Просвечивающий электронный микроскоп

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Поперечный срез клетки бактерии сенной палочки, снятый при помощи аппарата «Tecnai T-12». Масштаб шкалы — 200 нм

Просвечивающий (трансмиссионный) электронный микроскоп (ПЭМ) — устройство для получения изображения ультратонкого образца путём пропускания через него пучка электронов. Ультратонким считается образец толщиной порядка 0.1 мкм. Прошедший через вещество образца пучок электронов увеличивается магнитными линзами (объективом) и регистрируется на флуоресцентном экране, фотоплёнке или сенсорном приборе с зарядовой связью (на ПЗС-матрице).

История[править | править вики-текст]

Первый практический ПЭМ; экспозиция в музее Мюнхена (Германия)

Первый ПЭМ создан немецкими инженерами-электронщиками Максом Кноллем и Эрнстом Руской 9 марта 1931 года. Первый практический ПЭМ был построен Альбертом Пребусом и Дж. Хиллиером в университете Торонто (Канада) в 1938 году на основе принципов, открытых ранее Кноллем и Руской. В 1986 году Эрнсту Руске за создание ПЭМ была присуждена Нобелевская премия.

Основы[править | править вики-текст]

Теоретически максимально возможное разрешение в оптическом микроскопе ограничено:

 d=\frac{\lambda}{2n \sin\alpha} \approx \frac{\lambda}{2\,\textrm{NA}}

В начале XX века ученые обсуждали вопрос преодоления ограничений относительно большой длины волны видимого света (длины волн 400-700 нанометров) путём использования электронов. Поток электронов в электронном микроскопе создаётся посредством термоэлектронной или полевой эмиссии. В первом случае при высокой температуре электроны испускаются проволокой из вольфрама (см. нить накаливания) или монокристаллом гексаборида лантана. Затем электроны ускоряются высокой разностью потенциалов и фокусируются на образце электромагнитными (или реже — электростатическими) линзами. Прошедший через образец луч электронов содержит информацию об электронной плотности, фазе и периодичности; эти данные используются при формировании изображения.

Компоненты[править | править вики-текст]

В состав ПЭМ входят следующие компоненты:

  • вакуумная система для удаления воздуха и увеличения таким образом длины свободного пробега электронов;
  • предметный столик: держатель образца, механизмы для изменения положения держателя и шлюзы;
  • источник электронов: электронный прожектор или электронная пушка для генерирования потока (пучка) электронов;
  • источник высокого напряжения для ускорения электронов;
  • апертуры ограничивающие расходимость электронного пучка;
  • набор электромагнитных линз (и иногда электростатических пластин) для управления и контроля электронного луча;
  • экран, на который проецируется увеличенное электронное изображение (постепенно выходит из употребления и заменяется детекторами цифрового изображения).

ПЭМ может включать дополнительные системы, например, сканирующую приставку, позволяющую работать в режиме растрового ПЭМ (см. растровый электронный микроскоп).

Вакуумная система[править | править вики-текст]

Вакуумная система служит для откачки воздуха до низкого давления (обычно до 10-4 Па[1]) из области, в которой проходит пучок электронов. Применяется для уменьшения частоты столкновений электронов с атомами газа до незначительного уровня (увеличение длины свободного пробега).

Вакуумная система откачки до рабочего давления состоит из нескольких ступеней:

  1. роторный или мембранный насос;
  2. турбомолекулярный или диффузионный (англ.) насос.
  3. Гетероинные насосы для откачки электронной пушки полевой эмиссии (если таковая присутствует)

С помощью насоса 1-й ступени достигается давление, требуемое для работы насоса 2-й ступени (низкий вакуум). Насос 2-й ступени доводит давление до необходимой рабочей величины.

Части ПЭМ могут быть разделены:

  • специальной апертурой (англ. pressure-limiting aperture), пропускающей электронный пучок, но затрудняющей обмен остаточными газами между частями вакуумной системы;
  • запорным клапаном (англ. gate valve) для полного обособления частей микроскопа.

Это может использоваться для создания в отдельных областях различного уровня вакуума (например, ПЭМ с автоэмиссией может оснащаться отдельной системой откачки воздуха из области электронной пушки для создания высокого вакуума 10-4…10-7 Па и выше; система откачки может включать гетероионный насос).

Предметный столик[править | править вики-текст]

Предметный столик предназначен для удерживания образца во время облучения электронами и состоит из следующих элементов:

  • держатель образца;
  • механизмы для изменения положения держателя (поворот, наклон);
  • шлюзы, позволяюшие вводить держатель с образцом в вакуумную среду ПЭМ с минимальным увеличением давления.

Образцы либо помещаются на сетку, либо вырезаются по форме держателя (самоподдерживающиеся образцы).

Держатель приспособлен для фиксации как сеток, так и самоподдерживаемых образцов стандартного размера. Стандартный диаметр ПЭМ сетки — 3.05 мм.

Сетка для поддержки образцов ПЭМ со срезом, полученным с помощью ультрамикротома

Электронная пушка[править | править вики-текст]

Электронная пушка предназначена для создания пучка электронов с помощью термоэлектронной (термоэлектронные пушки) или полевой (автоэмиссионные пушки) эмиссии.

Термоэлектронная электронная пушка[править | править вики-текст]

Катод из монокристалла LaB6 (гексаборид лантана):
coupling/mounting legs — соединителььные/опорные ножки;
insulation — изоляция;
single crystal LaB filament — нить из монокристалла LaB6
Вольфрамовый катод в форме шпильки:
mounting/coupling connector — опорные/соединительные провода;
support — опора;
tungsten filamentвольфрамовая нить

Термоэлектронная пушка состоит из трёх элементов:

Принцип работы цилиндра Венельта:
wehnelt — цилиндр Венельта;
filamentнить, катод;
crossover — точка пересечения траекторий электронов;
beam current — пучок электронов

При нагреватии вольфрамовая нить или заостренный кристалл гексаборида лантана испускают (эмитируют) электроны (см. термоэлектронная эмиссия). Ускоряясь под действием разности потенциалов (напряжение смещения) значительная часть электронов проходит через отверстие в венельте. Изменяя напряжение смещения можно регулировать эмиссионный ток. Чем больше напряжение смещения, тем меньше площадь участка катода, испускающего электроны, тем меньше эмиссионный ток.

Прошедшие через апертуру (отверстие) цилиндра Венельта электроны пересекаются в точке называемой кроссовером и являющейся виртуальным источником электронов в оптической системе микроскопа.

Автоэмиссионная электронная пушка[править | править вики-текст]

Различают автоэмиссионные пушки:

Катоды первых обычно состоят из вольфрамовой нити. Диаметр кончика нити — 100 нм.

Катоды вторых работают аналогично катодам термоэлектронных пушек, но находятся под воздействием электрического поля, понижающего энергетический барьер (эффект Шоттки).

Апертуры[править | править вики-текст]

Апертуры представляют собой металлические пластины с отверстиями для прохождения электронов. Толщина пластин подбирается так, чтобы сквозь отверстия проходили только электроны, отклоняющиеся от оптической оси не более чем на выбранный угол.

Подготовка образцов[править | править вики-текст]

Подготовка образцов для ПЭМ может быть комплексной процедурой. ПЭМ образцы должны иметь толщину 20-200нм. Высокое качество образцов будет при толщине сравнимой со средней длинной свободного пробега электронов в образце, которая может быть всего несколько десятков нанометров.

Материалы, имеющие достаточно малые размеры, чтобы быть прозрачными в электронном пучке, такие как порошки или нанотрубки, могут быть быстро приготовлены нанесением крошечного количества вещества на поддерживающую сетку или пленку.

Образцы материалов[править | править вики-текст]

Главная задача при подготовке образцов материалов - получить достаточно тонкие образцы с миниальными повреждениями структуры.

Механическое утончение[править | править вики-текст]

Механическая полировка может использоваться для подготовки образцов. Полировка должна быть высокого качества, чтобы быть уверенным, что образец имеет постоянную толщину в изучаемой области.

Химическое травление[править | править вики-текст]

Ионное травление[править | править вики-текст]

Как правило применяется в качестве финальной обработки после механического или химического утоньшения. Заключается в распылении материала образца бомбардировкой ионами инертных газов, обычно аргона.

Метод реплик[править | править вики-текст]

Получил широкое распространение на заре ПЭМ в связи со сложностью других методов пробоподготовки.

Биологические образцы[править | править вики-текст]

Биологические образцы должны быть обезвожены или заморожены (жидкая вода не совместима с вакуумом в микроскопе) и разрезаны на тонкие пластины.

Традиционный метод[править | править вики-текст]

Традиционное приготовление биологических образцов для ПЭМ включает в себя процедуры, позволяющие сохранить морфологию тканей при их подготовки для наблюдения в условиях высокого вакуума. Образцы должны быть достаточно маленькими, чтобы позволить быстрое проникновение химических реагентов по всей толщине ткани (по крайней мере в одном из направлений их размер не должен превышать 0,7 мм). Образцы подвергаются химической фиксации (обычно альдегидами), вторичной фиксации в четырехокиси осмия, и затем обезвоживаются в органических растворителях (спирте или ацетоне). Обезвоженные образцы пропитываются эпоксидными смолами, которые затем полимеризуются. Получающиеся твердые блоки из смол с заключенными в них образцами, режутся на ультрамикротомах с помощью алмазных (реже – стеклянных) ножей на срезы толщиной 20-100 нанометров. Срезы помещаются на специальные сетки (диаметром 3 мм) и контрастируются соединениями тяжелых элементов (урана, свинца, вольфрами и др.).

Крио микроскопия[править | править вики-текст]

Методы визуализации[править | править вики-текст]

Формирование контраста[править | править вики-текст]

Формирование контраста в ПЭМ в основном зависит от режима работы.

Светлое поле[править | править вики-текст]

Базовый режим в ПЭМ - это режим светлого поля. В этом режиме контраст формируется рассеиванием и поглощением электронов образцом. Области образца с большей толщиной и большим атомным номером выглядят темнее, тогда как области без образца в пучке электронов - светлыми (поэтому режим называется светлопольным).

Дифракционный контраст[править | править вики-текст]

Часть электронов, проходящих через кристаллический образец, рассеивается согласно закону Брэгга, формируя так называемый дифракционный контраст. Дифракционный контраст особо полезен при изучении дефектов кристаллической решетки.

EELS[править | править вики-текст]

Фазовый контраст[править | править вики-текст]

Дифракция[править | править вики-текст]

Дифракционная картина в направлении <110> с двойникового зерна ГЦК аустенитной стали

Трехмерная визуализация[править | править вики-текст]

Трехмерная модель реконструируется из серии изображений, полученных с одной и той же части образца под разными углами.

См. также[править | править вики-текст]

Литература[править | править вики-текст]

  • Я. С. Уманский, Ю. А. Скаков, А. Н. Иванов, Л. Н. Расторгуев. Кристаллография, рентгенография и электронная микроскопия. — М.: Металлургия, 1982, 632 с.
  • Д. Синдо. Т. Оикава. Аналитическая просвечивающая электронная микроскопия. — М.: Техносфера, 2006, 256 с. ISBN 5-94836-064-4.

Примечания[править | править вики-текст]

Ссылки[править | править вики-текст]