urządzenia z dwoma obiektywami. System ten został wprowadzony przez Holendra Christiana Huygensa pod koniec XVII wieku. Okulary tego wynalazcy są nadal produkowane. Ich jedyną wadą jest niewystarczająca szerokość pola widzenia. Dodatkowo w porównaniu z konstrukcją nowoczesnych instrumentów, okulary Huygens mają niewygodne dla oczu umiejscowienie.

Szczególny wkład w historię mikroskopu wniósł producent takich przyrządów, Anton Van Leeuwenhoek (1632-1723). To on przyciągnął uwagę biologów na to urządzenie. Leeuwenhoek wykonał niewielkie produkty wyposażone w jeden, ale bardzo mocny obiektyw. Urządzenia takie były niewygodne w użyciu, ale nie podwajały defektów obrazu występujących w mikroskopach złożonych. Wynalazcom udało się naprawić tę wadę dopiero 150 lat później. Wraz z rozwojem optyki poprawiła się jakość obrazu w urządzeniach kompozytowych.

Udoskonalanie mikroskopów trwa do dziś. I tak w 2006 roku niemieccy naukowcy pracujący w Instytucie Chemii Biofizycznej Mariano Bossi i Stefan Hell opracowali nowy mikroskop optyczny. Ze względu na możliwość obserwacji obiektów o wymiarach 10 nm i trójwymiarowych obrazów 3D o wysokiej jakości, urządzenie nazwano nanoskopem.

Klasyfikacja mikroskopów

Obecnie istnieje szeroka gama instrumentów przeznaczonych do badania małych obiektów. Ich grupowanie opiera się na różnych parametrach. Może to być cel mikroskopu, przyjęta metoda oświetlenia, konstrukcja zastosowana w projekcie optycznym itp.

Jednak z reguły główne typy mikroskopów są klasyfikowane według rozdzielczości mikrocząstek, które można zobaczyć za pomocą tego systemu. Według tego podziału mikroskopy to:
- optyczny (światło);
- elektroniczny;
- prześwietlenie;
- sondy skanujące.

Najszerzej stosowane mikroskopy to mikroskopy świetlne. W sklepach optycznych dostępny jest ich szeroki wybór. Za pomocą takich urządzeń rozwiązuje się główne zadania badania konkretnego obiektu. Wszystkie pozostałe typy mikroskopów są klasyfikowane jako specjalistyczne. Zwykle stosuje się je w warunkach laboratoryjnych.

Każdy z powyższych typów urządzeń ma swoje własne podtypy, które są używane w tym czy innym obszarze. Ponadto dzisiaj można kupić mikroskop szkolny (lub edukacyjny), który jest systemem podstawowym. Konsumentom oferowane są także urządzenia profesjonalne.

Aplikacja

Do czego służy mikroskop? Oko ludzkie, będąc szczególnym biologicznym układem optycznym, charakteryzuje się pewnym stopniem rozdzielczości. Innymi słowy, odległość między obserwowanymi obiektami jest najmniejsza, gdy można je jeszcze rozróżnić. Dla normalnego oka rozdzielczość ta mieści się w granicach 0,176 mm. Ale rozmiary większości zwierząt i komórki roślinne, mikroorganizmy, kryształy, mikrostruktura stopów, metali itp. są znacznie mniejsze od tej wartości. Jak badać i obserwować takie obiekty? Tutaj z pomocą ludziom przychodzą różne typy mikroskopów. Na przykład urządzenia typ optyczny umożliwiają rozróżnienie struktur, w których odległość między elementami wynosi co najmniej 0,20 µm.

Jak działa mikroskop?

Urządzenie, za pomocą którego ludzkie oko może oglądać mikroskopijne obiekty, składa się z dwóch głównych elementów. Są to soczewka i okular. Te części mikroskopu osadzone są w ruchomej tubie umieszczonej na metalowej podstawie. Znajduje się na nim również stół przedmiotowy.

Nowoczesne typy mikroskopów są zwykle wyposażone w system oświetlenia. Jest to w szczególności kondensor z przysłoną irysową. Obowiązkowym zestawem urządzeń powiększających są mikro- i makrośruby, które służą do regulacji ostrości. Konstrukcja mikroskopów obejmuje również system kontrolujący położenie kondensora.

W wyspecjalizowanych, bardziej skomplikowanych mikroskopach często stosuje się inne dodatkowe systemy i urządzenia.

Soczewki

Opis mikroskopu chciałbym zacząć od opowieści o jednej z jego głównych części, czyli soczewce. Są złożonym układem optycznym, który zwiększa rozmiar rozpatrywanego obiektu w płaszczyźnie obrazu. Konstrukcja soczewek obejmuje cały system nie tylko pojedynczych, ale także dwóch lub trzech soczewek sklejonych ze sobą.

Złożoność takiej konstrukcji optyczno-mechanicznej zależy od zakresu zadań, które muszą zostać rozwiązane przez to lub inne urządzenie. Na przykład najbardziej złożony mikroskop ma do czternastu soczewek.

Obiektyw składa się z przedniej części i następujących po niej układów. Na jakiej podstawie buduje się wizerunek? wymagana jakość, a także określenie stanu pracy? To jest przedni obiektyw lub ich układ. Aby zapewnić wymagane powiększenie, ogniskową i jakość obrazu, niezbędne są kolejne części obiektywu. Takie funkcje są jednak możliwe tylko w połączeniu z przednim obiektywem. Warto również wspomnieć, że konstrukcja kolejnej części wpływa na długość tubusu i wysokość obiektywu urządzenia.

Okulary

Te części mikroskopu stanowią układ optyczny przeznaczony do konstruowania niezbędnego obrazu mikroskopowego na powierzchni siatkówki oka obserwatora. Okulary zawierają dwie grupy soczewek. To, które znajduje się najbliżej oka badacza, nazywa się okularowym, a najdalsze polowym (za jego pomocą soczewka buduje obraz badanego obiektu).

System oświetleniowy

Mikroskop ma złożony projekt z przysłon, luster i soczewek. Za jego pomocą zapewnione jest równomierne oświetlenie badanego obiektu. Już w pierwszych mikroskopach pełniono tę funkcję. W miarę udoskonalania przyrządów optycznych zaczęto stosować najpierw zwierciadła płaskie, a następnie wklęsłe.

Za pomocą takich prostych szczegółów promienie słońca lub lampy kierowano na przedmiot badań. W nowoczesnych mikroskopach jest to bardziej zaawansowane. Składa się ze skraplacza i kolektora.

Tabela tematyczna

Preparaty mikroskopowe wymagające badania umieszcza się na płaskiej powierzchni. To jest tabela obiektów. Różne rodzaje mikroskopy mogą mieć daną powierzchnię, zaprojektowane w taki sposób, aby obiekt badań obracał się w stronę obserwatora w poziomie, w pionie lub pod określonym kątem.

Zasada działania

W pierwszym urządzeniu optycznym układ soczewek dawał odwrotny obraz mikroobiektów. Umożliwiło to rozpoznanie struktury materii i najdrobniejsze szczegóły, które były przedmiotem badań. Zasada działania dzisiejszego mikroskopu świetlnego jest podobna do pracy wykonywanej przez teleskop refrakcyjny. W tym urządzeniu światło przechodzi przez szklaną część załamując się.

Jak powiększają współczesne mikroskopy świetlne? Po wejściu do urządzenia wiązki promieni świetlnych zamieniają się one w strumień równoległy. Dopiero wtedy w okularze następuje załamanie światła, dzięki czemu obraz mikroskopijnych obiektów ulega powiększeniu. Następnie informacja ta dociera w formie niezbędnej dla obserwatora w jego wnętrzu

Podtypy mikroskopów świetlnych

Współcześni klasyfikują:

1. Według klasy złożoności mikroskopów badawczych, roboczych i szkolnych.
2. Według obszaru zastosowania: chirurgiczne, biologiczne i techniczne.
3. Według rodzajów mikroskopii: urządzenia światła odbitego i przechodzącego, kontakt fazowy, luminescencyjny i polaryzacyjny.
4. Według kierunku Strumień świetlny w odwrócone i proste.

Mikroskopy elektronowe

Z biegiem czasu urządzenie przeznaczone do badania mikroskopijnych obiektów stawało się coraz bardziej wyrafinowane. Pojawiły się tego typu mikroskopy, w których zastosowano zupełnie inną zasadę działania, niezależną od załamania światła. W procesie wykorzystania najnowszych typów urządzeń zaangażowane były elektrony. Takie układy pozwalają zobaczyć poszczególne części materii tak małe, że promienie świetlne po prostu opływają je.

Do czego służy mikroskop elektronowy? Służy do badania struktury komórek na poziomie molekularnym i subkomórkowym. Podobne urządzenia służą również do badania wirusów.

Urządzenie mikroskopów elektronowych

Co leży u podstaw działania najnowszych przyrządów do oglądania obiektów mikroskopowych? Czym różni się mikroskop elektronowy od mikroskopu świetlnego? Czy są między nimi jakieś podobieństwa?

Zasada działania mikroskopu elektronowego opiera się na właściwościach pól elektrycznych i magnetycznych. Ich symetria obrotowa może mieć efekt ogniskowania wiązek elektronów. Na tej podstawie możemy odpowiedzieć na pytanie: „Czym różni się mikroskop elektronowy od mikroskopu świetlnego?” W przeciwieństwie do urządzenia optycznego nie posiada soczewek. Ich rolę pełni odpowiednio obliczone pole magnetyczne i elektryczne. Tworzą je zwoje cewek, przez które przepływa prąd. W tym przypadku takie pola działają podobnie, gdy prąd rośnie lub maleje, zmienia się ogniskowa urządzenia.

Jeśli chodzi o schemat obwodu, w przypadku mikroskopu elektronowego jest on podobny do schematu urządzenia świetlnego. Jedyna różnica polega na tym, że elementy optyczne zastąpiono podobnymi elementami elektrycznymi.

Powiększenie obiektu w mikroskopach elektronowych następuje w wyniku procesu załamania wiązki światła przechodzącej przez badany obiekt. Pod różnymi kątami promienie wpadają w płaszczyznę obiektywu, gdzie następuje pierwsze powiększenie próbki. Następnie elektrony wędrują do soczewki pośredniej. Następuje w nim płynna zmiana wzrostu rozmiaru obiektu. Ostateczny obraz badanego materiału tworzony jest przez soczewkę projekcyjną. Stamtąd obraz trafia na fluorescencyjny ekran.

Rodzaje mikroskopów elektronowych

Nowoczesne typy obejmują:

1. TEM, czyli transmisyjny mikroskop elektronowy. W tej instalacji obraz bardzo cienkiego obiektu, o grubości do 0,1 mikrona, powstaje w wyniku oddziaływania wiązki elektronów z badaną substancją i jej późniejszego powiększenia przez soczewki magnetyczne umieszczone w soczewce.
2. SEM, czyli skaningowy mikroskop elektronowy. Urządzenie takie pozwala uzyskać obraz powierzchni obiektu z dużą rozdzielczością, rzędu kilku nanometrów. Przy stosowaniu dodatkowych metod taki mikroskop dostarcza informacji, które pomagają określić skład chemiczny warstwy przypowierzchniowe.
3. Tunelowy skaningowy mikroskop elektronowy, w skrócie STM. Za pomocą tego urządzenia mierzy się relief powierzchni przewodzących z dużą rozdzielczością przestrzenną. W procesie pracy z STM do badanego obiektu przykładana jest ostra metalowa igła. W tym przypadku zachowana jest odległość zaledwie kilku angstremów. Następnie do igły przykładany jest niewielki potencjał, w wyniku czego powstaje prąd tunelowy. W tym przypadku obserwator otrzymuje trójwymiarowy obraz badanego obiektu.

Mikroskopy „Leevenguk”

W 2002 roku ukazał się w Ameryce Nowa firma, zajmująca się produkcją przyrządów optycznych. W asortymencie firmy znajdują się mikroskopy, teleskopy i lornetki. Wszystkie te urządzenia wyróżniają się wysoka jakość Obrazy.

Siedziba firmy oraz dział rozwoju znajdują się w USA, w Fremond (Kalifornia). Ale jeśli chodzi o zakłady produkcyjne, znajdują się one w Chinach. Dzięki temu firma dostarcza na rynek zaawansowane i produkty wysokiej jakości za rozsądną cenę.

Czy potrzebujesz mikroskopu? Levenhuk zaoferuje wymagana opcja. Oferta sprzętu optycznego firmy obejmuje urządzenia cyfrowe i biologiczne służące do powiększania badanego obiektu. Ponadto kupującemu oferowane są designerskie modele w różnych kolorach.

Mikroskop Levenhuk ma rozbudowaną funkcjonalność. Na przykład podstawowe urządzenie dydaktyczne można podłączyć do komputera i ma ono także możliwość nagrywania wideo prowadzonych badań. Model Levenhuk D2L jest wyposażony w tę funkcję.

Firma oferuje mikroskopy biologiczne różnych poziomów. To i więcej proste modele oraz nowe przedmioty, które są odpowiednie dla profesjonalistów.

Mikroskop elektronowy Mikroskop elektronowy to urządzenie, które pozwala uzyskać obrazy obiektów przy maksymalnym powiększeniu do 10 6 razy, dzięki zastosowaniu wiązki elektronów zamiast strumienia światła. Rozdzielczość mikroskopu elektronowego jest 1000-10000 razy większa niż rozdzielczość mikroskopu świetlnego i dla najlepszych współczesnych instrumentów może wynosić kilka angstremów (10 -7 m).

Pojawienie się mikroskopu elektronowego stało się możliwe po szeregu odkryć fizycznych koniec XIX początek XX wieku. Jest to odkrycie elektronu w 1897 r. (J. Thomson) i odkrycie eksperymentalne w 1926 r. właściwości falowych elektronu (K. Davisson, L. Germer), potwierdzające wysuniętą w 1924 r. przez de Broglie hipotezę o fali -dualizm cząsteczkowy wszystkich rodzajów materii. W 1926 roku niemiecki fizyk H. Busch stworzył soczewkę magnetyczną, która umożliwiała skupianie wiązek elektronów, co było warunkiem wstępnym powstania w latach trzydziestych XX wieku pierwszego mikroskopu elektronowego. W 1931 r. R. Rudenberg otrzymał patent na transmisyjny mikroskop elektronowy, a w 1932 r. M. Knoll i E. Ruska zbudowali pierwszy prototyp nowoczesnego urządzenia. Praca E. Ruskiego została uhonorowana Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki w 1986 roku, którą przyznano jemu oraz wynalazcom mikroskopu z sondą skanującą, Gerdowi Karlowi Binnigowi i Heinrichowi Rohrerowi. W 1938 Ruska i B. von Borries zbudowali prototyp przemysłowego transmisyjnego mikroskopu elektronowego dla firmy Siemens-Halske w Niemczech; instrument ten ostatecznie umożliwił osiągnięcie rozdzielczości 100 nm. Kilka lat później A. Prebus i J. Hiller zbudowali pierwszy OPEM o wysokiej rozdzielczości na Uniwersytecie w Toronto (Kanada). Pod koniec lat trzydziestych i na początku czterdziestych XX wieku pojawiły się pierwsze skaningowe mikroskopy elektronowe (SEM), które tworzyły obraz obiektu poprzez sekwencyjne przesuwanie po obiekcie sondy elektronowej o małym przekroju poprzecznym. Masowe wykorzystanie tych urządzeń w badania naukowe rozpoczęły się w latach sześćdziesiątych XX wieku, kiedy osiągnęły znaczną doskonałość techniczną. SEM w obecnej formie został wynaleziony w 1952 roku przez Charlesa Otleya. Co prawda wstępne wersje takiego urządzenia zostały zbudowane przez Knolla w Niemczech w latach trzydziestych XX wieku oraz przez Zvorykina i jego pracowników w RCA Corporation w latach sześćdziesiątych XX wieku, ale dopiero urządzenie Otleya mogło posłużyć za podstawę szeregu udoskonaleń technicznych, których kulminacją we wprowadzeniu do produkcji wersja przemysłowa REM w połowie lat 60.

Istnieją dwa główne typy mikroskopów elektronowych. transmisyjny mikroskop elektronowyW latach trzydziestych XX wieku wynaleziono konwencjonalny transmisyjny mikroskop elektronowy (OPEM), w latach pięćdziesiątych rastrowy (skaningowy) mikroskop elektronowy - rastrowy (skanerowy) mikroskop elektronowy (SEM)

Transmisyjny mikroskop elektronowy z ultracienkiego obiektu Transmisyjny mikroskop elektronowy (TEM) to układ, w którym obraz ultracienkiego obiektu (o grubości około 0,1 µm) powstaje w wyniku oddziaływania wiązki elektronów z substancją próbki, a następnie powiększenia z soczewkami magnetycznymi (obiektyw) i nagrywanie na ekranie fluorescencyjnym. Transmisyjny mikroskop elektronowy jest pod wieloma względami podobny do mikroskopu świetlnego, ale do oświetlania próbek wykorzystuje wiązkę elektronów, a nie światło. Zawiera elektroniczny oświetlacz, szereg soczewek kondensorowych, soczewkę obiektywową i system projekcyjny pasujący do okularu, ale wyświetlający rzeczywisty obraz na ekranie fluorescencyjnym lub kliszy fotograficznej. Źródłem elektronów jest zwykle podgrzewana katoda z sześcioborku wolframu lub lantanu. Katoda jest elektrycznie odizolowana od reszty urządzenia, a elektrony są silnie przyspieszane pole elektryczne. Aby wytworzyć takie pole, katodę utrzymuje się na potencjale rzędu B w stosunku do innych elektrod, które skupiają elektrony w wąską wiązkę. Ta część urządzenia nazywa się reflektorem elektronicznym. jedna miliardowa atmosfery Ponieważ elektrony są silnie rozproszone w materii, w kolumnie mikroskopu, w którym poruszają się elektrony, musi panować próżnia. Utrzymuje się tutaj ciśnienie nieprzekraczające jednej miliardowej ciśnienia atmosferycznego.

Pole magnetyczne wytwarzane przez zwoje cewki przewodzącej prąd działa jak soczewka skupiająca, której ogniskową można zmieniać poprzez zmianę prądu. Cewki drutu przewodzące prąd skupiają wiązkę elektronów w taki sam sposób, w jaki szklana soczewka skupia wiązkę światła. Obraz elektroniczny tworzony jest przez elektryczne i pola magnetyczne w przybliżeniu taki sam jak światło - z soczewkami optycznymi. Zasadę działania soczewki magnetycznej ilustruje poniższy schemat.

KONWENCJONALNY TRANSMISJONALNY MIKROSKOP ELEKTRONOWY (OPEM). 1 – źródło elektronów; 2 – układ przyspieszający; 3 – membrana; 4 – soczewka kondensora; 5 – próbka; 6 – obiektyw; 7 – membrana; 8 – soczewka projekcyjna; 9 – ekran lub film; 10 – obraz powiększony. Elektrony są przyspieszane, a następnie skupiane przez soczewki magnetyczne. Powiększony obraz wytworzony przez elektrony przechodzące przez przysłonę obiektywu jest przekształcany na obraz widzialny na ekranie fluorescencyjnym lub zapisywany na kliszy fotograficznej. Szereg soczewek kondensora (pokazano tylko ostatnią) skupia wiązkę elektronów na próbce. Zazwyczaj ten pierwszy tworzy niepowiększony obraz źródła elektronów, podczas gdy drugi kontroluje wielkość oświetlonego obszaru na próbce. Apertura ostatniej soczewki kondensora określa szerokość wiązki w płaszczyźnie obiektu. Próbka Próbkę umieszcza się w polu magnetycznym soczewki obiektowej o dużej mocy optycznej – najważniejszej soczewki OPEM, która określa maksymalną możliwą rozdzielczość urządzenia. Aberracje obiektywu są ograniczone przez jego przysłonę, podobnie jak w aparacie mikroskop świetlny. Soczewka obiektowa wytwarza powiększony obraz obiektu (zwykle powiększenie około 100); dodatkowe powiększenie wprowadzane przez soczewki pośrednie i projekcyjne waha się od nieco mniej niż 10 do nieco więcej. Zatem powiększenie, które można uzyskać w nowoczesnych OPEM, waha się od mniej niż 1000 do ~ (Przy milionkrotnym powiększeniu grejpfrut rośnie do . wielkość Ziemi). Badany obiekt jest zwykle umieszczany na bardzo drobna siateczka, umieszczony w specjalnym uchwycie. Uchwyt może być mechaniczny lub elektrycznie płynnie poruszaj się w górę i w dół oraz w lewo i prawo.

Ostateczny powiększony obraz elektroniczny jest przekształcany w obraz widzialny za pomocą ekranu fluorescencyjnego, który świeci pod bombardowaniem elektronami. Ten obraz, zwykle o niskim kontraście, zwykle ogląda się przez lornetkowy mikroskop świetlny. Przy tej samej jasności taki mikroskop o powiększeniu 10 może stworzyć na siatkówce obraz 10 razy większy niż obserwowany gołym okiem. Czasami, aby zwiększyć jasność słabego obrazu, stosuje się ekran fosforowy z konwerterem elektronowo-optycznym. W takim przypadku ostateczny obraz można wyświetlić na zwykłym ekranie telewizora. Płyta fotograficzna zwykle daje wyraźniejszy obraz niż ten obserwowany gołym okiem lub zarejestrowany na taśmie wideo, ponieważ materiały fotograficzne, ogólnie rzecz biorąc, rejestrują elektrony wydajniej. Rozdzielczość.Rozdzielczość. Wiązki elektronów mają właściwości podobne do wiązek światła. W szczególności każdy elektron charakteryzuje się określoną długością fali. Rozdzielczość EM zależy od efektywnej długości fali elektronów. Długość fali zależy od prędkości elektronów, a zatem od napięcia przyspieszającego; Im wyższe napięcie przyspieszające, tym większa prędkość elektronów i krótsza długość fali, co oznacza wyższą rozdzielczość. Tak znaczącą przewagę rozdzielczości EM tłumaczy się faktem, że długość fali elektronów jest znacznie krótsza niż długość fali światła. Ponieważ jednak soczewki elektronowe nie skupiają tak dobrze jak soczewki optyczne (apertura numeryczna dobrej soczewki elektronowej wynosi tylko 0,09, podczas gdy dobra soczewka optyczna ma NA 0,95), rozdzielczość EM wynosi 50–100 długości fali elektronów. Nawet przy tak słabych soczewkach mikroskop elektronowy może osiągnąć granicę rozdzielczości rzędu ~0,17 nm, co pozwala na rozróżnienie poszczególnych atomów w kryształach. Osiągnięcie rozdzielczości tego rzędu wymaga bardzo starannego ustawienia instrumentu; w szczególności wymagane są bardzo stabilne zasilacze, a samo urządzenie (które może mieć ~2,5 m wysokości i ważyć kilka ton) oraz jego wyposażenie dodatkowe wymagają instalacji eliminującej wibracje. W OPEM można uzyskać wzrost aż do 1 miliona. Granica rozdzielczości przestrzennej (x, y) wynosi ~0,17 nm.

Skaningowa mikroskopia elektronowa Skaningowy mikroskop elektronowy (SEM) to urządzenie oparte na zasadzie oddziaływania wiązki elektronów z materią, którego zadaniem jest uzyskanie obrazu powierzchni obiektu z dużą rozdzielczością przestrzenną (kilka nanometrów), a także informacji o skład, struktura i niektóre inne właściwości warstw przypowierzchniowych. Rozdzielczość przestrzenna skaningowego mikroskopu elektronowego zależy od wielkości poprzecznej wiązki elektronów, która z kolei zależy od elektronu system optyczny, skupiając wiązkę. Obecnie nowoczesne modele SEM są produkowane przez wiele firm na całym świecie, w tym: Carl Zeiss NTS GmbH Niemcy FEI Company USA (połączona z Philips Electron Optics) FOCUS GmbH Niemcy Hitachi Japonia JEOL Japan (Japan Electron Optics Laboratory) Tescan Czechy

1 – źródło elektronów; 2 – układ przyspieszający; 3 – soczewka magnetyczna; 4 – cewki odchylające; 5 – próbka; 6 – detektor elektronów odbitych; 7 – detektor pierścieniowy; 8 – analizator W SEM soczewki elektronowe służą do skupiania wiązki elektronów (sondy elektronowej) w bardzo małej plamce. Istnieje możliwość dostosowania SEM tak, aby średnica znajdującej się w nim plamki nie przekraczała 0,2 nm, ale z reguły była to kilka lub kilkadziesiąt nanometrów. Plamka ta w sposób ciągły przebiega wokół określonego obszaru próbki, podobnie jak wiązka biegnąca po ekranie kineskopu. Sygnał elektryczny powstający podczas bombardowania obiektu wiązką elektronów służy do utworzenia obrazu na ekranie kineskopu telewizyjnego lub kineskopu (CRT), którego skanowanie jest zsynchronizowane z systemem odchylania wiązki elektronów (ryc.). Wzrost w w tym przypadku rozumiany jest jako stosunek wielkości obrazu na ekranie do wielkości obszaru objętego wiązką na próbce. Wzrost ten wynosi od 10 do 10 milionów kolumn elektronów. Soczewki elektronowe (zwykle magnetyczne sferyczne) i cewki odchylające tworzą układ zwany kolumną elektronową. Metoda SEM charakteryzuje się jednak szeregiem ograniczeń i wad, które są szczególnie widoczne w submikronowych i nanometrowych zakresach pomiarowych: niewystarczająco wysoka rozdzielczość przestrzenna; trudność uzyskania trójwymiarowych obrazów powierzchni, wynika przede wszystkim z faktu, że wysokość reliefu w SEM jest zdeterminowana efektywnością elastycznego i niesprężystego rozpraszania elektronów i zależy od głębokości wnikania elektronów pierwotnych w warstwa powierzchniowa; konieczność nałożenia dodatkowej warstwy zbierającej prąd na powierzchnie słabo przewodzące, aby zapobiec efektom związanym z akumulacją ładunku; przeprowadzanie pomiarów wyłącznie w warunkach próżniowych; możliwość uszkodzenia badanej powierzchni wysokoenergetyczną, skupioną wiązką elektronów.

Dzięki bardzo wąskiej wiązce elektronów SEM charakteryzują się bardzo dużą głębią ostrości (mm), która jest o dwa rzędy wielkości większa niż w mikroskopie optycznym i pozwala na uzyskanie wyraźnych mikrofotografii z charakterystycznym efektem trójwymiarowości dla obiektów o złożona topografia. Ta właściwość SEM jest niezwykle przydatna do zrozumienia struktury powierzchni próbki. Mikrofotografia pyłku pokazuje możliwości SEM.

Mikroskopy z sondą skanującą Mikroskopy z sondą skanującą (SPM Scanning Probe Microscope) to klasa mikroskopów służących do pomiaru charakterystyki obiektu za pomocą różnego rodzaju sond. Proces obrazowania opiera się na skanowaniu powierzchni sondą. Ogólnie rzecz biorąc, SPM umożliwiają uzyskanie trójwymiarowego obrazu powierzchni (topografii) o dużej rozdzielczości. Główne typy mikroskopów z sondą skanującą: Skaningowy mikroskop tunelowy Skaningowy mikroskop tunelowy (skaningowy mikroskop tunelowy STM) lub skaningowy mikroskop tunelowy (RTM) - do uzyskania obrazu wykorzystuje się prąd tunelowy pomiędzy sondą a próbką, co pozwala uzyskać informacje o próbkę topografii i właściwości elektrycznych. Skaningowy mikroskop sił atomowych Skaningowy mikroskop sił atomowych (AFM) - rejestruje różne siły występujące pomiędzy sondą a próbką. Pozwala na uzyskanie topografii powierzchni i jej właściwości mechaniczne. Skaningowy mikroskop optyczny bliskiego pola Skaningowy mikroskop optyczny bliskiego pola (SNOM) - wykorzystuje efekt bliskiego pola do uzyskania obrazu.

Cechą charakterystyczną SPM jest obecność: sondy, układu przesuwania sondy względem próbki po współrzędnych 2 (X-Y) lub 3 (X-Y-Z), układu rejestracji. W niewielkiej odległości między powierzchnią a próbką działanie sił interakcji (odpychanie, przyciąganie i inne siły) i manifestacja różne efekty(np. tunelowanie elektronów) można uchwycić za pomocą nowoczesne środki rejestracja. Do rejestracji wykorzystuje się różnego rodzaju czujniki, których czułość pozwala na wykrycie niewielkich zakłóceń. Działanie mikroskopu z sondą skanującą opiera się na interakcji powierzchni próbki z sondą (wspornikiem - belką angielską, igłą lub sondą optyczną). Wsporniki dzielimy na długości belki na twarde i miękkie, co charakteryzuje się częstotliwością rezonansową drgań wspornika. Proces skanowania powierzchni mikrosondą może odbywać się zarówno w atmosferze lub określonym gazie, jak i w próżni, a nawet przez warstwę cieczy. Wspornik w skaningowym mikroskopie elektronowym (powiększenie 1000X) współrzędne,

System rejestrujący rejestruje wartość funkcji zależnej od odległości sonda-próbka. Aby uzyskać pełny obraz rastrowy, użyj różne urządzenia skanuje wzdłuż osi X i Y (na przykład lampy piezoelektryczne, skanery płasko-równoległe). Skanowanie powierzchni może odbywać się na dwa sposoby: skanowanie za pomocą wspornika i skanowanie za pomocą podłoża. Jeśli w pierwszym przypadku wspornik porusza się po badanej powierzchni, to w drugim przypadku samo podłoże przemieszcza się względem nieruchomego wspornika. informacja zwrotna Aby utrzymać tryb skanowania, wspornik musi znajdować się blisko powierzchni, w zależności od trybu, czy jest to tryb stałej siły, czy tryb stałej wysokości, istnieje system, który może utrzymać taki tryb podczas procesu skanowania. W tym celu obwód elektroniczny mikroskopu obejmuje specjalny system sprzężenie zwrotne, które jest związane z systemem odchylania wspornika od jego pierwotnego położenia. Główne trudności techniczne przy tworzeniu mikroskopu z sondą skanującą: Koniec sondy musi mieć wymiary porównywalne z badanymi obiektami. Zapewnia stabilność mechaniczną (w tym termiczną i wibracyjną) na poziomie lepszym niż 0,1 angstrem. Detektory muszą niezawodnie wykrywać niewielkie zakłócenia rejestrowanego parametru. Stworzenie precyzyjnego systemu skanującego. Zapewnienie płynnego dojścia sondy do powierzchni.

Skaningowy mikroskop tunelowy (skaningowy mikroskop tunelowy STM) lub skaningowy mikroskop tunelowy (RTM) Skaningowy mikroskop tunelowy w nowoczesna forma wynaleziony (zasady działania tej klasy urządzeń zostały ustalone wcześniej przez innych badaczy) przez Gerda Karla Binniga i Heinricha Rohrera w 1981 roku. Za ten wynalazek zostali nagrodzeni nagroda Nobla doktorat z fizyki w 1986 r., który dzielili z nimi i wynalazcą transmisyjnego mikroskopu elektronowego E. Ruską. W STM ostra metalowa igła jest przykładana do próbki w odległości kilku angstremów. Kiedy do igły zostanie przyłożony niewielki potencjał w stosunku do próbki, pojawia się prąd tunelowy. Wielkość tego prądu zależy wykładniczo od odległości próbka-igła. Typowe wartości pA w odległości około 1 A. Mikroskop ten wykorzystuje metalową końcówkę o małej średnicy do dostarczania elektronów. W szczelinie pomiędzy końcówką a powierzchnią próbki a pole elektryczne. Liczba elektronów wyciąganych przez pole z końcówki w jednostce czasu (prąd tunelowy) zależy od odległości końcówki od powierzchni próbki (w praktyce odległość ta jest mniejsza niż 1 nm). Gdy końcówka porusza się po powierzchni, prąd jest modulowany. Pozwala to na uzyskanie obrazu związanego z topografią powierzchni próbki. Jeśli końcówka kończy się pojedynczym atomem, wówczas obraz powierzchni można utworzyć, przepuszczając atom po atomie.

RTM może działać tylko wtedy, gdy odległość końcówki od powierzchni jest stała, a końcówkę można przesuwać z atomową precyzją. Wysoka rozdzielczość STM wzdłuż normalnej do powierzchni (~0,01 nm) i w kierunku poziomym (~0,1 nm), realizowana zarówno w próżni, jak i przy zastosowaniu mediów dielektrycznych w szczelinie tunelu, otwiera szerokie perspektywy zwiększenia dokładności pomiarów wymiary liniowe w zakresie nanometrów. Igła platynowo-irydowa zbliżenia skaningowego mikroskopu tunelowego.

Skaningowy mikroskop sił atomowych Skaningowy mikroskop sił atomowych (AFM) Powierzchniowa mikroskopia sił atomowych (AFM), zaproponowana w 1986 r., opiera się na efekcie oddziaływania sił pomiędzy blisko rozmieszczonymi ciała stałe. W odróżnieniu od STM metoda AFM nadaje się do wykonywania pomiarów zarówno na powierzchniach przewodzących, jak i nieprzewodzących, nie tylko w próżni, ale także w powietrzu i w płynny środek. Najważniejszy element AFM to mikrosonda (wspornik), na końcu której znajduje się końcówka dielektryczna o promieniu krzywizny R, do której powierzchnię badanej próbki przybliża się na odległość d0,1–10 nm za pomocą trzech -manipulator współrzędnych. Końcówka wspornika osadzona jest najczęściej na sprężynie wykonanej w formie wspornika o małej sztywności mechanicznej. W wyniku oddziaływania międzyatomowego (międzycząsteczkowego) pomiędzy próbką a końcówką wspornika następuje odchylenie wspornika. Rozdzielczość AFM wzdłuż normalnej powierzchni jest porównywalna z odpowiednią rozdzielczością STM, a rozdzielczość w kierunku poziomym (rozdzielczość podłużna) zależy od odległości d i promienia krzywizny końcówki R. Obliczenia numeryczne pokazują, że przy R = 0,5 nm i d = 0,4 nm, rozdzielczość podłużna wynosi ~ 1 nm. Należy podkreślić, że sonda AFM jest końcówką igły, co pozwala uzyskać informację o profilu elementu reliefowego powierzchniowego o wymiarach nanometrowych, przy czym wysokość (głębokość) takiego elementu nie powinna przekraczać 100 nm, a sąsiedni element powinien znajdować się nie bliżej niż 100 nm. Jeśli zostaną spełnione pewne warunki specyficzne dla AFM, możliwe jest przywrócenie profilu elementu bez utraty informacji. Warunki te są jednak praktycznie niemożliwe do zrealizowania eksperymentalnie.

Widok Rozdzielczość przestrzenna (x,y) Rozdzielczość współrzędnej Z Rozmiar pola Powiększenie Mikroskopia optyczna 200 nm-0,4 -0,2 mm x Mikroskop konfokalny 200 nm 1 nm Interferometria światła białego 200 nm 0,1 nm 0,05 do x Mikroskopia holograficzna 200 nm 0,1 nm 0,05 do x Transmisyjny mikroskop elektronowy 0,2 nm- do Skaningowy mikroskop elektronowy (SEM) 0,4 nm 0,1 nm 0,1-500 µm wzdłuż z - ~1-10 mm do x Mikroskopy z sondą skaningową 0,1 nm 0,05 nm ~150 x 150 µm w z -

Moskiewski Instytut Technologii Elektronicznej

Laboratorium Mikroskopii Elektronowej S.V. Siedow

[e-mail chroniony]

Zasada działania współczesnego skaningowego mikroskopu elektronowego i jego zastosowanie do badania obiektów mikroelektronicznych

Cel pracy: zapoznanie się z metodami badania materiałów i struktur mikroelektronicznych za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego.

Czas pracy: 4 godziny.

Urządzenia i akcesoria: Skaningowy mikroskop elektronowy Philips-

SEM-515, próbki struktur mikroelektronicznych.

Budowa i zasada działania skaningowego mikroskopu elektronowego

1. Wstęp

Skaningowa mikroskopia elektronowa to badanie obiektu poprzez napromienianie drobno skupioną wiązką elektronów, która jest rozprowadzana w rastrze na powierzchni próbki. W wyniku oddziaływania skupionej wiązki elektronów z powierzchnią próbki pojawiają się elektrony wtórne, elektrony odbite, charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie, elektrony Augera i fotony o różnych energiach. Rodzą się w określonych objętościach - obszarach wytwarzania wewnątrz próbki i można je wykorzystać do pomiaru wielu jej cech, takich jak topografia powierzchni, skład chemiczny, właściwości elektryczne itp.

Głównym powodem powszechnego stosowania rastrowych mikroskopów elektronicznych jest wysoka rozdzielczość podczas badania masywnych obiektów, sięgających 1,0 nm (10 Å). Kolejną ważną cechą obrazów uzyskanych w skaningowym mikroskopie elektronowym jest ich trójwymiarowość, wynikająca z dużej głębi ostrości urządzenia. Wygodę stosowania mikroskopu skaningowego w mikro- i nanotechnologii tłumaczy się względną prostotą przygotowania próbki i efektywnością badań, która pozwala na wykorzystanie go do międzyoperacyjnego monitorowania parametrów technologicznych bez znacznej straty czasu. Obraz w mikroskopie skaningowym powstaje w postaci sygnału telewizyjnego, co znacznie ułatwia jego wprowadzenie do komputera i dalszą obróbkę programową wyników badań.

Rozwój mikrotechnologii i pojawienie się nanotechnologii, w których wymiary elementów są znacznie mniejsze niż długość fali światła widzialnego, sprawiają, że skaningowa mikroskopia elektronowa jest praktycznie jedyną nieniszczącą techniką kontroli wizualnej w produkcji wyrobów elektroniki półprzewodnikowej i mikromechaniki.

2. Oddziaływanie wiązki elektronów z próbką

Kiedy wiązka elektronów oddziałuje ze stałym celem, powstaje wiele różnych typów sygnałów. Źródłem tych sygnałów są obszary promieniowania, których rozmiary zależą od energii wiązki i liczby atomowej bombardowanego celu. Wielkość tego obszaru przy zastosowaniu określonego rodzaju sygnału determinuje rozdzielczość mikroskopu. Na ryc. Rysunek 1 przedstawia obszary wzbudzenia w próbce dla różnych sygnałów.

Pełny rozkład energii elektronów emitowanych przez próbkę

pokazano na ryc. 2. Otrzymano ją przy energii wiązki padającej E 0 = 180 eV, na osi rzędnych naniesiono liczbę elektronów wyemitowanych przez tarczę J s (E), a na osi odciętych wykreślono energię E tych elektronów. Należy pamiętać, że rodzaj uzależnienia,

pokazana na rys. 2, jest zachowana również dla wiązek o energii 5–50 keV stosowanych w skaningowych mikroskopach elektronowych.

G
Grupa I składa się z elastycznie odbitych elektronów o energii zbliżonej do energii wiązki pierwotnej. Powstają podczas elastycznego rozpraszania pod dużymi kątami. Wraz ze wzrostem liczby atomowej Z wzrasta rozpraszanie sprężyste i wzrasta udział odbitych elektronów . Rozkład energii odbitych elektronów dla niektórych pierwiastków pokazano na rys. 3.

Kąt rozproszenia 135 0
, W=E/E 0 - energia znormalizowana, d/dW - liczba odbitych elektronów na elektron padający i na jednostkę przedziału energii. Z rysunku widać, że wraz ze wzrostem liczby atomowej wzrasta nie tylko liczba odbitych elektronów, ale także ich energia zbliża się do energii wiązki pierwotnej. Prowadzi to do pojawienia się kontrastu liczby atomowej i pozwala na badanie składu fazowego obiektu.

Do grupy II zalicza się elektrony, które uległy wielokrotnemu rozproszeniu nieelastycznemu i po przejściu przez mniej lub bardziej grubą warstwę materiału tarczy wyemitowane są na powierzchnię, tracąc część swojej energii początkowej.

mi
Elektrony grupy III to elektrony wtórne o niskiej energii (poniżej 50 eV), które powstają, gdy zewnętrzne powłoki atomów docelowych są wzbudzane przez pierwotną wiązkę słabo związanych elektronów. Główny wpływ na liczbę elektronów wtórnych ma topografia powierzchni próbki oraz lokalne pola elektryczne i magnetyczne. Liczba pojawiających się elektronów wtórnych zależy od kąta padania wiązki pierwotnej (rys. 4). Niech R 0 będzie maksymalną głębokością uwolnienia elektronów wtórnych. Jeśli próbka zostanie przechylona, ​​wówczas długość drogi w odległości R 0 od powierzchni wzrasta: R = R 0 sek. 

W rezultacie wzrasta również liczba zderzeń, w wyniku których powstają elektrony wtórne. Dlatego niewielka zmiana kąta padania prowadzi do zauważalnej zmiany jasności sygnału wyjściowego. Ze względu na fakt, że generacja elektronów wtórnych zachodzi głównie w obszarze przypowierzchniowym próbki (rys. 1), rozdzielczość obrazu w elektronach wtórnych jest zbliżona do wielkości pierwotnej wiązki elektronów.

Charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie powstaje w wyniku oddziaływania padających elektronów z elektronami z wewnętrznych powłok K, L lub M atomów próbki. Widmo promieniowania charakterystycznego niesie ze sobą informację o składzie chemicznym obiektu. Na tym opiera się wiele metod mikroanalizy składu. Większość nowoczesnych skaningowych mikroskopów elektronowych wyposażona jest w spektrometry z dyspersją energii, umożliwiające mikroanalizę jakościową i ilościową, a także tworzenie map powierzchni próbki w charakterystycznym promieniowaniu rentgenowskim poszczególnych pierwiastków.

3 Konstrukcja skaningowego mikroskopu elektronowego.

elektrOmikroskop natalnyOP(angielski - mikroskop elektronowy) – Jest to urządzenie do obserwacji i fotografowania wielokrotnie (do 1,10 6 razy) powiększonych obrazów obiektów, w którym zamiast promieni świetlnych wykorzystuje się wiązki elektronów, przyspieszane do wysokich energii (30 - 100 keV i więcej) w głębokich warunki próżniowe.

Transmisyjne mikroskopy elektronowe (TEM) charakteryzują się najwyższą zdolnością rozdzielczą, przewyższając pod tym parametrem mikroskopy świetlne kilka tysięcy razy. Tzw. granica rozdzielczości, charakteryzująca zdolność urządzenia do oddzielnego obrazowania małych, maksymalnie położonych szczegółów obiektu, dla TEM wynosi 2 - 3 A°. Na korzystne warunki można sfotografować pojedyncze ciężkie atomy. Fotografując struktury okresowe, takie jak płaszczyzny atomowe sieci krystalicznych, możliwe jest osiągnięcie rozdzielczości mniejszej niż 1 A°.

Do określenia budowy ciał stałych konieczne jest zastosowanie promieniowania o długości fali λ krótszej niż odległości międzyatomowe. W mikroskopie elektronowym wykorzystuje się do tego celu fale elektronowe.

Długość fali De Broglie'a λ B dla elektronu poruszającego się z dużą prędkością V

Gdzie P- jego impuls, H- stała Plancka, M 0 - masa spoczynkowa elektronów, V- jego prędkość.

Po prostych przekształceniach stwierdzamy, że długość fali de Broglie’a dla elektronu poruszającego się w przyspieszającym, jednorodnym polu elektrycznym z różnicą potencjałów U, jest równy

. (1)

W wyrażeniach dla λ B nie uwzględnia się poprawki relatywistycznej, która jest istotna tylko przy dużych prędkościach elektronów V>1·10 5 V.

Wartość λ B jest bardzo mała, co pozwala na uzyskanie dużej rozdzielczości mikroskopu elektronowego.

Dla elektronów o energiach od 1 eV do 10 000 eV długość fali de Broglie’a mieści się w przedziale od ~1 nm do 10 −2 nm, czyli w zakresie długości fal promieniowanie rentgenowskie. Dlatego właściwości falowe elektronów powinny objawiać się na przykład wtedy, gdy są one rozproszone na tych samych kryształach, na których dyfrakcja Promienie rentgenowskie. [

Nowoczesne mikroskopy charakteryzują się rozdzielczością (0,1 – 1) nm przy energii elektronów wynoszącej (1,10 4 – 1,10 5) eV, co pozwala na obserwację grup atomów, a nawet pojedynczych atomów, defektów punktowych, reliefu powierzchni, itp.

Transmisyjna mikroskopia elektronowa

Układ elektronowo-optyczny transmisyjnego mikroskopu elektronowego (TEM) obejmuje: działo elektronowe I i kondensator 1, których zadaniem jest zapewnienie układu oświetlenia mikroskopu; obiektyw 2, pośredni 3 i projekcja 4, które realizują pokaz; kamera monitorująca i fotograficzna E (ryc. 1).

Ryc.1. Ścieżka wiązki w TEM w trybie obserwacji obrazu

Źródłem elektronów w dziale elektronowym jest wolframowa katoda termojonowa. Soczewka kondensora umożliwia uzyskanie na przedmiocie plamki o średnicy kilku mikronów. Za pomocą systemu obrazowania na ekranie TEM tworzony jest obraz obiektu z mikroskopu elektronowego.

W płaszczyźnie sprzężonej z obiektem soczewka obiektywu tworzy pierwszy pośredni obraz obiektu. Wszystkie elektrony wychodzące z jednego punktu obiektu trafiają do jednego punktu na płaszczyźnie koniugatu. Następnie za pomocą soczewki pośredniej i projekcyjnej uzyskuje się obraz na ekranie mikroskopu fluorescencyjnego lub kliszy fotograficznej. Obraz ten przedstawia cechy strukturalne i morfologiczne okazu.

TEM wykorzystuje soczewki magnetyczne. Soczewka składa się z uzwojenia, jarzma i nabiegunnika, który koncentruje pole magnetyczne w małej objętości, zwiększając w ten sposób moc optyczną soczewki.

TEM mają najwyższą zdolność rozdzielczą (PC), przewyższającą pod tym parametrem mikroskopy świetlne kilka tysięcy razy. Tzw. granica rozdzielczości, charakteryzująca zdolność urządzenia do oddzielnego obrazowania małych, maksymalnie położonych szczegółów obiektu, dla TEM wynosi 2 – 3 A°. W sprzyjających warunkach możliwe jest fotografowanie pojedynczych ciężkich atomów. Fotografując struktury okresowe, takie jak płaszczyzny atomowe sieci krystalicznych, można uzyskać rozdzielczość mniejszą niż 1 A°. Tak wysokie rozdzielczości osiąga się dzięki wyjątkowo krótkiej długości fali de Broglie'a elektronów. Optymalna przysłona pozwala zredukować aberrację sferyczną obiektywu wpływającą na PC TEM, przy wystarczająco małym błędzie dyfrakcyjnym. Nie znaleziono skutecznych metod korygowania aberracji. Dlatego w TEM soczewki elektronowo-magnetyczne (EL), które mają mniejsze aberracje, całkowicie zastąpiły elektrostatyczne soczewki EL. PEM są produkowane do różnych celów. Można je podzielić na 3 grupy:

uproszczony PEM,

TEM o wysokiej rozdzielczości,

TEM ze zwiększonym napięciem przyspieszającym.

1. Uproszczony MES przeznaczony do studiów, które nie wymagają wysokiego komputera. Są prostsze w konstrukcji (zawierają 1 kondensator i 2 - 3 soczewki powiększające obraz obiektu), wyróżniają się niższym (zwykle 60 - 80 kV) napięciem przyspieszającym i jego mniejszą stabilnością. Liczba komputerów PC tych urządzeń wynosi od 6 do 15. Inne zastosowania to podgląd obiektów, rutynowe badania, cele edukacyjne. Grubość obiektu, który można „oświetlić” wiązką elektronów, zależy od napięcia przyspieszającego. Obiekty o grubości od 10 do kilku tysięcy A° badane są w TEM przy napięciu przyspieszającym 100 kV.

2. TEM o wysokiej rozdzielczości(2 – 3 Å) – z reguły uniwersalne urządzenia wielofunkcyjne (ryc. 2, a). Za pomocą dodatkowych urządzeń i przystawek można przechylać obiekt w różnych płaszczyznach pod dużymi kątami do osi optycznej, podgrzewać, chłodzić, deformować, przeprowadzać rentgenowską analizę strukturalną, badania dyfrakcji elektronów itp. Napięcie przyspieszające elektrony sięga 100 - 125 kV, regulowane skokowo i bardzo stabilne: w ciągu 1–3 minut zmienia się o nie więcej niż 1–2 ppm od wartości początkowej. W jego układzie optycznym (kolumnie) powstaje głęboka próżnia (ciśnienie do 1,10 -6 mm Hg). Schemat układu optycznego TEM pokazano na ryc. 2, b. Wiązka elektronów, której źródłem jest katoda termionowa, formowana jest w działo elektronowe, a następnie dwukrotnie skupiana przez pierwszy i drugi kondensator, tworząc na obiekcie „plamkę” elektronową, której średnicę można zmieniać od 1 do 20 mikronów. Po przejściu przez obiekt część elektronów zostaje rozproszona i opóźniona przez przysłonę aperturową. Nierozproszone elektrony przechodzą przez aperturę i są skupiane przez soczewkę w płaszczyźnie obiektu soczewki pośredniej. Tutaj powstaje pierwszy powiększony obraz. Kolejne soczewki tworzą drugi, trzeci itd. obraz. Ostatnia soczewka tworzy obraz na ekranie fluorescencyjnym, który świeci pod wpływem elektronów

Ryż. 2a. TEM: 1 – działo elektronowe; 2 – soczewki kondensorowe; 3 – soczewka; 4 – soczewki projekcyjne; 5 – mikroskop świetlny, który dodatkowo powiększa obraz obserwowany na ekranie: 6 – tubus z okienkami, przez które można obserwować obraz; 7 – kabel wysokiego napięcia; 8 – inteligentny system próżniowy; 9 – panel sterowania; 10 – stoisko; 11 – zasilanie wysokiego napięcia; 12 – zasilacz obiektywu.

Ryż. 2 b. Schemat optyczny TEM. 1 – katoda w kształcie litery V wykonana z drutu wolframowego (nagrzewana przepływającym przez nią prądem do temperatury 2800 K); 2 – cylinder ogniskujący; 3 – anoda; 4 – kondensator pierwszy (krótkoogniskowy), tworzący zmniejszony obraz źródła elektronów; 5 – drugi (długioogniskowy) kondensator, który przenosi na obiekt zmniejszony obraz źródła elektronów; 6 – obiekt; 7 – przysłona aperturowa; 8 – soczewka; 9, 10, 11 – układ soczewek projekcyjnych; 12 – ekran katodoluminescencyjny, na którym powstaje ostateczny obraz.

Powiększenie TEM jest równe iloczynowi powiększeń wszystkich soczewek. Stopień i charakter rozpraszania elektronów nie jest taki sam w różnych punktach obiektu, ponieważ grubość, gęstość i skład chemiczny obiektu różnią się w zależności od punktu. W związku z tym zmienia się liczba elektronów zatrzymywanych przez przysłonę aperturową po przejściu przez różne punkty obiektu, a co za tym idzie, gęstość prądu w obrazie, który przekształca się w kontrast świetlny na ekranie. Pod ekranem umieszczono magazyn z kliszami fotograficznymi. Podczas fotografowania ekran jest usuwany, a elektrony działają na warstwę emulsji. Obraz jest ogniskowany poprzez zmianę prądu, który wzbudza pole magnetyczne soczewki. Prądy innych soczewek są regulowane w celu zmiany powiększenia TEM.

3. TEM ze zwiększonym napięciem przyspieszającym(do 200 kV) przeznaczone są do badania grubszych obiektów (2-3 razy grubszych) niż konwencjonalne TEM. Ich rozdzielczość sięga 3 – 5 Å. Urządzenia te różnią się konstrukcją wyrzutni elektronowej: aby zapewnić wytrzymałość elektryczną i stabilność, posiada ona dwie anody, z których jedna jest zasilana potencjałem pośrednim stanowiącym połowę napięcia przyspieszającego. Siła magnetomotoryczna soczewek jest większa niż w TEM o napięciu przyspieszającym 100 kV, a same soczewki mają zwiększone wymiary i wagę.

4. Mikroskopy elektronowe ultrawysokiego napięcia(SVEM) – urządzenia wielkogabarytowe (rys. 3) o wysokości od 5 do 15 m, o napięciu przyspieszającym 0,50 – 0,65; 1 – 1,5 i 3,5 MV.

Dla nich budowane są specjalne lokale. SVEM przeznaczone są do badania obiektów o grubości od 1 do 10 mikronów. Elektrony przyspieszane są w akceleratorze elektrostatycznym (zwanym akceleratorem bezpośrednim) umieszczonym w zbiorniku wypełnionym gazem izolującym elektrycznie pod ciśnieniem. W tym samym lub dodatkowym zbiorniku znajduje się stabilizowane źródło zasilania o wysokim napięciu. W przyszłości - stworzenie TEM z akceleratorem liniowym, w którym elektrony będą przyspieszane do energii 5 - 10 MeV. Podczas badania cienkich obiektów PC SVEM jest niższy niż TEM. W przypadku grubych obiektów PC SVEM jest 10–20 razy lepszy od PC TEM przy napięciu przyspieszającym 100 kV. Jeżeli próbka jest amorficzna, o kontraście obrazu elektronicznego decyduje grubość i współczynnik absorpcji materiału próbki, co obserwuje się np. podczas badania morfologii powierzchni za pomocą replik plastikowych lub węglowych. W kryształach zachodzi dodatkowo dyfrakcja elektronów, która umożliwia określenie struktury kryształu.

W

Ryc.4. Pozycja przysłony D dla jasnego pola ( A) i ciemne pole ( B) obrazy: P - promień przechodzący; D- wiązka ugięta; Arr - próbka; Ja - działo elektronowe

FEM może realizować następujące tryby pracy:

obraz tworzony jest przez transmitowaną wiązkę P, wiązkę ugiętą D jest odcinana przez przysłonę aperturową D (ryc. 4, A), jest to obraz w jasnym polu;

przysłona aperturowa D pozwala na dyfrakcję D wiązka odcinająca transmitowane P, jest to obraz ciemnego pola (ryc. 4, B);

w celu uzyskania obrazu dyfrakcyjnego tylna płaszczyzna ogniskowa obiektywu skupiana jest na ekranie mikroskopu (ryc. 4). Następnie na ekranie obserwuje się obraz dyfrakcyjny z transiluminowanego obszaru próbki.

Aby obserwować obraz w tylnej płaszczyźnie ogniskowej obiektywu, instaluje się przysłonę aperturową, w wyniku czego zmniejsza się apertura promieni tworzących obraz i zwiększa się rozdzielczość. Ta sama przysłona służy do wyboru trybu obserwacji (patrz rys. 2 i 5).

Ryc.5. Droga wiązki w TEM w trybie mikrodyfrakcji D - przesłona; I - źródło elektronów; Arr - próbka; E – ekran; 1 - kondensor, 2 - obiektyw, 3 - pośredni, 4 - soczewki projekcyjne

długość fali  przy napięciach stosowanych w TEM wynosi około 1∙10 –3 nm, czyli znacznie mniej niż stała sieci krystalicznej A, dlatego ugięta wiązka może rozchodzić się tylko pod małymi kątami θ do przechodzącego promienia (
). Obraz dyfrakcyjny na krysztale to zbiór pojedynczych punktów (odbić). W TEM, w przeciwieństwie do skanera dyfrakcji elektronów, możliwe jest uzyskanie obrazu dyfrakcyjnego z małego obszaru obiektu za pomocą membrany w płaszczyźnie sąsiadującej z obiektem. Rozmiar obszaru może wynosić około (1×1) µm 2 . Z trybu obserwacji obrazu można przejść do trybu dyfrakcji, zmieniając moc optyczną soczewki pośredniej.