Se inventa el microscopio electrónico. Microscopios digitales

El microscopio electrónico no se llama así porque utiliza componentes que contienen componentes electrónicos, aunque hay más que suficientes. Pero lo principal es que en lugar de una corriente de rayos de luz que transportan información sobre un objeto y que podemos ver simplemente acercando los ojos a los oculares, un microscopio electrónico utiliza una corriente de electrones, exactamente igual que en un microscopio convencional. TELEVISOR. Podremos observar una imagen similar a la de un televisor en una pantalla cubierta con un compuesto especial que brilla cuando una corriente de electrones incide sobre ella. Pero, ¿cómo magnifica un microscopio electrónico?

El hecho es que así como el vidrio de una lente ordinaria cambia el curso de los rayos de luz, los campos magnéticos y eléctricos cambian el movimiento del flujo de electrones, lo que hace posible enfocar "haces" de electrones con los mismos efectos que en el habitual " sistema óptico de luz de vidrio". Sin embargo, debido al tamaño extremadamente pequeño de los electrones y la importante "refracción" de los haces de electrones, la ampliación de la imagen es aproximadamente mil veces mayor que la de un microscopio óptico. En lugar de los oculares que nos son familiares en un microscopio electrónico, la imagen se proyecta en una pantalla luminiscente muy pequeña, desde la cual el observador la examina en un microscopio óptico familiar con un ligero aumento, o usando un convertidor óptico-electrónico, es se muestra en una pantalla de televisión convencional o, lo que se usa con mayor frecuencia en la práctica, se fija en una placa fotográfica. Para un microscopio electrónico, no existe un parámetro como la precisión del color, porque el color es una propiedad de los rayos de luz, no de los electrones. No hay color en el microcosmos, por lo que las imágenes en “color” obtenidas con un microscopio electrónico no son más que una convención.

Este fue aproximadamente el principio de funcionamiento del primer microscopio electrónico de la historia, según clasificación existente pertenecía a los microscopios OPEM - "un microscopio electrónico de transmisión convencional", exteriormente se parecía más a una gran máquina para trabajar metales que a un microscopio, como la gente solía verlo durante el siglo y medio anterior. En este dispositivo, que proporciona un aumento de hasta un millón de veces, la muestra fue "atravesada" por una corriente de electrones moviéndose en una dirección constante. Un poco más tarde, aparecieron los microscopios electrónicos de barrido, en los que un haz de electrones enfocado a dimensiones subatómicas "escanea" la superficie de la muestra, y la imagen se observa en la pantalla del monitor. En realidad, la "ampliación" de un microscopio de barrido también es una convención, es la relación entre el tamaño de la pantalla y el tamaño del objeto escaneado original. Fue en un dispositivo de este tipo que una persona pudo ver átomos individuales por primera vez. Hasta ahora, este es el límite de las posibilidades tecnológicas. Y, de hecho, el mundo de las partículas elementales es tan diferente al nuestro que es poco probable que podamos comprenderlo hasta el final, incluso viéndolo con nuestros propios ojos.

Estudiar nanoobjetos con la resolución de microscopios ópticos ( incluso usando ultravioleta) es claramente insuficiente. Como resultado, en la década de 1930 surgió la idea de utilizar electrones en lugar de luz, cuya longitud de onda, como sabemos por la física cuántica, es cientos de veces menor que la de los fotones.

Como saben, nuestra visión se basa en la formación de una imagen de un objeto en la retina del ojo por ondas de luz reflejadas por este objeto. Si, antes de entrar en el ojo, la luz pasa por el sistema óptico microscopio, vemos una imagen ampliada. Al mismo tiempo, el curso de los rayos de luz está hábilmente controlado por las lentes que forman el objetivo y el ocular del dispositivo.

Pero, ¿cómo se puede obtener una imagen de un objeto, y con una resolución mucho mayor, utilizando no radiación de luz, sino una corriente de electrones? En otras palabras, ¿cómo es posible ver objetos basados ​​en el uso de partículas, no de ondas?

La respuesta es muy simple. Se sabe que la trayectoria y la velocidad de los electrones se ven significativamente afectadas por campos electromagnéticos externos, que se pueden utilizar para controlar eficazmente el movimiento de los electrones.

La ciencia del movimiento de electrones en campos electromagnéticos y el cálculo de dispositivos que forman los campos deseados se llama óptica electrónica.

Una imagen electrónica está formada por campos eléctricos y magnéticos de la misma manera que una imagen de luz está formada por lentes ópticas. Por lo tanto, en un microscopio electrónico, los dispositivos para enfocar y dispersar un haz de electrones se denominan “ lentes electronicos”.

lente electronica Los alambres de la bobina que transportan la corriente enfocan el haz de electrones de la misma manera que una lente de vidrio enfoca un haz de luz.

El campo magnético de la bobina actúa como una lente convergente o divergente. Para concentrar el campo magnético, la bobina se cubre con un magnético " armadura» hecho de una aleación especial de níquel-cobalto, dejando solo un estrecho espacio en la parte interna. ¡El campo magnético creado de esta manera puede ser de 10 a 100 mil veces más fuerte que el campo magnético de la Tierra!

Desafortunadamente, nuestro ojo no puede percibir directamente los haces de electrones. Por lo tanto, se utilizan para dibujo” imágenes en pantallas fluorescentes (que brillan cuando chocan los electrones). Por cierto, el mismo principio subyace en el funcionamiento de monitores y osciloscopios.

existe un gran número de varios tipos de microscopios electronicos entre los cuales el microscopio electrónico de barrido (SEM) es el más popular. Obtendremos su esquema simplificado si colocamos el objeto en estudio dentro del tubo de rayos catódicos de un televisor ordinario entre la pantalla y la fuente de electrones.

De tal microscopio un haz delgado de electrones (diámetro del haz de unos 10 nm) recorre (como si escaneara) la muestra en líneas horizontales, punto por punto, y transmite sincrónicamente una señal al cinescopio. Todo el proceso es similar al funcionamiento de un televisor en el proceso de escaneo. La fuente de electrones es un metal (generalmente tungsteno), del cual, cuando se calienta como resultado de la acción térmica emisión electrónica se emiten electrones.

Esquema de funcionamiento de un microscopio electrónico de barrido.

Emisión termoiónica es la salida de electrones de la superficie de los conductores. El número de electrones liberados es pequeño a T=300K y crece exponencialmente con el aumento de la temperatura.

Cuando los electrones pasan a través de una muestra, algunos de ellos se dispersan debido a las colisiones con los núcleos de los átomos en la muestra, otros debido a las colisiones con los electrones de los átomos y otros más pasan a través de ella. En algunos casos, se emiten electrones secundarios, se inducen rayos X, etc. Todos estos procesos son registrados por especial detectores y en una forma transformada se muestran en la pantalla, creando una imagen ampliada del objeto en estudio.

La ampliación en este caso se entiende como la relación entre el tamaño de la imagen en la pantalla y el tamaño del área que recorre el haz sobre la muestra. Debido a que la longitud de onda de un electrón es varios órdenes de magnitud menor que la de un fotón, en los SEM modernos este aumento puede alcanzar los 10 millones15, lo que corresponde a una resolución de unos pocos nanómetros, lo que permite visualizar átomos individuales.

Desventaja principal microscopio de electrones- la necesidad de trabajar en completo vacío, ya que la presencia de cualquier gas en el interior de la cámara del microscopio puede provocar la ionización de sus átomos y distorsionar significativamente los resultados. Además, los electrones tienen un efecto destructivo sobre los objetos biológicos, lo que los hace inaplicables para la investigación en muchas áreas de la biotecnología.

historia de la creacion microscopio electrónico es un ejemplo notable de un logro basado en un enfoque interdisciplinario, cuando los campos de la ciencia y la tecnología en desarrollo independiente se unieron para crear una nueva herramienta poderosa para la investigación científica.

El pináculo de la física clásica fue la teoría del campo electromagnético, que explicaba la propagación de la luz, la electricidad y el magnetismo como la propagación ondas electromagnéticas. La óptica ondulatoria explicó el fenómeno de la difracción, el mecanismo de formación de imágenes y la interacción de factores que determinan la resolución en un microscopio óptico. buena suerte física cuántica debemos el descubrimiento del electrón con sus propiedades específicas de onda corpuscular. Estos desarrollos separados y aparentemente independientes condujeron a la creación de la óptica electrónica, uno de los inventos más importantes de los cuales en la década de 1930 fue el microscopio electrónico.

Pero los científicos tampoco descansaron en esto. La longitud de onda de un electrón acelerado por un campo eléctrico es de varios nanómetros. Esto no está mal si queremos ver una molécula o incluso una red atómica. Pero, ¿cómo mirar dentro del átomo? ¿Cómo es un enlace químico? ¿Cómo es una sola reacción química? Por eso, hoy diferentes paises Los científicos desarrollan microscopios de neutrones.

Los neutrones suelen formar parte de los núcleos atómicos junto con los protones y tienen casi 2000 veces más masa que un electrón. Aquellos que no hayan olvidado la fórmula de De Broglie del capítulo cuántico se darán cuenta de inmediato de que la longitud de onda de un neutrón es muchas veces más pequeña, es decir, ¡es picómetros milésimas de nanómetro! Entonces el átomo aparecerá a los investigadores no como un punto borroso, sino en todo su esplendor.

Neutrón microscopio tiene muchas ventajas, en particular, los neutrones reflejan bien los átomos de hidrógeno y penetran fácilmente en capas gruesas de muestras. Sin embargo, es muy difícil construirlo: los neutrones no tienen carga eléctrica, por lo que ignoran tranquilamente los campos magnéticos y eléctricos y se esfuerzan por eludir los sensores. Además, no es tan fácil expulsar neutrones grandes y torpes de los átomos. Por tanto, a día de hoy los primeros prototipos del microscopio de neutrones están todavía muy lejos de la perfección.

MICROSCOPIO ELECTRÓNICO- un dispositivo para observar y fotografiar una imagen ampliada multiplicada (hasta 10 6 veces) de un objeto, en el que en lugar de rayos de luz se utilizan acelerados para altas energías(30-1000 keV y más) en condiciones profundas. física Fundamentos de la óptica de haz corpuscular. Los dispositivos fueron establecidos en 1827, 1834-35 (casi cien años antes del advenimiento del electromagnetismo) por W. R. Hamilton, quien estableció la existencia de una analogía entre el paso de los rayos de luz en medios ópticamente no homogéneos y las trayectorias de partículas en campos de fuerza. . La conveniencia de crear E. m. se hizo evidente después de la nominación en 1924 de la hipótesis de las ondas de de Broglie, y tehn. Los requisitos previos fueron creados por H. Busch, quien en 1926 estudió las propiedades de enfoque de los campos axisimétricos y desarrolló un campo magnético. lente electronica En 1928, M. Knoll y E. Ruska se propusieron crear el primer magn. translúcido E. m. (TEM) y tres años más tarde recibió una imagen del objeto, formado por haces de electrones. En los años siguientes, se construyeron los primeros haces de electrones de trama (SEM), que operaban según el principio de exploración, es decir, moviendo un haz de electrones delgado (sonda) sobre un objeto secuencialmente de un punto a otro. Ser K. 1960 REM han llegado a una alta tecnología. perfección, y desde ese momento comenzó su uso generalizado en la ciencia. investigación. Los TEM tienen la mayor resolución, superando en este parámetro la luz microscopios en varios Mil veces. El límite de resolución, que caracteriza la capacidad del dispositivo para mostrar por separado dos detalles lo más cerca posible de un objeto, para TEM es 0,15-0,3 HM, es decir, alcanza un nivel que permite observar la estructura atómica y molecular del objetos estudiados. Estas resoluciones tan altas se logran debido a la longitud de onda extremadamente corta de los electrones. Las lentes de E. m. tienen aberraciones, metodos efectivos No se encontró la corrección a-rykh, en contraste con el microscopio óptico (ver. Óptica electrónica y de iones) Por lo tanto, en el TEM magn. lentes electronicos(EL), para el cual las aberraciones son un orden de magnitud más pequeñas, reemplazó completamente a las electrostáticas. Apertura óptima (ver. Diafragma en electrónica y óptica iónica), es posible reducir la esférica. aberración de la lente que afecta

sobre la resolución de los medidores E. Los TEM en funcionamiento se pueden dividir en tres grupos: medidores E. de alta resolución, TEM simplificados y medidores E. ultra gruesos únicos.

TEM de alta resolución(0.15-0.3 nm) - dispositivos universales multipropósito. Se utilizan para observar la imagen de objetos en un campo claro y oscuro, para estudiar su estructura por electro-nografía. método (ver electrografia), realizando cantidades locales. utilizando un espectrómetro de energía. pérdida de electrones y cristales de rayos X. y semiconductores y obtención espectroscópica. imágenes de objetos usando un filtro que filtra los electrones con energías fuera de la energía especificada. ventana. La pérdida de energía de los electrones que pasan a través del filtro y forman una imagen es causada por la presencia de un solo químico en el objeto. elemento. Por tanto, aumenta el contraste de zonas en las que este elemento está presente. Al mover la ventana a lo largo de la energía Descomposición de distribución de recepción de espectro. los elementos contenidos en el objeto. El filtro también se utiliza como monocromador para aumentar la resolución de los medidores electromagnéticos en el estudio de objetos gruesos, lo que aumenta la dispersión de energía de los electrones y (como consecuencia) la aberración cromática.

Con la ayuda de agregar. dispositivos y accesorios, el objeto estudiado en TEM se puede inclinar en diferentes planos en ángulos grandes a la óptica. eje, calentar, enfriar, deformar. El voltaje que acelera los electrones en los medidores electromagnéticos de alta resolución es de 100-400 kV, se regula por pasos y es muy estable: en 1-3 minutos, su valor no puede cambiar en más de (1-2) 10 -6 del valor inicial. El grosor del objeto, que puede ser "iluminado" por el haz de electrones, depende del voltaje de aceleración. En 100 kilovoltios E. m. objetos de estudio con un espesor de 1 a varios. decenas de nm.

Esquemáticamente, un TEM del tipo descrito se muestra en la Fig. 1. En su electrónica-óptica. El sistema (columna) con la ayuda de un sistema de vacío crea un vacío profundo (presión de hasta ~ 10 -5 Pa). Esquema de electron-óptica. El sistema TEM se muestra en la fig. 2. Un haz de electrones, cuya fuente es un cátodo térmico, se forma en pistola de electrones y un acelerador de alto voltaje, y luego se enfoca dos veces por el primer y segundo condensadores, que crean un "punto" electrónico de tamaño pequeño en el objeto (con ajuste, el diámetro del punto puede variar de 1 a 20 μm). Después de atravesar el objeto, algunos de los electrones son dispersados ​​y retenidos por el diafragma de apertura. Los electrones no dispersos pasan a través de la apertura del diafragma y son enfocados por el objetivo en el plano del objeto de la lente electrónica intermedia. Aquí se forma la primera imagen ampliada. Las lentes subsiguientes crean una segunda, tercera, etc. imagen. La última lente, la de proyección, forma una imagen en una pantalla catodoluminiscente, que brilla bajo la influencia de los electrones. El grado y la naturaleza de la dispersión de electrones no son los mismos en diferentes puntos del objeto, ya que el grosor, la estructura y la química. la composición del objeto varía de un punto a otro. En consecuencia, cambia el número de electrones que pasan a través del diafragma de apertura y, por lo tanto, la densidad de corriente en la imagen. Hay un contraste de amplitud, que se convierte en contraste de luz en la pantalla. En el caso de objetos delgados prevalece contraste de fase, provocado por un cambio de fases dispersas en el objeto e interfiriendo en el plano de la imagen. Debajo de la pantalla E.M. se ubica un cargador con placas fotográficas, al momento de fotografiar se retira la pantalla y los electrones actúan sobre la capa de fotoemulsión. La imagen es enfocada por una lente objetivo usando un ajuste suave de la corriente, que cambia su magnificación. campo. Las corrientes de otras lentes electrónicas regulan el aumento de E. m., que es igual al producto de los aumentos de todas las lentes. A grandes aumentos, el brillo de la pantalla se vuelve insuficiente y la imagen se observa utilizando un amplificador de brillo. Para analizar la imagen, se realiza la conversión de analógico a digital de la información contenida en ella y el procesamiento en una computadora. La imagen, mejorada y procesada de acuerdo con un programa determinado, se muestra en la pantalla de una computadora y, si es necesario, se ingresa en un dispositivo de memoria.

Arroz. 1. Microscopio electrónico de transmisión (PEM): 1 - cañón de electrones con acelerador; 2-condenlentes de hierba; 3 -lente objetivo; 4 - proyección lentes; 5 - microscopio óptico, adicionalmente ampliadodescifrar la imagen observada en la pantalla; b-esoperlas con ventanas de visualización a través de las cuales puede observardar una imagen; 7 -cable de alta tensión; 8 - Sistema de vacío; 9 - Control remoto; 10 -pararse; 11 - fuente de alimentación de alto voltaje; 12 - fuente de alimentación de la lente.

Arroz. 2. Esquema electrónico-óptico de TEM: 1 -cátodo; 2 - cilindro de enfoque; 3 -acelerador; 4 -porcondensador vyy (foco corto), creando imagen reducida de la fuente de electrones; 5 - el segundo condensador (long-focus), que envuelve una imagen en miniatura de la fuente electrones por objeto; 6 -un objeto; 7 - diámetro de aperturafragmento de lente; 8 - lente; 9 , 10, 11 -sistema lentes de proyección; 12 - catodoluminiscente pantalla.

TEM simplificado diseñado para científicos estudios, en los que no se requiere alta resolución. También se utilizan para pre- visualización de objetos, trabajo rutinario y con fines educativos. Estos dispositivos tienen un diseño simple (un condensador, 2-3 lentes electrónicos para ampliar la imagen del objeto), tienen un voltaje de aceleración más bajo (60-100 kV) y una menor estabilidad de alto voltaje y corrientes de lente. Su resolución es de 0,5-0,7 nm.

UHV E m . (SVEM) - dispositivos con un voltaje de aceleración de 1 a 3.5 MB - son estructuras grandes con una altura de 5 a 15 m, están equipados con equipos especiales. locales o construir edificios separados que sean una parte integral del complejo SVEM. Los primeros SVM se diseñaron para estudiar objetos de gran grosor (1–10 µm), que conservaban las propiedades de un cuerpo sólido masivo. Debido a la fuerte influencia cromática aberraciones, la resolución de tales E. m. se reduce. Sin embargo, en comparación con 100 kilovoltios E. m., la resolución de la imagen de objetos gruesos en SVEM es de 10 a 20 veces mayor. Dado que la energía de los electrones en UHEM es mayor, su longitud de onda es más corta que en TEM de alta resolución. Por lo tanto, después de resolver técnica compleja. problemas (llevó más de una década) y la implementación de alta resistencia a las vibraciones, aislamiento de vibraciones confiable y suficiente mecánica. y electrico estabilidad, se logró la resolución más alta (0.13-0.17 nm) para medidores electromagnéticos translúcidos, lo que permitió fotografiar imágenes de estructuras atómicas. Sin embargo, esférico la aberración y el desenfoque de la lente distorsionan las imágenes obtenidas con la máxima resolución e interfieren en la obtención de información fiable. Esta barrera informativa se supera con la ayuda de series focales de imágenes, a-rye obtenidas con decomp. desenfoque de la lente Simultáneamente, para los mismos desenfoques, se simula en un ordenador la estructura atómica objeto de estudio. La comparación de series focales con una serie de imágenes modelo ayuda a descifrar las microfotografías de estructuras atómicas tomadas con UHEM con la resolución más alta. En la fig. 3 muestra un diagrama del SVEM ubicado en el especial. edificio. Principal los componentes del dispositivo se combinan en un solo complejo utilizando una plataforma, que está suspendida del techo en cuatro cadenas y resortes amortiguadores. Encima de la plataforma hay dos tanques llenos de gas aislante eléctrico a una presión de 3-5 atm. En uno de ellos se coloca un generador de alto voltaje y en el otro se coloca un generador electrostático. acelerador de electrones con cañón de electrones. Ambos tanques están conectados por un ramal, a través del cual se transmite el alto voltaje del generador al acelerador. Desde el fondo hasta el tanque con el acelerador se une a la óptica electrónica. una columna situada en la parte inferior del edificio, protegida de los rayos X por un techo. radiación generada en el acelerador. Todos estos nodos forman una estructura rígida que tiene las propiedades físicas. un péndulo con un gran período propio (hasta 7 s). , que se extinguen mediante amortiguadores líquidos. El sistema de suspensión pendular proporciona un aislamiento efectivo del SVEM del exterior. vibraciones El dispositivo se controla desde un control remoto ubicado cerca de la columna. La disposición de lentes, columnas y otras unidades del dispositivo es similar a la de los dispositivos TEM correspondientes y difiere de ellos en grandes dimensiones y peso.

Arroz. 3. Microscopio electrónico de voltaje ultraalto (SVEM): 1 plataforma de aislamiento de vibraciones; 2 cadenas, sobre el que cuelga la plataforma; 3 - amortiguador muelles; 4 tanques en los que se encuentra el generadoracelerador de electrones y alto voltaje con electronespistola noé; columna óptica de 5 electrones; 6- techo que separa el edificio SVEM en la parte superior y pasillos inferiores y protección del personal que trabaja pasillo inferior, de rayos x; 7 - control remoto control de microscopio.

Ráster E. m. (SEM) con una pistola termoiónica - el tipo más común de dispositivos en microscopio de electrones. Utilizan cátodos térmicos de tungsteno y hexaboruro-lantano. La resolución del SEM depende del brillo de los electrones de la pistola y en los dispositivos de la clase en cuestión es de 5 a 10 nm. El voltaje de aceleración es ajustable de 1 a 30-50 kV. El dispositivo SEM se muestra en la fig. 4. Utilizando dos o tres lentes de electrones, se enfoca una sonda de electrones estrecha sobre la superficie de la muestra. Magn. las bobinas de desviación despliegan la sonda sobre un área determinada del objeto. Cuando los electrones de la sonda interactúan con el objeto, surgen varios tipos de radiación (Fig. 5): electrones secundarios y reflejados; electrones de barrena; radiografía bremsstrahlung y radiación característica (ver espectro característico); radiación lumínica, etc. Cualquiera de las radiaciones, las corrientes de electrones que han atravesado el objeto (si es delgado) y absorbido en el objeto, así como el voltaje inducido sobre el objeto, pueden ser registrados por los detectores correspondientes que convertir estas radiaciones, corrientes y voltajes en eléctricas. Las señales, a centeno, después de la amplificación, se alimentan a un tubo de rayos catódicos (CRT) y modulan su haz. El haz CRT se escanea de forma sincrónica con el escaneo de la sonda de electrones en el SEM, y se observa una imagen ampliada del objeto en la pantalla CRT. La ampliación es igual a la relación entre el tamaño del cuadro en la pantalla CRT y el tamaño correspondiente en la superficie escaneada del objeto. Fotografíe la imagen directamente desde la pantalla CRT. Principal La ventaja de SEM es el alto contenido de información del dispositivo, debido a la capacidad de observar imágenes utilizando señales de descomposición. detectores Usando SEM, puede explorar el microrrelieve, la distribución de productos químicos. composición por objeto, pn-transiciones, producir rayos x. análisis espectral, etc. SEM son ampliamente utilizados en technol. procesos (control en tecnologías electrónico-litográficas, ensayo y detección de defectos en microcircuitos, metrología de microproductos, etc.).

Arroz. 4. Diagrama de un microscopio electrónico de barrido (MOVIMIENTO RÁPIDO DEL OJO): 1 - aislador de cañón de electrones; 2 -V-imagencátodo térmico; 3 - electrodo de enfoque; 4 - ánodo; 5 - lentes condensadoras; 6 -diafragma; 7 - sistema de desviación de dos niveles; 8 -lente; 9 - diafragma de apertura de la lente; 10 -un objeto; 11 -detector de electrones secundarios; 12 -cristalespectrómetro personal; 13 -proporcional encimera; 14 - preamplificador; 15 - bloque de amplificación; 16, 17 - equipo de registro radiación de rayos X; 18 - unidad de amplificación; 19 - unidad de control de magnificación; 20, 21 - quemar bloquesescaneos paraguas y verticales; 22, 23 -electubos de rayos del trono.

Arroz. 5. Esquema de registro de información sobre el objeto., recibido en SEM; 1-haz de electrones primarios; 2-detector de electrones secundarios; detector de 3 rentasradiación génica; 4 detectores de electrones reflejadosronov; 5-detector de electrones Auger; detector de 6 lucesnueva radiación; 7 - detector de paso electronuevo; 8 - circuito para registrar la corriente que pasa objeto de electrones; 9 circuitos para registro actual electrones absorbidos en el objeto; 10-esquema para rehistracion del electrico capacidad.

La alta resolución del SEM se realiza en la formación de una imagen usando electrones secundarios. Está inversamente relacionado con el diámetro de la zona desde la que se emiten estos electrones. El tamaño de la zona depende del diámetro de la sonda, las propiedades del objeto, la velocidad de los electrones del haz primario, etc. A una gran profundidad de penetración de los electrones primarios, los procesos secundarios que se desarrollan en todas las direcciones aumentan el diámetro de la zona y la resolución. disminuye El detector de electrones secundarios consta de fotomultiplicador(PMT) y convertidor electrón-fotónico, osn. un elemento to-rogo es el centellador. El número de destellos del centelleador es proporcional al número de electrones secundarios eliminados en un punto dado del objeto. Después de la amplificación en el PMT y en el amplificador de video, la señal modula el haz del CRT. La magnitud de la señal depende de la topografía de la muestra, la presencia de electricidad local. y magn. microcampos, la magnitud del coeficiente. emisión de electrones secundarios, to-ry, a su vez, depende de la sustancia química. composición de la muestra en un punto dado.

Los electrones reflejados son capturados por un detector de semiconductores. con p - n-transición. El contraste de la imagen se debe a la dependencia del coeficiente. reflexiones desde el ángulo de incidencia del haz primario en un punto dado del objeto y desde at. número de sustancia. La resolución de la imagen obtenida en "electrones reflejados" es menor que la obtenida con la ayuda de electrones secundarios (a veces en un orden de magnitud). Debido a la rectitud del vuelo de los electrones, la información sobre la sep. áreas del objeto, desde las cuales no hay camino directo al detector, se pierden (aparecen sombras). Para eliminar la pérdida de información, así como para formar una imagen del relieve de la muestra, su composición elemental no afecta el enjambre y, por el contrario, para formar una imagen de la distribución de productos químicos. elementos en el objeto, que no se ve afectado por su relieve, el SEM utiliza un sistema de detección que consta de varios. detectores colocados alrededor del objeto, cuyas señales se restan o se suman, y la señal resultante, después de la amplificación, se alimenta al modulador CRT.

radiografía característica la radiación se graba en cristal. (dispersión de onda) o espectrómetros de semiconductores (dispersión de energía), a-rye se complementan entre sí. En el primer caso, la radiografía. la radiación después de la reflexión por el cristal del espectrómetro entra en el gas contador proporcional, y en el segundo - rayos x. quanta excita señales en un detector enfriado por semiconductor (para reducir el ruido) hecho de silicio dopado con litio o germanio. Después de la amplificación, las señales de los espectrómetros se pueden enviar al modulador CRT y aparecerá en su pantalla una imagen de la distribución de uno u otro químico. elemento en la superficie del objeto.

En un SEM equipado con rayos X. espectrómetros, producen cantidades locales. analisis: registrar el numero de pulsos de rayos x excitados. cuantos del área en la que se detuvo la sonda de electrones. Cristalino espectrómetro utilizando un conjunto de cristales analizadores con descomposición. distancias interplanares (ver Condición de Bragg-Wulf) discrimina con un espectro alto. resolución característica. espectro de longitud de onda, que cubre el rango de elementos desde Be hasta U. El espectrómetro de semiconductores discrimina rayos X. quanta por sus energías y registra simultáneamente todos los elementos desde B (o C) hasta U. Su resolución espectral es menor que la del cristalino. espectrómetro, pero de mayor sensibilidad. Hay otras ventajas: entrega rápida de información, diseño simple, alto rendimiento.

Raster Auger-E. metro. (ROEM), en los que, al escanear una sonda de electrones, se detectan electrones Auger desde una profundidad del objeto de no más de 0,1 a 2 nm. A tal profundidad, la zona de salida de los electrones Auger no aumenta (a diferencia de los electrones de emisión secundaria) y la resolución del instrumento depende únicamente del diámetro de la sonda. El aparato trabaja a ultra alto vacío (10 -7 -10 -8 Pa). Su tensión de aceleración es de aprox. 10 kV. En la fig. 6 muestra el dispositivo ROEM. El cañón de electrones consta de un cátodo térmico de hexaboruro de lantano o tungsteno que funciona en el modo Schottky y un electrostático de tres electrodos. lentes. La sonda de electrones es enfocada por esta lente y el imán. una lente en el plano focal to-rogo es un objeto. La recogida de electrones Auger se lleva a cabo mediante un cilindro cilíndrico. un analizador de energía de espejo, cuyo electrodo interno cubre el cuerpo de la lente y el externo se une al objeto. Con la ayuda de un analizador que discrimina electrones Auger por energía, la distribución de chem. elementos en la capa superficial del objeto con resolución submicrónica. Para estudiar las capas profundas, el dispositivo está equipado con una pistola de iones, con la ayuda de la cual se eliminan las capas superiores del objeto mediante grabado con haz de iones.

Arroz. b. Esquema de un microscopio electrónico Auger de barrido(ROEM): 1 - bomba de iones; 2- cátodo; 3 - lente electrostática de tres electrodos; detector de 4 canales; Apertura de lente de 5 aperturas; 6-doble sistema deflector para el barrido de la sonda electrónica; 7 lentes; 8- electrodo exterior cilíndrico analizador de espejos; 9-objeto.

SEM con pistola de emisión de campo tienen alta resolución (hasta 2-3 nm). La pistola de emisión de campo utiliza un cátodo en forma de punta, en cuya parte superior se produce una fuerte corriente eléctrica. campo que extrae electrones del cátodo ( emisión de campo). El brillo electrónico de una pistola con cátodo de emisión de campo es 10 3 -10 4 veces mayor que el brillo de una pistola con cátodo termoiónico. En consecuencia, la corriente de la sonda de electrones aumenta. Por lo tanto, en un SEM con un cañón de emisión de campo, además de un barrido lento, se realiza un barrido rápido y se reduce el diámetro de la sonda para aumentar la resolución. Sin embargo, el cátodo de emisión de campo funciona de forma estable solo en ultra alto vacío (10 -7 -10 -9 Pa), lo que complica el diseño y funcionamiento de tales SEM.

Trama translúcida E. m. (STEM) tienen la misma alta resolución que TEM. Estos dispositivos utilizan pistolas de emisión de campo que funcionan en condiciones de ultra alto vacío (hasta 10 -8 Pa), proporcionando suficiente corriente en una sonda de pequeño diámetro (0,2-0,3 nm). El diámetro de la sonda se reduce en dos magn. lentes (Fig. 7). Debajo del objeto hay detectores: central y anular. Los electrones no dispersos caen sobre el primero y, después de la conversión y amplificación de las señales correspondientes, aparece una imagen de campo brillante en la pantalla CRT. Los electrones dispersos se recogen en el detector de anillo, creando una imagen de campo oscuro. En STEM, uno puede estudiar objetos más gruesos que en TEM, ya que el aumento en el número de electrones dispersos inelásticamente con el grosor no afecta la resolución (no hay óptica de electrones para obtener imágenes después del objeto). Usando un analizador de energía, los electrones que han pasado a través del objeto se separan en haces dispersos elástica e inelásticamente. Cada haz incide en su propio detector y las imágenes correspondientes que contienen complementos se observan en el CRT. información sobre la composición elemental del objeto. La alta resolución en STEM se logra con barridos lentos, porque en una sonda con un diámetro de solo 0,2 a 0,3 nm, la corriente es pequeña. PREM están equipados con todos los dispositivos utilizados en microscopía electrónica para análisis. objetos de investigación, y en particular espectrómetros energetic-tich. pérdida de electrones, rayos x espectrómetros, sistemas complejos para detectar electrones transmitidos, retrodispersados ​​y secundarios que seleccionan grupos de electrones dispersos en la descomposición. ángulos que tienen diferentes energía, etc. Los dispositivos están equipados con una computadora para el procesamiento complejo de la información entrante.

Arroz. 7. Diagrama esquemático de un ráster translúcidomicroscopio electrónico (PREM): 1-auto-emisióncátodo de iones; 2-ánodo intermedio; 3- ánodo; 4- diafragma "iluminador"; 5 lentes magnéticas; 6-dossistema de deflexión escalonado para barrido de electronessonda de pierna; 7 lentes magnéticas; 8 - apertura apertura de la lente; 9 - objeto; 10 - sistema de desviación; 11 - detector de anillo de electrones dispersos; 12 - detector de electrones no dispersos (retirado cuando funcionamiento del espectrómetro magnético); 13 - magnético espectrómetro; Sistema de 14 deflectores para la selección. electrones con diferentes pérdidas de energía; 15 - brecha espectrómetro; detector de 16 espectrómetros; RE-secundarionuevos electrones; hv- radiación de rayos x.

Emisión E. m. crear una imagen de un objeto con electrones, to-rye emite el propio objeto cuando se calienta, bombardeado por un haz de electrones primarios, bajo la acción de un e-mag. radiación y cuando se aplica una fuerte electricidad. campo que extrae electrones del objeto. Estos dispositivos generalmente tienen un propósito limitado (ver. proyector electronico).

Espejo E.m. servir el arreglo para visualización electrostática. "alivio potencial" y magn. microcampos en la superficie del objeto. Principal electrónico-óptico elemento del dispositivo es espejo electronico, y uno de los electrodos es el objeto mismo, que está bajo un pequeño negativo. potencial relativo al cátodo de la pistola. El haz de electrones se envía a espejo electronico y es reflejada por el campo en las inmediaciones de la superficie del objeto. El espejo forma una imagen en la pantalla "en rayos reflejados": los microcampos cerca de la superficie del objeto redistribuyen los electrones de los rayos reflejados, creando un contraste en la imagen que visualiza estos microcampos.

Perspectivas para el desarrollo de E. m.. La mejora de los contadores electromagnéticos con el objetivo de aumentar la cantidad de información obtenida, que se viene realizando desde hace muchos años, continuará en el futuro, y la mejora de los parámetros de los instrumentos, y sobre todo el aumento de la resolución, seguirá siendo la principal tarea. Trabajar en la creación de electron-óptica. Los sistemas con pequeñas aberraciones aún no han llevado a un aumento real en la resolución de E. m. Esto se aplica a los sistemas de corrección de aberraciones no axisimétricas, óptica criogénica y lentes con espacios correctivos. en la región axial, etc. Se están realizando búsquedas e investigaciones en estas áreas. El trabajo de investigación sobre la creación de características holográficas electrónicas continúa. sistemas, incluidos aquellos con corrección de las características de contraste de frecuencia de las lentes. Miniaturización de electrostática las lentes y los sistemas que utilizan los logros de las micro y nanotecnologías también contribuirán a resolver el problema de crear ópticas electrónicas con pequeñas aberraciones.

Iluminado.: Microscopía electrónica de barrido práctica, ed. D. Gouldstein, X. Yakovitsa, trad. de Inglés, M., 1978; Spence D., Microscopía electrónica experimental de alta resolución, trad. de Inglés, M., 1986; Stoyanov P. A., Microscopio electrónico SVEM-1, "Actas de la Academia de Ciencias de la URSS, serie de física", 1988, volumen 52, número 7, pág. 1429; Hawks P., Kasper E., Fundamentos de la óptica electrónica, trad. del inglés, vol. 1-2, M., 1993; Oechsner H., Microscopía con barrena de barrido, Le Vide, les Couches Minces, 1994, t. 50, nº 271, pág. 141; McMullan D., Microscopía electrónica de barrido 1928-1965, "Escaneo", 1995, t. 17, nº 3, pág. 175. P. A. Stoyanov.

MICROSCOPIO ELECTRÓNICO
un dispositivo que le permite obtener una imagen muy ampliada de los objetos, utilizando electrones para iluminarlos. Un microscopio electrónico (EM) permite ver detalles que son demasiado pequeños para ser resueltos por un microscopio óptico (óptico). EM es uno de los instrumentos más importantes para la investigación científica fundamental sobre la estructura de la materia, especialmente en campos de la ciencia como la biología y la física del estado sólido. Hay tres tipos principales de EM. En la década de 1930, se inventó el microscopio electrónico de transmisión convencional (CTEM), en la década de 1950, el microscopio electrónico de barrido (SEM) y en la década de 1980, el microscopio de túnel de barrido (RTM). Estos tres tipos de microscopios se complementan en el estudio de estructuras y materiales de diferente tipo.
MICROSCOPIO ELECTRÓNICO DE TRANSMISIÓN CONVENCIONAL
OPEM es en muchos aspectos similar a un microscopio de luz, ver MICROSCOPIO, solo que para iluminar muestras no usa luz, sino un haz de electrones. Contiene un proyector electrónico (ver más abajo), una serie de lentes condensadoras, una lente objetivo y un sistema de proyección que coincide con el ocular pero proyecta la imagen real en una pantalla fluorescente o placa fotográfica. La fuente de electrones suele ser un cátodo calentado hecho de tungsteno o hexaboruro de lantano. El cátodo está eléctricamente aislado del resto del dispositivo y los electrones son acelerados por un fuerte campo eléctrico. Para crear dicho campo, el cátodo se mantiene a un potencial del orden de -100 000 V en relación con otros electrodos, que enfocan los electrones en un haz estrecho. Esta parte del dispositivo se llama reflector de electrones (ver PISTOLA ELECTRÓNICA). Dado que los electrones se dispersan fuertemente por la materia, debe haber un vacío en la columna del microscopio donde se mueven los electrones. Mantiene una presión que no excede la mil millonésima parte de la presión atmosférica.
Óptica electrónica. Una imagen electrónica está formada por campos eléctricos y magnéticos de la misma manera que una imagen de luz está formada por lentes ópticas. El principio de funcionamiento de una lente magnética se ilustra mediante un diagrama (Fig. 1). El campo magnético creado por las vueltas de una bobina que transporta una corriente actúa como una lente convergente cuya distancia focal se puede cambiar cambiando la corriente. Dado que la potencia óptica de una lente de este tipo, es decir, la capacidad de enfocar electrones depende de la fuerza del campo magnético cerca del eje, para aumentarlo, es deseable concentrar el campo magnético en el menor volumen posible. En la práctica, esto se logra porque la bobina está cubierta casi por completo con una "armadura" magnética hecha de una aleación especial de níquel y cobalto, dejando solo un pequeño espacio en su parte interna. El campo magnético creado de esta manera puede ser de 10 a 100 mil veces más fuerte que el campo magnético de la Tierra en la superficie terrestre.

El esquema OPEM se muestra en la fig. 2. Una fila de lentes condensadoras (solo se muestra la última) enfoca el haz de electrones en la muestra. Por lo general, el primero crea una imagen no ampliada de la fuente de electrones, mientras que el segundo controla el tamaño del área iluminada en la muestra. La apertura de la última lente condensadora determina el ancho del haz en el plano del objeto. La muestra se coloca en el campo magnético de una lente objetivo de alta potencia, la lente OPEM más importante, que determina la máxima resolución posible del instrumento. Las aberraciones de una lente objetivo están limitadas por su apertura, tal como lo están en una cámara o un microscopio óptico. Una lente objetivo da una imagen ampliada del objeto (normalmente con un aumento del orden de 100); el aumento adicional que introducen las lentes intermedias y de proyección oscila entre un poco menos de 10 y un poco más de 1000. Por lo tanto, el aumento que se puede obtener en los OPEM modernos es de menos de 1000 a 1 000 000 MICROSCOPIO ELECTRÓNICO. un millón de veces la toronja crece hasta alcanzar el tamaño de la Tierra.) El objeto a examinar se suele colocar sobre una malla muy fina insertada en un soporte especial. El soporte se puede mover mecánica o eléctricamente hacia arriba y hacia abajo, hacia la izquierda y hacia la derecha.

Imagen. El contraste en OPEM se debe a la dispersión de electrones durante el paso de un haz de electrones a través de la muestra. Si la muestra es lo suficientemente delgada, entonces la fracción de electrones dispersos es pequeña. Cuando los electrones pasan a través de una muestra, algunos de ellos se dispersan debido a las colisiones con los núcleos de los átomos de la muestra, otros debido a las colisiones con los electrones de los átomos y otros pasan sin sufrir dispersión. El grado de dispersión en cualquier región de la muestra depende del grosor de la muestra en esa región, su densidad y la masa atómica promedio (número de protones) en ese punto. Los electrones que salen del diafragma con una desviación angular que excede un cierto límite ya no pueden regresar al haz portador de la imagen y, por lo tanto, las áreas fuertemente dispersas de mayor densidad, mayor grosor y las ubicaciones de los átomos pesados ​​parecen zonas oscuras sobre un fondo claro en el imagen. Tal imagen se llama campo brillante porque el campo circundante es más brillante que el objeto. Pero es posible hacer que el sistema de deflexión eléctrica pase solo uno u otro de los electrones dispersos al diafragma de la lente. Entonces la muestra se ve brillante en el campo oscuro. Un objeto que se dispersa débilmente suele ser más conveniente para verlo en el modo de campo oscuro. La imagen electrónica ampliada final se hace visible por medio de una pantalla fluorescente que brilla bajo la influencia del bombardeo de electrones. Esta imagen, generalmente de bajo contraste, generalmente se ve a través de un microscopio de luz binocular. Con el mismo brillo, un microscopio de este tipo con un aumento de 10 puede crear una imagen en la retina que es 10 veces más grande que cuando se observa a simple vista. A veces se utiliza una pantalla de fósforo con un tubo intensificador de imagen para aumentar el brillo de una imagen débil. En este caso, la imagen final se puede mostrar en una pantalla de televisión convencional, lo que permite grabarla en una cinta de video. La grabación de video se utiliza para registrar imágenes que cambian con el tiempo, por ejemplo, debido a una reacción química. La mayoría de las veces, la imagen final se graba en película fotográfica o placa fotográfica. Una placa fotográfica suele permitir obtener una imagen más nítida que la observada a simple vista o grabada en cinta de vídeo, ya que los materiales fotográficos, por lo general, registran los electrones de forma más eficiente. Además, se pueden registrar 100 veces más señales por unidad de área de película fotográfica que por unidad de área de cinta de video. Gracias a esto, la imagen grabada en la película se puede ampliar unas 10 veces más sin pérdida de claridad.
Permiso. Los haces de electrones tienen propiedades similares a las de los haces de luz. En particular, cada electrón se caracteriza por una cierta longitud de onda. La resolución del EM está determinada por la longitud de onda efectiva de los electrones. La longitud de onda depende de la velocidad de los electrones y, en consecuencia, del voltaje de aceleración; cuanto mayor sea el voltaje de aceleración, mayor será la velocidad de los electrones y menor la longitud de onda, y por lo tanto mayor será la resolución. Una ventaja tan significativa de EM en el poder de resolución se explica por el hecho de que la longitud de onda de los electrones es mucho más pequeña que la longitud de onda de la luz. Pero como las lentes electrónicas no enfocan tan bien como las ópticas (la apertura numérica de una buena lente electrónica es solo 0,09, mientras que para una buena lente óptica este valor llega a 0,95), la resolución del EM es de 50-100 longitudes de onda de electrones. Incluso con lentes tan débiles en un microscopio electrónico, un límite de resolución de aprox. 0,17 nm, lo que permite distinguir átomos individuales en cristales. Para lograr una resolución de este orden, es necesaria una afinación muy cuidadosa del instrumento; en particular, se requieren fuentes de alimentación altamente estables, y el propio instrumento (que puede tener aproximadamente 2,5 m de altura y pesar varias toneladas) y sus accesorios requieren un montaje sin vibraciones.
MICROSCOPIO ELECTRÓNICO RÁSTER
SEM, que se ha convertido en el instrumento más importante para la investigación científica, sirve como un buen complemento para OPEM. Los SEM usan lentes de electrones para enfocar un haz de electrones en un punto muy pequeño. Es posible ajustar el SEM para que el diámetro del punto no supere los 0,2 nm, pero, por regla general, es de unos pocos o decenas de nanómetros. Este punto recorre continuamente alguna parte de la muestra, de forma similar a un haz que recorre la pantalla de un tubo de televisión. Una señal eléctrica que se produce cuando un objeto es bombardeado por un haz de electrones se utiliza para formar una imagen en la pantalla de un cinescopio de televisión o tubo de rayos catódicos (CRT), cuyo barrido está sincronizado con el sistema de desviación del haz de electrones (Fig. 3 ). La ampliación en este caso se entiende como la relación entre el tamaño de la imagen en la pantalla y el tamaño del área que recorre el haz sobre la muestra. Este aumento es de 10 a 10 millones.

La interacción de los electrones del haz enfocado con los átomos de la muestra puede conducir no solo a su dispersión, que se utiliza para obtener una imagen en OPEM, sino también a la excitación de rayos X, la emisión de luz visible y la emisión de electrones secundarios. Además, dado que el SEM solo tiene lentes de enfoque frente a la muestra, permite estudiar muestras "gruesas".
MEB reflectante. Reflective SEM está diseñado para estudiar muestras masivas. Dado que el contraste que se produce al registrar reflejado, es decir. de electrones retrodispersados ​​y secundarios, se relaciona principalmente con el ángulo de incidencia de los electrones en la muestra, la estructura de la superficie se revela en la imagen. (La intensidad de la retrodispersión y la profundidad a la que se produce dependen de la energía de los electrones del haz incidente. La emisión de electrones secundarios está determinada principalmente por la composición de la superficie y la conductividad eléctrica de la muestra). Ambos Las señales llevan información sobre características generales muestra. Debido a la pequeña convergencia del haz de electrones, es posible realizar observaciones con una profundidad de campo mucho mayor que cuando se trabaja con un microscopio óptico, y obtener excelentes micrografías tridimensionales de superficies con un relieve muy desarrollado. Al registrar la radiación de rayos X emitida por la muestra, es posible, además de datos sobre el relieve, obtener información sobre composición química muestra en la capa superficial con una profundidad de 0,001 mm MICROSCOPIO ELECTRÓNICO. La composición del material en la superficie también se puede juzgar a partir de la energía medida con la que se emiten ciertos electrones. Todas las dificultades de trabajar con SEM se deben principalmente a sus sistemas de registro y visualización electrónica. En un dispositivo con Rango completo detectores, junto con todas las funciones del SEM, se proporciona el modo de funcionamiento del microanalizador de sonda electrónica.
Microscopio electrónico de transmisión de barrido. Un microscopio electrónico de transmisión de barrido (STEM) es un tipo especial de SEM. Está diseñado para muestras delgadas, las mismas que se estudian en OPEM. El esquema RPMM difiere del esquema de la Fig. 3 solo porque no tiene detectores ubicados sobre la muestra. Dado que la imagen está formada por un haz viajero (en lugar de un haz que ilumina toda el área de la muestra en estudio), se requiere una fuente de electrones de alta intensidad para que la imagen pueda ser registrada en un tiempo razonable. El RTEM de alta resolución utiliza emisores de campo de alto brillo. En tal fuente de electrones, se crea un campo eléctrico muy fuerte (aprox. V/cm) cerca de la superficie de un alambre de tungsteno de diámetro muy pequeño afilado por grabado. Este campo literalmente extrae miles de millones de electrones del cable sin ningún tipo de calentamiento. El brillo de una fuente de este tipo es casi 10 000 veces mayor que el de una fuente con un alambre de tungsteno calentado (ver arriba), y los electrones emitidos pueden enfocarse en un haz con un diámetro de menos de 1 nm. Incluso se obtuvieron haces cuyo diámetro es cercano a 0,2 nm. Las fuentes autoelectrónicas solo pueden operar en condiciones de ultra alto vacío (a presiones por debajo de Pa), en las que no hay contaminantes como hidrocarburos y vapores de agua, y es posible obtener imágenes de alta resolución. Gracias a tales condiciones ultrapuras, es posible estudiar procesos y fenómenos que son inaccesibles para los EM con sistemas de vacío convencionales. La investigación en RPEM se lleva a cabo en muestras ultrafinas. Los electrones pasan a través de dichas muestras casi sin dispersarse. Se registran los electrones dispersos en ángulos de más de unos pocos grados sin desaceleración, cayendo sobre un electrodo de anillo ubicado debajo de la muestra (Fig. 3). La señal tomada de este electrodo depende en gran medida del número atómico de los átomos en la región a través de la cual pasan los electrones: los átomos más pesados ​​​​dispersan más electrones en la dirección del detector que los livianos. Si el haz de electrones se enfoca en un punto con un diámetro de menos de 0,5 nm, entonces se pueden obtener imágenes de átomos individuales. En realidad, es posible distinguir átomos individuales con una masa atómica de hierro (es decir, 26 o más) en la imagen obtenida en el RTEM. Los electrones que no se han dispersado en la muestra, así como los electrones ralentizados como resultado de la interacción con la muestra, pasan al orificio del detector de anillo. Un analizador de energía ubicado debajo de este detector le permite separar el primero del segundo. Al medir la energía perdida por los electrones durante la dispersión, se puede obtener información importante sobre la muestra Las pérdidas de energía asociadas con la excitación de rayos X o la eliminación de electrones secundarios de la muestra permiten juzgar las propiedades químicas de la sustancia en la región a través de la cual pasa el haz de electrones.
MICROSCOPIO DE TÚNEL RASTER
En los EM discutidos anteriormente, las lentes magnéticas se utilizan para enfocar los electrones. Esta sección trata sobre EM sin lentes. Pero antes de pasar al microscopio de túnel de barrido (RTM), será útil analizar brevemente dos tipos más antiguos de microscopios sin lentes que producen una imagen de sombra proyectada.
Proyectores autoelectrónicos y autoiónicos. La fuente de electrones de campo utilizada en RTEM se ha utilizado en proyectores de sombras desde principios de la década de 1950. En un proyector de electrones de campo, los electrones emitidos por emisión de campo desde una punta de muy pequeño diámetro son acelerados hacia una pantalla luminiscente ubicada a una distancia de varios centímetros de la punta. Como resultado, aparece en la pantalla una imagen proyectada de la superficie de la punta y las partículas ubicadas en esta superficie con un aumento igual a la relación entre el radio de la pantalla y el radio de la punta (orden). Se logra una resolución más alta en un proyector de autoiones, en el que la imagen se proyecta mediante iones de helio (o algunos otros elementos), cuya longitud de onda efectiva es más corta que la de los electrones. Esto permite obtener imágenes que muestran la verdadera disposición de los átomos en la red cristalina del material del punto. Por lo tanto, los proyectores de iones de campo se utilizan, en particular, para estudiar la estructura cristalina y sus defectos en los materiales con los que se pueden fabricar dichas puntas.
Microscopio de efecto túnel (RTM). Este microscopio también utiliza una punta de metal de pequeño diámetro, que es la fuente de electrones. Se crea un campo eléctrico en el espacio entre la punta y la superficie de la muestra. El número de electrones extraídos por el campo de la punta por unidad de tiempo (corriente de túnel) depende de la distancia entre la punta y la superficie de la muestra (en la práctica, esta distancia es inferior a 1 nm). A medida que la punta se mueve a lo largo de la superficie, la corriente se modula. Esto le permite obtener una imagen asociada con el relieve de la superficie de la muestra. Si la punta termina con un solo átomo, entonces es posible formar una imagen de la superficie pasando átomo por átomo. RTM solo puede funcionar si la distancia desde la punta a la superficie es constante, y la punta se puede mover con una precisión de dimensiones atómicas. Las vibraciones se suprimen debido a la estructura rígida y las pequeñas dimensiones del microscopio (no más de un puño), así como al uso de amortiguadores de goma multicapa. alta precisión proporcionan materiales piezoeléctricos que se alargan y contraen bajo la acción de un campo eléctrico. Aplicando un voltaje del orden de 10-5 V, es posible cambiar las dimensiones de dichos materiales en 0,1 nm o menos. Esto permite, fijando la punta sobre un elemento de material piezoeléctrico, moverla en tres direcciones perpendiculares entre sí con una precisión del orden de las dimensiones atómicas.
TÉCNICA DE MICROSCOPIA ELECTRÓNICA
Apenas existe un sector de investigación en el campo de la biología y la ciencia de los materiales donde no se haya aplicado la microscopía electrónica de transmisión (TEM); esto se debe a los avances en las técnicas de preparación de muestras. Todas las técnicas utilizadas en microscopía electrónica están encaminadas a obtener una muestra extremadamente fina y proporcionar el máximo contraste entre ésta y el sustrato que necesita como soporte. La técnica básica está diseñada para muestras con un espesor de 2-200 nm, soportadas por películas delgadas de plástico o carbono, que se colocan en una rejilla con un tamaño de celda de aprox. 0,05 mm. ( Muestra adecuada, cualquiera que sea la forma en que se obtenga, se procesa de tal manera que aumenta la intensidad de la dispersión de electrones en el objeto bajo estudio). Si el contraste es lo suficientemente grande, entonces el ojo del observador puede distinguir detalles que están a una distancia de 0.1- 0,2 mm entre sí sin tensión. Por lo tanto, para que la imagen creada por un microscopio electrónico distinga detalles separados en una muestra por una distancia de 1 nm, es necesario un aumento total del orden de 100-200 mil El mejor de los microscopios puede crear una imagen de un muestra en una placa fotográfica con tal aumento, pero se muestra un área demasiado pequeña. Por lo general, una micrografía se toma con un aumento menor y luego se amplía fotográficamente. La placa fotográfica permite una longitud de 10 cm aprox. 10.000 líneas. Si cada línea en la muestra corresponde a una determinada estructura con una longitud de 0,5 nm, entonces para registrar dicha estructura, se requiere un aumento de al menos 20.000, utilizando SEM y STEM, en el que la imagen es registrada por un sistema electrónico. y desplegado en una pantalla de televisión, solo OK. 1000 líneas Así, cuando se utiliza un monitor de televisión, el aumento mínimo requerido es unas 10 veces mayor que cuando se fotografía.
preparaciones biológicas. La microscopía electrónica se usa ampliamente en la investigación biológica y médica. Se han desarrollado técnicas para fijar, incrustar y obtener secciones finas de tejido para su examen en OPEM y RPEM y métodos de fijación para estudiar muestras a granel en SEM. Estas técnicas permiten estudiar la organización de las células a nivel macromolecular. La microscopía electrónica reveló los componentes de la célula y los detalles de la estructura de las membranas, las mitocondrias, el retículo endoplásmico, los ribosomas y muchos otros orgánulos que forman la célula. La muestra se fija primero con glutaraldehído u otros fijadores y luego se deshidrata y se incrusta en plástico. Los métodos de criofijación (fijación a temperaturas muy bajas, criogénicas) permiten conservar la estructura y la composición sin el uso de fijadores químicos. Además, los métodos criogénicos permiten obtener imágenes de muestras biológicas congeladas sin deshidratación. Usando ultramicrótomos con cuchillas de diamante pulido o de vidrio astillado, se pueden hacer secciones de tejido con un espesor de 30-40 nm. Las preparaciones histológicas montadas se pueden teñir con compuestos de metales pesados ​​(plomo, osmio, oro, tungsteno, uranio) para mejorar el contraste de los componentes o estructuras individuales.

Los estudios biológicos se han extendido a los microorganismos, especialmente a los virus, que no se resuelven con microscopios ópticos. TEM hizo posible revelar, por ejemplo, las estructuras de los bacteriófagos y la ubicación de las subunidades en las cubiertas proteicas de los virus. Además, los métodos de tinción positivos y negativos han podido revelar la estructura con subunidades en varias otras microestructuras biológicas importantes. Las técnicas de aumento de contraste de ácido nucleico han hecho posible observar ADN de cadena simple y doble. Estas moléculas largas y lineales se extienden en una capa de proteína básica y se aplican a una película delgada. A continuación, la muestra se cubre al vacío con una capa muy capa delgada Metal pesado. Esta capa de metal pesado "sombrea" la muestra, por lo que esta última, cuando se observa en OPEM o RTEM, parece iluminada desde el lado por el que se depositó el metal. Sin embargo, si la muestra se gira durante la deposición, entonces el metal se acumula alrededor de las partículas de todos los lados de manera uniforme (como una bola de nieve).
materiales no biológicos. TEM se aplica en la investigación de materiales para estudiar cristales delgados y límites entre diferentes materiales. Para obtener una imagen de alta resolución de la interfaz, la muestra se llena con plástico, la muestra se corta perpendicularmente a la interfaz y luego se adelgaza para que la interfaz sea visible en el borde afilado. La red cristalina dispersa fuertemente los electrones en ciertas direcciones, dando un patrón de difracción. La imagen de una muestra cristalina está determinada en gran medida por este patrón; el contraste depende en gran medida de la orientación, el grosor y la perfección de la red cristalina. Los cambios en el contraste de la imagen permiten estudiar la red cristalina y sus imperfecciones en la escala de tamaños atómicos. La información obtenida de esta manera complementa la proporcionada por el análisis de rayos X de muestras a granel, ya que EM permite ver directamente dislocaciones, fallas de apilamiento y límites de grano en todos los detalles. Además, se pueden tomar patrones de difracción de electrones en EM y se pueden observar patrones de difracción de áreas seleccionadas de la muestra. Si el diafragma de la lente se ajusta de modo que solo pase a través de él un haz central difractado y no dispersado, entonces es posible obtener una imagen de un determinado sistema de planos de cristal que da este haz difractado. Los instrumentos modernos permiten resolver períodos de rejilla de 0,1 nm. Los cristales también se pueden estudiar mediante imágenes de campo oscuro, en las que el haz central se bloquea para que la imagen esté formada por uno o más haces difractados. Todos estos métodos han proporcionado información importante sobre la estructura de muchos materiales y han aclarado significativamente la física de los cristales y sus propiedades. Por ejemplo, el análisis de imágenes TEM de la red cristalina de cuasicristales delgados de pequeño tamaño en combinación con el análisis de sus patrones de difracción de electrones hizo posible en 1985 descubrir materiales con simetría de quinto orden.
Microscopía de alto voltaje. Actualmente, la industria produce versiones de alto voltaje de OPEM y RPEM con un voltaje de aceleración de 300 a 400 kV. Dichos microscopios tienen un mayor poder de penetración que los instrumentos de bajo voltaje y son casi tan buenos como los microscopios de 1 millón de voltios que se construyeron en el pasado. Los microscopios modernos de alto voltaje son bastante compactos y se pueden instalar en una sala de laboratorio ordinaria. Su mayor poder de penetración demuestra ser una propiedad muy valiosa en el estudio de defectos en cristales más gruesos, especialmente aquellos de los que es imposible hacer especímenes delgados. En biología, su alto poder de penetración permite examinar células enteras sin cortarlas. Además, estos microscopios se pueden utilizar para obtener imágenes tridimensionales de objetos gruesos.
microscopía de bajo voltaje. También hay SEM con un voltaje de aceleración de solo unos pocos cientos de voltios. Incluso con voltajes tan bajos, la longitud de onda de los electrones es inferior a 0,1 nm, por lo que la resolución espacial vuelve a estar limitada por las aberraciones de las lentes magnéticas. Sin embargo, dado que los electrones de energía tan baja penetran superficialmente debajo de la superficie de la muestra, casi todos los electrones involucrados en la formación de imágenes provienen de una región muy cercana a la superficie, lo que aumenta la resolución del relieve de la superficie. Utilizando SEM de bajo voltaje, se obtuvieron imágenes en superficies sólidas de objetos de tamaño inferior a 1 nm.
daño por radiación. Debido a que los electrones son radiación ionizante, la muestra en un EM está constantemente expuesta a ella. (Como resultado de esta acción, se producen electrones secundarios, que se utilizan en el SEM). Por lo tanto, las muestras siempre están expuestas a daños por radiación. La dosis típica de radiación absorbida por una muestra delgada durante el registro de una microfotografía en OPEM corresponde aproximadamente a la energía que sería suficiente para evaporar completamente el agua fría de un estanque de 4 m de profundidad con una superficie de 1 ha. Para reducir el daño por radiación a la muestra, es necesario utilizar varios métodos de preparación: tinción, vertido, congelación. Además, es posible registrar una imagen con dosis de electrones que son 100-1000 veces más bajas que con el método estándar y luego mejorarla con métodos de procesamiento de imágenes por computadora.
REFERENCIA HISTÓRICA
La historia de la creación del microscopio electrónico es un maravilloso ejemplo de cómo áreas de la ciencia y la tecnología en desarrollo independiente pueden, mediante el intercambio de la información recibida y la unión de esfuerzos, crear una nueva herramienta poderosa para la investigación científica. El pináculo de la física clásica fue la teoría del campo electromagnético, que explicaba la propagación de la luz, la aparición de campos eléctricos y magnéticos, el movimiento de partículas cargadas en estos campos como la propagación de ondas electromagnéticas. La óptica ondulatoria aclaró el fenómeno de la difracción, el mecanismo de formación de imágenes y el juego de factores que determinan la resolución en un microscopio óptico. Debemos los éxitos en el campo de la física teórica y experimental al descubrimiento del electrón con sus propiedades específicas. Estos desarrollos separados y aparentemente independientes condujeron a la creación de las bases de la óptica electrónica, una de cuyas aplicaciones más importantes fue la invención de la EM en la década de 1930. Un indicio directo de esta posibilidad puede considerarse la hipótesis de la naturaleza ondulatoria del electrón, propuesta en 1924 por Louis de Broglie y confirmada experimentalmente en 1927 por K. Davisson y L. Germer en EE. UU. y J. Thomson en Inglaterra. Por lo tanto, se sugirió una analogía que hizo posible construir un EM de acuerdo con las leyes de la óptica ondulatoria. H. Bush descubrió que se pueden formar imágenes electrónicas usando campos eléctricos y magnéticos. En las dos primeras décadas del siglo XX también se crearon los requisitos técnicos necesarios. Los laboratorios industriales que trabajaban en el osciloscopio de haz de cátodo proporcionaron tecnología de vacío, fuentes estables de alto voltaje y corriente y buenos emisores de electrones. En 1931, R. Rudenberg presentó una solicitud de patente para un microscopio electrónico de transmisión, y en 1932 M. Knoll y E. Ruska construyeron el primer microscopio de este tipo, usando lentes magnéticas para enfocar los electrones. Este instrumento fue el precursor del moderno OPEM. (Ruska fue recompensado por su trabajo al ganar el Premio Nobel de Física de 1986). En 1938, Ruska y B. von Borris construyeron un prototipo industrial OPEM para Siemens-Halske en Alemania; este instrumento finalmente hizo posible lograr una resolución de 100 nm. Unos años más tarde, A. Prebus y J. Hiller construyeron el primer OPEM de alta resolución en la Universidad de Toronto (Canadá). Las amplias posibilidades de OPEM se hicieron evidentes casi de inmediato. Su producción industrial Fue lanzado simultáneamente por Siemens-Halske en Alemania y RCA Corporation en los Estados Unidos. A fines de la década de 1940, otras empresas comenzaron a producir tales dispositivos. El SEM en su forma actual fue inventado en 1952 por Charles Otley. Es cierto que las versiones preliminares de dicho dispositivo fueron construidas por Knoll en Alemania en la década de 1930 y por Zworykin con empleados de la corporación RCA en la década de 1940, pero solo el dispositivo Otley podría servir como base para una serie de mejoras técnicas que culminaron en la introducción de una versión industrial del SEM en producción a mediados de la década de 1960. El círculo de consumidores de un dispositivo tan fácil de usar con una imagen tridimensional y una señal de salida electrónica se ha expandido a la velocidad de una explosión. Actualmente, hay una docena de fabricantes de SEM industriales en tres continentes y decenas de miles de dispositivos de este tipo se utilizan en laboratorios de todo el mundo. En la década de 1960, se desarrollaron microscopios de ultra alto voltaje para estudiar muestras más gruesas. , donde un dispositivo con un voltaje de aceleración de 3,5 millones de voltios se puso en funcionamiento en 1970. RTM fue inventado por G. Binnig y G. Rohrer en Zúrich en 1979. Este dispositivo muy simple proporciona resolución atómica de superficies. Para la creación de RTM, Binnig y Rohrer (simultáneamente con Ruska ) recibió el Premio Nobel de Física.
ver también

¿Qué es un microscopio USB?

El microscopio USB es un tipo de microscopio digital. En lugar del ocular habitual, aquí está instalado cámara digital, que captura la imagen de la lente y la transfiere al monitor o pantalla de la computadora portátil. Dicho microscopio se conecta a una computadora de manera muy simple, a través de un cable USB normal. El microscopio viene con un software especial que le permite procesar las imágenes resultantes. Puede tomar fotos, crear videos, cambiar el contraste, el brillo y el tamaño de la imagen. posibilidades software dependiente del fabricante.

El microscopio USB es principalmente un dispositivo de aumento compacto. Es conveniente llevarlo contigo en viajes, a reuniones o fuera de la ciudad. Normalmente, un microscopio USB no puede presumir de un gran aumento, pero para examinar monedas, letra pequeña, objetos de arte, muestras de tela o billetes, sus capacidades son suficientes. Con la ayuda de un microscopio de este tipo, puede examinar plantas, insectos y cualquier objeto pequeño a su alrededor.

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