Principem metody je transmisní elektronová mikroskopie. Transmisní rastrovací elektronová mikroskopie. Transmisní elektronová mikroskopie

mikroskop, přenos elektronů zkr., PEM (anglicky) zkr., TEM) — odrůda je vysokovakuové vysokonapěťové zařízení, ve kterém se obraz z ultratenkého předmětu (tloušťka řádově 500 nm nebo méně) vytváří jako výsledek interakce elektronového paprsku s látkou vzorku při průchodu skrz něj .

Popis

Princip činnosti transmisního elektronového mikroskopu je téměř stejný jako u optického mikroskopu, pouze první využívá magnetické čočky místo skleněných čoček a elektrony místo fotonů. Elektronový paprsek emitovaný elektronovým dělem je zaostřen pomocí kondenzorové čočky do malého bodu o průměru ~2–3 μm na vzorku a po průchodu vzorkem je zaostřen čočkou objektivu pro získání projekce zvětšeného obrazu. na speciální vzorkové obrazovce nebo detektoru. Velmi důležitým prvkem mikroskopu je aperturní clona umístěná v zadní ohniskové rovině čočky objektivu. Určuje kontrast obrazu a rozlišení mikroskopu. Vznik kontrastu obrazu v TEM lze vysvětlit následovně. Při průchodu vzorkem ztrácí elektronový paprsek část své intenzity rozptylem. Tato část je větší pro tlustší sekce nebo pro sekce s těžšími atomy. Pokud clona účinně odřízne rozptýlené elektrony, pak se tlusté oblasti a oblasti s těžkými atomy budou jevit jako tmavší. Menší clona zvyšuje kontrast, ale vede ke ztrátě rozlišení. V krystalech vede elastický rozptyl elektronů ke vzniku difrakčního kontrastu.

Autoři

• Veresov Alexandr Genrikhovich
• Saranin Alexandr Alexandrovič

Zdroj

1. Handbook of microscopy for nanotechnology, Ed. Autor: Nan Yao, Zhong Lin Wang. - Boston: Kluwer Academic Publishers, 2005. - 731 s.

zkr., TEM v opačném případě transmisní elektronová mikroskopie(Angličtina) zkr., TEM) — variace, která využívá elektrony, které prošly vzorkem, aby vytvořily zvětšený obraz nebo difrakční obrazec.

Popis

Pro TEM studie se obvykle používají vzorky o tloušťce menší než 500 nm (často menší než 100–200 nm). Čím silnější je vzorek, tím větší by mělo být urychlovací napětí elektronového paprsku. Rozlišení TEM je desítky nanometrů, existují však modifikace metody TEM, u kterých může rozlišení dosáhnout 0,2 nm, při použití speciálních korektorů sférických aberací dokonce 0,05 nm. Tyto odrůdy jsou často považovány za nezávislou výzkumnou metodu - transmisní elektronová mikroskopie s vysokým rozlišením (HREM, HRTEM).

Elektronový mikroskop s využitím přídavných detektorů umožňuje realizovat různé metody mikroanalýzy vzorků - RTG spektrální mikroanalýzu atd.

Autoři

• Zotov Andrej Vadimovič
• Saranin Alexandr Alexandrovič

Zdroj

1. Terminologie pro měření a instrumentaci nanoměřítek, PAS133:2007. - BSI (britský standard), 2007.

Zvětšení transmisního mikroskopu

V transmisní elektronové mikroskopii, TEM (Transmisní elektronová mikroskopie, TEM) elektrony jsou urychleny na 100 keV nebo vyšší (až 1 MeV), zaostřeny na tenký vzorek (tloušťka menší než 200 nm) pomocí systému kondenzátorových čoček a projdou vzorkem buď vychýlené, nebo nevychýlené. Hlavními výhodami TEM jsou jeho vysoké zvětšení v rozsahu od 50 do 10 6 a jeho schopnost získat obraz i difrakční obrazec ze stejného vzorku.

Rozptyl, kterému elektrony procházejí během jejich průchodu vzorkem, určuje typ přijaté informace. Elastický rozptyl probíhá bez ztráty energie a umožňuje pozorovat difrakční obrazce. Nepružné srážky mezi primárními elektrony a elektrony takových nehomogenit vzorku, jako jsou hranice zrn, dislokace, částice druhé fáze, defekty, změny hustoty atd., vedou ke složitým absorpčním a rozptylovým procesům, které vedou k prostorovým změnám v intenzitě přenášených elektronů. . V TEM je možné přepnout z režimu zobrazování vzorků do režimu registrace difrakčního obrazce změnou intenzity pole elektromagnetických čoček.

Velké zvětšení nebo rozlišení všech transmisních elektronových mikroskopů je výsledkem malé efektivní elektronové vlnové délky X, která je dána de Broglieho vztahem:

Kde m a q jsou hmotnost a náboj elektronu, h je Planckova konstanta a V je urychlovací potenciálový rozdíl. Například elektrony s energií 100 keV mají vlnovou délku 0,37 nm a jsou schopny účinně pronikat vrstvou křemíku o tloušťce 0,6 μm.

Rozlišení transmisního mikroskopu

Čím větší je urychlovací napětí transmisního elektronového mikroskopu, tím vyšší je jeho laterální prostorové rozlišení. Teoretická mez rozlišení mikroskopu je úměrná λ 3/4. Transmisní elektronové mikroskopy s vysokým urychlovacím napětím (např. 400 kV) mají teoretický limit rozlišení menší než 0,2 nm. Vysokonapěťové transmisní elektronové mikroskopy mají přidanou výhodu- větší hloubka průniku elektronů, protože elektrony s vysokou energií interagují s hmotou slaběji než elektrony s nízkou energií. Proto mohou vysokonapěťové transmisní elektronové mikroskopy pracovat se silnějšími vzorky. Jednou z nevýhod TEM je omezené hloubkové rozlišení. Informace o rozptylu elektronů na snímcích TEM pocházejí z 3D vzorku, ale promítají se na 2D detektor. Proto se informace o struktuře získané ve směru elektronového paprsku překrývají v rovině obrazu. I když hlavním problémem metody TEM je příprava vzorku, pro nanomateriály není až tak relevantní.

Limited area difraction (SAD) nabízí jedinečnou možnost určit krystalovou strukturu jednotlivých nanomateriálů, jako jsou nanokrystaly a nanotyčinky, a krystalovou strukturu jednotlivých částí vzorku. Při pozorování difrakce z omezené oblasti se kondenzorové čočky rozostřují, aby se vytvořil paralelní paprsek dopadající na vzorek, a k omezení objemu podílejícího se na difrakci se používá clona. Difrakční obrazce z omezené oblasti se často používají k určení typu Bravaisových mřížek a parametrů mřížky krystalických materiálů v algoritmu podobném tomu, který se používá v XRD. Navzdory skutečnosti, že TEM není schopen rozlišit atomy, je rozptyl elektronů extrémně citlivý na cílový materiál a vyvinula se chemická elementární analýza různé druhy spektroskopie. Patří mezi ně energeticky disperzní rentgenová spektroskopie (EDAX) a charakteristická spektroskopie ztráty energie elektronů (EELS).

Transmisní elektronový mikroskop a nanotechnologie

V nanotechnologii se TEM používá nejen k diagnostice struktury a chemický rozbor ale i pro jiné úkoly. Mezi ně patří stanovení bodů tání nanokrystalů, kdy se k ohřevu nanokrystalů používá elektronový paprsek a bod tání je určen vymizením elektronového difrakčního obrazce. Dalším příkladem je měření mechanických a elektrických parametrů jednotlivých nanodrátů a nanotrubic. Metoda umožňuje získat jednoznačnou korelaci mezi strukturou a vlastnostmi nanodrátů.

Guozhong Cao Ying Wang, Nanostruktury a nanomateriály: syntéza, vlastnosti a aplikace - M .: Scientific world, 2012

Úvod

1. Historické pozadí

2. Transmisní elektronová mikroskopie

2.1 Zdroje elektronů

2.2 Systém osvětlení

2.3 Korekce astigmatismu

2.4 Pomocné vybavení pro OPEM

3. Aplikace transmisního elektronového mikroskopu

3.1 Nebiologické materiály

3.2 Biologické látky

3.3 Vysokonapěťová mikroskopie

3.4 Radiační poškození

4. Moderní typy TEM

Závěr

Bibliografie

ÚVOD

Techniky elektronové mikroskopie si získaly takovou oblibu, že si v současné době nelze představit laboratoř pro výzkum materiálů, která by je nepoužívala. První úspěchy elektronové mikroskopie je třeba připsat do 30. let 20. století, kdy byla použita k odhalení struktury řady organických materiálů a biologických objektů. Při studiu anorganických materiálů, zejména kovových slitin, se pozice elektronové mikroskopie posílila s příchodem mikroskopů s vysokým napětím (100 kV a vyšším) a ještě více díky zdokonalení techniky získávání objektů, která umožnila pracovat přímo s materiálem a ne s replikami odlitků. Právě tzv. transmisní elektronová mikroskopie vděčí za svůj vzhled a neustálý vývoj teorii dislokací, mechanismu plastické deformace materiálů. Silné pozice zaujímá elektronová mikroskopie v řadě dalších oborů materiálových věd.

Rostoucí zájem o elektronovou mikroskopii vysvětluje řada okolností. Jedná se za prvé o rozšíření možností metody díky výskytu široké škály příloh: pro studie při nízkých (až -150 °C) a vysokých (až 1200 °C) teplotách, pozorování deformací přímo v mikroskopu, studium rentgenových spekter mikrořezů (do 1 μm a méně) objektů, získávání obrazů v rozptýlených elektronech atd. Za druhé, výrazné zvýšení (až 1 Å a méně) v rozlišení elektronu mikroskopy, díky čemuž byly konkurenceschopné s iontovými mikroskopy v získávání přímých obrazů krystalové mřížky. Konečně možnost podrobně studovat difrakční obrazce souběžně s mikroskopickými studiemi až po pozorování tak jemných detailů, jako je difúzní rozptyl elektronů.

Rastrovací elektronová mikroskopie, která soustředila všechny výdobytky transmisní elektronové mikroskopie, se také rozšiřuje a rozšiřuje.

1. ODKAZ NA HISTORII

Historie mikroskopie je historií neustálého úsilí člověka proniknout do tajemství přírody. Mikroskop se objevil v 17. století a od té doby jde věda rychle dopředu. Mnoho generací výzkumníků strávilo dlouhé hodiny u mikroskopu a studovalo svět, který není okem viditelný. Dnes je těžké si představit biologickou, lékařskou, fyzikální, metalografickou, chemickou laboratoř bez optického mikroskopu: zkoumáním kapiček krve a tkáňového řezu lékaři vyvozují závěr o stavu lidského zdraví. Ustavení struktury kovů a organických látek umožnilo vyvinout řadu nových vysoce pevných kovových a polymerních materiálů.

Naše století se často nazývá elektronickým věkem. Průnik do tajů atomu umožnil navrhovat elektronická zařízení – lampy, katodové trubice atd. Na počátku 20. let 20. století měli fyzici nápad využít elektronový paprsek k vytvoření obrazu objektů. Realizace této myšlenky dala vzniknout elektronovému mikroskopu.

Rozsáhlé možnosti získávání široké škály informací, mimo jiné z oblastí objektů srovnatelných s atomem, sloužily jako pobídka pro zdokonalení elektronových mikroskopů a jejich využití téměř ve všech oblastech vědy a techniky jako nástrojů fyzikálního výzkumu a technické kontroly.

Moderní elektronový mikroskop je schopen rozlišit tak malé detaily obrazu mikroobjektu, které žádný jiný přístroj nedokáže detekovat. Ještě více než velikost a tvar obrazu zajímá vědce struktura mikroobjektu; a elektronové mikroskopy dokážou vypovídat nejen o struktuře, ale i o chemickém složení, nedokonalostech ve struktuře řezů mikroobjektu o velikosti zlomků mikrometru. Díky tomu se záběr elektronového mikroskopu neustále rozšiřuje a samotné zařízení je stále složitější.

První transmisní elektronové mikroskopy pracovaly s napětím urychlujícím elektrony 30–60 kV; mocnost studovaných objektů sotva dosahovala 1000 Å (1 Å - 10 -10 m). V současné době byly vytvořeny elektronové mikroskopy s urychlovacím napětím 3 MV, které umožňovaly pozorovat objekty tenké i několik mikrometrů. Úspěch elektronové mikroskopie však nebyl omezen na kvantitativní zvýšení urychlovacího napětí. Milníkem bylo vytvoření sériového rastrovacího elektronového mikroskopu (SEM), který si okamžitě získal oblibu mezi fyziky, chemiky, metalurgy, geology, lékaři, biology a dokonce i kriminalisty. Nejvýznamnějšími vlastnostmi tohoto zařízení jsou velká hloubka ostrosti obrazu, která je o několik řádů vyšší než u optického mikroskopu, a možnost studia masivních vzorků prakticky bez zvláštní přípravy. fyzika je nerozlučně spjata s rozvojem výzkumných metod, které umožňují vysvětlit jevy vyskytující se v mikrokosmu. Při vývoji jakékoli vědy, která studuje skutečná fyzická těla, jsou základní dvě otázky: jak se tělo chová za určitých podmínek? Proč se chová určitým způsobem? Nejúplnější odpověď na tyto otázky získáme, pokud strukturu těla a jeho chování zvážíme komplexně, tedy od mikrospojení a mikrostruktury až po makrostrukturu v makroprocesoru. V 19. století byla konečně formulována teorie zobrazování a fyzikům začalo být zřejmé, že pro zlepšení rozlišovací schopnosti mikroskopu je nutné snížit vlnovou délku záření, které tvoří obraz. Tento objev zpočátku nevedl k praktickým výsledkům. Jen díky práci Louise de Broglie (1924), ve které vlnová délka částice souvisela s její hmotností a rychlostí, z čehož vyplynulo, že pro elektrony (stejně jako pro lehké soly) musí nastat jev difrakce ; a Bushe (1926), kteří ukázali, že elektrická a magnetická pole působí téměř jako optické čočky, bylo možné hovořit konkrétně o elektronové optice.

V roce 1927 američtí vědci K. Devissoy a L. Germer pozorovali jev elektronové difrakce a anglický fyzik D. Thomson a sovětský fyzik P. S. Tartakovskii provedli první výzkumy tohoto jevu. Počátkem 30. let 20. století akademik A. A. Lebedev rozvinul teorii difrakce, která byla aplikována na záznamník elektronové difrakce.

Na základě těchto základních prací bylo možné vytvořit elektronově-optické zařízení a de Broglie navrhl, aby to udělal jeden z jeho studentů, L. Szilard. Ten mu v rozhovoru se slavným fyzikem D. Taborem řekl o de Broglieho návrhu, ale Gabor přesvědčil Szilarda, že jakýkoli předmět v dráze elektronového paprsku shoří na popel a navíc živým předmětům nelze zabránit, aby vakuum.

Szilard odmítl nabídku svého učitele, ale v té době již nebyly žádné potíže se získáváním elektronů. Fyzici a radioinženýři úspěšně pracovali s elektronkami, ve kterých byly elektrony získávány díky termionické emisi, nebo jednoduše řečeno zahříváním vlákna (katody) a usměrněným pohybem elektronů směrem k anodě (tj. lampa) vznikla přivedením napětí mezi anodu a katodu. V roce 1931 A. A. Lebedev navrhl elektronové difrakční schéma s magnetickým fokusováním elektronového svazku, které tvořilo základ většiny přístrojů vyráběných u nás i v zahraničí.

V roce 1931 podal R. Rudenberg patentovou přihlášku na transmisní elektronový mikroskop a v roce 1932 M. Knoll a E. Ruska sestrojili první takový mikroskop, využívající k zaostřování elektronů magnetické čočky. Tento nástroj byl předchůdcem moderního OPEM. (Ruska byl za svou práci odměněn tím, že v roce 1986 získal Nobelovu cenu za fyziku.)

V roce 1938 postavili Ruska a B. von Borries prototyp průmyslového OPEM pro Siemens-Halske v Německu; tento přístroj nakonec umožnil dosáhnout rozlišení 100 nm. O několik let později A. Prebus a J. Hiller postavili první OPEM s vysokým rozlišením na University of Toronto (Kanada).

Široké možnosti OPEM se ukázaly téměř okamžitě. Jeho průmyslová produkce Byl spuštěn současně společností Siemens-Halske v Německu a RCA Corporation v USA. Koncem 40. let 20. století začaly taková zařízení vyrábět další společnosti.

SEM ve své současné podobě vynalezl v roce 1952 Charles Otley. Je pravda, že předběžné verze takového zařízení byly sestrojeny Knollem v Německu ve 30. letech a Zworykinem se zaměstnanci korporace RCA ve 40. letech, ale pouze zařízení Otley mohlo sloužit jako základ pro řadu technických vylepšení, která vyvrcholila v r. zavedení průmyslové verze SEM do výroby v polovině 60. let. Okruh spotřebitelů takového poměrně snadno použitelného zařízení s trojrozměrným obrazem a elektronickým výstupním signálem se rozšířil rychlostí exploze. V současné době existuje desítka průmyslových výrobců SEM na třech kontinentech a desítky tisíc takových zařízení používaných v laboratořích po celém světě.V 60. letech 20. století byly vyvinuty ultravysokonapěťové mikroskopy pro studium silnějších vzorků. 3,5 milionu voltů bylo uvedeno do provozu v roce 1970. RTM vynalezli G. Binnig a G. Rohrer v Curychu v roce 1979. Toto velmi jednoduché zařízení poskytuje atomové rozlišení povrchů.Pro vytvoření RTM, Binnig a Rohrer (současně s Ruskou ) obdržel Nobelovu cenu za fyziku.

Široký rozvoj metod elektronové mikroskopie u nás je spojen se jmény řady vědců: N. N. Buinov, L. M. Utevsky, Yu.A. Skakov (transmisní mikroskopie), B. K. Vainshtein (elektronografie), G. V. Spivak (skenovací mikroskopie), I. B. Borovskij, B. N. Vasichev (rentgenová spektroskopie) aj. Díky nim opustila elektronová mikroskopie zdi výzkumných ústavů a ​​stále více se uplatňuje v továrních laboratořích.

2. TRANSMISNÍ ELEKTRONOVÁ MIKROSKOPIE

Elektronový mikroskop- zařízení, které umožňuje získat značně zvětšený obraz objektů pomocí elektronů k jejich osvětlení. Elektronový mikroskop (EM) umožňuje vidět detaily, které jsou příliš malé na to, aby je dokázal rozdělit světelný (optický) mikroskop. Elektronový mikroskop je jedním z nejdůležitějších nástrojů pro základní vědecký výzkum struktury hmoty, zejména v takových vědních oborech, jako je biologie a fyzika pevných látek.

Pojďme se seznámit s konstrukcí moderního transmisního elektronového mikroskopu.

Obrázek 1 - Řez zobrazující hlavní součásti transmisního elektronového mikroskopu

1 – elektronová pistole; 2 -anoda; 3 – cívka pro vyrovnání pistole; 4 – pistolový ventil; 5 – 1. kondenzorová čočka; 6 – 2. kondenzorová čočka; 7 – cívka pro naklápění paprsku; 8 – kondenzátor 2 membrány; 9 – objektiv; 10 – ukázkový blok; 11 – difrakční diafragma; 12 – difrakční čočka; 13 – střední čočka; 14 – 1. projekční čočka; 15 – 2. projekční čočka;

16 – binokulární (zvětšení 12); 17 – vakuový blok kolony; 18 – kamera na 35mm svitkový film; 19 – ostřící obrazovka; 20 – záznamová komora; 21 – úvodní obrazovka; 22 – iontová sorpční pumpa.

Princip jeho konstrukce je obecně podobný principu optického mikroskopu, existují osvětlovací (elektronová pistole), zaostřovací (čočky) a záznamové (obrazovkové) systémy. V detailech se však velmi liší. Světlo se například šíří volně vzduchem, zatímco elektrony se při interakci s jakoukoli látkou snadno rozptylují, a proto se mohou volně pohybovat pouze ve vakuu. Jinými slovy, mikroskop je umístěn ve vakuové komoře.

Podívejme se blíže na součásti mikroskopu. Systém vláken a urychlovacích elektrod se nazývá elektronové dělo (1). V podstatě zbraň připomíná triodovou lampu. Proud elektronů je emitován horkým wolframovým drátem (katodou), je shromažďován ve svazku a urychlován v poli dvou elektrod. První je řídicí elektroda nebo takzvaný „Weneltův válec“, který obklopuje katodu a je na ni aplikováno předpětí, malý záporný potenciál několika set voltů vzhledem ke katodě. Kvůli přítomnosti takového potenciálu je elektronový paprsek vycházející z pistole zaměřen na Wehneltův válec. Druhou elektrodou je anoda (2), destička s otvorem uprostřed, kterým paprsek elektronů vstupuje do sloupce mikroskopu. Mezi vlákno (katodu) a anodu se přivádí urychlovací napětí, typicky až 100 kV. Zpravidla je možné měnit napětí postupně od 1 do 100 kV.

Úkolem pistole je vytvořit stabilní tok elektronů s malou emitující oblastí katody. Čím menší je plocha emitující elektrony, tím snazší je získat jejich tenký paralelní paprsek. K tomu se používají katody ve tvaru V nebo speciálně nabroušené.

Dále se čočky umístí do sloupce mikroskopu. Většina moderních elektronových mikroskopů má čtyři až šest čoček. Elektronový paprsek opouštějící pistoli je směrován přes pár kondenzorových čoček (5,6) k objektu. Kondenzorová čočka umožňuje měnit podmínky osvětlení objektu v širokém rozsahu. Kondenzátorové čočky jsou obvykle elektromagnetické cívky, ve kterých jsou vinutí s proudem obklopena (s výjimkou úzkého kanálu o průměru asi 2–4 cm) měkkým železným jádrem (obr. 2).

Když se mění proud procházející cívkami, mění se ohnisková vzdálenost čočky, v důsledku čehož se paprsek rozšiřuje nebo smršťuje, plocha předmětu osvětlená elektrony se zvětšuje nebo zmenšuje.

korekce elektronovým mikroskopem astigmatismus

Obrázek 2 - Zjednodušené schéma magnetické elektronické čočky

Jsou uvedeny geometrické rozměry pólového nástavce; přerušovaná čára ukazuje obrys objevující se v Ampérově zákoně. Přerušovaná čára také ukazuje čáru magnetického toku, která kvalitativně určuje zaostřovací efekt čočky. V r - intenzita pole v mezeře od optické osy. V praxi jsou vinutí čočky chlazené vodou a pólový nástavec je odnímatelný

Pro získání velkého zvětšení je nutné objekt ozářit toky s vysokou hustotou. Kondenzor (čočka) obvykle osvětluje oblast předmětu, která je mnohem větší, než je ta, která nás při daném zvětšení zajímá. To může vést k přehřátí vzorku a jeho kontaminaci produkty rozkladu olejových par. Teplotu předmětu lze snížit zmenšením ozařované oblasti na přibližně 1 µm pomocí druhé kondenzorové čočky, která zaostří obraz vytvářený první kondenzorovou čočkou. To zvyšuje tok elektronů zkoumanou oblastí vzorku, zvyšuje jas obrazu a vzorek je méně kontaminován.

Vzorek (předmět) se obvykle umístí do speciálního držáku předmětu na tenké kovové pletivo o průměru 2–3 mm. Držák předmětu se pohybuje systémem pák ve dvou vzájemně kolmých směrech, nakláněných v různých směrech, což je důležité zejména při zkoumání tkáňového řezu nebo takových defektů krystalové mřížky, jako jsou dislokace a inkluze.

Obrázek 3 - Konfigurace hrotu pólu objektivu s vysokým rozlišením elektronového mikroskopu Siemens-102.

V tomto úspěšném průmyslovém designu je průměr otvoru horního pólového nástavce 2R 1 = 9 mm, průměr otvoru spodního pólového nástavce 2R 2 = 3 mm a mezipólová mezera S = 5 mm (R 1 , R 2 a S jsou definované na obr. 2): 1 – držák objektu 2 – vzorová tabulka, 3 - vzorek, 4 – objektivní bránice, 5 – termistory, 6 – natahovací čočka, 7 - horní pólový nástavec, 8 – chlazená tyč, 9 – spodní pólový nástavec, 10 – stigmatátor, 11 - kanály chladicího systému, 12 – chlazená membrána

Ve sloupci mikroskopu pomocí vakuový systémčerpání vytváří relativně nízký tlak, přibližně 10 -5 mm Hg. Umění. To zabere docela dost času. Pro urychlení přípravy zařízení k provozu je na objektové komoře připevněno speciální zařízení pro rychlou výměnu předmětu. V tomto případě se do mikroskopu dostává jen velmi malé množství vzduchu, který je odstraněn vakuovými pumpami. Výměna vzorku obvykle trvá 5 minut.

Obraz. Když elektronový paprsek interaguje se vzorkem, elektrony procházející v blízkosti atomů látky objektu jsou vychylovány ve směru určeném jeho vlastnostmi. Je to dáno především viditelným kontrastem obrazu. Kromě toho mohou elektrony stále podléhat nepružnému rozptylu spojenému se změnou jejich energie a směru, procházet objektem bez interakce nebo být objektem absorbovány. Když jsou elektrony absorbovány látkou, vzniká světlo nebo rentgenové záření nebo se uvolňuje teplo. Pokud je vzorek dostatečně tenký, pak je zlomek rozptýlených elektronů malý. Konstrukce moderních mikroskopů umožňují využít pro tvorbu obrazu všech efektů vznikajících při interakci elektronového paprsku s předmětem.

Elektrony, které prošly objektem, vstupují do čočky objektivu (9) určené k získání prvního zvětšeného obrazu. Čočka objektivu je jednou z nejdůležitějších částí mikroskopu, „zodpovědná“ za rozlišovací schopnost přístroje. Je to dáno tím, že elektrony vstupují pod poměrně velkým úhlem sklonu k ose a ve výsledku i nepatrné aberace výrazně zhoršují obraz předmětu.

Obrázek 4 - Vytvoření prvního meziobrazu čočkou objektivu a vliv aberace.

Finální zvětšený elektronický obraz je zviditelněn pomocí fluorescenčního stínítka, které svítí vlivem ostřelování elektrony. Tento obraz, obvykle s nízkým kontrastem, je obvykle pozorován binokulárním světelným mikroskopem. Při stejné jasnosti dokáže takový mikroskop se zvětšením 10 vytvořit na sítnici obraz 10x větší než při pozorování pouhým okem. Někdy se pro zvýšení jasu slabého obrazu používá fosforová obrazovka s trubicí zesilovače obrazu. V tomto případě lze konečný obraz zobrazit na běžné televizní obrazovce, což umožňuje jeho záznam na videokazetu. Videozáznam slouží k záznamu snímků, které se v čase mění, například v důsledku chemické reakce. Nejčastěji se výsledný obraz zaznamenává na fotografický film nebo fotografickou desku. Fotografická deska obvykle umožňuje získat ostřejší obraz, než jaký lze pozorovat pouhým okem nebo zaznamenaný na videokazetu, protože fotografické materiály obecně registrují elektrony efektivněji. Kromě toho lze na jednotku plochy fotografického filmu zaznamenat 100krát více signálů než na jednotku plochy videokazety. Díky tomu lze obraz zaznamenaný na film dále cca 10x zvětšit bez ztráty jasnosti.

Elektronické čočky, magnetické i elektrostatické, jsou nedokonalé. Mají stejné vady jako skleněné čočky optického mikroskopu – chromatickou, sférickou aberaci a astigmatismus. Chromatická aberace vzniká v důsledku nekonzistence ohnisková vzdálenost při fokusaci elektronů s různou rychlostí. Tato zkreslení jsou redukována stabilizací proudu elektronového paprsku a proudu v čočkách.

Sférická aberace je způsobena tím, že periferní a vnitřní zóny čočky tvoří obraz při různých ohniskových vzdálenostech. Vinutí cívky magnetu, jádro elektromagnetu a kanál v cívce, kterým procházejí elektrony, nelze provést dokonale. Asymetrie magnetické polečočka vede k výraznému zakřivení dráhy elektronů.

Práce v režimech mikroskopie a difrakce. Stínované oblasti označují průběh ekvivalentních paprsků v obou režimech.

Pokud magnetické pole není symetrické, pak čočka zkresluje obraz (astigmatismus). Totéž lze přičíst elektrostatickým čočkám. Proces výroby elektrod a jejich vyrovnání by měl být in vysoký stupeň přesné, protože na tom závisí kvalita čoček.

U většiny moderních elektronových mikroskopů je narušení symetrie magnetických a elektrických polí eliminováno pomocí stigmátorů. V kanálcích elektromagnetických čoček jsou umístěny malé elektromagnetické cívky, které mění proud, který jimi protéká, korigují pole. Elektrostatické čočky jsou doplněny elektrodami: volbou potenciálu je možné kompenzovat asymetrii hlavního elektrostatického pole. Stigátory velmi jemně regulují pole a umožňují dosáhnout jejich vysoké symetrie.

Obrázek 5 - Dráha paprsků v elektronovém mikroskopu transmisního typu

V objektivu jsou ještě dvě důležitá zařízení – aperturní clona a vychylovací cívky. Pokud se na tvorbě výsledného obrazu podílejí vychýlené (difraktované) paprsky, pak bude kvalita obrazu špatná kvůli sférické aberaci čočky. Do čočky objektivu je vložena aperturní clona s průměrem otvoru 40–50 µm, která zpožďuje paprsky ohýbané pod úhlem větším než 0,5 stupně. Paprsky vychýlené o malý úhel vytvářejí obraz ve světlém poli. Pokud aperturní clona blokuje procházející paprsek, pak je obraz tvořen difraktovaným paprskem. V tomto případě se získává v tmavém poli. Metoda tmavého pole však poskytuje obraz nižší kvality než metoda světlého pole, protože obraz je tvořen paprsky protínajícími se pod úhlem k ose mikroskopu, sférická aberace a astigmatismus jsou výraznější. Pro změnu sklonu elektronového paprsku se používají vychylovací cívky. Chcete-li získat konečný obrázek, musíte zvětšit první zvětšený obrázek objektu. K tomuto účelu se používá projekční čočka. Celkové zvětšení elektronového mikroskopu by se mělo měnit v širokém rozsahu, od malého zvětšení odpovídajícímu zvětšení lupy (10, 20), při kterém lze zkoumat nejen část objektu, ale i celý objekt. , na maximální zvětšení, které umožňuje plně využít vysoké rozlišení elektronového mikroskopu (obvykle až 200 000). Dvoustupňový systém (čočka, projekční čočka) zde již nestačí. Moderní elektronové mikroskopy, konstruované pro maximální rozlišení, musí mít minimálně tři zvětšovací čočky – objektiv, mezičočku a projekční čočku. Takový systém zaručuje změnu zvětšení v širokém rozsahu (od 10 do 200 000).

Změna zvětšení se provádí úpravou proudu mezičočky.

Dalším faktorem přispívajícím k získání většího zvětšení je změna optické mohutnosti čočky. Pro zvýšení optické mohutnosti čočky jsou do válcového kanálu elektromagnetické cívky vloženy speciální tzv. "pólové hroty". Jsou vyrobeny z měkkého železa nebo slitin s vysokou magnetickou permeabilitou a umožňují koncentraci magnetického pole do malého objemu. U některých modelů mikroskopů je možné měnit hroty pólů, čímž je dosaženo dodatečného zvětšení obrazu předmětu.

Na poslední obrazovce vidí výzkumník zvětšený obraz předmětu. Různé části objektu rozptylují elektrony dopadající na ně různě. Za čočkou objektivu (jak již bylo zmíněno výše) budou zaostřeny pouze elektrony, které se při průchodu objektem vychylují o malé úhly. Tyto stejné elektrony jsou zaostřeny mezilehlou a projekční čočkou na obrazovce pro konečný obraz. Na obrazovce budou odpovídající detaily objektu světlé. V případě, že jsou elektrony vychylovány pod velkými úhly při průchodu sekcemi objektu, jsou zpožděny aperturní clonou umístěnou v čočce objektivu a odpovídající části obrazu budou na obrazovce tmavé.

Obraz se stává viditelným na fluorescenční obrazovce (svítí působením elektronů dopadajících na něj). Fotí se buď na fotografickou desku nebo na film, který se nachází pár centimetrů pod obrazovkou. Přestože je deska umístěna pod obrazovkou, vzhledem k tomu, že elektronické čočky mají poměrně velkou hloubku ostrosti a ohniska, nezhoršuje se jasnost obrazu předmětu na fotografické desce. Výměna desky - přes utěsněný poklop. Někdy se používají photoshopy (od 12 do 24 desek), které se také instalují přes zámkové komory, což umožňuje vyhnout se odtlakování celého mikroskopu.

Povolení. Elektronové paprsky mají vlastnosti podobné vlastnostem světelných paprsků. Zejména se každý elektron vyznačuje určitou vlnovou délkou. Rozlišení elektronového mikroskopu je určeno efektivní vlnovou délkou elektronů. Vlnová délka závisí na rychlosti elektronů a následně na urychlovacím napětí; čím větší je urychlovací napětí, tím větší je rychlost elektronů a kratší vlnová délka, a tedy vyšší rozlišení. Taková významná výhoda elektronového mikroskopu v rozlišení

Zlomová síla se vysvětluje tím, že vlnová délka elektronů je mnohem menší než vlnová délka světla. Protože ale elektronické čočky neostří tak dobře jako optické (numerická apertura dobré elektronické čočky je pouze 0,09, zatímco u dobré optické čočky tato hodnota dosahuje 0,95), je rozlišení elektronového mikroskopu 50 - 100 elektronových vlnových délek. I s takto slabými čočkami v elektronovém mikroskopu lze získat hranici rozlišení asi 0,17 nm, což umožňuje rozlišit jednotlivé atomy v krystalech. K dosažení rozlišení tohoto řádu je nutné velmi pečlivé naladění nástroje; zejména jsou vyžadovány vysoce stabilní napájecí zdroje a samotný přístroj (který může být vysoký asi 2,5 m a váží několik tun) a jeho příslušenství vyžadují montáž bez vibrací.

Pro dosažení rozlišení bodů lepšího než 0,5 nm je nutné udržovat přístroj ve výborné kondici a navíc používat mikroskop, který je přímo určen pro práci související se získáním vysokého rozlišení. Nestabilita proudu čočky objektivu a vibrace ve fázi objektu by měly být omezeny na minimum. Vyšetřující si musí být jistý, že ve špičce pólu objektivu nezůstaly žádné zbytky předmětů z předchozích vyšetření. Membrány musí být čisté. Mikroskop by měl být instalován na místě, které je vyhovující z hlediska vibrací, vnějších magnetických polí, vlhkosti, teploty a prachu. Konstanta sférické aberace by měla být menší než 2 mm. Nicméně nejvíce důležitými faktory při práci s vysokým rozlišením jsou stabilita elektrických parametrů a spolehlivost mikroskopu. Rychlost kontaminace objektu musí být nižší než 0,1 nm/min, a to je zvláště důležité pro práci v tmavém poli s vysokým rozlišením.

Posun teploty by měl být minimální. Aby se minimalizovala kontaminace a maximalizovala stabilita vysokého napětí, je vyžadováno vakuum, které by mělo být měřeno na konci potrubí čerpadla. Vnitřek mikroskopu, zejména objem komory elektronového děla, musí být pečlivě čistý.

Vhodnými předměty pro kontrolu mikroskopu jsou testovací předměty, malé částice částečně grafitovaného uhlíku, ve kterých jsou vidět roviny krystalové mřížky. V mnoha laboratořích je takový vzorek vždy po ruce pro kontrolu stavu mikroskopu a každý den, před zahájením práce s vysokým rozlišením, jsou na tomto vzorku získány jasné snímky systému rovin s mezirovinnou vzdáleností 0,34 nm pomocí držáku vzorků bez náklonu. Tato praxe testování nástroje je vysoce doporučena. Udržet mikroskop ve špičkovém stavu vyžaduje spoustu času a energie. Vyšetření vyžadující vysoké rozlišení by neměla být plánována, dokud není stav přístroje udržován na odpovídající úrovni, a co je důležitější, dokud si mikroskop není zcela jistý, že výsledky získané pomocí snímků s vysokým rozlišením ospravedlní investici. čas a úsilí .

Moderní elektronové mikroskopy jsou vybaveny řadou zařízení. Velmi důležitý nástavec pro změnu sklonu vzorku během pozorování (goniometrické zařízení). Vzhledem k tomu, že kontrast obrazu je získáván hlavně díky elektronové difrakci, mohou jej výrazně ovlivnit i malé naklonění vzorku. Goniometrické zařízení má dvě vzájemně kolmé osy náklonu, které leží v rovině vzorku a jsou uzpůsobeny pro jeho rotaci o 360°. Při naklonění zařízení zajistí, že poloha objektu zůstane nezměněna vzhledem k ose mikroskopu. Goniometrické zařízení je také nezbytné při získávání stereosnímků pro studium reliéfu povrchu lomu krystalických vzorků, reliéfu kostních tkání, biologických molekul atd.

Stereoskopický pár se získá tak, že se v elektronovém mikroskopu vystřelí stejné místo předmětu ve dvou polohách, kdy se natočí pod malými úhly k ose objektivu (obvykle ±5°).

Zajímavé informace o změně struktury objektů lze získat průběžným sledováním vytápění objektu. Pomocí nástavce je možné studovat povrchovou oxidaci, proces neuspořádanosti, fázové přeměny ve vícesložkových slitinách, tepelné přeměny některých biologických přípravků, provést kompletní cyklus tepelného zpracování (žíhání, kalení, popouštění), a s řízenou vysokou rychlostí ohřevu a chlazení. Zpočátku byla vyvinuta zařízení, která byla hermeticky připevněna ke komoře předmětů. Pomocí speciálního mechanismu byl předmět vyjmut ze sloupu, tepelně zpracován a poté umístěn zpět do komory na předmět. Výhodou metody je absence kontaminace kolony a možnost dlouhodobého tepelného zpracování.

Moderní elektronové mikroskopy mají zařízení pro ohřev předmětu přímo ve sloupci. Část držáku předmětu je obklopena mikropecí. Ohřev wolframové spirály mikropecí se provádí stejnosměrným proudem z malého zdroje. Teplota objektu se mění při změně proudu ohřívače a je určena z kalibrační křivky. Zařízení si zachovává vysoké rozlišení při zahřátí až na 1100 °C, asi 30 Å.

V poslední době byla vyvinuta zařízení, která umožňují ohřívat předmět elektronovým paprskem samotného mikroskopu. Objekt je umístěn na tenkém wolframovém disku. Disk je zahříván rozostřeným elektronovým paprskem, jehož malá část prochází otvorem v disku a vytváří obraz předmětu. Teplota disku se může měnit v širokém rozsahu změnou jeho tloušťky a průměru elektronového paprsku.

V mikroskopu je také stolek pro pozorování objektů v procesu ochlazování na -140°C. Chlazení je prováděno kapalným dusíkem, který se nalévá do Dewarovy nádoby spojené se stolem speciální studenou trubicí. V tomto zařízení je vhodné studovat některé biologické a organické objekty, které jsou zničeny vlivem elektronového paprsku bez chlazení.

Pomocí nástavce pro natahování předmětu lze studovat pohyb defektů v kovech, proces iniciace a rozvoje trhliny v předmětu. Bylo vytvořeno několik typů takových zařízení. V některých se využívá mechanického zatěžování pohybem úchytů, ve kterých je předmět uchycen, nebo pohybem přítlačné tyče, zatímco jiné využívají ohřev bimetalových desek. Vzorek se přilepí nebo upne na bimetalové desky, které se při zahřátí vzdalují. Zařízení umožňuje deformovat vzorek o 20% a vytvořit sílu 80g.

Za nejdůležitější připojení elektronového mikroskopu lze považovat mikrodifrakční zařízení pro studium elektronové difrakce konkrétní oblasti objektu zvláštního zájmu. Navíc je mikrodifrakční obrazec na moderních mikroskopech získán bez přepracování zařízení. Difrakční obrazec se skládá ze série prstenců nebo skvrn. Pokud je mnoho rovin v objektu orientováno způsobem příznivým pro difrakci, pak se obraz skládá ze zaostřených bodů. Pokud elektronový paprsek dopadne na několik zrn náhodně orientovaného polykrystalu najednou, vzniká difrakce mnoha rovinami a vytváří se obrazec difrakčních prstenců. Umístěním prstenců nebo skvrn lze určit strukturu látky (například nitrid nebo karbid), její chemické složení, orientaci krystalografických rovin a vzdálenost mezi nimi.

2.1 Zdroje elektronů

Běžně se používají čtyři typy zdrojů elektronů: wolframové katody tvaru V, wolframové bodové (bodové) katody, zdroje hexaboridu lanthanu a zdroje polních elektronů. Tato kapitola stručně pojednává o výhodách každého typu zdroje elektronů pro transmisní elektronovou mikroskopii s vysokým rozlišením a jejich charakteristikách. Na zdroje elektronů používané v elektronové mikroskopii s vysokým rozlišením jsou kladeny následující základní požadavky:

1. Vysoký jas (aktuální hustota na jednotku prostorového úhlu). Splnění tohoto požadavku je zásadní pro experimenty při získávání snímků s vysokým rozlišením s fázovým kontrastem, kdy je potřeba kombinovat malou osvětlovací aperturu s dostatečnou proudovou hustotou, která umožňuje přesné zaostření obrazu při velkém zvětšení.

2. Vysoká účinnost využití elektronů (poměr jasu k celkové hodnotě proudu primárního elektronového paprsku), které je dosaženo díky malé velikosti zdroje. Zmenšení osvětlené plochy vzorku snižuje jeho zahřívání a tepelný drift během expozice.

3.Dlouhá životnost ve stávajícím vakuu.

4. Stabilní emise s dlouhodobou (až minutovou) expozicí, která je typická pro mikroskopii s vysokým rozlišením.

Ideální osvětlovací systém pro konvenční transmisní mikroskop s vysokým rozlišením by byl takový, který umožňuje obsluze nezávisle ovládat velikost osvětlené plochy vzorku, intenzitu osvětlení a koherenci paprsku. Takové možnosti jsou dosaženy pouze při práci s autoelektronickým zdrojem. Pro většinu laboratoří je však použití wolframové bodové katody nejlepším kompromisem z hlediska ceny i výkonu pro transmisní mikroskopii s vysokým rozlišením. V současné době se uvažuje i o možnosti využití zdrojů z hexaboridu lanthanitého. Slibná je také katoda vyhřívaná laserovým paprskem, jejíž jas je údajně 3000krát vyšší než jas katody ve tvaru V s efektivním průměrem zdroje asi 10 nm. Tyto katody pracují v mírném vakuu (10-4 Torr).

2.2. Systém osvětlení

Vzorek

Obrázek 6 - Systém osvětlení moderního elektronového mikroskopu

Systém má dvě kondenzorové čočky C1(silná čočka) a C2(slabá čočka). F– katoda; W– Wepeltův válec; S je imaginární zdroj elektronů, S" a S" jsou jeho obrazy; SA2 - druhá membrána kondenzátoru. Vzdálenosti U 1 , U 2 , PROTI 1 ,PROTI 2 jsou elektronově optické parametry, zatímco vzdálenosti D 1 , D 2 , D 3 snadno měřitelné ve sloupci mikroskopu. .

Na Obr. Obrázek 6 ukazuje dvě kondenzorové čočky zahrnuté v osvětlovacím systému elektronového mikroskopu. Obvykle je možné nezávisle měnit ohniskovou vzdálenost těchto objektivů (C1 a C2) . Buzení první kondenzorové čočky se mění pomocí nastavovacího knoflíku, někdy označovaného jako „velikost bodu“. Obvykle se volí takové buzení, při kterém jsou roviny S, S" a povrch vzorku konjugovány, tj. tak, že se na vzorku vytváří zaostřený obraz zdroje (zaostřené osvětlení).

U katody ve tvaru V je velikost zdroje přibližně 30 µm. Aby nedocházelo k nežádoucímu zahřívání a radiačnímu poškození vzorku, je nutné na něm vytvořit zmenšený obraz zdroje. Pracovní vzdálenost D 3 musí být také dostatečně velká, aby se držák předmětu mohl při výměně vzorku pohybovat. Při použití jediné kondenzorové čočky je obtížné splnit tyto protichůdné požadavky - malé zvětšení při velké vzdálenosti D 3 - protože to vyžaduje, aby vzdálenost D 1 byla příliš velká. Obvykle se proto používá silná první kondenzorová čočka C1, která slouží k 5–100násobnému zmenšení obrazu zdroje a druhá slabá čočka C2 následující po první se zvětšením asi 3 poskytuje velkou pracovní vzdálenost ,

2.3 Korekce astigmatismu

Nastavení stigmatátoru čočky objektivu je velmi důležité pro zajištění vysokého rozlišení. Některá zařízení upravují astigmatismus ve směru i síle, zatímco jiná umožňují nastavení síly astigmatismu ve dvou pevných ortogonálních směrech. Nejprve by měl být astigmatismus zhruba korigován stigmátorem, dokud není získána symetrie Fresnelova prstence. Při práci s vysokým rozlišením je nutné co nejpřesněji korigovat astigmatismus, což lze provést zobrazením struktury tenkého amorfního uhlíkového filmu při velkém zvětšení. K pečlivé korekci astigmatismu v detailech takového 0,3 nm snímku je potřeba mikroskopické zvětšení alespoň 400 000x a optický binokulární x10. Použijte knoflíky ostření a stigma, abyste dosáhli minimálního kontrastu, kterého se dosáhne použitím nejjemnějších nastavovacích knoflíků. Když je čočka podostřená o několik desítek nanometrů, měla by být viditelná jednotná zrnitá struktura uhlíkového filmu bez anizotropie v jakémkoli preferovaném směru. Jedná se o náročný postup vyžadující značnou zručnost. Optický rentgenový difrakční obrazec je nejrychlejší způsob kontroly správnosti korekce astigmatismu a jeho použití je zvláště důležité při zvládnutí postupu korekce astigmatismu. Důležité jsou následující body:

1. Oči se musí plně přizpůsobit tmě. Chcete-li to provést, strávte alespoň 20 minut ve tmě.

2. Poloha a čistota clony objektivu a chlazené clony v poli čočky kriticky ovlivní požadované nastavení stigmatátoru. Nikdy se nedotýkejte žádného otvoru po korekci astigmatismu před fotografováním snímku. A co je nejdůležitější, astigmatismus se v průběhu času nemění a lze jej korigovat. Mírné znečištění clony objektivu nevytváří interferenci, kterou nelze korigovat stigmátorem. Závažnějším rušením je znečištěná membrána, která vytváří kolísání pole. Zkontrolujte znečištění clony objektivu jejím pohybem při sledování obrazu. Při malých posunech clony by nemělo docházet k výraznému zhoršení astigmatismu. Čistotu otvoru chlazené membrány lze kontrolovat při zvětšení, při kterém omezuje zorné pole. Kontrola se provádí mírným pohybem chlazené membrány, pokud je to možné, pozorováním při malém zvětšení.

3. Proud korekce astigmatismu se liší v závislosti na typu použitého držáku objektu, urychlovacím napětí a hnacím proudu čočky objektivu. Ten je mírně závislý na zvětšení, pravděpodobně kvůli magnetické interakci čoček.

4. Častou příčinou těžkého astigmatismu je přítomnost odštípnutého nebo částečně odpařeného preparátu v pólovém nástavci objektivu.

5. Nemá smysl korigovat astigmatismus, dokud chlazená membrána nedosáhne teploty kapalného dusíku a dokud není nutné pravidelně doplňovat chlazený membránový zásobník kapalným dusíkem (nejlépe pumpou). Astigmatismus se také rychle objeví, když se kapalný dusík odpaří z rezervoáru, což způsobí pohyb membrány, když se zahřívá. Stabilizace teploty membrány od začátku plnění zásobníku může trvat nejméně půl hodiny.

Citlivost snímků s vysokým rozlišením na astigmatismus lze posoudit pozorováním rovin grafitizovaného uhlíku ve světlém poli s nenakloněným osvětlením při nastavování stigmatátoru. Pro získání snímků mřížkových rovin umístěných ve všech možných směrech je nutné přesně kompenzovat astigmatismus ve dvou směrech. Je snazší zobrazit roviny mřížky v jednom směru, ale neposkytuje přesné řízení korekce astigmatismu.

Na závěr je vhodné zopakovat, že astigmatismus je potřeba korigovat po každém pohybu clony objektivu.

2.4 Příslušenství pro konvenční transmisní elektronová mikroskopie vysoké rozlišení

Kromě samotného mikroskopu existují různé pomocná zařízení, doplňující mikroskop, které byly zmíněny dříve v této knize. Souhrnně jsou všechny zahrnuty v této části.

1. Hmotnostní spektrometr nebo parciální tlakoměr je mimořádně užitečný doplněk elektronového mikroskopu. Hmotnostní spektrometr poskytuje kompletní analýzu produktů kontaminace v mikroskopu. Některá zařízení mají ve své konstrukci magnety, takové zařízení by mělo být umístěno s ohledem na možný vliv na obraz elektronového mikroskopu.

2. Při práci s vysokým rozlišením je užitečné používat lahvový suchý dusík. Mikroskop se plní suchým dusíkem vždy, když je potřeba provést vnitřní opravy, aby se snížilo množství vodní páry vstupující do kolony.

3. Pro kalibraci zvětšení přístroje v podmínkách měnící se délky ohniska čočky objektivu je účelné použít zařízení pro měření proudu čočkou objektivu.

4. S ohledem na důležitost zajištění tepelné stability při fotografování snímků v tmavém poli s dlouhou expozicí je vhodné mít čerpadlo pro čerpání kapalného dusíku.

5. K odfouknutí prachu nebo zbytků produktu, které zůstaly po čištění komory mikroskopické pistole, je vždy dobré mít ofukovač s tryskou.

3 . APLIKACE PŘENOSOVÉHO ELEKTRONOVÉHO MIKROSKOPU

Téměř neexistuje odvětví výzkumu v oblasti biologie a materiálové vědy, kde by nebyla aplikována transmisní elektronová mikroskopie (TEM); to je způsobeno pokroky v technikách přípravy vzorků.

Všechny techniky používané v elektronové mikroskopii jsou zaměřeny na získání extrémně tenkého vzorku a poskytnutí maximálního kontrastu mezi ním a substrátem, který potřebuje jako podklad. Základní technika je určena pro vzorky o tloušťce 2–200 nm, podpořené tenkými plastovými nebo uhlíkovými fóliemi, které jsou umístěny na mřížce o velikosti buněk cca 0,05 mm. (Vhodný vzorek, ať je získán jakýmkoli způsobem, je zpracován tak, aby se zvýšila intenzita rozptylu elektronů na studovaném objektu.) Pokud je kontrast dostatečně vysoký, pak oko pozorovatele dokáže rozlišit detaily, které jsou ve vzdálenosti 0,1 - 0,2 mm bez vzájemného namáhání. Proto, aby obraz vytvořený elektronovým mikroskopem rozlišil detaily oddělené na vzorku vzdáleností 1 nm, je nutné celkové zvětšení řádově 100 - 200 tis.. Nejlepší z mikroskopů dokážou vytvořit obraz vzorek na fotografické desce s takovým zvětšením, ale je zobrazena příliš malá plocha. Obvykle se pořídí mikrofotografie s menším zvětšením a poté se zvětší fotograficky. Fotografická deska rozliší asi 10 000 řádků na délku 10 cm. Pokud každá čára odpovídá na vzorku určité struktuře o délce 0,5 nm, pak pro registraci takové struktury je potřeba nárůst minimálně o 20 000, při použití TEM lze rozlišit asi 1000 čar.

3.1 Nebiologické materiály

Hlavním cílem elektronové mikroskopie s vysokým rozlišením je dnes vizualizace detailů ultrastruktury nedokonalých krystalických materiálů. V současné době neexistují žádné jiné metody schopné poskytnout takové informace na úrovni atomového rozlišení nebo na úrovni rozlišení elementárních buněk. Detailní pochopení struktury krystalových defektů určuje pokrok jak v krystalochemii, tak v oblasti studia pevnosti materiálů. Pomocí elektronového paprsku k řízení rychlosti chemické reakce v krystalech lze také studovat pohyb defektů během fázových přechodů téměř na atomové úrovni. Elektronová mikroskopie s vysokým rozlišením je také široce používána ke studiu mikrostruktury velmi malých krystalů, ze kterých není možné získat rentgenový difrakční obrazec. V minulé roky tato metoda je široce používána ke studiu minerálů a keramických materiálů.

Studium minerálů metodou replik započalo před několika desítkami let. Slída a jílové minerály byly první, které byly studovány přímo transmisní elektronovou mikroskopií. Mezi první mineralogy, kteří při svém výzkumu použili elektronovou mikroskopii, patří Ribbe, McConnell a Fleet. Práce McLarena a Fakeye (od roku 1965) a Nissena (od roku 1967) měla velký vliv na vývoj elektronové mikroskopie aplikované v mineralogii; jejich výzkumný program byl zcela věnován elektro-mikroskopickému studiu minerálů. Práce na studiu měsíčních materiálů metodami TEM přispěly v roce 1970 ke vzniku mimořádného rozmachu elektronové mikroskopie minerálů, na kterém se vedle mineralogů podíleli materiální vědci a fyzici. Výsledky jimi získané během pěti let, které měly obrovský dopad na moderní mineralogii, ukázaly, že elektronová mikroskopie je v rukou vědce velmi mocným nástrojem. K rozluštění struktury živců a pyroxenů dosud významně přispěla nová data a téměř u každé skupiny minerálů odhalily studie pomocí elektronové mikroskopie řadu neočekávaných vlastností.

Elektronová mikroskopie byla také použita k určení stáří pozemských, měsíčních a meteoritových hornin. V tomto případě byla využita skutečnost, že při radioaktivním rozpadu jádra se uvolňují částice, které pronikají do okolního materiálu s vysoká rychlost a zanechání viditelné "stopy" v krystalu. Takové stopy lze vidět pomocí elektronového mikroskopu, který se používá v režimu skenování nebo přenosu. Hustota rozpadových stop kolem radioaktivní inkluze je úměrná stáří krystalu a jejich délka je funkcí energie částice. Kolem whitlockitových inkluzí v měsíční hornině byly nalezeny dlouhé stopy naznačující vysokou energii částic; Hutcheon a Price připisovali tuto neobvykle dlouhou dráhu rozpadu prvku 244 Rho, který díky svému krátkému poločasu rozpadu již zmizel, ale mohl ještě existovat před 4 miliardami let. Stopy v materiálu odebraném z povrchu Měsíce nebo z meteoritů (obr. 7) poskytují informace o vývoji kosmického záření a umožňují vyvozovat závěry o stáří a složení vesmíru.

Vysoká hustota stop je způsobena přítomností energeticky těžších jader (hlavně Fe) ve sluneční erupci před vznikem meteoritu. Pozoruhodná je tabulková struktura způsobená rozkladem pevných roztoků.

Obrázek 7 - TEM snímek pyroxenového zrna z meteoritu Pesiano v temném poli

TEM se používá v materiálovém výzkumu ke studiu tenkých krystalů a rozhraní mezi různými materiály. Pro získání obrazu rozhraní s vysokým rozlišením se vzorek vyplní plastem, vzorek se rozřízne kolmo k rozhraní a poté se ztenčí tak, aby rozhraní bylo viditelné na ostré hraně. Krystalová mřížka silně rozptyluje elektrony v určitých směrech, čímž vzniká difrakční obrazec. Obraz krystalického vzorku je do značné míry určen tímto obrazem; kontrast je vysoce závislý na orientaci, tloušťce a dokonalosti krystalové mřížky. Změny kontrastu v obraze umožňují studovat krystalovou mřížku a její nedokonalosti v měřítku atomových velikostí. Takto získané informace doplňují informace získané rentgenovou analýzou objemových vzorků, protože EM umožňuje přímo vidět dislokace, vrstvené chyby a hranice zrn ve všech detailech. Kromě toho lze v EM pořizovat obrazce elektronové difrakce a lze pozorovat difrakční obrazce z vybraných oblastí vzorku. Pokud je čočková clona nastavena tak, že jí prochází pouze jeden difraktovaný a nerozptýlený centrální paprsek, pak je možné získat obraz určitého systému krystalových rovin, který dává tento ohnutý paprsek. Moderní přístroje umožňují rozlišit periody mřížky 0,1 nm. Krystaly lze také studovat zobrazováním v tmavém poli, při kterém je centrální paprsek blokován, takže obraz je tvořen jedním nebo více difraktovanými paprsky. Všechny tyto metody poskytly důležité informace o struktuře velmi mnoha materiálů a významně objasnily fyziku krystalů a jejich vlastnosti. Například analýza TEM snímků krystalové mřížky tenkých malých kvazikrystalů v kombinaci s analýzou jejich elektronových difrakčních obrazců umožnila v roce 1985 objevit materiály se symetrií pátého řádu.

3.2 Biologické látky

Elektronová mikroskopie je široce používána v biologických a lékařský výzkum. Byly vyvinuty techniky pro fixaci, lití a získávání tenkých tkáňových řezů pro výzkum v OPEM. Tyto techniky umožňují studovat organizaci buněk na makromolekulární úrovni. Elektronová mikroskopie odhalila součásti buňky a detaily struktury membrán, mitochondrií, endoplazmatického retikula, ribozomů a mnoha dalších organel, které tvoří buňku. Vzorek je nejprve fixován glutaraldehydem nebo jinými fixačními prostředky a poté dehydratován a zalit do plastu. Metody kryofixace (fixace při velmi nízkých - kryogenních - teplotách) umožňují zachování struktury a složení bez použití chemických fixativů. Kromě toho kryogenní metody umožňují zobrazování zmrazených biologických vzorků bez dehydratace. Pomocí ultramikrotomů s leštěnými diamantovými nebo štípanými skleněnými čepelemi lze vyrobit tkáňové řezy o tloušťce 30–40 nm. Montované preparáty lze barvit sloučeninami těžkých kovů (olovo, osmium, zlato, wolfram, uran) pro zvýšení kontrastu jednotlivých komponent nebo struktur.

Biologické studie byly rozšířeny na mikroorganismy, zejména viry, které světelné mikroskopy nerozlišují. TEM umožnil odhalit například struktury bakteriofágů a umístění podjednotek v proteinových obalech virů. Navíc pozitivní a negativní metody barvení dokázaly odhalit strukturu s podjednotkami v řadě dalších důležitých biologických mikrostruktur. Techniky zvýšení kontrastu nukleových kyselin umožnily pozorovat jedno- a dvouvláknovou DNA. Tyto dlouhé lineární molekuly jsou rozprostřeny do vrstvy základního proteinu a naneseny na tenký film. Poté se na vzorek nanese vakuovou depozicí velmi tenká vrstva těžkého kovu. Tato vrstva těžkého kovu "stíní" vzorek, díky čemuž tento při pozorování v OPEM vypadá, jako by byl osvětlen ze strany, ze které byl kov nanesen. Pokud se však vzorek během nanášení otáčí, kov se hromadí kolem částic ze všech stran rovnoměrně (jako sněhová koule).

3.3 Vysokonapěťová mikroskopie

V současné době průmysl vyrábí vysokonapěťové verze OPEM s urychlovacím napětím 300 až 400 kV. Takové mikroskopy mají vyšší penetrační výkon než nízkonapěťové přístroje a jsou téměř stejně dobré jako 1 milion voltové mikroskopy, které byly postaveny v minulosti. Moderní vysokonapěťové mikroskopy jsou poměrně kompaktní a mohou být instalovány v běžné laboratorní místnosti. Jejich zvýšená penetrační schopnost se ukazuje jako velmi cenná vlastnost při studiu defektů v tlustších krystalech, zejména těch, ze kterých není možné vyrobit tenké vzorky. V biologii jejich vysoká penetrační síla umožňuje zkoumat celé buňky bez jejich řezání. Kromě toho lze tyto mikroskopy použít k získání trojrozměrných snímků tlustých předmětů.

3.4 Radiační poškození

Protože elektrony jsou ionizující záření, je mu vzorek v EM neustále vystaven. Vzorky jsou proto vždy vystaveny radiačnímu poškození. Typická dávka záření pohlcená tenkým vzorkem při záznamu mikrofotografie v OPEM přibližně odpovídá energii, která by stačila k úplnému odpaření studené vody z jezírka hlubokého 4 m o ploše 1 ha. Pro snížení radiačního poškození vzorku je nutné použít různé metody jeho příprava: barvení, lití, zmrazení. Navíc je možné registrovat obraz při dávkách elektronů, které jsou 100–1000krát nižší než u standardní metody, a následně jej vylepšovat pomocí metod počítačového zpracování obrazu.

4 . MODERNÍ TYPY TEM

Transmisní elektronový mikroskop Titan 80 – 300 s atomárním rozlišením

Nejmodernější transmisní elektronový mikroskop Titan™ 80 – 300 poskytuje snímky nanostruktur na subangstromové úrovni. Elektronový mikroskop Titan pracuje v rozsahu 80 - 300 kV se schopností korigovat sférickou aberaci a monochromatičnost. Tento elektronový mikroskop splňuje přísné požadavky na maximální mechanickou, tepelnou a elektrickou stabilitu a také na přesné seřízení pokročilých součástí. Titan rozšiřuje rozlišovací schopnosti spektroskopie při měření pásmových mezer a elektronické vlastnosti a umožňuje uživateli získat jasné obrázky rozhraní a interpretovat data nejúplnějším způsobem.

JEOL JEM-3010

300 kV transmisní elektronový mikroskop

300 kilovoltový vysoce přesný analytický elektronový mikroskop s ultra vysokým rozlišením je navržen tak, aby současně sledoval obraz na atomární úrovni a přesně analyzoval vzorek. Tento mikroskop využívá mnoho nových vylepšení, včetně kompaktního 300 kV elektronového děla, osvětlovacího systému s pěti čočkami.

Použití vestavěné iontové pumpy zajišťuje čisté a trvale vysoké vakuum.

Rozlišení bodu: 0,17 nm

Urychlovací napětí: 100 až 300 kV

Zvýšení: 50 až 1 500 000

JEOL JEM - 3000FasTEM

Transmisní elektronový mikroskop s polem emise 300 kV

Transmisní elektronový mikroskop vybavený vysokojasným elektronovým dělem s vyhřívanou emisní katodou pole se zvýšenou stabilitou emisního proudu. Umožňuje přímo sledovat detaily atomové struktury a analyzovat jednotlivé atomové vrstvy. Elektronové dělo s vyhřívanou katodou polem, nejvhodnější pro analýzu nanodomén, poskytuje proud sondy 0,5 nA při průměru sondy 1 nm a 0,1 nA při 0,4 nm.

Rozlišení bodu: 0,17 nm

Urychlovací napětí: 100, 200, 300 kV

Zvětšení: od x60 do x1 500 000

JEOL JEM-2100F

Transmisní elektronový mikroskop s emisemi pole 200 kV

Emisní elektronové dělo, které poskytuje elektronový paprsek s vysokou jasností a koherencí, hraje klíčovou roli při získávání vysokého rozlišení a při analýze nanostruktur. JEM - 2100F je komplexní TEM vybavený pokročilým elektronickým řídicím systémem pro různé funkce.

Hlavní vlastnosti tohoto zařízení:

· Vysoká jasnost a stabilita tepelného pole emisního elektronového děla umožňuje analýzu oblastí nanoměřítek při velkém zvětšení.

· Průměr sondy menší než 0,5 nm umožňuje snížit bod analýzy na úroveň nanometrů.

· Nový, vysoce stabilní stolek na vzorky s bočním vkládáním umožňuje snadné naklánění, otáčení, ohřev a chlazení, programovatelné nastavení a další bez mechanického posunu.

JEOL JEM-2100 LaB6

Analytický transmisní elektronový mikroskop 200 kV

Umožňuje nejen pořizovat přenosové obrazy a difrakční obrazce, ale zahrnuje také počítačový řídicí systém, který může integrovat TEM, zobrazovací zařízení v režimu skenování (STEM), energeticky disperzní spektrometr (JED - 2300 T) a spektrometr ztráty energie elektronů ( EELS ) v libovolné kombinaci.

Vysokého rozlišení (0,19 nm při 200 kV na katodě LaB 6) je dosaženo díky stabilitě vysokého napětí a proudu paprsku spolu s vynikajícím systémem čoček. Nová struktura rámu sloupku mikroskopu jemně snižuje účinek vibrací přístroje. Nový goniometrický stolek umožňuje umístění vzorku s nanometrovou přesností. počítačový systém mikroskopické řízení zajišťuje síťové připojení dalších uživatelů (počítačů) a výměnu informací mezi nimi.

ZÁVĚR

Ještě relativně nedávno měli mineralogové v rukou dva klasické nástroje – polarizační mikroskop a rentgenové difrakční zařízení. Pomocí optického mikroskopu můžeme studovat morfologii a optické vlastnosti minerálů, studovat dvojčata a lamely, pokud velikostí přesahují vlnovou délku dopadajícího světla. Data rentgenové difrakce umožňují přesně určit polohu atomů v základní buňce na stupnici 1 – 100 Å. Avšak taková definice krystalové struktury nám dává určitou strukturu zprůměrovanou na mnoho tisíc elementárních buněk; předem tedy předpokládáme, že všechny elementární buňky jsou totožné.

Zároveň je stále jasnější význam strukturních detailů, které charakterizují minerály na stupnici 100-10 000 Å. Difúzní odrazy na rentgenových vzorech byly interpretovány jako důkaz existence malých domén; asterismus pozorovaný v Laueových vzorcích nebo malé hodnoty extinkčních koeficientů během zpřesňování struktury naznačovaly, že krystaly jsou nedokonalé ve své struktuře a obsahují různé defekty. Pro studium heterogenit, jejichž velikosti se pohybují ve stanovených mezích, je ideálním nástrojem elektronový mikroskop, který je významným zdrojem geologických informací charakterizujících parametry ochlazování a vzniku minerálů a hornin nebo podmínky jejich deformace.

Na rozdíl od rentgenové difrakce, která se v mineralogii začala využívat hned po svém objevení, byla elektronová mikroskopie zpočátku nejrozvinutější a nejpoužívanější v metalurgii. Po vytvoření průmyslových přístrojů v roce 1939 trvalo více než 30 let, než se elektronový mikroskop stal běžným nástrojem v mineralogii a petrografii.

Výhodou elektronové mikroskopie je, že dokáže zobrazit struktury a textury v reálném prostoru, a proto jsou výsledky snadněji vizualizovatelné, než je lze získat výpočtem difrakčních obrazců. Zde je vhodné zmínit nutnost určité opatrnosti. Na rozdíl od pozorování v optickém mikroskopu nelze strukturu vidět přímo elektronovým mikroskopem. Jednoduše pozorujeme kontrast vznikající např. napěťovým polem kolem dislokací a tento kontrast se uvnitř přístroje přemění na obraz. Elektronová mikroskopie nenahrazuje výzkum prováděný metodami rentgenové difrakce. Na druhou stranu existuje mnoho příkladů, kdy data z elektronové mikroskopie sloužila jako základ pro interpretaci rentgenových dat. Tyto dvě metody se dokonale doplňují.

BIBLIOGRAFIE

1 Dyukov V.G., Nepiiko S.A., Sedov N.N. Elektronová mikroskopie místních potenciálů./ Akademie věd ukrajinské SSR. Ústav fyziky. - Kyjev: Nauk. Dumka, 1991. - 200 s.

2 Kulakov Yu.A Elektronová mikroskopie. - M.: Vědění, 1981. – 64 str.

3 Ch. Pool, F. Owens Nanotechnologie: Per. z angličtiny / Ed. Yu I. Golovina. - M.: Technosfera, 2005. - 336 s.

4 Spence J. Experimentální elektronová mikroskopie s vysokým rozlišením: TRANS. z angličtiny / Ed. V. N. Rozhanského. – M.: Věda. Ch. vyd. Fyzikální matematika Lit., 1986. - 320 str., ill.

5 Thomas G., Goring M. J. Transmisní elektronová mikroskopie materiálů: Per. z angličtiny / Ed. B.K. Weinstein - M: Věda. Hlavní vydání fyzikální a matematické literatury, 1983 - 320. léta

6 Elektronová mikroskopie v mineralogii: Per. z angličtiny / Pod generální redakcí. GR. Věnec. - M.: Mir, 1979. - 485 s., ill.

Rozšířil mez rozlišení z vlnové délky světla na atomové rozměry, respektive na meziplanární vzdálenosti v řádu 0,15 nm. První pokusy zaostřit elektronový paprsek pomocí elektrostatických a elektromagnetických čoček byly provedeny ve 20. letech 20. století. První elektronový mikroskop vyrobil I. Ruska v Berlíně ve 30. letech. Její mikroskop byl průsvitný a byl určen pro studium prášků, tenkých filmů a řezů.

Reflexní elektronové mikroskopy se objevily po druhé světové válce. Téměř okamžitě je nahradily rastrovací elektronové mikroskopy kombinované s mikroanalytickými nástroji.

Kvalitní příprava vzorku pro transmisní elektronový mikroskop je velmi náročný úkol. Metody pro takový výcvik však existují.

Existuje několik způsobů přípravy vzorků. V přítomnosti dobré vybavení tenký film lze připravit z téměř jakéhokoli technického materiálu. Na druhou stranu neztrácejte čas studiem špatně připraveného vzorku.

Uvažujme metody pro získání tenkých vzorků z blokového materiálu. Nejsou zde uvažovány způsoby přípravy biologických tkání, dispergovaných částic, stejně jako depozice filmů z plynné a kapalné fáze. Je třeba poznamenat, že téměř každý materiál má vlastnosti přípravy pro elektronový mikroskop.

Mechanická obnova.

Výchozím bodem pro přípravu vzorku je obvykle kotouč o průměru 3 mm a tloušťce několika set mikronů, vyříznutý z masivního kusu. Tento kotouč může být vyražen z kovové fólie, vyříznut z keramiky nebo obroben z blokového vzoru. Ve všech případech je nutné minimalizovat riziko mikroprasknutí a udržovat rovný povrch vzorku.

Dalším úkolem je snížit tloušťku plechu. To se provádí broušením a leštěním, jako při přípravě vzorku pro optický mikroskop. Volba optimálního způsobu broušení je dána tuhostí (modulem pružnosti), tvrdostí a stupněm plasticity materiálu. Tvárné kovy, keramika a slitiny se leští odlišně.

elektrochemické leptání.

V obrábění zpravidla se objevují poškození v blízkosti povrchu, jako je smyk plastu nebo mikrotrhlinky. V případě vodivého kovu lze tloušťku vzorku snížit chemickým nebo elektrochemickým rozpouštěním v roztoku pro elektrolytické leštění. Je však třeba mít na paměti, že parametry zpracování tenkých vzorků se výrazně liší od makrovzorků, a to především z důvodu malé velikosti zpracovávané plochy. Zejména v případě tenkých vzorků lze použít mnohem vyšší proudové hustoty. Problém chlazení materiálu v důsledku výskytu chemické reakce je vyřešen prováděním reakce v proudu rozpouštědla a zpracování disku může být oboustranné.

Tenké vrstvy kovů, slitin a dalších elektricky vodivých materiálů se často úspěšně tryskově leští. Podmínky pro leštění takových materiálů se však liší složením, teplotou roztoku a proudovou hustotou.

Oblasti kolem neutrálního otvoru by měly být průhledné (obvykle 50-200 nm v průměru). Pokud jsou oblasti vhodné pro vyšetření příliš malé, je to způsobeno příliš dlouhým leptáním, které by mělo být zastaveno ihned po objevení otvoru. Pokud jsou tyto oblasti příliš drsné, pak je buď příliš nízká hustota proudu, nebo znečištěné a přehřáté leštění řešení by se mělo změnit.

iontové leptání.

Metoda iontového leptání (bombardování) má následující výhody:

(a) Iontové leptání je proces v plynné fázi prováděný při nízkém tlaku, kde lze snadno kontrolovat stupeň kontaminace povrchu.

(b) Elektrochemické metody jsou omezeny na vodivé kovy, zatímco iontové leptání lze použít i na nevodivé materiály.

(c) Přestože iontové leptání může mít za následek poškození materiálu zářením blízkého povrchu, jeho rozsah lze snížit vhodnou volbou parametrů procesu.

(d) Iontové leptání odstraňuje povrchové oxidové vrstvy z předchozího elektrolytického leštění. Tím se nemění složení povrchu, protože proces se obvykle provádí při nízkých teplotách, kdy nedochází k povrchové difúzi.

(e) Iontové leptání umožňuje zpracovávat vícevrstvé materiály sestávající z několika vrstev nanesených na substrát v rovině kolmé k vrstvám. Všimněte si, že standardní metody chemického leptání to neumožňují.

(c) Metoda iontového leptání umožňuje zpracovat plochy menší než 1 µm, což je u chemických metod nemožné. Je velmi užitečný pro přípravu tenkých filmů.

Tato metoda má samozřejmě i nevýhody. Rychlost leptání je maximální. pokud je iontový paprsek kolmý k povrchu vzorku a atomové hmotnosti iontů a zpracovávaného materiálu jsou blízké. Iontový paprsek však přenáší hybnost a při úhlu 90 0 je mikropoškození povrchové vrstvy maximální. Navíc kvůli nebezpečí chemické interakce iontů s ošetřovaným povrchem se jako paprsek používají pouze inertní plyny (obvykle argon).

Rychlost leptání lze zvýšit zvýšením energie iontů, ale zároveň začnou pronikat do materiálu a vytvářet poškozenou povrchovou vrstvu. V praxi je energie iontů omezena na několik keV, když hloubka průniku není příliš vysoká a ionty mohou difundovat k povrchu bez poškození materiálu.

Rychlost leptání nepřesahuje 50 µm za hodinu. V důsledku toho musí být vzorky před zpracováním iontů mechanicky (ve tvaru disku nebo klínu) nebo elektrochemicky zpracovány na tloušťku 20-50 µm. Během bombardování ionty se vzorek otáčí. pro zaručení rovnoměrného zpracování a pro zvýšení rychlosti leptání se počáteční fáze zpracování provádí současně na obou stranách pod úhlem 18°. Poté se úhel paprsku (a následně i rychlost procesu) sníží. Minimální úhel, který umožňuje získat rovný povrch a přibližně stejnou tloušťku filmu na dostatečně velké ploše, je určen geometrií iontového paprsku. Při malých úhlech dopadu paprsek přestane narážet na vzorek a v tomto případě nastříkaný materiál komory se usadí a kontaminuje povrch vzorku. Minimální úhly dopadu paprsku v konečné fázi zpracování jsou obvykle rovné 2-6°.

Zpracování je zpravidla ukončeno, když se na povrchu vzorku objeví první otvor. V moderních iontových jednotkách je možné sledovat ošetřovanou plochu a postup práce. což umožňuje proces řádně dokončit.

Nástřik ve spreji.

Protože elektronový paprsek nese elektrický náboj, vzorek se může nabíjet během provozu mikroskopu. Pokud je náboj na vzorku příliš vysoký (ale v mnoha případech tomu tak není, protože zbytková povrchová vodivost často omezuje množství náboje), musí být vzorek potažen elektricky vodivou vrstvou. Nejlepším materiálem je k tomu uhlík, který má po naprašování amorfní strukturu a má nízké atomové číslo (6).

Kryt vzniká průchodem elektřina přes dvě kontaktní uhlíkové tyče. Druhá metoda spočívá v naprašování uhlíkového materiálu jeho bombardováním ionty inertního plynu, po kterém se atomy uhlíku ukládají na povrch vzorku. "Problémové" materiály mohou vyžadovat nátěr na obou stranách. Někdy jsou tenké (5-10 nm) nanometrové povlaky na snímku sotva viditelné.

replikační metoda.

Místo přípravy tenkého vzorku pro transmisní elektronový mikroskop se někdy zhotoví replika (otisk) povrchu. V zásadě to není nutné, pokud lze povrch zkoumat rastrovacím elektronovým mikroskopem. V tomto případě však může existovat řada důvodů pro přípravu replik, například:

(a) Pokud vzorek nelze řezat. Po odříznutí dílu jej již nelze používat. Naopak odstranění repliky umožňuje uložit součást.

(b) Při hledání určitých fází na povrchu vzorku. Povrch repliky odráží morfologii takových fází a umožňuje je identifikovat.

(c) Často je možné extrahovat jednu ze složek vícefázového materiálu, například chemickým leptáním. Tuto komponentu lze izolovat na replice, přičemž ji lze zachovat na původním materiálu. Chemické složení, krystalografickou strukturu a morfologii vybrané fáze lze studovat izolovaně od hlavního materiálu, jehož vlastnosti někdy narušují studium,

d) Nakonec je někdy potřeba porovnat obraz repliky s původním povrchem v rastrovacím elektronovém mikroskopu. Příkladem je studium materiálu za podmínek mechanické únavy, kdy se při zkoušce mění povrch.

Standardní technikou je získání negativní repliky pomocí plastového polymeru. Replika se získá použitím vytvrzeného epoxidového nebo rozpouštědlem změkčeného polymerního filmu přitlačeného k povrchu, který má být zkoumán, před odpařením rozpouštědla. V některých případech je nutné odstranit povrchové znečištění. K tomu se před vytvořením konečné repliky použije ultrazvuk nebo se před odstraněním konečné repliky vytvoří předběžná „čistící“ replika. V některých případech může být předmětem studia „znečišťující látka“.

Po ztuhnutí polymerní repliky se oddělí od testovaného vzorku a potáhne se vrstvou těžkého kovu (obvykle slitina zlata a palladia) pro zvýšení kontrastu obrazu. Kov je zvolen tak, aby při naprašování byla velikost jeho kapiček minimální a rozptyl elektronů maximální. Velikost kapiček kovu je obvykle řádově 3 nm. Po kovovém stínování se na repliku polymeru napráší uhlíkový film o tloušťce 100–200 nm a poté se polymer rozpustí. Uhlíkový film spolu s částicemi extrahovanými polymerem z původního povrchu, jakož i kovovou vrstvou, která jej zastiňuje (odrážející topografii původního povrchu), se poté opláchne, umístí na tenkou měděnou mřížku a umístí do mikroskopu .

Příprava povrchu.

Použití vícevrstvých tenkovrstvých materiálů v elektronice vedlo k potřebě vyvinout metody jejich přípravy pro zkoumání v transmisním elektronovém mikroskopu.

Příprava vícevrstvých vzorků má několik fází:

Nejprve se vzorek ponoří do tekutého epoxidu, který se následně vytvrdí a nařeže kolmo k rovině vrstev.

Ploché vzorky jsou pak buď opracovány kotoučem nebo leštěny, aby se získaly vzorky klínového tvaru. V druhém případě se tloušťka odebraného materiálu a úhel klínu řídí mikrometrem. Leštění má několik stupňů, z nichž poslední využívá částice diamantového prášku o průměru 0,25 mikronu.

Aplikujte iontové leptání, dokud se tloušťka studované oblasti nezmenší na požadovanou úroveň. Konečné zpracování se provádí iontovým paprskem pod úhlem menším než 6°.

Literatura:

Brandon D, Kaplan W. Mikrostruktura materiálů. Metody výzkumu a kontroly // Vydavatel: Tekhnosfera.2006. 384 str.