Карельский Государственный Педагогический Университет
Современная электронная микроскопия
Выполнила: Горобей И.А.

554 гр. (2006 г.)

Путь микроскопии
Разрешающая способность человеческого глаза - около 100 микрометров (0,1 мм), что примерно соответствует толщине волоска. Чтобы увидеть более мелкие предметы, требуются специальные устройства. Изобретенный в конце XVII века микроскоп открыл человеку новые миры, и в первую очередь мир живой клетки.
История микроскопа чрезвычайно разнообразна, длительна и интересна. Люди издавна хотели разглядеть, сделать крупнее, изучить. Так появились шлифованные стекла - лупы, которые уже можно назвать предком современного микроскопа. Люди научились смотреть далеко над землей и в небеса, когда им захотелось заглянуть внутрь того, что рядом. Так сначала появились простейшие световые микроскопы двухлинзовой системы, когда же назрела необходимость изучить то, что ещё глубже - появились электронные микроскопы. Первые электронные микроскопы появились в 30-х гг. в Англии и Германии вскоре после выхода работы Е. Руска, за которую он в 1986 г. получил Нобелевскую премию, а к середине 50-х гг. они уже широко использовались в материаловедческих исследованиях.

Уже первые наблюдения, проведённые с помощью самого простого и несовершенного по современным представлениям электронного микроскопа, открыли «целый мир в капле воды».

В дальнейшем эти простейшие наблюдения дадут жизнь само­стоятельной науке  микроскопии. Пройдут годы, и эта наука разовьется в мно­гочисленные разветвления, выражающиеся в целом ряде самых раз­личных применений в биологии, медицине, технике, химии, физике.
Основные виды электронной микроскопии
Подлинная революция в микроскопии произошла в 20-х годах нашего века, когда возникла идея использовать в ней потоки частиц - электронов. На основе этой идеи возникла и быстро развилась новая область науки - электронная микроскопия, позволившая осуществить наиболее глубокий прорыв в области видения и изучения сверхмалых объектов.

Электронная микроскопия — метод исследования веществ с помощью электронного микроскопа, позволяющего видеть частицы размером 1—1,5 нм (10—15 А°). Наиболее широко применяются просвечивающая (трансмиссивная) и сканирующая электронная микроскопия.
Просвечивающая электронная микроскопия применяется для изучения ультратонких срезов микробов, тканей, а также строения мелких объектов. Сканирующая электронная микроскопия применяется для изучения поверхности объектов.

1. 
   Просвечивающая электронная микроскопия
   

В просвечивающей электронной микроскопии различают прямые методы исследования (на просвет) и косвенные (с помощью реплик — отпечатков с поверхности объектов). При прямых методах внутрь колонны микроскопа помещают изучаемый объект, при косвенных - реплики.

• Прямой метод применим только для тонкодисперсных объектов и тонких пленок. Малая толщина образца необходима, чтобы достигнуть прозрачности его для электронов. Чем больше толщина и плотность объекта, тем сильнее отклонение электронов, а изображение получается только за счет электронов, прошедших объект или отклоненных под малым углом. Кроме того, для исследования прямыми методами объекты должны обладать устойчивостью к воздействию высоких температур и вакуума и необходимой контрастностью.

Рис.2. Светлопольное изображение кристаллической структуры кремния

К основным прямым методам исследования относятся светлопольный (Рис.2.) и темнопольный (Рис.1.). Чаще всего применяют светлопольный метод, обладающий максимальным разрешением. Пучок электронов, проходя через объект, рассеивается тем больше, чем толще объект и больше относительная атомная масса составляющего его элемента. Сильно отклоненные электроны поглощаются апертурой диафрагмой и в создании изображения не участвуют. Электроны, дошедшие до экрана, образуют светлый фон; темные участки соответствуют плотным частицам объекта. При темнопольном методе на темном экране светлые участки создаются теми электронами, которые рассеяны образцом. Темнопольный метод характеризуется повышенной контрастностью изображения, он используется для получения изображений прозрачных неабсорбирующих объектов, которые не могут быть видны, если применить метод светлого поля. Зачастую это биологические объекты.

• Косвенный метод - метод реплик (Рис.3.), применяется для изучения поверхностной геометрической структуры массивных тел. Реплики, применяемые в качественных методах исследования, бывают лаковые, кварцевые, угольные (углеродные).

Рис.3. Микрофотография скола суспензии синаптосом мозга крыс (метод реплик).
С поверхности изучаемого тела снимается отпечаток в виде тонкой плёнки углерода, коллодия и др., повторяющей рельеф поверхности и рассматривается в просвечивающем электронном микроскопе. Обычно п редварительно под скользящим (малым к поверхности) углом на реплику в вакууме напыляется слой сильно рассеивающего электроны тяжёлого металла (например, свинца Pt), оттеняющего выступы и впадины геометрического рельефа.

2. 
   Сканирующая (растровая) электронная микроскопия
   

В век быстро развивающейся техники исследователям все чаще приходится наблюдать и правильно объяснять явления, происходящие на микронном и субмикронном уровнях. Сканирующая электронная микроскопия имеет большие возможности, которые позволяют на высоком уровне характеризовать неоднородные материалы и поверхности. Причем успешно развивающаяся в настоящее время растровая (сканирующая) электронная микроскопия имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционной (просвечивающей электронной микроскопией).

Изображение формируется тонким пучком — электронным зондом, обегающим за определенное время заданную площадь поверхности образца. При взаимодействии с поверхностью образца электроны пучка частично рассеиваются в обратном направлении и одновременно вызывают вторичную эмиссию электронов. Вторичные и рассеянные объектом электроны регистрируются соответствующими датчиками, а электронная схема прибора преобразует после усиления интенсивность регистрируемых электронов в интенсивность луча электронно-лучевой трубки. Поскольку луч, формирующий изображение на экране этой трубки, отклоняется синхронно с отклонением первичного пучка электронов, на экране возникает светящееся изображение сканируемой площади объекта.

Изображения полученные с помощью сканирующей электронной микроскопии (Рис.4. и Рис.5.):

Рис.4. Дигидрофосфат калия

Рис.5. Микромеханическая шестерня



Устройство электронных микроскопов различных видов

1. 
   Устройство просвечивающего электронного микро­скопа:
   

Как же устроен просвечивающий электронный микроскоп? В чём его отличие от оптического микроскопа, существует ли между ними какая-нибудь ана­логия?

В основе работы такого микроскопа (общий вид его при­ведён на Рис.6.) лежит свойство неоднородных электрических и магнитных полей, обладающих вращательной симметрией, оказывать на электронные пучки фокусирующее действие. Таким образом, роль линз в электронном микроскопе играет совокупность соответствующим образом рассчитанных электрических и магнитных полей; соответст­вующие устройства, создающие эти поля, называют «электронными линзами». В зависимости от вида электронных линз электронные мик­роскопы делятся на магнитные, электростатические и комбинированные. Разрешающая способность электронных микроскопов значительно выше чем световых и достигает 5Аº (0,5 нм), что позволяет получить полезное увеличение в миллионы раз.

К
Рис.6. Просвечивающий электронный микроскоп
акого же типа объекты могут быть исследованы с помощью электронного микроскопа? Так же как и в случае оптического микро­скопа объекты, во-первых, могут быть «самосветящимися», т. е. служить источником электронов. Это, например, накаленный катод или освещаемый фотоэлектронный катод. Во-вторых, могут быть исполь­зованы объекты, «прозрачные» для электронов, обладающих определённой скоростью. Иными словами, при работе на просвет объ­екты должны быть достаточно тонкими, а электроны достаточно быстрыми, чтобы они проходили сквозь объекты и поступали в систему электронных линз.

Наиболее распространёнными в настоящее время являются электромагнитные микроскопы просвечивающего типа, в которых изо­бражение создаётся электронами, проходящими сквозь объект наблюдения. Устройство такого микроскопа показано на (Рис.7.).

Рис. 7. Схема устройств электронного микроскопа просвечивающего типа:

1  источник света (электронов);

2  конденсорная линза;

3  объект;

4  объективная линза;

5  промежуточное изображение;

6  проекционная линза;

7  конечное изображение.

Он со­стоит из следующих основных узлов: осветительной системы, камеры объекта, фокусирующей системы и блока регистрации конечного изо­бражения, состоящего из фотокамеры и флуоресцирующего экрана. Все эти узлы соединены друг с другом, образуя так называемую ко­лонну микроскопа, внутри которой поддерживается давление 10^-4  10^-5 мм рт. ст. Осветительная система обычно состоит из трех электродной электронной пушки (катод, фокусирующий электрод, анод) и конденсорной линзы. Она формирует пучок быстрых электронов нужного сечения и интен­сивности и направляет его на исследуемый объект, находящийся в камере объектов. Пучок электронов, прошедший сквозь объект, посту­пает в фокусирующую (проекционную) систему, состоящую из объективной линзы и одной или нескольких проекционных линз.

Объективная линза предназначена для получения увеличенного электронного изображения. Часто это уве­личенное изображение называют промежуточным. Для его наблюдения в плоскости изображений объективной линзы располагают специаль­ный экран, покрытый люминесцирующим веществом (люминофором).

Часть электронов из числа попадающих на экран необходимо направлять в проекционную линзу для формирования конечного элек­тронного изображения; с этой целью в центре экрана сделано круглое отверстие. Поток электронов, прошедших сквозь отверстие, перед по­ступлением в проекционную линзу диафрагмируется. В более слож­ных микроскопах используются две электронные линзы. В этих случаях первую из линз называют промежуточной; она формирует второе про­межуточное изображение. Вторая же проекционная линза формирует конечное электронное изображение, которое фиксируется в блоке ре­гистрации. Результат электронно-микроскопического исследования может быть получен либо в виде распределения плотностей почерне­ния фотографической пластинки, либо в виде распределения ярко­с­тей свечения люминесцентного экрана.

Образование изображения в просвечивающем электронном мик­роскопе связано главным образом с различной степенью рассеяния электронов различными участками исследуемого образца и в меньшей мере с различием в поглощении электронов этими участками. Максимальное увеличение такого микроскопа определяется ве­личинами фокусных расстояний объективной и проекционной линз и расстоянием между объектом наблюдения и плоскостью конечного изображения. В колонне микроскопа, где движутся электроны, должен быть обеспечен вакуум, так как электроны сильно рассеиваются веществом. Здесь поддерживается давление не выше чем одна миллиардная атмосферного давления.

2. 
   Устройство сканирующего (растрового) электронного микроскопа
   

Растровые электронные микроскопы используются для исследования массивных объектов с разрешением от 70 до 200 Å. Причем микроскопы такого типа имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционными просвечивающими электронными микроскопами. На (Рис.8.) приведен общий вид растрового электронного микроскопа.

Рис.8. Цифровой сканирующий электронный микроскоп CamScan MX 2500S

 

Устройство растрового электронного микроскопа показано на (Рис.9.). При помощи 2 или 3 элемента, на поверхность образца фокусируется узкий электронный зонд. Магнитные отклоняющие катушки развёртывают зонд по заданной площади на объекте. При взаимодействии электронов зонда с объектом возникает несколько видов излучений (Рис.10.) — вторичные и отражённые электроны; электроны, прошедшие сквозь объект (если он тонкий); рентгеновское тормозное излучение и характеристическое излучение; световое излучение и т. д.

Любое из этих излучений может регистрироваться соответствующим коллектором, содержащим датчик, преобразующий излучение в электрические сигналы, которые после усиления подаются на электроннолучевую трубку и модулируют её пучок. Развёртка пучка электронной трубки производится синхронно с развёрткой электронного зонда в растровом электронном микроскопе, и на экране электронной трубки наблюдается увеличенное изображение объекта. Увеличение равно отношению высоты кадра на экране электронной трубки к ширине сканируемой поверхности объекта. Фотографируют изображение непосредственно с экрана электронной трубки. Основным достоинством растрового электронного микроскопа является высокая информативность прибора, обусловленная в
Рис.9. Растровый электронный микроскоп. 1 - изолятор электронной пушки; 2 - накаливаемый V-образный катод; 3 - фокусирующий электрод; 4 - анод; 5 - блок двух конденсорных линз; 6 - диафрагма; 7 - двухъярусная отклоняющая система; 8 - объектив; 9 - диафрагма;  10 - объект; 11 - детектор вторичных электронов; 12 - кристаллический спектрометр; 13 - пропорциональный счётчик; 14 - предварительный усилитель; 15 - блок усиления: 16, 17 - аппаратура для регистрации рентгеновского излучения; 18 - блок усиления; 19 - блок регулировки увеличения; 20, 21 - блоки горизонтальной и вертикальной развёрток; 22, 23 - электроннолучевые трубки.

озможностью наблюдать изображение, используя сигналы различных датчиков. С помощью такого микроскопа можно исследовать микрорельеф, распределение химического состава по объекту, р—n-переходы, производить рентгеноструктурный анализ и многое другое. Образец обычно исследуется без предварительной подготовки. Он находит применение и в технологических процессах (контроль дефектов микросхем и пр.). Высокая для растрового электронного микроскопа разрешающая способность реализуется при формировании изображения с использованием вторичных электронов. Она определяется диаметром зоны, из которой эти электроны эмиттируются. Размер зоны в свою очередь зависит от диаметра зонда, свойств объекта, скорости электронов первичного пучка и т. д. При большой глубине проникновения первичных электронов вторичные процессы, развивающиеся во всех направлениях, увеличивают диаметр зоны и разрешающая способность падает.




Рис. 10. Схема регистрации информации об объекте, получаемой в РЭМ. 1 — первичный пучок электронов; 2 — детектор вторичных электронов; 3 — детектор рентгеновского излучения; 4 — детектор отражённых электронов; 5 — детектор светового излучения; 6 — детектор прошедших электронов; 7 — прибор для измерения наведённого на объекте электрического потенциала; 8 — прибор для измерения тока прошедших через объект электронов; 9 — прибор для измерения тока поглощенных в объекте электронов.



Объекты электронной микроскопии
Электронная микроскопия позволяет с помощью электронного микроскопа исследовать микроструктуру тел при увеличениях до многих сотен тысяч раз (вплоть до атомно-молекулярного уровня), изучить их локальный состав и локализованные на поверхностях или в микрообъёмах тел электрические и магнитные поля (микрополя).

В качестве объектов исследований электронная микроскопия использует в основном твёрдые тела. Образцы толщиной от 1 нм до 10 мкм (тонкие плёнки, фольга, срезы и т. п.) изучаются в просвечивающих электронных микроскопах (ПЭМ), в которых электроны с энергиями от 1 кэв до 5 Мэв проходят сквозь объект. Непросвечивающие электронные микроскопы: растровые (РЭМ) исследуют структуру массивных тел толщиной существенно больше 1 мкм.

Можно так же изучать порошки, микрокристаллы, частицы аэрозолей и т. д., нанеся их на подложку: тонкую плёнку для исследования в ПЭМ или массивную подложку для исследования в РЭМ.

С помощью специальных газовых микрокамер — приставок к просвечивающему или растровому электронному микроскопу — можно изучать жидкие и газообразные объекты, неустойчивые к воздействию высокого вакуума, в том числе влажные биологические препараты. Радиационное воздействие облучающего электронного пучка довольно велико, поэтому при исследовании биологических, полупроводниковых, полимерных и т. п. объектов необходимо тщательно выбирать режим работы электронного микроскопа, обеспечивающий минимальную дозу облучения.

Кроме статических объектов электронная микроскопия позволяет изучать различные процессы в динамике их развития: рост плёнок, деформацию кристаллов под действием переменной нагрузки, изменение структуры под влиянием электронного или ионного облучения и т. д.

Электронные микроскопы используются и в технологических целях (например, для изготовления микросхем методом фотолитографии).

К сожалению, электронная микроскопия ограничена в своих возможностях по исследованию и диагностике поверхности. Несмотря на огромные плюсы, которые она имеет, существует несколько неоспоримых недостатков. К таковым следует отнести, в первую очередь, необходимость достаточного вакуума для получения относительно хорошего разрешения, отсутствие возможности просмотра больших образцов, достижение атомного разрешения в критических для поверхности условиях, когда энергия пучка электронов достигает величины до 300 КэВ.

Заключение

Как же далеко мы сможем еще продвинуться по пути раскрытия тайн микрообъектов? Мы видим, что за исторически короткий срок, ис­пользуя новейшие достижения физики и радиоэлектроники, электронная микроскопия превратилась в мощное орудие исследова­ния природы. Обозримое будущее этой области науки связано с реализацией дерзновенных проектов создания таких приборов, кото­рые позволят «приблизить» и сделать зримым многообразный и красочный микромир. Далеко не всё ещё ясно на этом пути, на котором постоянно возникают всё более и более сложные научно-технические и технологические проблемы. Современные приборы микроскопии явля­ются несравненно более сложными устройствами, чем микроскопы недавнего прошлого.

Уже сейчас мы сталкиваемся с очевидным фактом: приборы мик­роскопии становятся всё более сложными и громоздкими по мере проникновения в ранее недосягаемые тайны мира малых объектов. Дальнейшее усложнение этих приборов, увеличение затрат на их изго­товление определяются необходимостью разрешения новых всё более сложных проблем.

Здесь уместно провести аналогию с развитием эксперименталь­ной ядерной физики, где получение информации о свойствах микрочастиц вещества, из которых состоят ядра атомов, связано с созданием сложнейших и, как правило, чрезвычайно громоздких и до­рогих приборов и установок.

Получение информации, раскрывающей тайны микромира, опла­чивается высокой ценой. Однако происходящие при этом затраты интеллектуальных и материальных ресурсов, как показывает опыт ис­тории науки, безусловно, окупаются теми возможностями, которые открываются при этом в технике, физике, химии, биологии и медицине.

Литература:

1. 
   Рукман Г.И. , Клименко И.С. «Электронная микроскопия».- М., Знание, 1968 г.
   
2. 
   http://data.ufn.ru//ufn85/ufn85_1/Russian/r851r.pdf
   
3. 
   http://www.chem.msu.su/rus/jvho/2002-5/81.pdf
   
4. 
   http://www.nsu.ru/psj/lector/aseev/partnine.html
   
5. 
   http://postroyka.com.ua/news239.html
   
6. 
   http://www.mikroskopia.ru/info/17.html