Instituto de Tecnologia Eletrônica de Moscou

Laboratório de Microscopia Eletrônica SV Sedov

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O princípio de operação de um microscópio eletrônico de varredura moderno e seu uso para o estudo de objetos microeletrônicos

O objetivo do trabalho: conhecimento dos métodos de estudo de materiais e estruturas microeletrônicas usando um microscópio eletrônico de varredura.

Duração do trabalho: 4 horas.

Dispositivos e acessórios: microscópio eletrônico de varredura Philips-

SEM-515, amostras de estruturas microeletrônicas.

O dispositivo e o princípio de operação de um microscópio eletrônico de varredura

1. Introdução

A microscopia eletrônica de varredura é o estudo de um objeto por irradiação com um feixe de elétrons finamente focalizado, que é implantado em um raster sobre a superfície da amostra. Como resultado da interação de um feixe de elétrons focalizado com a superfície da amostra, são produzidos elétrons secundários, elétrons refletidos, radiação característica de raios X, elétrons Auger e fótons de várias energias. Eles são produzidos em determinados volumes - regiões de geração dentro da amostra e podem ser usados ​​para medir muitas de suas características, como topografia de superfície, composição química, propriedades elétricas, etc.

A principal razão para o uso generalizado de microscópios eletrônicos de varredura é a alta resolução no estudo de objetos massivos, chegando a 1,0 nm (10 Å). Outra característica importante das imagens obtidas em microscópio eletrônico de varredura é sua tridimensionalidade, devido à grande profundidade nitidez do instrumento. A conveniência do uso do microscópio de varredura em micro e nanotecnologia é explicada pela relativa simplicidade de preparação de amostras e eficiência de pesquisa, o que torna possível usá-lo para controle interoperacional de parâmetros tecnológicos sem perda significativa de tempo. Uma imagem em um microscópio de varredura é formada na forma de um sinal de televisão, o que simplifica muito sua entrada em um computador e posterior processamento de software dos resultados da pesquisa.

O desenvolvimento das microtecnologias e o surgimento das nanotecnologias, onde as dimensões dos elementos são significativamente menores que o comprimento de onda da luz visível, tornam a microscopia eletrônica de varredura praticamente o único método não destrutivo de controle visual na produção de eletrônica e micromecânica de estado sólido.

2. Interação de um feixe de elétrons com uma amostra

Quando um feixe de elétrons interage com um alvo sólido, surge um grande número de diferentes tipos de sinais. A fonte desses sinais são regiões de radiação, cujas dimensões dependem da energia do feixe e do número atômico do alvo bombardeado. O tamanho desta área, quando se utiliza um determinado tipo de sinal, determina a resolução do microscópio. Na fig. 1 mostra as regiões de excitação na amostra para diferentes sinais.

Distribuição total de energia dos elétrons emitidos pela amostra

mostrado na Fig.2. Foi obtido na energia do feixe incidente E 0 = 180 eV, o número de elétrons emitidos pelo alvo J s (E) é plotado ao longo do eixo das ordenadas, e a energia E desses elétrons é plotada ao longo do eixo das abcissas. Note que o tipo de dependência

mostrado na Fig. 2 também é válido para feixes com uma energia de 5 – 50 keV usados ​​em microscópios eletrônicos de varredura.

G
O grupo I consiste em elétrons refletidos elasticamente com uma energia próxima à energia do feixe primário. Eles surgem durante a dispersão elástica em grandes ângulos. Com um aumento no número atômico Z, o espalhamento elástico aumenta e a fração de elétrons refletidos  aumenta. A distribuição de energia dos elétrons refletidos para alguns elementos é mostrada na Fig.3.

Ângulo de dispersão 135 0
, W=E/E 0 é a energia normalizada, d/dW é o número de elétrons refletidos por elétron incidente e por intervalo unitário de energia. Pode-se ver na figura que, à medida que o número atômico aumenta, não apenas o número de elétrons refletidos aumenta, mas sua energia também se aproxima da energia do feixe primário. Isso leva ao aparecimento de um contraste no número atômico e permite estudar a composição de fase do objeto.

O Grupo II inclui elétrons que foram submetidos a espalhamento inelástico múltiplo e irradiados para a superfície após passarem por uma camada mais ou menos espessa do material alvo, tendo perdido uma certa parte de sua energia inicial.

E
Os elétrons do grupo III são elétrons secundários com baixa energia (menos de 50 eV), que são formados quando as camadas externas dos átomos-alvo são excitadas pelo feixe primário de elétrons fracamente ligados. A topografia da superfície da amostra e os campos elétricos e magnéticos locais têm a principal influência no número de elétrons secundários. O número de elétrons secundários emergentes depende do ângulo de incidência do feixe primário (Fig. 4). Seja R 0 a profundidade máxima de saída dos elétrons secundários. Se a amostra for inclinada, o comprimento do caminho dentro da distância R 0 da superfície aumenta: R = R 0 seg 

Consequentemente, o número de colisões nas quais os elétrons secundários nascem também aumenta. Portanto, uma ligeira mudança no ângulo de incidência leva a uma mudança perceptível no brilho do sinal de saída. Devido ao fato de a geração de elétrons secundários ocorrer principalmente na região próxima à superfície da amostra (Fig. 1), a resolução da imagem em elétrons secundários é próxima ao tamanho do feixe de elétrons primários.

A radiação característica de raios X surge como resultado da interação de elétrons incidentes com elétrons das camadas internas K, L ou M dos átomos da amostra. O espectro de radiação característico carrega informações sobre composição química objeto. Numerosos métodos de microanálise de composição são baseados nisso. A maioria dos microscópios eletrônicos de varredura modernos são equipados com espectrômetros dispersivos de energia para microanálise qualitativa e quantitativa, bem como para criar mapas de superfície de amostra na emissão de raios X característica de certos elementos.

3 Dispositivo de microscópio eletrônico de varredura.

arqueologia tecnológica)
Alguns microscópios eletrônicos estão restaurando, outros estão restaurando firmware de espaçonaves e outros estão envolvidos na engenharia reversa de circuitos de microcircuitos sob um microscópio. Suspeito que a ocupação seja terrivelmente excitante.
Aliás, lembrei de um post maravilhoso sobre arqueologia industrial.

Spoiler

Existem dois tipos de memória corporativa: pessoas e documentação. As pessoas se lembram de como as coisas funcionam e sabem por quê. Às vezes, eles registram essas informações em algum lugar e mantêm seus registros em algum lugar. Chama-se "documentação". A amnésia corporativa funciona da mesma maneira: as pessoas vão embora e a documentação desaparece, apodrece ou é simplesmente esquecida.

Passei várias décadas trabalhando para uma grande empresa petroquímica. No início dos anos 80, projetamos e construímos uma usina que converte hidrocarbonetos em outros hidrocarbonetos. Nos 30 anos seguintes, a memória corporativa desta fábrica diminuiu. Sim, a fábrica ainda está funcionando e gerando dinheiro para a empresa; a manutenção está sendo feita e as pessoas sábias sabem o que precisam se contorcer e chutar para manter a planta funcionando.

Mas a empresa esqueceu completamente como funciona essa planta.

Isso aconteceu devido a vários fatores:

A retração da indústria petroquímica nas décadas de 1980 e 1990 nos fez parar de contratar novas pessoas. No final da década de 1990, nosso grupo era formado por rapazes com menos de 35 anos ou mais de 55 - com raríssimas exceções.
Lentamente, passamos a projetar com a ajuda de sistemas de computador.
Devido a reorganizações societárias, tivemos que mudar fisicamente todo o escritório de um lugar para outro.
Uma fusão corporativa alguns anos depois dissolveu completamente nossa empresa em uma maior, causando uma reorganização maciça de departamentos e pessoal.
arqueologia industrial

No início dos anos 2000, eu e vários de meus colegas nos aposentamos.

No final dos anos 2000, a empresa lembrou da planta e achou que seria legal fazer algo com ela. Digamos, aumente a produção. Por exemplo, você pode encontrar um gargalo no processo de produção e melhorá-lo - a tecnologia não parou nesses 30 anos - e, talvez, adicionar outra oficina.

E aqui a empresa está impressa em uma parede de tijolos de todos os lados. Como essa usina foi construída? Por que foi construído desta forma e não de outra? Como exatamente isso funciona? Por que a cuba A é necessária, por que as oficinas B e C estão conectadas por uma tubulação, por que a tubulação tem diâmetro G e não D?

Amnésia corporativa em ação. Máquinas gigantes construídas por alienígenas com seu campeão de tecnologia alienígena como um relógio, cuspindo montes de polímeros. A empresa tem uma vaga ideia de como manter essas máquinas, mas não faz ideia da incrível magia que está acontecendo lá dentro, e ninguém tem a menor ideia de como elas foram criadas. Em geral, as pessoas nem sabem ao certo o que procurar e não sabem de que lado esse emaranhado deve ser desvendado.

Procuramos pessoas que já trabalhavam na empresa durante a construção desta fábrica. Agora eles pegam posições altas e sente-se em salas separadas com ar-condicionado. Eles recebem a tarefa de encontrar documentação sobre a referida planta. Não é mais memória corporativa, é mais como arqueologia industrial. Ninguém sabe que tipo de documentação existe nesta planta, se existe e, em caso afirmativo, de que forma está armazenada, em que formatos, o que inclui e onde está localizada fisicamente. A planta foi projetada equipe de projeto que não existe mais, em uma empresa que já foi comprada, em um escritório que foi fechado usando métodos da era pré-computador que não se aplicam mais.

A galera relembra a infância com enxames obrigatórios na lama, arregaça as mangas de jaquetas caras e começa a trabalhar.

Estamos começando a publicar um blog de um empresário, especialista na área tecnologias de informação e o designer amador em meio período Alexei Bragin, que conta sobre uma experiência inusitada - há um ano, o autor do blog está ocupado restaurando equipamentos científicos complexos - um microscópio eletrônico de varredura - praticamente em casa. Leia sobre quais desafios de engenharia, técnicos e científicos Alexey teve que enfrentar e como ele lidou com eles.

Uma vez um amigo me ligou e disse: Achei uma coisa interessante, preciso trazer para você, porém pesa meia tonelada. Então, consegui uma coluna de um microscópio eletrônico de varredura JEOL JSM-50A em minha garagem. Ela foi desativada de algum instituto de pesquisa há muito tempo e levada para a sucata. A eletrônica foi perdida, mas a coluna eletro-óptica, junto com a parte de vácuo, foi salva.

Como a parte principal do equipamento foi preservada, surgiu a dúvida: é possível salvar todo o microscópio, ou seja, restaurá-lo e colocá-lo em condições de funcionamento? E bem na garagem, com as próprias mãos, apenas com a ajuda de engenharia básica e conhecimentos técnicos e meios improvisados? É verdade que nunca havia lidado com tal equipamento científico, muito menos poder usá-lo, e não fazia ideia de como funcionava. Mas é interessante, afinal, não apenas colocar o velho pedaço de ferro em condições de funcionamento - é interessante descobrir tudo por conta própria e verificar se é possível usar método científico, explore áreas completamente novas. Então comecei a restaurar o microscópio eletrônico na garagem.

Neste blog, vou contar o que já consegui fazer e o que ainda falta fazer. Ao longo do caminho, apresentarei os princípios de operação dos microscópios eletrônicos e seus principais componentes, além de falar sobre os muitos obstáculos técnicos que tiveram que ser superados no decorrer do trabalho. Então vamos começar.

Para restaurar o microscópio que eu tinha pelo menos no estado de “desenhar com um feixe de elétrons em uma tela luminescente”, era necessário o seguinte:

compreender os fundamentos dos microscópios eletrônicos;

entender o que é um vácuo e o que ele é;

como o vácuo é medido e como é obtido;

como funcionam as bombas de alto vácuo;

compreensão mínima de química aplicada (quais solventes usar para limpar a câmara de vácuo, que óleo usar para lubrificar as peças de vácuo);

serralharia mestre (torneamento e fresagem) para a fabricação de todos os tipos de adaptadores e ferramentas;

Aprenda sobre microcontroladores e como eles se conectam.

Vamos começar em ordem. Hoje falarei sobre os princípios de funcionamento dos microscópios eletrônicos. São de dois tipos:

translúcido - TEM ou TEM;

digitalização - SEM ou SEM (de "raster").

Microscopia eletrônica de transmissão

O TEM é muito semelhante a um microscópio óptico convencional, apenas a amostra em estudo é irradiada não com luz (fótons), mas com elétrons. O comprimento de onda de um feixe de elétrons é muito menor do que o de um feixe de fótons, portanto, uma resolução muito maior pode ser obtida.

O feixe de elétrons é focalizado e controlado por lentes eletromagnéticas ou eletrostáticas. Eles ainda têm as mesmas distorções (aberrações cromáticas) que as lentes ópticas, embora a natureza da interação física aqui seja completamente diferente. A propósito, também adiciona novas distorções (causadas pela torção dos elétrons na lente ao longo do eixo do feixe de elétrons, o que não acontece com os fótons em um microscópio óptico).

O TEM tem desvantagens: as amostras a serem estudadas devem ser muito finas, com menos de 1 mícron, o que nem sempre é conveniente, principalmente quando se trabalha em casa. Por exemplo, para ver seu cabelo na luz, ele deve ser cortado em pelo menos 50 camadas. Isso se deve ao fato de que o poder de penetração de um feixe de elétrons é muito pior do que o de um fóton. Além disso, o TEM, com raras exceções, é bastante complicado. Este aparelho, mostrado abaixo, não parece ser tão grande (embora seja mais alto que um ser humano e tenha uma sólida estrutura de ferro fundido), mas também vem com uma fonte de alimentação do tamanho de um gabinete grande - no total , quase uma sala inteira é necessária.

Mas a resolução do TEM é a mais alta. Com sua ajuda (se você se esforçar), você pode ver átomos individuais de uma substância.

Universidade de Calgary

Esta resolução é especialmente útil para identificar o agente causador de uma doença viral. Todas as análises de vírus do século 20 foram construídas com base no TEM e somente com o advento de métodos mais baratos para diagnosticar vírus populares (por exemplo, reação em cadeia da polimerase ou PCR), o uso rotineiro de TEMs para esse fim cessou.

Por exemplo, aqui está a aparência da gripe H1N1 "através da luz":

Universidade de Calgary

Microscópio eletrônico de varredura

O SEM é usado principalmente para estudar a superfície de amostras com resolução muito alta (ampliação de um milhão de vezes, contra 2 mil para microscópios ópticos). E isso é muito mais útil em casa :)

Por exemplo, é assim que uma única cerda de uma escova de dentes nova se parece:

O mesmo deve acontecer na coluna óptica eletrônica do microscópio, só que aqui a amostra é irradiada, e não o fósforo da tela, e a imagem é formada com base nas informações de sensores que registram elétrons secundários, elétrons refletidos elasticamente e assim sobre. É esse tipo de microscópio eletrônico que será discutido neste blog.

Tanto o cinescópio da TV quanto a coluna óptica eletrônica do microscópio funcionam apenas no vácuo. Mas falarei sobre isso em detalhes na próxima edição.

(Continua)

MICROSCÓPIO ELETRÔNICO
um dispositivo que permite obter uma imagem muito ampliada de objetos, usando elétrons para iluminá-los. Microscópio eletrônico(EM) torna possível ver detalhes que são muito pequenos para serem resolvidos por um microscópio de luz (óptico). O EM é um dos instrumentos mais importantes para a pesquisa científica fundamental sobre a estrutura da matéria, especialmente em campos da ciência como biologia e física corpo sólido. Existem três tipos principais de EM. Na década de 1930, o microscópio eletrônico de transmissão convencional (CTEM) foi inventado, na década de 1950, o microscópio eletrônico de varredura (SEM) e na década de 1980, o microscópio de tunelamento de varredura (RTM). Esses três tipos de microscópios se complementam no estudo de estruturas e materiais de diferentes tipos.
MICROSCÓPIO ELETRÔNICO DE TRANSMISSÃO CONVENCIONAL
O OPEM é em muitos aspectos semelhante a um microscópio de luz, consulte MICROSCÓPIO, apenas para iluminar amostras que não usa luz, mas um feixe de elétrons. Ele contém um projetor eletrônico (veja abaixo), uma série de lentes condensadoras, uma lente objetiva e um sistema de projeção que combina com a ocular, mas projeta a imagem real em uma tela fluorescente ou placa fotográfica. A fonte de elétrons é geralmente um cátodo aquecido feito de tungstênio ou hexaboreto de lantânio. O cátodo é eletricamente isolado do restante do dispositivo e os elétrons são acelerados por um forte campo elétrico. Para criar tal campo, o cátodo é mantido em um potencial da ordem de -100.000 V em relação a outros eletrodos, que concentram os elétrons em um feixe estreito. Essa parte do dispositivo é chamada de holofote de elétrons (consulte PISTOLA ELETRÔNICA). Como os elétrons são fortemente espalhados pela matéria, deve haver um vácuo na coluna do microscópio onde os elétrons se movem. Mantém uma pressão não superior a um bilionésimo da pressão atmosférica.
Óptica eletrônica. Uma imagem eletrônica é formada por campos elétricos e magnéticos da mesma forma que uma imagem de luz é formada por lentes ópticas. O princípio de operação de uma lente magnética é ilustrado por um diagrama (Fig. 1). O campo magnético criado pelas voltas de uma bobina carregando uma corrente age como uma lente convergente cuja distância focal pode ser alterada pela mudança da corrente. Uma vez que a potência óptica de tal lente, ou seja, a capacidade de focalizar elétrons depende da intensidade campo magnético próximo ao eixo, para aumentá-lo, é desejável concentrar o campo magnético no menor volume possível. Na prática, isso é conseguido pelo fato de a bobina ser quase totalmente coberta por uma "armadura" magnética feita de uma liga especial de níquel-cobalto, deixando apenas uma estreita folga em sua parte interna. O campo magnético criado dessa maneira pode ser 10 a 100 mil vezes mais forte que o campo magnético da Terra na superfície da Terra.

O esquema OPEM é mostrado na fig. 2. Uma fileira de lentes condensadoras (somente a última mostrada) focaliza o feixe de elétrons na amostra. Normalmente, o primeiro cria uma imagem não ampliada da fonte de elétrons, enquanto o último controla o tamanho da área iluminada na amostra. A abertura da última lente condensadora determina a largura do feixe no plano do objeto. A amostra é colocada no campo magnético de uma lente objetiva de alta potência, a lente OPEM mais importante, que determina a resolução máxima possível do instrumento. As aberrações de uma lente objetiva são limitadas por sua abertura, assim como em uma câmera ou microscópio óptico. Uma lente objetiva dá uma imagem ampliada do objeto (geralmente com uma ampliação da ordem de 100); a ampliação adicional introduzida pelas lentes intermediárias e de projeção varia de pouco menos de 10 a pouco mais de 1000. Assim, a ampliação que pode ser obtida em OPEMs modernos é de menos de 1000 a 1.000.000 MICROSCÓPIO ELETRÔNICO. (Em uma ampliação de um milhão de vezes a toranja cresce até o tamanho da Terra.) O objeto a ser examinado é geralmente colocado em uma malha muito fina colocada em um suporte especial. O suporte pode ser mecanicamente ou eletricamente movido suavemente para cima e para baixo, para a esquerda e para a direita.

Imagem. O contraste no OPEM é devido ao espalhamento de elétrons durante a passagem de um feixe de elétrons pela amostra. Se a amostra for suficientemente fina, a fração de elétrons espalhados é pequena. Quando os elétrons passam por uma amostra, alguns deles se espalham devido a colisões com os núcleos dos átomos da amostra, outros devido a colisões com elétrons de átomos e outros ainda passam sem sofrer espalhamento. O grau de espalhamento em qualquer região da amostra depende da espessura da amostra naquela região, sua densidade e a massa atômica média (número de prótons) naquele ponto. Os elétrons que saem do diafragma com um desvio angular superior a um certo limite não podem mais retornar ao feixe portador da imagem e, portanto, áreas fortemente espalhadas de densidade aumentada, espessura aumentada e localizações de átomos pesados ​​parecem zonas escuras em um fundo claro no imagem. Essa imagem é chamada de campo claro porque o campo circundante é mais brilhante que o objeto. Mas é possível fazer com que o sistema de deflexão elétrica passe apenas um ou outro dos elétrons dispersos para o diafragma da lente. Então a amostra parece brilhante no campo escuro. Um objeto de dispersão fraca geralmente é mais conveniente de visualizar no modo de campo escuro. A imagem eletrônica ampliada final torna-se visível por meio de uma tela fluorescente que brilha sob a influência do bombardeio de elétrons. Essa imagem, geralmente de baixo contraste, geralmente é visualizada através de um microscópio de luz binocular. Com o mesmo brilho, esse microscópio com ampliação de 10 pode criar uma imagem na retina 10 vezes maior do que quando observada a olho nu. Às vezes, uma tela de fósforo com um tubo intensificador de imagem é usada para aumentar o brilho de uma imagem fraca. Nesse caso, a imagem final pode ser exibida em uma tela de televisão convencional, permitindo que seja gravada em vídeo. A gravação de vídeo é usada para registrar imagens que mudam com o tempo, por exemplo, devido ao fluxo reação química. Na maioria das vezes, a imagem final é registrada em filme fotográfico ou placa fotográfica. Uma chapa fotográfica geralmente permite obter uma imagem mais nítida do que aquela observada a olho nu ou gravada em vídeo, pois os materiais fotográficos, em geral, registram os elétrons com mais eficiência. Além disso, 100 vezes mais sinais podem ser registrados por unidade de área de filme fotográfico do que por unidade de área de fita de vídeo. Graças a isso, a imagem gravada no filme pode ser ampliada em cerca de 10 vezes sem perda de clareza.
Permissão. Os feixes de elétrons têm propriedades semelhantes às dos feixes de luz. Em particular, cada elétron é caracterizado por um determinado comprimento de onda. A resolução do EM é determinada pelo comprimento de onda efetivo dos elétrons. O comprimento de onda depende da velocidade dos elétrons e, consequentemente, da tensão de aceleração; quanto maior a tensão de aceleração, mais velocidade elétrons e quanto menor o comprimento de onda, o que significa que maior a resolução. Essa vantagem significativa do EM no poder de resolução é explicada pelo fato de que o comprimento de onda dos elétrons é muito menor que o comprimento de onda da luz. Mas como as lentes eletrônicas não focam tão bem quanto as ópticas (a abertura numérica de uma boa lente eletrônica é de apenas 0,09, enquanto para uma boa lente óptica esse valor chega a 0,95), a resolução do EM é de 50 a 100 comprimentos de onda de elétrons. Mesmo com lentes tão fracas em um microscópio eletrônico, um limite de resolução de aprox. 0,17 nm, o que torna possível distinguir átomos individuais em cristais. Para alcançar a resolução desta ordem, é necessária uma afinação muito cuidadosa do instrumento; em particular, são necessárias fontes de alimentação altamente estáveis, e o próprio instrumento (que pode ter aproximadamente 2,5 m de altura e pesar várias toneladas) e seu equipamento opcional requerem montagem livre de vibração.
MICROSCÓPIO ELETRÔNICO RASTER
O SEM, que se tornou o instrumento mais importante para a pesquisa científica, serve como um bom complemento para o OPEM. SEMs usam lentes de elétrons para focalizar um feixe de elétrons em um ponto muito pequeno. É possível ajustar o SEM para que o diâmetro do ponto nele não exceda 0,2 nm, mas, via de regra, seja de alguns ou dezenas de nanômetros. Esse ponto percorre continuamente alguma parte da amostra, semelhante a um feixe que percorre a tela de um tubo de televisão. Um sinal elétrico que ocorre quando um objeto é bombardeado por elétrons de feixe é usado para formar uma imagem na tela de um cinescópio de televisão ou tubo de raios catódicos (CRT), cuja varredura é sincronizada com o sistema de deflexão do feixe de elétrons (Fig. 3 ). Aumentar em este casoé entendido como a razão entre o tamanho da imagem na tela e o tamanho da área que o feixe percorre na amostra. Esse aumento é de 10 para 10 milhões.

A interação de elétrons de feixe focalizado com átomos de amostra pode levar não apenas à sua dispersão, que é usada para obter uma imagem no OPEM, mas também à excitação de raios X, emissão de luz visível e emissão de elétrons secundários. Além disso, como o MEV possui apenas lentes de foco na frente da amostra, ele possibilita o estudo de amostras "espessas".
SEM reflexivo. O SEM reflexivo destina-se ao estudo de amostras massivas. Uma vez que o contraste que ocorre ao registrar refletido, ou seja, de elétrons retroespalhados e secundários, está principalmente relacionado ao ângulo de incidência dos elétrons na amostra, a estrutura da superfície é revelada na imagem. (A intensidade do retroespalhamento e a profundidade em que ocorre dependem da energia dos elétrons do feixe incidente. A emissão de elétrons secundários é determinada principalmente pela composição da superfície e pela condutividade elétrica da amostra). sinais carregam informações sobre características gerais amostra. Devido à baixa convergência do feixe de elétrons, as observações podem ser feitas de muito Maior profundidade maior nitidez do que ao trabalhar com um microscópio de luz e obter excelentes microfotografias tridimensionais de superfícies com relevo muito desenvolvido. Ao registrar a radiação de raios X emitida por uma amostra, é possível, além dos dados do relevo, obter informações sobre a composição química da amostra na camada superficial com profundidade de 0,001 mm. A composição do material na superfície também pode ser julgada pela energia medida com a qual certos elétrons são emitidos. Todas as dificuldades de se trabalhar com SEM se devem principalmente aos seus sistemas de gravação e visualização eletrônica. O dispositivo com uma gama completa de detectores, juntamente com todas as funções do SEM, fornece o modo de operação do microanalisador de sonda de elétrons.
Microscópio eletrônico de transmissão de varredura. O microscópio eletrônico de transmissão de varredura (STEM) é tipo especial REM. Ele é projetado para amostras finas, as mesmas estudadas no OPEM. O esquema RPEM difere do esquema da Fig. 3 apenas porque não possui detectores localizados acima da amostra. Como a imagem é formada por um feixe viajante (ao invés de um feixe que ilumina toda a área da amostra em estudo), é necessária uma fonte de elétrons de alta intensidade para que a imagem seja registrada em um tempo razoável. Em RPEM alta resolução são usados ​​emissores autoeletrônicos de alto brilho. Em tal fonte de elétrons, um campo elétrico muito forte (aprox. V/cm) é criado perto da superfície de um fio de tungstênio de diâmetro muito pequeno afiado por corrosão. Este campo literalmente puxa bilhões de elétrons para fora do fio sem qualquer aquecimento. O brilho dessa fonte é quase 10.000 vezes maior que o de uma fonte com fio de tungstênio aquecido (veja acima), e os elétrons emitidos podem ser focalizados em um feixe com diâmetro inferior a 1 nm. Até mesmo feixes foram obtidos, cujo diâmetro é próximo a 0,2 nm. Fontes autoeletrônicas só podem operar em condições de ultra-alto vácuo (em pressões abaixo de Pa), nas quais não há contaminantes como hidrocarbonetos e vapores d'água, sendo possível obter imagens de alta resolução. Graças a essas condições ultrapuras, é possível estudar processos e fenômenos inacessíveis aos EMs com sistemas de vácuo convencionais. A pesquisa em RPEM é realizada em amostras ultrafinas. Os elétrons passam por tais amostras quase sem dispersão. Elétrons espalhados em ângulos de mais de alguns graus sem desaceleração são registrados, caindo em um eletrodo de anel localizado sob a amostra (Fig. 3). O sinal obtido desse eletrodo é altamente dependente do número atômico dos átomos da região por onde passam os elétrons - átomos mais pesados ​​espalham mais elétrons na direção do detector do que os leves. Se o feixe de elétrons for focalizado em um ponto com um diâmetro inferior a 0,5 nm, os átomos individuais podem ser visualizados. Na realidade, é possível distinguir átomos individuais com massa atômica de ferro (ou seja, 26 ou mais) na imagem obtida no RTEM. Os elétrons que não sofreram dispersão na amostra, bem como os elétrons desacelerados como resultado da interação com a amostra, passam para o orifício do detector de anel. Um analisador de energia localizado sob este detector permite separar o primeiro do segundo. Medindo a energia perdida pelos elétrons durante o espalhamento, pode-se obter informação importante sobre a amostra. As perdas de energia associadas à excitação dos raios X ou à eliminação de elétrons secundários da amostra permitem julgar propriedades quimicas substância na região pela qual passa o feixe de elétrons.
MICROSCÓPIO DE TÚNEL RASTER
Nos EMs discutidos acima, lentes magnéticas são usadas para focalizar elétrons. Esta seção é sobre EM sem lentes. Mas antes de passar para o Microscópio de Tunelamento de Varredura (RTM), será útil examinar brevemente dois tipos mais antigos de microscópios sem lentes que produzem uma imagem de sombra projetada.
Projetores autoeletrônicos e autoiônicos. A fonte de elétrons de campo usada no RTEM tem sido usada em projetores de sombra desde o início dos anos 1950. Em um projetor de elétrons de campo, os elétrons emitidos por emissão de campo de uma ponta de diâmetro muito pequeno são acelerados em direção a uma tela luminescente localizada a uma distância de vários centímetros da ponta. Como resultado, uma imagem projetada da superfície da ponta e as partículas localizadas nessa superfície aparecem na tela com um aumento igual à razão entre o raio da tela e o raio da ponta (ordem). Resolução mais alta é alcançada em um projetor de autoíon, no qual a imagem é projetada por íons de hélio (ou alguns outros elementos), cujo comprimento de onda efetivo é menor que o dos elétrons. Isso possibilita a obtenção de imagens que mostram o verdadeiro arranjo dos átomos na rede cristalina do material do ponto. Portanto, os projetores de íons de campo são usados, em particular, para estudar a estrutura do cristal e seus defeitos nos materiais dos quais essas pontas podem ser feitas.
Microscópio de tunelamento de varredura (RTM). Este microscópio também utiliza uma ponta de metal de pequeno diâmetro, que é a fonte de elétrons. Um campo elétrico é criado no espaço entre a ponta e a superfície da amostra. O número de elétrons retirados pelo campo da ponta por unidade de tempo (corrente de tunelamento) depende da distância entre a ponta e a superfície da amostra (na prática, essa distância é inferior a 1 nm). À medida que a ponta se move ao longo da superfície, a corrente é modulada. Isso permite obter uma imagem associada ao relevo da superfície da amostra. Se a ponta terminar com um único átomo, então é possível formar uma imagem da superfície passando átomo por átomo. O RTM só pode funcionar se a distância da ponta à superfície for constante e a ponta puder ser movida com uma precisão de dimensões atômicas. As vibrações são suprimidas devido à estrutura rígida e às pequenas dimensões do microscópio (não mais que um punho), bem como ao uso de amortecedores de borracha multicamada. A alta precisão é fornecida por materiais piezoelétricos, que se alongam e se contraem sob a influência de um campo elétrico externo. Aplicando uma tensão da ordem de 10-5 V, é possível alterar as dimensões de tais materiais em 0,1 nm ou menos. Isso permite, fixando a ponta em um elemento de material piezoelétrico, movê-lo em três direções mutuamente perpendiculares com uma precisão da ordem das dimensões atômicas.
TÉCNICA DE MICROSCOPIA ELETRÔNICA
Dificilmente existe um setor de pesquisa no campo da biologia e ciência dos materiais onde a microscopia eletrônica de transmissão (TEM) não tenha sido aplicada; isso se deve aos avanços nas técnicas de preparação de amostras. Todas as técnicas utilizadas em microscopia eletrônica visam obter uma amostra extremamente fina e proporcionar o máximo contraste entre ela e o substrato que necessita como suporte. A técnica básica é projetada para amostras com espessura de 2-200 nm, suportadas por filmes finos de plástico ou carbono, que são colocados em uma grade com tamanho de célula de aprox. 0,05 mm. (Uma amostra adequada, seja como for obtida, é processada de forma a aumentar a intensidade da dispersão de elétrons no objeto em estudo.) Se o contraste for alto o suficiente, o olho do observador pode distinguir detalhes que estão a uma distância de 0,1 -0,2 mm sem tensão um do outro. Portanto, para que a imagem criada por um microscópio eletrônico distinga detalhes separados em uma amostra por uma distância de 1 nm, é necessária uma ampliação total da ordem de 100-200 mil. O melhor dos microscópios pode criar uma imagem de um amostra em uma placa fotográfica com tal ampliação, mas uma área muito pequena mostrada. Normalmente, uma micrografia é tirada em uma ampliação menor e depois ampliada fotograficamente. A placa fotográfica permite um comprimento de 10 cm aprox. 10.000 linhas. Se cada linha da amostra corresponder a uma determinada estrutura com comprimento de 0,5 nm, então, para registrar tal estrutura, é necessário um aumento de pelo menos 20.000, usando SEM e RTEM, nos quais a imagem é gravada sistema eletrônico e implantado em uma tela de televisão, só pode ser permitido aprox. 1000 linhas. Assim, ao usar um monitor de televisão, a ampliação mínima necessária é cerca de 10 vezes maior do que ao fotografar.
preparações biológicas. A microscopia eletrônica é amplamente utilizada em pesquisas biológicas e médicas. Foram desenvolvidas técnicas para fixação, inclusão e obtenção de seções de tecidos finos para exame em OPEM e RPEM e métodos de fixação para estudo de amostras a granel em SEM. Estas técnicas permitem estudar a organização das células a nível macromolecular. A microscopia eletrônica revelou os componentes da célula e detalhes da estrutura das membranas, mitocôndrias, retículo endoplasmático, ribossomos e muitas outras organelas que compõem a célula. A amostra é primeiro fixada com glutaraldeído ou outros fixadores e, em seguida, desidratada e embebida em plástico. Métodos de criofixação (fixação a temperaturas muito baixas - criogênicas) permitem preservar a estrutura e a composição sem o uso de fixadores químicos. Além disso, os métodos criogênicos permitem imagens de amostras biológicas congeladas sem desidratação. Usando ultramicrótomos com diamante polido ou lâminas de vidro lascadas, as seções de tecido podem ser feitas com uma espessura de 30-40 nm. Montado preparações histológicas pode ser colorido com compostos de metais pesados ​​(chumbo, ósmio, ouro, tungstênio, urânio) para aumentar o contraste de componentes ou estruturas individuais.

Os estudos biológicos foram estendidos a microorganismos, especialmente vírus, que não são resolvidos por microscópios de luz. O TEM possibilitou revelar, por exemplo, as estruturas dos bacteriófagos e a localização de subunidades nas capas proteicas dos vírus. Além disso, os métodos de coloração positiva e negativa foram capazes de revelar a estrutura com subunidades em várias outras microestruturas biológicas importantes. Técnicas de realce de contraste de ácido nucleico tornaram possível observar DNA de fita simples e dupla. Essas moléculas longas e lineares são espalhadas em uma camada de proteína básica e aplicadas a um filme fino. Em seguida, uma camada muito fina de metal pesado é aplicada à amostra por deposição a vácuo. Essa camada de metal pesado "sombreia" a amostra, pelo que esta, quando observada no OPEM ou RTEM, parece iluminada pelo lado de onde o metal foi depositado. Se, no entanto, a amostra for girada durante a deposição, o metal se acumulará em torno das partículas de todos os lados uniformemente (como uma bola de neve).
materiais não biológicos. O TEM é aplicado na pesquisa de materiais para estudar cristais finos e limites entre materiais diferentes. Para obter uma imagem de alta resolução da interface, a amostra é preenchida com plástico, a amostra é cortada perpendicularmente à interface e, em seguida, é afinada para que a interface fique visível na borda afiada. A rede cristalina espalha fortemente os elétrons em certas direções, dando um padrão de difração. A imagem de uma amostra cristalina é amplamente determinada por esta imagem; o contraste é altamente dependente da orientação, espessura e perfeição estrutura de cristal. Mudanças no contraste da imagem permitem estudar a rede cristalina e suas imperfeições na escala de tamanhos atômicos. As informações obtidas dessa maneira complementam as fornecidas pela análise de raios-X de amostras a granel, uma vez que a EM possibilita a visualização direta de deslocamentos, falhas de empilhamento e contornos de grão em todos os detalhes. Além disso, padrões de difração de elétrons podem ser obtidos em EM e padrões de difração de áreas selecionadas da amostra podem ser observados. Se o diafragma da lente for ajustado para que apenas um feixe central difratado e não espalhado passe por ele, é possível obter uma imagem de um determinado sistema de planos cristalinos que fornece esse feixe difratado. Instrumentos modernos permitem resolver períodos de grade de 0,1 nm. Os cristais também podem ser estudados por imagens de campo escuro, nas quais o feixe central é bloqueado para que a imagem seja formada por um ou mais feixes difratados. Todos esses métodos forneceram informações importantes sobre a estrutura de muitos materiais e esclareceram significativamente a física dos cristais e suas propriedades. Por exemplo, a análise de imagens TEM da rede cristalina de quasicristais finos de tamanho pequeno em combinação com a análise de seus padrões de difração de elétrons tornou possível em 1985 descobrir materiais com simetria de quinta ordem.
Microscopia de alta voltagem. Atualmente, a indústria produz versões de alta tensão de OPEM e RPEM com uma tensão de aceleração de 300 a 400 kV. Esses microscópios têm um poder de penetração maior do que os instrumentos de baixa voltagem e são quase tão bons quanto os microscópios de 1 milhão de volts construídos no passado. Os microscópios modernos de alta voltagem são bastante compactos e podem ser instalados em uma sala comum de laboratório. Seu poder de penetração aumentado revela-se uma propriedade muito valiosa no estudo de defeitos em cristais mais espessos, especialmente aqueles dos quais é impossível fazer amostras finas. Em biologia, seu alto poder de penetração permite examinar células inteiras sem cortá-las. Além disso, esses microscópios podem ser usados ​​para obter imagens tridimensionais de objetos espessos.
microscopia de baixa voltagem. Existem também SEMs com uma tensão de aceleração de apenas algumas centenas de volts. Mesmo com tal baixa voltagem o comprimento de onda do elétron é inferior a 0,1 nm, de modo que a resolução espacial é novamente limitada pelas aberrações das lentes magnéticas. No entanto, como os elétrons de baixa energia penetram superficialmente abaixo da superfície da amostra, quase todos os elétrons envolvidos na geração de imagens vêm de uma região muito próxima da superfície, aumentando assim a resolução do relevo da superfície. Usando SEM de baixa voltagem, as imagens foram obtidas em superfícies sólidas de objetos menores que 1 nm de tamanho.
dano por radiação. Como os elétrons são radiação ionizante, a amostra em um EM é constantemente exposta a ela. (Como resultado dessa ação, são produzidos elétrons secundários, que são usados ​​no SEM.) Portanto, as amostras estão sempre expostas a danos de radiação. A dose típica de radiação absorvida por uma amostra fina durante o registro de uma micrografia no OPEM corresponde aproximadamente à energia que seria suficiente para a evaporação completa água fria de uma lagoa de 4 m de profundidade com uma área de superfície de 1 ha. Para reduzir os danos da radiação à amostra, é necessário usar vários métodos sua preparação: coloração, vazamento, congelamento. Além disso, é possível registrar uma imagem em doses de elétrons 100 a 1.000 vezes menores do que o método padrão e melhorá-la por métodos de processamento de imagem por computador.
REFERÊNCIA HISTÓRICA
A história do microscópio eletrônico - grande exemplo de como os campos da ciência e da tecnologia em desenvolvimento independente podem, por meio da troca de informações recebidas e da união de esforços, criar uma nova ferramenta poderosa para a pesquisa científica. O auge da física clássica foi a teoria do campo eletromagnético, que explicava a propagação da luz, o surgimento de campos elétricos e magnéticos, o movimento de partículas carregadas nesses campos como a propagação de ondas eletromagnéticas. A óptica ondulatória tornou claro o fenômeno da difração, o mecanismo de formação da imagem e o jogo de fatores que determinam a resolução em um microscópio de luz. Devemos sucessos no campo da física teórica e experimental à descoberta do elétron com suas propriedades específicas. Esses desenvolvimentos separados e aparentemente independentes levaram à criação dos fundamentos da óptica eletrônica, uma das aplicações mais importantes da qual foi a invenção do EM na década de 1930. Uma sugestão direta dessa possibilidade pode ser considerada a hipótese da natureza ondulatória do elétron, apresentada em 1924 por Louis de Broglie e confirmada experimentalmente em 1927 por K. Davisson e L. Germer nos EUA e J. Thomson na Inglaterra. Assim, foi sugerida uma analogia que possibilitou a construção de um EM de acordo com as leis da óptica ondulatória. H. Bush descobriu que com a ajuda de campos elétricos e magnéticos é possível formar imagens eletrônicas. Nas duas primeiras décadas do século XX os pré-requisitos técnicos necessários também foram criados. Os laboratórios industriais que trabalhavam com o osciloscópio de feixe catódico forneciam tecnologia de vácuo, fontes estáveis ​​de alta tensão e corrente e bons emissores de elétrons. Em 1931, R. Rudenberg apresentou um pedido de patente para um microscópio eletrônico de transmissão e, em 1932, M. Knoll e E. Ruska construíram o primeiro microscópio desse tipo, usando lentes magnéticas para focalizar elétrons. Este instrumento foi o precursor do OPEM moderno. (Ruska foi recompensado por seu trabalho ao ganhar o Prêmio Nobel de Física em 1986.) Em 1938, Ruska e B. von Borris construíram um protótipo industrial OPEM para a Siemens-Halske na Alemanha; este instrumento acabou por permitir atingir uma resolução de 100 nm. Alguns anos depois, A. Prebus e J. Hiller construíram o primeiro OPEM de alta resolução na Universidade de Toronto (Canadá). As amplas possibilidades do OPEM tornaram-se aparentes quase imediatamente. Sua produção industrial foi iniciada simultaneamente pela Siemens-Halske na Alemanha e pela RCA Corporation nos EUA. No final dos anos 1940, outras empresas começaram a produzir tais dispositivos. O SEM em sua forma atual foi inventado em 1952 por Charles Otley. É verdade que versões preliminares de tal dispositivo foram construídas por Knoll na Alemanha na década de 1930 e por Zworykin com funcionários da corporação RCA na década de 1940, mas apenas o dispositivo Otley poderia servir de base para uma série de melhorias técnicas que culminaram no introdução de uma versão industrial do SEM em produção em meados da década de 1960. O círculo de consumidores de um dispositivo tão fácil de usar com uma imagem tridimensional e um sinal de saída eletrônico se expandiu com a velocidade de uma explosão. Atualmente, existem dezenas de fabricantes de SEM industriais em três continentes e dezenas de milhares desses dispositivos usados ​​em laboratórios em todo o mundo. Na década de 1960, microscópios de ultra-alta voltagem foram desenvolvidos para estudar amostras mais espessas. 3,5 milhões de volts foram colocados em operação em 1970. O RTM foi inventado por G. Binnig e G. Rohrer em Zurique em 1979. Este dispositivo muito simples fornece resolução atômica de superfícies. na criação do RTM Binnig e Rohrer (simultaneamente com Ruska) recebeu premio Nobel em física.
Veja também