Электронная микроскопия

Электронный микроскоп

Подробности Категория: Фотометрия 27.02.2015 10:14 6792

Разрешающая способность оптического микроскопа ограничена длиной световой волны. С его помощью можно наблюдать детали размером 0,1 — 0,2 мкм. Но этого недостаточно, чтобы видеть молекулы, атомы, или другие объекты, размеры которых значительно меньше. С этой задачей легко справляется электронный микроскоп.

Устройство и принцип действия электронного микроскопа

Чтобы увеличить разрешающую способность микроскопа, нужно уменьшить длину волны, освещающей исследуемый объект. Поэтому вместо световых лучей в электронном микроскопе  используются электроны, длина волны которых в тысячи раз меньше длины волны фотонов. Разрешающая способность электронного микроскопа превосходит разрешение оптического микроскопа в 1000 — 10000 раз.

Принцип получения изображения в электронном микроскопе такой же, как и у оптического. Но в  отличие от оптического микроскопа, где световым лучом управляют линзы, находящиеся в объективе и окуляре, в электронном микроскопе это делается с помощью магнитных линз.

Магнитные линзы — это электромагниты, создающие сильные неоднородные электромагнитные поля. Изменяя силу тока, можно управлять магнитными полями и менять траекторию электронов, направляя их поток на исследуемый образец. 

[attention type=yellow]

В электронном микроскопе поток электронов падает на образец сверху, а изображение получается внизу.

[/attention]

Корпус электронного микроскопа представляет собой металлическую трубу. В её верхней части расположен источник электронов. Это вольфрамовая нить накала, называемая катодом. На неё подаётся высокое напряжение, и начинается излучение электронов с поверхности катода.

Пучок электронов ускоряется с помощью высокой разности потенциалов между катодом и анодом. Для этой цели используется напряжение от 20 кВ до 1 мВ. Далее ускоренный поток фокусируется и направляется  системой магнитных линз на исследуемый образец.  Пройдя через него, он попадает в систему увеличивающих магнитных линз.

Вся эта система называется электронной колонной.

Так как наш глаз не может воспринимать электронные пучки, то изображение создается на люминесцентном экране либо фиксируется на фотопластинке или цифровой камере.

Чтобы электроны не рассеивались в результате столкновений с молекулами воздуха, внутри колонны создаётся вакуум.

Виды электронных микроскопов

Существует 2 основных вида электронных микроскопов: просвечивающий электронный микроскоп и растровый электронный микроскоп.

Просвечивающий, или трансмиссионный, электронный микроскоп создаёт изображение исследуемого ультратонкого образца (толщиной порядка 0,1 мкм), пропуская через него пучок электронов.

Часть электронов при этом рассеивается на образце, а часть проходит через него и затем увеличивается магнитными линзами, выполняющими роль объектива.

Изображение регистрируется на экране или фиксируется на фотоплёнке.

Пучок электронов создаётся электронной пушкой. Пушки бывают термоэлектронными и автоэмиссионными.

В термоэлектронной пушке электроны вырываются с поверхности катода (вольфрамовой нити накала или заострённого кристалла гексаборида лантана) при нагревании. Причём чем выше температура, тем больше число вырвавшихся электронов.

В автоэмиссионной пушке электроны испускаются с поверхности катода (вольфрамовой нити) под действием внешнего электрического поля.

В растровом электронном микроскопе пучок электронов попадает на исследуемый объект таким же образом, как и в просвечивающем микроскопе.

[attention type=red]

Но в отличие от него узкий электронный луч не проходит сквозь образец, а сканирует (обегает) каждую его точку, перемещаясь последовательно  по горизонтальным строчкам, точка за точкой, строка за строкой. Усиленный сигнал синхронно передаётся на кинескоп.

[/attention]

Этот процесс напоминает работу электронно-лучевой трубки в телевизоре. В современных растровых микроскопах изображение выдаётся в цифровой форме.

В растровом микроскопе, как и в просвечивающем, электронный луч образуется электронной пушкой. В электронной колонне он фокусируется и направляется на объект, расположенный на предметном столике. Столик может вращаться в трёх направлениях.

Попадая на поверхность исследуемого образца, электроны взаимодействуют с ней. Часть электронов отражается от поверхности. А часть, получив энергию от электронного пучка, может оторваться от поверхности. Такие электроны называются вторичными. Информация, которую они несут, используется для анализа поверхности и состава образца.

Применение электронных микроскопов

Патент на первый просвечивающий электронный микроскоп был получен в 1931 г. немецким физиком Р. Рутенбергом. А первый такой прибор создали в 1932 г. Эрнст Август Руска и М. Кнолль.

Он давал 400-кратное увеличение, которое было меньшим, чем у оптических микроскопов. Но в его конструкции использовались катушки индуктивности вместо стеклянных линз.

Это был прототип современного электронного микроскопа.

В конце 30-х годов фирма Siemens создала первую промышленную модель просвечивающего микроскопа, который позволял исследовать внутреннюю структуру вещества.

Первый растровый микроскоп начали производить в середине 60-х годов прошлого века, хотя изобрели его ещё в 1952 г. С его помощью можно получить информацию о рельефе поверхности, составе частиц и даже о химическом составе вещества.

Благодаря высокой разрешающей способности, электронные микроскопы нашли широкое применение в микробиологии, медицине, фармакологии, вирусологии.

Они дали возможность получать 3-хмерные изображения микроскопических структур (электронная томография), контролировать качество лекарственных препаратов, изучать воздействие токсинов на организмы. Незаменимы они в промышленности.

Их используют для получения двухмерных и трёхмерных микрохарактеристик образцов, в микротехнологиях: травлении, полировке, легировании, литографии и др. 

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.

[attention type=green]

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.

[/attention]

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.

Просвечивающая электронная микроскопия[ | ]

Основная статья: Просвечивающий электронный микроскоп

В просвечивающем электронном микроскопе используется высокоэнергетический электронный пучок для формирования изображения. 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)[ | ]

Основная статья: Просвечивающий растровый электронный микроскоп

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[ | ]

Основная статья: Растровый электронный микроскоп

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

Окрашивание[ | ]

Основная статья: Растровый электронный микроскоп

В своих наиболее распространенных конфигурациях, электронные микроскопы дают изображения с отдельным значением яркости на каждый пиксель, с результатами, как правило, изображенными в оттенках серого.

[2] 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. [3]

Ультраструктура неонатальных кардиомиоцитов после аноксии-реоксигенации

В некоторых конфигурациях о свойствах образца можно собрать больше информации на каждый пиксель, благодаря использованию нескольких детекторов.

[4] 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.

[5] По аналогии, сочетаниям отраженного и вторичного электронного сигнала могут быть присвоены различные цвета и наложены на один цветной микрограф, одновременно показывающий свойства образца. [6]

Изображение муравья в сканирующем электронном микроскопе[attention type=yellow]

Некоторые типы детекторов, используемых в СЭМ, имеют аналитические возможности и могут обеспечить несколько элементов данных на каждом пикселе.

[/attention]

Примерами являются детекторы, 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.

Раскрашенное изоборажение (PЭМ) фильтрующих щетинок антарктического криля

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.

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 Редактирование схем Метрология 3D Анализ дефектов Анализ неисправностей Биология и биологические науки

Научные исследования Квалификация материалов Подготовка материалов и образцов Создание нанопрототипов Нанометрология Тестирование и снятие характеристик устройств Исследования микроструктуры металлов Промышленность

Основные мировые производители электронных микроскопов[ | ]

Этот раздел имеет чрезмерный объём или содержит маловажные подробности.Если вы не согласны с этим, пожалуйста, покажите в тексте существенность излагаемого материала. В противном случае раздел может быть удалён. Подробности могут быть на странице обсуждения.

Delong Group — Чехия KYKY — Китай Nion Company — США FOCUS GmbH — Германия ОАО «SELMI» — Украина

Ссылки[ | ]

Электронная микроскопия алюминия

Световая микроскопия, конечно, является «рабочей лошадкой» алюминиевой промышленности.

Именно она в основном дает возможность оперативного выявления причин отклонений от установленных критериев качества материала алюминиевой продукции.

 Вместе с тем, возможности световой микроскопии ограничены как по увеличению, так и по глубине фокусирования некоторых микрообъектов в микроструктуре алюминиевых сплавов.

В таких случаях световую микроскопию дополняет или замещает электронная микроскопия.

Электронная микроскопия способна производить микрохимического анализ различных компонентов сплавов, что очень важно для оценки полноты прохождения различных технологических процессов, таких как гомогенизация слитков, обработка на твердый раствор, искусственное старение.

Настоящий анализ причин разрушения алюминиевых изделий — в ходе изготовления или в эксплуатации  — невозможен без результатов тщательной сканирующей электронной микроскопии поверхности излома.

Электронная микроскопия – сканирующая и просвечивающая

Электронная микроскопия является мощным инструментом, который позволяет анализировать микроструктуру, химический состав и кристаллическую структуру многих материалов, в том числе, алюминия и алюминиевых сплавов, на площади менее 1 мкм. По методам исследования электронная микроскопия подразделяется на:

• сканирующую (растровую) электронную микроскопию и
• просвечивающую (трансмиссионную) электронную микроскопию.

Прав ли ГОСТ 21006-75?

Действующий ГОСТ 21006-75 «Микроскопы электронные. Термины, определения и буквенные обозначения» назначает правильным термином «растровый электронный микроскоп». При этом английским аналогом этого термина указывает «scanning electron microscope», а немецким – «Rasterelektronenmikroskop».

Более популярный в технической литературе, особенно переводной, термин «сканирующий электронный микроскоп» ГОСТ 21006-75 считает не допустимым и приводит только для справки.

Тот же ГОСТ 21006-75 считает правильным термин «просвечивающий электронный микроскоп», а термин «трансмиссионный электронный микроскоп» — недопустимым к применению термином-синонимом.

На основании опыта общения с русскоязычными инженерами и учеными, а также учитывая возросший с 1975 года авторитет английского языка и для улучшения понимания с зарубежными коллегами и партнерами, будем далее придерживаться следующих терминов:

• сканирующий электронный микроскоп и
• просвечивающий электронный микроскоп.

Рисунок – Схема устройства электронных микроскопов – сканирующего (б) и просвечивающего (в) – по сравнению  со световым микроскопом (а)
(Light and Electron Microscopy / E. M. Slayter, H. S. Slayter / Cambridge University Press, 1997)

Чем отличаются электронные микроскопы – сканирующий и просвечивающий?

На рисунке схематически показаны сходства и различия трех типов микроскопов — светового, просвечивающего и сканирующего.

Сканирующий электронный микроскоп основан на сканировании поверхности образца сфокусированным сходящимся электронным лучом-пучком. Этот луч очень тонкий.  Площадь его поперечного сечения намного меньше, чем площадь, которую сканирует.  Микроскопическое изображение строится на основе улавливания и измерения сигналов, которые возникают при взаимодействии электронного пучка с образцом.

Просвечивающий электронный микроскоп применяет параллельный (когерентный) стационарный пучок электронов, направленный на поверхность изучаемой области образца. Микроскопическое изображение получается за счет того, что часть электронов проходит («проникает, просвечивает») образец насквозь.

[attention type=red]

Поэтому изображения, которые получаются на сканирующем микроскопе, иногда называют виртуальными изображениями, так как они основаны на измерении разности характеристик падающего и отраженного электронного луча.

[/attention]

В то же время изображение от просвечивающего электронного микроскопа прямо зависит от интенсивности проникающих через образец электронов и его можно смело называть истинным, так сказать, настоящим изображением.

Сканирующий электронный микроскоп

Все методы, которые применяются на сканирующих электронных микроскопах – а их несколько, основаны на применении сфокусированного (от 1 мкм до 0,15 нм) электронного луча, который «ударяет» в образец.

Размеры этого электронного зонда – сечения луча – зависят от устройства электронной пушки (термоэлектронная или полевая эмиссия) и величины тока на острие электронного пучка. Эту величину тока выбирает оператор, который сидит за микроскопом.

Электронный пучок — электронный зонд — много раз проходит по поверхности образца, а различные сигналы от поверхности образца измеряются и формируют  «изображение» на плоскости в осях x-y.

Взаимодействие между образцом и электронным лучом производит несколько типов сигналов, которые включают:

• вторичные электроны;
• отраженные электроны;
• рентгеновское характеристическое излучение.

Разрешение электронного микроскопа для отраженных электронов и рентгеновского излучения зависит от величины его ускоряющего напряжения, а также от среднего атомного числа и плотности образца. Разрешение изображения сканирующего электронного микроскопа зависит от размеров электронного луча и естественной контрастности самого образца.

Большинство материалов не обладают достаточной естественной контрастностью, чтобы достигать инструментального разрешения электронного микроскопа, который равен размеру «острия» электронного луча.

Поскольку все методы сканирующей электронной микроскопии «работают» вблизи поверхности образца, то основные требования к образцу заключаются в следующем:

• помещаться по размерам на предметном столике микроскопа;
• быть совместимым с высоким вакуумом микроскопа;
• быть электрически проводимым.

Рентгеновские спектрометры в электронных микроскопах

Современные электронные микроанализаторы и сканирующие электронные микроскопы являются похожими инструментами. Они одинаково основаны на сканировании образцов электронными лучами. Различие между ними заключается в типе детектора, который применяется для химического анализа.

Электронные микроанализаторы имеют три или более специальных рентгеновских энергодисперсионных спектрометра, чтобы обеспечивать точный химический анализ, тогда как обычный сканирующий электронный микроскоп только одним, волнодисперсионным, рентгеновским спектрометром.

Такой спектрометр обеспечивает относительно «быструю» идентификацию большинства химических элементов, довольно прост в применении и, что важно, относительно недорог.

Дополнительное преимущество энергодисперсионнных рентгеновских спектрометров – это их малые размеры по сравнению с волнодисперсными. Это позволяет применять их в непосредственной близости к образцам в просвечивающих электронных микроскопах, где количество образующихся рентгеновских лучей ограничено из-за малой толщины образца.

Образцы для сканирующего электронного микроскопа

Образцы из алюминия и его сплавов являются электропроводящими и не требуют дополнительных покрытий на своей поверхности.

Образцы из материалов, которые не являются электропроводящими, обычно покрывают тонким (менее 5 нм) электрически проводимым слоем, например, путем осаждения на поверхность образца паров аморфного углерода или напыления таких металлов, как золото, платина, палладий или хром.

Образцы для просвечивающего электронного микроскопа

Образцы для просвечивающей электронной микроскопии должны быть достаточно тонкими, чтобы электроны с энергией 100 кэВ или выше могли проходить сквозь образец. Для алюминия и алюминиевых сплавов эта толщина составляет порядка 50 мкм.

За несколько десятилетий работы с просвечивающими электронными микроскопами было разработано много методов утонения образцов почти из всех материалов до такой толщины, чтобы она была пригодна для проникающей электронной микроскопии. Для подготовки образцов из алюминия и алюминиевых сплавов, как и для большинства других металлов, обычно применяют электролитическое полирование.