Какое свойство электронов используется в электронном микроскопе
Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 3 октября 2017; проверки требуют 23 правки.
Электронный микроскоп. Модель 1960-х годов
Электро́нный микроско́п (ЭМ) — прибор, позволяющий получать изображение объектов с максимальным увеличением до 106 раз, благодаря использованию, в отличие от оптического микроскопа, вместо светового потока, пучка электронов с энергиями 200 эВ — 400 кэВ и более (например, просвечивающие электронные микроскопы высокого разрешения с ускоряющим напряжением 1 МВ).
Длина волны де Бройля электронов, ускоренных в электрическом поле c разностью потенциалов 1000 В, равна 0,4 Å, что много меньше длины волны видимого света[1]. Вследствие этого, разрешающая способность электронного микроскопа в более чем 10000 раз может превосходить разрешение традиционного оптического микроскопа. Для получения изображения в электронном микроскопе используются специальные магнитные линзы, управляющие движением электронов в колонне прибора при помощи электромагнитного поля.
История развития электронного микроскопа[править | править код]
В 1931 году Р. Руденберг получил патент на просвечивающий электронный микроскоп, а в 1932 году М. Кнолль и Э. Руска построили первый прототип современного прибора. Эта работа Э. Руски в 1986 году была отмечена Нобелевской премией по физике, которую присудили ему и изобретателям сканирующего зондового микроскопа Герду Карлу Биннигу и Генриху Рореру. Использование просвечивающего электронного микроскопа для научных исследований было начато в конце 1930-х годов и тогда же появился первый коммерческий прибор, построенный фирмой Siemens.
В конце 1930-х — начале 1940-х годов появились первые растровые электронные микроскопы, формирующие изображение объекта при последовательном перемещении электронного зонда малого сечения по объекту. Массовое применение этих приборов в научных исследованиях началось в 1960-х годах, когда они достигли значительного технического совершенства.
Значительным скачком (в 1970-х годах) в развитии было использование вместо термоэмиссионных катодов — катодов Шоттки и катодов с холодной автоэмиссией, однако их применение требует значительно большего вакуума.
В конце 1990-х — начале 2000-х компьютеризация и использование ПЗС-детекторов значительно упростили получение изображений в цифровом виде.
В последнее десятилетие в современных передовых просвечивающих электронных микроскопах используются корректоры сферических и хроматических аберраций, вносящих основные искажения в получаемое изображение. Однако их применение может значительно усложнять использование прибора.
В 2018 году американским учёным удалось добиться разрешения электронного микроскопа в 0,39 ангстрем[2].
Виды приборов[править | править код]
Просвечивающая электронная микроскопия[править | править код]
В просвечивающем электронном микроскопе используется высокоэнергетический электронный пучок для формирования изображения. Электронный пучок создается посредством катода (вольфрамового, LaB6, Шоттки или холодной полевой эмиссии). Полученный электронный пучок ускоряется обычно до 80—200 кэВ (используются различные напряжения от 20 кВ до 1 МВ), фокусируется системой магнитных линз (иногда электростатических линз), проходит через образец так, что часть электронов рассеивается на образце, а часть — нет. Таким образом, прошедший через образец электронный пучок несет информацию о структуре образца. Далее пучок проходит через систему увеличивающих линз и формирует изображение на люминесцентном экране (как правило, из сульфида цинка), фотопластинке или ПЗС-камере.
Разрешение ПЭМ лимитируется в основном сферической аберрацией. Некоторые современные ПЭМ имеют корректоры сферической аберрации.
Основными недостатками ПЭМ являются необходимость в очень тонком образце (порядка 100 нм) и неустойчивость(разложение) образцов под пучком.
Просвечивающая растровая (сканирующая) электронная микроскопия (ПРЭМ)[править | править код]
Один из типов просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), однако есть приборы работающие исключительно в режиме ПРЭМ. Пучок электронов пропускается через относительно тонкий образец, но, в отличие от обычной просвечивающей электронной микроскопии, электронный пучок фокусируется в точку, которая перемещается по образцу по растру.
Растровая (сканирующая) электронная микроскопия[править | править код]
В основе лежит телевизионный принцип развёртки тонкого пучка электронов по поверхности образца.
Окрашивание[править | править код]
В своих наиболее распространенных конфигурациях, электронные микроскопы дают изображения с отдельным значением яркости на каждый пиксель, с результатами, как правило, изображенными в оттенках серого. [3] Однако, часто эти изображения затем раскрашены посредством использования программного обеспечения, или просто ручным редактированием с помощью графического редактора. Это делается обычно для эстетического эффекта или для уточнения структуры и, как правило, не добавляет информацию об образце. [4]
Ультраструктура неонатальных кардиомиоцитов после аноксии-реоксигенации
В некоторых конфигурациях о свойствах образца можно собрать больше информации на каждый пиксель, благодаря использованию нескольких детекторов. [5] В СЭМ, атрибуты топографии и рельефа материала могут быть получены с помощью пары электронных детекторов отражения и такие атрибуты могут быть наложены в единое цветное изображение, с присвоением разных первичных цветов для каждого атрибута. [6] По аналогии, сочетаниям отраженного и вторичного электронного сигнала могут быть присвоены различные цвета и наложены на один цветной микрограф, одновременно показывающий свойства образца. [7]
Изображение муравья в сканирующем электронном микроскопе
Некоторые типы детекторов, используемых в СЭМ, имеют аналитические возможности и могут обеспечить несколько элементов данных на каждом пикселе. Примерами являются детекторы, используемые в элементном анализе, и системы катодолюминесцентных микроскопов, которые анализируют интенсивность и спектр электронно-стимулированной Люминесценция в (например) геологических образцах. В системах СЭМ использование этих детекторов является общим для цветового кода сигналов и накладывают их в единое цветное изображение, так что различия в распределении различных компонентов образца можно ясно видеть и сравнивать. Дополнительно, стандарт вторичных электронных изображений может быть объединен с одним или более композиционными каналами, так что можно сравнить структуру и состав образца. Такие изображения могут быть сделаны с сохранением полной целостности исходного сигнала, который не изменяется в любом случае.
Недостатки[править | править код]
Электронные микроскопы дороги в производстве и обслуживании, но общая и эксплуатационная стоимость конфокального оптического микроскопа сравнима с базовыми электронными микроскопами. Микроскопы, направленные на достижение высоких разрешений, должны быть размещены в устойчивых зданиях (иногда под землей) и без внешних электромагнитных полей.
Образцы в основном должны рассматриваться в вакууме, так как молекулы, составляющие воздух, будут рассеивать электроны.
Сканирующие электронные микроскопы, работающие в обычном высоковакуумном режиме, как правило, изображают проводящий образец; Поэтому непроводящие материалы требуют проводящее покрытие (золото / палладий, сплав углерода, осмий, и т.д.). Режим низкого напряжения современных микроскопов делает возможным наблюдение непроводящих образцов без покрытия. Непроводящие материалы могут быть изображены также переменным давлением (или окружающей средой) сканирующего электронного микроскопа.
Сферы применения[править | править код]
Полупроводники и хранение данных
Биология и биологические науки
| Научные исследования
Промышленность
|
Основные мировые производители электронных микроскопов[править | править код]
Этот раздел имеет чрезмерный объём или содержит маловажные подробности. Если вы не согласны с этим, пожалуйста, покажите в тексте существенность излагаемого материала. В противном случае раздел может быть удалён. Подробности могут быть на странице обсуждения. |
|
|
- Coxem – Корея
См. также[править | править код]
- Низковольтный электронный микроскоп
- Микроскоп
- Микроскопия
- Метод реплик (микроскопия)
- Микроскопия медленных электронов
- Сканирующий гелиевый ионный микроскоп
- Отражательная микроскопия
Примечания[править | править код]
- ↑ Яворский Б. М., Пинский А. А. Основы физики. Том 2. – М., Наука, 1974. – Тираж 169000 экз. – с. 180
- ↑ Rachel Courtland. The microscope revolution that’s sweeping through materials science (EN) // Nature. — 2018-11-21. — Т. 563. — С. 462. — doi:10.1038/d41586-018-07448-0.
- ↑ Burgess, Jeremy. Under the Microscope: A Hidden World Revealed (англ.). — Cambridge University Press, 1987. — P. 11. — ISBN 0-521-39940-8.
- ↑ Introduction to Electron Microscopy. FEI Company. Дата обращения 12 декабря 2012.
- ↑ Antonovsky, A. The application of colour to sem imaging for increased definition (англ.) // Micron and Microscopica Acta : journal. — 1984. — Vol. 15, no. 2. — P. 77—84. — doi:10.1016/0739-6260(84)90005-4.
- ↑ Danilatos, G.D. Colour micrographs for backscattered electron signals in the SEM (англ.) // Scanning : journal. — 1986. — Vol. 9, no. 3. — P. 8—18. — doi:10.1111/j.1365-2818.1986.tb04287.x.
- ↑ Danilatos, G.D. Environmental scanning electron microscopy in colour (неопр.) // J. Microscopy. — 1986. — Т. 142. — С. 317—325. — doi:10.1002/sca.4950080104.
Ссылки[править | править код]
- 15 лучших изображений 2011 года, сделанных электронными микроскопами Изображения на рекомендованном сайте являются произвольно раскрашенными, и имеют скорее художественную, чем научную ценность (электронные микроскопы выдают черно-белые, а не цветные изображения).
Источник
В прошлой статье мы рассмотрели принцип работы оптического микроскопа и выяснили, что предельный размер (дифракционный предел) образцов, которые мы можем увидеть в такие микроскопы составляет порядка 200 нанометров. Этот предел обусловлен величиной длины волны используемого излучения. Во второй половине прошлого века стали очевидны перспективы развития таких направлений, как микро- и наноэлектроника. В связи с этим требовалось найти методы, позволяющие увеличить разрешающую способность микроскопов.
Помним, что основные процессы, лежащие в работе любого микроскопа, использующего излучение, – это отражение, преломление и дифракция. С первыми двумя все более или менее понятно. Напомню, что такое дифракция. Простыми словами дифракцией можно называть огибание волной препятствия, если размеры этого препятствия соизмеримы с длиной волны. Для нас это означает, что в оптическом микроскопе волны с длиной волны из видимого человеческим глазом диапазона длин будут огибать (или, как говорят, дифрагировать) на исследуемом объекте.
Раз так, то очевидным шагом будет шаг в сторону уменьшения длины волны используемого излучения. Согласно известному из школьного курса физики корпускулярно-волновому дуализму электрона (проще говоря, электрон одновременно и частица, и волна) и тому факту, что длины таких волн значительно меньше видимого излучения, было предложено использование пучка электронов для изучения поверхности образцов.
Современная электронная микроскопия – это совокупность методов исследования микроструктуры (вплоть до атомно-молекулярного уровня), локального состава образцов и локализированного на их поверхностях или в микрообъемах электрических и магнитных полей с помощью электронных микроскопов. Электронный микроскоп – высоковакуумный высоковольтный прибор, в котором для получения увеличенного изображения используется сфокусированный электронный пучок. Разрешающая способность современных электронных микроскопов по крайне мере в 1000 раз превосходит разрешение современных оптических и может достигать нескольких ангстрем. Если сравнивать электронный микроскоп с оптическим, то в первом вместо светового потока используется высокоэнергетический пучок электронов. Управляют движением электронов магнитные линзы в вакууме при помощи электромагнитного поля. Наиболее часто на практике встречаются растровые (сканирующие) электронные и просвечивающие (трансмиссионные) электронные микроскопы.
В сканирующем электронном микроскопе (Scanning electron microscope – SEM) с помощью электронной пушки в результате термоэмиссии (выход электронов из металлов при высокой температуре) создаётся пучок электронов. Для накала катода, представляющего собой V- образную вольфрамовую нить, используется высокочастотный генератор. Генерируемое им напряжение позволяет получать монохроматический электронный пучок. Далее пучок электронов направляется в поле действия конденсорных линз, которые позволяют в широких пределах изменять его плотность и диаметр. В результате формируется остросфокусированный электронный зонд на поверхности образца. Обязательным условием работы такого микроскопа является высокий вакуум в камере, который достигается с помощью системы насосов.
Фото с сайта www.kvision.nl. Сканирующий электронный микроскоп Zeiss EVO-40.
Современный SEM имеет детекторы, позволяющие отобрать и проанализировать излучение, возникшее в процессе взаимодействия, и частицы, изменившие энергию в результате взаимодействия электронного зонда с образцом. Анализ информации, полученной с таких детекторов, позволяет говорить не только о поверхностных свойствах, но и визуализировать информацию о подповерхностной структуре.
При взаимодействии электронов зонда с веществом возникают ответные сигналы различной физической природы (отраженные и вторичные электроны, Оже-электроны, рентгеновское излучение, свет, поглощенный ток и пр.), которые используются для синхронного построения изображения на экране монитора. Разрешение, достигаемое в SEM, ограничено размером области в образце, возбуждаемой электронным зондом.
Handbook of microscopy for nanotechnology // Ed. by Nan Yao, Zhong Lin Wang. Схема сканирующего электронного микроскопа: Specimen – образец; PE – первичные электроны; OL – объективные магнитные линзы; SED – детектор вторичных электронов; BED – детектор отраженных электронов; XEDS – рентгеновский энергодисперсионный спектрометр; WDS – дисперсионный спектрометр длины волны; EBSD – детектор дифракции обратно рассеянных электронов; SE – вторичные электроны; BFD и ADFD STEM detectors – детекторы просвечивающего электронного микроскопа.
Принцип работы электронного микроскопа накладывает ограничения на исследуемые образцы. Например, диэлектрические образцы перед исследованием подвергают специальной обработке, заключающейся в напылении тонкого слоя токопроводящего материала. В качестве объектов исследования нельзя использовать магнитные образцы, так как они будут оказывать свое влияние на электронный зонд, и мелкодисперсные порошки, которые могут повредить турбомолекулярный насос. Кроме того, следует учитывать, что образец будет помещен в вакуум.
Примеры изображений, полученных с помощью электронного микроскопа:
Взято с сайта indicator.ru. Средняя кишка пчелы, изображение которой получили при помощи сканирующего электронного микроскопа.
Photo: Ohio State University. Изображение клеща.
А вот так выглядит пылинка на острие зонда сканирующего зондового микроскопа, о котором я расскажу в следующей статье:
Если понравилась статья, ставь лайк. Если что-то непонятно, спроси в комментариях 🙂
Источник
Существует несколько способов изучения микромира, один из наиболее популярных, это увеличение масштаба при помощи микроскопа. Но у обычных микроскопов есть одно существенное ограничение: длина волны видимого излучения. То есть, по факту, разрешающая способность ограничивается длиной волны излучения, с помощью которого мы исследуем объект (мы не сможем исследовать объект меньший, чем длина волны излучения).
Для повышения этой характеристики можно применять другой диапазон излучения, например, рентгеновский или гамма. Но проблема кроется в высокой проникающей способности такого излучения. Куда проще использовать поток высокоэнергетических электронов. Микроскопы, работающие на таком принципу называются электронными. Давайте поподробнее поговорим о таком устройстве.
Видно, что эти устройства несколько больше обычных микроскопов.
Существует 2 типа таких устройств: просвечивающий и сканирующий электронный микроскоп.
Принцип просвечивающего электронного микроскопа основан на использовании пучка высокоэнергетических электронов. Пучок создается с помощью катода, а затем ускоряется до 80 – 200 кэВ. После этого он фокусируется системой магнитных линз и пропускается через ультратонкий (толщина не более 0.1 мкм) образец. При этом часть электронов рассеивается на нем, а часть – нет. Таким образом, электронный пучок содержит информацию о структуре образца. Далее пучок проходит через систему увеличивающих линз и формирует изображение на фотоэкране или ПЗС-камере.
Одним из основных недостатков просвечивающего электронного микроскопа является необходимость в чрезвычайно тонких срезах образцов, обычно около 100 нанометров. Создание этих тонких срезов, например для биологических и материальных образцов технически очень сложно.
Сканирующий электронный микроскоп
Принцип действия схож с принципом действия просвечивающего электронного микроскопа. Однако, в данном случае происходит фиксация отраженных, вторичных электронов и характеристического рентгеновского излучения, поэтому нет необходимости делать тонкий срез образца.
Попав на образец часть электронов просто отражаются – это отраженные электроны. Другая часть электронов не просто сталкивается с атомом образца, а выбивает из него электроны, находящих на самом высоком энергетическом уровне, так образуются вторичные электроны с меньшей энергией чем у электронов, которые прилетели из пушки. А часть электронов выбивает электроны, расположенные на низких энергетических уровнях. Тем самым образуется свободное место, которое занимают электроны с более высоких уровней. В результате такого перехода происходит испускание энергии в виде кванта характеристического рентгеновского излучения.
Для каждого элемента таблицы Менделеева образуется свой уникальный квант рентгеновского излучения, поэтому он и называется характеристическим, так как он уникален для каждого элемента. Внутри микроскопа глубокий вакуум, это нужно для того, чтобы сократить до минимума рассеивание электронов с частицами воздуха. Необходимо, чтобы все электроны долетели до образца.
Преимущество электронного микроскопа перед оптическим заключается в существовании оптического предела. Длина волны фотонов не позволяет рассмотреть объект размером меньше 0.2 мкм, для этого требуется меньшая длина волны. По этой причине в электронном микроскопе используют электроны, а не фотоны, откуда вытекает название микроскопа. Электронный микроскоп позволяет не только рассматривать образцы размером меньше мкм, но также увеличить резкость изображения, однако из-за этого пропадает цвет изображения. Так как в электронном микроскопе используются моноэнергетические электроны, их де-бройлевская длина волны одинакова. А мы помним, что цвет является результатом восприятия нашим глазом электромагнитных волн в некотором диапазоне длин волн.
Жало пчелы
Электронный микроскоп используется во многих областях: электроника (анализ дефектов микросхем и т.п.), биология (анализ частиц, клеточная томография и т.п.), научные исследования и т.д.
Поликремниевые затворы на интегральной микросхеме
Пыльца на пчеле
Электронные микроскопы используют, чтобы просвечивать системы на кристалле. В данном случае это Apple A12 Bionic.
Спасибо за внимание! Надеюсь данная статья была интересной для вас и вы узнали что-то новое. Не забывайте ставить пальцы вверх и подписываться на канал, если все еще не сделали этого!
Источник