Электронная микроскопия

Электронная микроскопия

Электронная микроскопия использует электронные пучки для получения изображений образцов с чрезвычайно высоким разрешением, позволяя видеть детали на нанометровом уровне. Это делает электронную мкроскопию незаменимой в нанотехнологиях, материаловедении, медицине, биологии и полупроводниковой промышленности. Существуют два основных типа электронных микроскопов: просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ или TEM) и сканирующий электронный микроскоп (СЭМ или SEM). Рассмотрим их подробнее.

Просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ или TEM)

Просвечивающий электронный микроскоп — это тип электронного микроскопа, в котором изображение формируется при прохождении пучка высокоэнергетических электронов сквозь тонкий образец. За счёт взаимодействия электронов с атомами вещества создаётся изображение его внутренней структуры с нанометровым и субнанометровым разрешением.

Электронная пушка. Источник электронов - термокатод (вольфрамовая или LaB6 нить) или эмиссионный катод (полевой эмиссионный источник). Система ускорения обеспечивает высокое напряжение (обычно 100-300 кВ), ускоряющее электроны.

Конденсорная система линз. Конденсорные линзы формируют и фокусируют электронный пучок на образец. Конденсорная диафрагма контролирует размер пучка и улучшает контраст изображения.

Образец должен быть достаточно тонким (менее 100 нм), чтобы электроны могли пройти через него. Образец помещается на сетчатую подложку и вставляется в держатель образцов.

Объективные линзы. Объективная линза фокусирует электроны, прошедшие через образец, формируя промежуточное изображение. Объективная диафрагма улучшает контраст и разрешение, исключая рассеянные электроны.

Проекционная система линз. Проекционные линзы увеличивают промежуточное изображение и проецируют его на экран или детектор. Флуоресцентный экран используется для визуализации электронного изображения в реальном времени.

Детекторы - CCD-камеры или другие электронные детекторы для цифрового захвата изображения.

Вакуумная система. Электронный пучок требует вакуума для минимизации рассеяния электронов в воздухе. Вакуумные насосы (ротационные, диффузионные, турбомолекулярные) поддерживают высоковакуумное состояние.

Сканирующий электронный микроскоп (СЭМ или SEM)

Сканирующий электронный микроскоп — это тип электронного микроскопа, в котором изображение образца формируется путём сканирования его поверхности тонким пучком электронов. При взаимодействии электронов с поверхностными атомами образца возникают различные виды вторичного излучения, по которым и строится изображение. SEM даёт трёхмерное, псевдообъёмное изображение с высокой глубиной резкости и используется для исследования морфологии, текстуры и структуры поверхности.

Электронная пушка. Источник электронов термокатод (вольфрамовая или LaB6 нить) или эмиссионный катод (полевой эмиссионный источник). Система ускорения - высокое напряжение (обычно 1-30 кВ), ускоряющее электроны.   

Конденсорная система линз. Конденсорные линзы формируют и фокусируют электронный пучок на образец. Система сканирования - электронные пучки отклоняются магнитными или электростатическими отклоняющими системами для сканирования поверхности образца.

Образец размещается на столике для образцов, который может перемещаться в трех измерениях (X, Y, Z) и э иногда вращаться и наклоняться. Образцы могут быть подготовлены с помощью напыления тонкого слоя проводящего материала (золото, углерод) для уменьшения заряда.

Детекторы. Детектор вторичных электронов (SE) регистрирует электроны, выбитые с поверхности образца, создавая топографическое изображение. Детектор рентгеновского излучения (EDS) анализирует характеристическое рентгеновское излучение для элементного анализа образца.

Вакуумная система. Вакуум необходим для предотвращения взаимодействия электронов с молекулами воздуха. Вакуумные насосы поддерживают высоковакуумное состояние.

Принципы работы электронного микроскопа

У просвечивающего электронного микроскопа ПЭМ (TEM) электронный пучок проходит через тонкий образец. Электроны взаимодействуют с атомами образца, создавая дифракцию. Пройденные электроны формируют изображение, отображающее внутреннюю структуру образца.

У сканирующего электронного микроскопа СЭМ (SEM) электронный пучок сканирует поверхность образца. Вторичные и обратно рассеянные электроны собираются детекторами, создавая изображение поверхности. Высокое разрешение и глубина резкости позволяют видеть мелкие детали рельефа.

Электронные микроскопы играют ключевую роль в современной науке и технике, предоставляя детализированные изображения на наноуровне и позволяя проводить глубокие исследования структуры материалов и биологических объектов.