ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОННОЙ МИКРОСКОПИИ И ЭЛЕКТРОННОГО МИКРОСКОПА

Возможности

Технология электронной микроскопии постоянно развивается:

Благодаря последним наработкам метод электронной микроскопии используют уже и при работах с влажными образцами, исключая нарушение их структуры и локального состава. Для этого применяется низкотемпературное замещение воды, сверхбыстрое замораживание в среде хладагента, прижим к металлу, который охлаждается жидким азотом и пр. Существенно возможности метода расширило использование компьютерной техники, в частности математическая обработка электронных изображений. Теперь изображения можно запоминать, корректировать контрастность, добавлять оттенки цветов, выделять микроструктуры, убирать шумы, выделять границы исследуемых участков и пр.

Изображение муравья в сканирующем электронном микроскопе

Ультраструктура неонатальных кардиомиоцитов после аноксии-реоксигенации

Просвечивающая электронная микроскопия

В просвечивающем электронном микроскопе (ПЭМ) для формирования изображения используется высокоэнергетический электронный пучок. Электронный пучок создается посредством катода (вольфрамового, LaB6, Шоттки или холодной полевой эмиссии). Полученный электронный пучок ускоряется обычно до 80—200 кэВ (используются различные напряжения от 20 кВ до 1 МВ), фокусируется системой магнитных линз (иногда электростатических линз), проходит через образец так, что часть электронов рассеивается на образце, а часть — нет. Таким образом, прошедший через образец электронный пучок несет информацию о структуре образца. Далее пучок проходит через систему увеличивающих линз и формирует изображение на люминесцентном экране (как правило, из сульфида цинка), фотопластинке или ПЗС-камере.

Разрешение ПЭМ лимитируется в основном сферической аберрацией. Некоторые современные ПЭМ имеют корректоры сферической аберрации.

Основными недостатками ПЭМ являются необходимость в очень тонком образце (порядка 100 нм) и неустойчивость (разложение) образцов под пучком.

Просвечивающая растровая (сканирующая) электронная микроскопия (ПРЭМ)

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.

В основе лежит телевизионный принцип развёртки тонкого пучка электронов по поверхности образца.

Раскрашенное изображение (PЭМ) фильтрующих щетинок антарктического криля

Некоторые типы детекторов, используемых в СЭМ, имеют аналитические возможности и могут обеспечить несколько элементов данных на каждом пикселе. Примерами являются детекторы, используемые в элементном анализе, и системы катодолюминесцентных микроскопов, которые анализируют интенсивность и спектр электронно-стимулированной люминесценции (например, в 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.

Принципиальная схема «исторического» сканирующего микроскопа. Начиная с 1980 года, кинескоп, синхронизированный с РЭМ, уступил место устройствам цифрового накопления изображений

Нижеследующий рисунок иллюстрирует принципиальную схему РЭМ: электронный пучок направляется на анализируемый образец. В результате взаимодействия генерируются низкоэнергетичные вторичные электроны, которые собираются детектором вторичных электронов. Интенсивность электрического сигнала детектора зависит как от природы образца (в меньшей степени), так и от топографии (в большей степени) образца в области взаимодействия. Таким образом возможно получить карту рельефа проанализированной зоны.

Тонкий электронный зонд генерируется электронной пушкой, которая играет роль источника электронов, и фокусируется электронными линзами (обычно электромагнитными, иногда электростатическими). Сканирующие катушки отклоняют зонд в двух взаимоперпендикулярных направлениях, сканируя поверхность образца зондом, подобно сканированию электронным пучком экрана электронно-лучевой трубки телевизора. Источник электронов, электронные линзы (обычно тороидальные магнитные) и отклоняющие катушки образуют систему, называемую электронной колонной.

В современных РЭМ изображение регистрируется в цифровой форме, но первые РЭМы появились в начале 1960 годов задолго до распространения цифровой техники и поэтому изображение формировалось способом синхронизации развёрток электронного пучка в кинескопе с электронным пучком в РЭМ и регулировки интенсивности трубки вторичным сигналом. Изображение образца тогда появлялось на фосфоресцирующем экране кинескопа и могло быть зарегистрировано на фотоплёнке.

Взаимодействие электронов с веществом

Виды взаимодействия электронов с веществом

В результате взаимодействия с атомами образца электроны первичного пучка могут передать часть своей энергии электронам образца. В результате такого взаимодействия может произойти отрыв электронов. Такие электроны называются вторичными. Эти электроны обычно обладают небольшой энергией (порядка 50 эВ). Часто электрон первичного пучка обладает энергией, достаточной для появления нескольких вторичных электронов.

Области применения

Метод электронной микроскопии используют для изучения поверхности объектов, ультратонких срезов тканей, микробов. С его помощью определяют строение жгутиков, вирусов и пр. Оборудование, основанное на этой технологии, широко используется в различных научных и производственных отраслях:

Главная задача – подобрать микроскоп, работающий электронным методом под особенности предстоящих работ. В каталоге компании «Sernia Инжиниринг» можно подобрать подходящее оборудование для любой научно-исследовательской и производственной задачи. Приборы поставляются по Москве, Санкт-Петербургу и в другие регионы РФ. Все они имеют сертификаты соответствия, на них действуют гарантии. Узнать актуальные цены, условия сотрудничества, получить консультации и помощь в выборе можно у менеджеров компании. Свяжитесь с ними по телефону или через онлайн-форму.

А. С. Илюшин, А. П. Орешко. Введение в дифракционный структурный анализ. М.: физический факультет МГУ, 2008

В следующих сериях

Теперь можно самостоятельно изготовить детектор Эверхарта-Торнли для нашего JEOL’а, усилитель поглощённого тока, и попробовать сделать полупроводниковый детектор отражённых электронов.

Растровые микроскопы применяются как исследовательский инструмент в физике, электронике, биологии, фармацевтике, медицине, материаловедении, и т. д. Их главная функция — получение увеличенного изображения исследуемого образца и/или изображений образца в различных регистрируемых сигналах. Сопоставление изображений, полученных в разных сигналах, позволяют делать вывод о морфологии и составе поверхности.

Возможности электронного микроскопа

Одной из ключевых возможностей электронного микроскопа является его способность увеличивать изображение объектов. В отличие от оптического микроскопа, который имеет ограниченное увеличение, электронный микроскоп способен увеличить изображение в несколько тысяч раз. Это позволяет исследовать объекты на подмикронном уровне и обнаруживать детали, которые невозможно увидеть с помощью других методов.

Еще одной важной возможностью электронного микроскопа является его высокая разрешающая способность. Оптический микроскоп имеет лимит разрешения около 200 нанометров, в то время как электронный микроскоп способен разрешать детали размером всего лишь несколько ангстремов. Это позволяет увидеть атомные решетки, молекулярные структуры и поверхности объектов с высокой точностью. Благодаря этому, электронные микроскопы находят широкое применение в исследованиях материалов, нанотехнологиях, биологии и других научных областях.

В
электронно-оптическую систему
просвечивающего электронного микроскопа
(ПЭМ) входят: электронная пушка И и
конденсор 1, предназначенные для
обеспечения осветительной системы
микроскопа; объективная 2, промежуточная
3 и проекционная 4 линзы, осуществляющие
отображение; камера наблюдения и
фотографирования Э (рис.1).

Рис.1.
Ход лучей в ПЭМ в режиме наблюдения
изображения

сточником электронов в электронной
пушке служит вольфрамовый термоэмиссионный
катод. Конденсорная линза позволяет
получить на объекте пятно диаметром в
несколько мкм. С помощью отображающей
системы на экране ПЭМ формируется
электронно-микроскопическое изображение
объекта.

В
плоскости, сопряженной с объектом,
объективная линза формирует первое
промежуточное изображение объекта. Все
электроны, исходящие из одной точки
объекта, попадают в одну точку сопряженной
плоскости. Затем с помощью промежуточной
и проекционной линз получают изображение
на флуоресцирующем экране микроскопа
или фотопластине. Это изображение
передает структурные и морфологические
особенности образца.

В ПЭМ
используют магнитные линзы. Линза
состоит из обмотки, ярма и полюсного
наконечника, концентрирующего магнитное
поле в малом объеме и повышающего тем
самым оптическую силу линзы.

ПЭМ
обладают самой высокой разрешающей
способностью (PC),
превосходя по этому параметру световые
микроскопы в несколько тысяч раз. Так
называемый предел разрешения,
характеризующий способность прибора
отобразить раздельно мелкие максимально
близко расположенные детали объекта,
у ПЭМ составляет 2 – 3 A°.
При благоприятных условиях можно
сфотографировать отдельные тяжёлые
атомы. При фотографировании
периодических структур, таких как
атомные плоскости решёток кристаллов,
удаётся реализовать разрешение менее
1 A°. Столь высокие разрешения
достигаются благодаря чрезвычайно
малой длине волны де Бройля электронов.
Оптимальным диафрагмированием
удаётся снизить сферическую
аберрацию
объектива, влияющую на
PC ПЭМ, при достаточно
малой дифракционной ошибке. Эффективных
методов коррекции аберраций в не найдено.
Поэтому в ПЭМ магнитныеэлектронные
линзы(ЭЛ), обладающие
меньшими аберрациями, полностью вытеснили
электростатические ЭЛ. Выпускаются ПЭМ
различного назначения. Их можно разделить
на 3 группы:

1.
Упрощённые ПЭМ
предназначены для исследований, в
которых не требуется высокая PC. Они
более просты по конструкции (включающей
1 конденсор и 2 – 3 линзы для увеличения
изображения объекта), их отличают меньшее
(обычно 60 – 80 кВ)
ускоряющее напряжение и более низкая
его стабильность. P C этих приборов – от
6 до 15. Другие применения — предварительный
просмотр объектов, рутинные исследования,
учебные цели. Толщина объекта, которую
можно «просветить» электронным пучком,
зависит от ускоряющего напряжения. В
ПЭМ с ускоряющим напряжением 100 кВ
изучают объекты толщиной от 10 до
нескольких тыс. A°.

2.
ПЭМ с высокой разрешающей способностью
(2 – 3 Å) – как правило, универсальные
приборы многоцелевого назначения
(рис.2, а).
С помощью дополнительных устройств и
приставок в них можно наклонять объект
в разных плоскостях на большие углы к
оптической оси, нагревать, охлаждать,
деформировать его, осуществлять
рентгеновский
структурный анализ,
исследования методами
электронографии
и пр. Ускоряющее электроны
напряжение достигает 100 – 125 кВ,
регулируется ступенчато и отличается
высокой стабильностью: за 1 – 3 мин
оно изменяется не более чем на 1 – 2
миллионные доли от исходного значения.
В его оптической системе (колонне)
создаётся глубокий вакуум (давление до
1·10-6
мм рт. ст.).
Схема оптической системы ПЭМ – на рис.
2, б.
Пучок электронов, источником которых
служит термокатод, формируется в
электронной
пушке и затем
дважды фокусируется первым и вторым
конденсорами, создающими на объекте
электронное «пятно», диаметр которого
пятна можно изменять от 1 до 20 мкм.
После прохождения сквозь объект часть
электронов рассеивается и задерживается
апертурной диафрагмой. Не рассеянные
электроны проходят через отверстие
диафрагмы и фокусируются объективом в
предметной плоскости промежуточной
линзы. Здесь формируется первое
увеличенное изображение. Последующие
линзы создают второе, третье и т. д.
изображения. Последняя линза формирует
изображение на флуоресцирующем экране,
который светится под воздействием
электронов

Увеличение ПЭМ
равно произведению увеличений всех
линз. Степень и характер рассеяния
электронов неодинаковы в различных
точках объекта, так как толщина, плотность
и химический состав объекта меняются
от точки к точке. Соответственно
изменяется число электронов, задержанных
апертурной диафрагмой после прохождения
различных точек объекта, а следовательно,
и плотность тока на изображении, которая
преобразуется в световой контраст на
экране. Под экраном располагается
магазин с фотопластинками. При
фотографировании экран убирается, и
электроны воздействуют на фотоэмульсионный
слой. Изображение фокусируется изменением
тока, возбуждающего магнитное поле
объектива. Токи других линз регулируют
для изменения увеличения ПЭМ.

3.
ПЭМ с повышенным ускоряющим напряжением
(до 200 кВ)
предназначены для исследования более
толстых объектов (в 2 – 3 раза толще), чем
обычные ПЭМ. Их разрешающая способность
достигает 3 – 5 Å. Эти приборы отличаются
конструкцией электронной пушки: в ней
для обеспечения электрической прочности
и стабильности имеются два анода, на
один из которых подаётся промежуточный
потенциал, составляющий половину
ускоряющего напряжения. Магнитодвижущая
сила линз
больше, чем в ПЭМ с ускоряющим напряжением
100 кВ, а сами линзы имеют увеличенные
габариты и вес.

4.
Сверхвысоковольтные электронные
микроскопы (СВЭМ) –
крупногабаритные приборы (рис.3)
высотой от 5 до 15 м, с
ускоряющим напряжением 0,50 – 0,65; 1 – 1,5
и 3.5 МВ.

Для них строят
специальные помещения. С ВЭМ предназначены
для исследования объектов толщиной от
1·до·10 мкм. Электроны ускоряются в
электростатическом ускорителе (так
называемом ускорителе прямого действия),
расположенном в баке, заполненном
электроизоляционным газом под давлением.
В том же или в дополнительном баке
находится высоковольтный стабилизированный
источник питания. В перспективе –
созданию ПЭМ с линейным ускорителем, в
котором электроны ускоряются до энергий
5 – 10 МэВ. При изучении тонких объектов
PC СВЭМ ниже, чем у ПЭМ. В случае толстых
объектов PC СВЭМ в 10 – 20 раз превосходит
PC ПЭМ с ускоряющим напряжением 100 кВ.
Если же образец аморфный, то контраст
электронного изображения определяется
толщиной и коэффициентом поглощения
материала образца, что наблюдается,
например, при изучении морфологии
поверхности с помощью пластиковых или
углеродных реплик. В кристаллах, кроме
того, имеет место дифракция электронов,
что позволяет определять структуру
кристалла.

Рис.4.
Положение диафрагмы Д при светлопольном
(а)
и темнопольном (б)
изображениях: П — прошедший луч; D
— дифрагированный луч; Обр — образец; И
— электронная пушка

ПЭМ можно реализовать следующие
режимы работы:

Для
наблюдения изображения в задней фокальной
плоскости объектива устанавливается
апертурная диафрагма, в результате
уменьшается апертура лучей, формирующих
изображение, и повышается разрешение.
Эта же диафрагма используется для выбора
режима наблюдения (см. рис.2 и 5).

Рис.5.
Ход лучей в ПЭМ в режиме микродифракции
Д — диафрагма; И — источник электронов;
Обр — образец; Э – экран; 1 — конденсорная,
2 — объективная, 3 — промежуточная, 4
-проекционная линзы

лина волны
при напряжениях, используемых в ПЭМ,
составляет около порядка 1∙10–3
нм, то есть много меньше постоянной
решетки кристаллов а,
поэтому дифрагированный луч может
распространяться лишь под малыми углами
θ к
проходящему лучу (

).
Дифракционная картина от кристалла
представляет собой набор отдельных
точек (рефлексов). В ПЭМ в отличие от
электронографа можно получить
дифракционную картину с малого участка
объекта, используя диафрагму в плоскости,
сопряженной с объектом. Размер области
может составлять около (1×1) мкм2.
От режима наблюдения изображения к
режиму дифракции можно переходить,
изменяя оптическую силу промежуточной
линзы.

История развития электронного микроскопа

В 1931 году Р. Руденберг получил патент на просвечивающий электронный микроскоп; в 1932 году М. Кнолль и Эрнст Руска построили первый прототип современного прибора. Эта работа 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.

Схема РЭМ, оснащённого детектором рентгеновских лучей — «РСМА» (микрозондом)

РЭМ JEOL JSM 6430F

Основа сканирующего электронного микроскопа — электронная пушка и электронная колонна, функция которой состоит в формировании остросфокусированного электронного зонда средних энергий (200 эВ — 50 кэВ) на поверхности образца. Прибор обязательно должен быть оснащен вакуумной системой. Также в каждом РЭМ есть предметный столик, позволяющий перемещать образец минимум в трёх направлениях. При взаимодействии электронов с объектом возникают несколько видов сигналов, каждый из которых улавливается специальным детектором (см. ниже). Соответственно, изображения, продуцируемые микроскопом, могут быть построены с использованием различных сигналов, часто нескольких сигналов одновременно (например, изображение во вторичных электронах, изображение в отражённых электронах, рентгеновское изображение (карта)).

Основные типы сигналов, которые генерируются и детектируются в процессе работы РЭМ:

Все возможные типы детекторов, установленные на одном приборе, встречаются крайне редко.

Детекторы вторичных электронов — первый и традиционно устанавливаемый на большинство РЭМ тип детекторов (в некоторых упрощённых настольных моделях используется только детектор отражённых электронов). В этом режиме разрешающая способность РЭМ максимальна. Из-за очень узкого электронного луча РЭМ обладают очень большой глубиной резкости, примерно 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 режима ВЭ РЭМ.

Отражённые электроны (ОЭ) — это электроны пучка, отражённые от образца упругим рассеиванием. В зависимости от конфигурации детектора они могут отображать либо композицию (состав) образца, либо его топографию (рельеф поверхности). В композиционном режиме ОЭ часто используются в аналитическом РЭМ совместно с анализом характеристических спектров рентгеновского излучения. Поскольку интенсивность сигнала ОЭ напрямую связана со средним атомным номером (Z) облучаемой в данным момент электронным пучком области образца, изображения ОЭ несут в себе информацию о распределении различных элементов в образце. Например, режим ОЭ позволяет обнаружить коллоидные золотые иммунные метки диаметра 5-10 нм, которые очень тяжело или даже невозможно обнаружить в биологических объектах в режиме ВЭ. Микрофотография поверхности аншлифа металл-оксидной системы демонстрирует возможности режима ОЭ РЭМ. В топографическом режиме ОЭ могут использоваться в условиях, когда традиционные детекторы вторичных электронов не работают, как например в РЭМ с переменным вакуумом.

Характеристическое рентгеновское излучение генерируется, когда электрон пучка выбивает электрон с внутренней оболочки одного из атомов образца, заставляя электрон с более высокого энергетического уровня перейти на нижний уровень энергии с одновременным испусканием кванта рентгеновского излучения. Обработка спектра характеристического рентгеновского излучения позволяет осуществлять качественный и количественный элементный анализ состава образца.

1938 г.

Manfred von Ardenne применил уже открытые электростатические и электромагнитные линзы (на рисунке сверху они показаны для фокусировки луча в электронно-лучевой трубке) для уменьшения диаметра электронного луча вплоть до 4 нм.

Но ток луча стал таким маленьким (

A, т.е. около 0.1 пА), что усилить его с помощью тёплого лампового усилителя было невозможно: полезный сигнал был гораздо меньше шума.

Пришлось записывать получаемое изображение на просвет (или на отражение) на плёнку, со временем экспозиции около 20 минут. Для наведения фокуса была отдельная система с цельным кристалликом сульфида цинка, рассматриваемого в оптический микроскоп.

1947 г.

Palluel опубликовал работу, в которой экспериментально показал зависимость эмиссии упругоотражённых электронов от атомного номера элемента для электронного луча энергией 20кэВ. Чем больше номер, тем больше эмиссия электронов. Это явилось достаточно важным открытием, но получить первое изображение с контрастом по атомному номеру удалось лишь в 1957 г.

В настоящее время с развитием полупроводниковых детекторов отражённых электронов получить такой контраст не составляет труда. Вот, например, фотография из прошлого видео про антимонид галлия:

Даже при ускоряющем напряжении 15кВ композиционный контраст сильно заметен.

Электронный микроскоп — возможности и принцип работы

Электронный микроскоп — это современное устройство, которое использует электронные лучи для изучения образцов на микроуровне. В отличие от оптического микроскопа, который использует световые лучи, электронный микроскоп позволяет получить более детальные и высококачественные изображения структуры и состава исследуемых объектов.

Принцип работы электронного микроскопа основан на воздействии ускоренных электронов на поверхность образца. При прохождении электронного пучка через образец происходит взаимодействие электронов с атомами и молекулами образца, что позволяет получить информацию о его структуре и составе. Затем электроны отражаются от образца и собираются специальным детектором, который преобразует их в изображение.

Одним из ключевых преимуществ электронного микроскопа является его высокая разрешающая способность. Оптический микроскоп обычно имеет лимит разрешения около 200 нанометров, в то время как электронный микроскоп способен разрешать детали размером всего лишь несколько ангстремов. Это позволяет исследовать структуры на подмикронном уровне, включая атомные решетки, молекулярные структуры и поверхности материалов.

Электронные микроскопы также предоставляют возможность исследования различных типов образцов. Они могут использоваться для изучения биологических объектов, таких как клетки, ткани и организмы, а также для анализа материалов и наноструктур. Благодаря своей высокой разрешающей способности, электронные микроскопы нашли широкое применение в научных и индустриальных исследованиях, медицине, материаловедении и других областях.

Отличия светового микроскопа от электронного

Чем отличается световой микроскоп от электронного?

Метод электронной микроскопии

Данная технология стала основой в создании электронных микроскопов – приборов, в которых для построения изображения используется не световой луч, а поток электронов в вакуумной среде. Роль оптических линз, которые используются в обычных микроскопах, здесь отведена электронному полю. Именно оно и фокусирует электроны. Электромагнитное поле формируется электромагнитными катушками.

Изображение передается на флюоресцирующий экран, где его можно сфотографировать и рассмотреть детально. К изучаемым объектам предъявляется ряд требований:

Разрешающая способность у электронных микроскопов значительно выше, чем у оптических. Величина 0,15 нм (15 А) позволяет получать увеличение в миллионы раз, что идеально подходит для изучения микроскопических объектов.

Виды электронной микроскопии

Выделяют 2 основных вида электронной микроскопии:

В микроскопах, работающих по этой технологии на объект, воздействует пучок ускоренных электронов, обладающих энергией от 50 до 200 кэВ. Те электроны, которые образец не пропустит, будут отклоняться на небольшой угол. И они, и те, которые пройдут через исследуемый объект с незначительными энергетическими потерями, попадают на магнитные линзы. В результате на фотопленке или люминесцентном экране формируется изображение внутренней структуры. Хорошие результаты дает при исследовании ультратонких образцов – менее 0,1 мкм в толщину.

При работе с ПЭМ одна из наиболее важных задач – различать природу контрастов:

Одна из разновидностей ПЭМ – просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения (ВРЭМ). Формируется в случае, когда пучок электронов падает параллельно оси кристаллов в условиях фазового контраста. Позволяет диагностировать даже мельчайшие неоднородности кристаллической решетки.

Сканирующая электронная микроскопия

Сканирующей электронной микроскопией (СЭМ) получают изображения поверхности исследуемого образца с высокой разрешающей способностью. Получают трехмерные картинки, которые будут удобными в процессе изучения структуры. Дополнительно можно использовать методики EDX, WDX, чтобы получить информацию о химическом составе околоповерхностных слоев.

В оборудовании сфокусированный электронный пучок средней энергии сканирует образец. Предусмотрено несколько режимов работы:

Эти методики позволяют не только изучать свойства поверхности, но и получать наглядную информацию о структурах, расположенных на несколько микрон ниже верхнего слоя.

СЭМ может работать только с образами, которые можно погружать в вакуум – твердыми. Жидкие среды предварительно подвергают криозаморозке. Форма и размеры образца ограничиваются только размерами рабочей камеры микроскопа. Эффективность исследования можно повысить путем напыления слоя токопроводящего материала.

Важность понимания отличий между световым и электронным микроскопами

Понимание отличий между световым и электронным микроскопами имеет важное значение для научных исследований и промышленного производства. Оба типа микроскопов имеют свои преимущества и ограничения, и правильный выбор между ними может значительно повлиять на результаты исследования.

Электронный
микроскоп
(англ. — electron
microscope)
– это
прибор для наблюдения
и фотографирования многократно (до
1·106
раз) увеличенного изображения объектов,
в котором вместо световых лучей
используются пучки электронов, ускоренных
до больших энергий (30 — 100 кэВ
и более) в условиях глубокого вакуума.

Просвечивающий
электронный микроскоп (ПЭМ) обладают
самой высокой разрешающей
способностью,
превосходя по этому параметру световые
микроскопы в несколько тысяч раз. Так
называемый предел разрешения,
характеризующий способность прибора
отобразить раздельно мелкие максимально
близко расположенные детали объекта,
у ПЭМ составляет 2 —
3 A°. При благоприятных условиях можно
сфотографировать отдельные тяжёлые
атомы. При фотографировании периодических
структур, таких как атомные плоскости
решёток кристаллов, удаётся реализовать
разрешение менее 1 A°.

Для
определения структуры твердых тел
необходимо использование излучения с
длиной волны λ, меньшей, чем межатомные
расстояния. В электронном микроскопе
с этой целью используют электронные
волны.

Длина
волны де Бройля λB
для электрона, движущегося со скоростью
V

где
p – его импульс, h
— постоянная Планка, m0
— масса покоя электрона, V
– его скорость.

После
простых преобразований получаем, что
длина волны де Бройля для электрона,
движущегося в ускоряющем однородном
электрическом поле с разностью потенциалов
U, равна

Величина
λБ
очень мала что позволяет обеспечивать
высокую разрешающую способность
электронного микроскопа.

Современные
микроскопы имеют разрешающую способность
в (0.1 – 1) нм при энергии электронов (1·104
– 1·105)
эВ, что делает возможным наблюдение
групп атомов и даже отдельных атомов,
точечных дефектов, рельефа поверхности
и т.д.

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 землёй) и без внешних электромагнитных полей.
Образцы в основном должны рассматриваться в вакууме, так как молекулы, составляющие воздух, будут рассеивать электроны.

1942 г.

В тоже самое время над электронным микроскопом работал Владимир Зворыкин. Он сконструировал сканирующий электронный микроскоп в современном его понимании: электронно-оптическая колонна, камера с образцом, вакуумная система. Сканирование по стандарту на ТВ в то время в США: 441 строка, 30 кадр/с. Но при уменьшении диаметра луча меньше 1 микрона ток становился слишком маленьким и в результате усиления был только шум.

Следующей попыткой было увеличить ток луча и применить катод с полевой эмиссией. Для этого опять пришлось вернуться к запаянной стеклянной трубке забыв о смене образцов. Зато удалось экспериментально получить увеличение 8000х.

Вновь вернувшись к сканирующему электронному микроскопу с отключаемой вакуумной системой, Владимир Козьмич предложил следующее решение:

Расположить люминисцентный экран рядом с образцом, а уже затем детектировать испускаемые им фотоны с помощью ФЭУ (разработкой ФЭУ занималась та же компания, в которой работал Зворыкин).

Преимущество этого решения с двойным преобразованием (электроны — фотоны — электроны) в том, что можно уменьшить скорость сканирования и таким образом увеличить соотношение сигнал/шум до необходимого.

Отсюда пошёл режим медленнего сканирования (slow scan), который есть и в современных электронных микроскопах. Но из-за этого режима изображение больше не выводилось в реальном времени, а записывалось специальным факсимильным аппаратом (видимо, производства той же фирмы). И опять возникает та же проблема с настройкой фокуса, но решение ещё раньше предложил von Ardenne: наблюдая одну линию сканирования на осциллографе настраивать фокус так, чтобы преобладали высокие частоты.

Интересно то, что образец имел потенциал +800В, катод был заземлён, а электроны ускорялись анодом до 10кэВ. Таким образом, в люминисцентный экран электроны врезались с энергией 9.2кэВ. Нужно это было для работы четвёртой, иммерсионной электростатической линзы, которая должна была влиять только на вторичные электроны, а не исходный луч.

Характеристики современного растрового микроскопа

Характеристики растрового электронного микроскопа Magellan XHR SEM

0,8 нм при 15 кВ
 0,8 нм при 2 кВ
 0,9 нм при 1 кВ
 1,5 нм при 200 В

0,8 нм при 15 кВ
 0,9 нм при 5 кВ
 1,2 нм при 1 кВ

Первая микрофотография, полученная на СПЭМ, зафиксировала увеличенный в 8000 раз кристалл оксида цинка (ZnO) с разрешением от 50 до 100 нанометров. Изображение составлялось из растра 400х400 точек и для его накопления было необходимо 20 минут. Микроскоп имел две электростатические линзы, окружённые отклоняющими катушками.

В 1942 году, русский эмигрант, физик и инженер Владимир Зворыкин, работавший в то время в лаборатории Radio Corporation of America в Принстоне в США, опубликовал детали первого сканирующего электронного микроскопа, позволяющего проанализировать не только тонкий образец на просвет, но и поверхность массивного образца. Электронная пушка с вольфрамовым катодом эмиттировала электроны, которые затем ускорялись напряжением 10 киловольт. Электронная оптика аппарата была составлена из трёх электростатических катушек, а отклоняющие катушки размещались между первой и второй линзой. Чтобы обеспечить удобство размещения образца и манипулирования им в конструкции РЭМ, электронная пушка располагалась внизу микроскопа (у этой конструкции была неприятная особенность — риск падения образца в колонну микроскопа).

В 1960 году Томас Эверхарт и Ричард Торнли, изобретя новый детектор («детектор Эверхарта — Торнли»), ускорили развитие растрового электронного микроскопа. Этот детектор, крайне эффективный для сбора как вторичных, так и отражённых электронов, становится очень популярным и встречается сейчас на многих РЭМ.

Таймлайн развития электронной микроскопии

Время на прочтение

Эта статья — продолжение серии материалов про электронный микроскоп в гараже. На всякий случай вот ссылка на первый выпуск.

Наш проект подошёл к тому этапу, когда нужен детектор (электронов, вторичных или упруго-отражённых). Но прежде расскажу вам, зачем именно этот детектор нужен и как учёные пришли к его современной конструкции.

Для наглядности сделаем это в виде таймлайна.

1937 г.

Разработаны современные электростатические фотоэлектронные умножители, далее для краткости — ФЭУ. Разработка ФЭУ в США велась корпорацией RCA, в которой также работал и В. Зворыкин над электронным микроскопом.

Пример ФЭУ с подключённой электроникой. Тот самый ФЭУ производства RCA, тип 4517.

ФЭУ — это очень чувствительное устройство, пригодное для регистрации отдельных фотонов. Его коэффициент усиления составляет порядка 100 миллионов.

Принцип действия очень простой. Через входное окно из кварцевого стекла фотоны попадают на фотокатод.

Фотокатод эмитирует электроны, которые летят к специальным электродам — динодам, расположенным последовательно. Коэффициент вторичной эмиссии динодов больше единицы: влетел один электрон, а вылетело больше одного. Таким образом получается лавинообразное увеличение количества электронов, которые в конце достигают анода, с которого и снимается полезный сигнал. Между динодами поддерживается разность потенциалов с помощью резистивного делителя, поэтому ФЭУ и называется электростатическим.

В этом ФЭУ диноды расположены нелинейно:

С момента первой публикации прошёл один год. За это время удалось очень многое узнать, во многом разобраться, и поделиться этим с вами. Познакомиться с очень интересными людьми, которые сильно помогли проекту. И, написать десять статей про электронный микроскоп в гараже.

С наступающим Новым Годом!

1. П.Хокс. Электронная оптика и электронная микроскопия. Москва 1974.
2. T HE SCANNING ELECTRON MICROSCOPE. A Small World of Huge Possibilities.
3. S CANNING ELECTRON MICROSCOPY 1928 — 1965. D. McMullan, Cavendish Laboratory, University of Cambridge, UK.
4. www.rfcafe.com/references/radio-craft/scanning-electron-microscope-september-1942-radio-craft.htm
5. Быков Ю. А., Карпухин С. Д. Растровая электронная микроскопия и рентгеноспектральный микроанализ. Учебное пособие. М ГТУ им. Н.Э. Баумана.

1960 г.

Thomas Everhart и Richard Thornley разработали улучшенный вариант детектора электронов, который и называется в их честь: Детектор Эверхарта-Торнли. Это самый распространённый детектор, используемый в сканирующих электронных микроскопах по сей день. Фактически, сам принцип остался неизменным с 1942 года. Новизна добавилась в детектировании упруго-отражённых электронов, где широко используются полупроводниковые датчики.

Что же такого предложили Everhart и Thornley? Схематично это выглядит так:

В вакуумной камере микроскопа рядом с образцом располагается клетка Фарадея 1. Внутри неё находится люминисцентный экран 3 (сцинтиллятор), излучающий фотоны при попадании электронов. Эти фотоны по световоду 2 выходят за пределы вакуумной камеры и попадают в ФЭУ, где на фотокатоде обратно преобразуются в электроны и многократно усиливаются за счёт эмиссии вторичных электронов на динодах внутри ФЭУ.

Чтобы не делать иммерсионную линзу, как Зворыкин, и не держать предметный столик под потенциалом 800 В, клетка Фарадея 1 выполняет функцию коллектора: на неё подаётся положительный потенциал около 200 — 400 В, который притягивает вторичные электроны с низкими энергиями, но практически не оказывает влияния на основной электронный луч.

Но электроны с энергиями порядка сотен эВ не приведут к возбуждению люминофора и излучению достаточного количества фотонов. Поэтому, на сцинтиллятор 3 (если он металлизирован, если нет, то придётся сделать вокруг него электростатическую линзу) подаётся ускоряющее напряжение порядка +12кВ, что гарантированно возбудит люминофор. Кстати, если бы не было клетки Фарадея 1, то это напряжение оказало бы значительное влияние на основной луч, сильно отклонив его.

Казалось бы, достаточно много лишних преобразований, но «просто это работает».
В начало статьи я вынес фотографию вакуумной части детектора Эверхарта-Торнли, где можно наглядно видеть клетку Фарадея, металлизированный сцинтиллятор, провода, подводящие ускоряющее напряжение и прочее.

А вот так фотоэлектронный умножитель видит

Проводящие (металлические) образцы обычно не требуют специальной подготовки, и могут быть непосредственно помещены в камеру микроскопа. Если требуется, образцы могут подвергаться очистке. Для обозрения внутренней структуры и (или) использования микрорентгеноспектрального анализа могут быть приготовлены шлифы.

Порошки и наночастицы наносятся на зеркального качества поверхности (стекло, пластик, слюда и др.) в виде взвеси в воде или органическом растворителе. После высыхания жидкости образец может быть использован в микроскопе. Порошки с более крупными частицами могут наноситься на проводящий углеродный скотч.

Непроводящие образцы обычно подвергаются напылению тонкого проводящего слоя для снятия заряда и экранирования падающего пучка от накопленного в объёме материала заряда. Для проводящих покрытий чаще всего используют углерод, золото или сплав золота с палладием. Первый полезен для рентгеновского микроанализа. Напыление золота или сплава на его основе позволяет получать микрофотографии с бо́льшим увеличением и контрастом (чаще всего без собственной визуализации). Если невозможно напыление плёнки на образец, то в РЭМ с переменным вакуумом возможно снятие заряда с образца ионами вводимых в камеру газов (обычно водяные пары или азот). Накопления заряда на образце так же можно избежать при работе при низких ускоряющих напряжениях (обычно порядка 1 кВ).

Биологические образцы должны быть химически зафиксированы, дегидратированы в сериях растворов спирта или ацетона с увеличивающейся от 30-50 % до 100 % концентрацией, затем спирт (или ацетон) должен быть удален из образца в специальном аппарате, в котором спирт замещается на жидкую двуокись углерода, которая переводится в газообразное состояние посредством перехода через критическую тройную точку.

Пространственное разрешение сканирующего электронного микроскопа зависит как от диаметра электронного пучка, так и от размера области взаимодействия электронного зонда с образцом. Размер электронного зонда и размер области взаимодействия зонда с образцом намного больше расстояния между атомами мишени. Хотя разрешение растровых электронных микроскопов уступает разрешению просвечивающих микроскопов, они имеют ряд преимуществ, таких как возможность изучения топографии образца, визуализация сравнительно большой области образца, исследование массивных объектов (а не только тонких плёнок), набор аналитических методов, позволяющих измерять состав и свойства изучаемого объекта.

Как правило, наилучшее разрешение может быть получено при использовании вторичных электронов, наихудшее — в характеристическом рентгеновском излучении. Последнее связано с большим размером области возбуждения излучения, в несколько раз превышающим размер электронного зонда. При использовании режима низкого вакуума разрешение несколько ухудшается.