Elektronski mikroskop


Tudi kolega Klemen Zelič nam je zaupal svoj seminar v objavo, tako da se kar lepo naslonite nazaj in preberite, kaj ima povedati o elektronskih mikroskopih.

Uvod

Elektronski mikroskop se uporablja za opazovanje objektov, premajhnih za opazovanje z optičnim mikroskopom. Elektronski mikroskop s snopom elektronov otipava površino preparata. Podobno kot pri optičnem mikroskopu valovna dolžina svetlobe, elektronskemu de Broglijeva valovna dolžina elektrona predstavlja mejo ločljivosti. Ker je de Broglijeva valovna dolžina elektrona precej krajša, kot valovna dolžina fotona iz vidnega dela spektra, je ločljivost elektronskega mikroskopa mnogo boljša od optičnih mikroskopov.

 \lambda = \frac{h}{p}

kjer je h Planckova konstanta in p gibalna količina elektrona. Elektroni v snopu imajo okoli 100keV energije (40keV-400keV odvisno od želene resolucije). Pri elektronih s tako energijo je potrebno upoštevati relativistične efekte. Torej se de Broglijeva valovna dolžina zapiše:

 \lambda = \frac{hc}{\sqrt{E^2-m^2_e c^2_0}} \approx 1nm

kjer je E polna energija elektrona, me masa elektrona in c0 svetlobna hitrost. Dobimo, da je njihova valovna dolžina ≈ 1nm. Z elektronskim mikroskopom torej lahko opazujemo objekte nanometrskih velikosti. Z nekoliko višjo energijo vpadnega snopa lahko vidimo celo obliko in velikost atomov, ki so veliki okoli 0,1nm. To je približno tisočkrat bolje od najboljšega optičnega mikroskopa. Povečava elektronskega mikroskopa je navadno 106.

Sliki prikazujeta površino diamanta in virus tobačnega mozaika TMV. Obe sta posneti z elektronskim mikroskopom tipa TEM.

Zgodovina

Prvi prototip elektronskega mikroskopa sta leta 1931 izdelala nemški fizik Ernst Ruska in elektro inžener Max Knoll. Že dve leti prej sta predstavila sistem elektromagnetov, ki na elektronski snop delujejo kot leče. Ernst Ruska, ki je bil takrat star komaj 25 let, se je domislil, da bi lahko to s pridom uporabiti v elektronskem mikroskopu. Izdelava prvega elektronskega mikroskopa je predstavljala njegovo doktorsko nalogo. Ko je Ruska uspešno doktoriral se je posvetil razvijanju televizorja. Povečava njunega elektronskega mikroskopa je bila le 400. Inženirji podjetja Siemens so hitro ugotovili, da bi lahko elektronski mikroskop močno izboljšali. Še isto leto, ko sta Ruska in Knott izdelala prvi mikroskop, je strokovni direktor Siemensa Reinhold Rudenberg elektronski mikroskop patentiral. Zamislil si je uporabo elektronskega mikroskopa v medicini in biologiji. Leta 1937 je Siemens zaposlil Ernsta Rusko kot vodilnega pri projektu izdelave komercialnega mikroskopa. Že leta 1939 je Siemens na tržišu predstavil prvi praktično uporabni elektronski mikroskop tipa TEM.

Edvard Ruska se zabava z elektronskim mikroskopom

Ruska je spodbodel Siemens k odprtju novega razvojnega oddelka, ki se je ukvarjal z razvojem elektronskga mikroskopa za medicinske potrebe. Vodil ga je doktor medicine Ruskin brat Helmut Ruska. Ob znatni finančni podpori Siemensa so se inovacije in izboljšave mikroskopa hitro vrstile. Tako so kmalu iznašli še več vrst elektronskih mikroskopov (SEM, REM, STEM). Pri vseh raziskavah je pomembno vlogo odigral Ernst Ruska in bil leta 1986 nagrajen z Nobelovo nagrado za dosežke na področju elektronske optike.

Delovanje

Elektronski mikroskop je sestavljen iz elektronske puške, v kateri nastane snop pospešenih elektronov; elektronskih leč, ki služijo za zbiranje in odklanjanje elektronskega curka; detektorjev, ki sprejemajo elektrone in elektromagnetno valovanje, ki nastanejo pri interakciji elektronskega snopa z vzorcem ter krmilja za optimiranje pogojev dela. Poleg tega je potrebna tudi vakuumska enota, ki zagotavlja v komori nizke tlake, in sicer od 10-4Pa do 10-6Pa.

1. Emisija elektronov

Izvor elektronov v elektronskem mikroskopu sta termična ali poljska emisija elektronov iz kovine. Če kovino segrejemo, lahko elektroni dobijo dovolj termične energije, da ta preseže njihovo vezavno energijo. Tako postanejo prosti. Pojav se imenuje termična emisija in se s pridom uporablja v vsaki katodni cevi. Drugi način izbijanja elektronov iz kovine je poljska emisija. V kristalu kovine se elektroni prevodnega pasu obnašajo kot skoraj prosti. Tem elektronom kovina predstavlja potencialno jamo. Stene kovine so potencialne bariere, ki elektronom preprečujejo pobeg. Če kovino izpostavimo močnemu električnemu polju v pravi smeri, to polje stanjša potencialno bariero. Z debelino bariere eksponentno pada verjetnost za tuneliranje elektrona skoznjo. Odbojni koeficient se zapiše kot:

 T = \frac{4k^2_1k^2_2}{(k^2_1+k^2_2)}e^{-2k_2 x_0}
 k^2_1 = \frac{2mW_0}{\hbar} ;\, k^2_2 = \frac{2m(V-W_0)}{\hbar }

V je velikost potencialne bariere, W0; energija delca, m masa delca in x0; širina potencialne bariere. Ob stanjšanju potencialne prepreke se verjetnost za tuneliranje znatno poveča. Pri kosu kovine makroskopskih razsežnosti to pomeni povečanje števila naključno emitiranih elektronov, zaradi tuneliranja. Seveda je verjetnost za tuneliranje največja za elektrone na Fermijevi površini, saj imajo ti elektroni največjo energijo. Ob odsotnosti polja je verjetnost za tuneliranje tako majhna, da je pojav neopazen, če pa polje dovolj povečamo, nam lahko služi kot izvor elektronov.
V elektronskih mikroskopih se za termično elektronsko emisijo največkrat uporabljajo volframove nitke, za poljsko pa kristal LaB6.

Potencialna jama - ne boš mi ušel, ne bo... aja, te ni več ... pismo

2. Elektronska puška

Za pospeševanje emitiranih elektronov služi elektronska puška. Elektronsko puško v osnovi sestavljata negativna katoda in pozitivna anoda. Katodo predstavlja kar sam filament, ki emitira elektrone. Med katodo in anodo je napetost približno 100kV tako, da dobi elektron ob preletu energijo okoli 100keV.

elektronska puška

3. Magnetne leče

Ker so magnetne leče najvažnejša komponenta elektronskega mikroskopa, sem se odločil, da jih podrobneje opišem. Enako kot pri svetlobi tudi elektronskemu snopu divergenco lahko spreminjamo z lečami. Leča je v primeru elektronskega snopa pravilno oblikovano magnetno polje. V mikroskopu potrebujemo le konveksne leče za zbiranje žarkov. Magnetno polje, ki fokusira žarke, generira elektromagnet. Polje mora biti aksialno simetrično, torej konstantno po azimutalnem kotu. Gradient polja vsebuje le radialno in vertikalno komponento. Tako polje ustvari kratka tuljava, predstavljena na sliki.

Tuljava je obdana z mehkim feromagnetnim materialom, ki usmerja magnetni pretok. Cela tuljava je oblečena v tako jeklo, le v notranjosti je na neki višini izrezana reža. Zgornji in spodnji rob reže predstavljata magnetni dipol. Med njima se v vakumu vzpostavi magnetno polje zaokrožene oblike, kot je shematično prikazano na spodnji sliki.

Izračun goriščne razdalje leče

Ko elektroni letijo skozi nehomogeno magnetno polje, čutijo spreminjajočo se Lorentzovo silo.

 \vec{F} = -e\vec{v} \times\vec{B}

F pomeni silo, ki deluje na elektron, -e je naboj, v hitrost elektrona, B pa gostota magnetnega polja, ki jo čuti elektron. Iz simetrije vidimo, da je polje v simetrijski osi vzporedno z osjo. Tako elektroni s hitrostjo vzdolž simetrijske osi, ki letijo natanko po osi, ne čutijo nobene sile. Njihova hitrost je vzporedna z gostoto magnetnega polja in vektorski produkt v in B je 0. Simetrijska os je torej optična os magnetne leče, enako kot pri stekleni leči za zbiranje svetlobe.

Gibanje elektronov izven optične osi je precej bolj zapletno. Geometrija leče nam narekuje izbiro cilindričnih koordinat (z – navpična os, r – radialna oddaljenost od osi z in Φ – azimutalni kot). Magnetno polje ima le radialno in navpčno komponento (Br in Bz). Elektroni, ki priletijo na lečo čutijo silo:

 \vec{F} = (F_r,F_\phi,F_z) = -e(v_\phi B_z, v_z B_r-B_z v_r, v_\phi B_r)

Ko elektroni vstopijo v magnetno polje, so pospešeni v smeri Φ. Okoli z komponente polja zaokrožijo s frekvenco

 \omega = \frac{e}{2m}B_z

Hitrost vΦ je ωr. Če hitrost vΦ vstavimo v enačbo za radialno komponento sile, dobimo:

F_r = m \frac{\partial^2 r}{\partial t^2}= -ev_\phi B_z = -e\omega r B_z = \frac{-e^2}{2m}B_z^2

Vzemimo, da je napetost med katodo in anodo elektronske puške enkaka U0. Hitrost elektronov v smeri z je tako enaka \frac{\partial z}{\partial t}=\sqrt{\frac{2e}{m}U_0} Iz obeh enačb dobimo \frac{\partial^2 r}{\partial z^2}-\frac{e}{8mE_0}rB^2_z=0 kjer E0 predstavlja kinetično energijo posameznega elektrona. Enačbo enkrat integrirajmo od točke z1, pred lečo do točke z2, ki se nahaja za lečo.

\frac{\partial r}{\partial z}(z_2) -\frac{\partial r}{\partial z}(z_1) = -\frac{e^2}{8mE_0} \int_{z_1}^{z_2} \! rB_z^2 \, dz

Točki z1 in z2 smo izbrali tako, da ležita daleč od leče, izven dosega magnetnega polja. Tam na elektrone ne deluje več nobena sila in njihove trajektorije so premice. Odvoda na desni strani predstavljata naklon žarka v točki z1 in z2, oziroma naklon trajektorij elektronov pred vstopom in po izstopu iz leče. Ker isčemo, kje je gorisče leče, bo najbolje obravnavati žarek, ki je pred lečo vzporeden z optično osjo. To pomeni ∂r/∂z (z1) = 0. Ostane nam enačba

\frac{\partial r}{\partial z}(z_2) = -\frac{e^2 r_0}{8mE_0}\int_{z_1}^{z_2} \! B_z^2 \, dz

Gorišče leče je tam, kjer izhodni žarek seka optično os. Poznati moramo le oddaljenost vpadnega žarka od optične osi r0 in naklon izhodne trajektorije. Naklon trajektorije po izhodu iz leče ravno ustreza odvodu ∂2r/∂z2 in ga dobimo, če izračunamo zgornji integral. Privzeli smo, da je leča tanka in brez disperzije, saj se v nasprotnem primeru vzporedni žarki, pri določenem r0, zberejo za gorisčem.

\frac{1}{f}=-\frac{e^2}{8mE_0}\int_{z_1}^{z_2} \! B_z^2 \, dz

Edini problem, ki nam ostane, je ta, da ne vemo, kakšne oblike je Bz v odvisnosti od z. Iz geometrije magnetnega polja, se da pokazati, da se Bz komponenta polja, v odvisnosti od z, zapiše kot

B_z (z) = \frac{1.275*10^{-4} IN}{2s}[\frac{z+\frac{s}{2}}{\sqrt{(\frac{D}{3})^2+(z+\frac{s}{2})^2}}-\frac{z-\frac{s}{2}}{\sqrt{(\frac{D}{3})^2+(z-\frac{s}{2})^2}}]

kjer je s dolžina reže v plašču tuljave, D pa premer tuljave.

 

Z integracijo zgornjega izraza po z bi dobili goriščno razdaljo. Točen rezultat integrala je za interpretacijo zelo zapleten. Za kvalitativno oceno povsem zadošča približek, ki pa se izkaže za precej točnega. Krivuljo Bz(z) lahko dobro opišemo z Lorentzovo krivuljo

B_z (z) \approx \frac{B_m}{1+(\frac{z}{a})^2}

jer sta Bm in a maksimum in širina Lorentzove krivulje, določena z dimenzijskimi lastnostmi tuljave

a=0,48\sqrt{s^2+0,45D^2} \, ; B_m = \frac{\mu_o IN}{\pi a}}

Ker je integral Lorentzove krivulje konvergenten za z → ±∞, lahko polje mirne vesti integriramo od -∞ do +∞. Rezultata to nič ne prizadene, saj je strmina trajektorije v točki z = ±∞ enaka kot v točkah z1,2, ki ležita daleč od leče. Končno izračunajmo integral

\frac{1}{f} = -\frac{e^2}{8mE0}\int_{-\infty}^\infty [\frac{B_m}{1+(\frac{z}{a})^2}]^2 dz = -\frac{e^2}{8mE_0}\frac{\pi a B_m^2}{2} \to f=-\frac{16mE_0}{e^2\pi a B_m^2}

Minus v enačbi pove na kateri strani leče leži gorišče. Ker je leča povsem simetrična, imamo na obeh straneh leče gorišče na enaki razdalji. Vidimo, da je goriščna razdalja odvisna le od energije elektronov in dimenzijskih parametrov tuljave. Analogija s fotonsko optiko je očitna. Vzemimo primer običajne magnetne leče: Bm = 0,3 T in a = 3mm. Običajno je v elektronskem mikroskopu E0 = 100keV . Iz enačbe izračunamo goriščno razdaljo leče in dobimo rezultat f = 11mm. Ker smo dobili za rezultat dolžino f manj kot dvakrat daljšo od debeline leče (2a = 6mm), se pojavi vprašanje, ali je približek tanke leče upravičen. Izkaže se, da dobljen približni rezultat od realne vrednosti odstopa za ~ 14%. Goriščne razdalje magnetnih leč uporabljenih v elektronskih mikroskopih so 5mm – 20mm.

Oblika polja

O obliki polja lahko povemo še kaj več, kot le velikost komponente Bz vzdolž osi z. Elegantno se da izračunati tudi kako se spreminja radialna komponenta Br vzdolž osi z. Maxwellova enačba pravi \nabla \vec{B}=0 V cilindričnih koordinatah, se divergenca zapiše kot

\nabla \vec{B} = \frac{1}{r}\frac{\partial}{\partial r}(B_r r) + \frac{1}{r} \frac{\partial B_\phi}{\partial \phi}+\frac{\partial B_z}{\partial z}=0

Azimutalna komponenta BΦ = 0. Odvajamo še prvi člen enačbe po verižnem pravilu. Ostane enačba

\frac{1}{r}(\frac{\partial B_r}{\partial r}r+B_r)=-\frac{\partial B_z}{\partial z}

Če je obravnavani žarek le malo odmaknjen od optične osi, lahko razvijemo Br komponento do prvega reda in dobimo

B_r = -(\frac{r}{2})\frac{\partial B_z}{\partial z}

Spodnji grafi prikazujejo odvisnost obeh komponent polja, vseh treh komponent sile in hitrosti elektronov vzdolž koordinate z.

Steklena konveksna leča za vidno svetlobo, sliko predmeta postavljenega pred gorišče, obrne na glavo. Tudi magnetna leča sliko obrne vendar, ne za 180o kot fotonska leča. Ko elektroni vstopijo v magnetno polje, čutijo silo v smeri Φ, kar pomeni, da zakrožijo. Kot zasuka v ravnini r,Φ je odvisen od oddaljenosti predmeta od leče in energije vpadnih elektronov. Večkrat je to moteče, saj pride do kotne disperzije za elektrone z različnimi energijami. Disperzijo se popravlja z mnogo bolj komplicirano oblikovanimi magnetnimi polji.

4. Vakuumski sistem

V elektronskem mikroskopu je potrebno zagotoviti razmeroma visok vakuum. V nasprotnem primeru bi molekule v mikroskopu reagirale z vročim filamentom, kjer so elektroni emitirani in filament bi zgorel. Elektroni bi se sipali na molekulah in žarek bi postal nestabilen. Vrednosti tlakov v elektronskih mikroskopih so od 10-4Pa do 10-5Pa. Nekatere redkejše vrste mikroskopov zahtevajo še višje.
Vakuumiranje poteka v dveh fazah. Iz komore plin izčrpajo najprej vakuumske črpalke z rotirajočimi krilci ali vakuumska črpalka s prepono. Te vrste vakuumskih črpalk lahko zagotovijo vakuum do 0,1Pa. Potem se vključijo turbomolekularne ali difuzijske črpalke, ki vakuum izboljšajo na končno vrednost. V tipih elektronskih mikroskopov, ki zahtevajo še višje vakuume, se uporabljajo tako imenovani getter materiali. To so ponavadi barij, titan, cirkonij in podobni elementi. Njihova lastnost je, da se molekula veže vanje, četudi se zaleti z majhno kinetično energijo. Tako so primerni za stene komore, kjer se nahaja vzorec, saj se nezaželene molekule ob stikih s steno tja vsidrajo.
Opisani deli so skupni vsem tipom elektronskih mikroskopov, pri zbiranju podatkov pa so med njimi velike razlike.

Tipi elektronskih mikroskopov

Obstaja več vrst elektronskih mikroskopov. Najosnovnejše so TEM, SEM, REM, STEM in LVEM, obstajajo pa še nekatere izpeljanke. Skupno vsem je otipavanje površine vzorca z elektroni. Razlike med njimi so v zajemanju podatkov. Informacijo o površini prejmejo z izkoriščanjem različnih fizikalnih procesov (sipanje, ionizacija). V seminarju se bom omejil le na mikroskopa TEM in SEM, ki sta najpreprostejša in najbolj uporabljana mikrosopa. Večina ostalih elektronskih mikroskopov so le njune izpeljanke.

Presevni elektronski mikroskop (Transmission electron microscope) – TEM 

Presevna elektronska mikroskopija je tehnika, pri kateri elektronski snop preseva zelo tanek vzorec. TEM mikroskop je narejen popolnoma enako kot optični mikroskop, le da namesto svetlobe uporablja elektrone, namesto steklenih leč pa magnetne. Optični mikroskop vsebuje tri konveksne leče. Prva je pod mizico, kjer se nahaja preparat in zbira svetlobo iz žarnice na vzorec. Svetloba vzorec preseva. Fotoni se sipljejo na vzorcu in prepuščeno svetlobo zbere leča tik nad vzorcem – objektiv. Postavljen je tako, da slika nastane v gorišču najvišje leče – okularja.

 

Povečava mikroskopa je razmerje zornih kotov: M = \frac{tg\varphi_1}{tg\varphi_2} = \frac{d \cdot r}{f_1 f_2}

Tudi pri TEM mikroskopu so leče postavljene tako, da spremenijo zorni kot, pod katerim vidimo vzorec. Vzorec vidimo povečan. Na vrhu TEM mikroskopa je elektronska puška, ki elektrone skozi konveksno magnetno lečo pošlje na vzorec. Ekvivalent v optičnem mikroskopu sta žernica in spodnja zbiralna leča. Za lečo je vzorec, ki ga presevajo elektroni. Tik pod vzorcem je postavljen objektiv. Iz objektiva elektroni letijo v “okular”. Med objektivom in “okularjem” nastane realna slika. “Okular” je postavljen tako, da slika nastane v njegovem gorišču. Okularju se pri elektronskem mikroskopu ponavadi reče projecirajoča leča (projector lnens), saj sliko projecira na flourescenten zaslon, ki sveti na mestih, kjer ga zadevajo elektroni. Na zaslonu vidimo sliko elektronov prepuščenih skozi vzorec. Slika je močno povečana, saj si zaradi kratke valovne dolžine elektronov, lahko privoščimo krajša gorišča leč in s tem veliko povečavo, v primerjavi z optičnim mikroskopom. Zaslon, na katerega padejo elektroni, največkrat ni flourescentni zaslon ampak kar CCD detektor. Detektor pošlje sliko na zaslon računalnika.

Slika prikazuje primerjavo med optičnim in TEM mikroskopom.

Da elektroni lahko pridejo skozi vzorec, mora biti vzorec zelo tanek. Zato se TEM mikroskopija veliko uporablja v raziskovanju kovin. Kovine je precej lažje stanjšati na dovolj majhne debeline, kot pa naprimer biološke vzorce.

Desna slika prikazuje kristalno strukturo površine zlata, leva slika pa je fotografija TEM mikroskopa.

Priprava vzorca

Priprava vzorca za TEM mikroskop je zelo zahtevna. Če je vzorec kristal, ga je potrebno tako stanjšati, da postaneta absorbcija in refleksija za elektrone precej manjši od njegove prepustnosti. Zadnja debelina vzorca, za katero še dobimo razpoznavno sliko, je okoli 500nm. Tanek vzorec dobimo tako, da material obstreljujemo z ioni. Ioni postopoma izbijajo atome iz površine, kar pomeni, da počasi tanjšajo vzorec.
TEM mikroskopija je razširjena tudi v biologiji. Tam je s pripravo vzorca več težav, saj biološki vzorci praviloma vsebujejo vodo. Voda bi v vakuumirani celici izhlapela in pokvarila vakuum. Zato se moramo vode znebiti iz vzorca, preden ga opazujemo. Da vzorec ob odstranitvi vode ne izgubi svoje oblike, ga najprej prevlečemo s tanko plastjo fiksirja, ki poskrbi za trdnost. Vzorec nato dehidriramo z alkoholom ali acetonom. Tak vzorec še ni nared za opazovanje. Potrebno ga je še stanjšati. Najprej ga zalijemo z umetno maso, da nastane trden plastičen blok. Blok z diamantnim nožem razrežemo na tanke lističe debeline 50-100nm. Tako smo dobili prečne prereze našega vzorca, ki jih lahko opazujemo s TEM mikroskopom. Tudi ta način priprave vzorca ni primeren za opazovanje posameznih zelo majhnih vzorcev (bakterij, posameznih molekul).
Preparat zelo majhnih objektov pripravimo tako, da damo objekte, ki jih želimo opazovati, na plastično podlago. Vso podlago prekrijemo s slojem težke kovine. Ta zaradi težkih jeder in velike elektronske gostote okoli njih, močno siplje elektrone in le malo jih prodre skozi. Z vzorcem se ne veže in tako je prepustnost za elektrone na mestu, kjer je opazoven objekt, velika. Dobimo negative opazovanih vzorcev.

Vrstični elektronski mikroskop (Scanning electron microscope) – SEM

Pri vrstičnem elektronskem mikroskopu zelo tanek curek elektronov, premera ~ 0,5 – 5nm, otipava površino vzorca. Elektronski snop se premika po vzorcu in ga skenira. Pri tem elektroni reagirajo s površjem vzorca na različne načine. Tako lahko s pomočjo SEM mikroskopa zbiramo podatke o površini. Največkrat SEM analizira elektrone odbite od vzorca in na ta način določa topologijo površine. Ravno obratno kot pri TEM mikroskopu, v tem primeru potrebujemo dobro odbojnost in ne prepustnosti vzorca.

Prva slika je mikroskopska slika krvi, druga pa je slika veščine glave.

SEM mikroskop ponavadi vsebuje tri konveksne magnetne leče. Služijo zbiranju elektronskega snopa, ki pride iz elektronske puške. Snop se na izstopu iz puške uklanja na okrogli odprtini. V Fraumhoferjevem približku je radialna odvisnost intezitete snopa, sorazmerna s (J1(r)=r)2, kar se da lepo aproksimirati z Gaussovo krivuljo. Širina snopa je definirana kot širina Gaussove krivulje er/dc . Magnetne leče služijo zoženju snopa oziroma, zmanjšanju širine dc. Naj bodo dolžine L1, L2 in L3 razdalje med lečami, kot je prikazano na spodnji sliki. Razdalje Li so v mikroskopih mnogo večje od goriščih razdalj leč (Li >> fi). Iz enačbe leče sledi, da slika nastane na razdalji ~ fi za lečo.

(\frac{1}{f_i}-\frac{1}{L_i})^{-1} \approx f_i

Tri zaporedne leče torej skrčijo žarek premera dc na premer

d_0 = \frac{f_1 f_2 f_3}{L_1 L_2 L_3}d_c = md_c

Uvedeni parameter m ustreza povečavi, ki pa je >> 1 in je torej pomanjšanje (demagnification). Pri elektronskih puškah, ki za generiranje snopa uporabljajo termično emisijo, ima elektronski snop, ko izstopi iz puške, premer dc ~ 20 – 50µm. Za tak snop potrebujemo m ≤ 1/5000, da ima žarek, ki pade na vzorec premer d0 ≤ 10nm. Razmerje med goriščnimi razdaljami in razdaljami med lečami je v tem primeru fi/Li ≈ (1/5000)1/3. Za minimalne goriščne razdalje leč, ki so fi ~ 5mm, lahko izračunamo dolžino poti žarka kot 3Li ≈ 25cm. Tipične dolžine tubusov za SEM mikroskope so še precej daljše (~ 1 – 2m). Če elektronska puška elektrone generira s poljsko emisijo, ima snop na izhodu iz puške premer dc ~ 10nm. Tak mikroskop ne vsebuje treh leč ampak le eno ali dve. To je dovolj, za zožanje snopa na d0 ~ 0,5 nm. Elektroni, izstreljeni iz puške, ki izkorišča poljsko emisijo, imajo višje energije kot termično emitirani elektroni. Mikroskopi, ki imajo puške na poljsko emisijo, so zato namenjeni opazovanju mnogo finejših struktur, kot mikroskopi s puško na termično emisijo. Temu ustreza tudi premer snopa na vzorcu d0.

Detekcija in formiranje slike

Formiranje slike je pri SEM mikroskopu mnogo bolj zahtevno kot pri TEM mikroskopu. Odbitih elektronov ni moč preprosto projecirati na zaslon, kjer bi videli sliko. Namesto zaslona so v SEM mikroskop nameščeni detektorji, ki merijo količino in energijo sipanih elektronov v določen kot. V SEM mikroskop so ponavadi poleg detektorjev odbitih elektronov nameščeni še številni drugi detektorji. Ob interakciji elektronskega snopa z vzorcem se dogajajo burne reakcije (ionizacija vzorca, zavorno sevanje, katodoluminescenca, emitiranje Augerjevih elektronov). Vse te procese je moč meriti in iz njih dobiti podatke o površini. Emitirane ali odbite elektrone in fotone, ki so posledica interakcije elektronskega snopa s površino, največkrat detektiramo s scintilacijskimi detektorji. Izmerjene energije in količina detektiranih delcev nam opisujejo obliko površine vzorca in njegovo kemijsko sestavo.

V enem elektronskem mikroskopu so lahko nameščeni vsi detektorji in istočasno neodvisno merijo podatke o površini. V praksi redko srečamo mikroskop z več kot tremi vgrajenimi detektorji. Največkrat so to detektorji odbitih elektronov, detektorji zavornega sevanja in detektorji sekundarnih elektronov.

Priprava vzorca 

Prevodnih materialov za opazovanje s SEM mikroskopom ni potrebno posebej pripraviti. Sliko na zaslonu dobimo tudi, če vstavimo neobdelan material v mikroskop. Kljub temu je za opazovanje strukture navadno potreben vsaj standardni metalografski postopek za pripravo vzorca. Vzorec se najprej zalije s prevodnim materialom, ki služi le kot držalo. Nato vzorec brusimo s smirkovimi papirji. Najprej brusimo z bolj grobimi, končamo pa s fino tkanino, ki je prevlečena z lubrikantom, ki vsebuje diamantni prah. Tako je površina vzorca res gladka in pripravljena za gledanje pod mikroskopom.

Priprava neprevodnih materialov za opazovanje s SEM mikroskopom je nekoliko zahtevnejša. Prevodnost vzorca je nujna. Ko elektronski snop iz vzorca izbija elektrone, za njimi ostajajo prazna mesta, ki predstavljajo višek pozitivnega naboja. Ker je vzorec ozemljen, iz vzorca v zemljo steče tok. Elektroni, ki so iz zemlje prišli v vzorec, nadomestijo manjkajoče elektrone in vzorec ostane nevtralen. če vzorec ne bi bil ozemljen ali prevoden, bi se na vzorcu kopičil pozitivni naboj. Elektrostatski naboj na vzorcu bi popačil sliko, posebej pri detekciji sekundarnih elektronov. Prevodnost neprevodnih vzorcev je dosežena s tanko plastjo prevodnika, ki jo naparimo na vzorec. Ponavadi je to zlato, platina ali mešanica obojega. Vzorec najprej dehidriramo enako kot pri pripravi za TEM mikroskopijo. Nato vzorec in kovino, s katero ga želimo prevleči, postavimo v evakuuirano komoro. Kovino bombardiramo z ioni (največkrat argonovimi). Ioni z dovolj veliko energijo lahko iz kovine izbijejo atom. Prost atom leti po vakuumu, dokler ne sreča vzorca in se veže na njegovo površje. To počnemo nekaj časa in na površju vzorca se ustvari le nekaj atomskih plasti debel sloj kovinske prevleke.

zlati hrošč

Na sliki je biološki vzorec pripravljen za SEM mikroskopijo.

Večkrat s slojem kovinske prevleke prevlečemo tudi vzorce iz prevodnih materialov, ki pa imajo majhno vrstno število. Taki vzorci vsebujejo malo elektronov in verjetnost za izbitje le-teh je majhna. Ker je primarnih in sekundarnih elektronov malo, to pomeni slabo intenziteto. Kovinska prevleka iz težke kovine nam intenziteto močno izboljša.

Zaključek

V seminarju sta predstavljeni le dve glavni vrsti elektronskih mikroskopov. Ker razvoj elektronskih mikroskopov podpira bogata industrija, jih obstaja še cela vrsta, ki pa se od opisanih le malo razlikujejo.

Ni ravno veliko stripov z elektronskimi mikroskopi, optičnimi malo morje, ampak z elektronskimi ...

, ,

  1. No comments yet.
(will not be published)