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 входяд следующие компоненты:

  • вакуумная система для увеличения длины свободного пробега электронов и предотвращения возникновения электрической дуги;
  • 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 — перегородки в вакуумной системе;
  • набор электромагнитных линз и 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[1]:

  • предотвращения возникновения электрической дуги при создании значительной разности потенциалов между катодом и землёй;
  • уменьшения частоты столкновений электронов с атомами газа до незначительного уровня (уменьшения длины свободного пробега).

Вакуумная система не обеспечивает постоянной герметичности, так как держатель образца, картриджи плёнок и другие составляющие ПЭМ требуют регулярной замены. Вместо этого имеется возможность переоткачки — система оснащена несколькими устройствами откачки и шлюзами.

Вакуумная система откачки до рабочего давления состоит из нескольких ступеней:

  1. роторный или мембранный насос;
  2. турбомолекулярный или диффузионный (англ.) насос.

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 высокого разрешения или 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.

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

Шлюзы позволяют вводить держатель с образцом в вакуумную среду ПЭМ с минимальным увеличением давления.

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

После замыкания электрической цепи нить (англ. filament) накала (катод) нагревается и начинает испускать (эмитировать) поток электронов (см. термоэлектронная эмиссия). Поток электронов проходит через отверстие в венельте. Изменяя разность потенциалов между катодом и венельтом — напряжение смещения, можно регулировать эмиссионный ток. Чем больше напряжение смещения, тем меньше площадь участка катода, испускающего электроны, тем меньше эмиссионный ток.

Траектории электронов, прошедших через отверстие в венельте, искажаются и пересекаются в одной точке, называемой «кроссовер» (англ. crossover). В оптической системе ПЭМ именно эта точка считается источником электронов (а не катод).

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]

Разделяют образцы:

Операции, выполняемые для подготовки твёрдых образцов:

  • механическое утоньшение: полировка;
  • химического утоньшение: травление;
    • ионное травление — бомбардировка образца под малыми углами к его поверхности ионами инертных газов (обычно аргона). Применяется в качестве финальной обработки после механического или химического утоньшения;
  • метод реплик. Широко распротранён из-за простоты реализации по сравнению с другими методами.

Цели обработки:

  • утоньшение образца до 20-200 нм, а в идеале — до толщины, сравнимой со средней длинной свободного пробега электронов в образце (порядка 10 нм);
  • обеспечение постоянства толщины в области облучения.

Операции, выполняемые для подготовки мягких образцов:

  • традиционный метод:
    1. нарезание. Цель: сохранение морфологии тканей и обеспечение размера среза в одном из направлений не более 0.7 мм для быстрого проникновения химических реагентов по всей толщине ткани;
    2. химическая обработка:
      1. первичная химическая фиксация (обычно альдегидами);
      2. вторичная химическая фиксация в четырёхокиси осмия;
      3. обезвоживание в органических растворителях (спирте или ацетоне);
      4. пропитывание эпоксидными смолами;
      5. полимеризация;
    3. разрезание блоков на ультрамикротомах с помощью алмазных (реже – стеклянных) ножей на срезы толщиной 20-100 нм;
    4. добавление соединений тяжёлых элементов (урана, свинца, вольфрами и др.) для повышения контраста получаемого изображения;
  • крио микроскопия.

Подготовки не требуют материалы, имеющие достаточно малые размеры, прозрачные для электронного пучка, например, порошки, нанотрубки. Такие материалы наносятся на сетку или плёнку.

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]

Дифракция 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]