Rodzaje mikroskopów: opis, główne cechy, przeznaczenie. Czym różni się mikroskop elektronowy od mikroskopu świetlnego? Mikroskop elektronowy
Przeczytaj także
Moskiewski Instytut Technologii Elektronicznej
Laboratorium Mikroskopii Elektronowej S.V. Siedow
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 skaningowych mikroskopów elektronowych jest wysoka rozdzielczość podczas badania masywnych obiektów, sięgająca 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 skład chemiczny obiekt. 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.
Historia powstania 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. Ruskiej została uhonorowana Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki w 1986 roku, którą przyznano jemu oraz twórcom mikroskopu z sondą skanującą, Gerdowi Karlowi Binnigowi i Heinrichowi Rohrerowi. Korzystanie z transmisyjnego mikroskopu elektronowego badania naukowe rozpoczęto pod koniec lat trzydziestych XX wieku i w tym samym czasie pojawiło się pierwsze komercyjne urządzenie zbudowane przez firmę Siemens.
Pod koniec lat trzydziestych i na początku czterdziestych XX wieku pojawiły się pierwsze skaningowe mikroskopy elektronowe, które tworzyły obraz obiektu poprzez sekwencyjne przesuwanie po obiekcie sondy elektronowej o małym przekroju poprzecznym. Powszechne stosowanie tych urządzeń w badaniach naukowych rozpoczęło się w latach 60. XX wieku, kiedy osiągnęły one znaczną doskonałość techniczną.
Znaczącym skokiem rozwojowym (w latach 70-tych) było zastosowanie katod Schottky'ego i katod emisyjnych zimnego pola zamiast katod termionowych, jednak ich zastosowanie wymaga znacznie wyższej próżni.
Pod koniec lat 90. i na początku XXI wieku komputeryzacja i zastosowanie detektorów CCD znacznie zwiększyły stabilność i (względną) łatwość użytkowania.
W Ostatnia dekada Nowoczesne zaawansowane transmisyjne mikroskopy elektronowe wykorzystują korektory aberracji sferycznych i chromatycznych (które wprowadzają główne zniekształcenia do powstałego obrazu), jednak ich zastosowanie czasami znacznie komplikuje użytkowanie urządzenia.
Rodzaje mikroskopów elektronowych
Transmisyjna mikroskopia elektronowa
Szablon:Pusta sekcja
Początkowy widok mikroskopu elektronowego. Transmisyjny mikroskop elektronowy wykorzystuje wiązkę elektronów o wysokiej energii do utworzenia obrazu. Wiązka elektronów tworzona jest za pomocą katody (wolfram, LaB 6 , emisja Schottky'ego lub zimnego pola). Powstała wiązka elektronów jest zwykle przyspieszana do +200 keV (stosuje się różne napięcia od 20 keV do 1 meV), skupiana przez układ soczewek elektrostatycznych, przechodzi przez próbkę tak, że jej część przechodzi przez rozproszenie na próbce, a część nie. Zatem wiązka elektronów przechodząca przez próbkę niesie informację o strukturze próbki. Wiązka przechodzi następnie przez układ soczewek powiększających i tworzy obraz na ekranie fluorescencyjnym (zwykle wykonanym z siarczku cynku), kliszy fotograficznej lub kamerze CCD.
Rozdzielczość TEM jest ograniczona głównie przez aberrację sferyczną. Niektóre nowoczesne TEM mają korektory aberracji sferycznej.
Głównymi wadami TEM są konieczność stosowania bardzo cienkiej próbki (około 100 nm) oraz niestabilność (rozkład) próbek pod wiązką.
Raster transmisyjny (skaningowy) mikroskopia elektronowa (STEM)
Główny artykuł: Skaningowy mikroskop elektronowy transmisyjny
Jednym z rodzajów transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM) są jednak urządzenia, które działają wyłącznie w trybie TEM. Wiązka elektronów przechodzi przez stosunkowo cienką próbkę, ale w przeciwieństwie do konwencjonalnej transmisyjnej mikroskopii elektronowej wiązka elektronów jest skupiana w punkcie, który porusza się po próbce w rastrze.
Rastrowa (skaningowa) mikroskopia elektronowa
Opiera się na telewizyjnej zasadzie skanowania cienkiej wiązki elektronów na powierzchni próbki.
Mikroskopia elektronowa niskonapięciowa
Zastosowania mikroskopów elektronowych
|
Półprzewodniki i przechowywanie danych
Biologia i nauki o życiu
|
Badania naukowe
Przemysł
|
Główni światowi producenci mikroskopów elektronowych
Zobacz też
Notatki
Spinki do mankietów
- 15 najlepszych zdjęć z mikroskopu elektronowego w roku 2011 Obrazy na polecanej stronie są losowo pokolorowane i mają większą wartość artystyczną niż naukową (mikroskopy elektronowe dają obrazy czarno-białe, a nie kolorowe).
Fundacja Wikimedia. 2010.
Transmisyjny mikroskop elektronowy to urządzenie do uzyskiwania powiększonych obrazów obiektów mikroskopowych, które wykorzystuje wiązki elektronów. Mikroskopy elektronowe mają większą rozdzielczość w porównaniu do mikroskopów optycznych; ponadto można nimi również uzyskać Dodatkowe informacje odnośnie materiału i konstrukcji obiektu.
Pierwszy mikroskop elektronowy został zbudowany w 1931 roku przez niemieckich inżynierów Ernsta Ruską i Maxa Barrela. Ernst Ruska otrzymał za to odkrycie nagroda Nobla z fizyki w 1986 r. Podzielił się nim z wynalazcami mikroskopu tunelowego, ponieważ Komitet Noblowski uznał, że wynalazcy mikroskopu elektronowego zostali niesłusznie zapomniani.
Mikroskop elektronowy wykorzystuje skupione wiązki elektronów do tworzenia obrazów, które bombardują powierzchnię badanego obiektu. Obraz można obserwować różne sposoby– w promieniach, które przeszły przez obiekt, w promieniach odbitych, rejestrując elektrony wtórne lub promienie rentgenowskie. Skupianie wiązki elektronów za pomocą specjalnych soczewek elektronowych.
Mikroskopy elektronowe mogą powiększać obrazy 2 miliony razy. Wysoką rozdzielczość mikroskopów elektronowych osiąga się dzięki krótkiej długości fali elektronu. Podczas gdy długość fali światła widzialnego mieści się w zakresie od 400 do 800 nm, długość fali elektronu przyspieszanego przy potencjale 150 V wynosi 0,1 nm. Zatem mikroskopy elektronowe mogą praktycznie oglądać obiekty wielkości atomu, choć w praktyce jest to trudne do osiągnięcia.
Schematyczna budowa mikroskopu elektronowego Budowę mikroskopu elektronowego można rozważyć na przykładzie urządzenia pracującego w transmisji. W działku elektronowym powstaje monochromatyczna wiązka elektronów. Jego właściwości poprawia układ kondensora składający się z membrany kondensora i soczewek elektronicznych. W zależności od rodzaju soczewki, magnetycznej lub elektrostatycznej, rozróżnia się mikroskopy magnetyczne i elektrostatyczne. Następnie wiązka uderza w obiekt, rozpraszając się na nim. Rozproszona wiązka przechodzi przez aperturę i wchodzi do obiektywu, którego zadaniem jest rozciąganie obrazu. Rozciągnięta wiązka elektronów powoduje świecenie luminoforu na ekranie. Nowoczesne mikroskopy wykorzystują kilka poziomów powiększenia.
Przysłona aperturowa soczewki mikroskopu elektronowego jest bardzo mała i wynosi setne części milimetra.
Jeśli wiązka elektronów z obiektu zostanie skierowana bezpośrednio na ekran, wówczas obiekt będzie na nim ciemny, a wokół niego utworzy się jasne tło. Ten obraz nazywa się Switlopolnym. Jeżeli jednak przez otwór obiektywu nie wchodzi wiązka podstawowa, lecz rozproszona, to a ciemne pole Obrazy. Obraz w ciemnym polu jest bardziej kontrastowy niż obraz w jasnym polu, ale jego rozdzielczość jest niższa.
Jest wiele różne rodzaje i projekty mikroskopów elektronowych. Najważniejsze z nich to:
Transmisyjny mikroskop elektronowy to urządzenie, w którym wiązka elektronów przechodzi przez obiekt.
Skaningowy mikroskop elektronowy umożliwia badanie poszczególnych obszarów obiektu.
Skaningowy mikroskop elektronowy wykorzystuje elektrony wtórne wybijane przez wiązkę elektronów do badania powierzchni obiektu.
Reflektorowy mikroskop elektronowy wykorzystuje elastycznie rozproszone elektrony.
Mikroskop elektronowy można także wyposażyć w układ do wykrywania promieni rentgenowskich, które emitowane są przez silnie wzbudzone atomy materii w momencie zderzenia z wysokoenergetycznymi elektronami. Kiedy elektron zostaje wytrącony z wewnętrznej powłoki elektronowej, powstaje charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie, którego badanie umożliwia ustalenie składu chemicznego materiału.
Badanie widma elektronów rozproszonych nieelastycznie pozwala uzyskać informację o charakterystycznych wzbudzeniach elektronowych w materiale badanego obiektu.
Mikroskopy elektronowe są szeroko stosowane w fizyce, materiałoznawstwie i biologii.
Wczoraj zrobiłem zdjęcie białego Audi. Wyszło świetne zdjęcie Audi z boku. Szkoda, że na zdjęciu nie widać tuningu.
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 fal elektrony powinny pojawiać się np. gdy są 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). Używając dodatkowe urządzenia i przystawek w nich 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, można regulować stopniowo i jest bardzo stabilny: w ciągu 1–3 minut zmienia się o nie więcej niż 1–2 ppm w stosunku do wartości pierwotnej. W jego układzie optycznym (kolumnie) powstaje głęboka próżnia (ciśnienie do 1,10 -6 mm Hg). Schemat system optyczny TEM – 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
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. MIKROSKOP ELEKTRONOWY
urządzenie pozwalające uzyskać obrazy obiektów w dużym powiększeniu za pomocą elektronów do ich oświetlenia. Mikroskop elektronowy (EM) pozwala zobaczyć szczegóły, które są zbyt małe, aby można je było rozróżnić za pomocą mikroskopu świetlnego (optycznego). EM jest jednym z najważniejszych instrumentów podstawowych badań naukowych nad strukturą materii, szczególnie w takich dziedzinach nauki jak biologia i fizyka solidny. Istnieją trzy główne typy EM. W latach trzydziestych XX wieku wynaleziono konwencjonalny transmisyjny mikroskop elektronowy (CTEM), w latach pięćdziesiątych XX wieku rastrowy (skaningowy) mikroskop elektronowy (SEM), a w latach osiemdziesiątych skaningowy mikroskop tunelowy (RTM). Te trzy typy mikroskopów uzupełniają się w badaniu struktur i materiałów różnych typów.
KONWENCJONALNY TRANSMISJONALNY MIKROSKOP ELEKTRONOWY
OPEM jest pod wieloma względami podobny do mikroskopu świetlnego, patrz MIKROSKOP, ale do oświetlania próbek wykorzystuje wiązkę elektronów, a nie światło. Zawiera elektroniczny reflektor (patrz poniżej), szereg soczewek kondensorowych, obiektyw 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 przyspieszane przez silne pole elektryczne. Aby wytworzyć takie pole, katodę utrzymuje się na potencjale około -100 000 V w stosunku do innych elektrod, które skupiają elektrony w wąską wiązkę. Ta część urządzenia nazywa się reflektorem elektronowym (patrz DZIAŁ ELEKTRONOWY). Ponieważ elektrony są silnie rozproszone przez materię, w kolumnie mikroskopu, w którym poruszają się elektrony, musi panować próżnia. Utrzymuje się tutaj ciśnienie nieprzekraczające jednej miliardowej ciśnienia atmosferycznego.
Optyka elektroniczna. Obraz elektroniczny jest tworzony przez pola elektryczne i magnetyczne w podobny sposób, jak obraz świetlny jest tworzony przez soczewki optyczne. Zasadę działania soczewki magnetycznej ilustruje schemat (rys. 1). Pole magnetyczne wytwarzane przez zwoje cewki przewodzącej prąd działa jak soczewka skupiająca, której ogniskową można zmieniać poprzez zmianę prądu. Ponieważ moc optyczna takiej soczewki, tj. zdolność skupiania elektronów zależy od napięcia pole magnetyczne w pobliżu osi, aby ją zwiększyć, pożądane jest skoncentrowanie pola magnetycznego w możliwie najmniejszej objętości. W praktyce osiąga się to poprzez to, że cewka jest niemal całkowicie pokryta magnetycznym „pancerem” wykonanym ze specjalnego stopu niklowo-kobaltowego, pozostawiając jedynie wąską szczelinę w jej wewnętrznej części. Wytworzone w ten sposób pole magnetyczne może być 10-100 tysięcy razy silniejsze niż ziemskie pole magnetyczne na powierzchni Ziemi.
Schemat OPEM pokazano na ryc. 2. 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 próbki. Apertura ostatniej soczewki kondensora określa szerokość wiązki w płaszczyźnie obiektu. Próbkę umieszcza się w polu magnetycznym soczewki obiektywu o dużej mocy optycznej – najważniejszej soczewki OPEM, od której zależy maksymalna możliwa rozdzielczość urządzenia. Aberracje obiektywu są ograniczone przez jego przysłonę, podobnie jak w aparacie mikroskop świetlny. Soczewka obiektywowa wytwarza powiększony obraz obiektu (zwykle powiększenie około 100); dodatkowe powiększenie wprowadzone przez soczewki pośrednie i projekcyjne waha się od nieco mniej niż 10 do nieco ponad 1000. Zatem powiększenie, które można uzyskać w nowoczesnych OPEM, waha się od mniej niż 1000 do 1 000 000 MIKROSKOP ELEKTRONOWY (Przy milionowym powiększeniu grejpfrut rośnie do rozmiarów Ziemi.) Badany obiekt zwykle umieszcza się 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.
Obraz. Kontrast w OPEM wynika z rozpraszania elektronów podczas przejścia wiązki elektronów przez próbkę. Jeśli próbka jest wystarczająco cienka, udział rozproszonych elektronów jest niewielki. Kiedy elektrony przechodzą przez próbkę, niektóre z nich ulegają rozproszeniu w wyniku zderzeń z jądrami atomów próbki, inne są rozproszone w wyniku zderzeń z elektronami atomów, a jeszcze inne przechodzą bez ulegania rozproszeniu. Stopień rozproszenia w dowolnym obszarze próbki zależy od grubości próbki w tym obszarze, jej gęstości oraz średniej masy atomowej (liczby protonów) w danym punkcie. Elektrony opuszczające przesłonę z odchyleniem kątowym przekraczającym pewien limit nie mogą już powrócić do wiązki niosącej obraz, dlatego silnie rozpraszające obszary o zwiększonej gęstości, zwiększonej grubości i lokalizacji ciężkich atomów pojawiają się na obrazie w postaci ciemnych stref na świetle tło. Taki obraz nazywa się jasnym polem, ponieważ otaczające go pole jest jaśniejsze od obiektu. Można jednak upewnić się, że elektryczny system odchylania przepuszcza tylko część rozproszonych elektronów do przysłony soczewki. Wtedy próbka wygląda na jasno ciemne pole. Często wygodniej jest oglądać słabo rozpraszający obiekt w trybie ciemnego pola. 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 finalny obraz można wyświetlić na ekranie zwykłego telewizora, co pozwala na nagranie go na taśmie wideo. Nagrywanie wideo służy do rejestrowania obrazów zmieniających się w czasie, na przykład pod wpływem przepływu Reakcja chemiczna. Najczęściej ostateczny obraz utrwalany jest na kliszy fotograficznej lub kliszy fotograficznej. 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. Ponadto na jednostkę powierzchni kliszy fotograficznej można zarejestrować 100 razy więcej sygnałów niż na jednostkę powierzchni taśmy wideo. Dzięki temu obraz zarejestrowany na kliszy fotograficznej można dodatkowo powiększyć około 10-krotnie bez utraty przejrzystości.
Pozwolenie. 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 dla dobrej soczewki optycznej wartość ta sięga 0,95), rozdzielczość EM wynosi 50-100 długości fali elektronów. Nawet przy tak słabych soczewkach mikroskop elektronowy może osiągnąć granicę rozdzielczości ok. 0,17 nm, co pozwala na rozróżnienie poszczególnych atomów w kryształach. Osiągnięcie rozdzielczości tego rzędu wymaga bardzo starannego ustawienia instrumentu; w szczególności są bardzo potrzebne źródła stabilne zasilacz i samo urządzenie (które może mieć około 2,5 m wysokości i ważyć kilka ton) i jego wyposażenie dodatkowe wymagają instalacji eliminującej wibracje.
RASTROWY MIKROSKOP ELEKTRONOWY
SEM, który stał się niezbędnym instrumentem badań naukowych, stanowi dobre uzupełnienie OPEM. SEM wykorzystują soczewki elektronowe do skupiania wiązki elektronów w bardzo małym punkcie. 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 (rys. 3). . 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.
Oddziaływanie elektronów wiązki skupionej z atomami próbki może prowadzić nie tylko do ich rozproszenia, co wykorzystywane jest do uzyskania obrazów w OPEM, ale także do wzbudzenia promieni rentgenowskich, emisji światła widzialnego i emisji elektronów wtórnych. Dodatkowo, ponieważ SEM ma przed próbką jedynie soczewki skupiające, umożliwia badanie „grubych” próbek.
Odblaskowy SEM. Refleksyjny SEM przeznaczony jest do badania masywnych próbek. Ponieważ kontrast powstający podczas nagrywania jest odbity, tj. elektrony rozproszone wstecznie i wtórne są związane głównie z kątem padania elektronów na próbkę, struktura powierzchni jest widoczna na obrazie. (Intensywność rozpraszania wstecznego i głębokość, na której ono występuje, zależą od energii elektronów w wiązce padającej. Emisja elektronów wtórnych zależy głównie od składu powierzchni i przewodności elektrycznej próbki.) Obydwa te sygnały niosą ze sobą informację. o ogólnej charakterystyce próbki. Dzięki małej zbieżności wiązki elektronów możliwe jest prowadzenie obserwacji ze znacznie większą głębią ostrości niż przy pracy z mikroskopem świetlnym i uzyskiwanie doskonałych mikrofotografii wolumetrycznych powierzchni z bardzo rozwiniętym reliefem. Rejestrując promieniowanie rentgenowskie emitowane przez próbkę, oprócz danych reliefowych, można uzyskać informację o składzie chemicznym próbki w warstwa powierzchniowa głębokość MIKROSKOP ELEKTRONOWY 0,001 mm. Skład materiału na powierzchni można również ocenić na podstawie zmierzonej energii, z jaką emitowane są określone elektrony. Wszystkie trudności w pracy z SEM wynikają głównie z jego systemów rejestracji i elektronicznej wizualizacji. W urządzeniu z pełny kompleks detektorów, wraz ze wszystkimi funkcjami SEM, zapewniony jest tryb pracy mikroanalizatora z sondą elektronową.
Skaningowy mikroskop elektronowy transmisyjny. Skaningowy transmisyjny mikroskop elektronowy (RTEM) jest specjalny rodzaj SEM. Przeznaczony jest do cienkich próbek, takich samych jak te badane w OPEM. Wykres RPEM różni się od diagramu na ryc. 3 tylko dlatego, że nie posiada detektorów umieszczonych nad próbką. Ponieważ obraz jest tworzony przez wiązkę przemieszczającą się (a nie wiązkę oświetlającą cały badany obszar próbki), wymagane jest źródło elektronów o dużej intensywności, aby obraz mógł zostać zarejestrowany w rozsądnym czasie. RTEM o wysokiej rozdzielczości wykorzystują emitery polowe o dużej jasności. W takim źródle elektronów bardzo silny pole elektryczne(około V/cm) w pobliżu powierzchni drutu wolframowego o bardzo małej średnicy, zaostrzonego przez trawienie. Pole to dosłownie wyciąga miliardy elektronów z drutu bez wytwarzania ciepła. Jasność takiego źródła jest prawie 10 000 razy większa niż źródła nagrzanego drutu wolframowego (patrz wyżej), a emitowane przez nie elektrony można skupić w wiązkę o średnicy mniejszej niż 1 nm. Uzyskano nawet wiązki o średnicy bliskiej 0,2 nm. Polowe źródła elektroniczne mogą działać jedynie w warunkach bardzo wysokiej próżni (przy ciśnieniu poniżej Pa), w których całkowicie nie występują zanieczyszczenia, takie jak pary węglowodorów i woda, i możliwe jest obrazowanie w wysokiej rozdzielczości. Dzięki tak ultraczystym warunkom możliwe jest badanie procesów i zjawisk niedostępnych dla EM za pomocą konwencjonalnych metod systemy próżniowe. Badania RPEM przeprowadzane są na ultracienkich próbkach. Elektrony przechodzą przez takie próbki niemal bez rozpraszania. Elektrony rozproszone pod kątem większym niż kilka stopni bez spowolnienia rejestrowane są w momencie uderzenia w elektrodę pierścieniową umieszczoną pod próbką (rys. 3). Sygnał odbierany z tej elektrody jest w dużym stopniu zależny od liczby atomowej atomów w obszarze, przez który przechodzą elektrony – cięższe atomy rozpraszają więcej elektronów w kierunku detektora niż atomy lżejsze. Jeśli wiązka elektronów zostanie skupiona w punkcie o średnicy mniejszej niż 0,5 nm, można zobrazować poszczególne atomy. W rzeczywistości możliwe jest rozróżnienie poszczególnych atomów masa atomoważelazo (tj. 26 lub więcej). Elektrony, które nie uległy rozproszeniu w próbce, a także elektrony, które uległy spowolnieniu w wyniku interakcji z próbką, przechodzą do otworu detektora pierścieniowego. Analizator energii umieszczony pod tym detektorem pozwala na oddzielenie pierwszego od drugiego. Mierząc energię traconą przez elektrony podczas rozpraszania, można uzyskać ważna informacja o próbce. Straty energii związane ze wzbudzeniem promieniowania rentgenowskiego lub wybiciem elektronów wtórnych z próbki pozwalają ocenić właściwości chemiczne substancji w obszarze, przez który przechodzi wiązka elektronów.
RASTROWY MIKROSKOP TUNELOWY
Omówione powyżej EM wykorzystują soczewki magnetyczne do skupiania elektronów. Ta sekcja poświęcona jest EM bez soczewek. Zanim jednak przejdziemy do skaningowego mikroskopu tunelowego (RTM), przydatne będzie krótkie spojrzenie na dwa starsze typy mikroskopów bezsoczewkowych, które wytwarzają wyświetlany obraz cienia.
Projektory autoelektroniczne i auto-jonowe. Polowe źródło elektroniczne stosowane w RPEM jest używane w projektorach cieni od wczesnych lat pięćdziesiątych XX wieku. W projektorze z emisją polową elektrony emitowane w wyniku emisji polowej z końcówki o bardzo małej średnicy są przyspieszane w kierunku ekranu fluorescencyjnego znajdującego się kilka centymetrów od końcówki. Dzięki temu na ekranie pojawia się w powiększeniu rzutowany obraz powierzchni końcówki i cząstek znajdujących się na tej powierzchni, równy stosunkowi promień ekranu do promienia końcówki (kolejność). Wyższą rozdzielczość osiąga się w polowym projektorze jonowym, w którym obraz jest wyświetlany przy użyciu jonów helu (lub innych pierwiastków), których efektywna długość fali jest krótsza niż długość fali elektronów. W ten sposób powstają obrazy pokazujące prawdziwy układ atomów w siatce krystalicznej materiału końcówki. Dlatego też projektory polowo-jonowe wykorzystywane są w szczególności do badania struktury kryształu i jego defektów w materiałach, z których można wykonać takie końcówki.
Skaningowy mikroskop tunelowy (RTM). Mikroskop ten wykorzystuje również metalową końcówkę o małej średnicy do dostarczania elektronów. W szczelinie pomiędzy końcówką a powierzchnią próbki wytwarza się 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. Wibracje tłumione są dzięki sztywnej konstrukcji i niewielkim rozmiarom mikroskopu (nie większym niż pięść), a także zastosowaniu wielowarstwowych gumowych amortyzatorów. Wysoka celność dostarczają materiałów piezoelektrycznych, które wydłużają się i kurczą pod wpływem czynników zewnętrznych pole elektryczne. Przykładając napięcie rzędu 10-5 V, można zmieniać wymiary takich materiałów o 0,1 nm lub mniej. Dzięki temu, mocując końcówkę do elementu wykonanego z materiału piezoelektrycznego, można nią poruszać w trzech wzajemnie prostopadłych kierunkach z dokładnością rzędu wielkości atomowych.
TECHNIKA MIKROSKOPII ELEKTRONOWEJ
Nie ma prawie żadnego sektora badań w dziedzinie biologii i materiałoznawstwa, który nie wykorzystuje transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM); zapewnia to postęp w technikach przygotowywania próbek. Wszystkie techniki stosowane w mikroskopii elektronowej mają na celu uzyskanie niezwykle cienkiej próbki i zapewnienie maksymalnego kontrastu między nią a podłożem, którego potrzebuje jako podłoże. Podstawowa technika przeznaczona jest dla próbek o grubości 2-200 nm, podpartych cienkimi foliami z tworzywa sztucznego lub węgla, które umieszcza się na siatce o rozmiarze oczek ok. 0,05 mm. (Odpowiednią próbkę, niezależnie od sposobu jej pozyskania, poddaje się obróbce tak, aby zwiększyć intensywność rozpraszania elektronów na badanym obiekcie.) Jeżeli kontrast jest odpowiednio duży, wówczas oko obserwatora z łatwością może rozróżnić szczegóły znajdujące się w odległości 0,1-0,2 mm od siebie. W związku z tym, aby szczegóły oddalone na próbce o odległość 1 nm były widoczne na obrazie utworzonym przez mikroskop elektronowy, konieczne jest całkowite powiększenie rzędu 100-200 tys. Najlepsze mikroskopy potrafią stworzyć obraz próbkę na kliszy fotograficznej przy takim powiększeniu, ale jednocześnie pokazany obszar jest za mały. Zazwyczaj mikrofotografię wykonuje się przy mniejszym powiększeniu, a następnie powiększa fotograficznie. Płyta fotograficzna rozdziela na długości ok. 10 cm. 10 000 linii. Jeżeli każda linia na próbce odpowiada określonej strukturze o długości 0,5 nm, to do zarejestrowania takiej struktury potrzebne jest powiększenie co najmniej 20 000, natomiast przy pomocy SEM i RPEM, w którym obraz rejestrowany jest przez elektronicznym i wyświetlanym na ekranie telewizora, tylko OK. 1000 linii. Zatem podczas korzystania z monitora telewizyjnego minimalne wymagane powiększenie jest około 10 razy większe niż podczas fotografowania.
Leki biologiczne. Mikroskopia elektronowa jest szeroko stosowana w badaniach biologicznych i medycznych. Opracowano metody utrwalania, zatapiania i uzyskiwania cienkich skrawków tkanki do badań w OPEM i RPEM oraz techniki utrwalania do badania próbek objętościowych w SEM. Techniki te umożliwiają badanie organizacji komórek na poziomie makromolekularnym. Mikroskopia elektronowa ujawniła składniki komórki oraz szczegóły strukturalne błon, mitochondriów, retikulum endoplazmatycznego, rybosomów i wielu innych organelli tworzących komórkę. Próbkę najpierw utrwala się aldehydem glutarowym lub innymi utrwalaczami, a następnie odwadnia i zatapia w tworzywie sztucznym. Metody kriofiksacji (utrwalania w bardzo niskich - kriogenicznych - temperaturach) pozwalają zachować strukturę i skład bez użycia chemicznych substancji utrwalających. Ponadto metody kriogeniczne umożliwiają obrazowanie zamrożonych próbek biologicznych bez odwodnienia. Za pomocą ultramikrotomów z ostrzami wykonanymi z polerowanego diamentu lub wiórów szklanych można wykonać skrawki tkankowe o grubości 30-40 nm. Zatopione preparaty histologiczne można barwić związkami metali ciężkich (ołowiu, osmu, złota, wolframu, uranu) w celu zwiększenia kontrastu poszczególnych składników lub struktur.
Badania biologiczne rozszerzono na mikroorganizmy, zwłaszcza wirusy, których nie można rozróżnić za pomocą mikroskopów świetlnych. TEM umożliwiła na przykład odkrycie struktury bakteriofagów i lokalizacji podjednostek w otoczkach białkowych wirusów. Dodatkowo, stosując metody barwienia dodatniego i ujemnego, możliwa była identyfikacja struktury z podjednostkami w szeregu innych ważnych mikrostruktur biologicznych. Metody zwiększania kontrastu kwasy nukleinowe pozwoliło na obserwację jedno- i dwuniciowego DNA. Te długie liniowe cząsteczki rozprowadza się w warstwie podstawowego białka i umieszcza na niej cienki film. Próbkę następnie natryskuje się próżniowo bardzo cienka warstwa ciężkiego metalu. Ta warstwa metalu ciężkiego „cieniuje” próbkę, przez co ta ostatnia obserwowana w OPEM lub RPEM sprawia wrażenie oświetlonej od strony, z której metal został osadzony. Jeśli obracasz próbkę podczas osadzania, metal gromadzi się wokół cząstek równomiernie ze wszystkich stron (jak kula śnieżna).
Materiały niebiologiczne. TEM jest stosowany w badaniach materiałowych do badania cienkich kryształów i granic między nimi różne materiały. Aby uzyskać obraz interfejsu o wysokiej rozdzielczości, próbkę wypełnia się tworzywem sztucznym, próbkę wycina się prostopadle do interfejsu, a następnie rozcieńcza tak, aby interfejs był widoczny na ostrej krawędzi. Sieć krystaliczna silnie rozprasza elektrony w określonych kierunkach, tworząc obraz dyfrakcyjny. Obraz próbki krystalicznej jest w dużej mierze zdeterminowany tym wzorem; kontrast w dużym stopniu zależy od orientacji, grubości i doskonałości sieci krystalicznej. Zmiany kontrastu obrazu pozwalają na badanie sieci krystalicznej i jej niedoskonałości w skali atomowej. Informacje uzyskane w tym przypadku uzupełniają informacje uzyskane w wyniku analizy rentgenowskiej próbek masowych, ponieważ EM umożliwia bezpośrednie zobaczenie dyslokacji, wad ułożenia i granic ziaren ze wszystkimi szczegółami. Ponadto można wykonać dyfrakcję elektronów za pomocą EM i obserwować dyfrakcję z wybranych obszarów próbki. Jeśli przysłonę obiektywu ustawimy tak, aby przechodziła przez nią tylko jedna ugięta i nierozproszona wiązka środkowa, wówczas możliwe jest uzyskanie obrazu pewnego układu płaszczyzn kryształu, który wytwarza tę ugiętą wiązkę. Nowoczesne urządzenia pozwalają na rozdzielenie okresów sieci 0,1 nm. Kryształy można również badać za pomocą obrazowania w ciemnym polu, w którym wiązka centralna jest blokowana, tak że obraz jest tworzony przez jedną lub więcej ugiętych wiązek. Wszystkie te metody dostarczyły ważnych informacji o strukturze wielu materiałów i znacząco wyjaśniły fizykę kryształów i ich właściwości. Na przykład analiza obrazów TEM sieci krystalicznej cienkich, małych kwazikryształów w połączeniu z analizą ich wzorów dyfrakcji elektronów umożliwiła w 1985 roku odkrycie materiałów o symetrii piątego rzędu.
Mikroskopia wysokiego napięcia. Obecnie przemysł produkuje wysokonapięciowe wersje OPEM i RPEM o napięciu przyspieszającym od 300 do 400 kV. Takie mikroskopy mają większą zdolność penetracji niż urządzenia niskonapięciowe i są pod tym względem prawie tak samo dobre, jak mikroskopy 1 milion woltów, które budowano w przeszłości. Nowoczesne mikroskopy wysokonapięciowe są dość kompaktowe i można je zainstalować w zwykłym pomieszczeniu laboratoryjnym. Ich zwiększona zdolność penetracji okazuje się bardzo cenną właściwością przy badaniu defektów w grubszych kryształach, zwłaszcza tych, z których nie da się wykonać cienkich próbek. W biologii ich wysoka zdolność penetracji umożliwia badanie całych komórek bez ich przecinania. Ponadto za pomocą takich mikroskopów możliwe jest uzyskanie trójwymiarowych obrazów grubych obiektów.
Mikroskopia niskonapięciowa. Dostępne są również SEM o napięciach przyspieszających rzędu kilkuset woltów. Nawet przy tak niskich napięciach długość fali elektronu jest mniejsza niż 0,1 nm, więc rozdzielczość przestrzenna jest tutaj również ograniczona przez aberracje soczewek magnetycznych. Ponieważ jednak elektrony o tak niskiej energii wnikają płytko pod powierzchnię próbki, prawie wszystkie elektrony biorące udział w tworzeniu obrazu pochodzą z obszaru znajdującego się bardzo blisko powierzchni, zwiększając w ten sposób rozdzielczość reliefu powierzchniowego. Za pomocą niskonapięciowego SEM uzyskano obrazy na powierzchniach stałych obiektów mniejszych niż 1 nm.
Uszkodzenia radiacyjne. Ponieważ elektrony są promieniowaniem jonizującym, próbka w polu elektromagnetycznym jest na nie stale wystawiona. (Narażenie to wytwarza elektrony wtórne wykorzystywane w SEM.) W rezultacie próbki są zawsze narażone na uszkodzenia spowodowane promieniowaniem. Typowa dawka promieniowania pochłonięta przez cienką próbkę podczas rejestracji mikrofotografii w OPEM odpowiada w przybliżeniu energii, która byłaby wystarczająca do całkowitego odparowania zimna woda ze stawu o głębokości 4 m i powierzchni 1 ha. Aby zmniejszyć uszkodzenie próbki przez promieniowanie, konieczne jest użycie różne metody jego przygotowanie: barwienie, zalewanie, zamrażanie. Dodatkowo istnieje możliwość rejestracji obrazu przy dawkach elektronów 100-1000 razy mniejszych niż przy zastosowaniu techniki standardowej, a następnie poprawienia go metodami komputerowej obróbki obrazu.
ODNIESIENIE HISTORYCZNE
Historia powstania mikroskopu elektronowego jest wspaniałym przykładem tego, jak niezależnie rozwijające się dziedziny nauki i technologii mogą, wymieniając otrzymane informacje i łącząc siły, stworzyć nowe potężne narzędzie do badań naukowych. Szczytem fizyki klasycznej była teoria pole elektromagnetyczne, który wyjaśnił propagację światła, pojawienie się pól elektrycznych i magnetycznych, ruch naładowanych cząstek w tych polach jako propagację fale elektromagnetyczne. Optyka falowa wyjaśniła zjawisko dyfrakcji, mechanizm powstawania obrazu i grę czynników determinujących rozdzielczość w mikroskopie świetlnym. Postęp w dziedzinie fizyki teoretycznej i doświadczalnej zawdzięczamy odkryciu elektronu wraz z jego specyficznymi właściwościami. Te odrębne i pozornie niezależne ścieżki rozwoju dały podwaliny optyki elektronowej, której jednym z najważniejszych zastosowań było wynalezienie pola elektromagnetycznego w latach trzydziestych XX wieku. Za bezpośrednią wskazówkę tej możliwości można uznać hipotezę o falowej naturze elektronu, wysuniętą w 1924 r. przez Louisa de Broglie i potwierdzoną eksperymentalnie w 1927 r. przez K. Davissona i L. Germera w USA oraz J. Thomsona w Anglii. Sugerowało to analogię, która umożliwiła skonstruowanie EM zgodnie z prawami optyki falowej. H. Bush odkrył, że za pomocą pól elektrycznych i magnetycznych można tworzyć obrazy elektroniczne. W pierwszych dwóch dekadach XX w. stworzono również niezbędne warunki techniczne. Laboratoria przemysłowe pracujące nad oscyloskopem wiązki elektronów wyprodukowały technologię próżniową, stabilne źródła wysokiego napięcia i prądu oraz dobre emitery elektronów. W 1931 r. R. Rudenberg złożył wniosek patentowy na transmisyjny mikroskop elektronowy, a w 1932 r. M. Knoll i E. Ruska zbudowali pierwszy taki mikroskop, wykorzystując soczewki magnetyczne do skupiania elektronów. To urządzenie było poprzednikiem współczesnego OPEM. (Ruska został nagrodzony za swoje wysiłki zdobyciem Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki za rok 1986.) W 1938 roku Ruska i B. von Borries zbudowali prototypowy przemysłowy OPEM 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). Szeroki wachlarz możliwości OPEM stał się widoczny niemal natychmiast. Jego produkcja przemysłowa została założona jednocześnie przez firmę Siemens-Halske w Niemczech i RCA Corporation w USA. Pod koniec lat czterdziestych XX wieku inne firmy zaczęły produkować tego typu urządzenia. 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 Zworykina i jego współpracowników z RCA Corporation w latach czterdziestych XX wieku, ale dopiero urządzenie Otleya mogło posłużyć za podstawę szeregu udoskonaleń technicznych, których kulminacją we wprowadzeniu do produkcji przemysłowej wersji SEM w połowie lat sześćdziesiątych. Gama konsumentów takiego dość łatwego w obsłudze urządzenia z trójwymiarowym obrazem i elektronicznym sygnałem wyjściowym wzrosła wykładniczo. Obecnie na trzech kontynentach działa kilkunastu przemysłowych producentów SEM i dziesiątki tysięcy takich urządzeń używanych w laboratoriach na całym świecie. W latach 60. XX wieku opracowano mikroskopy ultrawysokonapięciowe do badania grubszych próbek opracowaniem był G. Dupuy we Francji, gdzie w 1970 roku wprowadzono urządzenie o napięciu przyspieszającym 3,5 miliona woltów, które zostało wynalezione przez G. Binniga i G. Rohrera w 1979 roku w Zurychu. Urządzenie to, bardzo proste w konstrukcji, zapewnia energię atomową rozdzielczość powierzchni. Za stworzenie RTM Binnig i Rohrer (w tym samym czasie co Ruska) otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.
Zobacz też