Elektronowy mikroskop transmisyjny
Mikroskop elektronowy —
mikroskop
wykorzystujący do obrazowania wiązkę
elektronów
. Mikroskop elektronowy pozwala badać strukturę
materii
na poziomie
atomowym
. Im większa energia elektronów tym krótsza ich fala i większa rozdzielczość mikroskopu.
Próbka znajduje się w
próżni
i najczęściej jest pokrywana warstewką
metalu
. Wiązka elektronów przemiata badany obiekt i trafia do
detektorów
. Urządzenia elektroniczne odtwarzają na podstawie zmierzonych sygnałów obraz badanej próbki. Pierwszy mikroskop elektronowy skonstruował w 1931 r.
Ernst Ruska
razem z Maksem Knollem w
Berlinie
.
Podstawy fizyczne
Podstawowym parametrem mikroskopu jest
zdolność rozdzielcza
, która określa rozmiary najmniejszych szczegółów jakie da się dostrzec w badanej próbce. Zdolność rozdzielczą mikroskopu optycznego ogranicza
dyfrakcja
(
zjawisko fizyczne
zmiany kierunku rozchodzenia się
fali
) promieni tworzących obraz. Im mniejsza jest długość fali, tym mniejszy obiekt można obserwować. Granica rozdzielczości mikroskopu optycznego wynosi około 200 nm (z wyjątkiem SNOM).
W roku
1905
Albert Einstein
wyjaśnił zjawiska związane z
efektem fotoelektrycznym
, proponując istnienie hipotetycznych cząstek światła nazwanych potem
fotonami
. Światło ujawniło swoją
dwoistą naturę
. W pewnych sytuacjach zachowuje się jak fala,w innych jak strumień cząstek. W roku
1924
Louis de Broglie
zaproponował
hipotezę
, według której cząstki elementarne miały podobną dwoistą naturę. Każda z nich jest zarówno cząstką jak i falą, której długość zależy od
pędu
cząstki. Pęd fotonów jest niewielki i dlatego długość fali świetlnej jest relatywnie duża w skali mikroświata. Nawet najlżejsze cząstki elementarne mają pęd znacznie większy od fotonów. W ten sposób narodził się pomysł wykorzystania w mikroskopii elektronów.
Pierwszy mikroskop elektronowy skonstruował w
1931
roku
Ernst Ruska
razem z Maksem Knollem w
Berlinie
. Na Uniwersytecie w
Aberdeen
George Paget Thomson
przepuścił wiązkę elektronów przez cienką folię metalową i zaobserwował obrazy dyfrakcyjne fal materii. W Laboratoriach firmy Bell
Clinton Joseph Davisson
i Lester Halbert Germer prześwietlili wiązką elektronów próbkę kryształu uzyskując obrazy dyfrakcyjne. W roku
1937
Thomson i Davisson wspólnie otrzymali za swoje prace
Nagrodę Nobla z fizyki
.
Typy mikroskopów elektronowych
Ogólnie mikroskopy elektronowe można podzielić na zwykłe oraz skaningowe mikroskopy elektronowe. W mikroskopach zwykłych jednocześnie analizowany jest duży obszar powierzchni preparatu i tworzony jest jego obraz. W mikroskopach skaningowych w danym momencie analizowany jest niewielki obszar, który jest traktowany jako punkt. Tworzenie obrazu następuje poprzez zebranie informacji z kolejno analizowanych punktów.
Za pierwowzór i jednocześnie najprostszy mikroskop elektronowy uznawano (choć obecnie rzadko jest wymieniany wśród mikroskopów elektronowych)
projektor elektronowy
zwany też mikroskopem polowym.
Elektronowy mikroskop transmisyjny
Uproszczony schemat mikroskopu elektronowego (mikroskopu transmisyjnego)
Elektronowy mikroskop transmisyjny (en: Transmission Electron Microscope) - rejestrowane są elektrony przechodzące przez próbkę. Próbka w takim mikroskopie musi być cienką płytką o grubości mniejszej od 0,1 mikrometra. Przygotowanie takiej próbki jest trudne i znacznie ogranicza zastosowania mikroskopu.
Najważniejszym elementem mikroskopu elektronowego jest kolumna mikroskopu (1), która zawiera
działo elektronowe
(2) wytwarzające (np. w wyniku
termoemisji
lub emisji polowej) wiązkę elektronów (3). Wstępnie uformowana wiązka elektronów w obszarze pomiędzy
katodą
(4) i
anodą
(5) zostaje rozpędzona uzyskując energię: E = eU, gdzie e jest ładunkiem elektronu, a U
napięciem
między katodą i anodą. Zwiększenie napięcia pozwala na zwiększenie pędu elektronów, co zmniejsza długości fali. Przykładowo, gdy napięcie przyspieszające U= 300kV , wtedy długość fali elektronów λ = 0,00197 nm. Dla takiego napięcia prędkość elektronów w kolumnie mikroskopu v =0,776c, gdzie c jest
prędkością światła w próżni
. Aby elektrony mogły przebyć drogę od działa elektronowego do ekranu konieczne jest utrzymywanie w kolumnie bardzo dobrej próżni.
Soczewkom
optycznym odpowiada odpowiednio ukształtowane
pole magnetyczne
zmieniające bieg elektronów w cewkach ogniskujących(6). Istotną zaletą soczewek magnetycznych jest możliwość płynnej zmiany ich ogniskowych poprzez regulację natężenia prądu przypływającego przez soczewkę.
Gdy rozpędzona wiązka elektronów pada na preparat zachodzi szereg efektów, które są wykorzystywane w różnych urządzeniach badawczych. W przypadku dostatecznie cienkich preparatów część elektronów przechodzi przez preparat (7) i jest wykorzystywana w transmisyjnych mikroskopach elektronowych. Elektrony mogą być odbite od preparatu lub mogą wybijać z preparatu elektrony zwane wtórnymi. Te dwa rodzaje elektronów wykorzystuje się w mikroskopach odbiciowych. Elektrony padające na preparat mogą ponadto wzbudzać elektrony atomów badanej próbki, które następnie emitują rentgenowskie promieniowanie charakterystyczne dla atomów próbki. Wiele mikroskopów elektronowych, zarówno transmisyjnych jak i skaningowych, wyposażonych jest w spektrometr(y) EDS (en: Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy) lub WDS (en: Wavelength Dispersive X-Ray Spectrometry), pozwalające na wykonanie analizy składu chemicznego próbki.
Wiązka elektronowa po przejściu przez preparat może być kształtowana podobnie jak promienie świetlne, z wykorzystaniem układu
obiektyw
(8) -
okular
(9). W przypadku elektronów zamiast szklanych elementów optycznych wykorzystywane są cewki zmieniające bieg naładowanych cząstek. Mikroskop może pracować w trybie obrazu wówczas wiązka tworzy obraz preparatu na detektorze (10). Mikroskop pracujący w trybie dyfrakcji może nie mieć cewek obiektywu i okularu, obraz tworzą elektrony w wyniku zjawiska dyfrakcji na strukturze próbki. W pierwszych konstrukcjach detektor był ekranem
elektronoluminescencyjny
(obecnie też stosowane), w obecnych konstrukcjach detektor w postaci matrycy
CCD
, pobudzanej elektronami, umożliwia odczytanie obrazu jako sygnałów elektrycznych, a odpowiednia aparatura pomiarowa pozwala na zapisywanie informacji i tworzenie obrazu próbki.
Elektronowy mikroskop skaningowy
Mikroskopy skaningowe przeglądają powierzchnię próbki punkt po punkcie. Konstruuje się wiele rodzajów mikroskopów opartych na tej idei. Przeglądanie może być realizowane przez skupianie wiązki elektronowej na próbce i jej odchylanie lub przez przemieszczanie ostrza emitującego wiązkę nad próbką.
W mikroskopach z ruchomą wiązką, wiązka elektronów jest skupiona na powierzchni preparatu. Układ odchylania przesuwa wiązkę po preparacie, uwalniane z preparatu elektrony są rejestrowane wraz z danymi o położeniu wiązki. Po przetworzeniu danych uzyskuje się obrazy o dużej rozdzielczości i znacznej głębi ostrości.
Istnieje kilka typów mikroskopów z ruchomym ostrzem:
- skaningowy mikroskop elektronowy emisyjny - rejestracja elektronów emitowanych z sondy (natężenie prądu sondy) przepływających pomiędzy sondą a próbką,
-
skaningowy mikroskop polowy
- rodzaj mikroskopu elektronowego emisyjnego ale emisja elektronów jest
emisją polową
, tzn. zachodzi w wyniku silnego pola elektrycznego na ostrzu sondy,
-
skaningowy mikroskop tunelowy
(
STM
, - rodzaj
SPM
.
Mikroskop jonowy
W celu zmniejszenia efektów falowych w mikroskopach wiązkowych w miejsce elektronów używa się
jonów
.
Zastosowania
Za pomocą mikroskopów elektronowych uzyskuje się niezwykle efektowne obrazy praktycznie we wszystkich dziedzinach
nauki
. Ograniczeniem jest jednak konieczność wykonywania pomiaru w próżni (problem w przypadku próbek biologicznych) oraz przewodnictwo elektryczne próbki. W przypadku mikroskopii transmisyjnej wykonuje się tzw. repliki: próbkę badaną napyla się (w tzw. napylarce próżniowej) cienką warstwą metalu (najlepiej
złotem
) a następne usuwa oryginalną próbkę i wykonuje obraz repliki. W przypadku mikroskopii skaningowej próbkę również napyla się
metalem
, ale nie trzeba usuwać próbki właściwej. Zaletą tak uzyskanych zmodyfikowanych próbek jest ich trwałość i możliwość powtarzania obrazowania, co nie zawsze możliwe jest w innych metodach mikroskopowych.
Zobacz też