Elektronový mikroskop

Elektronový mikroskop (EM) je zařízení, které umožňuje získat obraz předmětů s maximálním zvětšením až 10 6krát , díky použití, na rozdíl od optického mikroskopu, místo světelného toku elektronového paprsku s energiemi 200 eV  - 400 keV nebo více (například rozlišení transmisních elektronových mikroskopů s urychlovacím napětím 1 MV ) .

De Broglieho vlnová délka elektronů urychlených v elektrickém poli s potenciálovým rozdílem 1000 V je 0,4 Å , což je mnohem méně než vlnová délka viditelného světla [1] . Výsledkem je, že rozlišení elektronového mikroskopu může překročit rozlišení tradičního optického mikroskopu více než 10 000krát . Pro získání obrazu v elektronovém mikroskopu se používají speciální magnetické čočky , které řídí pohyb elektronů ve sloupci zařízení pomocí elektromagnetického pole .

Historie vývoje elektronového mikroskopu

V roce 1931 získal R. Rudenberg patent na transmisní elektronový mikroskop a v roce 1932 M. Knoll a E. Ruska postavili první prototyp moderního přístroje. Tato práce E. Ruska byla v roce 1986 oceněna Nobelovou cenou za fyziku, která byla udělena jemu a vynálezcům rastrovacího sondového mikroskopu Gerdu Karlu Binnigovi a Heinrichu Rohrerovi . Použití transmisního elektronového mikroskopu pro vědecký výzkum začalo na konci třicátých let a ve stejné době se objevil první komerční přístroj postavený společností Siemens .

Koncem 30. a začátkem 40. let se objevily první rastrovací elektronové mikroskopy, které vytvářejí obraz předmětu postupným pohybem elektronové sondy malého průřezu po předmětu. Masové používání těchto zařízení ve vědeckém výzkumu začalo v 60. letech 20. století, kdy dosáhly výrazné technické dokonalosti.

Významným skokem (v 70. letech) ve vývoji bylo použití Schottkyho katod a katod s emisí studeného pole místo termionických katod, ale jejich použití vyžaduje mnohem větší vakuum .

Koncem 90. let a začátkem 21. století počítačová technologie a použití CCD detektorů značně zjednodušily digitální zobrazování.

V posledním desetiletí moderní pokročilé transmisní elektronové mikroskopy používaly korektory pro sférické a chromatické aberace, které vnášejí do výsledného obrazu velká zkreslení. Jejich použití však může výrazně zkomplikovat používání zařízení.

V roce 2018 se americkým vědcům podařilo dosáhnout rozlišení elektronového mikroskopu 3,9 * 10 −11  m [2] .

Typy zařízení

Transmisní elektronová mikroskopie

Transmisní elektronový mikroskop (TEM) využívá k vytvoření obrazu vysokoenergetický elektronový paprsek. Elektronový paprsek je vytvářen pomocí katody (wolfram, LaB 6 , Schottkyho nebo emise studeného pole). Výsledný elektronový paprsek je obvykle urychlen na 80–200 keV (používají se různá napětí od 20 kV do 1 MV), je fokusován systémem magnetických čoček (někdy elektrostatické čočky ), prochází vzorkem tak, že část elektronů je rozptýlené na vzorku a některé nejsou. Elektronový paprsek procházející vzorkem tedy nese informaci o struktuře vzorku. Dále paprsek prochází soustavou zvětšovacích čoček a vytváří obraz na luminiscenčním stínítku (obvykle ze sulfidu zinečnatého), fotografické desce nebo CCD kameře.

TEM rozlišení je omezeno především sférickou aberací . Některé moderní TEM mají korektory sférické aberace .

Hlavní nevýhodou TEM je nutnost velmi tenkého vzorku (řádově 100 nm) a nestabilita (rozklad) vzorků pod paprskem.

Transmisní rastrovací (skenovací) elektronová mikroskopie (SEM)

Jeden typ transmisní elektronové mikroskopie (TEM); existují však zařízení, která fungují výhradně v režimu PREM. Elektronový paprsek prochází relativně tenkým vzorkem, ale na rozdíl od konvenční transmisní elektronové mikroskopie je elektronový paprsek zaostřen do bodu, který se pohybuje po vzorku podél rastru.

Rastrová (skenovací) elektronová mikroskopie

Je založen na televizním principu rozmítání tenkého elektronového paprsku po povrchu vzorku.

Barvení

Ve svých nejběžnějších konfiguracích vytvářejí elektronové mikroskopy obrazy se samostatnou hodnotou jasu na pixel, přičemž výsledky se obvykle zobrazují ve stupních šedi . [3] Často jsou však tyto obrázky obarveny pomocí softwaru nebo jednoduše ruční úpravou pomocí editoru obrázků. To se obvykle provádí pro estetický efekt nebo pro upřesnění struktury a obvykle nepřidává informace o vzoru. [čtyři]

V některých konfiguracích lze shromáždit více informací o vlastnostech vzorku na pixel pomocí více detektorů. [5] V SEM mohou být atributy topografie a topografie materiálu zachyceny pomocí dvojice elektronických detektorů odrazivosti a takové atributy mohou být superponovány do jednoho barevného obrazu, přičemž každému atributu jsou přiřazeny různé primární barvy. [6] Analogicky mohou být různé barvy přiřazeny kombinacím odraženého a sekundárního elektronického signálu a superponovány na jeden barevný mikrosnímek, současně zobrazující vlastnosti vzorku. [7]

Některé typy detektorů používaných v SEM mají analytické schopnosti a mohou poskytovat více datových položek na pixel. Příklady jsou detektory používané v elementární analýze a katodoluminiscenční mikroskopické systémy, které analyzují intenzitu a spektrum elektrony stimulované luminiscence (jako např. v geologických vzorcích). V systémech SEM je použití těchto detektorů běžné pro barevné kódování signálů a jejich překrývání do jednoho barevného obrazu, takže lze jasně vidět a porovnávat rozdíly v distribuci různých složek vzorku. Kromě toho může být sekundární elektronický zobrazovací standard kombinován s jedním nebo více kompozičními kanály, takže lze porovnat strukturu a složení vzorku. Takové snímky lze pořizovat při zachování úplné integrity původního signálu, který se nijak nemění.

Nevýhody

Elektronové mikroskopy jsou nákladné na výrobu a údržbu, ale celkové a provozní náklady konfokálního optického mikroskopu jsou srovnatelné se základními elektronovými mikroskopy. Mikroskopy zaměřené na dosažení vysokých rozlišení musí být umístěny ve stabilních budovách (někdy pod zemí) a bez vnějších elektromagnetických polí. Vzorky by měly být obecně uvažovány ve vakuu, protože molekuly, které tvoří vzduch, rozptýlí elektrony. Rastrovací elektronové mikroskopy pracující v obvyklém režimu vysokého vakua typicky zobrazují vodivý vzorek; Proto nevodivé materiály vyžadují vodivý povlak (zlato/palladium, uhlíková slitina, osmium atd.). Nízkonapěťový režim moderních mikroskopů umožňuje pozorovat nevodivé vzorky bez povlaku. Nevodivé materiály lze také zobrazit rastrovacím elektronovým mikroskopem s proměnným tlakem (nebo prostředím).

Aplikace

Největší světoví výrobci elektronových mikroskopů

• Coxem - Korea

Viz také

• Nízkonapěťový elektronový mikroskop
• Mikroskop
• Mikroskopie
• Metoda repliky (mikroskopie)
• Pomalá elektronová mikroskopie
• Skenovací heliový iontový mikroskop
• Reflexní mikroskopie

Poznámky

1. ↑ Yavorsky B. M. , Pinsky A. A. Fundamentals of Physics. Svazek 2. - M., Nauka , 1974. - Náklad 169 000 výtisků. - S. 180
2. ↑ Rachel Courtlandová. Revoluce mikroskopů, která se šíří vědou o materiálech (EN) // Příroda. — 2018-11-21. - T. 563 . - S. 462 . - doi : 10.1038/d41586-018-07448-0 .
3. ↑ Burgessi, Jeremy. Under the Microscope: A Hidden World Revealed  (anglicky) . - Cambridge University Press , 1987. - S. 11. - ISBN 0-521-39940-8 .
4. ↑ Úvod do elektronové mikroskopie 15. FEI Company. Staženo: 12. prosince 2012. (neurčitý)
5. ↑ Antonovsky, A. Aplikace barev na sem imaging pro větší rozlišení  //  Micron and Microscopica Acta : journal. - 1984. - Sv. 15 , č. 2 . - str. 77-84 . - doi : 10.1016/0739-6260(84)90005-4 .
6. ↑ Danilatos, GD Barevné mikrofotografie pro signály zpětně odražených elektronů v SEM  //  Scanning : journal. - 1986. - Sv. 9 , č. 3 . - S. 8-18 . - doi : 10.1111/j.1365-2818.1986.tb04287.x .
7. ↑ Danilatos, GD Environmentální rastrovací elektronová mikroskopie v barvě  (nedefinováno)  // J. Microscopy. - 1986. - T. 142 . - S. 317-325 . - doi : 10.1002/sca.4950080104 .

Odkazy

Literatura

• Elektronový mikroskop / P. A. Stoyanov // Bookplate - Yaya. - M .  : Sovětská encyklopedie, 1978. - ( Velká sovětská encyklopedie  : [ve 30 svazcích]  / šéfredaktor A. M. Prochorov  ; 1969-1978, sv. 30).
• Elektronová mikroskopie / A. E. Lukyanov // Bookplate - Yaya. - M .  : Sovětská encyklopedie, 1978. - ( Velká sovětská encyklopedie  : [ve 30 svazcích]  / šéfredaktor A. M. Prochorov  ; 1969-1978, sv. 30).
• Využití elektronové mikroskopie v biologii / N. A. Starosvetskaya, Ya. Yu. Komissarchik // Bookplate — Yaya. - M .  : Sovětská encyklopedie, 1978. - ( Velká sovětská encyklopedie  : [ve 30 svazcích]  / šéfredaktor A. M. Prochorov  ; 1969-1978, sv. 30).

Slovníky a encyklopedie	Velká dánština Skvělý norský Velký Rus okolo světa Britannica (online) Britannica (online) Universalis
V bibliografických katalozích	BNF : 119811272 J9U : 987007538457205171 NDL : 00561446