Электронная микроскопия

1. Электронная микроскопия

2.

Электронная микроскопия – совокупность
электронно-зондовых методов исследования
микроструктуры твердых тел, их локального
состава и микрополей (электрических, магнитных
и др.) с помощью электронных микроскопов.
Электронные микроскопы - приборы, в которых
для получения увеличения изображений
используют электронный пучок.
Электронная микроскопия включает также
методики подготовки изучаемых объектов,
обработки и анализа результирующей
информации.

3. Различают два главных направления электронной микроскопии:

• трансмиссионную (просвечивающую)
• растровую (сканирующую)
Они дают качественно различную информацию об
объекте исследования и часто применяются
совместно.
Известны также:
• отражательная
• эмиссионная
• оже-электронная
• лоренцова
• и иные виды (реализуемые, как правило, с
помощью приставок к трансмиссионным и
растровым электронным микроскопам).

4.

Некоторые основные понятия
• Электронный луч - направленный пучок ускоренных электронов,
применяемый для просвечивания образцов или возбуждения в них вторичных
излучений (напр., рентгеновского).
• Ускоряющее напряжение - напряжение между электродами электронной
пушки, определяющее кинетическую энергию электронного луча.
• Разрешающая способность(разрешение) - наименьшее расстояние между
двумя элементами микроструктуры, видимыми на изображении раздельно
(зависит от характеристик ЭМ, режима работы и свойств образцов).
• Светлопольное изображение – увеличенное изображение микроструктуры,
сформированное электронами, прошедшими через объект с малыми
энергетическими потерями [структура изображается на экране электронной
лучевой трубки (ЭЛТ) темными линиями и пятнами на светлом фоне].
• Темнопольное изображение формируется рассеянными электронами
(основной пучок электронов при этом отклоняют или экранируют) и
используется при изучении сильно рассеивающих объектов (напр.,
кристаллов); по сравнению со светлопольным выглядит как негативное.
• Хроматическая аберрация - снижение скорости электронов после
просвечивания объекта, приводящее к ухудшению разрешения; усиливается с
увеличением толщины объекта и уменьшением ускоряющего напряжения.

5.

• Контрастирование (химическое и физическое) - обработка исследуемых
образцов для повышения общего контраста изображения и(или)
выявления отдельных элементов их структуры.
• Оттенение - физическое контрастирование микрочастиц, макромолекул,
вирусов, состоящее в том, что на образец в вакуумной установке
напыляется тонкая пленка металла; при этом "тени" (ненапыленные
участки) прорисовывают контуры частиц и позволяют измерять их
высоту.
• Негативное контрастирование - обработка микрочастиц или
макромолекул на пленке-подложке растворами соединений тяжелых
металлов(U и др.), в результате чего частицы будут видны как светлые
пятна на темном фоне (в отличие от позитивного контрастирования,
делающего темными сами частицы).
• Сканирование - последовательное облучение изучаемой поверхности
узким электронным лучом - зондом с помощью развертки (в
трансмиссионных приборах все поле зрения облучается одномоментно).
• Развертка - периодическое отклонение электронного луча по осям X и Y
с целью формирования электронного растра.
• Растр - система линий сканирования на поверхности образца и на
экране ЭЛТ.

6. Трансмиссионная микроскопия

Реализуется с помощью трансмиссионных
(просвечивающих) электронных микроскопов (ТЭМ; рис.
1), в которых тонкопленочный объект просвечивается
пучком ускоренных электронов с энергией 50-200 кэВ.
Электроны, отклоненные атомами объекта на малые углы
и прошедшие сквозь него с небольшими энергетическими
потерями, попадают в систему магнитных линз, которые
формируют на люминесцентном экране (и на фотопленке)
светлопольное изображение внутренней структуры. При
этом удается достичь разрешения порядка 0,1 нм, что
соответствует увеличениям до 1,5 х 106 раз. Рассеянные
электроны задерживаются диафрагмами, от диаметра
которых в значительной степени зависит контраст
изображения. При изучении сильно рассеивающих
объектов более информативны темнопольные
изображения.
Разрешение и информативность ТЭМ-изображений во
многом определяются характеристиками объекта и
способом его подготовки.

7.

При исследовании тонких пленок и срезов
полимерных материалов и биологических тканей
применяют очень тонкие (не более 0,01 мкм) пленки и
срезы, повышая их контраст обработкой соединений
тяжелых металлов (Os, U, Pb и др.), которые
избирательно взаимодействуют с компонентами
микроструктуры (хим.контрастирование).
Ультратонкие срезы полимерных материалов (10-100
нм) получают с помощью ультрамикротомов, а
пористые и волокнистые материалы предварительно
пропитывают и заливают в эпоксидные компаунды.
Металлы исследуют в виде получаемой хим. или
ионным травлением ультратонкой фольги.
Для изучения формы и размеров микрочастиц
(микрокристаллы, аэрозоли, вирусы, макромолекулы)
их наносят в виде суспензий либо аэрозолей на
пленки-подложки
из
поливинилформаль
или
аморфного С, проницаемые для электронного луча, и
контрастируют методом оттенения или негативного
контрастирования.

8.

Для анализа металлической фольги, а также толстых (1-3
мкм) срезов др. материалов используют высоко- и
сверхвысоковольтные ТЭМ с ускоряющими напряжениями
соотв. 200-300 и 1000-3000 кВ. Это позволяет снизить
энергетические потери электронов при просвечивании
образцов и получить четкие изображения, свободные от
хроматической аберрации.
Структура гелей, суспензий, эмульсий и биологических тканей
с большим содержанием воды может быть исследована
методами
криорепликации:
образцы
подвергают
сверхбыстрому замораживанию и помещают в вакуумную
установку, где производится раскалывание объекта и
осаждение на поверхность свежего скола пленки аморфного С
и оттеняющего металла. Полученная реплика, повторяющая
микрорельеф поверхности скола, анализируется в ТЭМ.
ТЭМ обеспечивает также получение дифракционных картин
(электронограмм), позволяющих судить о кристаллической
структуре
объектов
и
точно
измерять
параметры
кристаллических решеток. Данный метод - одно из основных
средств исследования ультратонкой структуры твердого тела.
Рис. 1. Схема устройства трансмиссионного электронного микроскопа: 1 электронная пушка; 2 - конденсор; 3 -образец;4, 5- объектив и его диафрагма; 6, 7промежуточная и проекционная линзы;8 -смотровое окно; 9 - люминесцентный
экран; 10 - фотокамера с затвором;11 - вакуумная система.

9. Растровая (сканирующая) микроскопия

В растровых электронных микроскопах (РЭМ; рис. 2)
электронный луч, сжатый магнитными линзами в тонкий
(1-10 нм) зонд, сканирует поверхность образца,
формируя на ней растр из нескольких тысяч
параллельных линий. Возникающее при электронной
бомбардировке поверхности вторичные излучения
(вторичная эмиссия электронов, оже-электронная
эмиссия
и
др.)
регистрируются
различными
детекторами и преобразуются в видеосигналы,
модулирующие электронный луч в электронно-лучевой
трубке (ЭЛТ). Развертки лучей в колонне РЭМ и в ЭЛТ
синхронны, поэтому на экране ЭЛТ появляется
изображение,
представляющее
собой
картину
распределения интенсивности одного из вторичных
излучений
по
сканируемой
площади
объекта.
Увеличение РЭМ определяется как М = L/l, где L и l длины линий сканирования на экране ЭЛТ и на
поверхности образца.

10.

Рис. 2. Схема устройства растрового электронного микроскопа: 1 - электронная
пушка; 2 - конденсор; 3 – отклоняющая система; 4 - конечная линза с корректором
астигматизма; 5 - объектный столик;6 - образец; 7 - вакуумная система; 8 - генератор
разверток; 9 - блок управления увеличением; 10 -селектор сигналов (для выбора
регистрируемого вторичного излучения); 11 –видео усилитель; 12,13 - ЭЛТ и ее
отклоняющая система; BИ1-BИ3- потоки вторичных излучений; C1 - C3 –
электрические сигналы; Д1-Д3 - детекторы; ЭЛ1, ЭЛ2- электронные лучи; X, Y направления сканирования (строчная и кадровая развертки).

11.

Выбор
регистрируемого
вторичного
излучения
обусловлен задачей исследования. Основной режим
работы РЭМ – регистрация вторичных электронов (ВЭ).
Поскольку интенсивность эмиссии ВЭ сильно зависит от
угла падения электронного луча на поверхность,
получаемое изображение весьма близко к обычному
макроскопическому
изображению
рельефа
объекта,
освещаемого со всех сторон рассеянным светом; иначе
говоря, формируется топографический контраст. Эмиссия
ВЭ отличается наибольшей интенсивностью по сравнению
с др.вторичными излучениями. Кроме того, в этом режиме
достигается максимальное разрешение.
При
исследовании
неоднородных
по
составу
поверхностей на топографическое изображение ВЭ
накладывается дополнительное распределение яркостей,
зависящее от среднего атомного номера Z вещества
образца на каждом микроучастке (композиционный, или Zконтраст),
который
проявляется
сильнее,
если
регистрировать не вторичные, а упруго рассеянные
электроны.

12.

Тонкопленочные
образцы
(до
1
мкм)
просвечиваются электронным лучом насквозь
и прошедшие электроны регистрируются
детектором, расположенным под объектом.
Изображения, получаемые в этом режиме,
иногда более информативны, чем обычные
ТЭМ - изображения, т.к. свободны от
хроматической
аберрации.
С помощью соответствующих детекторных
систем и спектрометров в РЭМ можно
регистрировать электромагнитные излучения:
катодолюминесценцию,
тормозное
и
характеристические рентгеновские излучения,
а также оже-электроны. Получаемые при этом
изображения и спектры дают количественную
информацию о локальном элементном составе
поверхностных слоев образца и широко
применяются в материаловедении .

13.

Для изучения структуры поверхности посредством РЭМ к
образцу предъявляется ряд требований:
прежде
всего,
его
поверхность
должна
быть
электропроводящей, чтобы исключить помехи за счет
накопления поверхностного заряда при сканировании.
нужно всемерно повышать отношение сигнал/шум, которое
наряду с параметрами оптической системы определяет
разрешение (наносят тонкую (15-20 нм) однородную пленку
вторичной электронной эмиссии (Au, Au-Pd, Pt-Pd)).
Биологические объекты, содержащие, как правило, большое
кол-во воды, перед нанесением покрытия необходимо
зафиксировать спец. хим. обработкой и высушить, сохранив
естественный микрорельеф поверхности (сушка в критической
точке с использованием сжиженных СО2 и N2O,).
Разрешающая способность РЭМ определяется многими
факторами, зависящими как от конструкции прибора, так и от
природы исследуемого объекта. Если образец электро- и
теплопроводен, однороден по составу и не обладает
приповерхностной пористостью, в РЭМ с вольфрамовыми
электродами достигается разрешение 5-7 нм, в РЭМ с
электронными пушками на полевой эмиссии - 1,0-1,5 нм.

14. Перспективные направления развития ТЭМ и РЭМ

К ним относятся:
повышение разрешающей способности ТЭМ и РЭМ;
совершенствование способов подготовки образцов;
разработка методов получения качественно новой
информации и повышения чувствительности методов
анализа с помощью спектрометрических систем;
разработка методов компьютерной обработки полученных
изображений с целью выявления содержащейся в них
количеств. Информации о структуре объекта;
автоматизация и компьютеризация ТЭМ, РЭМ и
соединенной
с
ними
аналит.
аппаратуры.
Первый ТЭМ создали М. Кнолль и Э. Рускав 1928-31;
первые РЭМ - М. фон Арденне (1937) и В.К. Зворыкин
(1942);

15.

Рис.4 Сканирующий электронный
микроскоп JSM-50A
Рис.5 Aппарат для высушивания
биологических объектов методом
критической точки производства
POLARON (Великобритания)

16.

Рис.7
Пример
изображения,
получаемого
в
сканирующем
электронном
микроскопе.
Слом
человеческого волоса.
Рис.6 Термическая напылительная
установка JEE-4B

17. Примеры микрофотографий:

Голова мухи. Видны фасетчатые глаза.
Голова муравья.

18. Примеры микрофотографий:

Личинки N.brevirostre. На яйцевом коконе они удерживаются с
помощью паутинных нитей,
а также клешней и специальных прикрепительных ножек.
Справа - личинка-протонимфон Nymphon micronyx (с брюшной
стороны).
Видны хоботок, конечности, прядильный шип и паутинная нить.

19. Примеры микрофотографий:

Микрофотография гриба из
пристеночного слоя кишечника .
Микрофотография эритроцитов: б —
при
сканирующей
электронной
микроскопии (видны два дискоцита;
´4000);
в
—
при
световой
микроскопии; ´900.

20. Примеры микрофотографий:

Улитка внутреннего ухо (электронная
микроскопия)
Клетка рака кожи в режиме
электронной микроскопии