Študovať nanoobjekty s rozlíšením optických mikroskopov ( aj pomocou ultrafialového žiarenia) zjavne nestačí. V tomto smere sa v 30. rokoch 20. storočia. vznikla myšlienka použiť namiesto svetla elektróny, ktorých vlnová dĺžka, ako vieme z kvantovej fyziky, je stokrát kratšia ako u fotónov.

Ako viete, naša vízia je založená na vytváraní obrazu objektu na sietnici oka svetelnými vlnami odrazenými od tohto objektu. Ak pred vstupom do oka svetlo prechádza optickým systémom mikroskop, vidíme zväčšený obrázok. Priebeh svetelných lúčov je v tomto prípade šikovne riadený šošovkami, ktoré tvoria objektív a okulár prístroja.

Ale ako môžete získať obraz objektu a s oveľa vyšším rozlíšením pomocou nie svetelného žiarenia, ale prúdu elektrónov? Inými slovami, ako je možné vidieť predmety na základe použitia častíc, nie vĺn?

Odpoveď je veľmi jednoduchá. Je známe, že dráhu a rýchlosť elektrónov výrazne ovplyvňujú vonkajšie elektromagnetické polia, pomocou ktorých je možné efektívne riadiť pohyb elektrónov.

Veda o pohybe elektrónov v elektromagnetických poliach a výpočte zariadení, ktoré tvoria požadované polia, je tzv elektronická optika.

Elektronický obraz tvoria elektrické a magnetické polia približne rovnako ako svetlo - s optickými šošovkami. Preto sa v elektrónovom mikroskope zariadenia na zaostrovanie a rozptyl elektrónového lúča nazývajú „ elektronické šošovky”.

Elektronická šošovka. Závity drôtov cievky, cez ktoré preteká prúd, zaostrujú elektrónový lúč rovnakým spôsobom, ako sklenená šošovka zaostruje svetelný lúč.

Magnetické pole cievky pôsobí ako zbiehajúca sa alebo difúzna šošovka. Na sústredenie magnetického poľa je cievka uzavretá magnetickým " brnenie»Vyrobené zo špeciálnej zliatiny niklu a kobaltu, pričom v interiéri zostáva len úzka medzera. Takto vytvorené magnetické pole môže byť 10-100 tisíc krát silnejšie ako magnetické pole Zeme!

Bohužiaľ, naše oči nedokážu priamo vnímať elektrónové lúče. Preto sa používajú na „ kreslenie"Obrazy na fluorescenčných obrazovkách (ktoré svietia, keď zasiahnu elektróny). Mimochodom, rovnaký princíp je základom fungovania monitorov a oscilografov.

existuje veľké množstvo rôzne typy elektrónových mikroskopov, medzi ktorými je najpopulárnejší rastrovací elektrónový mikroskop (SEM). Zjednodušenú schému získame, ak skúmaný objekt vložíme dovnútra katódová trubica obyčajný televízor medzi obrazovkou a zdrojom elektrónov.

V takej mikroskop tenký lúč elektrónov (priemer lúča asi 10 nm) obieha (ako keby skenoval) vzorku pozdĺž horizontálnych čiar, bod po bode, a synchrónne prenáša signál do kineskopu. Celý proces je podobný prevádzke televízora počas procesu zametania. Zdrojom elektrónov je kov (zvyčajne volfrám), z ktorého sa pri zahrievaní vyžarujú elektróny v dôsledku termionickej emisie.

Schéma činnosti rastrovacieho elektrónového mikroskopu

Termionická emisia- výstup elektrónov z povrchu vodičov. Počet emitovaných elektrónov je pri T = 300 K malý a exponenciálne rastie so zvyšujúcou sa teplotou.

Pri prechode elektrónov cez vzorku sa niektoré z nich rozptýlia v dôsledku zrážok s jadrami atómov vzorky, iné v dôsledku zrážok s elektrónmi atómov a ďalšie ňou prechádzajú. V niektorých prípadoch dochádza k emisii sekundárnych elektrónov, indukcii röntgenového žiarenia atď. Všetky tieto procesy sú registrované špeciál detektory a v transformovanej podobe sa zobrazia na obrazovke, čím sa vytvorí zväčšený obraz skúmaného objektu.

Zväčšenie je v tomto prípade chápané ako pomer veľkosti obrazu na obrazovke k veľkosti plochy pokrytej lúčom na vzorke. Vzhľadom na to, že vlnová dĺžka elektrónu je rádovo kratšia ako vlnová dĺžka fotónu, v modernom SEM môže toto zvýšenie dosiahnuť 10 miliónov15, čo zodpovedá rozlíšeniu niekoľkých nanometrov, čo umožňuje vizualizáciu jednotlivých atómov.

Hlavná nevýhoda elektrónová mikroskopia- nutnosť pracovať v úplnom vákuu, pretože prítomnosť akéhokoľvek plynu vo vnútri komory mikroskopu môže viesť k ionizácii jeho atómov a výrazne skresliť výsledky. Okrem toho majú elektróny deštruktívny účinok na biologické objekty, čo ich robí nepoužiteľnými pre výskum v mnohých oblastiach biotechnológie.

História stvorenia elektrónový mikroskop Je pozoruhodným príkladom úspechu založeného na interdisciplinárnom prístupe, keď nezávisle sa rozvíjajúce oblasti vedy a techniky, zjednotené, vytvorili silný nový nástroj pre vedecký výskum.

Pinnacle klasickej fyziky bola teória elektromagnetického poľa, ktorá vysvetľovala šírenie svetla, elektriny a magnetizmu ako šírenie elektromagnetické vlny... Vlnová optika vysvetlila fenomén difrakcie, mechanizmus zobrazovania a hru faktorov, ktoré určujú rozlíšenie vo svetelnom mikroskope. Úspech kvantová fyzika vďačíme za objav elektrónu s jeho špecifickými korpuskulárnymi vlnovými vlastnosťami. Tieto samostatné a zdanlivo nezávislé cesty vývoja viedli k vytvoreniu elektronickej optiky, jednej z nich hlavné vynálezy ktorý sa stal v 30. rokoch 20. storočia elektrónovým mikroskopom.

Vedci však nepoľavili ani v tomto. Vlnová dĺžka elektrónu zrýchleného elektrickým poľom je niekoľko nanometrov. To je dobré, ak chceme vidieť molekulu alebo dokonca atómovú mriežku. Ale ako sa pozrieť do vnútra atómu? Ako to vyzerá chemická väzba? Ako vyzerá proces pre separát chemická reakcia? K tomu dnes v rozdielne krajiny vedci vyvíjajú neutrónové mikroskopy.

Neutróny sú zvyčajne zahrnuté v atómových jadrách spolu s protónmi a majú takmer 2000-násobok hmotnosti elektrónu. Tí, ktorí nezabudli na de Broglieho vzorec z kvantovej kapitoly, si okamžite uvedomia, že vlnová dĺžka neutrónu je oveľa menšia, to znamená, že ide o pikometre v tisícinách nanometra! Potom sa atóm javí výskumníkom nie ako nejasná škvrna, ale v celej svojej kráse.

Neutrón mikroskop má mnoho výhod - najmä neutróny dobre odrážajú atómy vodíka a ľahko prenikajú cez hrubé vrstvy vzoriek. Je však veľmi ťažké ho postaviť: neutróny nemajú elektrický náboj, preto pokojne ignorujú magnetické a elektrické polia a tak sa snažia uniknúť senzorom. Navyše nie je ľahké vyhnať veľké, mohutné neutróny z atómov. Preto sú dnes prvé prototypy neutrónového mikroskopu stále veľmi vzdialené od dokonalosti.

ElektrOnny microscONS(anglicky - elektrónový mikroskop) – Ide o zariadenie na pozorovanie a fotografovanie opakovane (až 1 × 10 6-krát) zväčšených obrazov predmetov, v ktorých sú namiesto svetelných lúčov použité lúče elektrónov zrýchlené na vysoké energie (30 - 100 keV a viac) v hĺbke vákuum.

Najvyššie rozlíšenie majú transmisné elektrónové mikroskopy (TEM), ktoré v tomto parametri niekoľkotisíckrát prevyšujú svetelné mikroskopy. Takzvaný limit rozlíšenia, ktorý charakterizuje schopnosť zariadenia zobraziť oddelene najmenšie detaily objektu, ktoré sú najbližšie k sebe, pre TEM je 2 - 3 A°. Za priaznivých podmienok je možné fotografovať jednotlivé ťažké atómy. Pri fotografovaní periodických štruktúr, ako sú atómové roviny kryštálových mriežok, je možné realizovať rozlíšenie menšie ako 1 A°.

Na určenie štruktúry pevných látok je potrebné použiť žiarenie s vlnovou dĺžkou λ, ktorá je menšia ako medziatómové vzdialenosti. Elektrónový mikroskop na tento účel využíva elektrónové vlny.

De Broglieho vlnová dĺžka λ B pre elektrón pohybujúci sa rýchlosťou V

kde p- jeho impulz, h- Planckova konštanta, m 0 je pokojová hmotnosť elektrónu, V Je to jeho rýchlosť.

Po jednoduchých transformáciách zistíme, že de Broglieho vlnová dĺžka pre elektrón pohybujúci sa v zrýchľujúcom sa rovnomernom elektrickom poli s rozdielom potenciálov U, rovná sa

. (1)

Vo výrazoch pre λ B neberie do úvahy relativistickú korekciu, ktorá je významná len pri vysokých rýchlostiach elektrónov V> 1 · 10 5 V.

Hodnota λ B je veľmi malá, čo umožňuje poskytnúť vysoké rozlíšenie elektrónového mikroskopu.

Pre elektróny s energiami od 1 eV do 10 000 eV, de Broglieho vlnová dĺžka leží v rozsahu od ~ 1 nm do 10 −2 nm, teda v rozsahu vlnových dĺžok röntgen... Preto by sa vlnové vlastnosti elektrónov mali prejaviť napríklad vtedy, keď sú rozptýlené tými istými kryštálmi, na ktorých difrakcia röntgenových lúčov. [

Moderné mikroskopy majú rozlíšenie (0,1 - 1) nm pri energii elektrónu (1 · 10 4 - 1 · 10 5) eV, čo umožňuje pozorovať skupiny atómov a dokonca aj jednotlivé atómy, bodové defekty, povrchový reliéf, atď.

Transmisná elektrónová mikroskopia

Elektrónovo-optický systém transmisného elektrónového mikroskopu (TEM) obsahuje: elektrónové delo I a kondenzátor 1, určené na zabezpečenie osvetľovacieho systému mikroskopu; Objektív 2, stredný 3 a projekčná šošovka 4 na zobrazovanie; pozorovacia a fotografická kamera E (obr. 1).

Obr. Dráha lúča v TEM v režime pozorovania obrazu

Ako zdroj elektrónov v elektrónovom dele slúži termionická volfrámová katóda. Kondenzátorová šošovka umožňuje získať na predmete bod s priemerom niekoľkých mikrónov. Na TEM obrazovke sa pomocou zobrazovacieho systému vytvorí elektrónový mikroskopický obraz objektu.

V rovine konjugovanej s objektom tvorí šošovka objektívu prvý medziobraz objektu. Všetky elektróny vychádzajúce z jedného bodu objektu spadajú do jedného bodu konjugovanej roviny. Potom sa pomocou medziľahlých a projekčných šošoviek získa obraz na obrazovke fluorescenčného mikroskopu alebo fotografickej platni. Tento obrázok vyjadruje štrukturálne a morfologické vlastnosti vzorky.

TEM používa magnetické šošovky. Šošovka pozostáva z vinutia, strmeňa a pólového nástavca, ktorý sústreďuje magnetické pole do malého objemu a tým zvyšuje optickú silu šošovky.

TEM majú najvyššie rozlíšenie (PC), čím prekonávajú svetelné mikroskopy v tomto parametri niekoľkotisíckrát. Takzvaný limit rozlíšenia, ktorý charakterizuje schopnosť zariadenia samostatne zobraziť najmenšie detaily objektu, ktoré sú od seba najbližšie, pre TEM je 2 - 3 A°. Za priaznivých podmienok je možné fotografovať jednotlivé ťažké atómy, pri fotografovaní periodických štruktúr, ako sú atómové roviny kryštálových mriežok, je možné realizovať rozlíšenie menšie ako 1 A°. Takéto vysoké rozlíšenie sa dosahuje vďaka extrémne malej de Broglieho vlnovej dĺžke elektrónov. Optimálna clona umožňuje znížiť sférickú aberáciu objektívu, ktorá ovplyvňuje PC TEM, s dostatočne malou difrakčnou chybou. Neboli nájdené žiadne účinné metódy korekcie aberácií. Preto v TEM magnetické elektronické šošovky (EL) s nižšími aberáciami úplne nahradili elektrostatické EL. MKP sa vyrábajú na rôzne účely. Možno ich rozdeliť do 3 skupín:

    zjednodušený PEM,

    Vysoké rozlíšenie TEM,

    MKP so zvýšeným urýchľovacím napätím.

1. Zjednodušené TEM určený na výskum, ktorý nevyžaduje vysoký PC. Konštrukčne sú jednoduchšie (vrátane 1 kondenzora a 2 - 3 šošoviek na zväčšenie obrazu predmetu), vyznačujú sa nižším (zvyčajne 60 - 80 kV) urýchľovacím napätím a jeho nižšou stabilitou. Počet počítačov týchto zariadení je od 6 do 15. Ďalšími aplikáciami sú náhľad objektov, rutinné skúmanie, výučbové účely. Hrúbka predmetu, ktorý je možné „osvetliť“ elektrónovým lúčom, závisí od urýchľovacieho napätia. V TEM s urýchľovacím napätím 100 kV sa študujú objekty s hrúbkou od 10 do niekoľkých tisíc A °.

2. Vysoké rozlíšenie TEM(2 - 3 Å) - spravidla univerzálne zariadenia na viacúčelové účely (obr. 2, a). Pomocou prídavných zariadení a nástavcov v nich môžete nakláňať objekt v rôznych rovinách pod veľkými uhlami k optickej osi, zahrievať, chladiť, deformovať, vykonávať röntgenovú štrukturálnu analýzu, štúdie metódami elektrónovej difrakcie atď. Napätie urýchľovania elektrónov dosahuje 100 - 125 kV, je regulované v krokoch a vyznačuje sa vysokou stabilitou: po dobu 1 - 3 minút sa mení najviac o 1 - 2 ppm od počiatočnej hodnoty. V jeho optickom systéme (stĺpci) vzniká hlboké vákuum (tlak do 1 · 10 -6 mm Hg). Schéma optický systém TEM - na obr. 2, b. Lúč elektrónov, ktorého zdrojom je horúca katóda, sa vytvorí v elektrónovej pištoli a následne je dvakrát zaostrený prvým a druhým kondenzátorom, ktoré vytvoria na objekte elektronickú „škvrnu“, ktorej priemer je možné meniť od 1 do 20 μm. Po prechode objektom sú niektoré elektróny rozptýlené a zadržané apertúrnou clonou. Nerozptýlené elektróny prechádzajú cez apertúru clony a sú zaostrené objektívom v objektovej rovine medzišošovky. Tu sa vytvorí prvý zväčšený obrázok. Nasledujúce šošovky vytvárajú druhý, tretí atď. obraz. Posledná šošovka vytvára obraz na fluorescenčnej obrazovke, ktorá žiari pod vplyvom elektrónov

Ryža. 2a. TEM: 1 - elektrónové delo; 2 - kondenzorové šošovky; 3 - šošovka; 4 - projekčné šošovky; 5 - svetelný mikroskop, dodatočne zväčšujúci obraz pozorovaný na obrazovke: 6 - tubus s okienkami, cez ktoré je možné obraz pozorovať; 7 - vysokonapäťový kábel; 8 - vákuovo-inteligentný systém; 9 - ovládací panel; 10 - stojan; 11 - vysokonapäťový napájací zdroj; 12 - napájanie objektívu.

Ryža. 2b. Optická schéma TEM. 1 - katóda tvaru V vyrobená z volfrámového drôtu (ohrievaná prúdom prechádzajúcim cez ňu až na 2800 K); 2 - zaostrovací valec; 3 - anóda; 4 - prvý (krátko ohniskový) kondenzor, ktorý vytvára zmenšený obraz zdroja elektrónov; 5 - druhý (dlhé ohnisko) kondenzor, ktorý prenáša zmenšený obraz zdroja elektrónov na objekt; 6 - objekt; 7 - apertúrna clona; 8 - šošovka; 9, 10, 11 - systém projekčných šošoviek; 12 - katodoluminiscenčné sito, na ktorom sa tvorí výsledný obraz.

Zväčšenie TEM sa rovná súčinu zväčšení všetkých šošoviek. Stupeň a povaha rozptylu elektrónov nie sú rovnaké v rôznych bodoch objektu, pretože hrúbka, hustota a chemické zloženie objekty sa menia z bodu do bodu. V súlade s tým sa mení počet elektrónov zachytených apertúrnou clonou po prechode rôznymi bodmi objektu a následne aj prúdová hustota v obraze, ktorá sa premieňa na svetelný kontrast na obrazovke. Pod obrazovkou je obchod s fotografickými platňami. Pri fotografovaní sa clona odstráni a elektróny pôsobia na emulznú vrstvu. Obraz sa zaostruje zmenou prúdu, ktorý budí magnetické pole šošovky. Prúdy ostatných šošoviek sa upravujú tak, aby sa menilo zväčšenie TEM.

3. MKP so zvýšeným urýchľovacím napätím(do 200 kV) sú určené na štúdium hrubších objektov (2 - 3 krát hrubších) ako konvenčné MKP. Ich rozlíšenie dosahuje 3 - 5 Å. Tieto zariadenia sa líšia dizajnom elektrónová pištoľ: na zabezpečenie dielektrickej pevnosti a stability má dve anódy, z ktorých jedna je napájaná stredným potenciálom, čo je polovica urýchľovacieho napätia. Magnetomotorická sila šošoviek je väčšia ako u TEM s urýchľovacím napätím 100 kV a samotné šošovky majú zväčšené rozmery a hmotnosť.

4. Ultravysokonapäťové elektrónové mikroskopy(SVEM) - veľkorozmerné zariadenia (obr. 3) s výškou 5 až 15 m, s urýchľovacím napätím 0,50 - 0,65; 1 - 1,5 a 3,5 MV.

Stavajú sa pre nich špeciálne priestory. SVEM sú určené na štúdium predmetov s hrúbkou 1 · až · 10 mikrónov. Elektróny sú urýchľované v elektrostatickom urýchľovači (nazývanom priamočinný urýchľovač) umiestnenom v nádrži naplnenej elektricky izolujúcim stlačeným plynom. Rovnaká alebo prídavná nádrž obsahuje vysokonapäťový stabilizovaný napájací zdroj. V budúcnosti vytvorenie TEM s lineárnym urýchľovačom, v ktorom sú elektróny urýchľované na energie 5-10 MeV. Pri štúdiu tenkých PC objektov je SHEM nižší ako TEM. V prípade hrubých predmetov je PC TEM 10 - 20 krát vyšší ako PC TEM s urýchľovacím napätím 100 kV. Ak je vzorka amorfná, potom je kontrast elektronického obrazu určený hrúbkou a absorpčným koeficientom materiálu vzorky, čo sa pozoruje napríklad pri štúdiu morfológie povrchu pomocou plastových alebo uhlíkových replík. Okrem toho v kryštáloch prebieha difrakcia elektrónov, čo umožňuje určiť štruktúru kryštálu.

V

Obr. Poloha clony D vo svetlom poli ( a) a tmavé pole ( b) obrazy: P - prenášaný lúč; D- difraktovaný lúč; Arr - vzorka; A - elektrónová pištoľ

FEM môže implementovať nasledujúce prevádzkové režimy:

    obraz tvorí prenášaný lúč P, difraktovaný lúč D odrezaná apertúrnou clonou D (obr. 4, a), toto je obraz svetlého poľa;

    apertúrna clona D prenáša difraktované D lúč, ktorý oddeľuje prenášané P, je obraz v tmavom poli (obr. 4, b);

    na získanie difrakčného obrazca sa zadná ohnisková rovina šošovky objektívu zaostrí na tienidlo mikroskopu (obr. 4). Potom sa na obrazovke pozoruje difrakčný obrazec z priesvitnej časti vzorky.

Na pozorovanie obrazu v zadnej ohniskovej rovine šošovky je nainštalovaná apertúrna clona, ​​v dôsledku čoho sa zmenšuje clona lúčov, ktoré tvoria obraz, a zvyšuje sa rozlíšenie. Rovnaká clona sa používa na výber režimu pozorovania (pozri obr. 2 a 5).

Obr. Dráha lúča v TEM v mikrodifrakčnom režime D - diafragma; A - zdroj elektrónov; Arr - vzorka; E - obrazovka; 1 - kondenzor, 2 - objektív, 3 - stredný, 4 - projekčná šošovka

lina vlny pri napätiach používaných v TEM je asi 1 ∙ 10 -3 nm, teda oveľa menej ako mriežková konštanta kryštálov a, preto sa difraktovaný lúč môže šíriť len pod malými uhlami θ na prenášaný lúč (
). Difrakčný obrazec z kryštálu je súborom jednotlivých bodov (odrazov). V TEM, na rozdiel od zariadenia na elektrónovú difrakciu, je možné získať difrakčný obrazec z malej oblasti objektu pomocou membrány v rovine konjugovanej s objektom. Veľkosť oblasti môže byť približne (1 × 1) µm 2. Z režimu pozorovania obrazu môžete prejsť do režimu difrakcie zmenou optickej mohutnosti medzišošovky.

História vzniku elektrónového mikroskopu

V roku 1931 získal R. Rudenberg patent na transmisný elektrónový mikroskop a v roku 1932 M. Knoll a E. Ruska zostrojili prvý prototyp moderného prístroja. Táto práca E. Ruského v roku 1986 bola zaznamenaná nobelová cena vo fyzike, ktorý bol ocenený jemu a vynálezcom rastrovacieho sondového mikroskopu Gerdovi Karlovi Binnigovi a Heinrichovi Rohrerovi. Použitie transmisného elektrónového mikroskopu na vedecký výskum sa začalo koncom 30. rokov 20. storočia, keď sa objavil prvý komerčný prístroj zostrojený spoločnosťou Siemens.

Koncom 30-tych – začiatkom 40-tych rokov sa objavili prvé rastrovacie elektrónové mikroskopy, ktoré vytvárajú obraz objektu, keď sa nad objektom postupne pohybuje elektrónová sonda s malým prierezom. Masové používanie týchto zariadení v vedecký výskum začali v 60. rokoch 20. storočia, keď dosiahli významnú technickú dokonalosť.

Významným skokom vpred (v 70. rokoch) vo vývoji bolo použitie Schottkyho katód a katód s emisiou studeného poľa namiesto termionických katód, ale ich použitie si vyžaduje oveľa väčšie vákuum.

Koncom 90. rokov a začiatkom 21. storočia počítačová automatizácia a používanie CCD detektorov výrazne zvýšili stabilitu a (relatívne) jednoduchosť použitia.

V poslednom desaťročí moderné pokročilé transmisné elektrónové mikroskopy využívajú korektory pre sférické a chromatická aberácia(čo vnáša do výsledného obrazu hlavné skreslenie), ich použitie však niekedy značne komplikuje používanie prístroja.

Typy elektrónových mikroskopov

Transmisná elektrónová mikroskopia

Šablóna: Sekcia je prázdna

Počiatočný pohľad na elektrónový mikroskop. Transmisný elektrónový mikroskop využíva na vytvorenie obrazu vysokoenergetický elektrónový lúč. Elektrónový lúč sa vytvára pomocou katódy (volfrám, LaB 6, Schottkyho alebo emisia studeného poľa). Výsledný elektrónový lúč je zvyčajne zrýchlený až na +200 keV (používajú sa rôzne napätia od 20 keV do 1 meV), zaostrený systémom elektrostatických šošoviek a prechádza cez vzorku tak, že sa jeho časť rozptýli na vzorke a časť nie je. Elektrónový lúč prechádzajúci vzorkou teda nesie informáciu o štruktúre vzorky. Lúč potom prechádza sústavou zväčšovacích šošoviek a vytvára obraz na fluorescenčnej obrazovke (zvyčajne sulfid zinočnatý), fotografickej platni alebo CCD kamere.

Rozlíšenie TEM je obmedzené hlavne sférickou aberáciou. Niektoré moderné TEM majú korektory sférickej aberácie.

Hlavnými nevýhodami TEM sú potreba veľmi tenkej vzorky (rádovo 100nm) a nestabilita (rozklad) vzoriek pod lúčom.

Transmisná rastrová (skenovacia) elektrónová mikroskopia (STEM)

Hlavný článok: Transmisný rastrovací elektrónový mikroskop

Jedným z typov transmisnej elektrónovej mikroskopie (TEM) sú však zariadenia pracujúce výlučne v režime STEM. Elektrónový lúč prechádza cez relatívne tenkú vzorku, ale na rozdiel od konvenčnej transmisnej elektrónovej mikroskopie je elektrónový lúč zaostrený do bodu, ktorý sa pohybuje cez vzorku pozdĺž rastra.

Skenovacia (skenovacia) elektrónová mikroskopia

Je založený na televíznom princípe skenovania tenkého elektrónového lúča nad povrchom vzorky.

Nízkonapäťová elektrónová mikroskopia

Aplikácie elektrónových mikroskopov

Polovodiče a dátové úložiská

  • Úprava obvodov
  • Metrológia 3D
  • Analýza defektov
  • Analýza porúch

Biológia a biologické vedy

  • Kryobiológia
  • Lokalizácia proteínov
  • Elektronická tomografia
  • Bunková tomografia
  • Kryoelektrónová mikroskopia
  • Toxikológia
  • Biologická produkcia a monitorovanie sťahovania vírusov
  • Analýza častíc
  • Kontrola farmaceutickej kvality
  • 3D obrázky látok
  • Virológia
  • Vitrifikácia

Vedecký výskum

  • Kvalifikácia materiálov
  • Príprava materiálov a vzoriek
  • Tvorba nanoprototypov
  • Nanometrológia
  • Testovanie a charakterizácia zariadení
  • Štúdie mikroštruktúry kovov

priemysel

  • Zobrazovanie vo vysokom rozlíšení
  • Odstránenie mikroznakov 2D a 3D
  • Makro vzorky pre nanometrickú metrológiu
  • Detekcia a odstránenie parametrov častíc
  • Konštrukcia priameho lúča
  • Experimentovanie s dynamickými materiálmi
  • príprava vzorky
  • Forenzné vyšetrenie
  • Ťažba a analýza minerálov
  • Chémia / Petrochémia

Najväčší svetoví výrobcovia elektrónových mikroskopov

pozri tiež

Poznámky (upraviť)

Odkazy

  • 15 najlepších obrázkov z elektrónových mikroskopov za rok 2011 Obrázky na odporúčanej stránke sú náhodne zafarbené a majú skôr umeleckú než vedeckú hodnotu (elektrónové mikroskopy vytvárajú skôr čiernobiele obrázky ako farebné).

Nadácia Wikimedia. 2010.

Obsah predmetu "Elektrónová mikroskopia. Membrána.":









Elektrónové mikroskopy sa objavil v 30. rokoch 20. storočia a rozšíril sa v 50. rokoch 20. storočia.

Na obrázku je znázornená moderná prevodovka (priesvitná) elektrónový mikroskop a obrázok ukazuje dráhu elektrónového lúča v tomto mikroskope. V transmisnom elektrónovom mikroskope prechádzajú elektróny vzorkou pred vytvorením obrazu. Takýto elektrónový mikroskop bol skonštruovaný ako prvý.

Elektrónový mikroskop otočený hore nohami v porovnaní so svetelným mikroskopom. Žiarenie sa aplikuje na vzorku zhora a obraz sa vytvorí v spodnej časti. Princíp činnosti elektrónového mikroskopu je v podstate rovnaký ako svetelný mikroskop... Elektrónový lúč je nasmerovaný kondenzorovými šošovkami na vzorku a výsledný obraz je potom zväčšený ďalšími šošovkami.

V tabuľke sú zhrnuté niektoré podobnosti a rozdiely medzi svetlom a elektrónové mikroskopy... V hornej časti stĺpca elektrónového mikroskopu je zdroj elektrónov - volfrámové vlákno, podobné tomu, ktoré sa nachádza v klasickej žiarovke. Je naň privedené vysoké napätie (napríklad 50 000 V) a vlákno vyžaruje prúd elektrónov. Elektromagnety zaostrujú elektrónový lúč.

Vo vnútri kolóny sa vytvorí hlboké vákuum. Je to potrebné, aby sa minimalizoval rozptyl. elektróny v dôsledku ich zrážky s časticami vzduchu. Na vyšetrenie v elektrónovom mikroskope možno použiť len veľmi tenké rezy alebo častice, pretože elektrónový lúč je takmer úplne absorbovaný väčšími predmetmi. Časti objektu s relatívne vyššou hustotou absorbujú elektróny, a preto sa na výslednom obrázku javia tmavšie. Na zafarbenie vzorky sa používajú ťažké kovy ako olovo a urán, aby sa zvýšil kontrast.

Elektróny sú pre ľudské oko neviditeľné, preto sú nasmerované do fluorescenčného, ​​ktorý reprodukuje viditeľný (čiernobiely) obraz. Ak chcete urobiť fotografiu, obrazovka sa odstráni a elektróny sa nasmerujú priamo na film. Fotografia urobená v elektrónovom mikroskope sa nazýva elektrónová mikrofotografie.

Výhoda elektrónového mikroskopu:
1) vysoké rozlíšenie(0,5 nm v praxi)


Nevýhody elektrónového mikroskopu:
1) materiál pripravený na výskum musí byť mŕtvy, pretože počas procesu pozorovania je vo vákuu;
2) je ťažké si byť istý, že objekt reprodukuje živú bunku vo všetkých jej detailoch, pretože fixácia a farbenie študovaného materiálu môže zmeniť alebo poškodiť jeho štruktúru;
3) samotný elektrónový mikroskop a jeho údržba sú drahé;
4) príprava materiálu na prácu s mikroskopom je časovo náročná a vyžaduje si vysokokvalifikovaný personál;
5) skúmané vzorky sa pôsobením elektrónového lúča postupne ničia. Preto v prípade potreby podrobná štúdia ukážku, treba ju odfotiť.

Ako funguje elektrónový mikroskop? Aký je jeho rozdiel od optického mikroskopu, existuje medzi nimi nejaká analógia?

Prevádzka elektrónového mikroskopu je založená na vlastnosti nehomogénnych elektrických a magnetických polí s rotačnou symetriou, ktoré vyvolávajú zaostrovací efekt na elektrónové lúče. Úlohu šošoviek v elektrónovom mikroskope teda zohráva kombinácia vhodne vypočítaných elektrických a magnetických polí; zodpovedajúce zariadenia vytvárajúce tieto polia sa nazývajú "elektronické šošovky".

V závislosti od typu elektronických šošoviek elektrónové mikroskopy sa delia na magnetické, elektrostatické a kombinované.

Aké predmety možno skúmať elektrónovým mikroskopom?

Rovnako ako v prípade optického mikroskopu, predmety môžu byť po prvé "samosvietiace", to znamená, že slúžia ako zdroj elektrónov. Ide napríklad o vyhrievanú katódu alebo osvetlenú fotoelektrickú katódu. Po druhé, môžu sa použiť objekty, ktoré sú "priehľadné" pre elektróny s určitou rýchlosťou. Inými slovami, pri práci v prenose musia byť predmety dostatočne tenké a elektróny dostatočne rýchle, aby prešli cez predmety a dostali sa do systému elektronických šošoviek. Okrem toho je možné pomocou odrazených elektrónových lúčov študovať povrchy masívnych predmetov (hlavne kovov a metalizovaných vzoriek). Táto pozorovacia metóda je podobná metódam reflexnej optickej mikroskopie.

Podľa charakteru štúdia objektov sa elektrónové mikroskopy delia na transmisné, reflexné, emisné, skenovacie, tieňové a zrkadlové.

Najrozšírenejšie sú v súčasnosti elektromagnetické mikroskopy transmisného typu, v ktorých obraz vytvárajú elektróny prechádzajúce objektom pozorovania. Pozostáva z týchto hlavných jednotiek: osvetľovací systém, objektová kamera, zaostrovací systém a jednotka na registráciu finálneho obrazu, pozostávajúca z kamery a fluorescenčnej obrazovky. Všetky tieto jednotky sú navzájom spojené a tvoria takzvaný mikroskopický stĺpec, v ktorom je udržiavaný tlak. Osvetľovacia sústava sa zvyčajne skladá z trojelektródového elektrónového dela (katóda, zaostrovacia elektróda, anóda) a kondenzorovej šošovky (hovoríme o elektronických šošovkách). Vytvára zväzok rýchlych elektrónov požadovaného prierezu a intenzity a smeruje ho na skúmaný objekt, ktorý je v objektovej komore. Elektrónový lúč prechádzajúci objektom vstupuje do zaostrovacieho (projekčného) systému, ktorý pozostáva zo šošovky objektívu a jednej alebo viacerých projekčných šošoviek.