Elektron mikroskop qanday ishlaydi? Uning optik mikroskopdan farqi nimada, ular o'rtasida o'xshashlik bormi?

Elektron mikroskopning ishlashi aylanma simmetriyaga ega bo'lgan bir jinsli bo'lmagan elektr va magnit maydonlarning elektron nurlarga fokuslash ta'siriga ega bo'lish xususiyatiga asoslanadi. Shunday qilib, elektron mikroskopda linzalarning roli to'g'ri hisoblangan elektr va magnit maydonlar to'plami tomonidan o'ynaydi; bu maydonlarni yaratadigan mos keladigan qurilmalar "elektron linzalar" deb ataladi.

Elektron linzalarning turiga qarab elektron mikroskoplar magnit, elektrostatik va estrodiollarga bo'linadi.

Elektron mikroskop yordamida qanday turdagi ob'ektlarni tekshirish mumkin?

Xuddi optik mikroskopda bo'lgani kabi, ob'ektlar, birinchi navbatda, "o'z-o'zidan yorug'lik" bo'lishi mumkin, ya'ni elektronlar manbai bo'lib xizmat qiladi. Bu, masalan, qizdirilgan katod yoki yoritilgan fotoelektron katoddir. Ikkinchidan, ma'lum bir tezlikka ega bo'lgan elektronlar uchun "shaffof" ob'ektlardan foydalanish mumkin. Boshqacha qilib aytganda, uzatishda ishlayotganda, ob'ektlar etarlicha nozik bo'lishi kerak va elektronlar etarlicha tez bo'lishi kerak, ular ob'ektlardan o'tib, elektron linzalar tizimiga kiradi. Bundan tashqari, aks ettirilgan elektron nurlar yordamida massiv jismlarning sirtlarini (asosan metallar va metalllashtirilgan namunalar) o'rganish mumkin. Ushbu kuzatish usuli aks ettiruvchi optik mikroskopiya usullariga o'xshaydi.

Ob'ektlarni o'rganish xususiyatiga ko'ra elektron mikroskoplar o'tkazuvchanlik, aks ettirish, emissiya, rastr, soya va oynaga bo'linadi.

Hozirgi vaqtda eng keng tarqalgani transmissiya tipidagi elektromagnit mikroskoplar bo'lib, ularda tasvir kuzatish ob'ekti orqali o'tadigan elektronlar tomonidan yaratiladi. U quyidagi asosiy komponentlardan iborat: yoritish tizimi, ob'yektli kamera, fokuslash tizimi va kamera va lyuminestsent ekrandan iborat yakuniy tasvirni yozib olish bloki. Bu tugunlarning barchasi bir-biriga bog'langan bo'lib, mikroskop ustuni deb ataladigan bo'lib, uning ichida bosim saqlanadi. Yoritish tizimi odatda uch elektrodli elektron tabancadan (katod, fokuslash elektrodi, anod) va kondensator linzalaridan iborat (biz elektron linzalar haqida gapiramiz). U kerakli kesma va intensivlikdagi tez elektronlar nurini hosil qiladi va uni ob'ekt kamerasida joylashgan o'rganilayotgan ob'ektga yo'naltiradi. Ob'ektdan o'tadigan elektronlar nuri ob'ektiv linza va bir yoki bir nechta proyeksiya linzalaridan iborat fokuslash (proyeksiya) tizimiga kiradi.

"Mikroskop" atamasi yunoncha ildizlarga ega. U ikkita so'zdan iborat bo'lib, ular tarjima qilinganda "kichik" va "men qarayman" degan ma'noni anglatadi. Mikroskopning asosiy roli - juda kichik narsalarni tekshirishda foydalanish. Shu bilan birga, ushbu qurilma ko'zga ko'rinmaydigan jismlarning o'lchami va shakli, tuzilishi va boshqa xususiyatlarini aniqlash imkonini beradi.

Yaratilish tarixi

Tarixda mikroskopning ixtirochisi kim bo'lganligi haqida aniq ma'lumot yo'q. Ba'zi manbalarga ko'ra, u 1590 yilda ko'zoynak ishlab chiqaruvchi ota va o'g'il Yanssens tomonidan ishlab chiqilgan. Mikroskop ixtirochisi unvoni uchun yana bir da'vogar Galileo Galileydir. 1609 yilda bu olimlar Accademia dei Lincei'da jamoatchilikka konkav va qavariq linzalari bo'lgan asbobni taqdim etishdi.

Yillar davomida mikroskopik ob'ektlarni ko'rish tizimi rivojlandi va takomillashtirildi. Uning tarixidagi ulkan qadam oddiy akromatik sozlanishi ikki linzali qurilmaning ixtirosi bo'ldi. Ushbu tizim 1600-yillarning oxirida gollandiyalik Kristian Gyuygens tomonidan kiritilgan. Ushbu ixtirochining okulyarlari bugungi kunda ham ishlab chiqarilmoqda. Ularning yagona kamchiliklari - bu ko'rish maydonining kengligi etarli emas. Bundan tashqari, zamonaviy asboblar dizayni bilan solishtirganda, Gyuygens ko'zoynaklari ko'zlar uchun noqulay joyga ega.

Mikroskop tarixiga bunday qurilmalarni ishlab chiqaruvchi Anton Van Levenguk (1632-1723) alohida hissa qo'shgan. Aynan u biologlarning e'tiborini ushbu qurilmaga jalb qildi. Leeuwenhoek bitta, lekin juda kuchli linzalar bilan jihozlangan kichik o'lchamli mahsulotlarni ishlab chiqardi. Bunday qurilmalardan foydalanish noqulay edi, lekin ular aralash mikroskoplarda mavjud bo'lgan tasvir nuqsonlarini ikki baravar oshirmadi. Ixtirochilar bu kamchilikni faqat 150 yildan keyin to'g'irlay olishdi. Optika rivojlanishi bilan bir qatorda kompozit qurilmalarda tasvir sifati yaxshilandi.

Mikroskoplarni takomillashtirish bugungi kungacha davom etmoqda. Shunday qilib, 2006 yilda Biofizik kimyo institutida ishlaydigan nemis olimlari Mariano Bossi va Stefan Hell yangi optik mikroskopni yaratdilar. 10 nm o'lchamli ob'ektlarni va uch o'lchovli yuqori sifatli 3D tasvirlarni kuzatish qobiliyati tufayli qurilma nanoskop deb ataldi.

Mikroskoplarning tasnifi

Hozirgi vaqtda kichik ob'ektlarni tekshirish uchun mo'ljallangan turli xil asboblar mavjud. Ularning guruhlanishi turli parametrlarga asoslanadi. Bu mikroskopning maqsadi yoki qabul qilingan yoritish usuli, optik dizayn uchun ishlatiladigan struktura va boshqalar bo'lishi mumkin.

Ammo, qoida tariqasida, mikroskoplarning asosiy turlari ushbu tizim yordamida ko'rish mumkin bo'lgan mikrozarrachalarning ruxsatiga ko'ra tasniflanadi. Ushbu bo'limga ko'ra, mikroskoplar:
- optik (yorug'lik);
- elektron;
- rentgen;
- skanerlash zondlari.

Eng ko'p ishlatiladigan mikroskoplar yorug'lik turidir. Optika do'konlarida ularning keng tanlovi mavjud. Bunday qurilmalar yordamida muayyan ob'ektni o'rganishning asosiy vazifalari hal qilinadi. Boshqa barcha turdagi mikroskoplar ixtisoslashgan deb tasniflanadi. Ular odatda laboratoriya sharoitida qo'llaniladi.

Yuqoridagi turdagi qurilmalarning har biri u yoki bu sohada qo'llaniladigan o'z kichik turlariga ega. Bundan tashqari, bugungi kunda boshlang'ich darajadagi tizim bo'lgan maktab mikroskopini (yoki o'quv) sotib olish mumkin. Iste'molchilarga professional qurilmalar ham taklif etiladi.

Ilova

Mikroskop nima uchun? Inson ko'zi maxsus biologik optik tizim bo'lib, ma'lum bir piksellar soniga ega. Boshqacha qilib aytadigan bo'lsak, kuzatilgan ob'ektlar orasidagi eng kichik masofa mavjud bo'lsa, ular hali ham farqlanishi mumkin. Oddiy ko'z uchun bu ruxsat 0,176 mm ichida. Lekin ko'pchilik hayvonlarning o'lchamlari va o'simlik hujayralari, mikroorganizmlar, kristallar, qotishmalarning mikro tuzilishi, metallar va boshqalar bu qiymatdan ancha past. Bunday ob'ektlarni qanday o'rganish va kuzatish mumkin? Bu erda odamlarga turli xil mikroskoplar yordamga keladi. Masalan, qurilmalar optik turi elementlar orasidagi masofa kamida 0,20 mkm bo'lgan tuzilmalarni ajratish imkonini beradi.

Mikroskop qanday ishlaydi?

Inson ko'zi mikroskopik ob'ektlarni ko'rishi mumkin bo'lgan qurilma ikkita asosiy elementga ega. Ular linzalar va ko'zoynaklardir. Mikroskopning bu qismlari metall asosda joylashgan harakatlanuvchi trubkaga o'rnatiladi. Unda ob'ektlar jadvali ham mavjud.

Mikroskoplarning zamonaviy turlari odatda yoritish tizimi bilan jihozlangan. Bu, xususan, iris diafragmasi bo'lgan kondanserdir. Kattalashtiruvchi qurilmalarning majburiy to'plami aniqlikni sozlash uchun ishlatiladigan mikro va makro vintlarni o'z ichiga oladi. Mikroskoplarning konstruktsiyasi shuningdek, kondensatorning holatini nazorat qiluvchi tizimni ham o'z ichiga oladi.

Ixtisoslashgan, murakkabroq mikroskoplar ko'pincha boshqa mikroskoplardan foydalanadilar qo'shimcha tizimlar va qurilmalar.

Linzalar

Men mikroskopni tasvirlashni uning asosiy qismlaridan biri, ya'ni linzalari haqidagi hikoyadan boshlamoqchiman. Ular tasvir tekisligida ko'rib chiqilayotgan ob'ektning hajmini oshiradigan murakkab optik tizimdir. Linzalarning dizayni nafaqat bitta, balki bir-biriga yopishtirilgan ikki yoki uchta linzalarning butun tizimini o'z ichiga oladi.

Bunday optik-mexanik dizaynning murakkabligi u yoki bu qurilma tomonidan hal qilinishi kerak bo'lgan vazifalar doirasiga bog'liq. Misol uchun, eng murakkab mikroskopda o'n to'rttagacha linzalar mavjud.

Ob'ektiv old qismdan va undan keyingi tizimlardan iborat. Tasvirni yaratish uchun asos nima? talab qilinadigan sifat, shuningdek, ish holatini aniqlash? Bu old linza yoki ularning tizimi. Ob'ektivning keyingi qismlari kerakli kattalashtirish, fokus uzunligi va tasvir sifatini ta'minlash uchun zarur. Biroq, bunday funktsiyalar faqat oldingi linzalar bilan birgalikda mumkin. Shuni ham ta'kidlash kerakki, keyingi qismning dizayni trubaning uzunligiga va qurilmaning linzalari balandligiga ta'sir qiladi.

Ko'zoynaklar

Mikroskopning bu qismlari kuzatuvchining ko'zining to'r pardasi yuzasida kerakli mikroskopik tasvirni yaratish uchun mo'ljallangan optik tizimdir. Ko'zoynaklar ikkita linzalar guruhini o'z ichiga oladi. Tadqiqotchining ko'ziga eng yaqin joylashgani ko'z, eng uzoqi esa dala deb ataladi (uning yordami bilan linzalar o'rganilayotgan ob'ektning tasvirini yaratadi).

Yoritish tizimi

Mikroskop bor murakkab dizayn diafragma, nometall va linzalardan. Uning yordami bilan o'rganilayotgan ob'ektning bir xil yoritilishi ta'minlanadi. Birinchi mikroskoplarda bu funktsiya amalga oshirildi, chunki optik asboblar yaxshilandi, ular birinchi navbatda tekis, keyin esa botiq oynalardan foydalana boshladilar.

Bunday oddiy detallar yordamida quyosh yoki chiroq nurlari tadqiqot ob'ektiga yo'naltirilgan. Zamonaviy mikroskoplarda u yanada rivojlangan. U kondensator va kollektordan iborat.

Mavzu jadvali

Tekshiruvni talab qiladigan mikroskopik preparatlar tekis yuzaga joylashtiriladi. Bu ob'ektlar jadvali. Turli xil turlari mikroskoplar bo'lishi mumkin berilgan sirt, shunday tuzilganki, o'rganilayotgan ob'ekt kuzatuvchi tomon gorizontal, vertikal yoki ma'lum bir burchak ostida aylanadi.

Ishlash printsipi

Birinchi optik qurilmada linzalar tizimi mikro-ob'ektlarning teskari tasvirini berdi. Bu materiyaning tuzilishini aniqlash imkonini berdi va eng kichik tafsilotlar, ular o'rganilishi kerak edi. Bugungi kunda yorug'lik mikroskopining ishlash printsipi sindiruvchi teleskopning ishiga o'xshaydi. Ushbu qurilmada yorug'lik shisha qismidan o'tayotganda sinadi.

Zamonaviy yorug'lik mikroskoplari qanday kattalashtiradi? Yorug'lik nurlarining nurlari qurilmaga kirgandan so'ng, ular parallel oqimga aylanadi. Shundagina okulyarda yorug'likning sinishi sodir bo'ladi, buning natijasida mikroskopik jismlarning tasviri kattalashadi. Keyinchalik, bu ma'lumot uning ichidagi kuzatuvchi uchun zarur bo'lgan shaklda keladi

Yorug'lik mikroskoplarining kichik turlari

Zamonaviylar quyidagilarga bo'linadi:

1. Tadqiqot, ish va maktab mikroskoplari uchun murakkablik sinfi bo'yicha.
2. Qo'llash sohasi bo'yicha: jarrohlik, biologik va texnik.
3. Mikroskopning turlari bo'yicha: aks ettirilgan va o'tadigan yorug'lik, fazaviy aloqa, lyuminestsent va qutblanish asboblari.
4. Yo'nalish bo'yicha yorug'lik oqimi teskari va to'g'ri.

Elektron mikroskoplar

Vaqt o'tishi bilan mikroskopik ob'ektlarni tekshirish uchun mo'ljallangan qurilma tobora takomillashib bordi. Bunday turdagi mikroskoplar paydo bo'ldi, ularda yorug'likning sinishidan qat'iy nazar, butunlay boshqacha ishlash printsipi qo'llaniladi. Eng yangi turdagi qurilmalardan foydalanish jarayonida elektronlar ishtirok etdi. Bunday tizimlar materiyaning alohida qismlarini shunchalik kichik ko'rish imkonini beradiki, ular atrofida yorug'lik nurlari shunchaki oqadi.

Elektron mikroskop nima uchun ishlatiladi? U hujayralar tuzilishini molekulyar va hujayra osti darajasida o'rganish uchun ishlatiladi. Shunga o'xshash qurilmalar viruslarni o'rganish uchun ham ishlatiladi.

Elektron mikroskoplar qurilmasi

Mikroskopik ob'ektlarni ko'rish uchun eng so'nggi asboblarning ishlashi asosida nima yotadi? Elektron mikroskop yorug'lik mikroskopidan nimasi bilan farq qiladi? Ular orasida o'xshashliklar bormi?

Elektron mikroskopning ishlash printsipi elektr va magnit maydonlarining xususiyatlariga asoslanadi. Ularning aylanish simmetriyasi elektron nurlarga diqqatni qaratuvchi ta'sir ko'rsatishi mumkin. Shunga asoslanib, biz savolga javob berishimiz mumkin: "Elektron mikroskop yorug'lik mikroskopidan qanday farq qiladi?" U, optik qurilmadan farqli o'laroq, linzalarga ega emas. Ularning rolini to'g'ri hisoblangan magnit va elektr maydonlari o'ynaydi. Ular oqim o'tadigan bobinlarning burilishlari bilan yaratiladi. Bunday holda, bunday maydonlar oqim kuchayganda yoki kamayganda, qurilmaning fokus uzunligi o'zgaradi.

O'chirish sxemasiga kelsak, elektron mikroskop uchun u yorug'lik moslamasiga o'xshaydi. Faqatgina farq shundaki, optik elementlar o'xshash elektr elementlar bilan almashtiriladi.

Elektron mikroskoplarda ob'ektni kattalashtirish o'rganilayotgan ob'ektdan o'tadigan yorug'lik nurining sinishi jarayoni tufayli sodir bo'ladi. Turli burchaklarda nurlar ob'ektiv linzalarning tekisligiga kiradi, bu erda namunaning birinchi kattalashishi sodir bo'ladi. Keyinchalik, elektronlar oraliq linzaga o'tadi. Unda ob'ekt hajmining o'sishida silliq o'zgarish mavjud. O'rganilayotgan materialning yakuniy tasviri proyeksiya linzalari tomonidan ishlab chiqariladi. Undan tasvir lyuminestsent ekranga tushadi.

Elektron mikroskoplarning turlari

Zamonaviy turlarga quyidagilar kiradi:

1. TEM yoki transmissiya elektron mikroskopi. Ushbu o'rnatishda qalinligi 0,1 mikrongacha bo'lgan juda nozik ob'ektning tasviri elektron nurning o'rganilayotgan modda bilan o'zaro ta'siri va keyinchalik uni linzada joylashgan magnit linzalar orqali kattalashtirish natijasida hosil bo'ladi.
2. SEM yoki skanerlash elektron mikroskop. Bunday qurilma ob'ekt yuzasining bir necha nanometr tartibida yuqori aniqlikdagi tasvirini olish imkonini beradi. Qo'shimcha usullardan foydalanganda bunday mikroskop aniqlashga yordam beradigan ma'lumotlarni taqdim etadi Kimyoviy tarkibi sirtga yaqin qatlamlar.
3. Tunnel skanerlash elektron mikroskopi yoki STM. Ushbu qurilma yordamida yuqori fazoviy o'lchamlari bo'lgan Supero'tkazuvchilar sirtlarning relefi o'lchanadi. STM bilan ishlash jarayonida o'rganilayotgan ob'ektga o'tkir metall igna keltiriladi. Bunday holda, faqat bir necha angstrom masofasi saqlanadi. Keyinchalik, ignaga kichik potentsial qo'llaniladi, natijada tunnel oqimi paydo bo'ladi. Bunday holda, kuzatuvchi o'rganilayotgan ob'ektning uch o'lchovli tasvirini oladi.

"Leevenguk" mikroskoplari

2002 yilda u Amerikada paydo bo'ldi yangi kompaniya, optik asboblar ishlab chiqarish bilan shug'ullanadi. Uning assortimenti mikroskoplar, teleskoplar va durbinlarni o'z ichiga oladi. Bu qurilmalarning barchasi bir-biridan ajralib turadi yuqori sifatli Tasvirlar.

Kompaniyaning bosh ofisi va rivojlanish bo'limi AQShda, Fremondda (Kaliforniya) joylashgan. Ammo ishlab chiqarish quvvatlariga kelsak, ular Xitoyda joylashgan. Bularning barchasi tufayli kompaniya bozorni ilg'or va ilg'or mahsulotlar bilan ta'minlaydi sifatli mahsulotlar o'rtacha narxda.

Sizga mikroskop kerakmi? Levenhuk taklif qiladi zarur variant. Kompaniyaning optik jihozlari assortimenti o'rganilayotgan ob'ektni kattalashtirish uchun raqamli va biologik qurilmalarni o'z ichiga oladi. Bundan tashqari, xaridorga turli rangdagi dizaynerlik modellari taklif etiladi.

Levenhuk mikroskopi keng funksionallikka ega. Masalan, boshlang'ich darajadagi o'qitish moslamasi kompyuterga ulanishi mumkin va shuningdek, olib borilayotgan tadqiqotni video yozib olish imkoniyatiga ega. Levenhuk D2L modeli ushbu funksiya bilan jihozlangan.

Kompaniya turli darajadagi biologik mikroskoplarni taklif etadi. Bu va boshqalar oddiy modellar, va professionallar uchun mos bo'lgan yangi narsalar.

Elektron mikroskop Elektron mikroskop - yorug'lik oqimi o'rniga elektron nurni qo'llash tufayli maksimal 10 6 marta kattalashtirishga ega bo'lgan jismlarning tasvirini olish imkonini beruvchi qurilma. Elektron mikroskopning ruxsati yorug'lik mikroskopidan 1000÷10000 marta katta va eng yaxshi zamonaviy asboblar uchun bir necha angstrom (10 -7 m) bo'lishi mumkin.

Elektron mikroskopning paydo bo'lishi bir qator fizik kashfiyotlardan so'ng mumkin bo'ldi XIX asr oxiri 20-asr boshlari. Bu 1897-yilda elektronning kashf etilishi (J.Tomson) va 1926-yilda elektronning toʻlqin xossalarining eksperimental kashfiyoti (K.Devisson, L.Germer), 1924-yilda de Broyl tomonidan toʻlqin haqida ilgari surilgan gipotezani tasdiqlaydi. -barcha turdagi materiyaning zarracha dualligi. 1926 yilda nemis fizigi X. Busch 1930-yillarda birinchi elektron mikroskopni yaratish uchun zarur shart bo'lib xizmat qilgan elektron nurlarni fokuslash imkonini beruvchi magnit linzani yaratdi. 1931 yilda R. Rudenberg uzatuvchi elektron mikroskopga patent oldi, 1932 yilda M. Knoll va E. Ruska zamonaviy qurilmaning birinchi prototipini yaratdilar. E. Ruskining ushbu ishi 1986 yilda fizika bo'yicha Nobel mukofotiga sazovor bo'ldi, bu mukofot unga va skanerlovchi zond mikroskopining ixtirochilari Gerd Karl Binnig va Geynrix Rorerga berildi. 1938 yilda Ruska va B. von Borries Germaniyada Siemens-Xalske uchun sanoat uzatuvchi elektron mikroskopning prototipini yaratdilar; bu asbob oxir-oqibat 100 nm ruxsat olish imkonini berdi. Bir necha yil o'tgach, A. Prebus va J. Xiller Toronto universitetida (Kanada) birinchi yuqori aniqlikdagi OPEMni qurdilar. 1930-yillarning oxiri va 1940-yillarning boshlarida birinchi skanerlovchi elektron mikroskoplar (SEM) paydo boʻldi, ular kichik koʻndalang kesimli elektron zondni obʼyekt boʻylab ketma-ket harakatlantirish orqali obʼyekt tasvirini hosil qiladi. Ushbu qurilmalardan ommaviy foydalanish ilmiy tadqiqot 1960-yillarda, ular muhim texnik mukammallikka erishganlarida boshlangan. Hozirgi shaklda SEM 1952 yilda Charlz Otli tomonidan ixtiro qilingan. To'g'ri, bunday qurilmaning dastlabki versiyalari 1930-yillarda Germaniyada Knoll va 1960-yillarda Zvorikin va uning RCA korporatsiyasidagi xodimlari tomonidan qurilgan, ammo faqat Otley qurilmasi bir qator texnik yaxshilanishlar uchun asos bo'lib xizmat qila oldi. ishlab chiqarishga joriy etishda sanoat versiyasi 1960-yillarning o'rtalarida REM.

Elektron mikroskoplarning ikkita asosiy turi mavjud. 1930-yillarda an'anaviy transmissiya elektron mikroskop (OPEM), 1950-yillarda rastr (skanerlash) elektron mikroskop - rastr (skanerlash) elektron mikroskop (SEM) ixtiro qilindi.

O'ta yupqa ob'ektdan uzatuvchi elektron mikroskop. Transmissiya elektron mikroskopi (TEM) - elektron nurning namunaviy modda bilan o'zaro ta'siri natijasida ultra yupqa ob'ektdan (taxminan 0,1 mkm qalinlikdagi) tasvir hosil bo'ladigan qurilma, keyin esa kattalashtirish magnit linzalar bilan (ob'ektiv) va floresan ekranda yozib olish. Transmissiya elektron mikroskopi ko'p jihatdan yorug'lik mikroskopiga o'xshaydi, lekin u namunalarni yoritish uchun yorug'lik emas, balki elektronlar nuridan foydalanadi. Unda elektron yoritgich, bir qator kondensator linzalari, ob'ektiv linzalar va okulyarga mos keladigan, lekin haqiqiy tasvirni lyuminestsent ekran yoki fotografik plastinkaga proyeksiyalovchi proyeksiya tizimi mavjud. Elektron manbai odatda qizdirilgan volfram yoki lantan geksaboridi katodidir. Katod qurilmaning qolgan qismidan elektr izolyatsiya qilingan va elektronlar kuchli tezlashtirilgan. elektr maydoni. Bunday maydonni yaratish uchun katod boshqa elektrodlarga nisbatan B tartibli potentsialda saqlanadi, ular elektronlarni tor nurga qaratadi. Qurilmaning bu qismi elektron spotlight deb ataladi. atmosferaning milliarddan bir qismi elektronlar materiya tomonidan kuchli sochilganligi sababli, elektronlar harakatlanadigan mikroskop ustunida vakuum bo'lishi kerak. Bu erda bosim atmosfera bosimining milliarddan biridan oshmaydigan darajada saqlanadi.

Oqim o'tkazuvchi lasanning burilishlari natijasida hosil bo'lgan magnit maydon birlashtiruvchi linza sifatida ishlaydi, uning fokus uzunligi oqimni o'zgartirish orqali o'zgartirilishi mumkin. Oqim o'tkazuvchi simning bobinlari elektronlar nurini xuddi shisha linzalar yorug'lik nuriga qaratgandek yo'naltiradi. Elektron tasvir elektr va tomonidan shakllanadi magnit maydonlar taxminan yorug'lik bilan bir xil - optik linzalar bilan. Magnit linzalarning ishlash printsipi quyidagi diagrammada ko'rsatilgan.

KONVANSİYON UZATISH ELEKTRON MIKROSKOP (OPEM). 1 – elektronlar manbai; 2 – tezlashtiruvchi tizim; 3 - diafragma; 4 - kondensator linzalari; 5 – namuna; 6 - ob'ektiv ob'ektiv; 7 - diafragma; 8 – proyeksiyalovchi linza; 9 - ekran yoki kino; 10 - kengaytirilgan rasm. Elektronlar tezlashadi va keyin magnit linzalar tomonidan fokuslanadi. Ob'ektiv diafragma orqali o'tadigan elektronlar tomonidan yaratilgan kattalashtirilgan tasvir lyuminestsent ekran orqali ko'rinadigan tasvirga aylantiriladi yoki fotografik plastinkaga yozib olinadi. Bir qator kondensator linzalari (faqat oxirgisi ko'rsatilgan) elektron nurni namunaga qaratadi. Odatda, birinchisi elektron manbaning kattalashtirilmagan tasvirini yaratadi, ikkinchisi esa namunadagi yoritilgan maydonning o'lchamini nazorat qiladi. Oxirgi kondensator linzasining diafragmasi ob'ekt tekisligidagi nurning kengligini aniqlaydi. Namuna Namuna yuqori optik quvvatga ega bo'lgan ob'ekt linzalarining magnit maydoniga joylashtiriladi - bu qurilmaning maksimal mumkin bo'lgan ruxsatini aniqlaydigan OPEMning eng muhim linzalari. Ob'ektiv linzalarning aberrasiyalari xuddi kamerada bo'lgani kabi, uning diafragma bilan chegaralanadi yorug'lik mikroskopi. Ob'ektiv ob'ektiv ob'ektning kattalashtirilgan tasvirini ishlab chiqaradi (odatda taxminan 100 ta kattalashtirish); oraliq va proyeksiya linzalari tomonidan kiritilgan qo'shimcha kattalashtirish 10 dan bir oz ko'proq o'zgarib turadi, shuning uchun zamonaviy OPEMlarda olinishi mumkin bo'lgan kattalashtirish 1000 dan ~ gacha (million marta kattalashtirishda greyfurt o'sadi. Yerning kattaligi). O'rganilayotgan ob'ekt odatda juda ko'p joyga joylashtiriladi nozik to'r, maxsus ushlagichga joylashtirilgan. Egasi mexanik yoki bo'lishi mumkin elektr bilan silliq yuqoriga va pastga, chapga va o'ngga harakatlaning.

Yakuniy kengaytirilgan elektron tasvir elektron bombardimon ostida porlayotgan lyuminestsent ekran orqali ko'rinadigan tasvirga aylantiriladi. Odatda past kontrastli bu tasvir odatda binokulyar yorug'lik mikroskopi orqali ko'riladi. Xuddi shu yorqinlikda, 10 ga kattalashtirishga ega bunday mikroskop yalang'och ko'z bilan kuzatilganidan 10 baravar kattaroq bo'lgan retinada tasvirni yaratishi mumkin. Ba'zan zaif tasvirning yorqinligini oshirish uchun elektron-optik konvertorli fosforli ekran ishlatiladi. Bunday holda, yakuniy tasvir oddiy televizor ekranida ko'rsatilishi mumkin. Fotografik plastinka odatda yalang'och ko'z bilan ko'rilgan yoki videotasmaga yozilganidan ko'ra aniqroq tasvirni ishlab chiqaradi, chunki fotografik materiallar, umuman olganda, elektronlarni samaraliroq yozib oladi. Rezolyutsiya. Rezolyutsiya. Elektron nurlar yorug'lik nurlarinikiga o'xshash xususiyatlarga ega. Xususan, har bir elektron ma'lum bir to'lqin uzunligi bilan tavsiflanadi. EM ning o'lchamlari elektronlarning samarali to'lqin uzunligi bilan belgilanadi. To'lqin uzunligi elektronlarning tezligiga, shuning uchun tezlashtiruvchi kuchlanishga bog'liq; Tezlashtiruvchi kuchlanish qanchalik baland bo'lsa, elektronlarning tezligi shunchalik yuqori bo'ladi va to'lqin uzunligi shunchalik qisqa bo'ladi, ya'ni piksellar soni shunchalik yuqori bo'ladi. Rezolyutsiyada EM ning bunday muhim afzalligi elektronlarning to'lqin uzunligi yorug'lik to'lqin uzunligidan ancha qisqaroq ekanligi bilan izohlanadi. Ammo elektron linzalar optik linzalar kabi fokuslanmaganligi sababli (yaxshi elektron linzalarning raqamli diafragma atigi 0,09, yaxshi optik linzalarda esa NA 0,95), EM o'lchamlari 50-100 elektron to'lqin uzunligiga teng. Bunday zaif linzalarda ham elektron mikroskop ~0,17 nm ruxsat chegarasiga erisha oladi, bu esa kristallardagi alohida atomlarni ajratish imkonini beradi. Ushbu tartibni hal qilish uchun asbobni juda ehtiyotkorlik bilan sozlash kerak; xususan, yuqori barqaror quvvat manbalari talab qilinadi va qurilmaning o'zi (balandligi ~ 2,5 m va og'irligi bir necha tonna bo'lishi mumkin) va uning ixtiyoriy uskunalar tebranishlarni bartaraf etadigan o'rnatishni talab qiladi. OPEM-da siz 1 milliongacha o'sishingiz mumkin fazoviy (x, y) o'lchamlari ~ 0,17 nm.

Skanerli elektron mikroskop Skanerli elektron mikroskop (SEM) - elektron nurning materiya bilan o'zaro ta'siri printsipiga asoslangan qurilma bo'lib, yuqori fazoviy o'lchamdagi (bir necha nanometr) ob'ekt yuzasining tasvirini, shuningdek, u haqida ma'lumot olish uchun mo'ljallangan. sirtga yaqin qatlamlarning tarkibi, tuzilishi va ba'zi boshqa xususiyatlari. Skanerli elektron mikroskopning fazoviy o'lchamlari elektron nurning ko'ndalang o'lchamiga bog'liq, bu esa o'z navbatida elektronga bog'liq. optik tizim, nurni fokuslash. Hozirda zamonaviy modellar SEMlar butun dunyo bo'ylab bir qator kompaniyalar tomonidan ishlab chiqariladi, jumladan: Carl Zeiss NTS GmbH Germaniya FEI kompaniyasi AQSh (Philips Electron Optics bilan birlashtirilgan) FOCUS GmbH Germaniya Hitachi Yaponiya JEOL Yaponiya (Yaponiya elektron optika laboratoriyasi) Tescan Chexiya

1 – elektronlar manbai; 2 – tezlashtiruvchi tizim; 3 - magnit optikasi; 4 – burilish bobinlari; 5 – namuna; 6 – aks ettirilgan elektron detektori; 7 – halqa detektori; 8 – analizator SEMda elektron linzalar elektron nurni (elektron prob) juda kichik nuqtaga qaratish uchun ishlatiladi. SEMni undagi nuqta diametri 0,2 nm dan oshmasligi uchun sozlash mumkin, lekin, qoida tariqasida, u bir necha yoki o'nlab nanometrlarni tashkil qiladi. Bu nuqta televizor trubkasi ekrani atrofida aylanib yuradigan nurga o'xshash namunaning ma'lum bir maydoni atrofida doimiy ravishda ishlaydi. Ob'ektni nurli elektronlar bilan bombardimon qilishda hosil bo'lgan elektr signali televizion kineskop yoki katod nurlari trubkasi (CRT) ekranida tasvirni yaratish uchun ishlatiladi, uning skanerlanishi elektron nurlarning burilish tizimi bilan sinxronlashtiriladi (rasm). Oshirish Ushbu holatda ekrandagi tasvir o'lchamining namunadagi nur bilan qoplangan maydon hajmiga nisbati sifatida tushuniladi. Bu o'sish 10 dan 10 million elektron ustun Elektron linzalari (odatda sferik magnit) va burilish bobinlari elektron ustun deb ataladigan tizimni tashkil qiladi. Shu bilan birga, SEM usuli bir qator cheklovlar va kamchiliklar bilan tavsiflanadi, ular ayniqsa submikron va nanometr o'lchov diapazonlarida yaqqol namoyon bo'ladi: etarli darajada yuqori fazoviy ruxsat; sirtning uch o'lchovli tasvirlarini olish qiyinligi, birinchi navbatda, SEMdagi relyefning balandligi elastik va elastik bo'lmagan elektronlarning tarqalishi samaradorligi bilan belgilanadi va birlamchi elektronlarning kirib borish chuqurligiga bog'liq. sirt qatlami; zaryadni to'plash bilan bog'liq ta'sirlarni oldini olish uchun yomon o'tkazuvchan sirtlarga qo'shimcha oqim yig'uvchi qatlamni qo'llash zarurati; o'lchovlarni faqat vakuum sharoitida o'tkazish; yuqori energiyali fokuslangan elektron nur bilan o'rganilayotgan sirtga zarar etkazish ehtimoli.

Elektron nurlarining juda torligi tufayli SEMlar juda katta maydon chuqurligiga (mm) ega, bu optik mikroskopnikidan ikki baravar yuqori va ob'ektlar uchun xarakterli uch o'lchovli effektga ega aniq mikrografiyalarni olish imkonini beradi. murakkab topografiya. Ushbu SEM xususiyati namunaning sirt tuzilishini tushunish uchun juda foydali. Polenning mikrografi SEM imkoniyatlarini namoyish etadi.

Skanerli zond mikroskoplari Skanerli zond mikroskoplari (SPM Scanning Probe Microscope) - har xil turdagi zondlar yordamida ob'ekt xususiyatlarini o'lchash uchun mikroskoplar sinfi. Tasvirlash jarayoni prob yordamida sirtni skanerlashga asoslangan. Umuman olganda, SPMlar sirtning (topografiyaning) yuqori aniqlikdagi uch o'lchovli tasvirini olish imkonini beradi. Skanerli zond mikroskoplarining asosiy turlari: Skanerli tunnelli mikroskop Skanerli tunnelli mikroskop (STM skanerlovchi tunnelli mikroskop) yoki skanerlovchi tunnelli mikroskop (RTM) - tasvirni olish uchun zond va namuna o‘rtasidagi tunnel oqimidan foydalaniladi, bu esa tasvirni olish imkonini beradi. topografiya va elektr xususiyatlari namunasi. Skanerli atom kuch mikroskopi Skanerli atom kuch mikroskopi (AFM) - zond va namuna o'rtasidagi turli kuchlarni qayd qiladi. Sirt topografiyasini va uning olish imkonini beradi mexanik xususiyatlar. Yaqin maydon optik mikroskopini skanerlash Yaqin maydon optik mikroskopini skanerlash (SNOM) - tasvirni olish uchun yaqin maydon effektidan foydalanadi.

SPM ning o'ziga xos xususiyati quyidagilarning mavjudligidir: prob, 2 (X-Y) yoki 3 (X-Y-Z) koordinatalari bo'ylab namunaga nisbatan probni harakatlantirish tizimi, ro'yxatga olish tizimi. Sirt va namuna o'rtasidagi kichik masofada o'zaro ta'sir kuchlarining ta'siri (itarish, tortishish va boshqa kuchlar) va namoyon bo'lishi. turli effektlar(masalan, elektron tunnel) yordamida qo'lga olinishi mumkin zamonaviy vositalar ro'yxatga olish. Ro'yxatga olish uchun har xil turdagi sensorlar qo'llaniladi, ularning sezgirligi kichik buzilishlarni aniqlashga imkon beradi. Skanerli prob mikroskopining ishlashi namuna yuzasining zond bilan o'zaro ta'siriga asoslangan (konsol - ingliz nuri, igna yoki optik prob). Konsollar nur uzunligi bo'yicha qattiq va yumshoq bo'linadi va bu konsol tebranishlarining rezonans chastotasi bilan tavsiflanadi. Mikroprob yordamida sirtni skanerlash jarayoni atmosferada ham, oldindan belgilangan gazda ham, vakuumda ham, hatto suyuq plyonka orqali ham sodir bo'lishi mumkin. Skanerli elektron mikroskopdagi konsol (kattalashtirish 1000X) koordinatalari,

Yozish tizimi prob-namuna masofasiga bog'liq bo'lgan funksiya qiymatini qayd qiladi. To'liq rastrli tasvirni olish uchun foydalaning turli qurilmalar X va Y o'qlari bo'ylab skanerlash (masalan, piezo-naychalar, tekislik-parallel skanerlar). Yuzaki skanerlash ikki usulda amalga oshirilishi mumkin: konsol bilan skanerlash va substrat bilan skanerlash. Agar birinchi holatda konsol o'rganilayotgan sirt bo'ylab harakatlansa, ikkinchi holatda substratning o'zi statsionar konsolga nisbatan harakat qiladi. fikr-mulohaza Skanerlash rejimini saqlab turish uchun konsol sirtga yaqin bo'lishi kerak, bu rejimga qarab, doimiy quvvat rejimi yoki doimiy balandlik rejimi bo'ladimi, skanerlash jarayonida bunday rejimni saqlab turishi mumkin bo'lgan tizim mavjud. Shu maqsadda mikroskopning elektron sxemasi o'z ichiga oladi maxsus tizim teskari aloqa, bu konsolni asl holatidan burish tizimi bilan bog'liq. Skanerli prob mikroskopini yaratishda asosiy texnik qiyinchiliklar: Zondning uchi o'rganilayotgan ob'ektlar bilan taqqoslanadigan o'lchamlarga ega bo'lishi kerak. Mexanik (shu jumladan issiqlik va tebranish) barqarorlikni 0,1 angstromdan yaxshiroq darajada ta'minlash. Detektorlar qayd etilgan parametrning kichik buzilishlarini ishonchli tarzda aniqlashlari kerak. Aniq skanerlash tizimini yaratish. Probning sirtga silliq yaqinlashishini ta'minlash.

Skanerli tunnel mikroskopi (STM skanerlash tunnel mikroskopi) yoki skanerlash tunnel mikroskopi (RTM) zamonaviy shakl 1981 yilda Gerd Karl Binnig va Geynrix Rorer tomonidan ixtiro qilingan (ushbu qurilmalar sinfining printsiplari ilgari boshqa tadqiqotchilar tomonidan yaratilgan). Ushbu ixtiro uchun ular mukofotlangan Nobel mukofoti 1986 yil uchun fizika bo'yicha, ular va transmissiya elektron mikroskop ixtirochisi E. Ruska o'rtasida taqsimlangan. STMda bir necha angstrom masofada joylashgan namunaga o'tkir metall igna keltiriladi. Namunaga nisbatan ignaga kichik potentsial qo'llanilganda, tunnel oqimi paydo bo'ladi. Ushbu oqimning kattaligi eksponent ravishda namunadan igna masofasiga bog'liq. Taxminan 1 A masofadagi odatiy pA qiymatlari. Ushbu mikroskop elektronlarni ta'minlash uchun kichik diametrli metall uchidan foydalanadi. Namuna uchi va yuzasi orasidagi bo'shliqda, a elektr maydoni. Maydon tomonidan uchidan vaqt birligida tortib olinadigan elektronlar soni (tunnel oqimi) uchi va namuna yuzasi orasidagi masofaga bog'liq (amalda bu masofa 1 nm dan kam). Maslahat sirt bo'ylab harakatlanayotganda, oqim modulyatsiyalanadi. Bu sizga namunaning sirt topografiyasi bilan bog'liq tasvirni olish imkonini beradi. Agar uchi bitta atomda tugasa, u holda atomni atomga o'tkazish orqali sirtning tasvirini hosil qilish mumkin.

RTM faqat uchidan sirtgacha bo'lgan masofa doimiy bo'lganda va uchi atom o'lchamlarigacha aniqlik bilan harakatlanishi mumkin bo'lgan sharoitda ishlashi mumkin. Oddiy sirt bo'ylab (~ 0,01 nm) va gorizontal yo'nalishda (~ 0,1 nm) yuqori STM ruxsati vakuumda ham, tunnel bo'shlig'idagi dielektrik muhitda ham amalga oshiriladi, o'lchov aniqligini oshirish uchun keng istiqbollarni ochadi. chiziqli o'lchamlar nanometr oralig'ida. Skanerli tunnel mikroskopining platina-iridiyli ignasi.

Skanerli atom kuch mikroskopi Skanerli atom kuch mikroskopi (AFM) 1986 yilda taklif qilingan yuzaki atom kuchi mikroskopi (AFM) bir-biriga yaqin masofada joylashgan kuchlarning o'zaro ta'siriga asoslangan. qattiq moddalar. STM dan farqli o'laroq, AFM usuli nafaqat vakuumda, balki havoda ham, o'tkazuvchan va o'tkazmaydigan sirtlarda ham o'lchash uchun javob beradi. suyuq muhit. Eng muhim element AFM - mikrozond (konsol), uning uchida egrilik radiusi R bo'lgan dielektrik uchi mavjud bo'lib, unga o'rganilayotgan namunaning sirti uchdan foydalanib d0,1÷10 nm masofaga keltiriladi. -koordinatali manipulyator. Konsolning uchi odatda mexanik qattiqligi past bo'lgan qavs shaklida tayyorlangan kamonga o'rnatiladi. Namuna va konsolning uchi o'rtasidagi atomlararo (molekulyar) o'zaro ta'sir natijasida qavs buriladi. Sirt normal bo'ylab AFM o'lchamlari mos keladigan STM o'lchamlari bilan taqqoslanadi va gorizontal yo'nalishdagi o'lchamlari (bo'ylama o'lchamlari) d masofasiga va uchining egrilik radiusiga bog'liq R. Raqamli hisoblash R = 0,5 nm da ekanligini ko'rsatadi. va d = 0,4 nm bo'ylama o'lchamlari ~ 1 nm. Shuni ta'kidlash kerakki, AFM zondi igna uchi bo'lib, u nanometr o'lchamlariga ega bo'lgan sirt relyef elementining profili haqida ma'lumot olish imkonini beradi, ammo bunday elementning balandligi (chuqurligi) 100 nm dan oshmasligi kerak, va qo'shni element 100 nm dan yaqinroq joyda joylashgan bo'lishi kerak. Agar ma'lum AFM-ga xos shartlar bajarilsa, ma'lumotni yo'qotmasdan element profilini tiklash mumkin. Biroq, bu shartlarni eksperimental ravishda amalga oshirish deyarli mumkin emas.

Ko‘rish fazoviy o‘lchamlari (x,y) Z-koordinata ruxsati Maydon o‘lchami Kattalashtirish Optik mikroskop 200 nm-0,4 -0,2 mm x Konfokal mikroskop 200 nm 1 nm Oq yorug‘lik interferometriyasi 200 nm 0,1 nm 0,05 dan x Golografik mikroskop 0,0 m to2 gacha Transmissiya elektron mikroskop 0,2 nm-dan Skanerli elektron mikroskopga (SEM) 0,4 nm 0,1 nm 0,1-500 mkm z ​​bo‘ylab - ~1-10 mm dan x Skanerli zond mikroskoplari 0,1 nm 0,05 nm ~150 x 150 mkm -ga

Moskva elektron texnologiyalar instituti

Elektron mikroskop laboratoriyasi S.V. Sedov

[elektron pochta himoyalangan]

Zamonaviy skanerlovchi elektron mikroskopning ishlash printsipi va undan mikroelektron ob'ektlarni o'rganishda foydalanish

Ishning maqsadi: skanerlovchi elektron mikroskop yordamida materiallar va mikroelektron tuzilmalarni o'rganish usullari bilan tanishish.

Ishlash vaqti: 4 soat.

Qurilmalar va aksessuarlar: Philips skanerlovchi elektron mikroskop-

SEM-515, mikroelektron tuzilmalarning namunalari.

Skanerli elektron mikroskopning dizayni va ishlash printsipi

1.Kirish

Skanerli elektron mikroskopiya - bu namuna yuzasida rastrga joylashtirilgan nozik fokuslangan elektron nur bilan nurlanish orqali ob'ektni o'rganish. Fokuslangan elektron nurning namuna yuzasi bilan o'zaro ta'siri natijasida ikkilamchi elektronlar, aks ettirilgan elektronlar, xarakterli rentgen nurlanishi, Auger elektronlari va turli energiyadagi fotonlar paydo bo'ladi. Ular ma'lum hajmlarda tug'iladi - namuna ichidagi avlod joylari va uning ko'plab xususiyatlarini, masalan, sirt topografiyasi, kimyoviy tarkibi, elektr xususiyatlari va boshqalarni o'lchash uchun ishlatilishi mumkin.

Rastr elektron mikroskoplarning keng qo'llanilishining asosiy sababi yuqori aniqlik 1,0 nm (10 Å) ga etgan massiv ob'ektlarni o'rganishda. Skanerli elektron mikroskopda olingan tasvirlarning yana bir muhim xususiyati qurilmaning maydon chuqurligidan kelib chiqqan holda ularning uch o'lchamliligidir. Mikro- va nanotexnologiyada skanerlovchi mikroskopdan foydalanish qulayligi namunalarni tayyorlashning nisbatan soddaligi va tadqiqotning samaradorligi bilan izohlanadi, bu esa undan vaqtni sezilarli darajada yo‘qotmasdan texnologik parametrlarni operasiyaviy monitoring qilishda foydalanish imkonini beradi. Skanerli mikroskopdagi tasvir televizor signali shaklida shakllanadi, bu esa uni kompyuterga kiritishni va tadqiqot natijalarini dasturiy ta'minot bilan qayta ishlashni sezilarli darajada osonlashtiradi.

Mikrotexnologiyalarning rivojlanishi va elementlarning o'lchamlari ko'rinadigan yorug'lik to'lqin uzunligidan sezilarli darajada kichik bo'lgan nanotexnologiyalarning paydo bo'lishi skanerlash elektron mikroskopini qattiq jismli elektronika va mikromexanika mahsulotlarini ishlab chiqarishda deyarli yagona buzilmaydigan vizual tekshirish usuliga aylantiradi.

2. Elektron nurning namuna bilan o'zaro ta'siri

Elektron nurlari qattiq nishon bilan o'zaro ta'sirlashganda, juda ko'p turli xil signallar paydo bo'ladi. Ushbu signallarning manbai radiatsiya hududlari bo'lib, ularning o'lchamlari nurlanish energiyasiga va bombardimon qilingan nishonning atom raqamiga bog'liq. Ushbu maydonning o'lchami, ma'lum bir turdagi signaldan foydalanganda, mikroskopning o'lchamlarini aniqlaydi. Shaklda. 1-rasmda turli signallar uchun namunadagi qo'zg'alish hududlari ko'rsatilgan.

Namuna tomonidan chiqarilgan elektronlarning to'liq energiya taqsimoti

2-rasmda ko'rsatilgan. U tushayotgan nurning energiyasi E 0 = 180 eV da olingan, maqsad J s tomonidan chiqarilgan elektronlar soni (E) ordinata o'qi bo'ylab chizilgan va bu elektronlarning energiyasi E abscissa o'qi bo'ylab chizilgan. E'tibor bering, qaramlik turi,

2-rasmda ko'rsatilgan, elektron mikroskoplarni skanerlashda ishlatiladigan 5-50 keV energiyaga ega bo'lgan nurlar uchun ham saqlanadi.

G
I guruh energiya birlamchi nurning energiyasiga yaqin bo'lgan elastik aks ettirilgan elektronlardan iborat. Ular katta burchaklardagi elastik sochilish paytida paydo bo'ladi. Atom raqami Z ortishi bilan elastik sochilish kuchayadi va aks ettirilgan elektronlarning ulushi  ortadi. Ayrim elementlar uchun aks ettirilgan elektronlarning energiya taqsimoti 3-rasmda ko'rsatilgan.

Tarqalish burchagi 135 0
, W=E/E 0 - normallashtirilgan energiya, d/dW - tushgan elektron va birlik energiya oralig'ida aks ettirilgan elektronlar soni. Rasmdan ko'rinib turibdiki, atom raqami ortishi bilan nafaqat aks ettirilgan elektronlar soni ko'payadi, balki ularning energiyasi ham birlamchi nurning energiyasiga yaqinlashadi. Bu atom raqamidagi kontrastning paydo bo'lishiga olib keladi va ob'ektning fazaviy tarkibini o'rganishga imkon beradi.

II guruhga bir necha marta elastik boʻlmagan sochilishdan oʻtgan va maqsadli materialning koʻproq yoki kamroq qalin qatlamidan oʻtib, dastlabki energiyasining maʼlum qismini yoʻqotib, sirtga chiqariladigan elektronlar kiradi.

E
III-guruh elektronlari ikkilamchi elektronlar boʻlib, ular kuchsiz bogʻlangan elektronlarning birlamchi nurlari taʼsirida maqsadli atomlarning tashqi qobiqlari qoʻzgʻatilganda hosil boʻladi, ular kam energiyaga ega (50 eV dan kam). Ikkilamchi elektronlar soniga asosiy ta'sir namuna sirtining topografiyasi va mahalliy elektr va magnit maydonlari tomonidan amalga oshiriladi. Chiqaruvchi ikkilamchi elektronlar soni birlamchi nurning tushish burchagiga bog'liq (4-rasm). Ikkilamchi elektronlarni chiqarishning maksimal chuqurligi R 0 bo'lsin. Agar namuna egilgan bo'lsa, u holda sirtdan R 0 masofada yo'l uzunligi ortadi: R = R 0 sek 

Binobarin, ikkilamchi elektronlar hosil bo'ladigan to'qnashuvlar soni ham ortadi. Shuning uchun, tushish burchagidagi engil o'zgarish chiqish signalining yorqinligi sezilarli o'zgarishiga olib keladi. Ikkilamchi elektronlarning hosil bo'lishi asosan namunaning sirtga yaqin hududida sodir bo'lganligi sababli (1-rasm), ikkilamchi elektronlarda tasvirning aniqligi birlamchi elektron nurining o'lchamiga yaqin.

Xarakterli rentgen nurlanishi tushgan elektronlarning namuna atomlarining ichki K, L yoki M qobiqlaridagi elektronlar bilan o'zaro ta'siridan kelib chiqadi. Xarakterli nurlanish spektri ob'ektning kimyoviy tarkibi haqida ma'lumotni o'z ichiga oladi. Tarkibni mikrotahlil qilishning ko'plab usullari bunga asoslanadi. Ko'pgina zamonaviy skanerlash elektron mikroskoplari sifatli va miqdoriy mikrotahlil uchun, shuningdek, ma'lum elementlarning xarakterli rentgen nurlanishida namuna yuzasi xaritalarini yaratish uchun energiya-dispersiv spektrometrlar bilan jihozlangan.

3 Skanerli elektron mikroskop dizayni.

ElektrOnal mikroskopOP(inglizcha - elektron mikroskop) – Bu yorug'lik nurlari o'rniga yuqori energiyaga (30 - 100 keV yoki undan ko'p) tezlashtirilgan elektronlar nurlari qo'llaniladigan ob'ektlarning kattalashtirilgan tasvirlarini (1·10 6 martagacha) kuzatish va suratga olish uchun qurilma. chuqur vakuum sharoitlari.

Transmissiya elektron mikroskoplari (TEM) bu parametr bo'yicha yorug'lik mikroskoplarini bir necha ming marta ortda qoldirib, eng yuqori aniqlash kuchiga ega. Qurilmaning ob'ektning kichik, maksimal darajada joylashgan detallarini alohida tasvirlash qobiliyatini tavsiflovchi rezolyutsiya chegarasi TEM uchun 2 - 3 A ° ni tashkil qiladi. Da qulay sharoitlar alohida og'ir atomlarni suratga olish mumkin. Davriy tuzilmalarni, masalan, kristall panjaralarning atom tekisliklarini suratga olishda 1 A° dan kamroq ruxsatga erishish mumkin.

Qattiq jismlarning tuzilishini aniqlash uchun to'lqin uzunligi l atomlararo masofalardan qisqaroq bo'lgan nurlanishdan foydalanish kerak. Elektron mikroskopda bu maqsadda elektron to'lqinlardan foydalaniladi.

De Broyl to'lqin uzunligi λ Tezlik bilan harakatlanuvchi elektron uchun B V

Qayerda p- uning impulsi, h- Plank doimiysi, m 0 - elektronning dam olish massasi, V- uning tezligi.

Oddiy o'zgarishlardan so'ng, biz potentsial farqli tezlanayotgan bir xil elektr maydonida harakatlanadigan elektron uchun de Broyl to'lqin uzunligini aniqlaymiz. U, teng

. (1)

uchun ifodalarda λ B relyativistik tuzatish hisobga olinmaydi, bu faqat yuqori elektron tezligida muhim ahamiyatga ega V>1·10 5 V.

l B qiymati juda kichik bo'lib, bu elektron mikroskopning yuqori aniqligini ta'minlaydi.

1 dan energiyaga ega elektronlar uchun eV 10 000 eV gacha, de Broyl to'lqin uzunligi ~1 nm dan 10 -2 nm gacha, ya'ni to'lqin uzunligi oralig'ida joylashgan. rentgen nurlanishi. Shuning uchun elektronlarning to'lqin xossalari o'zini namoyon qilishi kerak, masalan, ular bir xil kristallar ustiga tarqalganda. diffraktsiya rentgen nurlari. [

Zamonaviy mikroskoplar (1·10 4 – 1·10 5) eV elektron energiyasida (0,1 – 1) nm ruxsatga ega bo‘lib, bu atomlar guruhlarini va hatto alohida atomlarni, nuqta nuqsonlarini, sirt topografiyasini kuzatish imkonini beradi. va boshqalar.

Transmissiya elektron mikroskopiyasi

Transmissiya elektron mikroskopining (TEM) elektron-optik tizimiga quyidagilar kiradi: mikroskopning yoritish tizimini ta'minlash uchun mo'ljallangan elektron tabanca I va kondensator 1; displeyni amalga oshiradigan ob'ektiv 2, oraliq 3 va proyeksiya 4 linzalari; kuzatuv va suratga olish kamerasi E (1-rasm).

1-rasm. Tasvirni kuzatish rejimida TEMda nurlanish yo'li

Elektron tabancadagi elektronlar manbai volframli termion katoddir. Kondenser linzalari ob'ektda bir necha mikron diametrli nuqta olish imkonini beradi. Tasvirlash tizimidan foydalanib, TEM ekranida ob'ektning elektron mikroskopik tasviri hosil bo'ladi.

Ob'ektga tekis konjugatsiyada ob'ektiv ob'ektiv ob'ektning birinchi oraliq tasvirini hosil qiladi. Ob'ektning bir nuqtasidan chiqadigan barcha elektronlar konjugat tekisligining bir nuqtasida tugaydi. Keyin oraliq va proyeksiya linzalari yordamida lyuminestsent mikroskop ekranida yoki fotografik plastinkada tasvir olinadi. Ushbu rasm namunaning strukturaviy va morfologik xususiyatlarini bildiradi.

TEM magnit linzalardan foydalanadi. Ob'ektiv o'rash, bo'yinturuq va qutb bo'lagidan iborat bo'lib, magnit maydonni kichik hajmda to'playdi va shu bilan linzaning optik kuchini oshiradi.

TEMlar bu parametr bo'yicha yorug'lik mikroskoplarini bir necha ming marta ortda qoldiradigan eng yuqori rezolyutsiya kuchiga (PC) ega. Qurilmaning ob'ektning kichik, maksimal darajada joylashgan detallarini alohida tasvirlash qobiliyatini tavsiflovchi rezolyutsiya chegarasi TEM uchun 2 - 3 A ° ni tashkil qiladi. Qulay sharoitlarda alohida og'ir atomlarni suratga olish mumkin. Davriy tuzilmalarni, masalan, kristall panjaralarning atom tekisliklarini suratga olishda 1 A° dan kam ruxsatga erishish mumkin. Bunday yuqori aniqliklarga elektronlarning juda qisqa de Broyl to'lqin uzunligi tufayli erishiladi. Optimal diafragma linzalarning sferik aberatsiyasini kamaytirishga imkon beradi, bu PC TEM ga ta'sir qiladi, etarlicha kichik diffraktsiya xatosi bilan. Aberatsiyalarni tuzatishning samarali usullari topilmadi. Shuning uchun TEMda kichikroq aberratsiyalarga ega bo'lgan magnit elektron linzalari (EL) elektrostatik ELlarni to'liq almashtirdi. PEMlar turli maqsadlar uchun ishlab chiqariladi. Ularni 3 guruhga bo'lish mumkin:

soddalashtirilgan PEM,

Yuqori aniqlikdagi TEM,

Tezlashtiruvchi kuchlanish kuchaygan TEM.

1. Soddalashtirilgan FEM yuqori kompyuter talab qilmaydigan tadqiqotlar uchun mo'ljallangan. Ular dizayn jihatidan soddaroq (shu jumladan ob'ekt tasvirini kattalashtirish uchun 1 ta kondanser va 2 - 3 linzalar), ular pastroq (odatda 60 - 80 kV) tezlashtiruvchi kuchlanish va uning past barqarorligi bilan ajralib turadi. Ushbu qurilmalarning shaxsiy kompyuterlari 6 dan 15 gacha. Boshqa ilovalar ob'ektlarni oldindan ko'rish, muntazam tadqiqotlar, ta'lim maqsadlari. Elektron nur bilan "yoritilgan" ob'ektning qalinligi tezlashtiruvchi kuchlanishga bog'liq. Qalinligi 10 dan bir necha ming A° gacha boʻlgan obʼyektlar tezlashtiruvchi kuchlanishi 100 kV boʻlgan TEMda oʻrganiladi.

2. Yuqori aniqlikdagi TEM(2 - 3 Å) - qoida tariqasida, universal ko'p maqsadli qurilmalar (2-rasm, a). Qo'shimcha qurilmalar va qo'shimchalar yordamida siz ob'ektni optik o'qqa katta burchak ostida turli tekisliklarda egishingiz, qizdirishingiz, sovutishingiz, deformatsiya qilishingiz, rentgen strukturaviy tahlilini, elektron diffraktsiyasini o'rganishingiz va hokazolarni amalga oshirishingiz mumkin. Elektron tezlashtiruvchi kuchlanish 100 ga etadi - 125 kV, bosqichma-bosqich sozlanishi va juda barqaror: 1-3 daqiqada u dastlabki qiymatdan 1-2 ppm dan oshmaydi. Uning optik tizimida (ustunida) chuqur vakuum hosil bo'ladi (bosim 1·10 -6 mm Hg gacha). TEM optik tizimining diagrammasi 2-rasm, b da ko'rsatilgan. Manbasi termion katod bo'lgan elektronlar nuri elektron tabancada hosil bo'ladi va keyin birinchi va ikkinchi kondensatorlar tomonidan ikki marta fokuslanadi, bu ob'ektda elektron "nuqta" hosil qiladi, uning diametri 1 dan o'zgarishi mumkin. 20 mikrongacha. Ob'ektdan o'tgandan so'ng, elektronlarning bir qismi tarqaladi va diafragma diafragma tomonidan kechiktiriladi. Tarqalmagan elektronlar diafragma orqali o'tadi va oraliq linzaning ob'ekt tekisligidagi linza tomonidan fokuslanadi. Bu erda birinchi kattalashtirilgan tasvir hosil bo'ladi. Keyingi linzalar ikkinchi, uchinchi va hokazo tasvirni yaratadi. Oxirgi linza floresan ekranda tasvir hosil qiladi, u elektronlar ta'sirida porlaydi

Guruch. 2 a. TEM: 1 - elektron qurol; 2 – kondensator linzalari; 3 - ob'ektiv; 4 – proyeksiyalovchi linzalar; 5 – ekranda kuzatilayotgan tasvirni yanada kattalashtiradigan yorug‘lik mikroskopi: 6 – tasvirni kuzatish mumkin bo‘lgan ko‘rish oynalari bo‘lgan naycha; 7 – yuqori voltli kabel; 8 – vakuum-aqlli tizim; 9 – boshqaruv paneli; 10 - stend; 11 – yuqori kuchlanishli elektr ta’minoti; 12 - ob'ektiv quvvat manbai.

Guruch.

TEM kattalashtirish barcha linzalarning kattalashtirish mahsulotiga teng. Ob'ektning turli nuqtalarida elektronning tarqalish darajasi va tabiati bir xil emas, chunki ob'ektning qalinligi, zichligi va kimyoviy tarkibi nuqtadan nuqtaga o'zgaradi. Shunga ko'ra, ob'ektning turli nuqtalaridan o'tgandan so'ng diafragma tomonidan ushlab turilgan elektronlar soni o'zgaradi va natijada ekrandagi yorug'lik kontrastiga aylanadigan tasvirdagi oqim zichligi o'zgaradi. Ekran ostida fotografik lavhalar bilan jurnal joylashgan. Suratga olishda ekran chiqariladi va elektronlar emulsiya qatlamiga ta'sir qiladi. Tasvir linzaning magnit maydonini qo'zg'atadigan oqimni o'zgartirish orqali qaratilgan. Boshqa linzalarning oqimlari TEMning kattalashishini o'zgartirish uchun o'rnatiladi.

3. Tezlashtiruvchi kuchlanish kuchaygan TEM(200 kV gacha) an'anaviy TEMlarga qaraganda qalinroq ob'ektlarni (2 - 3 baravar qalin) o'rganish uchun mo'ljallangan. Ularning o'lchamlari 3 - 5 Å ga etadi. Ushbu qurilmalar elektron qurolning dizaynida farqlanadi: elektr quvvati va barqarorligini ta'minlash uchun u ikkita anodga ega, ulardan biri tezlashtiruvchi kuchlanishning yarmi bo'lgan oraliq potentsial bilan ta'minlangan. Linzalarning magnetomotor kuchi 100 kV tezlashtiruvchi kuchlanishli TEMga qaraganda kattaroqdir va linzalarning o'zlari o'lchamlari va og'irligiga ega.

4. Ultra yuqori kuchlanishli elektron mikroskoplar(SVEM) - balandligi 5 dan 15 m gacha bo'lgan, 0,50 - 0,65 tezlashtiruvchi kuchlanishli katta o'lchamli qurilmalar (3-rasm); 1 – 1,5 va 3,5 MV.

Ular uchun maxsus binolar qurilmoqda. SVEMlar qalinligi 1 dan 10 mikrongacha bo'lgan ob'ektlarni o'rganish uchun mo'ljallangan. Elektronlar bosim ostida elektr izolyatsion gaz bilan to'ldirilgan tankda joylashgan elektrostatik tezlatgichda (to'g'ridan-to'g'ri tezlatgich deb ataladi) tezlashadi. Xuddi shu yoki qo'shimcha tankda yuqori kuchlanishli stabillashtirilgan quvvat manbai mavjud. Kelajakda - elektronlar 5 - 10 MeV energiyagacha tezlashtirilgan chiziqli tezlatgichli TEMni yaratish. Yupqa ob'ektlarni o'rganishda PC SVEM TEM dan past bo'ladi. Qalin ob'ektlar bo'lsa, PC SVEM 100 kV tezlashtiruvchi kuchlanish bilan PC TEM dan 10-20 baravar ustundir. Agar namuna amorf bo'lsa, elektron tasvirning kontrasti namuna materialining qalinligi va yutilish koeffitsienti bilan belgilanadi, bu, masalan, plastmassa yoki uglerod nusxalari yordamida sirt morfologiyasini o'rganishda kuzatiladi. Kristallarda qo'shimcha ravishda elektron difraksiyasi sodir bo'ladi, bu esa kristalning tuzilishini aniqlash imkonini beradi.

IN

4-rasm. Yorqin maydon uchun diafragma D holati ( A) va qorong'u maydon ( b) tasvirlar: P - uzatilgan nur; D- diffraktsiyali nur; Arr - namuna; I - elektron qurol

FEM quyidagi ish rejimlarini amalga oshirishi mumkin:

tasvir uzatilgan nur P, difraksion nur tomonidan hosil bo'ladi D diafragma D bilan kesiladi (4-rasm, A), bu yorqin maydon tasviri;

diafragma diafragma D difraksiyaga imkon beradi D nur, uzatilgan P ni kesib, bu qorong'u maydon tasviridir (4-rasm, b);

diffraktsiya naqshini olish uchun ob'ektiv linzaning orqa fokus tekisligi mikroskop ekraniga qaratilgan (4-rasm). Keyin ekranda namunaning transilluminatsiyalangan maydonidan diffraktsiya naqshlari kuzatiladi.

Ob'ektivning orqa fokus tekisligida tasvirni kuzatish uchun diafragma diafragmasi o'rnatiladi, buning natijasida tasvirni tashkil etuvchi nurlarning diafragmasi kamayadi va piksellar sonini oshiradi. Xuddi shu diafragma kuzatuv rejimini tanlash uchun ishlatiladi (2 va 5-rasmga qarang).

5-rasm. Mikrodiffraktsiya rejimida TEMda nur yo'li D - diafragma; Va - elektronlar manbai; Arr - namuna; E - ekran; 1 - kondensator, 2 - ob'ektiv, 3 - oraliq, 4 - proyeksiya linzalari

to'lqin uzunligi  TEMda ishlatiladigan kuchlanishlarda taxminan 1∙10 -3 nm, ya'ni kristall panjara konstantasidan ancha past. A, shuning uchun difraksiyalangan nur faqat kichik burchaklarda tarqalishi mumkin θ o'tayotgan nurga (
). Kristaldan diffraktsiya naqshlari alohida nuqtalar (akslar) to'plamidir. TEMda, elektron diffraktsiya skaneridan farqli o'laroq, ob'ektga ulashgan tekislikdagi diafragma yordamida ob'ektning kichik maydonidan diffraktsiya naqshini olish mumkin. Hududning o'lchami taxminan (1 × 1) mkm 2 bo'lishi mumkin. Oraliq linzaning optik quvvatini o'zgartirib, tasvirni kuzatish rejimidan diffraktsiya rejimiga o'tishingiz mumkin.