Cât mărește microscopul electronic. Microscop electronic: episodul I

MICROSCOP ELECTRONIC - un dispozitiv pentru observarea și fotografierea în mod repetat (de până la 10 6 ori) a unei imagini mărite a unui obiect, în care în loc de raze de lumină sunt utilizate, accelerate la energii mari (30-1000 keV și mai mult) în condiții profunde. Fizic. elementele fundamentale ale instrumentelor optice cu fascicul corpuscular. dispozitivele au fost așezate în 1827, 1834-35 (cu aproape o sută de ani înainte de apariția EM) de W.R. ... Fezabilitatea creării EM a devenit evidentă după ce ipoteza valurilor de Broglie a fost prezentată în 1924 și tehnologie. premisele au fost create de H. Busch (H. Busch), to-ry în 1926 au investigat proprietățile de focalizare ale câmpurilor aximetrice și au dezvoltat un magn. lentilă electronică. În 1928 M. Knoll și E. Ruska au început să creeze primul magn. transmisie EM (TEM) și trei ani mai târziu a obținut o imagine a obiectului format din fascicule de electroni. În anii următori, au fost construite primele EM raster (SEM), care funcționează pe principiul scanării, adică mișcarea secvențială de la punct la punct a unui fascicul subțire de electroni (sondă) peste obiect. K ser. Anii 1960 SEM au atins o înaltă tehnologie. perfecțiune și, din acel moment, au început utilizarea lor pe scară largă în domeniul științific. cercetare. FEM au cele mai mari rezoluţiedepășind lumina microscopii în câteva. o mie de ori. Soluția, care caracterizează capacitatea dispozitivului de a afișa separat două detalii maxim distanțate ale unui obiect, pentru un TEM este de 0,15-0,3 HM, adică atinge un nivel care face posibilă observarea atomică și structura moleculară a obiectelor investigate. Aceste rezoluții mari sunt obținute datorită lungimii de undă a electronilor extrem de scurtă. Lentilele de E. m. Au aberații, nu au fost găsite metode eficiente de corecție la-rykh, spre deosebire de microscopul cu lumină (a se vedea. Optică electronică și ionicăPrin urmare, în TEM magn. lentile electronice (EL), în care aberațiile sunt cu un ordin de mărime mai mic, le-au înlocuit complet pe cele electrostatice. Diafragmă optimă (vezi. Diafragmă într-un optic electric și ionic e) este posibil să se reducă sfericul. afectarea aberației lentilei

privind rezoluția EM-urilor. TEM-urile în funcțiune pot fi împărțite în trei grupe: EM-uri de înaltă rezoluție, TEM simplificate și EM-uri unice de înaltă calitate.

TEM de înaltă rezoluție (0,15 - 0,3 nm) - dispozitive universale universale. Ele sunt folosite pentru a observa imaginea obiectelor într-un câmp luminos și întunecat, pentru a studia structura lor electro-nografică. metoda (vezi. Electronografie), care deține cantități locale. folosind un spectrometru energetic. pierderea de electroni și raze X cristaline. și semiconductori și receptori spectroscopici. imagini de obiecte folosind un filtru care elimină electronii cu energii în afara unei energetice date. fereastră. Pierderea de energie a electronilor trecuți de filtru și care formează o imagine este cauzată de prezența unei substanțe chimice în obiect. element. Prin urmare, contrastul zonelor în care este prezent acest element crește. Deplasarea ferestrei de-a lungul energiei spectrul primește distribuția decomp. elemente conținute în obiect. Filtrul este, de asemenea, utilizat ca monocromator pentru creșterea puterii de rezoluție a electronilor în studiul obiectelor cu grosime mare, care cresc răspândirea electronilor în energie și (în consecință) aberația cromatică.

Cu ajutorul add. dispozitivele și atașamentele studiate în obiectul TEM pot fi înclinate în diferite planuri în unghiuri mari față de optic. axe, încălziți, răciți, deformați. Electronii de accelerare a tensiunii în electronii de înaltă rezoluție sunt de 100-400 kV, este reglat treptat și este foarte stabil: în 1 - 3 minute valoarea sa nu poate fi modificată cu mai mult de (1-2) · 10 -6 din valoarea inițială. Grosimea obiectului depinde de tensiunea de accelerare, care poate fi „iluminată” de un fascicul de electroni. În emulsiile de 100 kilovolt, sunt studiate obiecte cu o grosime de la 1 la mai multe. zeci de nm.

Un TEM schematic de tipul descris este prezentat în Fig. 1. În electronic-optic. sistemul (coloana) cu ajutorul unui sistem de vid creează un vid profund (presiune de până la ~ 10 -5 Pa). Circuit electron-optic Sistemul FEM este prezentat în Fig. 2. Un fascicul de electroni, a cărui sursă este un catod fierbinte, se formează în pistol cu \u200b\u200belectroni și un accelerator de înaltă tensiune și apoi este focalizat de două ori de primul și al doilea condensator, care creează un "punct" electronic de dimensiuni mici pe obiect (diametrul spotului poate varia de la 1 la 20 microni la reglare). După trecerea prin obiect, unii dintre electroni sunt împrăștiați și reținuți de diafragma diafragmei. Electronii neîmprăștiați trec prin diafragma diafragmei și sunt focalizați de obiectiv în planul obiect al lentilei electronice intermediare. Aici se formează prima imagine mărită. Lentilele ulterioare creează a doua, a treia imagine etc. Ultimul obiectiv de proiecție formează o imagine pe un ecran catodoluminiscent, care strălucește sub influența electronilor. Gradul și natura împrăștierii electronilor nu sunt aceleași în diferite puncte ale obiectului, deoarece grosimea, structura și substanța chimică. compoziția obiectului variază de la punct la punct. În consecință, numărul de electroni care trec prin diafragma diafragmei se schimbă și, prin urmare, densitatea curentului din imagine. Există un contrast de amplitudine, care este transformat în contrast de lumină pe ecran. În cazul obiectelor subțiri, contrast de fazăcauzată de o modificare a fazelor împrăștiate în obiect și de interferență în planul imaginii. Un magazin cu plăci fotografice este situat sub ecranul emulsiei; la fotografiere, ecranul este îndepărtat și electronii acționează asupra stratului fotografic. Imaginea este focalizată de un obiectiv obiectiv folosind o reglare lină a curentului care îi modifică magnitudinea. camp. Curenții altor lentile electronice reglează mărirea EM, o reducere egală cu produsul măririi tuturor lentilelor. La măriri mari, luminozitatea ecranului devine insuficientă și imaginea este observată cu un amplificator de luminozitate. Pentru a analiza imaginea, se efectuează o conversie analog-digitală a informațiilor conținute în aceasta și procesarea pe un computer. Imaginea amplificată și procesată conform unui anumit program este afișată pe ecranul computerului și, dacă este necesar, introdusă într-un dispozitiv de memorie.

Figura: 1. Microscop electronic cu transmisie (TEM): 1 -arma electronica cu accelerator; 2-condensatlentile pentru buruieni; 3 -lentila obiectiv; 4 - proiecție lentile; 5 - microscop cu lumină, micșorat suplimentarcitirea imaginii văzute pe ecran; b-lamargele cu ferestre de vizionare prin care puteți observada o imagine; 7 -cablu de inalta tensiune; 8 - sistem de vid; 9 - Telecomandă; 10 -stand; 11 - dispozitiv de alimentare cu tensiune înaltă; 12 - alimentare cu lentile.

Figura: 2. Schema TEM electron-optică: 1 -catod; 2 - cilindru de focalizare; 3 -accelerator; 4 -pecrearea condensatorului mare (aruncare scurtă) imagine redusă a sursei de electroni; 5 - al doilea condensator (cu focalizare lungă), care transferă o imagine în miniatură a sursei electroni per obiect; 6 -un obiect; 7 - diafragmă diafragmăfragment al lentilei; 8 - lentilă; 9 , 10, 11 -sistem lentile de proiecție; 12 -catodoluminiscente ecran.

TEM simplificat destinat științific. studii, în care nu este necesară o rezoluție înaltă. Sunt folosite și pentru preliminarii. vizualizarea obiectelor, munca de rutină și în scopuri educaționale. Aceste dispozitive au un design simplu (un condensator, 2-3 lentile electronice pentru a mări imaginea unui obiect), au o tensiune de accelerare mai mică (60-100 kV) și stabilitate mai mică a curenților de înaltă tensiune și a lentilelor. Rezoluția lor este de 0,5-0,7 nm.

Ultra-înaltă tensiune E. m ... (SVEM) - dispozitive cu o tensiune de accelerare de la 1 la 3,5 MB - sunt structuri de dimensiuni mari, cu o înălțime de 5 până la 15 m. Echipamente speciale sunt echipate pentru acestea. să construiască clădiri sau să construiască clădiri separate care fac parte integrantă din complexul SVEM. Primele SVEM au fost destinate studiului obiectelor cu grosime mare (1 -10 µm), cu care se păstrează proprietățile unui corp solid masiv. Datorită influenței puternice a cromaticului. aberații, rezoluția acestor emisii este redusă. Cu toate acestea, în comparație cu EM-urile de 100 kilovoliți, rezoluția imaginilor obiectelor groase din SHEM este de 10-20 de ori mai mare. Deoarece energia electronilor din SHEM este mai mare, lungimea lor de undă este mai mică decât în \u200b\u200bTEM de înaltă rezoluție. Prin urmare, după rezolvarea tehnologiei complexe. probleme (a durat mai mult de un deceniu) și implementarea unei rezistențe ridicate la vibrații, a unei izolații fiabile a vibrațiilor și a unui mecanism suficient. și electrice. Cea mai mare rezoluție (0,13-0,17 nm) pentru EM translucide a fost realizată pe SHEM, ceea ce a făcut posibilă fotografierea imaginilor structurilor atomice. Cu toate acestea, sferice. aberația obiectivului și defocalizarea distorsionează imaginile capturate la rezoluție maximă și împiedică obținerea de informații fiabile. Această barieră informațională este depășită cu ajutorul unor serii focale de imagini, to-secara sunt obținute atunci când dec. defocalizarea obiectivul. În paralel, pentru aceeași defocalizare, structura atomică studiată este simulată pe un computer. Compararea seriei focale cu seria de imagini model ajută la descifrarea micrografiilor structurilor atomice luate pe SHEM cu rezoluția finală. În fig. 3 prezintă o diagramă a SVEM situate în special. constructii. Principal unitățile dispozitivului sunt combinate într-un singur complex folosind o platformă, marginile sunt suspendate de tavan pe patru lanțuri și arcuri absorbante de șocuri. Deasupra platformei sunt două rezervoare umplute cu gaz izolant la o presiune de 3-5 atm. Într-una dintre ele este plasat un generator de înaltă tensiune, în celălalt unul electrostatic. accelerator de electroni cu un tun de electroni. Ambele rezervoare sunt conectate printr-o conductă, prin care tensiunea înaltă de la generator este transmisă acceleratorului. De jos până la rezervor cu acceleratorul se învecinează cu sistemul electronic-optic. o coloană situată în partea de jos a clădirii, protejată de un tavan de raze X. radiația generată în accelerator. Toate nodurile enumerate formează o structură rigidă cu proprietăți fizice. pendul cu o perioadă mare (până la 7 s) adecvată. , secara sunt stinse de amortizoare de lichide. Sistemul de suspendare a pendulului asigură izolarea efectivă a SVEM de exterior. vibrații. Dispozitivul este controlat de la telecomanda situată lângă coloană. Dispunerea obiectivelor, coloanelor și a altor componente ale dispozitivului este similară cu dispozitivele FEM corespunzătoare și diferă de acestea prin dimensiuni și greutate mari.

Figura: 3. Microscop electronic cu înaltă tensiune (SVEM): platformă de izolare cu 1 vibrație; 2-lanțuri, de care atârnă platforma; 3 - absorbant de șocuri arcuri; 4-rezervoare care conțin generatorulaccelerator de înaltă tensiune și electroni cu electrontunul lui Noah; Coloană optică cu 5 electroni; 6- tavanul care împarte clădirea SVEM în partea superioară și sălile inferioare și personalul de protecție care lucrează holul inferior, din raze X; 7 - telecomandă controlul microscopului.

Raster E. m... (SEM) cu pistol cu \u200b\u200bemisie termică este cel mai comun tip de dispozitive din microscopie electronică... Folosesc catoduri fierbinți de tungsten și hexaborid-lantan. Rezoluția SEM depinde de luminozitatea electronică a pistolului și este de 5-10 nm la dispozitivele din această clasă. Tensiunea de accelerare este reglabilă de la 1 la 30-50 kV. Dispozitivul SEM este prezentat în Fig. 4. Folosind două sau trei lentile electronice, o sondă îngustă de electroni este focalizată pe suprafața probei. Magn. bobinele deviante deplasează sonda pe o zonă prestabilită a obiectului. Când electronii sondei interacționează cu obiectul, apar mai multe tipuri de radiații (Fig. 5): electroni secundari și reflectați; Electronii cu melc; raze X bremsstrahlung și radiații caracteristice (a se vedea. Spectru caracteristic); radiații luminoase etc. Orice radiație, curenții electronilor care trec prin obiect (dacă este subțire) și absorbiți în obiect, precum și tensiunea indusă asupra obiectului, pot fi înregistrate de detectoarele corespunzătoare care convertesc aceste emisii, curenți și tensiuni în electricitate. semnalele, spre secară, după amplificare, sunt alimentate către un tub cu raze catodice (CRT) și îi modulează fasciculul. Scanarea fasciculului CRT se realizează sincron cu scanarea sondei electronice din SEM și o imagine mărită a obiectului este observată pe ecranul CRT. Mărirea este egală cu raportul dintre dimensiunea cadrului de pe ecranul CRT și dimensiunea corespunzătoare de pe suprafața obiectului scanat. Imaginea este fotografiată direct de pe ecranul CRT. Principal avantajul SEM este conținutul ridicat de informații al dispozitivului, datorită capacității de a observa imagini folosind semnale de la decomp. detectoare. Cu ajutorul SEM, puteți studia microrelieful, distribuția substanțelor chimice. compoziția pentru obiect, p-n-transitiile, produc raze X. analiza spectrală și alte SEM sunt utilizate pe scară largă în tehnologie. procese (controlul tehnologiilor litografice electronice, verificarea și detectarea defectelor microcircuitelor, metrologia microproduselor etc.).

Figura: 4. Schema unui microscop electronic cu scanare (SEM): 1 - un izolator al unei arme electronice; 2 -V-formăcatod fierbinte; 3 - electrod de focalizare; 4 - anod; 5 - lentile condensatoare; 6 -diafragmă; 7 - sistem de deviere pe două niveluri; 8 -obiectiv; 9 -diafragma lentilei de deschidere; 10 -un obiect; 11 - detector de electroni secundari; 12 -cristalspectrometru facial; 13 -proporţional tejghea; 14 - preamplificator; 15 - unitate de amplificare; 16, 17 - echipament pentru înregistrare radiații cu raze X; 18 - unitate de amplificare; 19 - unitate de reglare a măririi; 20, 21 - blocurile ardmăturări zonale și verticale; 22, 23 -elektuburi cu fascicul de tron.

Figura: 5. Schema de înregistrare a informațiilor despre obiect, primit în SEM; 1-fascicul de electroni primari; 2-detector de electroni secundari; 3-detector chirieradiații genetice; 4-detector de electroni reflectațirons; 5-detector de electroni Auger; Lumină cu 6 detectoareradiația produsului; 7 - detector de electro trecutnou; 8 - circuit pentru înregistrarea curentului trecut obiect al electronilor; 9 circuite pentru înregistrarea curentului electroni absorbiți în obiect; 10-circuit pentru reînregistrarea electricului potenţial.

SEM de înaltă rezoluție se realizează atunci când se formează o imagine folosind electroni secundari. Este invers legat de diametrul zonei din care sunt emiși acești electroni. Mărimea zonei depinde de diametrul sondei, de proprietățile obiectului, de viteza electronilor fasciculului primar etc. Când adâncimea de penetrare a electronilor primari este mare, procesele secundare care se dezvoltă în toate direcțiile cresc diametrul zonei și rezoluția scade. Detectorul secundar de electroni este format din tub fotomultiplicator (PMT) și un convertor electron-foton, principal. al cărui element este scintilatorul. Numărul de blițuri scintilatoare este proporțional cu numărul de electroni secundari deflăcuți într-un punct dat al obiectului. După amplificarea în fotomultiplicator și în amplificatorul video, semnalul modulează fasciculul CRT. Mărimea semnalului depinde de topografia eșantionului, de prezența electricității locale. și magn. microcâmpuri, valori ale coef. emisia secundară de electroni, to-ry, la rândul ei, depinde de substanța chimică. compoziția probei în acest moment.

Electronii reflectați sunt capturați de un detector semiconductor cu p - n-tranziție. Contrastul imaginii se datorează dependenței coeficientului. reflexii din unghiul de incidență al fasciculului primar într-un punct dat al obiectului și din la. numerele substanței. Rezoluția imaginii obținute în „electroni reflectați” este mai mică decât cea obținută cu ajutorul electronilor secundari (uneori cu un ordin de mărime). Datorită simplității zborului de electroni, informații despre departament. zonele obiectului, din care nu există o cale directă către detector, se pierd (apar umbre). Pentru a elimina pierderea de informații, precum și pentru a forma o imagine a reliefului probei, tăietura nu este afectată de compoziția sa elementară și, dimpotrivă, pentru a forma un model de distribuție a substanței chimice. elemente din obiect, care nu este afectat de relief, în SEM se folosește un sistem de detectare, format din mai multe. detectoare plasate în jurul obiectului, ale căror semnale sunt scăzute unul de altul sau însumate, iar semnalul rezultat, după amplificare, este alimentat modulatorului CRT.

Raze X. caracteristică radiația este înregistrată cristal. (dispersate în unde) sau spectrometre semiconductoare (dispersate în energie), care se completează reciproc. În primul caz, radiografia. radiația după reflectarea de către cristalul spectrometrului intră în gaz contor proporțional, iar în a doua - raze X. Cuantele excită semnalele într-un detector răcit cu semiconductor (pentru reducerea zgomotului) din siliciu dopat cu litiu sau germaniu. După amplificare, semnalele spectrometrelor pot fi alimentate la modulatorul CRT și pe ecranul acestuia apare o imagine a distribuției uneia sau a altei substanțe chimice. element de-a lungul suprafeței obiectului.

Pe un SEM echipat cu o radiografie. spectrometrele produc cantități locale. analiză: înregistrați numărul de impulsuri excitate de raze X. cuantele din zona unde sonda electronică este oprită. Crystallich. spectrometru folosind un set de analizoare de cristale cu dec. distanțe interplanare (vezi. Starea Bragg-Wolfe) discriminează cu un spectru ridicat. caracteristică de rezoluție spectru în funcție de lungimea de undă, acoperind gama de elemente de la Be la U. Spectrometrul semiconductor discriminează raze X. cuantele prin energiile lor și înregistrează simultan toate elementele de la B (sau C) la U. Rezoluția sa spectrală este mai mică decât cea a cristalinei. spectrometru, dar sensibilitate mai mare. Există și alte avantaje: livrarea rapidă a informațiilor, design simplu, caracteristici de înaltă performanță.

Raster Auger-E. m... (ROEM) -dispozitive, în care, la scanarea unei sonde electronice, electronii Auger sunt detectați din adâncimea obiectului nu mai mult de 0,1-2 nm. La o astfel de adâncime, zona de ieșire a electronilor Auger nu crește (spre deosebire de electronii cu emisie secundară), iar rezoluția dispozitivului depinde doar de diametrul sondei. Dispozitivul funcționează la vid ultra-înalt (10 -7 -10 -8 Pa). Tensiunea sa de accelerare este de aprox. 10 kV. În fig. 6 arată dispozitivul ROEM. Pistolul cu electroni constă dintr-un catod fierbinte hexaborid-lantan sau tungsten care funcționează în modul Schottky și un electrostatic cu trei electrozi. lentile. Sonda electronică este focalizată de acest obiectiv și magn. lentilă, în planul focal al cărui obiect este situat. Colectarea electronilor Auger se realizează cu ajutorul unui cilindru. un analizor de energie oglindă, al cărui electrod interior acoperă corpul lentilei, iar cel exterior este adiacent obiectului. Folosind un analizor care discriminează electronii Auger în energie, este investigată distribuția substanțelor chimice. elemente din stratul de suprafață al unui obiect cu rezoluție submicronică. Pentru a studia straturile profunde, dispozitivul este echipat cu un pistol ionic, cu ajutorul unei tăieturi straturile superioare ale obiectului sunt îndepărtate prin metoda gravării cu fascicul de ioni.

Figura: b. Schema unui microscop electronic cu scanare Auger (ROEM): 1 - pompă ionică; 2- catod; 3 - lentilă electrostatică cu trei electrozi; Detector cu 4 canale; Diafragma lentilei cu 5 diafragme; 6-supraetajate sistem de deviere pentru maturarea sondei electronice; 7-lentile; 8- electrod exterior cilindric analizor de oglinzi; 9-obiect.

SEM cu pistol cu \u200b\u200bemisie de câmp au o rezoluție înaltă (până la 2-3 nm). Într-un pistol cu \u200b\u200bemisie de câmp, se folosește un catod sub formă de vârf, în partea de sus a căruia există un șoc electric puternic. câmpul care scoate electronii din catod ( emisie autoelectronică)... Luminozitatea electronică a pistolului cu un catod cu emisie de câmp este de 10 3-10 de 4 ori mai mare decât luminozitatea pistolului cu un catod fierbinte. Curentul sondei electronice crește în consecință. Prin urmare, într-un SEM cu pistol cu \u200b\u200bemisie de câmp, împreună cu o măturare rapidă lentă, diametrul sondei este redus pentru a crește rezoluția. Cu toate acestea, catodul cu emisie de câmp funcționează stabil doar la vid foarte înalt (10 -7 -10 -9 Pa), ceea ce complică proiectarea și funcționarea unor astfel de SEM.

Raster translucid E. m... (STEM) au aceeași rezoluție înaltă ca și TEM. Aceste dispozitive utilizează pistoale cu emisii de câmp care funcționează în vid ultra-ridicat (până la 10-8 Pa), asigurând un curent suficient într-o sondă cu diametru mic (0,2-0,3 nm). Diametrul sondei este redus cu doi magn. lentile (fig. 7). Sub obiect există detectoare - centrale și circulare. Primul primește electroni nedifuzați și, după conversia și amplificarea semnalelor corespunzătoare, pe ecranul CRT apare o imagine cu câmp luminos. Electronii împrăștiați sunt colectați pe un detector de inel, creând o imagine de câmp întunecat. În STEM, este posibil să se studieze obiecte mai groase decât în \u200b\u200bTEM, deoarece o creștere a numărului de electroni împrăștiați inelastic cu grosime nu afectează rezoluția (după obiect, nu există optică electronică pentru formarea imaginii). Cu ajutorul unui analizor de energie, electronii care trec prin obiect sunt separați în fascicule împrăștiate elastic și inelastic. Fiecare fascicul lovește propriul său detector, iar imaginile corespunzătoare sunt observate pe CRT, conținând suplimentar. informații despre compoziția elementară a obiectului. O rezoluție ridicată în STEM este obținută la măturări lente, deoarece într-o sondă cu un diametru de numai 0,2-0,3 nm, curentul este scăzut. PREM sunt echipate cu toate dispozitivele utilizate în microscopie electronică pentru analize. obiecte de cercetare și, în special, spectrometre energetice. pierderea de electroni, roentgen. spectrometre, sisteme sofisticate pentru detectarea electronilor transmiși, retrodifuzați și secundari, care emit un grup de electroni împrăștiați pe decomp. unghiuri cu dif. energie etc. Dispozitivele sunt completate cu computere pentru prelucrarea integrată a informațiilor primite.

Figura: 7. Schema schemei rasterului translucidmicroscop electronic (PREM): 1-autoemiscatod ionic; 2-anod intermediar; 3- anod; 4- diafragma „iluminatorului”; 5-lentile magnetice; 6-doisistem de deflexiune pe niveluri pentru măturarea electronilorsonda piciorului; 7-lentile magnetice; 8 - deschidere diafragma lentilei; 9 - obiect; 10 - sistem de deviere; 11 - detector de electroni dispersați în inel; 12 - detector de electroni nedisparți (îndepărtat la funcționarea spectrometrului magnetic); 13 - magnetic spectrometru; 14 eșantioane de eșantionare electroni cu pierderi de energie diferite; 15 - fantă spectrometru; Spectrometru cu 16 detectoare; VE-secundarelectroni; hv-Radiații cu raze X..

Emisiv E. m... creați o imagine a obiectului cu electroni, to-secara emite obiectul însuși atunci când este încălzit, bombardat cu un fascicul primar de electroni, sub influența unui magnet magnetic. radiații și impunerea unui electric puternic. câmp care smulge electronii din obiect. Aceste dispozitive au de obicei un scop restrâns (a se vedea. Proiector electronic).

Oglindit E. m... servi Ch. arr. pentru vizualizarea electrostaticului. „potențiale reliefuri” și magn. microcâmpuri pe suprafața obiectului. Principal optică electronică element al dispozitivului este oglindă electronică , iar unul dintre electrozi este obiectul în sine, care se află sub un negativ mic. potențial în raport cu catodul pistolului. Fasciculul de electroni este direcționat într-o oglindă de electroni și reflectat de câmpul din imediata apropiere a suprafeței obiectului. Oglinda formează o imagine pe ecran „în fascicule reflectate”: microcâmpurile din apropierea suprafeței unui obiect redistribuie electronii fasciculelor reflectate, creând un contrast în imagine, vizualizând aceste microcâmpuri.

Perspectivele de dezvoltare ale E. m... Îmbunătățirea măsurătorii electronice pentru a crește volumul de informații primite, care a fost efectuată de mulți ani, va continua în viitor, iar îmbunătățirea parametrilor instrumentelor și, mai presus de toate, o creștere a puterii de rezolvare, va rămâne sarcina principală. Lucrați la crearea electronic-optic sistemele cu aberații mici nu au condus încă la o creștere reală a rezoluției EM. Acest lucru se aplică sistemelor neaximetrice pentru corectarea aberațiilor, optică criogenică și lentilelor cu spații corective. în zona axială etc. Căutările și cercetările în direcțiile indicate sunt în curs. Lucrările de căutare continuă la crearea holograficului electronic. sisteme, inclusiv cele cu corectarea caracteristicilor de contrast de frecvență ale lentilelor. Miniaturizare electrostatică lentilele și sistemele care utilizează realizările micro- și nanotehnologiei vor contribui, de asemenea, la rezolvarea problemei creării opticii electronice cu aberații reduse.

Lit.: Microscopie electronică de scanare practică, ed. D. Gouldstein, H. Jacowitz, trad. din engleză, M., 1978; Spence, D., Microscopie electronică experimentală de înaltă rezoluție, trad. din engleză, M., 1986; Stoyanov PA, Microscop electronic SVEM-1, "Izvestiya AN SSSR, ser. Fiz.", 1988, vol. 52, nr. 7, p. 1429; Hawks P., Kasper E., Fundamentals of Electronic Optics, trad. din engleză, t. 1-2, M., 1993; Oechsner H., Microscopie cu melc de scanare, Le Vide, les Couches Minces, 1994, t. 50, nr.271, p. 141; McMul-lan D., Microscopie electronică de scanare 1928-1965, "Scanning", 1995, t. 17, nr.3, p. 175. P. A. Stoyanov.

Termenul „microscop” are rădăcini grecești. Se compune din două cuvinte, care în traducere înseamnă „mic” și „aspect”. Rolul principal al microscopului este utilizarea acestuia la examinarea obiectelor foarte mici. În același timp, acest dispozitiv vă permite să determinați dimensiunea și forma, structura și alte caracteristici ale corpurilor invizibile cu ochiul liber.

Istoria creației

Nu există informații exacte despre cine a fost inventatorul microscopului în istorie. Potrivit unor rapoarte, a fost proiectat în 1590 de tatăl și fiul lui Janssen, un producător de ochelari. Un alt concurent pentru titlul de inventator al microscopului este Galileo Galilei. În 1609, acest om de știință a prezentat publicului un dispozitiv cu lentile concave și convexe la Accademia dei Lincei.

De-a lungul anilor, sistemul de vizualizare a obiectelor microscopice a evoluat și s-a îmbunătățit. Un pas uriaș în istoria sa a fost inventarea unui dispozitiv simplu cu două lentile reglabile acromatic. Acest sistem a fost introdus de olandezul Christian Huygens la sfârșitul anilor 1600. Ocularele acestui inventator sunt încă în producție și astăzi. Singurul lor dezavantaj este lățimea insuficientă a câmpului vizual. În plus, comparativ cu dispozitivul instrumentelor moderne, ocularele Huygens au o poziție incomodă pentru ochi.

Producătorul unor astfel de dispozitive Anton Van Leeuwenhoek (1632-1723) a adus o contribuție specială la istoria microscopului. El a atras atenția biologilor asupra acestui dispozitiv. Leeuwenhoek a realizat produse de dimensiuni mici echipate cu un singur obiectiv, dar foarte puternic. A fost incomod să se utilizeze astfel de dispozitive, dar acestea nu au duplicat defectele imaginii, care era prezentă în microscoapele compuse. Inventatorii au reușit să corecteze acest neajuns abia după 150 de ani. Odată cu dezvoltarea opticii, calitatea imaginii în dispozitivele compozite s-a îmbunătățit.

Îmbunătățirea microscopilor continuă astăzi. Așadar, în 2006, oamenii de știință germani care lucrează la Institutul de Chimie Biofizică, Mariano Bossi și Stefan Helle, au dezvoltat un microscop optic de ultimă generație. Datorită capacității sale de a observa obiecte de până la 10 nm și a imaginilor 3D de înaltă calitate în trei dimensiuni, dispozitivul a fost numit nanoscop.

Clasificarea microscoapelor

În prezent, există o mare varietate de instrumente concepute pentru vizualizarea obiectelor mici. Acestea sunt grupate pe baza diferiților parametri. Acesta poate fi scopul microscopului sau metoda acceptată de iluminare, structura utilizată pentru proiectarea optică etc.

Dar, de regulă, principalele tipuri de microscopuri sunt clasificate în funcție de mărimea rezoluției microparticulelor care poate fi văzută cu acest sistem. Conform acestei diviziuni, microscoapele sunt:
- optic (luminos);
- electronice;
- Raze X;
- sondă de scanare.

Cele mai utilizate sunt microscoapele de tip luminos. Există o gamă largă de magazine în magazinele de optică. Cu ajutorul unor astfel de dispozitive, principalele sarcini ale studierii unui obiect sunt rezolvate. Toate celelalte tipuri de microscopuri sunt clasificate ca specializate. Utilizarea lor se efectuează de obicei într-un laborator.

Fiecare dintre tipurile de dispozitive de mai sus are propriile sale subspecii care sunt utilizate într-o anumită zonă. În plus, astăzi este posibil să cumpărați un microscop școlar (sau educațional), care este un sistem entry-level. Dispozitive profesionale sunt, de asemenea, oferite consumatorilor.

Cerere

Pentru ce este un microscop? Ochiul uman, fiind un sistem optic de tip biologic special, are un anumit nivel de rezoluție. Cu alte cuvinte, există cea mai mică distanță între obiectele observate atunci când acestea pot fi încă distinse. Pentru un ochi normal, această rezoluție este de 0,176 mm. Dar mărimea majorității celulelor animale și vegetale, microorganismelor, cristalelor, microstructurii aliajelor, metalelor etc. este mult mai mică decât această valoare. Cum să studiezi și să observi astfel de obiecte? Aici vin diferite tipuri de microscoape pentru a ajuta oamenii. De exemplu, dispozitivele optice permit distingerea structurilor în care distanța dintre elemente este de cel puțin 0,20 μm.

Cum funcționează un microscop?

Dispozitivul cu care ochiul uman poate vizualiza obiecte microscopice are două elemente principale. Acestea sunt obiectivul și ocularul. Aceste părți ale microscopului sunt fixate într-un tub mobil situat pe o bază metalică. Există, de asemenea, un tabel de subiect pe ea.

Tipurile moderne de microscoape sunt de obicei echipate cu un sistem de iluminare. Acesta este, în special, un condensator cu o diafragmă a irisului. Un set complet obligatoriu de dispozitive de mărire sunt șuruburile micro și macro, care sunt utilizate pentru a regla claritatea. Proiectarea microscoapelor include și un sistem care controlează poziția condensatorului.

În microscoapele specializate, mai complexe, sunt utilizate adesea alte sisteme și dispozitive suplimentare.

Lentile

Aș dori să încep descrierea microscopului cu o poveste despre una dintre părțile sale principale, adică din obiectiv. Sunt un sistem optic complex care mărește dimensiunea obiectului în cauză în planul imaginii. Designul lentilelor include un întreg sistem de lentile unice, dar și două sau trei lentile lipite între ele.

Complexitatea unui astfel de design optico-mecanic depinde de gama acelor sarcini care trebuie rezolvate de acest dispozitiv. De exemplu, cel mai sofisticat microscop are până la paisprezece lentile.

Obiectivul include partea din față și sistemele care îl urmează. Care este baza pentru crearea unei imagini cu calitatea dorită, precum și pentru determinarea stării de funcționare? Acesta este obiectivul frontal sau sistemul lor. Părțile ulterioare ale obiectivului sunt necesare pentru a obține mărirea dorită, distanța focală și calitatea imaginii. Cu toate acestea, aceste funcții sunt posibile numai în combinație cu un obiectiv frontal. Merită menționat faptul că designul piesei ulterioare afectează lungimea tubului și înălțimea lentilei dispozitivului.

Oculare

Aceste părți ale microscopului sunt un sistem optic conceput pentru a construi imaginea microscopică necesară pe suprafața retinei ochilor observatorului. Ocularele includ două grupuri de lentile. Cel mai apropiat de ochiul cercetătorului se numește ochi, iar cel îndepărtat este numit câmp (cu ajutorul său, obiectivul construiește o imagine a obiectului în studiu).

Sistem de iluminare

Microscopul are o structură complexă de diafragme, oglinzi și lentile. Cu ajutorul acestuia, se asigură o iluminare uniformă a obiectului în studiu. În primele microscoape, această funcție a fost îndeplinită, pe măsură ce instrumentele optice au fost îmbunătățite, mai întâi au fost folosite oglinzi plate și apoi concav.

Cu ajutorul unor detalii atât de simple, razele de la soare sau lămpi au fost direcționate către obiectul de studiu. Microscoapele moderne sunt mai perfecte. Se compune dintr-un condensator și un colector.

Tabelul subiectului

Eșantioanele microscopice care necesită examinare sunt plasate pe o suprafață plană. Acesta este tabelul subiectului. Tipuri diferite microscoapele pot avea o suprafață dată, proiectată în așa fel încât obiectul de studiu să se rotească în observator orizontal, vertical sau la un anumit unghi.

Principiul de funcționare

În primul dispozitiv optic, un sistem de lentile oferea o imagine inversă a micro-obiectelor. Acest lucru a făcut posibilă discernerea structurii materiei și a celor mai mici detalii care au fost supuse studiului. Principiul de funcționare al unui microscop cu lumină astăzi este similar cu cel al unui telescop refractar. În acest dispozitiv, lumina este refractată când trece prin partea de sticlă.

Cum se măresc microscoapele luminoase moderne? După ce un fascicul de raze de lumină intră în dispozitiv, acestea sunt transformate într-un flux paralel. Abia atunci are loc refracția luminii în ocular, datorită căreia crește imaginea obiectelor microscopice. În plus, aceste informații ajung în forma necesară pentru observatorul din al său

Subtipuri de microscopuri cu lumină

Modernul clasifică:

1. Conform clasei de complexitate pentru un microscop de cercetare, lucru și școală.
2. După domeniul de aplicare pentru chirurgical, biologic și tehnic.
3. Prin tipuri de microscopie pentru dispozitive de lumină reflectată și transmisă, contact de fază, luminescență și polarizare.
4. În direcția fluxului luminos către linii inversate și drepte.

Microscoape electronice

În timp, dispozitivul conceput pentru a examina obiectele microscopice a devenit din ce în ce mai perfect. Au apărut astfel de tipuri de microscoape în care s-a folosit un principiu complet diferit de funcționare, care nu depindea de refracția luminii. În procesul de utilizare a celor mai noi tipuri de dispozitive, sunt implicați electronii. Astfel de sisteme vă permit să vedeți părți individuale atât de mici ale materiei încât razele de lumină curg pur și simplu în jurul lor.

Pentru ce este un microscop electronic? Este folosit pentru a studia structura celulelor la nivel molecular și subcelular. De asemenea, dispozitive similare sunt folosite pentru a studia virușii.

Dispozitiv de microscop electronic

Care este baza muncii celor mai noi dispozitive pentru vizualizarea obiectelor microscopice? În ce se deosebește un microscop electronic de unul ușor? Există asemănări între ele?

Principiul de funcționare al unui microscop electronic se bazează pe proprietățile pe care le au câmpurile electrice și magnetice. Simetria lor de rotație poate avea un efect de focalizare asupra fasciculelor de electroni. Pe baza acestui fapt, se poate da un răspuns la întrebarea: "Cum diferă un microscop electronic de unul ușor?" Spre deosebire de un dispozitiv optic, nu are lentile. Rolul lor este jucat de câmpuri magnetice și electrice calculate corespunzător. Acestea sunt create prin rotații de bobine prin care trece curentul. În acest caz, astfel de câmpuri acționează în mod similar. Când puterea curentă crește sau scade, distanța focală a dispozitivului se schimbă.

În ceea ce privește diagrama schematică, într-un microscop electronic este similară cu cea a unui dispozitiv luminos. Singura diferență este că elementele optice sunt înlocuite cu altele electrice similare.

Mărirea unui obiect în microscopul electronic are loc datorită procesului de refracție a unui fascicul de lumină care trece prin obiectul studiat. În unghiuri diferite, razele lovesc planul obiectivului obiectiv, unde are loc prima mărire a probei. Electronii se deplasează apoi către lentila intermediară. Există o schimbare lină în creșterea dimensiunii obiectului. Imaginea finală a materialului de testare este furnizată de lentila de proiecție. Din acesta, imaginea cade pe ecranul fluorescent.

Tipuri de microscopuri electronice

Tipurile moderne includ:

1... TEM, sau microscop electronic de transmisie. În această configurație, o imagine a unui obiect foarte subțire, cu o grosime de până la 0,1 μm, este formată prin interacțiunea unui fascicul de electroni cu substanța studiată și mărirea ulterioară a acestuia prin lentile magnetice în obiectiv.
2... SEM sau microscop electronic cu scanare. Un astfel de dispozitiv permite obținerea unei imagini a suprafeței unui obiect cu o rezoluție mare de ordinul câtorva nanometri. Atunci când se utilizează metode suplimentare, un astfel de microscop oferă informații care ajută la determinarea compoziției chimice a straturilor din apropierea suprafeței.
3. Microscop electronic cu scanare în tunel sau STM. Cu ajutorul acestui dispozitiv, se măsoară relieful suprafețelor conductoare cu rezoluție spațială ridicată. În procesul de lucru cu STM, un obiect metalic ascuțit este adus la obiectul studiat. În acest caz, se menține o distanță de doar câțiva angstromi. Mai mult, un ac potențial mic este aplicat, datorită căruia apare un curent de tunelare. În acest caz, observatorul primește o imagine tridimensională a obiectului studiat.

Microscoape "Levenguk"

În 2002 a apărut în America companie nouă, angajată în producția de dispozitive optice. Gama produselor sale include microscopuri, telescoape și binocluri. Toate aceste dispozitive se disting prin calitate ridicată a imaginii.

Sediul central și departamentul de dezvoltare al companiei sunt situate în SUA, în orașul Fremond (California). În ceea ce privește unitățile de producție, acestea sunt situate în China. Datorită tuturor acestora, compania furnizează piața produse avansate și de calitate la un preț accesibil.

Ai nevoie de microscop? Levenhuk vă va sugera opțiunea necesară. Gama de echipamente optice ale companiei include dispozitive digitale și biologice pentru mărirea obiectului în studiu. În plus, cumpărătorului i se oferă modele de designer realizate într-o varietate de culori.

Microscopul Levenhuk are o funcționalitate extinsă. De exemplu, un dispozitiv educațional de bază poate fi conectat la un computer și este, de asemenea, capabil să înregistreze videoclipuri de cercetare în curs. Levenhuk D2L este echipat cu această funcționalitate.

Compania oferă microscoape biologice de diferite niveluri. Acestea sunt atât modele mai simple, cât și articole noi, potrivite pentru profesioniști.

Microscop electronic Un microscop electronic este un dispozitiv care vă permite să imaginați obiecte cu o mărire maximă de până la 10 de 6 ori, datorită utilizării unui fascicul de electroni în locul unui flux de lumină. Rezoluția unui microscop electronic este de 1000 ÷ 10000 de ori mai mare decât rezoluția unui microscop cu lumină, iar pentru cele mai bune dispozitive moderne poate fi vorba de mai mulți angstromi (10 -7 m).

Apariția microscopului electronic a devenit posibilă după o serie de descoperiri fizice de la sfârșitul secolului al XIX-lea și începutul secolului al XX-lea. Această descoperire în 1897 a electronului (J. Thomson) și descoperirea experimentală în 1926 a proprietăților de undă ale electronului (K. Davisson, L. Germer), confirmând ipoteza prezentată în 1924 de de Broglie despre dualismul undă-particule al tuturor tipurilor de materie. În 1926, fizicianul german H. Bush a creat o lentilă magnetică care permite focalizarea fasciculelor de electroni, care a servit ca o condiție prealabilă pentru crearea primului microscop electronic în anii 1930. În 1931, R. Rudenberg a primit un brevet pentru un microscop electronic cu transmisie, iar în 1932 M. Knoll și E. Ruska au construit primul prototip. aparat modern... Această lucrare de E. Ruski în 1986 a primit Premiul Nobel pentru Fizică, care i-a fost acordat lui și inventatorilor microscopului de sondare de scanare Gerd Karl Binnig și Heinrich Rohrer. În 1938, Ruska și B. von Borris au construit un prototip de microscop electronic cu transmisie industrială pentru Siemens-Halske în Germania; acest dispozitiv a obținut în cele din urmă o rezoluție de 100 nm. Câțiva ani mai târziu, A. Prebus și J. Hiller au construit primul OPEM de înaltă rezoluție la Universitatea din Toronto (Canada). La sfârșitul anilor 1930 și începutul anilor 1940, au apărut primele microscopii electronice cu scanare (SEM), care formează o imagine a unui obiect atunci când o mică sondă electronică cu secțiune transversală este deplasată secvențial peste obiect. Utilizarea masivă a acestor dispozitive în cercetarea științifică a început în anii 1960, când au atins o excelență tehnică semnificativă. SEM în forma sa actuală a fost inventat în 1952 de Charles Otley. Adevărat, versiunile preliminare ale unui astfel de dispozitiv au fost construite de Knoll în Germania în anii 1930 și Zvorykin cu angajați ai corporației RCA în anii '90, dar numai dispozitivul lui Otley a putut servi drept bază pentru o serie de îmbunătățiri tehnice care au culminat cu introducerea unei versiuni industriale a SEM la mijlocul anilor 1960. x ani.

Există două tipuri principale de microscopuri electronice. microscop electronic de transmisie În anii 1930, a fost inventat microscopul electronic de transmisie convențional (TEM), microscopul electronic de scanare din anii 1950 - microscopul electronic de scanare (SEM)

Microscopul electronic de transmisie dintr-un obiect ultra-subțire Un microscop electronic de transmisie (TEM) este un dispozitiv în care se formează o imagine dintr-un obiect ultra subțire (aproximativ 0,1 μm grosime) ca urmare a interacțiunii unui fascicul de electroni cu substanța eșantionată, urmată de mărire cu lentile magnetice (obiectiv) și înregistrare pe o fluorescență ecran. Un microscop electronic cu transmisie seamănă mult cu un microscop cu lumină, cu excepția faptului că folosește un fascicul de electroni în loc de lumină pentru a ilumina probele. Conține un reflector de electroni, o serie de lentile condensatoare, un obiectiv și un sistem de proiecție care se potrivește cu ocularul, dar proiectează imaginea reală pe un ecran fluorescent sau pe o placă fotografică. Sursa de electroni este de obicei un catod încălzit de tungsten sau de lantan hexaborid. Catodul este izolat electric de restul dispozitivului și electronii sunt accelerați de un câmp electric puternic. Pentru a crea un astfel de câmp, catodul este menținut la un potențial de ordinul lui B față de ceilalți electrozi, care focalizează electronii într-un fascicul îngust. Această parte a dispozitivului se numește reflector electronic. o miliardime din atmosferă. Deoarece electronii sunt foarte împrăștiați de materie, trebuie să existe un vid în coloana microscopului în care se mișcă electronii. Menține o presiune care nu depășește o miliardime din atmosferă.

Câmpul magnetic creat de rotațiile bobinei prin care curge curentul acționează ca o lentilă colectoare, a cărei distanță focală poate fi modificată prin schimbarea curentului. Bobinele de sârmă care transportă curent focalizează fasciculul de electroni în același mod în care o lentilă de sticlă focalizează un fascicul de lumină. O imagine electronică este formată din câmpuri electrice și magnetice în același mod în care o imagine luminoasă este formată din lentile optice. Principiul de funcționare al unui obiectiv magnetic este ilustrat de următoarea diagramă.

MICROSCOP ELECTRONIC DE TRANSMISIE CONVENȚIONALĂ (OPEM). 1 - sursa de electroni; 2 - sistem de accelerare; 3 - diafragmă; 4 - lentilă condensator; 5 - eșantion; 6 - obiectiv obiectiv; 7 - diafragmă; 8 - lentilă de proiecție; 9 - ecran sau film; 10 este o imagine mărită. Electronii sunt accelerați și apoi focalizați de lentile magnetice. Imaginea mărită, creată de electroni care trec prin diafragma obiectivului, este convertită de un ecran luminescent într-unul vizibil sau înregistrată pe o placă fotografică. O serie de lentile cu condensator (doar ultimele prezentate) concentrează fasciculul de electroni pe probă. De obicei, prima nu creează o imagine mărită a sursei de electroni, iar cea de-a doua controlează dimensiunea zonei iluminate pe eșantion. Diafragma ultimului obiectiv condensator determină lățimea fasciculului în planul obiectului. Eșantion Eșantionul este plasat în câmpul magnetic al unui obiectiv cu o putere optică mare - cel mai important obiectiv OPEM, care determină rezoluția maximă posibilă a instrumentului. Aberațiile unui obiectiv obiectiv sunt limitate de diafragma acestuia în același mod ca într-un aparat foto sau microscop cu lumină. O lentilă de obiect oferă o imagine mărită a obiectului (de obicei cu o mărire de aproximativ 100); mărirea suplimentară introdusă de lentilele intermediare și de proiecție variază de la puțin mai puțin de 10 la puțin mai mult. Astfel, mărirea care poate fi obținută în OPEM-urile moderne variază de la mai puțin de 1000 până la ~ (Cu o mărire de un milion de ori, un grapefruit crește până la dimensiunea Pământului) ... Obiectul care urmează să fie examinat este de obicei plasat pe o plasă foarte fină, introdusă într-un suport special. Suportul poate fi deplasat mecanic sau electric ușor în sus și în jos și la stânga și la dreapta.

Imaginea electronică finală mărită este convertită într-una vizibilă prin intermediul unui ecran luminescent care strălucește sub influența bombardamentului de electroni. Această imagine, de obicei cu un contrast redus, este vizualizată de obicei printr-un microscop cu lumină binoculară. La aceeași luminozitate, un astfel de microscop cu o mărire de 10 poate crea o imagine pe retină care este de 10 ori mai mare decât atunci când este observată cu ochiul liber. Uneori se folosește un ecran de fosfor cu un convertor electro-optic pentru a crește luminozitatea unei imagini slabe. În acest caz, imaginea finală poate fi afișată pe un ecran de televiziune convențional. O placă fotografică oferă de obicei o imagine mai clară decât cea observată cu ochiul liber sau înregistrată pe casetă video, deoarece materialele fotografice, în general vorbind, înregistrează electroni mai eficient. Rezoluție. Fasciculele de electroni au proprietăți similare cu cele ale fasciculelor de lumină. În special, fiecare electron are o lungime de undă specifică. Rezoluția unui EM este determinată de lungimea de undă efectivă a electronilor. Lungimea de undă depinde de viteza electronilor și, prin urmare, de tensiunea de accelerare; cu cât tensiunea de accelerare este mai mare, cu atât viteza electronilor este mai mare și lungimea de undă este mai mică, ceea ce înseamnă că rezoluția este mai mare. Un astfel de avantaj semnificativ al EM în ceea ce privește rezoluția se datorează faptului că lungimea de undă a electronilor este mult mai scurtă decât lungimea de undă a luminii. Dar, din moment ce obiectivele electronice nu se concentrează la fel de bine ca obiectivele optice (diafragma numerică a unui obiectiv electronic bun este de doar 0,09, în timp ce pentru un obiectiv optic bun ajunge la 0,95), rezoluția EM este de 50-100 de lungimi de undă electronice. Chiar și cu astfel de lentile slabe la microscopul electronic, se poate obține o limită de rezoluție de ~ 0,17 nm, ceea ce face posibilă distingerea atomilor individuali din cristale. Pentru a obține o rezoluție de acest ordin, este necesară o reglare foarte atentă a instrumentului; în special, sunt necesare surse de alimentare foarte stabile, iar dispozitivul în sine (care poate avea o înălțime de ~ 2,5 m și cântărește câteva tone) și echipamentul său suplimentar necesită instalare fără vibrații. În OPEM, puteți obține o creștere de până la 1 milion. Limita rezoluției spațiale (în x, y) este de ~ 0,17 nm.

Microscopie electronică de scanare Microscopul electronic de scanare (SEM) este un dispozitiv bazat pe principiul interacțiunii unui fascicul de electroni cu o substanță, conceput pentru a obține o imagine a suprafeței unui obiect cu o rezoluție spațială ridicată (câțiva nanometri), precum și compoziția, structura și alte proprietăți ale straturilor aproape de suprafață. Rezoluția spațială a unui microscop electronic de scanare depinde de dimensiunea transversală a fasciculului de electroni, care la rândul său depinde de sistemul electron-optic care focalizează fasciculul. În prezent modele moderne SEM-urile sunt produse de o serie de companii din întreaga lume, inclusiv: Carl Zeiss NTS GmbH Germania FEI Company SUA (fuzionată cu Philips Electron Optics) FOCUS GmbH Germania Hitachi Japonia JEOL Japonia (Japonia Electron Optics Laboratory) Tescan Republica Cehă

1 - sursa de electroni; 2 - sistem de accelerare; 3 - lentilă magnetică; 4 - bobine deviante; 5 - eșantion; 6 - detector de electroni reflectați; 7 - detector inel; 8 - analizor În SEM, lentilele electronice sunt utilizate pentru a focaliza fasciculul de electroni (sonda electronică) într-un punct foarte mic. Puteți regla SEM astfel încât diametrul spotului să nu depășească 0,2 nm, dar, de regulă, este unități sau zeci de nanometri. Acest punct traversează continuu o anumită zonă a eșantionului, similar cu o rază care traversează ecranul unui tub de televiziune. Semnalul electric care rezultă din bombardarea obiectului cu electronii fasciculului este utilizat pentru a forma o imagine pe ecranul unui tub de imagine de televiziune sau a unui tub de raze catodice (CRT), a cărui măturare este sincronizată cu sistemul de deviere a fasciculului de electroni (Fig.). Mărirea în acest caz este înțeleasă ca raportul dintre dimensiunea imaginii de pe ecran și dimensiunea zonei acoperite de fascicul pe eșantion. Această mărire variază de la 10 la 10 milioane de coloane de electroni. Lentilele electronice (de obicei magnetice sferice) și bobinele deviante formează un sistem numit coloană de electroni. Cu toate acestea, metoda SEM se caracterizează printr-o serie de limitări și dezavantaje, care sunt deosebit de pronunțate în intervalele de măsurare submicronice și nanometrice: rezoluție spațială insuficient de mare; complexitatea obținerii imaginilor tridimensionale ale suprafeței, datorită în primul rând faptului că înălțimea reliefului din SEM este determinată de eficiența împrăștierii elastice și inelastice a electronilor și depinde de adâncimea de penetrare a electronilor primari în stratul superficial; necesitatea de a aplica un strat suplimentar de colectare a curentului pe suprafețe slab conductive pentru a preveni efectele asociate cu acumularea de sarcină; măsurători numai în condiții de vid; posibilitatea deteriorării suprafeței studiate de un fascicul de electroni focalizați pe energie mare.

Datorită fasciculului de electroni foarte îngust, SEM-urile au o adâncime de câmp foarte mare (mm), care este cu două ordine de mărime mai mare decât cea a unui microscop optic și permite obținerea micrografiilor clare cu un efect tridimensional caracteristic pentru obiectele cu relief complex. Această proprietate a SEM este extrem de utilă pentru înțelegerea structurii suprafeței unui eșantion. Micrografia polenului demonstrează capacitățile SEM.

Microscoape cu sondă de scanare Microscoapele cu sondă de scanare (SPM, engleză SPM Scanning Probe Microscope) sunt o clasă de microscopuri pentru măsurarea caracteristicilor unui obiect folosind diferite tipuri de sonde. Procesul imagistic se bazează pe scanarea suprafeței cu o sondă. În general, SPM permite obținerea unei imagini tridimensionale a suprafeței (topografie) cu o rezoluție înaltă. Principalele tipuri de microscopuri cu sondă de scanare: Microscop de scanare cu tunel Microscop de scanare cu tunel (STM) sau microscop cu scanare cu tunel (RTM) - pentru a obține o imagine, se utilizează un curent de tunelare între sondă și probă, care permite obținerea de informații despre topografie și proprietăți electrice probă. Microscop de forță atomică de scanare Microscop de forță atomică de scanare (AFM) - înregistrează diverse forțe între sondă și probă. Oferă topografie de suprafață și proprietăți mecanice. Microscop optic de scanare cu câmp apropiat Microscop optic de scanare cu câmp apropiat (SNOM) - efectul de câmp apropiat este utilizat pentru a obține o imagine.

O caracteristică distinctivă a SPM este prezența: unei sonde, un sistem pentru deplasarea sondei în raport cu eșantionul de-a lungul coordonatelor 2 (X-Y) sau 3 (X-Y-Z), un sistem de înregistrare. Cu o distanță mică între suprafață și eșantion, acțiunea forțelor de interacțiune (repulsie, atracție și alte forțe) și manifestarea diferitelor efecte (de exemplu, tunelarea electronilor) pot fi înregistrate folosind mijloace moderne de înregistrare. Pentru înregistrare se utilizează diferite tipuri de senzori, a căror sensibilitate face posibilă înregistrarea unor mici perturbări. Lucrarea unui microscop cu sondă de scanare se bazează pe interacțiunea suprafeței probei cu sonda (consolă - fascicul englezesc, ac sau sondă optică). Consolele sunt împărțite în dur și moale, - de-a lungul lungimii fasciculului, iar acest lucru se caracterizează prin frecvența de rezonanță a oscilațiilor consolă. Procesul de scanare a unei suprafețe cu un microbuz poate avea loc atât în \u200b\u200batmosferă, fie într-un gaz predeterminat, cât și în vid și chiar printr-un film lichid. Cantilever într-un microscop electronic de scanare (mărire 1000X) coordonate,

Sistemul de înregistrare fixează valoarea unei funcții care depinde de distanța probă-eșantion. Pentru a obține o imagine raster completă, sunt utilizate diferite dispozitive de scanare de-a lungul axelor X și Y (de exemplu, piezotuburi, scanere plan-paralele). Scanarea suprafeței poate fi efectuată în două moduri - scanarea cu consolă și scanarea cu un substrat. Dacă în primul caz consola se deplasează de-a lungul suprafeței investigate, în al doilea caz substratul în sine se deplasează în raport cu consola fixă. feedback Pentru a menține modul de scanare, - consola trebuie să fie aproape de suprafață, - în funcție de mod, - indiferent dacă este un mod de forță constantă sau un mod de înălțime constantă, există un sistem care ar putea menține acest mod în timpul procesului de scanare. Pentru aceasta în circuit electronic microscopul include un sistem special de feedback, care este asociat cu sistemul de deviere a consolului din poziția inițială. Principalele dificultăți tehnice în crearea unui microscop cu sondă de scanare: sfârșitul sondei trebuie să aibă dimensiuni comparabile cu obiectele studiate. Oferind stabilitate mecanică (inclusiv termică și vibrații) la un nivel mai bun de 0,1 angstrom. Detectoarele ar trebui să înregistreze în mod fiabil mici perturbații ale parametrului înregistrat. Crearea unui sistem de scanare de precizie. Asigurarea unei convergențe fluide a sondei la suprafață.

Microscopul de scanare a tunelului (STM) sau microscopul de scanare a tunelului (RTM) A fost inventat un microscop de scanare a tunelului în forma sa actuală (principiile acestei clase de dispozitive au fost stabilite anterior de alți cercetători) de Gerd Karl Binnig și Heinrich Rohrer în 1981. Pentru această invenție li s-a acordat Premiul Nobel pentru fizică din 1986, care a fost împărțit între ei și inventatorul microscopului electronic de transmisie, E. Ruska. În STM, un ac metalic ascuțit este adus la probă la o distanță de câțiva angstromi. Când se aplică un potențial mic acului în raport cu proba, apare un curent de tunelare. Mărimea acestui curent depinde exponențial de distanța eșantionului-vârf. Valori tipice ale pA la distanțe de aproximativ 1 A. Acest microscop folosește un punct metalic cu diametru mic ca sursă de electroni. În spațiul dintre vârf și suprafața eșantionului este generat un câmp electric. Numărul de electroni atrași de câmp din vârf pe unitate de timp (curent de tunelare) depinde de distanța dintre vârf și suprafața eșantionului (în practică, această distanță este mai mică de 1 nm). Când vârful se deplasează de-a lungul suprafeței, curentul este modulat. Acest lucru vă permite să obțineți o imagine asociată cu relieful suprafeței probei. Dacă vârful se termină cu un singur atom, este posibil să se formeze o imagine a suprafeței trecând atom cu atom.

RTM poate funcționa numai dacă distanța de la vârf la suprafață este constantă, iar vârful poate fi deplasat cu o precizie de dimensiuni atomice. Rezoluția ridicată a STM de-a lungul normalului la suprafață (~ 0,01 nm) și în direcția orizontală (~ 0,1 nm), care se realizează atât în \u200b\u200bvid, cât și cu mediu dielectric în spațiul tunelului, deschide perspective largi pentru creșterea preciziei măsurării dimensiunilor liniare în gama de nanometri. Prim-planul vârfului de platină - iridiu al unui microscop cu tunel de scanare.

Microscop de forță atomică de scanare Microscopie de forță atomică de scanare (AFM) Microscopia de forță atomică de suprafață (AFM), propusă în 1986, se bazează pe efectul interacțiunii forței dintre solidele strâns distanțate. Spre deosebire de STM, metoda AFM este potrivită pentru măsurători atât pe suprafețe conductoare cât și pe suprafețe neconductoare, nu numai în vid, ci și în aer și într-un mediu lichid. Cel mai important element al AFM este un microporn (consolă), la capătul căruia există un vârf dielectric cu o rază de curbură R, la care suprafața probei în studiu este adusă la o distanță d0,1 ÷ 10 nm folosind un manipulator cu trei coordonate. Vârful unui consolă este fixat de obicei pe un arc realizat sub forma unui suport cu rigiditate mecanică redusă. Ca urmare a interacțiunii interatomice (intermoleculare) dintre eșantion și vârful consolului, consola este deviată. Rezoluția AFM de-a lungul normalului la suprafață este comparabilă cu rezoluția STM corespunzătoare, iar rezoluția orizontală (rezoluția longitudinală) depinde de distanța d și de raza de curbură a vârfului R. Calculul numeric arată că la R \u003d 0,5 nm și d \u003d 0,4 nm rezoluția longitudinală este de ~ 1 nm. Trebuie subliniat faptul că sonda AFM este vârful acului, ceea ce face posibilă preluarea informațiilor despre profilul unui element de relief de suprafață cu dimensiuni nanometrice, dar înălțimea (adâncimea) unui astfel de element nu trebuie să depășească 100 nm, iar elementul învecinat să fie situat nu mai aproape de 100 nm. Dacă sunt îndeplinite anumite condiții specifice AFM, este posibil să se restabilească profilul unui element fără a pierde informații. Cu toate acestea, aceste condiții sunt practic imposibil de implementat în experiment.

Vizualizare Rezoluție spațială (x, y) Rezoluție în coordonate z Dimensiune câmp Mărire Microscopie optică 200 nm-0,4 -0,2 mm x Microscop confocal 200 nm 1 nm Interferometrie cu lumină albă 200 nm 0,1 nm 0,05 până la x Holograf microscopie 200 nm 0,1 nm 0,05 la x Microscop electronic cu transmisie 0,2 nm - la microscopul electronic de scanare (SEM) 0,4 nm 0,1 nm 0,1-500 μm în z - ~ 1-10 mm la x Scanare microscopii de sondă 0,1 nm 0,05 nm ~ 150 x 150 μm în z -

un dispozitiv pentru observarea și fotografierea mai multor imagini (până la 10 de 6 ori) mărite ale obiectelor, în care în loc de grinzi de lumină se folosesc grinzi, accelerate la energii mari (30-100 keV și mai mult) într-un vid profund. Fundamentele fizice Dispozitivele optice cu fascicul corpuscular au fost stabilite în 1834 (cu aproape o sută de ani înainte de apariția microscopului electronic) de W. R., care a stabilit analogii între razele de lumină în medii optic neomogene și traiectoriile particulelor din câmpurile de forță. Fezabilitatea creării unui microscop electronic a devenit evidentă după avansarea sa în 1924, iar premisele tehnice au fost create de fizicianul german H. Busch, care a investigat focalizarea câmpurilor aximetrice și a dezvoltat o lentilă electronică magnetică (1926). În 1928, oamenii de știință germani M. Knoll și E. Ruska au început să creeze primul microscop electronic cu transmisie magnetică (TEM) și trei ani mai târziu au obținut o imagine a obiectului format de fascicule. În anii următori (M. von Ardenne, 1938; V.K., 1942), a fost construit primul microscop electronic cu scanare (SEM), care funcționează pe principiul scanării (desfășurării), adică secvențial de la un punct la altul al mișcării unui fascicul subțire de electroni ( sondă) asupra obiectului. Până la mijlocul anilor 1960. SEM-urile au atins o perfecțiune tehnică ridicată și, din acel moment, a început aplicarea lor în cercetarea științifică. TEM-urile au cel mai mare (PC), depășind microscoapele luminoase din acest parametru de câteva mii de ori. T. n. limita de rezoluție, care caracterizează dispozitivul pentru a afișa separat cele mai mici detalii ale obiectului, pentru TEM este 2-3. În condiții favorabile, atomii grei individuali pot fi fotografiați. Când fotografiați structuri periodice, cum ar fi rețelele atomice ale cristalelor, este posibil să realizați o rezoluție mai mică de 1. Astfel de rezoluții mari sunt obținute datorită lungimii extrem de scurte (vezi). Diafragmă optimă [vezi. în optica electronică (și ionică) este posibilă reducerea (care afectează microscopul electronic PC) cu o eroare de difracție suficient de mică. Nu au fost găsite metode eficiente de corecție la microscopul electronic (vezi). Prin urmare, în TEM, magnetice (EL), care au altele mai mici, au înlocuit complet EL electrostatic. FEM-urile sunt produse în diverse scopuri. Ele pot fi împărțite în 3 grupe: microscop electronic de înaltă rezoluție, TEM simplificat și microscop electronic de mare viteză.

TEM de înaltă rezoluție (2-3 Å) - ca dispozitive multifuncționale. Cu ajutorul unor dispozitive și atașamente suplimentare din acestea, este posibil să înclinați un obiect la unghiuri diferite față de axa optică, să îl încălziți, să îl răciți, să îl deformați, să efectuați cercetări prin metode etc. În 1-3 minute, se schimbă cu cel mult 1-2 ppm față de original. O imagine a unui TEM tipic de tipul descris este prezentată în fig. 1... Un vid este creat în sistemul său optic (coloană) folosind un sistem special de vid (până la 10 -6 mm Hg). O diagramă schematică a sistemului optic TEM este prezentată în fig. 2... Fasciculul, care servește ca un catod incandescent (format și apoi focalizat de două ori de primul și al doilea condensator, creând un „punct” electronic de dimensiuni mici pe obiect (la reglarea punctului, acesta poate varia de la 1 la 20 microni). După aceea, o parte este împrăștiată prin obiect și este întârziată de diafragmă. Electronii neatenți trec prin deschiderea diafragmei și sunt focalizați în obiectivul intermediar al obiectului. Aici se formează prima imagine mărită. Lentilele ulterioare creează a doua, a treia imagine etc. Ultima lentilă de proiecție formează o imagine pe un ecran fluorescent, care strălucește sub influența electronilor. mărirea egală a tuturor lentilelor. Gradul și natura împrăștierii electronilor nu sunt aceleași în diferite puncte ale obiectului, deoarece grosimea și compoziția chimică a obiectului se schimbă de la punct la punct. În consecință, numărul de electroni reținuți de diafragma diafragmei după trecerea prin diferite puncte ale obiectului se schimbă și, prin urmare, densitatea curentă și în imagine, care este convertită pe ecran. Există un magazin cu plăci fotografice sub ecran. Când fotografiați, ecranul este îndepărtat și electronii acționează asupra stratului de fotoemulsie. Imaginea este focalizată prin schimbarea lină a curentului care conduce obiectivul. Curenții altor lentile sunt reglați pentru a schimba microscopul cu mărire electronică

Figura: 3. Microscop electronic cu înaltă tensiune (UHVEM): 1 - rezervor, în care gazul izolant (SF6) este pompat până la o presiune de 3-5 atm; 2 - pistol cu \u200b\u200belectroni; 3 - tub de accelerare; 4 - condensatori ai unei surse de înaltă tensiune; 5 - bloc de lentile condensante; 6 - lentilă; 7, 8, 9 - lentile de proiecție; 10 - microscop cu lumină; 11 - panou de control.

Microscop electronic cu scanare (SEM) cu un catod strălucitor sunt destinate studierii obiectelor masive cu o rezoluție de 70 până la 200 Å. Accelerația din SEM poate fi reglată în intervalul de la 1 la 30-50 mp.

Dispozitiv de microscop electronic cu scanare prezentat în fig. 4... Folosind 2 sau 3 EL-uri, o sondă îngustă de electroni este concentrată pe probă. Deflectoarele magnetice desfășoară sonda pe o zonă prestabilită a obiectului. Când sonda interacționează cu obiectul, apar mai multe tipuri ( fig. cinci) - electroni secundari și reflectați; electroni care trec prin obiect (dacă este subțire); Radiografie și caracteristică; radiații etc.

Figura: 5. Schema de înregistrare a informațiilor despre obiect, primite în SEM. 1 - fascicul de electroni primari; 2 - detector de electroni secundari; 3 - Detector de raze X; 4 - detector de electroni reflectați; 5 - detector de radiații luminoase; 6 - detector de electroni transmis; 7 - dispozitiv pentru măsurarea potențialului electric indus asupra obiectului; 8 - dispozitiv pentru măsurarea curentului electronilor care trec prin obiect; 9 - dispozitiv pentru măsurarea curentului de electroni absorbiți în obiect.

Oricare dintre aceste radiații poate fi înregistrată de un colector adecvat care conține un senzor care se transformă în cele electrice, care, după amplificare, sunt alimentate către (CRT) și îi modulează fasciculul. Scanarea fasciculului CRT se realizează odată cu scanarea sondei electronice din SEM și se observă o imagine mărită a obiectului pe ecranul CRT. Mărirea este egală cu raportul dintre înălțimea cadrului de pe ecranul CRT și lățimea obiectului scanat. Imaginea este fotografiată direct de pe ecranul CRT. Principalul avantaj al SEM este conținutul ridicat de informații al dispozitivului datorită capacității de a observa imaginea folosind diverși senzori. Cu ajutorul SEM, puteți investiga compoziția chimică a obiectului, joncțiunile p-n, producerea și multe altele. Proba este de obicei examinată fără o pregătire prealabilă. SEM este utilizat și în procesele tehnologice (defecte ale microcircuitelor etc.). High pentru SEM PC se realizează la formarea unei imagini folosind secundar. Este determinat de diametrul zonei din care sunt emiși acești electroni. Mărimea zonei, la rândul ei, depinde de diametrul sondei, de proprietățile obiectului, de electronii fasciculului primar etc. Când adâncimea de penetrare a electronilor primari este mare, procesele secundare care se dezvoltă în toate direcțiile măresc diametrul zonei și PC-ul scade. Detectorul secundar de electroni constă dintr-un fotomultiplicator și un convertor electron-foton, al cărui element principal este cu două - tragere sub formă de rețea, sub un potențial pozitiv (până la câteva sute de V) și accelerare; acesta din urmă conferă electronii secundari capturați energia necesară. Aproximativ 10 kV se aplică electrodului de accelerare; de obicei este un strat de aluminiu pe scintilator. Numărul de blițuri scintilatoare este proporțional cu numărul de blițuri secundare emise într-un punct dat al obiectului. După amplificare în fotomultiplicator și în semnal, fasciculul CRT este modulat. Mărimea semnalului depinde de eșantion, de prezența microcâmpurilor electrice și magnetice locale, de mărimea care, la rândul său, depinde de compoziția chimică a eșantionului la un punct dat. Electronii reflectați sunt înregistrați de semiconductori (siliciu). Contrastul imaginii se datorează dependenței de unghiul de incidență al fasciculului primar și de numărul atomic. Rezoluția imaginii obținute „în electroni reflectați” este mai mică decât cea obținută cu cele secundare (uneori cu un ordin de mărime). Datorită rectitudinii zborului de electroni către colector, se pierd informații despre secțiuni individuale din care nu există o cale directă către colector (apar umbre). Caracteristica este emisă fie de un cristal cu raze X, fie de un senzor de dispersie a energiei - un detector semiconductor (de obicei din siliciu pur dopat cu litiu). În primul caz, cuantele de raze X după reflectarea de către cristalul spectrometrului sunt înregistrate de cea gazoasă, iar în al doilea, semnalul preluat de la semiconductor este amplificat de un zgomot redus (care este răcit de azot lichid pentru a reduce zgomotul) și un sistem de amplificare ulterior. Semnalul din cristal modulează fasciculul CRT și pe ecran apare o imagine cu unul sau alt element chimic pe obiect. Radiografia locală este, de asemenea, efectuată pe SEM. Detectorul de dispersie a energiei înregistrează toate elementele de la Na la U cu sensibilitate ridicată. Un spectrometru cristalin cu ajutorul unui set de cristale cu diferite acoperiri interplanare (a se vedea) de la Be la U. Un dezavantaj semnificativ al SEM este durata lungă a procesului de „eliminare” a informațiilor atunci când studiați obiecte. Un PC relativ ridicat poate fi obținut folosind o sondă electronică cu un diametru suficient de mic. Dar, în același timp, sonda scade, în urma căreia influența crește brusc, ceea ce reduce raportul dintre semnalul util și zgomot. Pentru ca raportul semnal-zgomot să nu scadă sub un nivel dat, este necesar să încetiniți scanarea pentru a acumula un număr suficient de mare de primare (și secundare corespunzătoare) în fiecare punct al obiectului. Ca rezultat, PC-ul este realizat numai la viteze de măturare reduse. Uneori se formează un cadru în decurs de 10-15 minute.

Figura: 6. Diagrama schematică a unui microscop electronic cu scanare prin transmisie (STEM): 1 - catod cu emisie de câmp; 2 - anod intermediar; 3 - anod; 4 - sistem de deviere pentru alinierea fasciculului; 5 - diafragma "iluminator"; 6, 8 - sisteme de deviere pentru scanarea sondei electronice; 7 - obiectiv magnetic cu focalizare lungă; 9 - diafragmă de deschidere; 10 - lentilă magnetică; 11 - obiect; 12, 14 - sisteme de deviere; 13 - colector inelar de electroni împrăștiați; 15 - colector de electroni nedisparți (îndepărtat când se lucrează cu spectrometrul); 16 - spectrometru magnetic, în care fasciculele de electroni sunt rotite de un câmp magnetic cu 90 °; 17 - sistem de deviere pentru selectarea electronilor cu pierderi de energie diferite; 18 - fantă spectrometru; 19 - colecționar; VE - flux secundar de electroni; hn - radiații cu raze X.

SEM cu pistol cu \u200b\u200bemisie de câmp posedă PC SEM ridicat (până la 30 Å). Într-un pistol cu \u200b\u200bemisie de câmp (ca în), se folosește un catod sub formă de vârf, în vârful căruia apare unul puternic, care smulge electronii din catod (vezi). Luminozitatea electronică a unui pistol cu \u200b\u200bun catod cu emisie de câmp este de 10 3-10 de 4 ori mai mare decât cea a unui pistol cu \u200b\u200bun catod fierbinte. Curentul sondei electronice crește în consecință. Prin urmare, în SEM cu pistol cu \u200b\u200bemisie de câmp, se efectuează măturări rapide, iar sonda este redusă pentru a crește calculatorul. Cu toate acestea, catodul cu emisie de câmp funcționează stabil doar la vid foarte înalt (10 -9 -10 -11 mm Hg), iar acest lucru complică proiectarea unor astfel de SEM și funcționarea acestora.

Microscop electronic cu scanare prin transmisie (PREM)au același PC înalt ca TEM. Aceste dispozitive utilizează pistoale cu emisie de câmp, care asigură un diametru suficient al sondei de până la 2-3 Å. Pe fig. 6 este prezentată o reprezentare schematică a PREM. Două reduc diametrul sondei. Sub obiect se află - central și circular. Electronii nedisparți cad pe primul, iar după amplificarea semnalelor corespunzătoare, așa-numitul. imagine de câmp luminos. Electronii împrăștiați sunt colectați pe detectorul inelar, creând așa-numitul. imagine de câmp întunecat. În STEM, este posibil să se studieze obiecte mai groase decât în \u200b\u200bTEM, deoarece o creștere a numărului de obiecte împrăștiate inelastic cu grosime nu afectează rezoluția (nu există optică în STEM după obiect). Cu ajutorul energiei, electronii care trec printr-un obiect sunt separați în fascicule împrăștiate elastic și inelastic. Fiecare fascicul lovește propriul său detector și se observă o imagine corespunzătoare pe CRT, care conține informații suplimentare despre obiectul împrăștiat. O rezoluție ridicată în STEM este obținută cu măturări lente, deoarece curentul într-o sondă cu un diametru de numai 2-3 Å este prea mic.

Microscop electronic de tip mixt. Combinarea într-un singur dispozitiv a principiilor imaginii cu un fascicul staționar (ca în TEM) și scanarea unei sonde subțiri asupra unui obiect a făcut posibilă realizarea avantajelor TEM, SEM și STEM într-un astfel de microscop electronic. În prezent, toate TEM-urile oferă posibilitatea de a observa obiecte în modul raster (folosind lentile cu condensator și crearea unei imagini reduse care este scanată peste obiect prin sistemele de deviere). În plus față de imaginea formată dintr-un fascicul staționar, imaginile raster sunt obținute pe ecrane CRT folosind electroni transmiși și secundari, electroni caracteristici etc. Sistemul optic al unui astfel de TEM, situat după obiect, face posibilă funcționarea în moduri care nu sunt fezabile în alte dispozitive. De exemplu, puteți observa simultan pe ecranul CRT și imaginea aceluiași obiect pe ecranul dispozitivului.

Emisia E. m. creează o imagine a unui obiect în electroni, pe care obiectul însuși îl emite atunci când este încălzit, printr-un fascicul primar și când se aplică un câmp electric puternic, care scoate electronii din obiect. Aceste dispozitive au de obicei un scop restrâns.

Microscop electronic SLR servesc în principal pentru a vizualiza „relieful potențial” electrostatic și microcâmpurile magnetice de pe obiect. Principalul element optic al dispozitivului este, dintre care unul este obiectul în sine, care se află sub un potențial negativ mic față de catodul pistolului. Fasciculul de electroni este direcționat într-o oglindă și reflectat de câmpul din imediata apropiere a obiectului. Oglinda formează o imagine „în raze reflectate” pe ecran. Microcâmpurile din apropierea suprafeței obiectului redistribuie electronii fasciculelor reflectate, creând o vizualizare a acestor microcâmpuri în imagine.

Perspectivele de dezvoltare Microscopul electronic O creștere a imaginilor obiectelor non-periodice în PC cu 1 Å și mai mult va permite înregistrarea nu numai a atomilor grei, ci și a celor ușori și vizualizarea lor la nivel atomic. Pentru a crea un microscop electronic cu o rezoluție similară, accelerația este crescută. Ser. fizic ", v. 34, 1970; Hawkes P. și, trad. din engleză, M., 1974; Derkach V.P., Kiyashko G.F., Kukharchuk MS, Dispozitive cu sondă electronică, K., 1974; Stoyanova I. G., Anaskin I. F., Bazele fizice ale metodelor de microscopie electronică de transmisie, M., 1972; Oatley C. W., Microscopul electronic cu scanare, Camb. 1972; Grivet P., Electron optics, ediția a II-a, Oxf., 1972.

Pentru a obține o imagine într-un microscop electronic, se folosesc lentile magnetice speciale care controlează mișcarea electronilor din coloana dispozitivului folosind un câmp magnetic.

YouTube enciclopedic

1 / 4

✪ Cel mai puternic microscop electronic din lume.

✪ Lumi sub microscop

✪ Nanomir. Microscop cu tunel de scanare.

✪ 89. Din istoria marilor descoperiri științifice: Ernst Ruska și microscopul electronic

Subtitrări

Istoria dezvoltării microscopului electronic

În 1931 R. Rudenberg a primit un brevet pentru un microscop electronic de transmisie, iar în 1932 M. Knoll și E. Ruska au construit primul prototip al unui dispozitiv modern. Această lucrare a lui E. Ruski în 1986 a primit Premiul Nobel pentru fizică, care i-a fost acordat lui și inventatorilor microscopului de sondă de scanare Gerd Karl Binnig și Heinrich Rohrer. Utilizarea unui microscop electronic de transmisie pentru cercetarea științifică a început la sfârșitul anilor 1930 și, în același timp, a apărut primul instrument comercial, construit de Siemens.

La sfârșitul anilor 1930 - începutul anilor 1940, au apărut primele microscopii electronice de scanare, care au format o imagine a unui obiect atunci când o mică sondă electronică în secțiune transversală a fost deplasată secvențial peste obiect. Utilizarea masivă a acestor dispozitive în cercetarea științifică a început în anii 1960, când au atins o excelență tehnică semnificativă.

Un salt semnificativ (în anii 1970) în dezvoltare a fost utilizarea catodelor Schottky și a catodelor cu emisie de câmp rece în loc de catoduri termionici; cu toate acestea, aplicarea lor necesită un vid mult mai mare.

La sfârșitul anilor 1990 și începutul anilor 2000, computerizarea și utilizarea detectoarelor CCD au simplificat foarte mult achiziția de imagini digitale.

În ultimul deceniu, microscoapele electronice moderne cu transmisie avansată au folosit corectori pentru aberații sferice și cromatice, care introduc distorsiuni majore în imaginea rezultată. Cu toate acestea, aplicația lor poate complica în mod semnificativ utilizarea dispozitivului.

Tipuri de dispozitive

microscopie electronică de transmisie

Un microscop electronic cu transmisie folosește un fascicul de electroni de mare energie pentru a forma o imagine. Fasciculul de electroni este creat prin intermediul unui catod (tungsten, LaB 6, Schottky sau emisie de câmp rece). Fasciculul de electroni rezultat este de obicei accelerat la 80-200 keV (se utilizează diferite tensiuni de la 20 kV la 1 MV), focalizat de un sistem de lentile magnetice (uneori lentile electrostatice) și trece prin eșantion, astfel încât unii dintre electroni să fie împrăștiați pe eșantion, iar alții nu. Astfel, fasciculul de electroni trecut prin eșantion transportă informații despre structura eșantionului. Fasciculul trece apoi printr-un sistem de lentile de mărire și formează o imagine pe un ecran fluorescent (de obicei sulfură de zinc), placă fotografică sau cameră CCD.

Rezoluția TEM este limitată în principal de aberație sferică. Unele TEM-uri moderne au corectori sferici de aberație.

Principalele dezavantaje ale TEM sunt necesitatea unui eșantion foarte subțire (de ordinul a 100 nm) și instabilitatea (descompunerea) eșantioanelor de sub fascicul.

Transmisie raster (scanare) microscopie electronică (STEM)

Unul dintre tipurile de microscopie electronică de transmisie (TEM), cu toate acestea, există dispozitive care funcționează exclusiv în modul STEM. Un fascicul de electroni este trecut printr-o probă relativ subțire, dar, spre deosebire de microscopia electronică de transmisie convențională, fasciculul de electroni este focalizat într-un punct care se deplasează peste probă de-a lungul unui raster.

Microscopie prin scanare electronica

Se bazează pe principiul televiziunii de scanare a unui fascicul subțire de electroni pe suprafața eșantionului.

Colorare

În configurațiile lor cele mai comune, microscopii electronici produc imagini la o valoare separată a luminozității pentru fiecare pixel, cu rezultatele afișate de obicei în tonuri de gri. Cu toate acestea, adesea aceste imagini sunt apoi colorate folosind software-ul sau pur și simplu prin editare manuală cu un editor grafic. Acest lucru se face de obicei pentru efect estetic sau pentru a clarifica structura și, de obicei, nu adaugă informații despre eșantion.

În unele configurații, mai multe informații despre proprietățile eșantionului pot fi colectate pe pixel utilizând mai mulți detectori. În EMS, atributele topografiei și reliefului unui material pot fi obținute folosind o pereche de detectoare electronice de reflexie și astfel de atribute pot fi suprapuse într-o singură imagine color, atribuind o culoare primară diferită fiecărui atribut. Prin analogie, combinațiilor de semnale electronice reflectate și secundare pot fi atribuite diferite culori și suprapuse pe o singură micrografie color, arătând simultan proprietățile eșantionului.

Anumite tipuri de detectoare utilizate în EMS au capacități analitice și pot furniza mai multe elemente de date pe pixel. Exemple sunt detectoarele de spectroscopie cu raze X dispersive în energie, utilizate în analiza elementară, și sistemele de microscop cu catodoluminescență, care analizează intensitatea și spectrul luminescenței stimulate electronic în (de exemplu) probe geologice. În sistemele SEM, utilizarea acestor detectoare este comună semnalelor codate prin culoare și sunt suprapuse într-o singură imagine color, astfel încât diferențele în distribuția diferitelor componente ale eșantionului să poată fi văzute și comparate clar. În plus, standardul de imagine electronică secundară poate fi combinat cu unul sau mai multe canale compozite, astfel încât structura și compoziția probei să poată fi comparate. Astfel de imagini pot fi realizate cu integritatea deplină a semnalului original, care nu se schimbă în niciun fel.

dezavantaje

Microscoapele electronice sunt scumpe de fabricat și întreținut, dar costul total și operațional al unui microscop optic confocal este comparabil cu microscoapele electronice de bază. Microscoapele care vizează obținerea unor rezoluții ridicate ar trebui să fie adăpostite în clădiri stabile (uneori subterane) și fără câmpuri electromagnetice externe. Probele ar trebui, în general, privite în vid, deoarece moleculele care alcătuiesc aerul vor împrăștia electroni. O excepție este mediul de microscop electronic cu scanare, care permite vizionarea probelor hidratate la presiune scăzută (până la 2,7 kPa) și / sau medii umede. Microscoapele electronice de scanare care funcționează în modul convențional cu vid ridicat afișează de obicei o probă conductivă; Prin urmare, materialele neconductoare necesită o acoperire conductivă (aur / paladiu, aliaj de carbon, osmiu etc.). Modul de joasă tensiune al microscoapelor moderne face posibilă observarea probelor neco-conductive neacoperite. Materialele neconductoare pot fi, de asemenea, imaginate prin presiunea alternativă (sau mediul) unui microscop electronic cu scanare.

Aplicații