Mikroskop elektronowy Mikroskop elektronowy to urządzenie umożliwiające uzyskanie obrazów obiektów przy maksymalnym powiększeniu do 10 6 razy, dzięki zastosowaniu wiązki elektronów zamiast strumienia światła. Rozdzielczość mikroskopu elektronowego jest 1000-10000 razy większa niż rozdzielczość mikroskopu świetlnego i dla najlepszych współczesnych instrumentów może wynosić kilka angstremów (10 -7 m).
Pojawienie się mikroskopu elektronowego stało się możliwe po serii odkryć fizycznych na końcu Początek XIX XX wiek. Jest to odkrycie elektronu w 1897 r. (J. Thomson) i odkrycie eksperymentalne w 1926 r. właściwości falowych elektronu (K. Davisson, L. Germer), potwierdzające wysuniętą w 1924 r. przez de Broglie hipotezę o fali -dualizm cząsteczkowy wszystkich rodzajów materii. W 1926 roku niemiecki fizyk H. Busch stworzył soczewkę magnetyczną, która umożliwiała skupianie wiązek elektronów, co było warunkiem wstępnym powstania w latach trzydziestych XX wieku pierwszego mikroskopu elektronowego. W 1931 r. R. Rudenberg otrzymał patent na transmisyjny mikroskop elektronowy, a w 1932 r. M. Knoll i E. Ruska zbudowali pierwszy prototyp nowoczesnego urządzenia. Odnotowano tę pracę E. Ruskiego z 1986 roku nagroda Nobla z fizyki, którą przyznano jemu oraz wynalazcom mikroskopu z sondą skanującą, Gerdowi Karlowi Binnigowi i Heinrichowi Rohrerowi. W 1938 Ruska i B. von Borries zbudowali prototyp przemysłowego transmisyjnego mikroskopu elektronowego dla firmy Siemens-Halske w Niemczech; instrument ten ostatecznie umożliwił osiągnięcie rozdzielczości 100 nm. Kilka lat później A. Prebus i J. Hiller zbudowali pierwszy OPEM o wysokiej rozdzielczości na Uniwersytecie w Toronto (Kanada). Pod koniec lat trzydziestych i na początku czterdziestych XX wieku pojawiły się pierwsze skaningowe mikroskopy elektronowe (SEM), które tworzyły obraz obiektu poprzez sekwencyjne przesuwanie po obiekcie sondy elektronowej o małym przekroju poprzecznym. Masowe wykorzystanie tych urządzeń w badania naukowe rozpoczęły się w latach sześćdziesiątych XX wieku, kiedy osiągnęły znaczną doskonałość techniczną. SEM w obecnej formie został wynaleziony w 1952 roku przez Charlesa Otleya. Co prawda wstępne wersje takiego urządzenia zostały zbudowane przez Knolla w Niemczech w latach trzydziestych XX wieku oraz przez Zvorykina i jego współpracowników z RCA Corporation w latach sześćdziesiątych XX wieku, ale dopiero urządzenie Otleya mogło posłużyć za podstawę szeregu ulepszeń technicznych, których kulminacją we wprowadzeniu do produkcji przemysłowej wersji SEM w połowie lat 60-tych.
Istnieją dwa główne typy mikroskopów elektronowych. transmisyjny mikroskop elektronowyW latach trzydziestych XX wieku wynaleziono konwencjonalny transmisyjny mikroskop elektronowy (OPEM), w latach pięćdziesiątych rastrowy (skaningowy) mikroskop elektronowy - rastrowy (skanerowy) mikroskop elektronowy (SEM)
Transmisyjny mikroskop elektronowy z ultracienkiego obiektu Transmisyjny mikroskop elektronowy (TEM) to układ, w którym obraz ultracienkiego obiektu (o grubości około 0,1 µm) powstaje w wyniku oddziaływania wiązki elektronów z substancją próbki, a następnie powiększenia z soczewkami magnetycznymi (obiektyw) i nagrywanie na ekranie fluorescencyjnym. Transmisyjny mikroskop elektronowy jest pod wieloma względami podobny do mikroskopu świetlnego, ale do oświetlania próbek wykorzystuje wiązkę elektronów, a nie światło. Zawiera elektroniczny oświetlacz, szereg soczewek kondensorowych, soczewkę obiektywową i system projekcyjny pasujący do okularu, ale wyświetlający rzeczywisty obraz na ekranie fluorescencyjnym lub kliszy fotograficznej. Źródłem elektronów jest zwykle podgrzewana katoda z sześcioborku wolframu lub lantanu. Katoda jest elektrycznie odizolowana od reszty urządzenia, a elektrony są przyspieszane przez silne pole elektryczne. Aby wytworzyć takie pole, katodę utrzymuje się na potencjale rzędu B w stosunku do innych elektrod, które skupiają elektrony w wąską wiązkę. Ta część urządzenia nazywa się reflektorem elektronicznym. jedna miliardowa atmosfery Ponieważ elektrony są silnie rozproszone w materii, w kolumnie mikroskopu, w którym poruszają się elektrony, musi panować próżnia. Utrzymuje się tutaj ciśnienie nieprzekraczające jednej miliardowej ciśnienia atmosferycznego.
Pole magnetyczne wytwarzane przez zwoje cewki przewodzącej prąd działa jak soczewka skupiająca, której ogniskową można zmieniać poprzez zmianę prądu. Cewki drutu przewodzące prąd skupiają wiązkę elektronów w taki sam sposób, w jaki szklana soczewka skupia wiązkę światła. Obraz elektroniczny jest tworzony przez pola elektryczne i magnetyczne w podobny sposób, jak obraz świetlny jest tworzony przez soczewki optyczne. Zasadę działania soczewki magnetycznej ilustruje poniższy schemat.
KONWENCJONALNY TRANSMISJONALNY MIKROSKOP ELEKTRONOWY (OPEM). 1 – źródło elektronów; 2 – układ przyspieszający; 3 – membrana; 4 – soczewka kondensora; 5 – próbka; 6 – obiektyw; 7 – membrana; 8 – soczewka projekcyjna; 9 – ekran lub film; 10 – obraz powiększony. Elektrony są przyspieszane, a następnie skupiane przez soczewki magnetyczne. Powiększony obraz wytworzony przez elektrony przechodzące przez przysłonę obiektywu jest przekształcany na obraz widzialny na ekranie fluorescencyjnym lub zapisywany na kliszy fotograficznej. Szereg soczewek kondensora (pokazano tylko ostatnią) skupia wiązkę elektronów na próbce. Zazwyczaj ten pierwszy tworzy niepowiększony obraz źródła elektronów, podczas gdy drugi kontroluje wielkość oświetlonego obszaru na próbce. Apertura ostatniej soczewki kondensora określa szerokość wiązki w płaszczyźnie obiektu. Próbka Próbkę umieszcza się w polu magnetycznym soczewki obiektowej o dużej mocy optycznej – najważniejszej soczewki OPEM, która określa maksymalną możliwą rozdzielczość urządzenia. Aberracje w obiektywie są ograniczone przez jego aperturę, podobnie jak w aparacie czy mikroskopie świetlnym. Soczewka obiektowa wytwarza powiększony obraz obiektu (zwykle powiększenie około 100); dodatkowe powiększenie wprowadzane przez soczewki pośrednie i projekcyjne waha się od nieco mniej niż 10 do nieco więcej. Zatem powiększenie, które można uzyskać we współczesnych OPEMach, waha się od mniej niż 1000 do ~ (Przy milionkrotnym powiększeniu grejpfrut rośnie do . wielkość Ziemi). Badany obiekt umieszczany jest zazwyczaj na bardzo drobnej siatce umieszczonej w specjalnym uchwycie. Uchwyt można płynnie przesuwać mechanicznie lub elektrycznie w górę i w dół oraz w lewo i prawo.
Ostateczny powiększony obraz elektroniczny jest przekształcany w obraz widzialny za pomocą ekranu fluorescencyjnego, który świeci pod bombardowaniem elektronami. Ten obraz, zwykle o niskim kontraście, zwykle ogląda się przez lornetkowy mikroskop świetlny. Przy tej samej jasności taki mikroskop o powiększeniu 10 może stworzyć na siatkówce obraz 10 razy większy niż obserwowany gołym okiem. Czasami, aby zwiększyć jasność słabego obrazu, stosuje się ekran fosforowy z konwerterem elektronowo-optycznym. W takim przypadku ostateczny obraz można wyświetlić na zwykłym ekranie telewizora. Płyta fotograficzna zwykle daje obraz ostrzejszy niż obserwowany gołym okiem lub nagrane na taśmie wideo, ponieważ materiały fotograficzne, ogólnie rzecz biorąc, efektywniej rejestrują elektrony. Rozdzielczość.Rozdzielczość. Wiązki elektronów mają właściwości podobne do wiązek światła. W szczególności każdy elektron charakteryzuje się określoną długością fali. Rozdzielczość EM zależy od efektywnej długości fali elektronów. Długość fali zależy od prędkości elektronów, a zatem od napięcia przyspieszającego; Im wyższe napięcie przyspieszające, tym większa prędkość elektronów i krótsza długość fali, co oznacza wyższą rozdzielczość. Tak znaczącą przewagę rozdzielczości EM tłumaczy się faktem, że długość fali elektronów jest znacznie krótsza niż długość fali światła. Ponieważ jednak soczewki elektronowe nie skupiają tak dobrze jak soczewki optyczne (apertura numeryczna dobrej soczewki elektronowej wynosi tylko 0,09, podczas gdy dobra soczewka optyczna ma NA 0,95), rozdzielczość EM wynosi 50–100 długości fali elektronów. Nawet przy tak słabych soczewkach mikroskop elektronowy może osiągnąć granicę rozdzielczości rzędu ~0,17 nm, co pozwala na rozróżnienie poszczególnych atomów w kryształach. Osiągnięcie rozdzielczości tego rzędu wymaga bardzo starannego ustawienia instrumentu; w szczególności wymagane są bardzo stabilne zasilacze, a samo urządzenie (które może mieć ~2,5 m wysokości i masę kilku ton) oraz jego wyposażenie dodatkowe wymagają montażu pozbawionego drgań. W OPEM można uzyskać wzrost aż do 1 miliona. Granica rozdzielczości przestrzennej (x, y) wynosi ~0,17 nm.
Skaningowa mikroskopia elektronowa Skaningowy mikroskop elektronowy (SEM) to urządzenie oparte na zasadzie oddziaływania wiązki elektronów z materią, którego zadaniem jest uzyskanie obrazu powierzchni obiektu z dużą rozdzielczością przestrzenną (kilka nanometrów), a także informacji o skład, struktura i niektóre inne właściwości warstw przypowierzchniowych. Rozdzielczość przestrzenna skaningowego mikroskopu elektronowego zależy od wielkości poprzecznej wiązki elektronów, która z kolei zależy od układu elektronowo-optycznego skupiającego wiązkę. Obecnie nowoczesne modele SEM produkowane są przez szereg firm na całym świecie, wśród których można wyróżnić: Carl Zeiss NTS GmbH Niemcy FEI Company USA (połączona z Philips Electron Optics) FOCUS GmbH Niemcy Hitachi Japan JEOL Japan (Japan Electron Optics Laboratory) Tescan Czech Republika
1 – źródło elektronów; 2 – układ przyspieszający; 3 – soczewka magnetyczna; 4 – cewki odchylające; 5 – próbka; 6 – detektor elektronów odbitych; 7 – detektor pierścieniowy; 8 – analizator W SEM soczewki elektronowe służą do skupiania wiązki elektronów (sondy elektronowej) w bardzo małej plamce. Istnieje możliwość dostosowania SEM tak, aby średnica w nim plamki nie przekraczała 0,2 nm, ale z reguły było to kilka lub kilkadziesiąt nanometrów. Plamka ta w sposób ciągły obiega pewien obszar próbki, podobnie jak wiązka biegnąca po ekranie kineskopu. Sygnał elektryczny powstający podczas bombardowania obiektu wiązką elektronów służy do utworzenia obrazu na ekranie kineskopu telewizyjnego lub kineskopu (CRT), którego skanowanie jest zsynchronizowane z systemem odchylania wiązki elektronów (ryc.). Wzrost w w tym przypadku rozumiany jest jako stosunek wielkości obrazu na ekranie do wielkości obszaru objętego wiązką na próbce. Wzrost ten wynosi od 10 do 10 milionów kolumn elektronów. Soczewki elektronowe (zwykle magnetyczne sferyczne) i cewki odchylające tworzą układ zwany kolumną elektronową. Metoda SEM charakteryzuje się jednak szeregiem ograniczeń i wad, które są szczególnie widoczne w submikronowych i nanometrowych zakresach pomiarowych: niewystarczająco wysoka rozdzielczość przestrzenna; trudność uzyskania trójwymiarowych obrazów powierzchni, wynikająca przede wszystkim z faktu, że wysokość reliefu w SEM jest zdeterminowana efektywnością elastycznego i niesprężystego rozpraszania elektronów i zależy od głębokości wnikania elektronów pierwotnych w powierzchnię warstwa; konieczność nałożenia dodatkowej warstwy zbierającej prąd na powierzchnie słabo przewodzące, aby zapobiec efektom związanym z akumulacją ładunku; przeprowadzanie pomiarów wyłącznie w warunkach próżniowych; możliwość uszkodzenia badanej powierzchni wysokoenergetyczną, skupioną wiązką elektronów.
Dzięki bardzo wąskiej wiązce elektronów SEM charakteryzują się bardzo dużą głębią ostrości (mm), która jest o dwa rzędy wielkości większa niż w mikroskopie optycznym i pozwala na uzyskanie wyraźnych mikrofotografii z charakterystycznym efektem trójwymiarowości dla obiektów o złożona topografia. Ta właściwość SEM jest niezwykle przydatna do zrozumienia struktury powierzchni próbki. Mikrofotografia pyłku pokazuje możliwości SEM.
Mikroskopy z sondą skanującą Mikroskopy z sondą skanującą (SPM Scanning Probe Microscope) to klasa mikroskopów służących do pomiaru charakterystyki obiektu za pomocą różnego rodzaju sond. Proces obrazowania opiera się na skanowaniu powierzchni sondą. Ogólnie rzecz biorąc, SPM umożliwiają uzyskanie trójwymiarowego obrazu powierzchni (topografii) o dużej rozdzielczości. Główne typy mikroskopów z sondą skanującą: Skaningowy mikroskop tunelowy Skaningowy mikroskop tunelowy (skaningowy mikroskop tunelowy STM) lub skaningowy mikroskop tunelowy (RTM) - do uzyskania obrazu wykorzystuje się prąd tunelowy pomiędzy sondą a próbką, co pozwala uzyskać informacje o próbkę topografii i właściwości elektrycznych. Skaningowy mikroskop sił atomowych Skaningowy mikroskop sił atomowych (AFM) - rejestruje różne siły występujące pomiędzy sondą a próbką. Pozwala uzyskać topografię powierzchni oraz jej właściwości mechaniczne. Skaningowy mikroskop optyczny bliskiego pola Skaningowy mikroskop optyczny bliskiego pola (SNOM) - wykorzystuje efekt bliskiego pola do uzyskania obrazu.
Cechą charakterystyczną SPM jest obecność: sondy, układu przesuwania sondy względem próbki po współrzędnych 2 (X-Y) lub 3 (X-Y-Z), układu rejestracji. Przy niewielkiej odległości powierzchni od próbki działanie sił interakcji (odpychania, przyciągania i innych) oraz przejawy różnych efektów (np. tunelowanie elektronów) można rejestrować za pomocą nowoczesnych narzędzi rejestrujących. Do rejestracji wykorzystuje się różnego rodzaju czujniki, których czułość pozwala na wykrycie niewielkich zakłóceń. Działanie mikroskopu z sondą skanującą opiera się na interakcji powierzchni próbki z sondą (wspornikiem - belką angielską, igłą lub sondą optyczną). Wsporniki dzielimy na długości belki na twarde i miękkie, co charakteryzuje się częstotliwością rezonansową drgań wspornika. Proces skanowania powierzchni mikrosondą może odbywać się zarówno w atmosferze lub określonym gazie, jak i w próżni, a nawet przez warstwę cieczy. Wspornik w skaningowym mikroskopie elektronowym (powiększenie 1000X) współrzędne,
System rejestrujący rejestruje wartość funkcji zależnej od odległości sonda-próbka. Aby uzyskać pełnoprawny obraz rastrowy, stosuje się różne urządzenia skanujące wzdłuż osi X i Y (na przykład lampy piezoelektryczne, skanery płasko-równoległe). Skanowanie powierzchni może odbywać się na dwa sposoby: skanowanie za pomocą wspornika i skanowanie za pomocą podłoża. Jeśli w pierwszym przypadku wspornik porusza się po badanej powierzchni, to w drugim przypadku samo podłoże przemieszcza się względem nieruchomego wspornika. sprzężenie zwrotne Aby utrzymać tryb skanowania, - wspornik musi znajdować się blisko powierzchni, - w zależności od trybu, - czy jest to tryb stałej siły, czy tryb stałej wysokości, istnieje system, który może utrzymać taki tryb podczas proces skanowania. W tym celu obwód elektroniczny mikroskopu zawiera specjalny układ sprzężenia zwrotnego, który połączony jest z układem odchylania wspornika od jego pierwotnego położenia. Główne trudności techniczne przy tworzeniu mikroskopu z sondą skanującą: Koniec sondy musi mieć wymiary porównywalne z badanymi obiektami. Zapewnia stabilność mechaniczną (w tym termiczną i wibracyjną) na poziomie lepszym niż 0,1 angstrem. Detektory muszą niezawodnie wykrywać niewielkie zakłócenia rejestrowanego parametru. Stworzenie precyzyjnego systemu skanującego. Zapewnienie płynnego dojścia sondy do powierzchni.
Skaningowy mikroskop tunelowy (skaningowy mikroskop tunelowy STM) lub skaningowy mikroskop tunelowy (RTM) Skaningowy mikroskop tunelowy w nowoczesna forma wynaleziony (zasady działania tej klasy urządzeń zostały ustalone wcześniej przez innych badaczy) przez Gerda Karla Binniga i Heinricha Rohrera w 1981 roku. Za ten wynalazek otrzymali Nagrodę Nobla z fizyki za rok 1986, którą otrzymali wspólnie z wynalazcą transmisyjnego mikroskopu elektronowego E. Ruską. W STM ostra metalowa igła jest przykładana do próbki w odległości kilku angstremów. Kiedy do igły zostanie przyłożony niewielki potencjał w stosunku do próbki, pojawia się prąd tunelowy. Wielkość tego prądu zależy wykładniczo od odległości próbka-igła. Typowe wartości pA w odległości około 1 A. Mikroskop ten wykorzystuje metalową końcówkę o małej średnicy do dostarczania elektronów. W szczelinie pomiędzy końcówką a powierzchnią próbki wytwarza się pole elektryczne. Liczba elektronów wyciąganych przez pole z końcówki w jednostce czasu (prąd tunelowy) zależy od odległości końcówki od powierzchni próbki (w praktyce odległość ta jest mniejsza niż 1 nm). Gdy końcówka porusza się po powierzchni, prąd jest modulowany. Pozwala to na uzyskanie obrazu związanego z topografią powierzchni próbki. Jeśli końcówka kończy się pojedynczym atomem, wówczas obraz powierzchni można utworzyć, przepuszczając atom po atomie.
RTM może działać tylko wtedy, gdy odległość końcówki od powierzchni jest stała, a końcówką można poruszać się z atomową precyzją. Wysoka rozdzielczość STM wzdłuż normalnej do powierzchni (~0,01 nm) i w kierunku poziomym (~0,1 nm), realizowana zarówno w próżni, jak i przy zastosowaniu mediów dielektrycznych w szczelinie tunelu, otwiera szerokie perspektywy zwiększenia dokładności pomiarów wymiarów liniowych w zakresie nanometrów. Igła platynowo-irydowa zbliżenia skaningowego mikroskopu tunelowego.
Skaningowy mikroskop sił atomowych Skaningowy mikroskop sił atomowych (AFM) Powierzchniowa mikroskopia sił atomowych (AFM), zaproponowana w 1986 roku, opiera się na efekcie oddziaływania sił pomiędzy blisko rozmieszczonymi ciałami stałymi. W odróżnieniu od STM metoda AFM nadaje się do wykonywania pomiarów zarówno na powierzchniach przewodzących, jak i nieprzewodzących, nie tylko w próżni, ale także w powietrzu i mediach ciekłych. Najważniejszy element AFM to mikrosonda (wspornik), na końcu której znajduje się końcówka dielektryczna o promieniu krzywizny R, do której powierzchnię badanej próbki przybliża się na odległość d0,1–10 nm za pomocą trójnika -manipulator współrzędnych. Końcówka wspornika osadzona jest najczęściej na sprężynie wykonanej w formie wspornika o małej sztywności mechanicznej. W wyniku oddziaływania międzyatomowego (międzycząsteczkowego) pomiędzy próbką a końcówką wspornika następuje odchylenie wspornika. Rozdzielczość AFM wzdłuż normalnej powierzchni jest porównywalna z odpowiednią rozdzielczością STM, a rozdzielczość w kierunku poziomym (rozdzielczość podłużna) zależy od odległości d i promienia krzywizny końcówki R. Obliczenia numeryczne pokazują, że przy R = 0,5 nm i d = 0,4 nm, rozdzielczość podłużna wynosi ~ 1 nm. Należy podkreślić, że sonda AFM jest końcówką igły, co pozwala uzyskać informację o profilu elementu reliefowego powierzchniowego o wymiarach nanometrowych, przy czym wysokość (głębokość) takiego elementu nie powinna przekraczać 100 nm, a sąsiedni element powinien znajdować się nie bliżej niż 100 nm. Jeśli zostaną spełnione pewne warunki specyficzne dla AFM, możliwe jest przywrócenie profilu elementu bez utraty informacji. Warunki te są jednak praktycznie niemożliwe do zrealizowania eksperymentalnie.
Widok Rozdzielczość przestrzenna (x,y) Rozdzielczość współrzędnej Z Rozmiar pola Powiększenie Mikroskopia optyczna 200 nm-0,4 -0,2 mm x Mikroskop konfokalny 200 nm 1 nm Interferometria światła białego 200 nm 0,1 nm 0,05 do x Mikroskopia holograficzna 200 nm 0,1 nm 0,05 do x Transmisyjny mikroskop elektronowy 0,2 nm- do Skaningowy mikroskop elektronowy (SEM) 0,4 nm 0,1 nm 0,1-500 µm wzdłuż z - ~1-10 mm do x Mikroskopy z sondą skaningową 0,1 nm 0,05 nm ~150 x 150 µm w z - 
Moskiewski Instytut Technologii Elektronicznej
Laboratorium Mikroskopii Elektronowej S.V. Siedow
Zasada działania współczesnego skaningowego mikroskopu elektronowego i jego zastosowanie do badania obiektów mikroelektronicznych
Cel pracy: zapoznanie się z metodami badania materiałów i struktur mikroelektronicznych za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego.
Czas pracy: 4 godziny.
Urządzenia i akcesoria: Skaningowy mikroskop elektronowy Philips-
SEM-515, próbki struktur mikroelektronicznych.
Budowa i zasada działania skaningowego mikroskopu elektronowego
1. Wstęp
Skaningowa mikroskopia elektronowa to badanie obiektu poprzez napromienianie drobno skupioną wiązką elektronów, która jest rozprowadzana w rastrze na powierzchni próbki. W wyniku oddziaływania skupionej wiązki elektronów z powierzchnią próbki pojawiają się elektrony wtórne, elektrony odbite, charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie, elektrony Augera i fotony o różnych energiach. Rodzą się w określonych objętościach - obszarach wytwarzania wewnątrz próbki i można je wykorzystać do pomiaru wielu jej cech, takich jak topografia powierzchni, skład chemiczny, właściwości elektryczne itp.
Głównym powodem powszechnego stosowania skaningowych mikroskopów elektronowych jest wysoka rozdzielczość podczas badania masywnych obiektów, sięgająca 1,0 nm (10 Å). Kolejną ważną cechą obrazów uzyskiwanych w skaningowym mikroskopie elektronowym jest ich objętość, wynikająca z dużej głębi ostrości urządzenia. Wygodę stosowania mikroskopu skaningowego w mikro- i nanotechnologii tłumaczy się względną prostotą przygotowania próbki i efektywnością badań, która pozwala na wykorzystanie go do międzyoperacyjnego monitorowania parametrów technologicznych bez znacznej straty czasu. Obraz w mikroskopie skaningowym powstaje w postaci sygnału telewizyjnego, co znacznie ułatwia jego wprowadzenie do komputera i dalszą obróbkę programową wyników badań.
Rozwój mikrotechnologii i pojawienie się nanotechnologii, w których wymiary elementów są znacznie mniejsze niż długość fali światła widzialnego, sprawiają, że skaningowa mikroskopia elektronowa jest praktycznie jedyną nieniszczącą techniką kontroli wizualnej w produkcji wyrobów elektroniki półprzewodnikowej i mikromechaniki.
2. Oddziaływanie wiązki elektronów z próbką
Kiedy wiązka elektronów oddziałuje ze stałym celem, powstaje wiele różnych typów sygnałów. Źródłem tych sygnałów są obszary promieniowania, których rozmiary zależą od energii wiązki i liczby atomowej bombardowanego celu. Wielkość tego obszaru przy zastosowaniu określonego rodzaju sygnału determinuje rozdzielczość mikroskopu. Na ryc. Rysunek 1 przedstawia obszary wzbudzenia w próbce dla różnych sygnałów.
Pełny rozkład energii elektronów emitowanych przez próbkę
pokazano na ryc. 2. Otrzymano ją przy energii wiązki padającej E 0 = 180 eV, na osi rzędnych naniesiono liczbę elektronów wyemitowanych przez tarczę J s (E), a na osi odciętych wykreślono energię E tych elektronów. Należy pamiętać, że rodzaj uzależnienia,
pokazana na rys. 2, jest zachowana również dla wiązek o energii 5–50 keV stosowanych w skaningowych mikroskopach elektronowych.
G 
Grupa I składa się z elastycznie odbitych elektronów o energii zbliżonej do energii wiązki pierwotnej. Powstają podczas elastycznego rozpraszania pod dużymi kątami. Wraz ze wzrostem liczby atomowej Z wzrasta rozpraszanie sprężyste i wzrasta udział odbitych elektronów . Rozkład energii odbitych elektronów dla niektórych pierwiastków pokazano na rys. 3.
Kąt rozproszenia 135 0 
, W=E/E 0 – energia znormalizowana, d/dW – liczba odbitych elektronów na elektron padający i na jednostkę przedziału energii. Z rysunku widać, że wraz ze wzrostem liczby atomowej wzrasta nie tylko liczba odbitych elektronów, ale także ich energia zbliża się do energii wiązki pierwotnej. Prowadzi to do kontrastu liczby atomowej i pozwala na badanie składu fazowego obiektu.
Do grupy II zalicza się elektrony, które uległy wielokrotnemu rozproszeniu nieelastycznemu i po przejściu przez mniej lub bardziej grubą warstwę materiału tarczy wyemitowane są na powierzchnię, tracąc część swojej energii początkowej.
mi 
Elektrony grupy III to elektrony wtórne o niskiej energii (poniżej 50 eV), które powstają, gdy zewnętrzne powłoki atomów docelowych są wzbudzane przez pierwotną wiązkę słabo związanych elektronów. Główny wpływ na liczbę elektronów wtórnych ma topografia powierzchni próbki oraz lokalne pola elektryczne i magnetyczne. Liczba pojawiających się elektronów wtórnych zależy od kąta padania wiązki pierwotnej (rys. 4). Niech R 0 będzie maksymalną głębokością uwolnienia elektronów wtórnych. Jeśli próbka zostanie przechylona, wówczas długość drogi w odległości R 0 od powierzchni wzrasta: R = R 0 sek.
W związku z tym wzrasta również liczba zderzeń, w wyniku których powstają elektrony wtórne. Dlatego niewielka zmiana kąta padania prowadzi do zauważalnej zmiany jasności sygnału wyjściowego. Ze względu na fakt, że generacja elektronów wtórnych zachodzi głównie w obszarze przypowierzchniowym próbki (rys. 1), rozdzielczość obrazu w elektronach wtórnych jest zbliżona do wielkości pierwotnej wiązki elektronów.
Charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie powstaje w wyniku oddziaływania padających elektronów z elektronami z wewnętrznych powłok K, L lub M atomów próbki. Widmo promieniowania charakterystycznego niesie ze sobą informację o składzie chemicznym obiektu. Na tym opiera się wiele metod mikroanalizy składu. Większość nowoczesnych skaningowych mikroskopów elektronowych wyposażona jest w spektrometry z dyspersją energii, umożliwiające mikroanalizę jakościową i ilościową, a także tworzenie map powierzchni próbki w charakterystycznym promieniowaniu rentgenowskim poszczególnych pierwiastków.
3 Konstrukcja skaningowego mikroskopu elektronowego.
Aby zrozumieć zasadę działania mikroskopu świetlnego, należy wziąć pod uwagę jego budowę.
Głównym urządzeniem biologicznym jest układ optyczny, który składa się ze statywu, oświetlenia i części optycznych. Statyw zawiera but; scena z uchwytem slajdów i dwiema śrubami przesuwającymi scenę w dwóch prostopadłych kierunkach; tuba, uchwyt tuby; makro- i mikrośruby przesuwające rurkę w kierunku pionowym.
Do oświetlenia obiektu wykorzystuje się oświetlenie naturalne rozproszone lub sztuczne, które realizowane jest za pomocą mikroskopu zamontowanego na stałe w bucie lub połączonego poprzez listwę oświetlającą.
W skład systemu oświetlenia wchodzi także lustro o płaskich i wklęsłych powierzchniach oraz umieszczony pod sceną kondensor, składający się z 2 soczewek, przysłony irysowej oraz składanej ramki na filtry. Część optyczna zawiera zestawy soczewek i okularów, które pozwalają na badanie komórek przy różnych powiększeniach.
Zasada działania mikroskopu świetlnego polega na tym, że wiązka światła ze źródła światła jest gromadzona w kondensatorze i kierowana w stronę obiektu. Po przejściu promienie świetlne wchodzą do układu soczewek soczewki. Budują obraz pierwotny, który jest powiększany za pomocą soczewek okularu. Ogólnie rzecz biorąc, soczewka i okular zapewniają odwrotny wirtualny i powiększony obraz obiektu.
Głównymi cechami każdego mikroskopu są rozdzielczość i kontrast.
Rozdzielczość to minimalna odległość, w jakiej znajdują się dwa punkty, wykazana oddzielnie przez mikroskop.
Rozdzielczość mikroskopu oblicza się ze wzoru
gdzie l jest długością fali światła emitowanego przez oświetlacz,
b - kąt pomiędzy osią optyczną soczewki a najbardziej odchyloną wiązką wchodzącą do niej,
n jest współczynnikiem załamania światła ośrodka.
Im krótsza długość fali wiązki, tym subtelniejsze szczegóły będziemy mogli zaobserwować pod mikroskopem. Im wyższa apertura numeryczna obiektywu (n), tym wyższa rozdzielczość obiektywu.
Mikroskop świetlny może zwiększyć zdolność rozdzielczą ludzkiego oka około 1000 razy. Jest to „użyteczne” powiększenie mikroskopu. W przypadku korzystania z widzialnej części widma światła ostateczna granica rozdzielczości mikroskopu świetlnego wynosi 0,2-0,3 mikrona.
Należy jednak zauważyć, że mikroskopia świetlna pozwala nam zobaczyć cząstki mniejsze niż granica rozdzielczości. Można tego dokonać metodą „ciemnego pola” lub „ultramikroskopii”.
Ryż. 1 Mikroskop świetlny: 1 - statyw; 2 - tabela obiektów; 3 - dysza; 4 - okular; 5 - rurka; 6 - zmieniacz obiektywu; 7 - mikrosoczewka; 8 - skraplacz; 9 - mechanizm przesuwania skraplacza; 10 - kolektor; 11 - system oświetlenia; 12 - mechanizm ogniskowania mikroskopu.
Budowa mikroskopu elektronowego
Główną częścią mikroskopu elektronowego jest wydrążony cylinder próżniowy (powietrze jest usuwane, aby zapobiec oddziaływaniu elektronów z jego składnikami i utlenianiu włókna katodowego). Pomiędzy katodą a anodą przykładane jest wysokie napięcie w celu dalszego przyspieszenia elektronów. W soczewce kondensora (która, jak wszystkie soczewki mikroskopu elektronowego, jest elektromagnesem) wiązka elektronów skupia się i uderza w badany obiekt. Przesyłane elektrony tworzą powiększony obraz pierwotny na soczewce obiektywu, który jest powiększany przez soczewkę projekcyjną i wyświetlany na ekranie pokrytym warstwą luminescencyjną, która świeci, gdy uderzają w nią elektrony.
Ryż. 2. Mikroskop elektronowy: 1 - działo elektronowe; 2 - anoda; 3 - cewka do regulacji pistoletu; 4 - zawór pistoletu; 5 - 1. soczewka kondensora; 6 - druga soczewka kondensora; 7 - cewka do pochylania belki; 8 - membrany skraplacza; 9 - obiektyw; 10 - blok próbki; 11 - przesłona dyfrakcyjna; 12 - soczewka dyfrakcyjna; 13 - soczewka pośrednia; 14 - pierwszy obiektyw projekcyjny; 15 - drugi obiektyw projekcyjny; 16 - lornetka (powiększenie 12); 17 - blok próżniowy kolumny; 18 - kamera na szpulę 35 mm; 19 - ekran do ustawiania ostrości; 20 - komora na akta; 21 - ekran główny; 22 - pompa sorpcyjna jonów.
Termin „mikroskop” ma greckie korzenie. Składa się z dwóch słów, które w tłumaczeniu oznaczają „mały” i „wyglądam”. Główną rolą mikroskopu jest jego zastosowanie w badaniu bardzo małych obiektów. Jednocześnie urządzenie to pozwala określić wielkość i kształt, budowę i inne cechy ciał niewidoczne gołym okiem.
Historia stworzenia
W historii nie ma dokładnej informacji o tym, kto był wynalazcą mikroskopu. Według niektórych źródeł został on zaprojektowany w 1590 roku przez ojca i syna Janssensów, wytwórców okularów. Kolejnym pretendentem do tytułu wynalazcy mikroskopu jest Galileo Galilei. W 1609 roku naukowcy ci zaprezentowali publiczności w Accademia dei Lincei instrument z wklęsłymi i wypukłymi soczewkami.
Na przestrzeni lat system oglądania mikroskopijnych obiektów ewoluował i udoskonalał. Ogromnym krokiem w jej historii było wynalezienie prostego, achromatycznie regulowanego urządzenia z dwoma obiektywami. System ten został wprowadzony przez Holendra Christiana Huygensa pod koniec XVII wieku. Okulary tego wynalazcy są nadal produkowane. Ich jedyną wadą jest niewystarczająca szerokość pola widzenia. Dodatkowo w porównaniu z konstrukcją nowoczesnych instrumentów, okulary Huygens mają niewygodne dla oczu umiejscowienie.
Szczególny wkład w historię mikroskopu wniósł producent takich przyrządów, Anton Van Leeuwenhoek (1632-1723). To on przyciągnął uwagę biologów na to urządzenie. Leeuwenhoek wykonał niewielkie produkty wyposażone w jeden, ale bardzo mocny obiektyw. Urządzenia takie były niewygodne w użyciu, ale nie podwajały defektów obrazu występujących w mikroskopach złożonych. Wynalazcom udało się naprawić tę wadę dopiero 150 lat później. Wraz z rozwojem optyki poprawiła się jakość obrazu w urządzeniach kompozytowych.
Udoskonalanie mikroskopów trwa do dziś. I tak w 2006 roku niemieccy naukowcy pracujący w Instytucie Chemii Biofizycznej Mariano Bossi i Stefan Hell opracowali nowy mikroskop optyczny. Ze względu na możliwość obserwacji obiektów o wymiarach 10 nm i trójwymiarowych obrazów 3D o wysokiej jakości, urządzenie nazwano nanoskopem.
Klasyfikacja mikroskopów
Obecnie istnieje szeroka gama instrumentów przeznaczonych do badania małych obiektów. Ich grupowanie opiera się na różnych parametrach. Może to być cel mikroskopu, przyjęta metoda oświetlenia, konstrukcja zastosowana w projekcie optycznym itp.
Jednak z reguły główne typy mikroskopów są klasyfikowane według rozdzielczości mikrocząstek, które można zobaczyć za pomocą tego systemu. Według tego podziału mikroskopy to:
- optyczny (światło);
- elektroniczny;
- prześwietlenie;
- sondy skanujące.
Najszerzej stosowane mikroskopy to mikroskopy świetlne. W sklepach optycznych dostępny jest ich szeroki wybór. Za pomocą takich urządzeń rozwiązuje się główne zadania badania konkretnego obiektu. Wszystkie pozostałe typy mikroskopów są klasyfikowane jako specjalistyczne. Zwykle stosuje się je w warunkach laboratoryjnych.
Każdy z powyższych typów urządzeń ma swoje własne podtypy, które są używane w tym czy innym obszarze. Ponadto dzisiaj można kupić mikroskop szkolny (lub edukacyjny), który jest systemem podstawowym. Konsumentom oferowane są także urządzenia profesjonalne.
Aplikacja
Do czego służy mikroskop? Oko ludzkie, będąc szczególnym biologicznym układem optycznym, charakteryzuje się pewnym stopniem rozdzielczości. Innymi słowy, odległość między obserwowanymi obiektami jest najmniejsza, gdy można je jeszcze rozróżnić. Dla normalnego oka rozdzielczość ta mieści się w granicach 0,176 mm. Ale rozmiary większości komórek zwierzęcych i roślinnych, mikroorganizmów, kryształów, mikrostruktury stopów, metali itp. Są znacznie mniejsze niż ta wartość. Jak badać i obserwować takie obiekty? Tutaj z pomocą ludziom przychodzą różne typy mikroskopów. Na przykład urządzenia optyczne umożliwiają rozróżnienie struktur, w których odległość między elementami wynosi co najmniej 0,20 mikrona.
Jak działa mikroskop?
Urządzenie, z którym dla ludzkiego oka uwzględnienie obiektów mikroskopowych składa się z dwóch głównych elementów. Są to soczewka i okular. Te części mikroskopu osadzone są w ruchomej tubie umieszczonej na metalowej podstawie. Znajduje się na nim również stół obiektowy.
Nowoczesne typy mikroskopów są zwykle wyposażone w system oświetlenia. Jest to w szczególności kondensor z przysłoną irysową. Obowiązkowym zestawem urządzeń powiększających są mikro- i makrośruby, które służą do regulacji ostrości. Konstrukcja mikroskopów obejmuje również system kontrolujący położenie kondensora.
W specjalistycznych, bardziej skomplikowanych mikroskopach często stosuje się inne dodatkowe systemy i urządzenia.
Soczewki
Opis mikroskopu chciałbym zacząć od opowieści o jednej z jego głównych części, czyli soczewce. Są złożonym układem optycznym, który zwiększa rozmiar rozpatrywanego obiektu w płaszczyźnie obrazu. Konstrukcja soczewek obejmuje cały system nie tylko pojedynczych, ale także dwóch lub trzech soczewek sklejonych ze sobą.
Złożoność takiej konstrukcji optyczno-mechanicznej zależy od zakresu zadań, które muszą zostać rozwiązane przez to lub inne urządzenie. Na przykład najbardziej złożony mikroskop ma do czternastu soczewek.
Obiektyw składa się z przedniej części i następujących po niej układów. Na jakiej podstawie buduje się wizerunek wymaganej jakości i określa warunki pracy? To jest przedni obiektyw lub ich układ. Aby zapewnić wymagane powiększenie, ogniskową i jakość obrazu, niezbędne są kolejne części obiektywu. Takie funkcje są jednak możliwe tylko w połączeniu z przednim obiektywem. Warto też wspomnieć, że konstrukcja kolejnej części wpływa na długość tubusu i wysokość obiektywu urządzenia.
Okulary
Te części mikroskopu stanowią układ optyczny przeznaczony do konstruowania niezbędnego obrazu mikroskopowego na powierzchni siatkówki oka obserwatora. Okulary zawierają dwie grupy soczewek. To, które znajduje się najbliżej oka badacza, nazywa się okularowym, a najdalsze polowym (za jego pomocą soczewka buduje obraz badanego obiektu).
System oświetleniowy
Mikroskop ma złożoną konstrukcję przesłon, zwierciadeł i soczewek. Za jego pomocą zapewnione jest równomierne oświetlenie badanego obiektu. Już w pierwszych mikroskopach tę funkcję W miarę udoskonalania przyrządów optycznych zaczęto stosować najpierw zwierciadła płaskie, a następnie wklęsłe.
Za pomocą takich prostych szczegółów promienie słońca lub lampy kierowano na przedmiot badań. W nowoczesnych mikroskopach jest to bardziej zaawansowane. Składa się ze skraplacza i kolektora.
Tabela tematyczna
Preparaty mikroskopowe wymagające badania umieszcza się na płaskiej powierzchni. To jest tabela obiektów. Różne rodzaje mikroskopy mogą mieć tę powierzchnię, zaprojektowaną w taki sposób, że przedmiot badań będzie obracany w stronę obserwatora w poziomie, w pionie lub pod określonym kątem.
Zasada działania
W pierwszym urządzeniu optycznym układ soczewek dawał odwrotny obraz mikroobiektów. Dzięki temu możliwe było dostrzeżenie struktury substancji i najdrobniejszych szczegółów podlegających badaniu. Zasada działania mikroskopu świetlnego jest dziś podobna do pracy wykonywanej przez teleskop refrakcyjny. W tym urządzeniu światło przechodzi przez szklaną część załamując się.
Jak rosną współczesne mikroskopy świetlne? Po wejściu do urządzenia wiązki promieni świetlnych zamieniają się one w strumień równoległy. Dopiero wtedy w okularze następuje załamanie światła, dzięki czemu obraz mikroskopijnych obiektów zostaje powiększony. Następnie informacja ta dociera w formie niezbędnej dla obserwatora w jego wnętrzu
Podtypy mikroskopów świetlnych
Nowoczesne są klasyfikowane:
1. Według klasy złożoności mikroskopów badawczych, roboczych i szkolnych.
2. Według obszaru zastosowania: chirurgiczne, biologiczne i techniczne.
3. Według rodzajów mikroskopii: urządzenia światła odbitego i przechodzącego, kontakt fazowy, luminescencyjny i polaryzacyjny.
4. W kierunku strumienia światła na odwrócony i bezpośredni.
Mikroskopy elektronowe
Z biegiem czasu urządzenie przeznaczone do badania mikroskopijnych obiektów stawało się coraz bardziej wyrafinowane. Pojawiły się tego typu mikroskopy, w których zastosowano zupełnie inną zasadę działania, niezależną od załamania światła. Podczas użytkowania najnowsze typy urządzenia wykorzystujące elektrony. Takie systemy pozwalają zobaczyć poszczególne części materii tak małe, że promienie świetlne po prostu opływają je.
Do czego służy mikroskop elektronowy? Służy do badania struktury komórek na poziomie molekularnym i subkomórkowym. Podobne urządzenia służą również do badania wirusów.
Urządzenie mikroskopów elektronowych
Co leży u podstaw działania najnowszych przyrządów do oglądania obiektów mikroskopowych? Czym różni się mikroskop elektronowy od mikroskopu świetlnego? Czy są między nimi jakieś podobieństwa?
Zasada działania mikroskopu elektronowego opiera się na właściwościach pól elektrycznych i magnetycznych. Ich symetria obrotowa może mieć efekt ogniskowania wiązek elektronów. Na tej podstawie możemy odpowiedzieć na pytanie: „Czym różni się mikroskop elektronowy od mikroskopu świetlnego?” W przeciwieństwie do urządzenia optycznego nie posiada soczewek. Ich rolę pełni odpowiednio obliczone pole magnetyczne i elektryczne. Tworzą je zwoje cewek, przez które przepływa prąd. W tym przypadku takie pola działają podobnie, gdy prąd rośnie lub maleje, zmienia się ogniskowa urządzenia.
Jeśli chodzi o schemat obwodu, w przypadku mikroskopu elektronowego jest on podobny do schematu urządzenia świetlnego. Jedyna różnica polega na tym, że elementy optyczne zastąpiono podobnymi elementami elektrycznymi.
Powiększenie obiektu w mikroskopach elektronowych następuje w wyniku procesu załamania wiązki światła przechodzącej przez badany obiekt. Pod różnymi kątami promienie wpadają w płaszczyznę obiektywu, gdzie następuje pierwsze powiększenie próbki. Następnie elektrony wędrują do soczewki pośredniej. Następuje w nim płynna zmiana wzrostu rozmiaru obiektu. Ostateczny obraz badanego materiału tworzony jest przez soczewkę projekcyjną. Stamtąd obraz trafia na fluorescencyjny ekran.
Rodzaje mikroskopów elektronowych
Nowoczesne typy obejmują:
1. TEM, czyli transmisyjny mikroskop elektronowy. W tej instalacji obraz bardzo cienkiego obiektu, o grubości do 0,1 mikrona, powstaje w wyniku oddziaływania wiązki elektronów z badaną substancją i jej późniejszego powiększenia przez soczewki magnetyczne umieszczone w soczewce.
2. SEM, czyli skaningowy mikroskop elektronowy. Urządzenie takie pozwala uzyskać obraz powierzchni obiektu z dużą rozdzielczością, rzędu kilku nanometrów. Przy zastosowaniu dodatkowych metod taki mikroskop dostarcza informacji, które pomagają określić skład chemiczny warstw przypowierzchniowych.
3. Tunelowy skaningowy mikroskop elektronowy, w skrócie STM. Za pomocą tego urządzenia mierzy się relief powierzchni przewodzących z dużą rozdzielczością przestrzenną. W procesie pracy z STM do badanego obiektu przykładana jest ostra metalowa igła. W tym przypadku zachowana jest odległość zaledwie kilku angstremów. Następnie do igły przykładany jest niewielki potencjał, w wyniku czego powstaje prąd tunelowy. W tym przypadku obserwator otrzymuje trójwymiarowy obraz badanego obiektu.
Mikroskopy „Leevenguk”
W 2002 roku ukazał się w Ameryce Nowa firma, zajmująca się produkcją przyrządów optycznych. W asortymencie firmy znajdują się mikroskopy, teleskopy i lornetki. Wszystkie te urządzenia wyróżniają się wysoka jakość Obrazy.
Siedziba firmy oraz dział rozwoju znajdują się w USA, w Fremond (Kalifornia). Ale jeśli chodzi o zakłady produkcyjne, znajdują się one w Chinach. Dzięki temu firma dostarcza na rynek zaawansowane i wysokiej jakości produkty w przystępnej cenie.
Czy potrzebujesz mikroskopu? Levenhuk zaoferuje wymaganą opcję. Oferta sprzętu optycznego firmy obejmuje urządzenia cyfrowe i biologiczne służące do powiększania badanego obiektu. Ponadto kupującemu oferowane są designerskie modele w różnych kolorach.
Mikroskop Levenhuk ma rozbudowaną funkcjonalność. Na przykład podstawowe urządzenie dydaktyczne można podłączyć do komputera i ma ono także możliwość nagrywania wideo prowadzonych badań. Model Levenhuk D2L jest wyposażony w tę funkcję.
Firma oferuje mikroskopy biologiczne różnych poziomów. Należą do nich prostsze modele i nowości, które są odpowiednie dla profesjonalistów.
Aby uzyskać obrazy w mikroskopie elektronowym, stosuje się specjalne soczewki magnetyczne, które kontrolują ruch elektronów w kolumnie instrumentu za pomocą pola magnetycznego.
Encyklopedyczny YouTube
1 / 4
✪ Najpotężniejszy mikroskop elektronowy na świecie.
✪ Światy pod mikroskopem
✪ Nanoświat. Skaningowy mikroskop tunelowy.
✪ 89. Z historii wielkich odkryć naukowych: Ernst Ruska i mikroskop elektronowy
Napisy na filmie obcojęzycznym
Historia rozwoju mikroskopu elektronowego
W 1931 r. R. Rudenberg otrzymał patent na transmisyjny mikroskop elektronowy, a w 1932 r. M. Knoll i E. Ruska zbudowali pierwszy prototyp nowoczesnego urządzenia. Praca E. Ruskiej została uhonorowana Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki w 1986 roku, którą przyznano jemu oraz wynalazcom mikroskopu z sondą skanującą, Gerdowi Karlowi Binnigowi i Heinrichowi Rohrerowi. Wykorzystanie transmisyjnych mikroskopów elektronowych do badań naukowych rozpoczęło się pod koniec lat trzydziestych XX wieku wraz z pierwszym komercyjnym instrumentem zbudowanym przez firmę Siemens.
Pod koniec lat trzydziestych i na początku czterdziestych XX wieku pojawiły się pierwsze skaningowe mikroskopy elektronowe, które tworzyły obraz obiektu poprzez sekwencyjne przesuwanie po obiekcie sondy elektronowej o małym przekroju poprzecznym. Powszechne stosowanie tych urządzeń w badaniach naukowych rozpoczęło się w latach 60. XX wieku, kiedy osiągnęły one znaczną doskonałość techniczną.
Znaczącym skokiem rozwojowym (w latach 70. XX wieku) było zastosowanie katod Schottky'ego i katod emisyjnych zimnego pola zamiast katod termionowych, jednak ich zastosowanie wymaga znacznie wyższej próżni.
Pod koniec lat 90. i na początku XXI wieku komputeryzacja i zastosowanie detektorów CCD znacznie ułatwiły pozyskiwanie obrazów cyfrowych.
W Ostatnia dekada Nowoczesne, zaawansowane transmisyjne mikroskopy elektronowe wykorzystują korektory aberracji sferycznych i chromatycznych, które wprowadzają duże zniekształcenia w uzyskanym obrazie. Jednak ich użycie może znacznie skomplikować użytkowanie urządzenia.
Rodzaje urządzeń
Transmisyjna mikroskopia elektronowa
Transmisyjny mikroskop elektronowy wykorzystuje wiązkę elektronów o wysokiej energii do utworzenia obrazu. Wiązka elektronów tworzona jest za pomocą katody (wolfram, LaB 6 , emisja Schottky'ego lub zimnego pola). Powstała wiązka elektronów jest zwykle przyspieszana do 80-200 keV (stosuje się różne napięcia od 20 kV do 1 MV), skupiana przez układ soczewek magnetycznych (czasami soczewek elektrostatycznych), przechodzi przez próbkę w taki sposób, że część elektronów ulega rozproszeniu na próbce, a niektóre nie. Zatem wiązka elektronów przechodząca przez próbkę niesie informację o strukturze próbki. Wiązka przechodzi następnie przez układ soczewek powiększających i tworzy obraz na ekranie fluorescencyjnym (zwykle wykonanym z siarczku cynku), płycie fotograficznej lub kamerze CCD.
Rozdzielczość TEM jest ograniczona głównie przez aberrację sferyczną. Niektóre nowoczesne TEM mają korektory aberracji sferycznej.
Głównymi wadami TEM są konieczność stosowania bardzo cienkiej próbki (rzędu 100 nm) oraz niestabilność (rozkład) próbek pod wiązką.
Raster transmisyjny (skaningowy) mikroskopia elektronowa (STEM)
Jednym z rodzajów transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM) są jednak urządzenia, które działają wyłącznie w trybie TEM. Wiązka elektronów przechodzi przez stosunkowo cienką próbkę, ale w przeciwieństwie do konwencjonalnej transmisyjnej mikroskopii elektronowej wiązka elektronów jest skupiana w punkcie, który porusza się po próbce w rastrze.
Rastrowa (skaningowa) mikroskopia elektronowa
Opiera się na telewizyjnej zasadzie skanowania cienkiej wiązki elektronów na powierzchni próbki.
Kolorowanie
W swoich najpopularniejszych konfiguracjach mikroskopy elektronowe wytwarzają obrazy z oddzielną wartością jasności dla każdego piksela, a wyniki są zwykle przedstawiane w skali szarości. Często jednak obrazy te są następnie kolorowane za pomocą oprogramowania lub po prostu poprzez ręczną edycję edytor graficzny. Zwykle robi się to dla efektu estetycznego lub wyjaśnienia struktury i zwykle nie dodaje informacji o wzorze.
W niektórych konfiguracjach można zebrać właściwości próbki więcej informacji na piksel, dzięki zastosowaniu wielu detektorów. W SEM topografię i relief materiału można uzyskać za pomocą pary elektronicznych detektorów odbicia, a takie atrybuty można nałożyć na jednokolorowy obraz, przypisując każdemu atrybutowi inny kolor podstawowy. Analogicznie można przypisać kombinacje odbitych i wtórnych sygnałów elektronicznych różne kolory i nałożony na jednobarwną mikrografię, pokazując jednocześnie właściwości próbki.
Niektóre typy detektorów stosowanych w SEM mają możliwości analityczne i mogą dostarczać wiele elementów danych w każdym pikselu. Przykładami są detektory spektroskopii rentgenowskiej z dyspersją energii stosowane w analizie elementarnej oraz systemy mikroskopów katodoluminescencyjnych, które analizują intensywność i widmo luminescencji stymulowanej elektronami (na przykład) w próbkach geologicznych. W systemach SEM te detektory dzielą kod kolorów sygnałów i nakładają je na jednokolorowy obraz, dzięki czemu można wyraźnie zobaczyć i porównać różnice w rozmieszczeniu różnych składników próbki. Dodatkowo standardowe wtórne obrazy elektroniczne można połączyć z jednym lub większą liczbą kanałów składu, aby można było porównać strukturę i skład próbki. Takie obrazy można wykonać zachowując pełną integralność oryginalnego sygnału, który nie jest w żaden sposób zmieniany.
Wady
Mikroskopy elektronowe są drogie w produkcji i utrzymaniu, ale całkowity koszt i koszty operacyjne konfokalnego „mikroskopu optycznego” są porównywalne z podstawowymi mikroskopami elektronowymi. Mikroskopy mające na celu osiągnięcie wysokie rozdzielczości, należy umieścić w stabilnych budynkach (czasami pod ziemią) i pozbawionych zewnętrznych pól elektromagnetycznych. Próbki należy zazwyczaj oglądać w próżni, ponieważ cząsteczki tworzące powietrze rozpraszają elektrony. Jedynym wyjątkiem jest środowisko skaningowego mikroskopu elektronowego, które umożliwia oglądanie uwodnionych próbek w środowisku o niskim ciśnieniu (do 2,7 kPa) i/lub wilgotnym środowisku. Skaningowe mikroskopy elektronowe działające w konwencjonalnym trybie wysokiej próżni zazwyczaj obrazują próbkę przewodzącą; Dlatego materiały nieprzewodzące wymagają powłoki przewodzącej (złoto/pallad, stop węgla, osm itp.). Tryb niskonapięciowy nowoczesnych mikroskopów umożliwia obserwację nieprzewodzących, niepowlekanych próbek. Materiały nieprzewodzące można również obrazować, zmieniając ciśnienie (lub otoczenie) skaningowego mikroskopu elektronowego.
Obszary zastosowań
|
Półprzewodniki i przechowywanie danych
Biologia i nauki o życiu
|
Badania naukowe
Przemysł
|
