Hogyan működik az elektronmikroszkóp? Mi a különbség az optikai mikroszkóptól, van-e analógia közöttük?
Az elektronmikroszkóp működése a forgásszimmetriájú inhomogén elektromos és mágneses mezők azon tulajdonságán alapul, hogy fókuszáló hatást fejtenek ki az elektronsugarakra. Így az elektronmikroszkópban a lencsék szerepét megfelelően kiszámított elektromos és mágneses mezők halmaza tölti be; az ezeket a mezőket létrehozó megfelelő eszközöket "elektronikus lencséknek" nevezik.
Az elektronikus lencsék típusától függően elektronmikroszkópok vannak osztva mágneses, elektrosztatikus és kombinált.
Milyen típusú tárgyakat lehet vizsgálni elektronmikroszkóppal?
Csakúgy, mint az optikai mikroszkóp esetében, a tárgyak először is „önfényesek”, azaz elektronforrásként szolgálhatnak. Ez például egy izzólámpás katód vagy egy megvilágított fotoelektron katód. Másodszor, olyan objektumok használhatók, amelyek bizonyos sebességgel "átlátszóak" az elektronok számára. Más szóval, ha transzmisszióban működik, a tárgyaknak elég vékonynak, az elektronoknak pedig elég gyorsaknak kell lenniük ahhoz, hogy áthaladjanak a tárgyakon és belépjenek az elektronikus lencserendszerbe. Ezen túlmenően visszavert elektronsugarak segítségével nagy tömegű tárgyak (főleg fémek és fémezett minták) felületei is tanulmányozhatók. Ez a megfigyelési módszer hasonló a reflektív optikai mikroszkópos módszerekhez.
A tárgyak tanulmányozásának jellege szerint az elektronmikroszkópokat transzmissziós, reflexiós, emissziós, raszteres, árnyékos és tükrös mikroszkópokra osztják.
Jelenleg a legelterjedtebbek az átviteli típusú elektromágneses mikroszkópok, amelyekben a képet a megfigyelési tárgyon áthaladó elektronok hozzák létre. A következő fő komponensekből áll: egy megvilágító rendszer, egy tárgykamera, egy fókuszáló rendszer, valamint egy kamerából és egy fluoreszkáló képernyőből álló végső képregisztrációs egység. Mindezek a csomópontok egymáshoz kapcsolódnak, létrehozva az úgynevezett mikroszkóposzlopot, amelyen belül nyomást tartanak fenn. A világítási rendszer általában egy háromelektródos elektronágyúból (katód, fókuszáló elektróda, anód) és egy kondenzátorlencséből áll (elektronikus lencsékről beszélünk). A kívánt keresztmetszetű és intenzitású gyors elektronok nyalábját képezi és a tárgykamrában elhelyezkedő vizsgált tárgyra irányítja. A tárgyon áthaladó elektronsugár belép a fókuszáló (vetítési) rendszerbe, amely egy objektívlencséből és egy vagy több vetítőlencséből áll.
Elektron mikroszkóp Az elektronmikroszkóp egy olyan eszköz, amely a fényáram helyett elektronnyaláb használatának köszönhetően akár 10 6-szoros maximális nagyítású képet is készíthet a tárgyakról. Az elektronmikroszkóp felbontása 1000÷10000-szer nagyobb, mint a fénymikroszkópé, és a legjobb modern műszerek esetében több angström (10-7 m) is lehet.
Az elektronmikroszkóp megjelenése a 19. század végén és a 20. század elején történt fizikai felfedezések sorozata után vált lehetővé. Ez az elektron felfedezése 1897-ben (J. Thomson) és az elektron hullámtulajdonságainak kísérleti felfedezése 1926-ban (K. Davisson, L. Germer), megerősítve a de Broglie által 1924-ben feltett hipotézist a korpuszkulárisról. - minden típusú anyag hullámdualizmusa. X. Bush német fizikus 1926-ban megalkotott egy mágneses lencsét, amely lehetővé teszi az elektronsugarak fókuszálását, ami előfeltétele volt az első elektronmikroszkóp megalkotásának az 1930-as években. 1931-ben R. Rudenberg szabadalmat kapott egy transzmissziós elektronmikroszkópra, majd 1932-ben M. Knoll és E. Ruska megépítette egy modern eszköz első prototípusát. E. Ruska ezt a munkáját 1986-ban fizikai Nobel-díjjal jutalmazták, amelyet neki és a pásztázó szondás mikroszkóp feltalálóinak, Gerd Karl Binnignek és Heinrich Rohrernek ítéltek oda. 1938-ban Ruska és B. von Borris megépítette egy ipari transzmissziós elektronmikroszkóp prototípusát a németországi Siemens-Halske cég számára; ez a műszer végül 100 nm-es felbontás elérését tette lehetővé. Néhány évvel később A. Prebus és J. Hiller megépítette az első nagy felbontású OPEM-et a Torontói Egyetemen (Kanada). Az 1930-as évek végén és az 1940-es évek elején jelentek meg az első pásztázó elektronmikroszkópok (SEM), amelyek egy kis metszetű elektronszondát egymás után az objektum fölé mozgatva alkottak egy tárgy képét. Tömeges alkalmazás Ezen eszközök tudományos kutatása az 1960-as években kezdődött, amikor jelentős műszaki tökéletességet értek el. A SEM jelenlegi formájában Charles Otley találta fel 1952-ben. Igaz, egy ilyen eszköz előzetes verzióit a 30-as években a németországi Knoll, az 1930-as években pedig Zworykin építette az RCA vállalat alkalmazottaival, de csak az Otley készülék szolgálhatott számos műszaki fejlesztés alapjául, amelyek az 1930-as években csúcsosodtak ki. a SEM ipari változatának bevezetése az 1960-as évek közepén x év.
Az elektronmikroszkópoknak két fő típusa van. transzmissziós elektronmikroszkóp Az 1930-as években feltalálták a hagyományos transzmissziós elektronmikroszkópot (OPEM), a pásztázó (pásztázó) elektronmikroszkóp az 1950-es években a pásztázó (pásztázó) elektronmikroszkóp (SEM) volt.
Transzmissziós elektronmikroszkóp ultravékony tárgyról A transzmissziós elektronmikroszkóp (TEM) olyan berendezés, amelyben egy ultravékony tárgyról (0,1 μm nagyságrendű) kép keletkezik az elektronsugár és a mintaanyag kölcsönhatásának eredményeként. , ezt követi a mágneses lencsékkel történő nagyítás (objektív) és a fluoreszkáló képernyőn történő regisztráció. A transzmissziós elektronmikroszkóp sok tekintetben hasonlít a fénymikroszkóphoz, azzal a különbséggel, hogy fény helyett elektronsugarat használ a minták megvilágítására. Tartalmaz egy elektronikus kivetítőt, egy sor kondenzátorlencsét, egy objektívlencsét és egy vetítőrendszert, amely illeszkedik a szemlencséhez, de a tényleges képet egy fluoreszkáló képernyőre vagy fényképezőlapra vetíti. Az elektronforrás általában egy fűtött katód, amely wolframból vagy lantán-hexaboridból készül. A katód elektromosan el van választva az eszköz többi részétől, és az elektronokat erős elektromos tér gyorsítja. Egy ilyen mező létrehozásához a katódot V nagyságrendű potenciálon kell tartani a többi elektródához képest, amelyek az elektronokat keskeny nyalábba fókuszálják. A készülék ezen részét elektronikus projektornak nevezik. Az atmoszféra egymilliárd része Mivel az elektronokat erősen szórja az anyag, a mikroszkóposzlopban vákuumnak kell lennie, ahol az elektronok mozognak. A légköri nyomás egy milliárdod részét meg nem haladó nyomást tart fenn.
Az áramot hordozó tekercs menetei által létrehozott mágneses tér konvergáló lencseként működik, amelynek fókusztávolsága az áram változtatásával változtatható. Az áramot hordozó huzaltekercsek ugyanúgy fókuszálják az elektronsugarat, mint az üveglencse a fénysugarat. Elektronikus képet alkotnak az elektromos ill mágneses mezők körülbelül ugyanaz, mint a fény - optikai lencsék. A mágneses lencse működési elvét az alábbi ábra szemlélteti.
HAGYOMÁNYOS ÁTVITELI ELEKTRON MIKROSZKÓP (OPEM). 1 – elektronforrás; 2 - gyorsítórendszer; 3 - membrán; 4 - kondenzátorlencse; 5 - minta; 6 - objektívlencse; 7 - membrán; 8 - vetítőlencse; 9 - képernyő vagy film; 10 - nagyított kép. Az elektronokat mágneses lencsék gyorsítják, majd fókuszálják. A lencsemembránon áthaladó elektronok által létrehozott nagyított képet látható fluoreszkáló képernyővé alakítják vagy fényképezőlapra rögzítik. Kondenzátorlencsék sorozata (csak az utolsó látható) fókuszálja az elektronsugarat a mintára. Ezek közül jellemzően az első nem nagyított képet hoz létre az elektronforrásról, míg az utóbbi szabályozza a mintán lévő megvilágított terület méretét. Az utolsó kondenzátorlencse rekesznyílása határozza meg a sugár szélességét a tárgysíkban. Minta A mintát egy nagy teljesítményű objektívlencse, a TEM legfontosabb lencséjének mágneses mezőjébe helyezzük, amely meghatározza a műszer lehetséges maximális felbontását. Az objektív aberrációit a rekesznyílása korlátozza, akárcsak a fényképezőgép ill fénymikroszkóp. A tárgylencse nagyított képet ad a tárgyról (általában 100-as nagyítással); a közbenső és vetítőlencsék által bevezetett további nagyítás 10-nél kicsit többig terjed, így a modern OPEM-ekben elérhető nagyítás 1000-től ~-ig terjed (milliószoros nagyításnál a a grapefruit a Föld méretére nő) . A vizsgált tárgyat általában egy speciális tartóba helyezett nagyon finom hálóra helyezik. A tartó mechanikusan vagy elektromosan simán mozgatható fel-le és jobbra-balra.
A végső felnagyított elektronikus képet egy fluoreszkáló képernyő teszi láthatóvá, amely elektronbombázás hatására világít. Ezt a képet, általában alacsony kontrasztot, általában binokuláris fénymikroszkópon keresztül nézik. Ugyanolyan fényerővel egy ilyen 10-es nagyítású mikroszkóp 10-szer nagyobb képet hozhat létre a retinán, mint szabad szemmel. Néha képerősítő csővel ellátott foszfor képernyőt használnak a gyenge kép fényerejének növelésére. Ebben az esetben a végső kép egy hagyományos televízió képernyőjén jeleníthető meg. A fényképezőlap általában élesebb képet tesz lehetővé, mint a szabad szemmel megfigyelhető vagy videokazettára rögzített, mivel a fényképészeti anyagok általában véve hatékonyabban regisztrálják az elektronokat. Engedély, engedély. Az elektronsugarak tulajdonságai hasonlóak a fénysugarakéhoz. Különösen minden elektront egy bizonyos hullámhossz jellemez. Az EM felbontását az elektronok effektív hullámhossza határozza meg. A hullámhossz az elektronok sebességétől és ennek következtében a gyorsító feszültségtől függ; minél nagyobb a gyorsítófeszültség, az nagyobb sebesség elektronok és minél rövidebb a hullámhossz, ami azt jelenti, hogy annál nagyobb a felbontás. Az EM ilyen jelentős előnye a felbontásban annak a ténynek köszönhető, hogy az elektronok hullámhossza sokkal kisebb, mint a fény hullámhossza. De mivel az elektronikus lencsék nem fókuszálnak olyan jól, mint az optikaiak (egy jó elektronikus lencsék numerikus rekeszértéke csak 0,09, míg egy jó optikai objektívnél ez az érték eléri a 0,95-öt), az EM felbontása 50-100 elektronhullámhossz. Még ilyen gyenge lencsékkel is elektronmikroszkópban ~0,17 nm-es felbontási határt kaphatunk, ami lehetővé teszi az egyes atomok megkülönböztetését a kristályokban. Ennek a sorrendnek a felbontásához a hangszer nagyon gondos hangolása szükséges; különösen nagy stabilitású áramforrások szükségesek, és maga a készülék (amely ~2,5 m magas és több tonnás tömegű is lehet) és annak opcionális felszerelés rezgésmentes rögzítést igényel. Az OPEM-ben akár 1 milliós növekedést is kaphatunk, a térbeli (x, y) felbontás határa ~0,17 nm.
Pásztázó elektronmikroszkóp (SEM) A pásztázó elektronmikroszkóp (SEM) egy elektronnyaláb és anyag kölcsönhatásának elvén alapuló eszköz, amelyet arra terveztek, hogy egy tárgy felületéről nagy térbeli felbontású (több nanométeres) képet készítsen. valamint a felszínközeli rétegek összetétele, szerkezete és néhány egyéb tulajdonsága. A pásztázó elektronmikroszkóp térbeli felbontása az elektronsugár keresztirányú méretétől függ, ami viszont a sugarat fókuszáló elektronoptikai rendszertől függ. Jelenleg a modern SEM modelleket számos vállalat gyártja a világon, köztük a következők: Carl Zeiss NTS GmbH Németország FEI Company USA (egyesült a Philips Electron Optics vállalattal) FOCUS GmbH Németország Hitachi Japán JEOL Japán (Japán Electron Optics Laboratory) Tescan Cseh Köztársaság
1 – elektronforrás; 2 - gyorsító rendszer; 3 – mágneses lencse; 4 - eltérítő tekercsek; 5 - minta; 6 – visszavert elektronok detektora; 7 – gyűrűdetektor; 8 – analizátor A SEM elektronlencsék segítségével fókuszálja az elektronsugarat (elektronszondát) egy nagyon kis pontra. Lehetőség van a SEM beállítására úgy, hogy a folt átmérője ne haladja meg a 0,2 nm-t, hanem általában néhány vagy tíz nanométert. Ez a folt folyamatosan körbefutja a minta egy részét, hasonlóan egy sugárnyalábhoz, amely egy televíziós cső képernyőjén fut körül. A tárgy nyalábelektronokkal való bombázása során keletkező elektromos jelből képet alkotnak a televíziós kineszkóp vagy katódsugárcső (CRT) képernyőjén, amelynek sweepje szinkronizálva van az elektronsugár-eltérítési rendszerrel (ábra). . Növekedés ez az eset alatt a képernyőn látható kép méretének és a mintán a nyaláb által körbefutó terület méretének arányát értjük. Ez a nagyítás 10-10 millió elektronoszlop.Az elektronlencsék (általában gömb alakú mágneses lencsék) és az eltérítő tekercsek alkotják az elektronoszlopnak nevezett rendszert. A SEM módszert azonban számos korlát és hátrány jellemzi, amelyek különösen a szubmikronos és nanométeres mérési tartományban jelentkeznek: nem kellően nagy térbeli felbontás; a felület háromdimenziós képeinek megszerzésének bonyolultsága, elsősorban annak a ténynek köszönhető, hogy a dombormű magasságát a SEM-ben a rugalmas és rugalmatlan elektronszórás hatékonysága határozza meg, és az elsődleges elektronok felületbe való behatolási mélységétől függ réteg; a gyengén vezető felületeken további áramgyűjtő réteg felvitelének szükségessége a töltésfelhalmozódással járó hatások megelőzése érdekében; mérések elvégzése csak vákuum körülmények között; a vizsgált felület károsodásának lehetősége egy nagy energiájú fókuszált elektronsugár által.
A nagyon keskeny elektronnyaláb miatt a SEM-ek nagyon nagy mélységélesség (mm), amely két nagyságrenddel nagyobb, mint egy optikai mikroszkópé, és lehetővé teszi, hogy tiszta mikrofotókat készítsünk, jellegzetes háromdimenziós hatással összetett domborzatú tárgyakról. Ez a SEM tulajdonság rendkívül hasznos a minta felületi szerkezetének megértéséhez. A pollen mikroképe bemutatja a SEM lehetőségeit.
Pásztázó szonda mikroszkópok A pásztázó szonda mikroszkópok (SPM) a mikroszkópok egy osztálya, amelyek egy objektum jellemzőinek mérésére szolgálnak különböző típusú szondák segítségével. A képalkotó folyamat a felület szondával történő pásztázásán alapul. NÁL NÉL általános eset Az SPM-ek lehetővé teszik egy felület (topográfia) nagy felbontású háromdimenziós képének előállítását. A pásztázó szondás mikroszkópok fő típusai: Pásztázó alagútmikroszkóp Pásztázó alagútmikroszkóp (STM, eng. STM pásztázó alagútmikroszkóp) vagy pásztázó alagútmikroszkóp (RTM) - a szonda és a minta közötti alagútáramot használnak a kép előállításához, amely lehetővé teszi információszerzés a domborzati és elektromos tulajdonságok mintájáról. Pásztázó atomerő-mikroszkóp Pásztázó atomerőmikroszkóp (AFM) – különböző erőket regisztrál a szonda és a minta között. Lehetővé teszi a felület topográfiájának és mechanikai tulajdonságainak megismerését. Pásztázó közelmezős optikai mikroszkóp Pásztázó közelmezős optikai mikroszkóp (SNOM) – a közeli effektust a kép készítésére használják.
Az SPM megkülönböztető jellemzője a következők jelenléte: egy szonda, egy rendszer, amely a szondát a mintához képest mozgatja a 2. (X-Y) vagy 3. (X-Y-Z) koordináták mentén, egy rögzítési rendszer. A felület és a minta közötti kis távolságban a kölcsönhatási erők (taszító, vonzás és egyéb erők) hatása és a különféle hatások (például elektronalagút) megnyilvánulása rögzíthető. modern eszközökkel bejegyzés. Regisztrációhoz használható különböző típusokérzékelők, amelyek érzékenysége lehetővé teszi az apró zavarok észlelését. A pásztázó szonda mikroszkóp működése a minta felületének szondával (konzolos - angol gerenda, tű vagy optikai szonda) való kölcsönhatásán alapul. A konzolokat keményre és lágyra osztják - a gerenda hossza mentén, és ezt a konzolos rezgések rezonanciafrekvenciája jellemzi. A felület mikroszondával történő letapogatásának folyamata történhet légkörben vagy előre meghatározott gázban, és vákuumban, sőt folyékony filmen keresztül is. Konzol a pásztázó elektronmikroszkópban (1000X-es nagyítás) koordináták,
A rögzítési rendszer a szonda-minta távolságtól függő függvény értékét rögzíti. A teljes értékű raszteres kép elkészítéséhez az X és Y tengely mentén különböző letapogató eszközöket (például piezocsöveket, síkpárhuzamos szkennereket) használnak. A felületi szkennelés kétféleképpen végezhető - konzolos szkennelés és hordozóval történő szkennelés. Ha az első esetben a konzol a vizsgált felület mentén mozog, akkor a második esetben maga a hordozó mozog a rögzített konzolhoz képest. Visszacsatolás A letapogatási mód fenntartásához - a konzolnak a felülethez közel kell lennie - az üzemmódtól függően, legyen az állandó erő üzemmód vagy állandó magasságú mód, létezik egy rendszer, amely ezt az üzemmódot fenn tudja tartani a szkennelési folyamat során. Ehhez be elektronikus áramkör A mikroszkóp egy speciális visszacsatoló rendszert tartalmaz, amely a konzolt eredeti helyzetéből kitérítő rendszerrel csatlakozik. A pásztázó szonda mikroszkóp létrehozásának fő technikai nehézségei: A szonda végének a vizsgált objektumokhoz hasonló méretekkel kell rendelkeznie. Mechanikai (beleértve a termikus és vibrációs) stabilitást 0,1 angströmnél jobb szinten. Az érzékelőknek megbízhatóan kell rögzíteniük a rögzített paraméter kis zavarásait. Precíziós sweep rendszer létrehozása. Biztosítja a szonda sima megközelítését a felülethez.
Pásztázó alagútmikroszkóp (STM, eng. STM pásztázó alagútmikroszkóp) vagy pásztázó alagútmikroszkóp (RTM) A pásztázó alagútmikroszkópot modern formájában Gerd Karl Binnig, ill. Heinrich Rohrer 1981-ben. Ezt a találmányt díjazták Nóbel díj fizikában 1986-ra, amelyet megosztottak közöttük és a transzmissziós elektronmikroszkóp feltalálója, E. Ruska között. Az STM-ben éles fémtűt visznek a mintához több angström távolságból. Ha a tűre a mintához képest kis potenciált alkalmazunk, alagútáram keletkezik. Ennek az áramnak a nagysága exponenciálisan függ a minta-tű távolságtól. A tipikus pA értékek körülbelül 1 A távolságra vannak. Ez a mikroszkóp kis átmérőjű fémcsúcsot használ elektronforrásként. A csúcs és a mintafelület közötti résben elektromos tér jön létre. A mező által a csúcsból egységnyi idő alatt kihúzott elektronok száma (alagútáram) a csúcs és a mintafelület távolságától függ (a gyakorlatban ez a távolság kisebb, mint 1 nm). Ahogy a hegy a felület mentén mozog, az áramot modulálják. Ez lehetővé teszi, hogy a minta felületének domborművéhez kapcsolódó képet kapjon. Ha a csúcs egyetlen atommal végződik, akkor atomról atomra haladva lehet képet alkotni a felületről.
Az RTM csak akkor tud működni, ha a csúcs és a felszín közötti távolság állandó, és a csúcs atomi méretek pontossággal mozgatható. Az STM nagy felbontása a felszín normálja mentén (~0,01 nm) és vízszintes irányban (~0,1 nm), amely mind vákuumban, mind dielektromos közeggel az alagútrésben valósul meg, széles távlatokat nyit az a mérések pontossága lineáris méretek nanométeres tartományban. Platina - irídium tű pásztázó alagútmikroszkóp közelről.
Pásztázó atomerő-mikroszkóp Pásztázó atomerő-mikroszkóp (AFM) Az 1986-ban javasolt felületi atomerőmikroszkóp (AFM) a szorosan egymáshoz közeli erők közötti kölcsönhatás hatásán alapul. szilárd testek. Az STM-mel ellentétben az AFM módszer vezetőképes és nem vezető felületeken egyaránt alkalmas mérésekre, nemcsak vákuumban, hanem levegőben és folyékony közegben is. A legfontosabb elem Az AFM egy mikroszonda (konzol), melynek végén egy R görbületi sugarú dielektromos csúcs található, amelyhez háromkoordinátás manipulátor segítségével d0 távolságra hozzák a vizsgált minta felületét. 1÷10 nm. A konzol csúcsa általában egy rugóra van rögzítve, amely alacsony mechanikai merevségű konzol formájában készül. A minta és a konzol csúcsa közötti interatomikus (intermolekuláris) kölcsönhatás eredményeként a konzol eltér. Az AFM felbontás a felület normálja mentén összevethető a megfelelő STM felbontással, a vízszintes irányú felbontás (hosszirányú felbontás) pedig a d távolságtól és a csúcs R görbületi sugarától függ. A numerikus számítások azt mutatják, hogy R= esetén 0,5 nm és d=0,4 nm a longitudinális felbontás ~1 nm. Hangsúlyozni kell, hogy az AFM szonda egy tűhegy, amely lehetővé teszi, hogy egy nanométeres méretű felületi dombormű-elem profiljáról információt vegyen, de az ilyen elem magassága (mélysége) nem haladhatja meg a 100 nm-t, és a szomszédos az elemet legfeljebb 100 nm távolságra kell elhelyezni. Ha bizonyos AFM-specifikus feltételek teljesülnek, lehetséges az elemprofil visszaállítása információvesztés nélkül. Ezeket a feltételeket azonban gyakorlatilag lehetetlen megvalósítani a kísérletben.
Nézet Térbeli felbontás (x,y) Z-koordináta felbontás Mezőméret Nagyítás Optikai mikroszkóp 200 nm-0,4 -0,2 mm x Konfokális mikroszkóp 200 nm 1 nm Fehér fény interferometria 200 nm 0,1 nm 0,05 - x 20 mikroskopikus x 0,01 nm Transzmissziós elektronmikroszkóp 0,2 nm-ig Pásztázó elektronmikroszkóp (SEM) 0,4 nm 0,1 nm 0,1-500 µm z-ben - ~1-10 mm-ig x Pásztázó szonda mikroszkópok 0,1 nm 0,05 nm ~1050 µz -1 5050 µm 
Az elektronmikroszkópban kép készítéséhez speciális mágneses lencséket használnak, amelyek mágneses mező segítségével szabályozzák az elektronok mozgását a műszeroszlopban.
1 / 4
✪ A világ legerősebb elektronmikroszkópja.
✪ Világok a mikroszkóp alatt
✪ Nanoworld. Pásztázó alagútmikroszkóp.
✪ 89. A nagyok történetéből tudományos felfedezések: Ernst Ruska és az elektronmikroszkóp
1931-ben R. Rudenberg szabadalmat kapott egy transzmissziós elektronmikroszkópra, majd 1932-ben M. Knoll és E. Ruska megépítette egy modern műszer első prototípusát. E. Ruska ezt a munkáját 1986-ban fizikai Nobel-díjjal jutalmazták, amelyet neki és a pásztázó szondás mikroszkóp feltalálóinak, Gerd Karl Binnignek és Heinrich Rohrernek ítéltek oda. A transzmissziós elektronmikroszkóp tudományos kutatásra való alkalmazása az 1930-as évek végén kezdődött, és ezzel egy időben jelent meg a Siemens által épített első kereskedelmi műszer.
Az 1930-as évek végén - 1940-es évek elején jelentek meg az első pásztázó elektronmikroszkópok, amelyek egy kis keresztmetszetű elektronszondát az objektum felett egymás után mozgatva alkotnak képet egy tárgyról. Ezeknek az eszközöknek a tudományos kutatásban való tömeges alkalmazása az 1960-as években kezdődött, amikor jelentős műszaki tökéletességet értek el.
Jelentős fejlődési ugrás (az 1970-es években) a Schottky-katódok és a hidegmezős emissziós katódok alkalmazása a termionos katódok helyett, ezek használatához azonban sokkal nagyobb vákuum szükséges.
Az 1990-es évek végén és a 2000-es évek elején a számítógépesítés és a CCD-detektorok használata sokkal könnyebbé tette a digitális képalkotást.
Az elmúlt évtizedben a modern, fejlett transzmissziós elektronmikroszkópok korrekciókat használtak a szférikus és kromatikus aberrációkhoz, amelyek jelentős torzulást okoznak a kapott képen. Használatuk azonban jelentősen megnehezítheti a készülék használatát.
A transzmissziós elektronmikroszkóp nagy energiájú elektronsugarat használ a kép elkészítéséhez. Az elektronsugarat katód segítségével hozzák létre (volfrám, LaB 6, Schottky vagy hidegmezős emisszió). Az így létrejövő elektronsugarat általában 80-200 keV-ra gyorsítják (különféle 20 kV-tól 1 MV-ig terjedő feszültségeket használnak), mágneses lencsékből álló rendszerrel (néha elektrosztatikus lencsékkel) fókuszálják, áthalad a mintán úgy, hogy az elektronok egy része szétszóródik. a mintán, és néhányan nem. Így a mintán áthaladó elektronsugár információt hordoz a minta szerkezetéről. Ezután a sugár nagyítólencsék rendszerén halad át, és képet alkot egy lumineszcens képernyőn (általában cink-szulfidból), egy fényképezőlapon vagy egy CCD kamerán.
A TEM felbontást főként a szférikus aberráció korlátozza. Egyes modern TEM-ek szférikus aberrációjavítókkal rendelkeznek.
A TEM fő hátránya a nagyon vékony (100 nm-es nagyságrendű) minta igénye és a minták instabilitása (bomlása) a nyaláb alatt.
A transzmissziós elektronmikroszkópia (TEM) egyik fajtája, azonban vannak olyan műszerek, amelyek kizárólag TEM üzemmódban működnek. Az elektronsugarat egy viszonylag vékony mintán vezetik át, de a hagyományos transzmissziós elektronmikroszkóppal ellentétben az elektronsugarat egy olyan pontra fókuszálják, amely a raszter mentén mozog a mintán.
A televízió azon az elvén alapul, hogy vékony elektronsugarat söpörnek át a minta felületén.
Leggyakoribb konfigurációikban az elektronmikroszkópok külön képpontonkénti fényerővel készítenek képeket, az eredmények jellemzően szürke árnyalatokkal jelennek meg. Ezek a képek azonban gyakran színezésre kerülnek szoftver, vagy egyszerűen manuális szerkesztéssel grafikus szerkesztővel. Ez általában esztétikai hatás vagy a szerkezet finomítása érdekében történik, és általában nem ad hozzá információt a mintáról.
Egyes konfigurációkban több információ gyűjthető a minta tulajdonságairól pixelenként több detektor használatával. A SEM-ben egy anyag domborzatának és topográfiájának attribútumai rögzíthetők egy pár elektronikus reflexiós detektor segítségével, és ezek az attribútumok egyetlen színes képbe illeszthetők, minden attribútumhoz különböző elsődleges színekkel. Analógia útján a visszavert és a másodlagos elektronikus jel kombinációihoz különböző színeket rendelhetünk, és egyetlen színes mikroképen egymásra lehet helyezni, egyidejűleg megmutatva a minta tulajdonságait.
A SEM-ben használt érzékelők bizonyos típusai analitikai képességekkel rendelkeznek, és pixelenként több adatelemet is szolgáltathatnak. Ilyenek például az elemanalízisben használt energiadiszperzív röntgenspektroszkópiai detektorok és a (például) geológiai minták elektronstimulált lumineszcencia intenzitását és spektrumát elemző katodolumineszcens mikroszkóprendszerek. A SEM rendszerekben ezeknek a detektoroknak a használata elterjedt a jelek színkódolására és egyetlen színes képre való ráborítására, így a különböző mintakomponensek eloszlásában mutatkozó különbségek jól láthatóak és összehasonlíthatók. Opcionális, másodlagos szabvány elektronikus képek kombinálható egy vagy több kompozíciós csatornával, így a minta szerkezete és összetétele összehasonlítható. Az ilyen képek az eredeti jel teljes integritásának megőrzése mellett készíthetők, amely semmilyen módon nem változik.
Az elektronmikroszkópok gyártása és karbantartása költséges, de a konfokális optikai mikroszkóp teljes és működési költsége az alapvető elektronmikroszkópokéhoz hasonlítható. Mikroszkópok célja az elérése nagy felbontások, stabil épületekben (néha a föld alatt) és külső elektromágneses mezők nélkül kell elhelyezni. A mintákat általában vákuumban kell venni, mivel a levegőt alkotó molekulák szétszórják az elektronokat. Az egyik kivétel a SEM környezet, amely lehetővé teszi a hidratált minták alacsony nyomású (legfeljebb 2,7 kPa) és/vagy nedves környezetben történő megtekintését. A szokásos nagyvákuum üzemmódban működő pásztázó elektronmikroszkópok jellemzően vezetőképes mintát készítenek; Ezért a nem vezető anyagokhoz vezetőképes bevonat szükséges (arany/palládium, szénötvözet, ozmium stb.). Mód kisfeszültségű a modern mikroszkópok lehetővé teszik a nem vezető minták bevonat nélküli megfigyelését. A nem vezető anyagok változó nyomással is ábrázolhatók (ill környezet) pásztázó elektronmikroszkóp.
|
Félvezetők és tárolás
Biológia és biológiai tudományok
|
Tudományos kutatás
Ipar
|
1931-ben R. Rudenberg szabadalmat kapott egy transzmissziós elektronmikroszkópra, majd 1932-ben M. Knoll és E. Ruska megépítette egy modern műszer első prototípusát. E. Ruska ezt a munkáját 1986-ban fizikai Nobel-díjjal jutalmazták, amelyet neki és a pásztázó szondás mikroszkóp feltalálóinak, Gerd Karl Binnignek és Heinrich Rohrernek ítéltek oda. A transzmissziós elektronmikroszkóp tudományos kutatásra való alkalmazása az 1930-as évek végén kezdődött, és ezzel egy időben jelent meg a Siemens által épített első kereskedelmi műszer.
Az 1930-as évek végén - 1940-es évek elején jelentek meg az első pásztázó elektronmikroszkópok, amelyek egy kis keresztmetszetű elektronszondát az objektum felett egymás után mozgatva alkotnak képet egy tárgyról. Ezeknek az eszközöknek a tudományos kutatásban való tömeges alkalmazása az 1960-as években kezdődött, amikor jelentős műszaki tökéletességet értek el.
Jelentős fejlődési ugrás (a 70-es években) a Schottky-katódok és a hidegmezős emissziós katódok alkalmazása a termionos katódok helyett, de használatuk jóval nagyobb vákuumot igényel.
A 90-es évek végén és a 2000-es évek elején a számítógépesítés és a CCD detektorok használata nagymértékben növelte a stabilitást és a (viszonylag) egyszerű használatot.
Az elmúlt évtizedben a modern, fejlett transzmissziós elektronmikroszkópok korrekciókat alkalmaznak a szférikus és kromatikus aberrációkra (amelyek a keletkező kép fő torzítását okozzák), de használatuk esetenként jelentősen megnehezíti az eszköz használatát.
Sablon: A szakasz üres
Az elektronmikroszkóp eredeti képe. A transzmissziós elektronmikroszkóp nagy energiájú elektronsugarat használ a kép elkészítéséhez. Az elektronsugarat katód segítségével hozzák létre (volfrám, LaB 6, Schottky vagy hidegmezős emisszió). Az így létrejövő elektronsugarat általában +200 keV-ra gyorsítják (különböző 20 keV-tól 1 meV-ig terjedő feszültségeket használnak), elektrosztatikus lencsékből álló rendszerrel fókuszálják, áthalad a mintán úgy, hogy annak egy része a mintán lévő szóráson, egy része pedig nem. Így a mintán áthaladó elektronsugár információt hordoz a minta szerkezetéről. Ezután a sugár nagyítólencsék rendszerén halad át, és képet alkot egy lumineszcens képernyőn (általában cink-szulfidból), egy fényképezőlapon vagy egy CCD kamerán.
A TEM felbontást főként a szférikus aberráció korlátozza. Egyes modern TEM-ek szférikus aberrációjavítókkal rendelkeznek.
A TEM fő hátránya a nagyon vékony (100 nm-es nagyságrendű) minta igénye és a minták instabilitása (bomlása) a nyaláb alatt aaaaa
Fő cikk: Transzmissziós pásztázó elektronmikroszkóp
A transzmissziós elektronmikroszkópia (TEM) egyik fajtája, azonban vannak olyan műszerek, amelyek kizárólag TEM üzemmódban működnek. Az elektronsugarat egy viszonylag vékony mintán vezetik át, de a hagyományos transzmissziós elektronmikroszkóppal ellentétben az elektronsugarat egy olyan pontra fókuszálják, amely a raszter mentén mozog a mintán.
A televízió azon az elvén alapul, hogy vékony elektronsugarat söpörnek át a minta felületén.
|
Félvezetők és tárolás
Biológia és biológiai tudományok
|
Tudományos kutatás
Ipar
|
Wikimédia Alapítvány. 2010 .
NÁL NÉL modern világ A mikroszkóp nélkülözhetetlen optikai eszköznek számít. Enélkül nehéz elképzelni az emberi tevékenység olyan területeit, mint a biológia, az orvostudomány, a kémia, az űrkutatás és a géntechnológia.
A mikroszkópokat sokféle objektum tanulmányozására használják, és lehetővé teszik számunkra, hogy szabad szemmel láthatatlan szerkezeteket lássunk nagyon részletesen. Kinek köszönheti az emberiség ennek a hasznos eszköznek a megjelenését? Ki és mikor találta fel a mikroszkópot?
A készülék története az ókorban gyökerezik. Az ívelt felületek visszaverő és megtörő képessége napfény már a Krisztus előtti 3. században felfigyelt Eukleidész felfedező. Munkáiban a tudós magyarázatot talált a tárgyak vizuális nagyítására, de aztán felfedezése nem talált gyakorlati alkalmazásra.
A legtöbb korai információk a mikroszkópokról nyúlik vissza XVIII század. 1590-ben Zachary Jansen holland kézműves két szemüveglencsét helyezett egy csőbe, és képes volt látni a tárgyakat 5-10-szeresre nagyítva. 
Később a híres felfedező, Galileo Galilei feltalált egy távcsövet, és felhívta rá a figyelmet érdekes tulajdonság: ha nagyon szét van tolva, akkor a kis tárgyak jelentősen megnagyobbíthatók.
A mikroszkóp fejlesztésében igazi tudományos és technológiai áttörés a 17. században következett be. 1619-ben Cornelius Drebbel holland feltaláló feltalált egy domború lencsés mikroszkópot, a század végén pedig egy másik holland, Christian Huygens mutatta be modelljét, amelyben az okulárokat lehetett állítani.
Egy fejlettebb eszközt Anthony Van Leeuwenhoek feltaláló talált fel, aki egy nagy lencsével rendelkező eszközt készített. A következő másfél évszázadban ez a termék adott legmagasabb minőség képek, ezért Leeuwenhoeket gyakran a mikroszkóp feltalálójának nevezik.
Egyes vélemények szerint az optikai eszközt nem Leeuwenhoek találta fel, hanem Robert Hooke, aki 1661-ben továbbfejlesztette Huygens modelljét egy további lencsével. Az így létrejött készüléktípus az egyik legnépszerűbb eszköz lett a tudományos közösségben, és a 18. század közepéig széles körben használták. 
A jövőben sok feltaláló beleteszi a kezét a mikroszkóp fejlesztésébe. 1863-ban Henry Sorby feltalált egy polarizációs eszközt, amely lehetővé tette számára a felfedezést, az 1870-es években Ernst Abbe pedig kidolgozta a mikroszkópok elméletét, és felfedezte a dimenzió nélküli "Abbe-számot", amely hozzájárult a fejlettebb optikai berendezések gyártásához.
1931-ben Robert Rudenberg tudós szabadalmaztatott egy új eszközt, amely elektronsugarak segítségével képes felnagyítani a tárgyakat. Az eszközt elektronmikroszkópnak nevezték, és számos tudományban széles körben alkalmazták nagy felbontásának köszönhetően, amely több ezerszer nagyobb, mint a hagyományos optikánál.
Egy évvel később Ernst Ruska megalkotta egy modern elektronikus eszköz prototípusát, amelyért Nobel-díjat kapott. Találmányát már az 1930-as évek végén kezdték széles körben alkalmazni a tudományos kutatásban. Ezzel egy időben a Siemens megkezdte a kereskedelmi használatra szánt elektronmikroszkópok gyártását.
Az eddigi leginnovatívabb optikai mikroszkóp típus a nanoszkóp, amelyet Stefan Hell német feltaláló vezette tudóscsoport fejlesztett ki 2006-ban. 
Az új eszköz nemcsak az Abbe-szám gátjának leküzdését teszi lehetővé, hanem lehetőséget ad 10 nanométer vagy annál kisebb méretű objektumok megfigyelésére is. Emellett a készülék kiváló minőségű, háromdimenziós képeket biztosít a tárgyakról, amelyekhez korábban a hagyományos mikroszkópok hozzáférhetetlenek voltak.
