Электронный микроскоп Электронный микроскоп прибор, позволяющий получать изображение объектов с максимальным увеличением до 10 6 раз, благодаря использованию вместо светового потока пучка электронов. Разрешающая способность электронного микроскопа в 1000÷10000 раз превосходит разрешение светового микроскопа и для лучших современных приборов может составлять несколько ангстрем (10 -7 м).
Появление электронного микроскопа стало возможным после ряда физических открытий конца XIX начала XX века. Это открытие в 1897 году электрона (Дж.Томсон) и экспериментальное обнаружение в 1926 году волновых свойств электрона (К.Дэвиссон, Л.Гермер), подтверждающее выдвинутую в 1924 году де Бройлем гипотезу о корпускулярно-волновом дуализме всех видов материи. В 1926 году немецкий физик X.Буш создал магнитную линзу, позволяющую фокусировать электронные лучи, что послужило предпосылкой для создания в 1930-х годах первого электронного микроскопа. 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. В 1938 Руска и Б. фон Боррис построили прототип промышленного просвечивающего электронного микроскопа для фирмы «Сименс-Хальске» в Германии; этот прибор в конце концов позволил достичь разрешения 100 нм. Несколькими годами позднее А.Пребус и Дж.Хиллер построили первый ОПЭМ высокого разрешения в Торонтском университете (Канада). В конце 1930-х начале 1940-х годов появились первые растровые электронные микроскопы (РЭМ), формирующие изображение объекта при последовательном перемещении электронного зонда малого сечения по объекту. Массовое применение этих приборов в научных исследованиях началось в 1960-ых годах, когда они достигли значительного технического совершенства. РЭМ в его нынешней форме был изобретен в 1952 Чарльзом Отли. Правда, предварительные варианты такого устройства были построены Кноллем в Германии в 1930-х годах и Зворыкиным с сотрудниками в корпорации RCA в х годах, но лишь прибор Отли смог послужить основой для ряда технических усовершенствований, завершившихся внедрением в производство промышленного варианта РЭМ в середине 1960-х годов.
Существуют два основных вида электронных микроскопов. просвечивающий электронный микроскопВ 1930-х годах был изобретен обычный просвечивающий электронный микроскоп (ОПЭМ), растровый (сканирующий) электронный микроскоп в 1950-х годах – растровый (сканирующий) электронный микроскоп (РЭМ)
Просвечивающий электронный микроскоп от ультратонкого объекта Просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ) это установка, в которой изображение от ультратонкого объекта (толщиной порядка 0,1 мкм) формируется в результате взаимодействия пучка электронов с веществом образца с последующим увеличением магнитными линзами (объектив) и регистрацией на флуоресцентном экране. Просвечивающий электронный микроскоп во многом подобен световому микроскопу, но только для освещения образцов в нем используется не свет, а пучок электронов. В нем имеются электронный прожектор, ряд конденсорных линз, объективная линза и проекционная система, которая соответствует окуляру, но проецирует действительное изображение на люминесцентный экран или фотографическую пластинку. Источником электронов обычно служит нагреваемый катод из вольфрама или гексаборида лантана. Катод электрически изолирован от остальной части прибора, и электроны ускоряются сильным электрическим полем. Для создания такого поля катод поддерживают под потенциалом порядка В относительно других электродов, фокусирующих электроны в узкий пучок. Эта часть прибора называется электронным прожектором. одной миллиардной атмосферного.Поскольку электроны сильно рассеиваются веществом, в колонне микроскопа, где движутся электроны, должен быть вакуум. Здесь поддерживается давление, не превышающее одной миллиардной атмосферного.
Магнитное поле, создаваемое витками катушки, по которой проходит ток, действует как собирающая линза, фокусное расстояние которой можно изменять, изменяя ток. Витки провода, по которым проходит ток, фокусируют пучок электронов так же, как стеклянная линза фокусирует световой пучок. Электронное изображение формируется электрическими и магнитными полями примерно так же, как световое – оптическими линзами. Принцип действия магнитной линзы поясняется следующей схемой.
ОБЫЧНЫЙ ПРОСВЕЧИВАЮЩИЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП (ОПЭМ). 1 – источник электронов; 2 – ускоряющая система; 3 – диафрагма; 4 –конденсорная линза; 5 – образец; 6 – объективная линза; 7 – диафрагма; 8 – проекционная линза; 9 – экран или пленка; 10 – увеличенное изображение. Электроны ускоряются, а затем фокусируются магнитными линзами. Увеличенное изображение, создаваемое электронами, которые проходят через диафрагму объектива, преобразуется люминесцентным экраном в видимое или регистрируется на фотопластинке. Ряд конденсорных линз (показана лишь последняя) фокусирует электронный пучок на образце. Обычно первая из них создает не увеличенное изображение источника электронов, а последняя контролирует размер освещаемого участка на образце. Диафрагмой последней конденсорной линзы определяется ширина пучка в плоскости объекта. Образец Образец помещается в магнитном поле объектной линзы с большой оптической силой – самой важной линзы ОПЭМ, которой определяется предельное возможное разрешение прибора. Аберрации объективной линзы ограничиваются ее диафрагмой так же, как это происходит в фотоаппарате или световом микроскопе. Объектная линза дает увеличенное изображение объекта (обычно с увеличением порядка 100); дополнительное увеличение, вносимое промежуточными и проекционной линзами, лежит в пределах величин от несколько меньшей 10 до несколько большей Таким образом, увеличение, которое можно получить в современных ОПЭМ, составляет от менее 1000 до ~ (При увеличении в миллион раз грейпфрут вырастает до размеров Земли). Исследуемый объект обычно помещают на очень мелкую сетку, вкладываемую в специальный держатель. Держатель можно механическим или электрическим способом плавно перемещать вверх-вниз и вправо- влево.
Окончательное увеличенное электронное изображение преобразуется в видимое посредством люминесцентного экрана, который светится под действием электронной бомбардировки. Это изображение, обычно слабоконтрастное, как правило, рассматривают через бинокулярный световой микроскоп. При той же яркости такой микроскоп с увеличением 10 может создавать на сетчатке глаза изображение, в 10 раз более крупное, чем при наблюдении невооруженным глазом. Иногда для повышения яркости слабого изображения применяется люминофорный экран с электронно-оптическим преобразователем. В этом случае окончательное изображение может быть выведено на обычный телевизионный экран. Фотопластинка обычно позволяет получить более четкое изображение, чем наблюдаемое простым глазом или записанное на видеоленте, так как фотоматериалы, вообще говоря, более эффективно регистрируют электроны. Разрешение.Разрешение. Электронные пучки имеют свойства, аналогичные свойствам световых пучков. В частности, каждый электрон характеризуется определенной длиной волны. Разрешающая способность ЭМ определяется эффективной длиной волны электронов. Длина волны зависит от скорости электронов, а следовательно, от ускоряющего напряжения; чем больше ускоряющее напряжение, тем больше скорость электронов и тем меньше длина волны, а значит, выше разрешение. Столь значительное преимуществ о ЭМ в разрешающей способности объясняется тем, что длина волны электронов намного меньше длины волны света. Но поскольку электронные линзы не так хорошо фокусируют, как оптические (числовая апертура хорошей электронной линзы составляет всего лишь 0,09, тогда как для хорошего оптического объектива эта величина достигает 0,95), разрешение ЭМ равно 50–100 длинам волн электронов. Даже со столь слабыми линзами в электронном микроскопе можно получить предел разрешения ~0,17 нм, что позволяет различать отдельные атомы в кристаллах. Для достижения разрешения такого порядка необходима очень тщательная настройка прибора; в частности, требуются высокостабильные источники питания, а сам прибор (который может быть высотой ~2,5 м и иметь массу в несколько тонн) и его дополнительное оборудование требуют монтажа, исключающего вибрацию. В ОПЭМ можно получить увеличение до 1 млн. Предел пространственного (по x, y) разрешения - ~0,17 нм.
Растровая электронная микроскопия Растровый электронный микроскоп (РЭМ, англ. Scanning Electron Microscope, SEM) прибор, основанный на принципе взаимодействия электронного пучка с веществом, предназначенный для получения изображения поверхности объекта с высоким пространственным разрешением (несколько нанометров), а также о составе, строении и некоторых других свойствах приповерхностных слоёв. Пространственное разрешение сканирующего электронного микроскопа зависит от поперечного размера электронного пучка, который, в свою очередь зависит от электронно-оптической системы, фокусирующей пучок. В настоящее время современные модели РЭМ выпускаются рядом фирм мира, среди которых можно назвать: Carl Zeiss NTS GmbH Германия FEI Company США (слилась с Philips Electron Optics) FOCUS GmbH Германия Hitachi Япония JEOL Япония (Japan Electron Optics Laboratory) Tescan Чехия
1 – источник электронов; 2 – ускоряющая система; 3 – магнитная линза; 4 – отклоняющие катушки; 5 – образец; 6 – детектор отраженных электронов; 7 – кольцевой детектор; 8 – анализатор В РЭМ применяются электронные линзы для фокусировки электронного пучка (электронного зонда) в пятно очень малых размеров. Можно отрегулировать РЭМ так, чтобы диаметр пятна в нем не превышал 0,2 нм, но, как правило, он составляет единицы или десятки нанометров. Это пятно непрерывно обегает некоторый участок образца аналогично лучу, обегающему экран телевизионной трубки. Электрический сигнал, возникающий при бомбардировке объекта электронами пучка, используется для формирования изображения на экране телевизионного кинескопа или электронно-лучевой трубки (ЭЛТ), развертка которой синхронизирована с системой отклонения электронного пучка (рис.). Увеличение в данном случае понимается как отношение размера изображения на экране к размеру области, обегаемой пучком на образце. Это увеличение составляет от 10 до 10 млн. электронной колонной Электронные линзы (обычно сферические магнитные) и отклоняющие катушки образуют систему, называемую электронной колонной. Однако РЭМ-метод характеризуется рядом ограничений и недостатков, которые особенно сильно проявляются в субмикронном и нанометровом диапазонах измерений: недостаточно высокое пространственное разрешение; сложность получения трехмерных изображений поверхности, обусловленная в первую очередь тем, что высота рельефа в РЭМ определяется по эффективности упругого и неупругого рассеяния электронов и зависит от глубины проникновения первичных электронов в поверхностный слой; необходимость нанесения дополнительного токосъемного слоя на плохопроводящие поверхности для предотвращения эффектов, связанных с накоплением заряда; проведение измерений только в условиях вакуума; возможность повреждения изучаемой поверхности высокоэнергетичным сфокусированным пучком электронов.
Из-за очень узкого электронного луча РЭМ обладают очень большой глубиной резкости (мм), что на два порядка выше, чем у оптического микроскопа и позволяет получать четкие микрофотографии с характерным трехмерным эффектом для объектов со сложным рельефом. Это свойство РЭМ крайне полезно для понимания поверхностной структуры образца. Микрофотография пыльцы демонстрирует возможности РЭМ.
Сканирующие зондовые микроскопы Сканирующие зондовые микроскопы (СЗМ, англ. SPM Scanning Probe Microscope) класс микроскопов для измерения характеристик объекта с помощью различных типов зондов. Процесс построения изображения основан на сканировании поверхности зондом. В общем случае СЗМ позволяют получить трёхмерное изображение поверхности (топографию) с высоким разрешением. Основные типы сканирующих зондовых микроскопов: Сканирующий туннельный микроскоп Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ, англ. STM scanning tunneling microscope) или растровый тунельный микроскоп (РТМ) - для получения изображения используется туннельный ток между зондом и образцом, что позволяет получить информацию о топографии и электрических свойствах образца. Сканирующий атомно-силовой микроскоп Сканирующий атомно-силовой микроскоп (АСМ) - регистрирует различные силы между зондом и образцом. Позволяет получить топографию поверхности и её механические свойства. Сканирующий ближнепольный оптический микроскоп Сканирующий ближнепольный оптический микроскоп (СБОМ) - для получения изображения используется эффект ближнего поля.
Отличительной СЗМ особенностью является наличие: зонда, системы перемещения зонда относительно образца по 2-м (X-Y) или 3-м (X-Y-Z) координатам, регистрирующей системы. При малом расстоянии между поверхностью и образцом действие сил взаимодействия (отталкивания, притяжения,и других сил) и проявление различных эффектов (например, туннелирование электронов) можно зафиксировать с помощью современных средств регистрации. Для регистрации используют различные типы сенсоров, чувствительность которых позволяет зафиксировать малые по величине возмущения. Работа сканирующего зондового микроскопа основана на взаимодействии поверхности образца с зондом (кантилевер - англ. балка, игла или оптический зонд). Кантилеверы разделяются на жёсткие и мягкие, - по длине балки, а характеризуется это резонансной частотой колебаний кантилевера. Процесс сканирования микрозондом поверхности может происходить как в атмосфере или заранее заданном газе, так и в вакууме, и даже сквозь плёнку жидкости. Кантилевер в сканирующем электронном микроскопе (увеличение 1000X) координатам,
Регистрирующая система фиксирует значение функции, зависящей от расстояния зонд- образец. Для получения полноценного растрового изображения используют различные устройства развертки по осям X и Y (например, пьезотрубки, плоскопараллельные сканеры). Сканирование поверхности может происходить двумя способами, - сканирование кантилевером и сканировение подложкой. Если в первом случае движения вдоль исследуемой поверхности совершает кантилевер, то во втором относительно неподвижного кантилевера движется сама подложка. обратной связи Для сохранения режима сканирования, - кантилевер должен находиться вблизи поверхности, - в зависимости от режима, - будь то режим постоянной силы, или постоянной высоты, существует система, которая могла бы сохранять такой режим во время процесса сканирования. Для этого в электронную схему микроскопа входит специальная система обратной связи, которая связана с системой отклонения кантилевера от первоначального положения. Основные технические сложности при создании сканирующего зондового микроскопа: Конец зонда должен иметь размеры сопоставимые с исследуемыми объектами. Обеспечение механической (в том числе тепловой и вибрационной) стабильности на уровне лучше 0,1 ангстрема. Детекторы должны надежно фиксировать малые по величине возмущения регистрируемого параметра. Создание прецизионной системы развёртки. Обеспечение плавного сближения зонда с поверхностью.
Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ, англ. STM scanning tunneling microscope) или растровый тунельный микроскоп (РТМ) Сканирующий тунельный микроскоп в современном виде изобретен (принципы этого класса приборов были заложены ранее другими исследователями) Гердом Карлом Биннигом и Генрихом Рорером в 1981 году. За это изобретение они были удостоены Нобелевской премии по физике за 1986 год, которая была разделена между ними и изобретателем просвечивающего электронного микроскопа Э. Руска. В СТМ острая металлическая игла подводится к образцу на расстояние нескольких ангстрем. При подаче на иглу относительно образца небольшого потенциала возникает туннельный ток. Величина этого тока экспоненциально зависит от расстояния образец-игла. Типичные значения пА при расстояниях около 1 A. В этом микроскопе используется металлическое острие малого диаметра, являющееся источником электронов. В зазоре между острием и поверхностью образца создается электрическое поле. Число электронов, вытягиваемых полем из острия в единицу времени (ток туннелирования), зависит от расстояния между острием и поверхностью образца (на практике это расстояние меньше 1 нм). При перемещении острия вдоль поверхности ток модулируется. Это позволяет получить изображение, связанное с рельефом поверхности образца. Если острие заканчивается одиночным атомом, то можно сформировать изображение поверхности, проходя атом за атомом.
РТМ может работать только при условии, что расстояние от острия до поверхности постоянно, а острие можно перемещать с точностью до атомных размеров. Высокое разрешение СТМ вдоль нормали к поверхности (~0,01 нм) и в горизонтальном направлении (~0,1 нм), которое реализуется как в вакууме, так и с диэлектрическими средами в туннельном промежутке, открывает широкие перспективы повышения точности измерений линейных размеров в нанометровом диапазоне. Платиново - иридиумная игла сканирующего туннельного микроскопа крупным планом.
Сканирующий атомно-силовой микроскоп Сканирующий атомно-силовой микроскоп (АСМ) Атомно-силовая микроскопия поверхности (АСМ), предложенная в 1986 г., основана на эффекте силового взаимодействия между близко расположенными твердыми телами. В отличие от СТМ метод АСМ пригоден для проведения измерений как на проводящих, так и на непроводящих поверхностях не только в вакууме, но и на воздухе и в жидкой среде. Важнейшим элементом АСМ является микрозонд (кантилевер), на конце которого располагается диэлектрическое острие с радиусом кривизны R, к которому с помощью трехкоординатного манипулятора подводится поверхность исследуемого образца на расстояние d0,1÷10 нм. Острие кантилевера обычно закрепляют на пружине, изготовленной в виде кронштейна с малой механической жесткостью. В результате межатомного (межмолекулярного) взаимодействия между образцом и острием кантилевера кронштейн отклоняется. Разрешение АСМ вдоль нормали к поверхности сравнимо с соответствующим разрешением СТМ, а разрешение в горизонтальном направлении (продольное разрешение) зависит от расстояния d и радиуса кривизны острия R. Числовой расчет показывает, что при R=0,5 нм и d=0,4 нм продольное разрешение составляет ~1 нм. Необходимо подчеркнуть, что зондом АСМ является острие иглы, которое позволяет снимать информацию о профиле элемента рельефа поверхности, имеющего нанометровые размеры, но высота (глубина) такого элемента не должна превышать 100 нм, а соседний элемент должен быть расположен не ближе, чем на расстоянии 100 нм. При выполнении некоторых специфических для АСМ условий возможно восстановление профиля элемента без потери информации. Однако эти условия практически невозможно осуществить в эксперименте.
Вид Пространственное разрешение (x,y) Разрешение по z- координате Размер поля Увеличение Оптическая микроскопия 200 нм-0,4 -0,2 мм х Конфокальный микроскоп 200 нм 1 нм Интерферометрия в белом свете 200 нм 0,1 нм 0.05 до x Голографическая микроскопия 200 нм 0,1 нм 0.05 до x Просвечивающий электронный микроскоп 0,2 нм- до Растровый электронный микроскоп (РЭМ) 0,4 нм 0,1 нм 0,1-500 мкм по z - ~1-10 мм до х Сканирующие зондовые микроскопы 0,1 нм 0,05 нм ~150 х 150 мкм по z -
Московский институт электронной техники
Лаборатория электронной микроскопии С.В. Седов
Принцип работы современного растрового электронного микроскопа и его использование для исследования объектов микроэлектроники
Цель работы: знакомство с методиками исследования материалов и микроэлектронных структур при помощи растрового электронного микроскопа.
Продолжительность работы: 4 ч.
Приборы и принадлежности: растровый электронный микроскоп Philips-
SEM-515, образцы микроэлектронных структур.
Устройство и принцип работы растрового электронного микроскопа
1. Введение
Растровая электронная микроскопия - это исследование объекта путем облучения тонко сфокусированным электронным пучком, который развертывается в растр по поверхности образца. В результате взаимодействия сфокусированного электронного пучка с поверхностью образца возникают вторичные электроны, отраженные электроны, характеристическое рентгеновское излучение, ожэ-электроны и фотоны различных энергий. Они рождаются в определенных объемах - областях генерации внутри образца и могут быть использованы для измерения многих его характеристик, таких как топография поверхности, химический состав, электрофизические свойства и т д.
Основной причиной широкого использования растровых электронных микроскоов является высокое разрешение при исследовании массивных объектов, достигающее 1,0 нм (10 Å). Другой важной чертой изображений, получаемых в растровом электронном микроскопе является их объемность, обусловленная большой глубиной резкости прибора. Удобство применения растрового микроскопа в микро-и нанотехнологии объясняется относительной простотой подготовки образца и оперативностью исследования, что позволяет использовать его для межоперационного контроля технологических параметров без значительных потерь времени. Изображение в растровом микроскопе формируется в виде телевизионного сигнала, что существенно упрощает его ввод в компьютер и дальнейшую программную обработку результатов исследований.
Развитие микротехнологий и появление нанотехнологий, где размеры элементов существенно меньше длины волны видимого света, делает растровую электронную микроскопию практически единственной неразрушающей методикой визуального контроля при производстве изделий твердотельной электроники и микромеханики.
2. Взаимодействие электронного луча с образцом
При взаимодействии пучка электронов с твердой мишенью возникает большое число различного рода сигналов. Источником этих сигналов являются области излучения, размеры которых зависят от энергии пучка и атомного номера бомбардируемой мишени. Размерами этой области, при использовании определенного сорта сигнала, определяется разрешение микроскопа. На рис. 1 показаны области возбуждения в образце для разных сигналов.
Полное распределение по энергии электронов, излучаемых образцом
приведено на рис.2. Оно получено при энергии падающего пучка Е 0= 180эВ, по оси ординат отложено число эмиттированых мишенью электронов J s (E), а по оси абсцисс - энергия Е этих электронов. Заметим, что вид зависимости,
приведенной на рис.2, сохраняется и для пучков с энергией 5 – 50 кэВ, используемых в растровых электронных микроскопах.
Г
руппуI
составляют
упруго отраженные электроны с энергией,
близкой к энергии первичного пучка. Они
возникают при упругом рассеянии под
большими углами. С увеличением атомного
номера Z
растет
упругое рассеяние и увеличивается доля
отраженных электронов .
Распределение отраженных электронов
по энергиям для некоторых элементов
приведено на рис.3.
Угол
рассеяния 135 0
,
W=E/E 0
- нормированная энергия, d/dW
-
число отраженных электронов на падающий
электрон и на единицу энергетического
интервала. Из рисунка видно, что при
увеличении атомного номера не только
растет число отраженных электронов, но
и их энергия становится ближе к энергии
первичного пучка. Это приводит к
возникновению контраста по атомному
номеру и позволяет исследовать фазовый
состав объекта.
Группа II включает в себя электроны, подвергшиеся многократному неупругому рассеянию и излученные к поверхности после прохождения более или менее толстого слоя материала мишени, потеряв при этом определенную часть своей первоначальной энергии.
Э
лектроны
группыIII
являются
вторичными электронами с малой энергией
(менее 50 эВ), которые образуются при
возбуждении первичным пучком слабосвязаных
электронов внешних оболочек атомов
мишени. Основное влияние на количество
вторичных электронов оказывает топография
поверхности образца и локальные
электрические и магнитные поля.
Количество
выходящих вторичных электронов зависит
от угла падения первичного пучка (рис.4).
Пусть R 0
– максимальная глубина выхода вторичных
электронов. Если образец наклонен, то
длина пути в пределах расстояния
R 0
от
поверхности возрастает: R
= R 0
sec
Следовательно возрастает и количество соударений, при которых рождаются вторичные электроны. Поэтому незначительное изменение угла падения приводит к заметному изменению яркости выходного сигнала. Благодаря тому, что генерация вторичных электронов происходит в основном в приповерхностной области образца (рис.1), разрешение изображения во вторичных электронах близко к размерам первичного электронного пучка.
Характеристическое рентгеновское излучение возникает в результате взаимодействия падающих электронов с электронами внутренних K, L, или М оболочек атомов образца. Спектр характеристического излучения несет информацию о химическом составе объекта. На этом основаны многочисленные методы микроанализа состава. Большинство современных растровых электронных микроскопов оснащено энергодисперсионными спектрометрами для качественного и количественного микроанализа, а так же для создания карт поверхности образца в характеристическом рентгеновском излучении определенных элементов.
3 Устройство растрового электронного микроскопа .
Чтобы понять принцип работы светового микроскопа, необходимо рассмотреть его строение.
Главный прибор биологии является оптической системой, которая состоит из штатива, осветительной и оптической части. В штатив входят башмак; предметный столик с держателем предметного стекла и двумя винтами, перемещающими столик в двух перпендикулярных направлениях; тубус, тубусодержатель; макро- и микровинты, передвигающие тубус в вертикальном направлении.
Для освещения объекта используют естественное рассеянное или искусственное освещение, которое осуществляется посредством стационарно вмонтированного в башмак микроскопа или соединенного через планку осветителя.
В осветительную систему также входят зеркало с плоской и вогнутой поверхностями и конденсор, расположенный под предметным столиком и состоящий из 2 линз, ирисовой диафрагмы и откидывающейся оправы для светофильтров. Оптическая часть включает наборы объективов и окуляров, которые позволяют изучать клетки на разных увеличениях.
Принцип работа светового микроскопа заключается в том, что пучок света от источника освещения собирается в конденсаторе и направляется на объект. Пройдя через него, лучи света попадают в систему линз объектива. Они выстраивают первичное изображение, которое увеличивается при помощи линз окуляра. В целом объектив и окуляр дают обратное мнимое и увеличенное изображение объекта.
Основными характеристиками любого микроскопа являются разрешающая способность и контраст.
Разрешающая способность - это минимальное расстояние, на котором находятся две точки, демонстрируемые микроскопом раздельно.
Разрешение микроскопа вычисляет по формуле
где л - длина волны света осветителя,
б - угол между оптической осью объектива и наиболее отклоняющимся лучом, попадающим в него,
n - коэффициент преломления среды.
Чем меньше длина волны луча, тем более мелкие детали мы сможем наблюдать через микроскоп. И чем выше нумерическая апертура объектива (n, тем выше разрешение объектива.
Световой микроскоп может повысить разрешающую способность человеческого глаза примерно в 1000 раз. Это является "полезным" увеличением микроскопа. При использовании видимой части спектра света конченый предел разрешения светового микроскопа составляет 0,2-0,3 мкм.
Однако следует отметить, что световая микроскопия позволяет нам увидеть частицы, меньшие предела разрешения. Это можно осуществить благодаря методу "Темного поля" или "Ультрамикроскопии".
Рис. 1 Световой микроскоп: 1 - штатив; 2 - предметный столик; 3 - насадка; 4 - окуляр; 5 - тубус; 6 - устройство смены объективов; 7 - микрообъектив; 8 - конденсор; 9 - механизм перемещения конденсора; 10 - коллектор; 11 - осветительная система; 12 - механизм фокусировки микроскопа.
Строение электронного микроскопа
Основная часть электронного микроскопа - полый вакуумный цилиндр (воздух откачан, чтобы исключить взаимодействие электронов с его составляющими и оксисления нити катода). Между катодом и анодом подаётся высокое напряжение, для дополнительного ускорения электронов. В конденсорной линзе(которая представляет собой электромагнит, как и все линзы электронного микроскопа) пучок электронов фокусируется и попадает на изучаемый объект. Прошедшие электроны, формируют на объективной линзе увеличенное первичное изображение, которое увеличивает проекционная линза, и проецируется на экран, который покрыт люминесцентным слоем для свечения при попадании на него электронов.
Рис. 2. Электронный микроскоп: 1 - электронная пушка; 2 - анод; 3 - катушка для юстировки пушки; 4 - клапан пушки; 5 - 1-я конденсорная линза; 6 - 2-я конденсорная линза; 7 - катушка для наклона пучка;8 - конденсор 2 диафрагмы; 9 - объективная линза; 10 - блок образца; 11 -дифракционная диафрагма; 12 - дифракционная линза; 13 - промежуточная линза; 14 - 1-я проекционная линза; 15 - 2-я проекционная линза; 16 - бинокуляр (увеличение 12); 17 - вакуумный блок колонны; 18 - камера для 35-миллиметровой катушечной пленки; 19 - экран для фокусировки; 20 - камера для пластинок; 21 - главный экран; 22 - ионный сорбционный насос.
Термин «микроскоп» имеет греческие корни. Он состоит из двух слов, которые в переводе означают «маленький» и «смотрю». Основная роль микроскопа заключается в его применении при рассмотрении весьма малых объектов. При этом данный прибор позволяет определить размеры и форму, строение и иные характеристики невидимых невооруженным глазом тел.
История создания
Точных сведений о том, кто являлся изобретателем микроскопа, в истории нет. По одним данным, его в 1590 г. сконструировали отец и сын Янссены, мастера по изготовлению очков. Еще один претендент на звание изобретателя микроскопа - Галилео Галилей. В 1609 г. этим ученым был представлен прибор с вогнутой и выпуклой линзами на обозрение публики в Академии деи Линчеи.
С годами система для рассмотрения микроскопических объектов развивалась и совершенствовалась. Огромным шагом в ее истории стало изобретение простого ахроматически регулировавшегося двухлинзового устройства. Представил эту систему голландец Кристиан Гюйгенс в конце 1600-х годов. Окуляры данного изобретателя находятся в производстве и сегодня. Единственным их минусом является недостаточная широта поля обзора. Кроме того, по сравнению с устройством современных приборов окуляры Гюйгенса имеют неудобное расположение для глаз.
Особый вклад в историю микроскопа внес изготовитель подобных приборов Антон Ван Левенгук (1632-1723 гг.). Именно он привлек внимание биологов к этому устройству. Левенгук изготавливал небольшие по размеру изделия, оснащенные одной, но весьма сильной линзой. Использовать такие приборы было неудобно, но они не удваивали дефекты изображений, что присутствовало в составных микроскопах. Исправить этот недостаток изобретатели смогли только спустя 150 лет. Вместе с развитием оптики улучшилось качество изображения в составных приборах.
Совершенствование микроскопов продолжается и в наши дни. Так, в 2006 г. немецкими учеными, работающими в институте биофизической химии, Мариано Босси и Штефаном Хеллем, был разработан новейший оптический микроскоп. Из-за возможности наблюдать предметы с размерами в 10 нм и трехмерные высококачественные 3D-изображения прибор назвали наноскопом.
Классификация микроскопов
В настоящее время существует большое разнообразие приборов, предназначенных для рассмотрения малых по величине объектов. Их группирование производится исходя из различных параметров. Это может быть назначение микроскопа или принятый способ освещения, строение, использованное для оптической схемы и т. д.
Но, как правило, основные виды микроскопов классифицируются по величине разрешения микрочастиц, которые можно увидеть при помощи данной системы. Согласно такому делению, микроскопы бывают:
- оптическими (световыми);
- электронными;
- рентгеновскими;
- сканирующими зондовыми.
Наибольшее распространение получили микроскопы светового типа. Их богатый выбор имеется в магазинах оптики. При помощи подобных приборов решаются основные задачи по исследованию того или иного объекта. Все другие виды микроскопов относят к специализированным. Их использование производится, как правило, в условиях лаборатории.
Каждый из вышеперечисленных видов приборов имеет свои подвиды, которые применяются в той или иной сфере. Кроме того, сегодня есть возможность купить школьный микроскоп (или учебный), который является системой начального уровня. Предлагаются потребителям и профессиональные приборы.
Применение
Для чего нужен микроскоп? Человеческий глаз, будучи особой оптической системой биологического типа, имеет определенный уровень разрешения. Другими словами, существует наименьшее расстояние между наблюдаемыми объектами, когда их еще можно различить. Для нормального глаза такое разрешение находится в пределах 0,176 мм. А вот размеры большинства животных и растительных клеток, микроорганизмов, кристаллов, микроструктуры сплавов, металлов и т. п. намного меньше этой величины. Каким же образом изучать и наблюдать подобные объекты? Вот здесь на помощь людям и приходят различные виды микроскопов. К примеру, приборы оптического типа позволяют различить структуры, у которых расстояние между элементами составляет минимум 0,20 мкм.
Как устроен микроскоп?
Прибор, с помощью которого человеческому глазу становится доступным рассмотрение микроскопических объектов, имеет два основных элемента. Ими являются объектив и окуляр. Закреплены данные части микроскопа в подвижном тубусе, располагающемся на металлическом основании. На нем же имеется и предметный столик.
Современные виды микроскопов, как правило, оснащены осветительной системой. Это, в частности, конденсор, имеющий ирисовую диафрагму. Обязательной комплектацией увеличительных приборов являются микро- и макровинты, которые служат для настройки резкости. В конструкции микроскопов предусматривается и наличие системы, управляющей положением конденсора.
В специализированных, более сложных микроскопах нередко используются и иные дополнительные системы и устройства.
Объективы
Начать описание микроскопа хотелось бы с рассказа об одной из его основных частей, то есть с объектива. Они является сложной оптической системой, увеличивающей размеры рассматриваемого предмета в плоскости изображения. Конструкция объективов включает в себя целую систему не только одиночных, но и склеенных по две или три штуки линз.
Сложность подобной оптико-механической конструкции зависит от круга тех задач, которые должны быть решены тем или иным прибором. Например, в самом сложном микроскопе предусматривается до четырнадцати линз.
В составе объектива находятся фронтальная часть и системы, последующие за ней. Что является основой для построения изображения нужного качества, а также определения рабочего состояния? Это фронтальная линза или их система. Последующие части объектива необходимы для обеспечения требуемого увеличения, фокусного расстояния и качества изображения. Однако осуществление таких функций возможно только в сочетании с фронтальной линзой. Стоит сказать и о том, что конструкция последующей части влияет на длину тубуса и высоту объектива прибора.
Окуляры
Эти части микроскопа представляют собой оптическую систему, предназначенную для построения необходимого микроскопического изображения на поверхности сетчатки глаз наблюдателя. В составе окуляров находятся две группы линз. Ближайшая к глазу исследователя называется глазной, а дальняя - полевой (с ее помощью объектив выстраивает изображение изучаемого объекта).
Осветительная система
В микроскопе предусмотрена сложная конструкция из диафрагм, зеркал и линз. С ее помощью обеспечивается равномерная освещенность исследуемого объекта. В самых первых микроскопах данную функцию осуществляли По мере усовершенствования оптических приборов в них стали применять сначала плоские, а затем и вогнутые зеркала.
С помощью таких нехитрых деталей лучи от солнца или лампы направлялись на объект исследования. В современных микроскопах более совершенна. Она состоит из конденсора и коллектора.
Предметный столик
Микроскопические препараты, требующие изучения, располагаются на плоской поверхности. Это и есть предметный столик. Различные виды микроскопов могут иметь данную поверхность, сконструированную таким образом, что объект исследования будет поворачиваться в наблюдателя по горизонтали, по вертикали или под определенным углом.
Принцип действия
В первом оптическом приборе система линз давала обратное изображение микрообъектов. Это позволяло разглядеть строение вещества и мельчайшие детали, которые подлежали изучению. Принцип действия светового микроскопа сегодня схож с той работой, которую осуществляет рефракторный телескоп. В этом приборе свет преломляется в момент прохождения через стеклянную часть.
Как же увеличивают современные световые микроскопы? После попадания в прибор пучка световых лучей происходит их преобразование в параллельный поток. Только затем идет преломление света в окуляре, благодаря чему и увеличивается изображение микроскопических объектов. Далее эта информация поступает в нужном для наблюдателя виде в его
Подвиды световых микроскопов
Современные классифицируют:
1. По классу сложности на исследовательский, рабочий и школьный микроскоп.
2. По области применения на хирургические, биологические и технические.
3. По видам микроскопии на приборы отраженного и проходящего света, фазового контакта, люминесцентные и поляризационные.
4. По направлению светового потока на инвертированные и прямые.
Электронные микроскопы
С течением времени прибор, предназначенный для рассмотрения микроскопических объектов, становился все более совершенным. Появились такие виды микроскопов, в которых был использован совершенно иной, не зависящий от преломления света принцип работы. В процессе использования новейших типов приборов задействовали электроны. Подобные системы позволяют увидеть настолько малые отдельные части вещества, что их попросту обтекают световые лучи.
Для чего нужен микроскоп электронного типа? С его помощью изучают структуру клеток на молекулярном и субклеточном уровнях. Также подобные приборы применяют для исследования вирусов.
Устройство электронных микроскопов
Что лежит в основе работы новейших приборов для рассмотрения микроскопических объектов? Чем электронный микроскоп отличается от светового? Есть ли между ними какие-либо сходства?
Принцип работы электронного микроскопа основан на тех свойствах, которыми обладают электрические и магнитные поля. Их вращательная симметрия способна оказывать фокусирующее действие на электронные пучки. Исходя из этого, можно дать ответ на вопрос: «Чем электронный микроскоп отличается от светового?» В нем, в отличие от оптического прибора, нет линз. Их роль играют соответствующим образом рассчитанные магнитные и электрические поля. Создаются они витками катушек, через которые проходит ток. При этом такие поля действуют подобно При увеличении или уменьшении силы тока происходит изменение фокусного расстояния прибора.
Что касается принципиальной схемы, то у электронного микроскопа она аналогична схеме светового прибора. Отличие заключено лишь в том, что оптические элементы замещены подобными им электрическими.
Увеличение объекта в электронных микроскопах происходит за счет процесса преломления пучка света, проходящего сквозь исследуемый объект. Под различными углами лучи попадают в плоскость объективной линзы, где и происходит первое увеличение образца. Далее электроны проходят путь к промежуточной линзе. В ней происходит плавное изменение увеличения размеров объекта. Конечную картинку исследуемого материала дает проекционная линза. От нее изображение попадает на флуоресцентный экран.
Виды электронных микроскопов
Современные виды включают в себя:
1. ПЭМ, или просвечивающий электронный микроскоп.
В этой установке изображение очень тонкого, толщиной до 0,1 мкм, объекта формируется при взаимодействии пучка электронов с исследуемым веществом и с последующим его увеличением находящимися в объективе магнитными линзами.
2. РЭМ, или растровый электронный микроскоп.
Такой прибор позволяет получить изображение поверхности объекта с большим разрешением, составляющим порядка нескольких нанометров. При использовании дополнительных методов подобный микроскоп выдает информацию, помогающую определить химический состав приповерхностных слоев.
3. Туннельный сканирующий электронный микроскоп, или СТМ.
При помощи данного прибора измеряется рельеф проводящих поверхностей, имеющих высокое пространственное разрешение. В процессе работы с СТМ острую металлическую иглу подводят к изучаемому объекту. При этом выдерживается расстояние всего в несколько ангстрем. Далее на иглу подают небольшой потенциал, благодаря чему возникает туннельный ток. При этом наблюдатель получает трехмерное изображение исследуемого объекта.
Микроскопы «Левенгук»
В 2002 году в Америке появилась новая компания, занимающаяся производством оптических приборов. В ассортиментном перечне ее продукции находятся микроскопы, телескопы и бинокли. Все эти приборы отличает высокое качество изображения.
Головной офис и отдел разработок компании располагаются в США, в городе Фримонде (Калифорния). А вот что касается производственных мощностей, то они находятся в Китае. Благодаря всему этому компания поставляет на рынок передовую и качественную продукцию по приемлемой цене.
Вам нужен микроскоп? Levenhuk предложит необходимый вариант. В ассортименте оптической техники компании находятся цифровые и биологические приборы для увеличения изучаемого объекта. Кроме того, покупателю предлагаются и дизайнерские модели, исполненные в разнообразной цветовой гамме.
Микроскоп Levenhuk обладает обширными функциональными возможностями. Например, учебный прибор начального уровня может быть присоединен к компьютеру, а также он способен выполнять видеосъемку проводимых исследований. Таким функционалом оснащена модель Levenhuk D2L.
Компания предлагает биологические микроскопы различного уровня. Это и более простые модели, и новинки, которые подойдут профессионалам.
Для получения изображения в электронном микроскопе используются специальные магнитные линзы , управляющие движением электронов в колонне прибора при помощи магнитного поля .
Энциклопедичный YouTube
1 / 4
✪ Самый мощный электронный микроскоп в мире.
✪ Миры под микроскопом
✪ Наномир. Сканирующий туннельный микроскоп.
✪ 89.Из истории великих научных открытий: Эрнст Руска и электронный микроскоп
Субтитры
История развития электронного микроскопа
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.
Виды приборов
Просвечивающая электронная микроскопия
В просвечивающем электронном микроскопе используется высокоэнергетический электронный пучок для формирования изображения. Электронный пучок создается посредством катода (вольфрамового, LaB 6 , 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)
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
В основе лежит телевизионный принцип развертки тонкого пучка электронов по поверхности образца.
Окрашивание
В своих наиболее распространенных конфигурациях, электронные микроскопы дают изображения с отдельным значением яркости на каждый пиксель, с результатами, как правило, изображенными в оттенки серого . 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.
В некоторых конфигурациях о свойствах образца можно собрать больше информации на каждый пиксель, благодаря использованию нескольких детекторов. 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. По аналогии, сочетаниям отраженного и вторичного электронного сигнала могут быть присвоены различные цвета и наложены на один цветной микрограф, одновременно показывающий свойства образца.
Некоторые типы детекторов, используемых в СЭМ, имеют аналитические возможности, и могут обеспечить несколько элементов данных на каждом пикселе. Примерами являются детекторы Энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия , 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
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. Одним из исключений является окружающая среда сканирующего электронного микроскопа, которая позволяет гидратированным образцам быть рассмотренным в низком давлении (до 2,7 кПа) и / или влажной среде. 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
|
Полупроводники и хранение данных
Биология и биологические науки
|
Научные исследования
Промышленность
|
