Om nanoobjecten te bestuderen, is de resolutie van optische microscopen ( zelfs met behulp van ultraviolet) is duidelijk niet genoeg. Wat dit betreft, in de jaren dertig. Het idee ontstond om elektronen te gebruiken in plaats van licht, waarvan de golflengte, zoals we weten uit de kwantumfysica, honderden keren korter is dan die van fotonen.

Zoals u weet is ons zicht gebaseerd op de vorming van een beeld van een object op het netvlies van het oog door lichtgolven die door dit object worden gereflecteerd. Als licht door een optisch systeem gaat voordat het in het oog terechtkomt microscoop, zien we een vergroot beeld. In dit geval wordt het pad van de lichtstralen vakkundig geregeld door de lenzen waaruit de lens en het oculair van het apparaat bestaan.

Maar hoe kan men een beeld van een object verkrijgen, en met een veel hogere resolutie, zonder gebruik te maken van lichtstraling, maar van een stroom elektronen? Met andere woorden: hoe is het mogelijk om objecten te zien met behulp van deeltjes in plaats van golven?

Het antwoord is heel eenvoudig. Het is bekend dat het traject en de snelheid van elektronen aanzienlijk worden beïnvloed door externe elektromagnetische velden, met behulp waarvan de beweging van elektronen effectief kan worden gecontroleerd.

De wetenschap van de beweging van elektronen in elektromagnetische velden en de berekening van apparaten die de noodzakelijke velden vormen, wordt genoemd elektronen optica.

Het elektronische beeld wordt gevormd door elektrische en magnetische velden ongeveer hetzelfde als licht - met optische lenzen. Daarom worden apparaten voor het focusseren en verstrooien van een elektronenbundel in een elektronenmicroscoop “ elektronische lenzen”.

Elektronische lens. De stroomdraden focusseren de elektronenbundel op dezelfde manier als een glazen lens een lichtbundel focusseert.

Het magnetische veld van de spoel werkt als een convergerende of divergerende lens. Om het magnetische veld te concentreren, is de spoel bedekt met een magnetische " schild» gemaakt van een speciale nikkel-kobaltlegering, waardoor er aan de binnenkant slechts een smalle opening overblijft. Het magnetische veld dat op deze manier wordt gecreëerd, kan 10 tot 100 duizend keer sterker zijn dan het magnetische veld van de aarde!

Helaas kunnen onze ogen elektronenbundels niet rechtstreeks waarnemen. Daarom worden ze gebruikt voor “ tekening”beelden op fluorescerende schermen (die oplichten als ze door elektronen worden geraakt). Hetzelfde principe ligt overigens ten grondslag aan de werking van monitoren en oscilloscopen.

Bestaat een groot aantal van verscheidene soorten elektronenmicroscopen, waarvan de meest populaire de scanning-elektronenmicroscoop (SEM) is. We krijgen het vereenvoudigde diagram als we het te bestuderen object erin plaatsen kathodestraalbuis een gewone tv tussen het scherm en de elektronenbron.

In zulke microscoop een dunne elektronenbundel (bundeldiameter ongeveer 10 nm) loopt rond (alsof hij wordt gescand) langs horizontale lijnen, punt voor punt, en zendt het signaal synchroon naar de kinescoop. Het hele proces is vergelijkbaar met de bediening van een tv tijdens het scanproces. De bron van elektronen is een metaal (meestal wolfraam), waaruit elektronen worden geëmitteerd bij verhitting als gevolg van thermionische emissie.

Werkingsschema van een scanning-elektronenmicroscoop

Thermische emissie– het vrijkomen van elektronen van het oppervlak van geleiders. Het aantal vrijkomende elektronen is klein bij T=300K en neemt exponentieel toe bij toenemende temperatuur.

Wanneer elektronen door een monster gaan, worden sommige ervan verstrooid als gevolg van botsingen met de kernen van de atomen van het monster, andere worden verspreid als gevolg van botsingen met de elektronen van de atomen, en weer andere gaan er doorheen. In sommige gevallen worden secundaire elektronen uitgezonden, wordt röntgenstraling geïnduceerd, enz. Al deze processen worden vastgelegd door speciaal detectoren en in geconverteerde vorm op het scherm weergegeven, waardoor een vergroot beeld ontstaat van het object dat wordt bestudeerd.

Onder vergroting wordt in dit geval verstaan ​​de verhouding tussen de grootte van het beeld op het scherm en de grootte van het gebied dat door de straal op het monster wordt bedekt. Omdat de golflengte van een elektron ordes van grootte kleiner is dan die van een foton, kan deze vergroting in moderne SEM's oplopen tot 10 miljoen15, wat overeenkomt met een resolutie van enkele nanometers, wat het mogelijk maakt om individuele atomen te visualiseren.

Belangrijkste nadeel elektronenmicroscopie– de noodzaak om in volledig vacuüm te werken, omdat de aanwezigheid van welk gas dan ook in de microscoopkamer kan leiden tot ionisatie van de atomen en de resultaten aanzienlijk kan vertekenen. Bovendien hebben elektronen een destructieve werking biologische objecten, waardoor ze niet toepasbaar zijn voor onderzoek op veel gebieden van de biotechnologie.

Geschiedenis van de schepping elektronen microscoop is een opmerkelijk voorbeeld van een prestatie gebaseerd op een interdisciplinaire aanpak, waarbij onafhankelijk ontwikkelende wetenschaps- en technologiegebieden samenkwamen om een ​​nieuw krachtig instrument voor wetenschappelijk onderzoek te creëren.

De top klassieke natuurkunde er was een elektromagnetische veldtheorie die de voortplanting van licht, elektriciteit en magnetisme als voortplanting verklaarde elektromagnetische golven. Golfoptica verklaarde het fenomeen diffractie, het mechanisme van beeldvorming en het spel van factoren die de resolutie in een lichtmicroscoop bepalen. Succes kwantumfysica we hebben de ontdekking van het elektron met zijn specifieke deeltjesgolfeigenschappen te danken. Deze afzonderlijke en schijnbaar onafhankelijke ontwikkelingstrajecten leidden tot de creatie van de elektronenoptica, een van de vele belangrijkste uitvindingen die in de jaren dertig de elektronenmicroscoop werd.

Maar de wetenschappers rustten hier ook niet op. De golflengte van een elektron dat wordt versneld door een elektrisch veld is enkele nanometers. Dit is niet slecht als we een molecuul of zelfs een atoomrooster willen zien. Maar hoe kijk je in een atoom? Hoe ziet het eruit chemische binding? Hoe ziet het proces eruit chemische reactie? Hiervoor vandaag in verschillende landen wetenschappers ontwikkelen neutronenmicroscopen.

Neutronen worden gewoonlijk samen met protonen in atoomkernen aangetroffen en hebben bijna 2000 keer meer massa dan een elektron. Degenen die de formule van De Broglie uit het kwantumhoofdstuk niet zijn vergeten, zullen zich onmiddellijk realiseren dat de golflengte van een neutron evenveel keren korter is, dat wil zeggen: het zijn picometers, duizendsten van een nanometer! Dan zal het atoom voor onderzoekers niet als een wazig stipje verschijnen, maar in al zijn glorie.

Neutron microscoop heeft veel voordelen: neutronen brengen waterstofatomen goed in kaart en dringen gemakkelijk door dikke lagen monsters. Het is echter heel moeilijk om het te bouwen: neutronen hebben geen elektrische lading, dus negeren ze rustig magnetische en elektrische velden en ze streven ernaar de sensoren te ontwijken. Bovendien is het niet zo eenvoudig om grote, onhandige neutronen uit atomen te verwijderen. Daarom zijn de eerste prototypes van een neutronenmicroscoop vandaag de dag nog steeds verre van perfect.

ElektrOuiteindelijke microscoopOP(Engels - elektronenmicroscoop) – Dit is een apparaat voor het waarnemen en fotograferen van vermenigvuldigde (tot 1,10 6 keer) vergrote afbeeldingen van objecten, waarbij in plaats van lichtstralen elektronenbundels worden gebruikt, versneld tot hoge energieën (30 - 100 keV of meer) in diepvacuümomstandigheden.

Transmissie-elektronenmicroscopen (TEM) hebben het hoogste oplossend vermogen en overtreffen lichtmicroscopen in deze parameter duizenden keren. De zogenaamde resolutielimiet, die het vermogen van het apparaat kenmerkt om kleine, maximaal gelokaliseerde details van een object afzonderlijk in beeld te brengen, bedraagt ​​voor TEM 2 - 3 A°. Onder gunstige omstandigheden kunnen individuele zware atomen worden gefotografeerd. Bij het fotograferen van periodieke structuren, zoals atoomvlakken van kristalroosters, is het mogelijk een resolutie van minder dan 1 A° te bereiken.

Om de structuur van vaste stoffen te bepalen, is het noodzakelijk straling te gebruiken met een golflengte λ korter dan de interatomaire afstanden. In een elektronenmicroscoop worden hiervoor elektronengolven gebruikt.

De Broglie-golflengte λ B voor een elektron dat met snelheid beweegt V

Waar P- zijn impuls, H- De constante van Planck, M 0 - elektronenrustmassa, V- zijn snelheid.

Na eenvoudige transformaties vinden we dat de de Broglie-golflengte voor een elektron dat beweegt in een versnellend uniform elektrisch veld met een potentiaalverschil U, is gelijk

. (1)

In uitdrukkingen voor λ B er wordt geen rekening gehouden met de relativistische correctie, die alleen significant is bij hoge elektronensnelheden V>1·10 5 V.

De waarde van λ B is erg klein, wat een hoge resolutie van de elektronenmicroscoop mogelijk maakt.

Voor elektronen met energieën van 1 eV tot 10.000 eV ligt de golflengte van De Broglie in het bereik van ~1 nm tot 10 −2 nm, dat wil zeggen in het golflengtebereik röntgenstraling. Daarom golf eigenschappen elektronen zouden bijvoorbeeld moeten verschijnen wanneer ze verspreid zijn over dezelfde kristallen waarop diffractie Röntgenstralen. [

Moderne microscopen hebben een resolutie van (0,1 – 1) nm bij een elektronenenergie van (1·10 4 – 1·10 5) eV, waardoor het mogelijk is groepen atomen en zelfs individuele atomen, puntdefecten, oppervlaktereliëf, enz.

Transmissie-elektronenmicroscopie

Het elektronenoptische systeem van een transmissie-elektronenmicroscoop (TEM) omvat: elektronenkanon I en condensor 1, ontworpen om het verlichtingssysteem van de microscoop te verschaffen; objectief 2, tussenliggende 3 en projectie 4 lenzen die de weergave uitvoeren; bewakings- en fotografiecamera E (Fig. 1).

Figuur 1.

De elektronenbron in het elektronenkanon is een thermionische kathode van wolfraam. Een condensorlens maakt het mogelijk om op een voorwerp een vlek met een diameter van enkele microns te verkrijgen. Met behulp van het beeldvormingssysteem wordt een elektronenmicroscopisch beeld van het object gevormd op het TEM-scherm.

In het aan het object geconjugeerde vlak vormt de objectieflens het eerste tussenbeeld van het object. Alle elektronen die uit één punt op een object komen, komen op één punt op het geconjugeerde vlak terecht. Vervolgens wordt met behulp van een tussen- en projectielens een beeld verkregen op een fluorescentiemicroscoopscherm of fotografische plaat. Dit beeld geeft de structurele en morfologische kenmerken van het exemplaar weer.

TEM maakt gebruik van magnetische lenzen. De lens bestaat uit een wikkeling, een juk en een poolstuk, waardoor het magnetische veld in een klein volume wordt geconcentreerd en daardoor het optische vermogen van de lens wordt vergroot.

TEM's hebben het hoogste oplossend vermogen (PC) en overtreffen lichtmicroscopen in deze parameter duizenden keren. De zogenaamde resolutielimiet, die het vermogen van een apparaat kenmerkt om kleine, maximaal gelokaliseerde details van een object afzonderlijk in beeld te brengen, bedraagt ​​voor TEM 2 – 3 A°. Onder gunstige omstandigheden is het mogelijk om individuele zware atomen te fotograferen. Bij het fotograferen van periodieke structuren, zoals atoomvlakken van kristalroosters, is het mogelijk een resolutie van minder dan 1 A° te bereiken. Dergelijke hoge resoluties worden bereikt dankzij de extreem korte de Broglie-golflengte van de elektronen. Een optimaal diafragma maakt het mogelijk om de sferische aberratie van de lens, die de PC TEM beïnvloedt, te verminderen met een voldoende kleine diffractiefout. Er zijn geen effectieve methoden gevonden om afwijkingen te corrigeren. Daarom hebben magnetische elektronenlenzen (EL's), die kleinere aberraties hebben, in TEM de elektrostatische EL's volledig vervangen. PEM's worden voor verschillende doeleinden geproduceerd. Ze kunnen in 3 groepen worden verdeeld:

    vereenvoudigde PEM,

    TEM met hoge resolutie,

    TEM met verhoogde versnellingsspanning.

1. Vereenvoudigde FEM ontworpen voor onderzoeken waarvoor geen hoge pc nodig is. Ze zijn eenvoudiger van ontwerp (inclusief 1 condensor en 2 - 3 lenzen om het beeld van een object te vergroten), ze onderscheiden zich door een lagere (meestal 60 - 80 kV) versnellingsspanning en de lagere stabiliteit ervan. De pc van deze apparaten is van 6 tot 15. Andere toepassingen zijn preview van objecten, routineonderzoek, educatieve doeleinden. De dikte van een object dat door een elektronenbundel kan worden ‘verlicht’, hangt af van de versnellingsspanning. Objecten met een dikte van 10 tot enkele duizenden A° worden bestudeerd in een TEM met een versnellingsspanning van 100 kV.

2. TEM met hoge resolutie(2 – 3 Å) – in de regel universele multifunctionele apparaten (Fig. 2, a). Met behulp van extra apparaten en hulpstukken kunt u een object in verschillende vlakken onder grote hoeken ten opzichte van de optische as kantelen, verwarmen, afkoelen, vervormen, structurele röntgenanalyses uitvoeren, elektronendiffractiestudies uitvoeren, enz. De elektronenversnellerspanning bereikt 100 - 125 kV, stapsgewijs instelbaar en zeer stabiel: in 1–3 minuten verandert deze met maximaal 1–2 ppm ten opzichte van de oorspronkelijke waarde. Er wordt een diep vacuüm gecreëerd in het optische systeem (kolom) (druk tot 1,10 -6 mm Hg). Schema optisch systeem TEM – in figuur 2, b. Een elektronenbundel, waarvan de bron een thermionische kathode is, wordt gevormd in een elektronenkanon en vervolgens tweemaal gefocusseerd door de eerste en tweede condensor, waardoor een elektronenvlek op het object ontstaat waarvan de diameter kan worden gewijzigd van 1 tot 20 micron. Nadat ze door het object zijn gegaan, worden sommige elektronen verstrooid en vertraagd door het diafragma. Niet-verstrooide elektronen passeren de opening en worden door de lens gefocusseerd in het objectvlak van de tussenlens. Hier wordt het eerste vergrote beeld gevormd. Volgende lenzen creëren een tweede, derde, enz. beeld. De laatste lens vormt een beeld op een fluorescerend scherm, dat oplicht bij blootstelling aan elektronen

Rijst. 2 een. TEM: 1 – elektronenkanon; 2 – condensorlenzen; 3 – lens; 4 – projectielenzen; 5 – lichtmicroscoop, die het op het scherm waargenomen beeld verder vergroot: 6 – buis met kijkvensters waardoor het beeld kan worden waargenomen; 7 – hoogspanningskabel; 8 – slim vacuümsysteem; 9 – bedieningspaneel; 10 – standaard; 11 – hoogspanningsvoeding; 12 – lensvoeding.

Rijst. 2 b. Optisch schema van TEM. 1 – kathode V vorm gemaakt van wolfraamdraad (verwarmd door stroom die er doorheen gaat tot 2800 K); 2 – focuscilinder; 3 – anode; 4 – de eerste (korte focus) condensor, waardoor een verkleind beeld van de elektronenbron ontstaat; 5 – tweede condensor (lange focus), die een verkleind beeld van de elektronenbron naar het object overbrengt; 6 – voorwerp; 7 – diafragma; 8 – lens; 9, 10, 11 – projectielenzensysteem; 12 – kathodoluminescerend scherm waarop het uiteindelijke beeld wordt gevormd.

De TEM-vergroting is gelijk aan het product van de vergrotingen van alle lenzen. De mate en aard van de elektronenverstrooiing zijn niet hetzelfde op verschillende punten van het object, omdat de dikte, dichtheid en chemische samenstelling objecten veranderen van punt tot punt. Dienovereenkomstig verandert het aantal elektronen dat door het diafragma wordt vastgehouden nadat het door verschillende punten van het object is gegaan, en dientengevolge de stroomdichtheid in het beeld, die wordt omgezet in lichtcontrast op het scherm. Onder het scherm ligt een tijdschrift met fotografische platen. Bij het fotograferen wordt het scherm verwijderd en werken elektronen op de emulsielaag. Het beeld wordt scherpgesteld door de stroom te veranderen die het magnetische veld van de lens opwekt. De stromen van de andere lenzen worden aangepast om de vergroting van de TEM te veranderen.

3. TEM met verhoogde versnellingsspanning(tot 200 kV) zijn ontworpen om dikkere objecten (2 - 3 keer dikker) te bestuderen dan conventionele TEM's. Hun resolutie bereikt 3 – 5 Å. Deze apparaten verschillen qua ontwerp elektronen pistool: om de elektrische sterkte en stabiliteit te garanderen, zijn er twee anodes, waarvan er één wordt gevoed met een tussenpotentiaal gelijk aan de helft van de versnellingsspanning. De magnetomotorische kracht van de lenzen is groter dan bij een TEM met een versnellingsspanning van 100 kV, en de lenzen zelf hebben grotere afmetingen en gewicht.

4. Elektronenmicroscopen met ultrahoge spanning(SVEM) – grote apparaten (Fig. 3) met een hoogte van 5 tot 15 m, met een versnellingsspanning van 0,50 – 0,65; 1 – 1,5 en 3,5 MV.

Voor hen worden speciale panden gebouwd. SVEM's zijn ontworpen om objecten met een dikte van 1 tot 10 micron te bestuderen. De elektronen worden versneld in een elektrostatische versneller (een directe versneller genoemd) die zich in een tank gevuld met elektrisch isolerend gas onder druk bevindt. In dezelfde of een extra tank bevindt zich een hoogspanningsgestabiliseerde stroombron. In de toekomst - de creatie van een TEM met een lineaire versneller, waarin elektronen worden versneld tot energieën van 5 - 10 MeV. Bij het bestuderen van dunne objecten is PC SVEM lager dan die van TEM. In het geval van dikke objecten is PC SVEM 10-20 keer superieur aan PC TEM met een versnellingsspanning van 100 kV. Als het monster amorf is, wordt het contrast van het elektronische beeld bepaald door de dikte en de absorptiecoëfficiënt van het monstermateriaal, wat bijvoorbeeld wordt waargenomen bij het bestuderen van de oppervlaktemorfologie met behulp van plastic- of koolstofreplica's. In kristallen treedt bovendien elektronendiffractie op, waardoor het mogelijk wordt de structuur van het kristal te bepalen.

IN

Afb.4. Diafragmapositie D voor helder veld ( A) en donkerveld ( B) afbeeldingen: P - uitgezonden straal; D- afgebogen straal; Arr - monster; I - elektronenkanon

FEM kan de volgende bedrijfsmodi implementeren:

    het beeld wordt gevormd door de doorgelaten bundel P, afgebogen bundel D wordt afgesneden door het diafragma D (fig. 4, A), dit is een helderveldbeeld;

    diafragma D maakt diffractie mogelijk D straal, waardoor de uitgezonden P wordt afgesneden, dit is een donkerveldbeeld (Fig. 4, B);

    om een ​​diffractiepatroon te verkrijgen, wordt het achterste brandpuntsvlak van de objectieflens scherpgesteld op het microscoopscherm (Fig. 4). Vervolgens wordt het diffractiepatroon van het doorgelichte gebied van het monster op het scherm waargenomen.

Om het beeld in het achterste brandpuntsvlak van de lens waar te nemen, wordt een diafragma geïnstalleerd, waardoor de opening van de stralen die het beeld vormen wordt verkleind en de resolutie wordt verhoogd. Hetzelfde diafragma wordt gebruikt om de observatiemodus te selecteren (zie figuren 2 en 5).

Afb.5. Straalpad in TEM in microdiffractiemodus D - diafragma; En - bron van elektronen; Arr - monster; E – scherm; 1 - condensor, 2 - objectief, 3 - tussenproduct, 4 - projectielenzen

golflengte bij spanningen gebruikt in TEM is ongeveer 1∙10 –3 nm, dat wil zeggen veel minder dan de kristalroosterconstante A Daarom kan de afgebogen straal zich slechts onder kleine hoeken voortplanten θ naar de passerende straal (
). Het diffractiepatroon van een kristal bestaat uit een reeks individuele punten (reflecties). In een TEM is het, in tegenstelling tot een elektronendiffractiescanner, mogelijk om een ​​diffractiepatroon te verkrijgen uit een klein gebied van een object met behulp van een diafragma in het vlak grenzend aan het object. De grootte van het gebied kan ongeveer (1 x 1) µm 2 zijn. U kunt overschakelen van de beeldobservatiemodus naar de diffractiemodus door het optische vermogen van de tussenlens te wijzigen.

Geschiedenis van de creatie van de elektronenmicroscoop

In 1931 ontving R. Rudenberg een patent voor een transmissie-elektronenmicroscoop en in 1932 bouwden M. Knoll en E. Ruska het eerste prototype van een modern apparaat. Dit werk van E. Ruska in 1986 werd opgemerkt Nobelprijs in de natuurkunde, die werd toegekend aan hem en de uitvinders van de scanning-sondemicroscoop, Gerd Karl Binnig en Heinrich Rohrer. Het gebruik van transmissie-elektronenmicroscopen voor wetenschappelijk onderzoek begon eind jaren dertig, met het eerste commerciële instrument dat door Siemens werd gebouwd.

Eind jaren dertig en begin jaren veertig verschenen de eerste scanning-elektronenmicroscopen, die een beeld van een object vormden door achtereenvolgens een elektronensonde met kleine dwarsdoorsnede over het object te bewegen. Massaal gebruik van deze apparaten in wetenschappelijk onderzoek begon in de jaren zestig, toen ze aanzienlijke technische verfijning bereikten.

Een belangrijke sprong (in de jaren '70) in de ontwikkeling was het gebruik van Schottky-kathoden en koudeveldemissiekathoden in plaats van thermionische kathoden, maar het gebruik ervan vereist een veel hoger vacuüm.

Eind jaren negentig en begin jaren 2000 hebben automatisering en het gebruik van CCD-detectoren de stabiliteit en het (relatieve) gebruiksgemak aanzienlijk vergroot.

In de afgelopen tien jaar hebben moderne, geavanceerde transmissie-elektronenmicroscopen gebruik gemaakt van sferische en chromatische aberratie(die de belangrijkste vervorming in het resulterende beeld introduceren), maar het gebruik ervan bemoeilijkt soms het gebruik van het apparaat aanzienlijk.

Soorten elektronenmicroscopen

Transmissie-elektronenmicroscopie

Sjabloon: leeg gedeelte

Eerste weergave van een elektronenmicroscoop. Een transmissie-elektronenmicroscoop gebruikt een elektronenbundel met hoge energie om een ​​beeld te vormen. De elektronenbundel wordt gecreëerd door middel van een kathode (wolfraam, LaB6, Schottky of koude veldemissie). De resulterende elektronenbundel wordt gewoonlijk versneld tot +200 keV (er worden verschillende spanningen van 20 keV tot 1 meV gebruikt), gefocusseerd door een systeem van elektrostatische lenzen, gaat door het monster zodat een deel ervan door verstrooiing op het monster gaat, en een deel ervan door verstrooiing op het monster gaat. doet niet. De elektronenbundel die door het monster gaat, draagt ​​dus informatie over de structuur van het monster. De straal gaat vervolgens door een systeem van vergrotende lenzen en vormt een beeld op een fluorescerend scherm (meestal gemaakt van zinksulfide), een fotografische plaat of een CCD-camera.

De TEM-resolutie wordt voornamelijk beperkt door sferische aberratie. Sommige moderne TEM's hebben correctoren voor sferische aberratie.

De belangrijkste nadelen van TEM zijn de noodzaak van een zeer dun monster (ongeveer 100 nm) en de instabiliteit (ontleding) van monsters onder de straal.

Transmissieraster (scanning) elektronenmicroscopie (STEM)

Hoofd artikel: Transmissie-scanning-elektronenmicroscoop

Een van de typen transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) zijn er echter apparaten die uitsluitend in de TEM-modus werken. Een elektronenbundel wordt door een relatief dun monster geleid, maar in tegenstelling tot conventionele transmissie-elektronenmicroscopie wordt de elektronenbundel gefocusseerd op een punt dat in een raster over het monster beweegt.

Raster (scanning) elektronenmicroscopie

Het is gebaseerd op het televisieprincipe waarbij een dunne elektronenbundel over het oppervlak van een monster wordt gescand.

Laagspannings-elektronenmicroscopie

Toepassingen van elektronenmicroscopen

Halfgeleiders en gegevensopslag

  • Diagrammen bewerken
  • Metrologie 3D
  • Defectanalyse
  • Foutanalyse

Biologie en levenswetenschappen

  • Cryobiologie
  • Eiwit lokalisatie
  • Elektronentomografie
  • Cellulaire tomografie
  • Cryo-elektronenmicroscopie
  • Toxicologie
  • Monitoring van biologische productie en virusbelasting
  • Deeltjesanalyse
  • Farmaceutische kwaliteitscontrole
  • 3D-afbeeldingen van stoffen
  • Virologie
  • glas overgang

Wetenschappelijk onderzoek

  • Materiaalkwalificatie
  • Voorbereiding van materialen en monsters
  • Creatie van nanoprototypes
  • Nanometrologie
  • Testen en karakteriseren van apparaten
  • Onderzoek naar metaalmicrostructuur

Industrie

  • Afbeeldingen met hoge resolutie maken
  • Het nemen van 2D- en 3D-microkarakteristieken
  • Macromonsters voor nanometrische metrologie
  • Detectie en uitlezing van deeltjesparameters
  • Ontwerp met rechte straal
  • Experimenten met dynamische materialen
  • Monstervoorbereiding
  • Forensisch onderzoek
  • Mijnbouw en analyse van mineralen
  • Chemie/Petrochemie

's Werelds belangrijkste fabrikanten van elektronenmicroscopen

zie ook

Opmerkingen

Koppelingen

  • 15 beste van 2011 De afbeeldingen op de aanbevolen site zijn willekeurig gekleurd en hebben meer artistieke dan wetenschappelijke waarde (elektronenmicroscopen produceren zwart-witafbeeldingen, geen kleur).

Wikimedia Stichting. 2010.

Inhoudsopgave van het onderwerp "Elektronenmicroscopie. Membraan.":









Elektronenmicroscopen verscheen in de jaren dertig en werd in de jaren vijftig op grote schaal gebruikt.

De foto toont een moderne transmissie (transparant) elektronen microscoop, en de figuur toont het pad van de elektronenbundel in deze microscoop. In een transmissie-elektronenmicroscoop passeren elektronen het monster voordat er een beeld wordt gevormd. Een dergelijke elektronenmicroscoop was de eerste die werd gebouwd.

Elektronen microscoop ondersteboven gedraaid vergeleken met een lichtmicroscoop. Er wordt van bovenaf straling op het monster toegepast en onderaan wordt een beeld gevormd. Het werkingsprincipe van een elektronenmicroscoop is in wezen hetzelfde als lichte microscoop. De elektronenbundel wordt door condensorlenzen op het monster gericht en het resulterende beeld wordt vervolgens vergroot met behulp van andere lenzen.

De tabel vat enkele overeenkomsten en verschillen samen tussen licht en elektronenmicroscopen. Bovenaan de elektronenmicroscoopkolom bevindt zich een elektronenbron: een wolfraamgloeidraad, vergelijkbaar met die in een gewone gloeilamp. Het wordt haar geserveerd hoog voltage(bijvoorbeeld 50.000 V) en de gloeidraad zendt een stroom elektronen uit. Elektromagneten focusseren de elektronenbundel.

Er ontstaat een diep vacuüm in de kolom. Dit is nodig om verspreiding te minimaliseren elektronen door hun botsing met luchtdeeltjes. Voor onderzoek in een elektronenmicroscoop kunnen alleen zeer dunne coupes of deeltjes worden gebruikt, omdat de elektronenbundel vrijwel volledig wordt geabsorbeerd door grotere objecten. Delen van het object die relatief dicht zijn, absorberen elektronen en lijken daarom donkerder in het resulterende beeld. Zware metalen zoals lood en uranium worden gebruikt om het monster te kleuren om het contrast te vergroten.

Elektronen onzichtbaar voor het menselijk oog, dus worden ze gericht op een fluorescerend oog, dat een zichtbaar (zwart-wit) beeld reproduceert. Om een ​​foto te maken wordt het scherm verwijderd en worden de elektronen direct op de film gericht. Een foto gemaakt met een elektronenmicroscoop wordt elektronenmicrofotografie genoemd.

Voordeel van elektronenmicroscoop:
1) een hoge resolutie(0,5 nm in de praktijk)


Nadelen van de elektronenmicroscoop:
1) het materiaal dat voor onderzoek is voorbereid, moet dood zijn, omdat het zich tijdens het observatieproces in een vacuüm bevindt;
2) het is moeilijk om er zeker van te zijn dat het object een levende cel in al zijn details reproduceert, aangezien fixatie en kleuring van het onderzochte materiaal de structuur ervan kan veranderen of beschadigen;
3) de elektronenmicroscoop zelf en het onderhoud ervan zijn duur;
4) het voorbereiden van materiaal voor het werken met een microscoop is tijdrovend en vereist hooggekwalificeerd personeel;
5) de onderzochte monsters worden geleidelijk vernietigd onder invloed van een elektronenbundel. Daarom indien nodig gedetailleerde studie monster, het moet gefotografeerd worden.

Hoe werkt een elektronenmicroscoop? Wat is het verschil met een optische microscoop, is er enige analogie tussen beide?

De werking van een elektronenmicroscoop is gebaseerd op de eigenschap van inhomogene elektrische en magnetische velden, die rotatiesymmetrie hebben, om een ​​focusserend effect op elektronenbundels te hebben. De rol van lenzen in een elektronenmicroscoop wordt dus gespeeld door een reeks op de juiste wijze berekende elektrische en magnetische velden; de overeenkomstige apparaten die deze velden creëren, worden “elektronische lenzen” genoemd.

Afhankelijk van het type elektronische lenzen elektronenmicroscopen zijn onderverdeeld in magnetisch, elektrostatisch en gecombineerd.

Welk soort objecten kunnen worden onderzocht met een elektronenmicroscoop?

Net als in het geval van een optische microscoop kunnen objecten in de eerste plaats ‘zelflichtgevend’ zijn, dat wil zeggen als een bron van elektronen dienen. Dit is bijvoorbeeld een verwarmde kathode of een verlichte foto-elektronenkathode. Ten tweede kunnen objecten worden gebruikt die “transparant” zijn voor elektronen met een bepaalde snelheid. Met andere woorden: bij het werken met transmissie moeten de objecten dun genoeg zijn en de elektronen snel genoeg zodat ze door de objecten heen gaan en het elektronenlenssysteem binnendringen. Bovendien kunnen door het gebruik van gereflecteerde elektronenbundels de oppervlakken van massieve objecten (voornamelijk metalen en gemetalliseerde monsters) worden bestudeerd. Deze observatiemethode is vergelijkbaar met methoden voor reflecterende optische microscopie.

Afhankelijk van de aard van de studie van objecten zijn elektronenmicroscopen onderverdeeld in transmissie, reflectie, emissie, raster, schaduw en spiegel.

De meest voorkomende op dit moment zijn elektromagnetische microscopen van het transmissietype, waarbij het beeld wordt gecreëerd door elektronen die door het observatieobject gaan. Het bestaat uit de volgende hoofdcomponenten: een verlichtingssysteem, een objectcamera, een focussysteem en een eindbeeldopname-eenheid, bestaande uit een camera en een fluorescerend scherm. Al deze knooppunten zijn met elkaar verbonden en vormen een zogenaamde microscoopkolom, waarbinnen de druk wordt gehandhaafd. Het verlichtingssysteem bestaat meestal uit een elektronenkanon met drie elektroden (kathode, focusseringselektrode, anode) en een condensorlens (we hebben het over elektronenlenzen). Het vormt een straal snelle elektronen met de vereiste doorsnede en intensiteit en stuurt deze naar het te bestuderen object dat zich in de objectkamer bevindt. Een elektronenbundel die door een object gaat, komt een focusserings- (projectie)systeem binnen dat bestaat uit een objectieflens en een of meer projectielenzen.