Izumljen je elektronski mikroskop. Digitalni mikroskopi

Elektronski mikroskop se ne zove tako jer koristi bilo koje komponente koje sadrže elektroniku - iako ih ima više nego dovoljno. Ali glavna stvar je da umjesto struje svjetlosnih zraka koje nose informacije o objektu i koje možemo jednostavno vidjeti približavanjem očiju okularima, elektronski mikroskop koristi struju elektrona - potpuno isto kao u konvencionalnom TV. Moći ćemo promatrati sliku sličnu televizijskoj na ekranu prekrivenom posebnim spojem koji svijetli kada na njega udari tok elektrona. Ali kako elektronski mikroskop uvećava?

Činjenica je da baš kao što staklo obične leće mijenja tok svjetlosnih zraka, magnetna i električna polja mijenjaju kretanje toka elektrona, što omogućava fokusiranje elektronskih "snopova" s istim efektima kao i kod uobičajenih " stakleni" svjetlosni optički sistem. Međutim, zbog izuzetno male veličine elektrona i značajnog "prelamanja" elektronskih zraka, uvećanje slike je otprilike hiljadu puta veće od optičkog mikroskopa. Umjesto okulara koji su nam poznati u elektronskom mikroskopu, slika se ili projektuje na vrlo mali luminiscentni ekran, sa kojeg je posmatrač posmatra u poznatom optičkom mikroskopu sa blagim povećanjem, ili pomoću optičko-elektronskog pretvarača, ona se prikazano na konvencionalnom televizijskom ekranu, ili - što se najčešće koristi u praksi - fiksirano na fotografskoj ploči. Za elektronski mikroskop ne postoji parametar kao što je tačnost boje, jer je boja svojstvo svetlosnih zraka, a ne elektrona. U mikrokosmosu nema boje, stoga slike u boji dobijene elektronskim mikroskopom nisu ništa drugo do konvencija.

To je otprilike bio princip rada prvog elektronskog mikroskopa u istoriji, prema postojeća klasifikacija pripadao je OPEM mikroskopima - "konvencionalni transmisioni elektronski mikroskop", spolja je više ličio na veliku mašinu za obradu metala nego na mikroskop, kako su ga ljudi navikli da vide tokom prethodnih vek i po. U ovom uređaju, koji omogućava povećanje i do milion puta, uzorak je "prokazan" strujom elektrona koji se kreće u konstantnom smjeru. Nešto kasnije pojavili su se skenirajući elektronski mikroskopi u kojima elektronski snop fokusiran na subatomske dimenzije "skenira" površinu uzorka, a slika se posmatra na ekranu monitora. Zapravo, "uvećanje" mikroskopa za skeniranje je također konvencija, to je omjer veličine ekrana i veličine originalnog skeniranog objekta. Na takvom uređaju čovjek je po prvi put mogao vidjeti pojedinačne atome. Za sada je to granica tehnoloških mogućnosti. A u stvari, svijet elementarnih čestica je toliko drugačiji od našeg da ga teško možemo shvatiti do kraja, čak i vidjeti vlastitim očima.

Za proučavanje nanoobjekata uz rezoluciju optičkih mikroskopa ( čak i korišćenjem ultraljubičastog) je očigledno nedovoljno. Kao rezultat toga, 1930-ih godina nastala je ideja da se umjesto svjetlosti koriste elektroni, čija je valna dužina, kao što znamo iz kvantne fizike, stotinama puta manja od fotona.

Kao što znate, naša vizija se zasniva na formiranju slike objekta na mrežnjači oka pomoću svjetlosnih valova koji se reflektiraju od ovog objekta. Ako svjetlost prije ulaska u oko prođe kroz optički sistem mikroskop, vidimo uvećanu sliku. Istovremeno, tok svjetlosnih zraka vješto se kontrolira pomoću sočiva koja čine objektiv i okular uređaja.

Ali kako možete dobiti sliku objekta, i to sa mnogo višom rezolucijom, koristeći ne svjetlosno zračenje, već struju elektrona? Drugim riječima, kako je moguće vidjeti objekte na osnovu korištenja čestica, a ne valova?

Odgovor je vrlo jednostavan. Poznato je da na putanju i brzinu elektrona značajno utiču spoljašnja elektromagnetna polja, koja se mogu koristiti za efikasnu kontrolu kretanja elektrona.

Nauka o kretanju elektrona u elektromagnetnim poljima i proračunu uređaja koji formiraju željena polja naziva se elektronska optika.

Elektronsku sliku formiraju električna i magnetska polja na isti način kao što svjetlosnu sliku formiraju optička sočiva. Stoga se u elektronskom mikroskopu uređaji za fokusiranje i raspršivanje elektronskog snopa nazivaju " elektronska sočiva”.

elektronsko sočivo. Žice zavojnice koje nose struju fokusiraju snop elektrona na isti način na koji stakleno sočivo fokusira svjetlosni snop.

Magnetno polje zavojnice djeluje kao konvergentno ili divergentno sočivo. Da bi se koncentriralo magnetsko polje, zavojnica je prekrivena magnetnom " oklop» napravljen od specijalne legure nikl-kobalta, ostavljajući samo uski razmak u unutrašnjem dijelu. Ovako stvoreno magnetsko polje može biti 10-100 hiljada puta jače od magnetnog polja Zemlje!

Nažalost, naše oko ne može direktno da percipira elektronske zrake. Stoga se koriste za crtanje” slike na fluorescentnim ekranima (koji svijetle kada udare elektroni). Inače, isti princip je u osnovi rada monitora i osciloskopa.

Postoji veliki broj razne vrste elektronskih mikroskopa među kojima je skenirajući elektronski mikroskop (SEM) najpopularniji. Njegovu pojednostavljenu shemu dobićemo ako predmet koji proučavamo postavimo unutar katodne cijevi običnog televizora između ekrana i izvora elektrona.

U takvim mikroskop tanak snop elektrona (promjer snopa oko 10 nm) kreće se oko uzorka (kao da skenira) u horizontalnim linijama, tačku po tačku, i sinhrono prenosi signal kineskopu. Cijeli proces je sličan radu TV-a u procesu skeniranja. Izvor elektrona je metal (obično volfram), iz kojeg se, kada se zagrije kao rezultat toplinske elektronska emisija emituju se elektroni.

Šema rada skenirajućeg elektronskog mikroskopa

Termionska emisija je izlazak elektrona sa površine provodnika. Broj oslobođenih elektrona je mali na T=300K i raste eksponencijalno s porastom temperature.

Kada elektroni prolaze kroz uzorak, neki od njih se raspršuju zbog sudara s jezgrama atoma u uzorku, drugi zbog sudara s elektronima atoma, a treći prolaze kroz njega. U nekim slučajevima se emituju sekundarni elektroni, indukuju se rendgenski zraci itd. Svi ovi procesi se bilježe posebnim detektori i u transformisanom obliku se prikazuju na ekranu, stvarajući uvećanu sliku objekta koji se proučava.

Uvećanje se u ovom slučaju podrazumijeva kao omjer veličine slike na ekranu i veličine područja oko kojeg se snop kreće na uzorku. Zbog činjenice da je talasna dužina elektrona za redove veličine manja od one fotona, u modernim SEM-ovima ovo povećanje može doseći 10 miliona15, što odgovara rezoluciji od nekoliko nanometara, što omogućava vizualizaciju pojedinačnih atoma.

Glavni nedostatak elektronska mikroskopija- potreba za radom u potpunom vakuumu, jer prisustvo bilo kakvog gasa unutar komore mikroskopa može dovesti do jonizacije njegovih atoma i značajno iskriviti rezultate. Osim toga, elektroni imaju destruktivan učinak na biološke objekte, što ih čini neprimjenjivim za istraživanja u mnogim područjima biotehnologije.

Istorija stvaranja elektronski mikroskop je izvanredan primjer dostignuća zasnovanog na interdisciplinarnom pristupu, kada su se oblasti nauke i tehnologije koje se nezavisno razvijaju udružile kako bi stvorile novo moćno oruđe za naučno istraživanje.

Vrhunac klasične fizike bila je teorija elektromagnetnog polja, koja je objasnila širenje svjetlosti, elektriciteta i magnetizma kao širenje elektromagnetnih talasa. Talasna optika objasnila je fenomen difrakcije, mehanizam formiranja slike i međudjelovanje faktora koji određuju rezoluciju u svjetlosnom mikroskopu. Sretno kvantna fizika dugujemo otkriće elektrona sa njegovim specifičnim svojstvima korpuskularnog talasa. Ovi odvojeni i naizgled nezavisni razvoji doveli su do stvaranja elektronske optike, čiji je jedan od najvažnijih izuma 1930-ih bio elektronski mikroskop.

Ali ni naučnici nisu ostali na tome. Talasna dužina elektrona ubrzanog električnim poljem je nekoliko nanometara. Ovo nije loše ako želimo vidjeti molekulu ili čak atomsku rešetku. Ali kako pogledati unutar atoma? Kakva je hemijska veza? Kako izgleda jedna hemijska reakcija? Za ovo, danas različite zemlje naučnici razvijaju neutronske mikroskope.

Neutroni su obično dio atomskih jezgara zajedno s protonima i imaju gotovo 2000 puta veću masu od elektrona. Oni koji nisu zaboravili de Broljevu formulu iz kvantnog poglavlja odmah će shvatiti da je talasna dužina neutrona isto toliko puta manja, odnosno pikometri hiljaditih delova nanometra! Tada će se atom istraživačima pojaviti ne kao mutna mrlja, već u svoj svojoj slavi.

Neutron mikroskop ima mnoge prednosti - posebno, neutroni dobro reflektiraju atome vodika i lako prodiru u debele slojeve uzoraka. Međutim, vrlo ga je teško izgraditi: neutroni nemaju električni naboj, pa mirno ignoriraju magnetska i električna polja i nastoje izmaknuti senzorima. Osim toga, nije tako lako izbaciti velike nespretne neutrone iz atoma. Stoga su danas prvi prototipovi neutronskog mikroskopa još uvijek vrlo daleko od savršenstva.

ELEKTRONSKI MIKROSKOP- uređaj za posmatranje i fotografisanje višestruko (do 10 6 puta) uvećane slike objekta, u kome se umesto svetlosnih zraka koriste ubrzani do visoke energije(30-1000 keV i više) u dubokim uslovima. Phys. Osnove optike korpuskularnog snopa. uređaji su postavljeni 1827, 1834-35 (skoro sto godina prije pojave elektromagnetike) od strane W. R. Hamiltona, koji je ustanovio postojanje analogije između prolaska svjetlosnih zraka u optički nehomogenim medijima i putanja čestica u poljima sile . Svrsishodnost stvaranja E. m. postala je očigledna nakon nominacije 1924. hipoteze o de Broglieovim valovima, a tehn. preduslove je stvorio H. Busch, koji je 1926. proučavao svojstva fokusiranja osnosimetričnih polja i razvio magnetno polje. elektronsko sočivo. Godine 1928. M. Knoll i E. Ruska su pristupili stvaranju prvog magn. translucent E. m. (TEM) i tri godine kasnije dobio sliku objekta, formiranog elektronskim snopovima. U narednim godinama izgrađeni su prvi rasterski elektronski snopovi (SEM) koji rade na principu skeniranja, odnosno pomeranja tankog elektronskog snopa (sonde) preko objekta uzastopno od tačke do tačke. K ser. 1960-ih REM je dostigao visoku tehnologiju. savršenstva, i od tog vremena počinje njihova široka upotreba u nauci. istraživanja. TEM imaju najviše rezoluciju, premašujući u ovom parametru svjetlost mikroskopi u nekoliko hiljadu puta. Granica rezolucije, koja karakteriše sposobnost uređaja da odvojeno prikaže dva što bliža detalja objekta, za TEM je 0,15-0,3 HM, odnosno dostiže nivo koji omogućava posmatranje atomske i molekularne strukture objekta. proučavanih objekata. Ovako visoke rezolucije postižu se zbog izuzetno kratke talasne dužine elektrona. Sočiva E. m. imaju aberacije, efikasne metode korekcija na-rykh nije pronađena, za razliku od svjetlosnog mikroskopa (vidi. Elektronska i jonska optika Dakle, u TEM magn. elektronska sočiva(EL), kod kojih su aberacije za red veličine manje, potpuno je zamijenio elektrostatičke. Optimalni otvor blende (vidi. Dijafragma u elektronskoj i ionskoj optici), moguće je smanjiti sferni. utiče na aberaciju sočiva

o rezoluciji E. metara TEM-ovi u radu mogu se podijeliti u tri grupe: E. mjerači visoke rezolucije, pojednostavljeni TEM-ovi i jedinstveni ultra-visoki grubi E. mjerači.

TEM visoke rezolucije(0,15-0,3 nm) - univerzalni višenamjenski uređaji. Koriste se za promatranje slike objekata u svijetlom i tamnom polju, za proučavanje njihove strukture elektronografskim putem. metoda (vidi Elektronografija), izvođenje lokalnih količina. pomoću energetskog spektrometra. gubitak elektrona i rendgenskih kristala. i poluprovodnika i dobijanje spektroskopskih. slike objekata pomoću filtera koji filtrira elektrone s energijama izvan određene energije. prozor. Gubitak energije elektrona koji prolaze kroz filter i formiraju sliku uzrokovan je prisustvom jedne hemikalije u objektu. element. Stoga se povećava kontrast područja u kojima je ovaj element prisutan. Pomeranjem prozora duž energetskog spektar primanja distribucije dekom. elemente sadržane u objektu. Filter se također koristi kao monohromator za povećanje rezolucije elektromagnetnih mjerača u proučavanju debelih objekata, koji povećavaju energetski širenje elektrona i (kao posljedicu) kromatsku aberaciju.

Uz pomoć add. uređaja i dodataka, predmet koji se proučava u TEM-u može biti nagnut u različitim ravnima pod velikim uglovima u odnosu na optički. osa, toplina, hlađenje, deformacija. Elektroni koji ubrzavaju napon u elektromagnetnim mjeračima visoke rezolucije je 100-400 kV, reguliran je u koracima i vrlo je stabilan: za 1-3 minute njegova vrijednost se ne smije promijeniti za više od (1-2) 10 -6 od početne vrijednosti. Debljina objekta, koji se može "osvijetliti" elektronskim snopom, ovisi o naponu ubrzanja. U 100-kilovoltnim E. m. proučavaju objekte debljine od 1 do nekoliko. desetine nm.

Šematski je TEM opisanog tipa prikazan na Sl. 1. U njegovom elektronsko-optičkom. sistem (kolona) uz pomoć vakuum sistema stvara duboki vakuum (pritisak do ~10 -5 Pa). Elektronsko-optička shema. TEM sistem je prikazan na sl. 2. U njoj se formira elektronski snop, čiji je izvor termalna katoda elektronski top i visokonaponski akcelerator, a zatim se dva puta fokusira prvim i drugim kondenzatorom, koji stvaraju elektronsku "tačku" male veličine na objektu (uz podešavanje, promjer mrlje može varirati od 1 do 20 μm). Nakon prolaska kroz objekat, neki od elektrona se raspršuju i zadržavaju dijafragmom otvora. Neraspršeni elektroni prolaze kroz otvor dijafragme i fokusirani su od strane objektiva u ravni objekta srednjeg elektronskog sočiva. Ovdje se formira prva uvećana slika. Naknadna sočiva stvaraju drugu, treću itd. sliku. Posljednje - projekcijsko - sočivo formira sliku na katodoluminiscentnom ekranu, koja svijetli pod utjecajem elektrona. Stepen i priroda raspršenja elektrona nisu isti na različitim tačkama objekta, budući da su debljina, struktura i hem. sastav objekta varira od tačke do tačke. Shodno tome, mijenja se i broj elektrona koji prolaze kroz dijafragmu otvora, a time i gustina struje na slici. Postoji kontrast amplitude, koji se na ekranu pretvara u svjetlosni kontrast. U slučaju tankih predmeta prevladava fazni kontrast, uzrokovan promjenom faza rasutih u objektu i interferencije u ravni slike. Ispod E.M. ekrana nalazi se magacin sa fotografskim pločama; pri fotografisanju se ekran uklanja i elektroni djeluju na fotoemulzijski sloj. Slika se fokusira pomoću objektiva pomoću glatkog podešavanja struje, što menja njen magn. polje. Struje drugih elektronskih sočiva regulišu povećanje E. m., koje je jednako proizvodu uvećanja svih sočiva. Pri velikim uvećanjima, osvetljenost ekrana postaje nedovoljna i slika se posmatra pomoću pojačala osvetljenja. Za analizu slike vrši se analogno-digitalna konverzija informacija sadržanih u njoj i obrada na računaru. Slika, poboljšana i obrađena prema datom programu, prikazuje se na ekranu računara i po potrebi unosi u memorijski uređaj.

Rice. 1. Elektronski mikroskop tipa transmisije (PEM): 1 - elektronski top sa akceleratorom; 2-kondenLeće za korov; 3 -objektiv; 4 - projekcija leće; 5 - svjetlosni mikroskop, dodatno uvećandešifrovanje slike posmatrane na ekranu; b-toperle sa prozorčićima kroz koje možete posmatratidati sliku; 7 -visokonaponski kabl; 8 - vakuumski sistem; 9 - Daljinski upravljač; 10 -stand; 11 - visokonaponsko napajanje; 12 - napajanje sočiva.

Rice. 2. Elektronsko-optička šema TEM: 1 -katoda; 2 - cilindar za fokusiranje; 3 -akcelerator; 4 -pervyy (kratki fokus) kondenzator, stvaranje smanjena slika izvora elektrona; 5 - drugi (dugofokusni) kondenzator, koji omota sličicu izvora elektrona po objektu; 6 - objekt; 7 - diafragment sočiva; 8 - sočivo; 9 , 10, 11 -sistem Projekciona sočiva; 12 - katodoluminiscentna ekran.

Pojednostavljeni TEM dizajniran za nauku studije, u kojima nije potrebna visoka rezolucija. Koriste se i za pre- gledanje objekata, rutinski rad iu obrazovne svrhe. Ovi uređaji su jednostavnog dizajna (jedan kondenzator, 2-3 elektronska sočiva za uvećanje slike objekta), imaju niži (60-100 kV) napon ubrzanja i manju stabilnost visokog napona i struja sočiva. Njihova rezolucija je 0,5-0,7 nm.

UHV E. m . (SVEM) - uređaji ubrzanog napona od 1 do 3,5 MB - su velike konstrukcije visine od 5 do 15 m. Za njih je opremljena posebna oprema. prostorija ili grade posebne zgrade koje su sastavni dio SVEM kompleksa. Prvi SVM su dizajnirani da proučavaju objekte velike (1-10 µm) debljine, koji su zadržali svojstva masivnog čvrstog tijela. Zbog jakog uticaja hromatskih aberacije, rezolucija takvog E. m. je smanjena. Međutim, u poređenju sa 100-kilovoltnim E. m., rezolucija slike debelih objekata u SVEM-u je 10-20 puta veća. Pošto je energija elektrona u UHEM-u veća, njihova talasna dužina je kraća nego u TEM-u visoke rezolucije. Stoga, nakon rješavanja složenih tehničkih. problema (trebalo je više od jedne decenije) i implementacije visoke otpornosti na vibracije, pouzdane vibracijske izolacije i dovoljno mehaničke. i električni stabilnosti, postignuta je najveća rezolucija (0,13-0,17 nm) za prozirne elektromagnetne mjerače, što je omogućilo fotografiranje slika atomskih struktura. Međutim, sferni aberacija i defokusiranje objektiva izobličavaju slike dobijene maksimalnom rezolucijom i ometaju dobijanje pouzdanih informacija. Ova informacijska barijera se prevazilazi uz pomoć fokalnih serija slika, to-rye dobijenih dekomp. defokus objektiva. Istovremeno, za ista defokusiranja, analizirana atomska struktura se simulira na kompjuteru. Poređenje fokalnih serija sa serijom slika modela pomaže u dešifriranju mikrofotografija atomskih struktura snimljenih UHEM-om s najvećom rezolucijom. Na sl. 3 prikazuje dijagram SVEM-a koji se nalazi u specijal. zgrada. Main komponente uređaja su kombinovane u jedan kompleks pomoću platforme, koja je okačena sa plafona na četiri lanca i opruge koje apsorbuju udarce. Na vrhu platforme nalaze se dva rezervoara napunjena elektroizolacionim gasom pod pritiskom od 3-5 atm. U jedan je postavljen visokonaponski generator, a u drugi elektrostatički generator. elektronski akcelerator sa elektronskim topom. Oba rezervoara su povezana granom, kroz koju se visoki napon iz generatora prenosi na akcelerator. Od dna do rezervoara sa akceleratorom se graniči sa elektronsko-optičkim. stub koji se nalazi u donjem dijelu zgrade, zaštićen plafonom od rendgenskih zraka. zračenje nastalo u akceleratoru. Svi ovi čvorovi čine krutu strukturu koja ima svojstva fizičke. klatno sa velikim (do 7 s) sopstvenim periodom. , koji se gase tečnim prigušivačima. Sistem oslanjanja klatna obezbeđuje efikasnu izolaciju SVEM-a od spoljašnjosti. vibracije. Uređajem se upravlja pomoću daljinskog upravljača koji se nalazi u blizini stuba. Raspored sočiva, stubova i drugih jedinica uređaja sličan je odgovarajućim TEM uređajima i razlikuje se od njih velikim dimenzijama i težinom.

Rice. 3. Ultravisokonaponski elektronski mikroskop (SVEM): 1-platforma za izolaciju vibracija; 2-lanci, na kojoj visi platforma; 3 - amortizacija opruge; 4 rezervoara u kojima se nalazi generatorvisokog napona i akcelerator elektrona sa elektronomnoah gun; 5-elektronsko-optički stupac; 6- plafon koji odvaja zgradu SVEM-a na gornji i donje sale i zaštitno osoblje koje radi donji hodnik, od rendgenskih snimaka; 7 - daljinski upravljač kontrola mikroskopa.

Raster E. m. (SEM) sa termoelektronskim pištoljem - najčešći tip uređaja u elektronska mikroskopija. Koriste toplotne katode od volframa i heksaborid-lantana. Rezolucija SEM-a ovisi o svjetlini elektrona pištolja i u uređajima klase koja se razmatra je 5-10 nm. Ubrzavajući napon je podesiv od 1 do 30-50 kV. SEM uređaj je prikazan na sl. 4. Koristeći dva ili tri elektronska sočiva, uska elektronska sonda se fokusira na površinu uzorka. Magn. kalemovi za otklon postavljaju sondu preko datog područja na objektu. Kada elektroni sonde stupe u interakciju sa objektom, javlja se nekoliko vrsta zračenja (slika 5): sekundarni i reflektovani elektroni; Auger elektroni; rendgenski snimak bremsstrahlung i karakteristično zračenje (vidi karakteristični spektar); svjetlosno zračenje itd. Bilo koje od zračenja, struje elektrona koje su prošle kroz predmet (ako je tanak) i apsorbira se u objekt, kao i napon induciran na objektu, mogu se snimiti odgovarajućim detektorima koji pretvaraju ova zračenja, struje i napone u električne. signali, to-rye, nakon pojačanja, ulaze u katodnu cijev (CRT) i moduliraju njen snop. CRT snop se skenira sinhrono sa skeniranjem elektronske sonde u SEM-u, a na ekranu CRT se posmatra uvećana slika objekta. Uvećanje je jednako omjeru veličine okvira na CRT ekranu i odgovarajuće veličine na skeniranoj površini objekta. Fotografirajte sliku direktno sa CRT ekrana. Main Prednost SEM-a je visok informativni sadržaj uređaja, zbog mogućnosti posmatranja slika pomoću signala dekomp. detektori. Koristeći SEM, možete istražiti mikroreljef, distribuciju hemikalija. kompozicija po objektu, pn-prijelazi, proizvode x-zrake. spektralna analiza itd. SEM se široko koriste u tehn. procesi (kontrola u elektronsko-litografskim tehnologijama, ispitivanje i otkrivanje nedostataka u mikro krugovima, metrologija mikroproizvoda, itd.).

Rice. 4. Dijagram skenirajućeg elektronskog mikroskopa (REM): 1 - izolator elektronskog topa; 2 -V-imagetermalna katoda; 3 - elektroda za fokusiranje; 4 - anoda; 5 - kondenzatorska sočiva; 6 -dijafragma; 7 - dvoslojni sistem skretanja; 8 -objektiv; 9 - dijafragma blende sočiva; 10 - objekt; 11 -detektor sekundarnih elektrona; 12 -kristalpersonalni spektrometar; 13 -proporcionalno brojač; 14 - pretpojačalo; 15 - blok za pojačanje; 16, 17 - oprema za registraciju rendgensko zračenje; 18 - jedinica za pojačanje; 19 - Kontrolna jedinica za povećanje; 20, 21 - spaliti blokovekišobran i vertikalno skeniranje; 22, 23 -electron ray cijevi.

Rice. 5. Šema registracije informacija o objektu, primljeno u SEM; 1-primarni elektronski snop; 2-detektor sekundarnih elektrona; 3-rent detektorgensko zračenje; 4-detektor reflektovanih elektronaronov; 5-detektor Auger elektrona; 6-svetlosni detektornovo zračenje; 7 - detektor prolaska elektronovo; 8 - krug za registraciju struje koja prolazi elektronski objekt; 9-krug za trenutnu registraciju elektroni apsorbovani u objektu; 10-šema za reelektrična histracija kapacitet.

Visoka rezolucija SEM-a se ostvaruje u formiranju slike pomoću sekundarnih elektrona. On je obrnuto povezan sa prečnikom zone iz koje se emituju ovi elektroni. Veličina zone zavisi od prečnika sonde, svojstava objekta, brzine elektrona primarnog snopa itd. Na velikoj dubini prodiranja primarnih elektrona, sekundarni procesi koji se razvijaju u svim pravcima povećavaju prečnik zone i rezoluciju smanjuje. Sekundarni detektor elektrona sastoji se od fotomultiplikator(PMT) i elektron-fotonski pretvarač, osn. element to-rogo je scintilator. Broj bljeskova scintilatora proporcionalan je broju sekundarnih elektrona koji su nokautirani u datoj tački objekta. Nakon pojačanja u PMT-u iu video pojačalu, signal modulira CRT snop. Veličina signala ovisi o topografiji uzorka, prisutnosti lokalnog elektriciteta. i magn. mikropolja, veličina koeficijenta. sekundarna elektronska emisija, to-ry, zauzvrat, zavisi od hemikalije. sastav uzorka u datoj tački.

Reflektirani elektroni se hvataju poluvodičkim detektorom sa p - n-tranzicija. Kontrast slike nastaje zbog zavisnosti koeficijenta. refleksije od upadnog ugla primarnog snopa u datoj tački objekta i od u. broj supstance. Rezolucija slike dobijene u "reflektovanim elektronima" niža je od one dobijene uz pomoć sekundarnih elektrona (ponekad i za red veličine). Zbog ravnomjernosti leta elektrona, podaci o sep. područja objekta, od kojih ne postoji direktan put do detektora, se gube (pojavljuju se sjene). Da bi se eliminirao gubitak informacija, kao i da bi se formirala slika reljefa uzorka, njegov elementarni sastav ne utječe na roj i, obrnuto, da formira sliku distribucije kemikalije. elemenata u objektu, na koji njegov reljef ne utiče, SEM koristi detektorski sistem koji se sastoji od nekoliko. detektori postavljeni oko objekta, čiji se signali oduzimaju jedan od drugog ili dodaju, a rezultirajući signal se, nakon pojačanja, dovodi u CRT modulator.

rendgenski snimak karakteristika zračenje se snima kristalom. (talasno dispergovani) ili poluprovodnički (energetski dispergovani) spektrometri, koji se međusobno nadopunjuju. U prvom slučaju, rendgenski snimak zračenje nakon refleksije od kristala spektrometra ulazi u plin proporcionalni brojač, au drugom - rendgenski snimak. kvanti pobuđuju signale u poluvodičkom hlađenom (za smanjenje šuma) detektoru napravljenom od silicija dopiranog litijumom ili germanijumom. Nakon pojačanja, signali spektrometara se mogu dovesti do CRT modulatora i na njegovom ekranu će se pojaviti slika raspodjele jedne ili druge kemikalije. elementa na površini objekta.

Na SEM-u opremljenom rendgenom. spektrometri, proizvode lokalne količine. analiza: registrirati broj impulsa pobuđenih rendgenskih zraka. kvanta iz oblasti na kojoj je elektronska sonda zaustavljena. Kristalna spektrometar koji koristi set analizatorskih kristala sa dekomp. međuplanarne udaljenosti (vidi Bragg-Wulf stanje) diskriminira sa visokim spektrom. karakteristična rezolucija. spektar talasnih dužina, koji pokriva raspon elemenata od Be do U. Poluprovodnički spektrometar razlikuje X-zrake. kvanta po svojim energijama i istovremeno registruje sve elemente od B (ili C) do U. Njegova spektralna rezolucija je niža od one kristalne. spektrometar, ali veće osjetljivosti. Postoje i druge prednosti: brza isporuka informacija, jednostavan dizajn, Visoke performanse.

Raster Auger-E. m. (ROEM) uređaji, u kojima se, prilikom skeniranja elektronske sonde, Auger elektroni detektuju sa dubine objekta ne više od 0,1-2 nm. Na takvoj dubini izlazna zona Auger elektrona se ne povećava (za razliku od sekundarnih emisionih elektrona) i rezolucija instrumenta zavisi samo od prečnika sonde. Uređaj radi na ultravisokom vakuumu (10 -7 -10 -8 Pa). Njegov napon ubrzanja je cca. 10 kV. Na sl. 6 prikazuje ROEM uređaj. Elektronski top se sastoji od lantan heksaboridne ili volframove termalne katode koja radi u Schottky modu i elektrostatičke s tri elektrode. sočiva. Elektronska sonda je fokusirana ovim sočivom i magnetom. sočivo u fokalnoj ravni to-rogo je objekat. Sakupljanje Auger elektrona vrši se pomoću cilindričnog. analizator energije ogledala, čija unutrašnja elektroda prekriva tijelo sočiva, a vanjska graniči sa objektom. Uz pomoć analizatora koji razlikuje Augerove elektrone po energiji, distribucija hem. elemenata u površinskom sloju objekta submikronske rezolucije. Za proučavanje dubokih slojeva, uređaj je opremljen ionskim pištoljem, uz pomoć kojeg se gornji slojevi objekta uklanjaju jetkanjem ionskim snopom.

Rice. b. Shema skenirajućeg Auger elektronskog mikroskopa(ROEM): 1 - jonska pumpa; 2- katoda; 3 - troelektrodna elektrostatička sočiva; 4-kanalni detektor; 5-otvor blende objektiva; 6-double sistem skretanja za pomeranje elektronske sonde; 7-objektiv; 8- vanjska elektroda cilindrična analizator ogledala; 9-objekat.

SEM sa emisionim pištoljem imaju visoku rezoluciju (do 2-3 nm). Pištolj za emisiju polja koristi katodu u obliku tačke, na čijem vrhu se javlja jaka električna struja. polje koje izvlači elektrone iz katode ( polje emisije). Elektronski sjaj pištolja sa katodom emisije polja je 10 3 -10 4 puta veći od sjaja pištolja sa termoionskom katodom. Shodno tome, struja elektronske sonde raste. Zbog toga se u SEM-u sa puškom za polje emisije, uz spori sweep, izvodi brzi sweep, a promjer sonde se smanjuje kako bi se povećala rezolucija. Međutim, katoda poljske emisije radi stabilno samo pri ultravisokom vakuumu (10 -7 -10 -9 Pa), što komplikuje dizajn i rad takvih SEM-ova.

Prozirni raster E. m. (STEM) imaju istu visoku rezoluciju kao i TEM. Ovi uređaji koriste puške za emitovanje polja koje rade u uslovima ultravisokog vakuuma (do 10 -8 Pa), obezbeđujući dovoljnu struju u sondi malog prečnika (0,2-0,3 nm). Prečnik sonde je smanjen za dva magn. sočiva (slika 7). Ispod objekta su detektori - centralni i prstenasti. Neraspršeni elektroni padaju na prvi, a nakon konverzije i pojačanja odgovarajućih signala, na CRT ekranu se pojavljuje slika svijetlog polja. Raštrkani elektroni se skupljaju na prstenastom detektoru, stvarajući sliku tamnog polja. U STEM-u se mogu proučavati deblji objekti nego u TEM-u, jer povećanje broja neelastično raspršenih elektrona sa debljinom ne utiče na rezoluciju (nema elektronske optike za snimanje nakon objekta). Koristeći energetski analizator, elektroni koji su prošli kroz objekat se razdvajaju u elastično i neelastično raspršene snopove. Svaki snop pogađa svoj detektor, a odgovarajuće slike koje sadrže komplemente se posmatraju na CRT-u. informacije o elementarnom sastavu objekta. Visoka rezolucija u STEM-u se postiže sporim sweepovima, jer je u sondi prečnika od samo 0,2–0,3 nm struja mala. PREM su opremljeni svim uređajima koji se koriste u elektronskoj mikroskopiji za analitiku. objekti istraživanja, a posebno spektrometri energetski-tič. gubitak elektrona, rendgen spektrometri, složeni sistemi za detekciju transmitiranih, povratno rasejanih i sekundarnih elektrona koji biraju grupe elektrona rasutih na dekomp. uglovi koji imaju različite energije itd. Uređaji su opremljeni računarom za složenu obradu pristiglih informacija.

Rice. 7. Šematski dijagram prozirnog rasteraelektronski mikroskop (PREM): 1-auto-emisijajonska katoda; 2-srednja anoda; 3- anoda; 4- dijafragma "iluminator"; 5-magnetno sočivo; 6-dvavišeslojni sistem skretanja za pomeranje elektronaleg sonda; 7-magnetno sočivo; 8 - otvor blende otvor blende; 9 - objekat; 10 - sistem za skretanje; 11 - prstenasti detektor rasejanih elektrona; 12 - detektor neraspršenih elektrona (uklonjen kada rad magnetnog spektrometra); 13 - magnetna spektrometar; 14-odbojni sistem za odabir elektroni sa različitim gubicima energije; 15 - praznina spektrometar; 16-spektrometarski detektor; RE-sekundarninovi elektroni; hv- rendgensko zračenje.

Emisija E. m. stvaraju sliku objekta sa elektronima, to-rye emituje sam objekat kada se zagreje, bombardovan primarnim elektronskim snopom, pod dejstvom e-mag. zračenja i pri primjeni jakog električnog. polje koje izvlači elektrone iz objekta. Ovi uređaji obično imaju usku svrhu (vidi. elektronski projektor).

Ogledalo E. m. služiti arr. za vizualizaciju elektrostatičke. "potencijalne reljefe" i magn. mikropolja na površini objekta. Main elektronsko-optički element uređaja je elektronsko ogledalo, a jedna od elektroda je i sam predmet koji se nalazi ispod malog negativa. potencijal u odnosu na katodu pištolja. Elektronski snop se šalje na elektronsko ogledalo a reflektuje se poljem u neposrednoj blizini površine objekta. Ogledalo formira sliku na ekranu "u reflektovanim snopovima": mikropolja blizu površine objekta redistribuiraju elektrone reflektovanih zraka, stvarajući kontrast na slici koja vizualizuje ta mikropolja.

Izgledi za razvoj E. m. Unaprijeđenje elektromagnetnih mjerača s ciljem povećanja količine dobijenih informacija, koje se provodi već dugi niz godina, nastavit će se i u budućnosti, a poboljšanje parametara instrumenata, a prije svega povećanje rezolucije, ostaće glavni zadatak. Rad na stvaranju elektronsko-optičkih. sistemi sa malim aberacijama još uvek nisu doveli do stvarnog povećanja rezolucije E. m. Ovo se odnosi na neosimetrične sisteme korekcije aberacija, kriogenu optiku i sočiva sa korektivnim prostorima. u aksijalnom području itd. U toku su pretrage i istraživanja u ovim područjima. Istraživački rad na stvaranju elektronskih holografskih karakteristika se nastavlja. sistemi, uključujući i one sa korekcijom frekventno-kontrastnih karakteristika sočiva. Minijaturizacija elektrostatike sočiva i sistemi koji koriste dostignuća mikro- i nanotehnologije takođe će doprineti rešavanju problema stvaranja elektronske optike sa malim aberacijama.

Lit.: Praktična skenirajuća elektronska mikroskopija, ur. D. Gouldstein, X. Yakovitsa, trans. sa engleskog, M., 1978; Spence D., Eksperimentalna elektronska mikroskopija visoke rezolucije, trans. sa engleskog, M., 1986; Stojanov P. A., Elektronski mikroskop SVEM-1, "Zbornik radova Akademije nauka SSSR-a, serija fizike", 1988, tom 52, br. 7, str. 1429; Hawks P., Kasper E., Osnove elektronske optike, trans. sa engleskog, knj. 1-2, M., 1993; Oechsner H., Skenirajuća auger mikroskopija, Le Vide, les Couches Minces, 1994, t. 50, broj 271, str. 141; McMullan D., Skenirajuća elektronska mikroskopija 1928-1965, "Skeniranje", 1995, t. 17, br.3, str. 175. P. A. Stojanov.

ELEKTRONSKI MIKROSKOP
uređaj koji vam omogućava da dobijete znatno uvećanu sliku objekata, koristeći elektrone da ih osvetlite. Elektronski mikroskop (EM) omogućava da se vide detalji koji su premali da bi se mogli razlučiti svjetlosnim (optičkim) mikroskopom. EM je jedan od najvažnijih instrumenata za fundamentalna naučna istraživanja strukture materije, posebno u oblastima nauke kao što su biologija i fizika čvrstog stanja. Postoje tri glavne vrste EM. Tridesetih godina prošlog vijeka izumljen je konvencionalni transmisioni elektronski mikroskop (CTEM), 1950-ih godina skenirajući (skenirajući) elektronski mikroskop (SEM), a 1980-ih godina skenirajući tunelski mikroskop (RTM). Ova tri tipa mikroskopa se međusobno nadopunjuju u proučavanju struktura i materijala različitih tipova.
KONVENCIONALNI ELEKTRONSKI MIKROSKOP ZA PRENOS
OPEM je na mnogo načina sličan svjetlosnom mikroskopu, vidi MIKROSKOP, samo za osvjetljavanje uzoraka ne koristi svjetlo, već snop elektrona. Sadrži elektronski projektor (vidi dolje), niz kondenzatorskih leća, objektiv objektiva i sistem za projekciju koji odgovara okularu, ali projektuje stvarnu sliku na fluorescentni ekran ili fotografsku ploču. Izvor elektrona je obično zagrijana katoda napravljena od volframa ili lantan heksaborida. Katoda je električni izolirana od ostatka uređaja, a elektroni se ubrzavaju jakim električnim poljem. Da bi se stvorilo takvo polje, katoda se održava na potencijalu reda -100.000 V u odnosu na druge elektrode, koje fokusiraju elektrone u uski snop. Ovaj dio uređaja naziva se elektronski reflektor (vidi ELEKTRONSKI PIŠTOLJ). Budući da su elektroni snažno raspršeni materijom, mora postojati vakuum u koloni mikroskopa gdje se elektroni kreću. Održava pritisak koji ne prelazi milijardu atmosferskog pritiska.
Elektronska optika. Elektronsku sliku formiraju električna i magnetska polja na isti način kao što svjetlosnu sliku formiraju optička sočiva. Princip rada magnetnog sočiva ilustrovan je dijagramom (slika 1). Magnetno polje stvoreno zavojima zavojnice koja nosi struju djeluje kao konvergentno sočivo čija se žižna daljina može promijeniti promjenom struje. Budući da optička snaga takvog sočiva, tj. sposobnost fokusiranja elektrona ovisi o jačini magnetskog polja u blizini ose; da bi se povećala, poželjno je koncentrirati magnetsko polje u najmanjoj mogućoj zapremini. U praksi se to postiže činjenicom da je zavojnica gotovo u potpunosti prekrivena magnetnim "oklopom" napravljenim od posebne legure nikal-kobalta, ostavljajući samo uski razmak u svom unutrašnjem dijelu. Ovako stvoreno magnetsko polje može biti 10-100 hiljada puta jače od magnetnog polja Zemlje na površini zemlje.

OPEM šema je prikazana na sl. 2. Red kondenzatorskih sočiva (prikazano je samo posljednje) fokusira snop elektrona na uzorak. Tipično, prvi stvara neuvećanu sliku izvora elektrona, dok drugi kontrolira veličinu osvijetljene površine na uzorku. Otvor zadnjeg kondenzatorskog sočiva određuje širinu zraka u ravni objekta. Uzorak se postavlja u magnetno polje sočiva objektiva velike snage, najvažnijeg OPEM sočiva, koje određuje maksimalnu moguću rezoluciju instrumenta. Aberacije objektiva su ograničene njegovim otvorom blende, baš kao što su one u kameri ili svjetlosnom mikroskopu. Objektiv daje uvećanu sliku objekta (obično sa uvećanjem od 100); dodatno uvećanje koje uvode srednja i projekciona sočiva kreće se od nešto manje od 10 do nešto više od 1000. Dakle, uvećanje koje se može dobiti u modernim OPEM-ima je od manje od 1000 do 1 000 000 ELEKTRONSKI MIKROSKOP. (Pri povećanju od milion puta grejpfrut naraste do veličine Zemlje.) Predmet koji se ispituje obično se stavlja na vrlo finu mrežicu postavljenu u poseban držač. Držač se može mehanički ili električni glatko pomicati gore-dolje i lijevo-desno.

Slika. Kontrast u OPEM-u nastaje zbog rasipanja elektrona tokom prolaska snopa elektrona kroz uzorak. Ako je uzorak dovoljno tanak, tada je udio raspršenih elektrona mali. Kada elektroni prolaze kroz uzorak, neki od njih se raspršuju zbog sudara s jezgrama atoma uzorka, drugi zbog sudara s elektronima atoma, a treći prolaze bez raspršenja. Stepen raspršenja u bilo kojoj regiji uzorka zavisi od debljine uzorka u tom području, njegove gustine i prosječne atomske mase (broja protona) u toj tački. Elektroni koji izlaze iz dijafragme sa ugaonim odstupanjem koje prelazi određenu granicu ne mogu se više vratiti u snop koji nosi sliku, pa stoga snažno raspršena područja povećane gustine, povećane debljine i lokacija teških atoma izgledaju kao tamne zone na svijetloj pozadini u slika. Takva slika se naziva svijetlim poljem jer je okolno polje svjetlije od objekta. Ali moguće je napraviti tako da električni sistem otklona propušta samo jedan ili drugi od raspršenih elektrona u dijafragmu sočiva. Tada uzorak izgleda svijetlo u tamnom polju. Objekat koji se slabo raspršuje često je pogodniji za gledanje u režimu tamnog polja. Konačna uvećana elektronska slika postaje vidljiva pomoću fluorescentnog ekrana koji svijetli pod utjecajem bombardiranja elektrona. Ova slika, obično niskog kontrasta, obično se posmatra kroz binokularni svetlosni mikroskop. Uz istu svjetlinu, takav mikroskop sa uvećanjem od 10 može stvoriti sliku na mrežnjači koja je 10 puta veća nego kada se posmatra golim okom. Ponekad se fosforni ekran sa cijevi za pojačavanje slike koristi za povećanje svjetline slabe slike. U ovom slučaju, konačna slika se može prikazati na konvencionalnom televizijskom ekranu, što omogućava da se snimi na video traku. Video snimanje se koristi za snimanje slika koje se menjaju tokom vremena, na primer, usled hemijske reakcije. Najčešće se konačna slika snima na fotografski film ili fotografsku ploču. Fotografska ploča obično omogućava dobijanje oštrije slike od one koja se posmatra golim okom ili snima na video traci, jer fotografski materijali, uopšteno govoreći, efikasnije registruju elektrone. Osim toga, po jedinici površine fotografskog filma može se snimiti 100 puta više signala nego po jedinici površine video trake. Zahvaljujući tome, slika snimljena na filmu može se dodatno povećati za oko 10 puta bez gubitka jasnoće.
Dozvola. Elektronski snopovi imaju svojstva slična onima svjetlosnih zraka. Konkretno, svaki elektron karakteriše određena talasna dužina. Rezolucija EM je određena efektivnom talasnom dužinom elektrona. Talasna dužina zavisi od brzine elektrona i, posljedično, od napona ubrzanja; što je veći napon ubrzanja, veća je brzina elektrona i kraća je talasna dužina, a samim tim i veća rezolucija. Ovako značajna prednost EM u moći razlučivanja objašnjava se činjenicom da je talasna dužina elektrona mnogo manja od talasne dužine svetlosti. Ali pošto elektronska sočiva ne fokusiraju tako dobro kao optička (numerički otvor dobrog elektronskog sočiva je samo 0,09, dok za dobro optičko sočivo ta vrijednost dostiže 0,95), rezolucija EM je 50-100 elektronskih valnih dužina. Čak i sa tako slabim sočivima u elektronskom mikroskopu, granica rezolucije od cca. 0,17 nm, što omogućava razlikovanje pojedinačnih atoma u kristalima. Da bi se postigla rezolucija ovog reda, potrebno je vrlo pažljivo podešavanje instrumenta; posebno su potrebna visoko stabilna napajanja, a sam instrument (koji može biti visok oko 2,5 m i težak nekoliko tona) i njegov pribor zahtijevaju montažu bez vibracija.
RASTER ELEKTRONSKI MIKROSKOP
SEM, koji je postao najvažniji instrument za naučna istraživanja, služi kao dobra dopuna OPEM-u. SEM-ovi koriste elektronska sočiva da fokusiraju elektronski snop na vrlo malu tačku. Moguće je podesiti SEM tako da prečnik tačke u njemu ne prelazi 0,2 nm, ali u pravilu iznosi nekoliko ili desetine nanometara. Ova tačka se neprekidno kreće oko nekog dela uzorka, slično snopu koji se kreće oko ekrana televizijske cevi. Električni signal koji se javlja kada je objekt bombardiran snopom elektrona koristi se za formiranje slike na ekranu televizijskog kineskopa ili katodne cijevi (CRT), čiji je zamah sinhronizovan sa sistemom za skretanje elektronskog snopa (slika 3. ). Uvećanje se u ovom slučaju podrazumijeva kao omjer veličine slike na ekranu i veličine područja oko kojeg se snop kreće na uzorku. Ovo povećanje je sa 10 na 10 miliona.

Interakcija elektrona fokusiranog snopa sa atomima uzorka može dovesti ne samo do njihovog raspršenja, što se koristi za dobijanje slike u OPEM-u, već i do pobuđivanja rendgenskim zrakama, emisije vidljive svjetlosti i emisije sekundarnih elektrona. Osim toga, budući da SEM ima samo fokusna sočiva ispred uzorka, omogućava proučavanje "debelih" uzoraka.
Reflective SEM. Reflektivni SEM je namijenjen proučavanju masivnih uzoraka. Pošto se kontrast koji nastaje prilikom registracije reflektuje, tj. povratno rasejanih i sekundarnih elektrona, uglavnom se odnosi na upadni ugao elektrona na uzorak, površinska struktura se otkriva na slici. (Intenzitet povratnog rasejanja i dubina na kojoj se ono dešava zavise od energije elektrona upadnog snopa. Emisija sekundarnih elektrona je određena uglavnom sastavom površine i električnom provodljivošću uzorka.) Oba ova signali nose informacije o opšte karakteristike uzorak. Zbog male konvergencije elektronskog snopa, moguće je vršiti opservacije sa mnogo većom dubinom polja nego pri radu sa svjetlosnim mikroskopom, te dobiti odlične trodimenzionalne mikrofotografije površina sa vrlo razvijenim reljefom. Registracijom rendgenskog zračenja koje emituje uzorak moguće je, pored podataka o reljefu, dobiti podatke o hemijski sastav uzorak u površinskom sloju dubine 0,001 mm ELEKTRONSKI MIKROSKOP. Sastav materijala na površini može se suditi i po izmjerenoj energiji kojom se emituju određeni elektroni. Sve poteškoće u radu sa SEM-om su uglavnom posledica njegovih sistema snimanja i elektronske vizuelizacije. U uređaju sa puni opseg detektorima, uz sve funkcije SEM-a, obezbeđen je i režim rada mikroanalizatora elektronske sonde.
Skenirajući transmisijski elektronski mikroskop. Skenirajući transmisioni elektronski mikroskop (STEM) je posebna vrsta SEM. Dizajniran je za tanke uzorke, iste kao i one proučavane u OPEM-u. RPEM šema se razlikuje od šeme na sl. 3 samo zato što nema detektore koji se nalaze iznad uzorka. Budući da sliku formira putujući snop (a ne snop koji osvjetljava cijelu površinu uzorka koji se proučava), potreban je izvor elektrona visokog intenziteta kako bi se slika mogla registrirati u razumnom vremenu. RTEM visoke rezolucije koristi polja emitera visoke svjetline. U takvom izvoru elektrona, vrlo jako električno polje (približno V/cm) se stvara blizu površine volframove žice vrlo malog prečnika naoštrene jetkanjem. Ovo polje doslovno izvlači milijarde elektrona iz žice bez ikakvog zagrijavanja. Sjaj takvog izvora je skoro 10.000 puta veći od izvora sa zagrejanom volframovom žicom (vidi gore), a emitovani elektroni se mogu fokusirati u snop prečnika manjeg od 1 nm. Dobivene su čak i grede čiji je prečnik blizu 0,2 nm. Autoelektronski izvori mogu da rade samo u uslovima ultra visokog vakuuma (na pritiscima ispod Pa), u kojima nema zagađivača kao što su ugljovodonici i vodene pare, i postaje moguće dobiti slike visoke rezolucije. Zahvaljujući takvim ultračistim uslovima, moguće je proučavati procese i fenomene koji su nedostupni EM sa konvencionalnim vakuum sistemima. Istraživanja u RPEM-u se provode na ultratankim uzorcima. Elektroni prolaze kroz takve uzorke gotovo bez rasipanja. Snimaju se elektroni rasuti pod uglovima većim od nekoliko stepeni bez usporavanja, koji padaju na prstenastu elektrodu koja se nalazi ispod uzorka (slika 3). Signal koji se uzima sa ove elektrode u velikoj mjeri ovisi o atomskom broju atoma u području kroz koje prolaze elektroni - teži atomi raspršuju više elektrona u smjeru detektora od lakih. Ako je snop elektrona fokusiran na tačku prečnika manjeg od 0,5 nm, tada se pojedinačni atomi mogu snimiti. U stvarnosti, moguće je razlikovati pojedinačne atome s atomskom masom željeza (tj. 26 ili više) na slici dobivenoj u RTEM. Elektroni koji se nisu raspršili u uzorku, kao i elektroni usporeni kao rezultat interakcije s uzorkom, prolaze u otvor prstenastog detektora. Analizator energije koji se nalazi ispod ovog detektora omogućava vam da odvojite prvi od drugog. Mjerenjem energije koju gube elektroni tokom raspršenja, može se dobiti važna informacija o uzorku. Gubici energije povezani sa pobuđivanjem rendgenskih zraka ili izbacivanjem sekundarnih elektrona iz uzorka omogućavaju procjenu kemijskih svojstava tvari u području kroz koje prolazi elektronski snop.
RASTER TUNELSKI MIKROSKOP
U EM-ima o kojima se gore govori, magnetna sočiva se koriste za fokusiranje elektrona. Ovaj odjeljak govori o EM bez sočiva. Ali prije nego što pređemo na Skenirajući tunelski mikroskop (RTM), biće korisno da se nakratko osvrnemo na dva starija tipa mikroskopa bez sočiva koji proizvode projektovanu sliku sjene.
Autoelektronski i autojonski projektori. Izvor elektrona u polju koji se koristi u RTEM-u koristi se u projektorima u sjeni od ranih 1950-ih. U projektoru za polja elektrona, elektroni emitirani poljem emisijom iz vrha vrlo malog prečnika ubrzavaju se prema luminiscentnom ekranu koji se nalazi na udaljenosti od nekoliko centimetara od vrha. Kao rezultat, projicirana slika površine vrha i čestica koje se nalaze na ovoj površini pojavljuje se na ekranu s povećanjem jednakim omjeru radijusa ekrana i polumjera vrha (red). Veća rezolucija se postiže kod autoionskog projektora, u kojem se slika projektuje pomoću jona helijuma (ili nekih drugih elemenata), čija je efektivna talasna dužina kraća od talasne dužine elektrona. Ovo omogućava dobijanje slika koje pokazuju pravi raspored atoma u kristalnoj rešetki materijala tačke. Stoga se projektori s ionskim poljem koriste posebno za proučavanje kristalne strukture i njenih nedostataka u materijalima od kojih se takvi vrhovi mogu napraviti.
Skenirajući tunelski mikroskop (RTM). Ovaj mikroskop takođe koristi metalni vrh malog prečnika, koji je izvor elektrona. U razmaku između vrha i površine uzorka stvara se električno polje. Broj elektrona koje polje izvlači iz vrha u jedinici vremena (tunelska struja) ovisi o udaljenosti između vrha i površine uzorka (u praksi je ta udaljenost manja od 1 nm). Kako se vrh kreće duž površine, struja se modulira. Ovo vam omogućava da dobijete sliku povezanu s reljefom površine uzorka. Ako vrh završava jednim atomom, tada je moguće formirati sliku površine prolaskom atom po atom. RTM može raditi samo ako je udaljenost od vrha do površine konstantna, a vrh se može pomicati s točnošću atomskih dimenzija. Vibracije su potisnute zbog krute strukture i malih dimenzija mikroskopa (ne više od šake), kao i upotrebe višeslojnih gumenih amortizera. visoka preciznost pružaju piezoelektrične materijale koji se izdužuju i skupljaju pod djelovanjem vanjskog električno polje. Primjenom napona reda 10-5 V moguće je promijeniti dimenzije takvih materijala za 0,1 nm ili manje. Ovo omogućava, fiksiranjem vrha na element od piezoelektričnog materijala, da se on pomera u tri međusobno okomita pravca sa tačnošću reda atomskih dimenzija.
TEHNIKA ELEKTRONSKE MIKROSKOPIJE
Gotovo da ne postoji sektor istraživanja u oblasti biologije i nauke o materijalima u kojem transmisiona elektronska mikroskopija (TEM) nije primijenjena; to je zbog napretka u tehnikama pripreme uzoraka. Sve tehnike koje se koriste u elektronskoj mikroskopiji imaju za cilj dobijanje izuzetno tankog uzorka i obezbeđivanje maksimalnog kontrasta između njega i supstrata koji mu je potreban kao potpora. Osnovna tehnika je dizajnirana za uzorke debljine 2-200 nm, potpomognute tankim plastičnim ili karbonskim folijama, koje se postavljaju na rešetku veličine ćelije od cca. 0,05 mm. ( Pogodan uzorak, na koji god način da se dobije, obrađuje se na način da se poveća intenzitet raspršivanja elektrona na predmetu koji se proučava.) Ako je kontrast dovoljno velik, tada oko posmatrača može razlikovati detalje koji se nalaze na udaljenosti od 0,1- 0,2 mm jedan od drugog bez naprezanja. Dakle, da bi slika kreirana elektronskim mikroskopom razlikovala detalje koji su na uzorku odvojeni na udaljenosti od 1 nm, potrebno je ukupno uvećanje reda veličine 100-200 hiljada. Najbolji od mikroskopa mogu stvoriti sliku uzorak na fotografskoj ploči s takvim uvećanjem, ali je prikazano premalo područje. Obično se mikrofotografija pravi pri manjem uvećanju, a zatim se fotografski uvećava. Fotografska ploča omogućava dužinu od cca 10 cm. 10.000 linija. Ako svaka linija na uzorku odgovara određenoj strukturi dužine 0,5 nm, tada je za registraciju takve strukture potrebno povećanje od najmanje 20.000, uz korištenje SEM i STEM, u kojima se slika snima elektronskim sistemom i raspoređeno na televizijskom ekranu, samo OK. 1000 linija. Dakle, kada se koristi televizijski monitor, minimalno potrebno uvećanje je oko 10 puta veće nego kod fotografisanja.
biološki preparati. Elektronska mikroskopija se široko koristi u biološkim i medicinskim istraživanjima. Razvijene su tehnike fiksiranja, ugradnje i dobijanja tankih preseka tkiva za ispitivanje u OPEM i RPEM i metode fiksacije za proučavanje masovnih uzoraka u SEM. Ove tehnike omogućavaju proučavanje organizacije ćelija na makromolekularnom nivou. Elektronska mikroskopija otkrila je komponente ćelije i detalje strukture membrana, mitohondrija, endoplazmatskog retikuluma, ribozoma i mnogih drugih organela koje čine ćeliju. Uzorak se prvo fiksira glutaraldehidom ili drugim fiksativima, a zatim dehidrira i ugrađuje u plastiku. Metode kriofiksacije (fiksacija na vrlo niskim - kriogenim - temperaturama) omogućavaju očuvanje strukture i sastava bez upotrebe hemijskih fiksatora. Osim toga, kriogene metode omogućavaju snimanje zamrznutih bioloških uzoraka bez dehidracije. Koristeći ultramikrotome sa oštricama od poliranog dijamanta ili usitnjenog stakla, mogu se napraviti preseci tkiva debljine 30-40 nm. Montirani histološki preparati mogu biti obojeni jedinjenjima teških metala (olovo, osmijum, zlato, volfram, uranijum) kako bi se poboljšao kontrast pojedinačnih komponenti ili struktura.

Biološke studije su proširene na mikroorganizme, posebno viruse, koji se ne razlučuju svjetlosnim mikroskopima. TEM je omogućio otkrivanje, na primjer, strukture bakteriofaga i lokacije podjedinica u proteinskim omotačima virusa. Osim toga, pozitivne i negativne metode bojenja su uspjele otkriti strukturu s podjedinicama u nizu drugih važnih bioloških mikrostruktura. Tehnike poboljšanja kontrasta nukleinske kiseline omogućile su promatranje jednolančane i dvolančane DNK. Ove dugačke, linearne molekule se šire u sloj bazičnog proteina i nanose na tanak film. Uzorak je zatim vakuumski obložen vrlo tanki sloj teški metal. Ovaj sloj teškog metala "zasjenjuje" uzorak, zbog čega ovaj drugi, kada se posmatra u OPEM ili RTEM, izgleda kao da je osvijetljen sa strane sa koje je metal deponovan. Međutim, ako se uzorak rotira tokom taloženja, tada se metal ravnomjerno akumulira oko čestica sa svih strana (kao snježna kugla).
nebiološki materijali. TEM se primjenjuje u istraživanju materijala za proučavanje tankih kristala i granica između njih različitih materijala. Da bi se dobila slika interfejsa visoke rezolucije, uzorak se napuni plastikom, uzorak se reže okomito na interfejs, a zatim se istanji tako da se interfejs vidi na oštroj ivici. Kristalna rešetka snažno raspršuje elektrone u određenim smjerovima, dajući uzorak difrakcije. Slika kristalnog uzorka je u velikoj mjeri određena ovim uzorkom; kontrast u velikoj mjeri ovisi o orijentaciji, debljini i savršenstvu kristalne rešetke. Promjene u kontrastu na slici omogućavaju proučavanje kristalne rešetke i njenih nesavršenosti na skali atomskih veličina. Informacije dobijene na ovaj način dopunjuju one dobijene rendgenskom analizom masovnih uzoraka, jer EM omogućava da se direktno vide dislokacije, greške slaganja i granice zrna u svim detaljima. Osim toga, obrasci difrakcije elektrona mogu se uzeti u EM i mogu se promatrati uzorci difrakcije odabranih područja uzorka. Ako se dijafragma sočiva podesi tako da kroz nju prolazi samo jedan difraktirani i neraspršeni centralni snop, onda je moguće dobiti sliku određenog sistema kristalnih ravnina koji daje ovaj difrakcijski snop. Moderni instrumenti omogućavaju rješavanje perioda rešetke od 0,1 nm. Kristali se također mogu proučavati snimanjem u tamnom polju, u kojem je središnji snop blokiran tako da sliku formiraju jedan ili više difraktiranih zraka. Sve ove metode dale su važne informacije o strukturi velikog broja materijala i značajno su razjasnile fiziku kristala i njihova svojstva. Na primjer, analiza TEM slika kristalne rešetke tankih malih kvazikristala u kombinaciji s analizom njihovih obrazaca difrakcije elektrona omogućila je 1985. godine otkrivanje materijala sa simetrijom petog reda.
Visokonaponska mikroskopija. Trenutno, industrija proizvodi visokonaponske verzije OPEM-a i RPEM-a sa naponom ubrzanja od 300 do 400 kV. Takvi mikroskopi imaju veću prodornu moć od niskonaponskih instrumenata i gotovo su jednako dobri kao mikroskopi od milion volti koji su napravljeni u prošlosti. Moderni visokonaponski mikroskopi su prilično kompaktni i mogu se ugraditi u običnu laboratorijsku prostoriju. Njihova povećana prodorna moć pokazuje se kao vrlo dragocjeno svojstvo u proučavanju defekata u debljim kristalima, posebno onima od kojih je nemoguće napraviti tanke uzorke. U biologiji, njihova velika prodorna moć omogućava ispitivanje čitavih ćelija bez njihovog rezanja. Osim toga, ovi mikroskopi se mogu koristiti za dobivanje trodimenzionalnih slika debelih objekata.
mikroskopija niskog napona. Postoje i SEM-ovi sa ubrzavajućim naponom od samo nekoliko stotina volti. Čak i pri tako niskim naponima, talasna dužina elektrona je manja od 0,1 nm, pa je prostorna rezolucija opet ograničena aberacijama magnetnih sočiva. Međutim, budući da elektroni tako niske energije prodiru plitko ispod površine uzorka, gotovo svi elektroni uključeni u snimanje dolaze iz područja vrlo blizu površine, čime se povećava rezolucija površinskog reljefa. Koristeći niskonaponski SEM, slike su dobijene na čvrstim površinama objekata manjih od 1 nm.
oštećenja zračenja. Budući da su elektroni jonizujuće zračenje, uzorak u EM mu je stalno izložen. (Kao rezultat ove akcije nastaju sekundarni elektroni koji se koriste u SEM-u.) Stoga su uzorci uvijek izloženi radijacijskom oštećenju. Tipična doza zračenja koju apsorbuje tanak uzorak tokom snimanja mikrofotografije u OPEM približno odgovara energiji koja bi bila dovoljna da potpuno ispari hladnu vodu iz ribnjaka dubine 4 m površine 1 ha. Da bi se smanjilo oštećenje uzorka zračenjem, potrebno je koristiti različite metode njegove pripreme: bojenje, izlijevanje, zamrzavanje. Osim toga, moguće je registrovati sliku pri dozama elektrona koje su 100-1000 puta niže od standardne metode, a zatim je poboljšati metodama kompjuterske obrade slike.
ISTORIJSKA REFERENCA
Istorija nastanka elektronskog mikroskopa je prekrasan primjer kako samostalno razvijajuća područja nauke i tehnologije mogu, razmjenom primljenih informacija i udruživanjem napora, stvoriti novo moćno oruđe za naučna istraživanja. Vrhunac klasične fizike bila je teorija elektromagnetnog polja, koja je objašnjavala širenje svjetlosti, pojavu električnih i magnetskih polja, kretanje nabijenih čestica u tim poljima kao širenje elektromagnetnih valova. Talasna optika razjasnila je fenomen difrakcije, mehanizam formiranja slike i igru ​​faktora koji određuju rezoluciju u svjetlosnom mikroskopu. Uspehe na polju teorijske i eksperimentalne fizike dugujemo otkriću elektrona sa njegovim specifičnim svojstvima. Ovi odvojeni i naizgled nezavisni razvoji doveli su do stvaranja temelja elektronske optike, čija je jedna od najvažnijih primjena bio pronalazak EM-a 1930-ih. Direktnim nagovještajem ove mogućnosti može se smatrati hipoteza o talasnoj prirodi elektrona koju je 1924. iznio Louis de Broglie, a eksperimentalno potvrdili 1927. K. Davisson i L. Germer u SAD-u i J. Thomson u Engleskoj. Tako je predložena analogija koja je omogućila konstruisanje EM prema zakonima talasne optike. H. Bush je otkrio da se elektronske slike mogu formirati pomoću električnih i magnetnih polja. U prve dve decenije 20. veka stvoreni su i potrebni tehnički preduslovi. Industrijske laboratorije koje rade na osciloskopu katodnog snopa obezbijedile su vakuumsku tehnologiju, stabilne izvore visokog napona i struje i dobre emitere elektrona. Godine 1931. R. Rudenberg je podnio patentnu prijavu za transmisioni elektronski mikroskop, a 1932. M. Knoll i E. Ruska napravili su prvi takav mikroskop, koristeći magnetna sočiva za fokusiranje elektrona. Ovaj instrument je bio preteča modernog OPEM-a. (Ruska je za svoj rad nagrađen osvajanjem Nobelove nagrade za fiziku 1986.) Ruska i B. von Borris su 1938. napravili prototip industrijskog OPEM-a za Siemens-Halske u Nemačkoj; ovaj instrument je na kraju omogućio postizanje rezolucije od 100 nm. Nekoliko godina kasnije, A. Prebus i J. Hiller izgradili su prvi OPEM visoke rezolucije na Univerzitetu u Torontu (Kanada). Široke mogućnosti OPEM-a postale su očigledne skoro odmah. Njegovo industrijska proizvodnja Istovremeno su ga lansirali Siemens-Halske u Njemačkoj i RCA Corporation u SAD. Krajem 1940-ih, druge kompanije počele su proizvoditi takve uređaje. SEM u svom sadašnjem obliku izumio je 1952. Charles Otley. Istina, preliminarne verzije takvog uređaja izgradili su Knoll u Njemačkoj 1930-ih i Zworykin sa zaposlenima u RCA korporaciji 1940-ih, ali je samo Otley uređaj mogao poslužiti kao osnova za brojna tehnička poboljšanja koja su kulminirala u uvođenje industrijske verzije SEM-a u proizvodnju sredinom 1960-ih. Krug potrošača tako prilično jednostavnog uređaja s trodimenzionalnom slikom i elektronskim izlaznim signalom proširio se brzinom eksplozije. Trenutno postoji desetak industrijskih SEM proizvođača na tri kontinenta i desetine hiljada takvih uređaja koji se koriste u laboratorijama širom svijeta. Šezdesetih godina prošlog stoljeća razvijeni su ultravisokonaponski mikroskopi za proučavanje debljih uzoraka. , gdje je uređaj sa ubrzanim naponom od 3,5 miliona volti pušteno je u rad 1970. RTM su izumili G. Binnig i G. Rohrer u Cirihu 1979. Ovaj vrlo jednostavan uređaj omogućava atomsku rezoluciju površina. Za stvaranje RTM, Binnig i Rohrer (istovremeno sa Ruskom ) dobio Nobelovu nagradu za fiziku.
vidi takođe

Šta je USB mikroskop?

USB mikroskop je vrsta digitalnog mikroskopa. Umjesto uobičajenog okulara, ovdje je ugrađen digitalna kamera, koji snima sliku sa objektiva i prenosi je na ekran monitora ili laptopa. Takav mikroskop se povezuje sa računarom vrlo jednostavno - preko običnog USB kabla. Mikroskop dolazi sa posebnim softverom koji vam omogućava da obrađujete dobijene slike. Možete snimati fotografije, kreirati video zapise, mijenjati kontrast, svjetlinu i veličinu slike. Mogućnosti softver zavisi od proizvođača.

USB mikroskop je prvenstveno kompaktni uređaj za uvećanje. Zgodno ga je ponijeti sa sobom na putovanja, sastanke ili van grada. Obično se USB mikroskop ne može pohvaliti velikim uvećanjem, ali za ispitivanje kovanica, sitnog tiska, umjetničkih predmeta, uzoraka tkanine ili novčanica, njegove mogućnosti su sasvim dovoljne. Uz pomoć takvog mikroskopa možete pregledati biljke, insekte i sve male predmete oko sebe.

Gdje kupiti elektronski mikroskop?

Ako ste se konačno odlučili za izbor modela, na ovoj stranici možete kupiti elektronski mikroskop. U našoj online trgovini pronaći ćete elektronski mikroskop po najpovoljnijoj cijeni!

Ako želite vlastitim očima vidjeti elektronski mikroskop, a zatim donijeti odluku, posjetite najbližu prodavnicu Four Eyes.
Da, da, i povedite svoju djecu sa sobom! Sigurno nećete ostati bez kupovine i poklona!