Световая и электронная микроскопия реферат

Обновлено: 28.06.2024

Вместе с тем, получение наноструктур, низкоразмерных систем и новых наноструктурированных материалов с заданными свойствами, предназначенных для применения в современной электронике, ставит и новые диагностические задачи. Методы нанодиагностики должны быть по возможности неразрушающими. Каждый метод часто дает частичную информацию об исследуемом объекте, наиболее полная информация получается комплексным использованием различных методов.

Содержание

Прикрепленные файлы: 1 файл

КОЛЕСО РЕФЕРАТ.docx

Просвечивающая электронная микроскопия……………………………..3

Растровая электронная микроскопия……………………………………..5

Сканирующая туннельная микроскопия……………………………..…. 9

Атомно-силовая микроскопия…………………………………………. .10

В настоящее время существует огромное число методов диагностики, еще больше методик исследования физических и физико-химических параметров и характеристик твердотельных и молекулярных структур.

В данной работе рассмотрим некоторые из них подробней.

Электронная микроскопия, совокупность методов исследования с помощью электронных микроскопов микроструктур тел, их локального состава и локализованных на поверхностях или в микрообъемах тел электрических и магнитных полей.

На первом этапе электронная микроскопия применялась в основном для наблюдения биологических объектов, причем для интерпретации снимков использовался лишь адсорбционный контраст. Однако появление метода реплик — отпечатков, сделанных с поверхности , и особенно декорирование их металлами (1940-е –1950-е г.г. ) позволило успешно изучать неорганические материалы — сколы и изломы кристаллов. Примерно с начала 1950-х годов начинаются интенсивные попытки исследования тонких фольг материалов на просвет. Это стало возможным в результате существенного повышения, до 100кВ, ускоряющего напряжения в электронных микроскопах. С этого периода начинается бурное развитие электронно-микроскопической техники, электронная микроскопия находит все более широкое применение в физическом материаловедении. Одной из важнейших причин этого, по-видимому, является возможность наблюдать в одном эксперименте, как изображение объекта в реальном пространстве, так и его дифракционную картину. Поэтому ЭМ является наиболее подходящим методом исследования структур сложных кристаллических объектов.

Просвечивающая электронная микроскопия

В просвечивающем электронном микроскопе электроны из некоторого источника, например, электронной пушки, попадают на образец, рассеиваются при прохождении сквозь него, фокусируются объективной линзой, проходят через увеличительную (проекторную) линзу и, наконец, создают искомое изображение.

Схема электронного микроскопа, включает следующие элементы: электронная пушка, испускающая поток электронов плюс система электрических (магнитных) линз, фокусирующая поток электронов на исследуемом предмете. Остаётся только каким-то образом превратить изображение в видимое. Этот комплекс проблем был решён, когда в 1932 году немецкие учёные М. Кнолль и Э. Руска построили первый микроскоп, применив магнитные линзы для фокусировки электронов. Этот прибор был предшественником современного просвечивающего электронного микроскопа, схема которого приведена на рис.1.

Рис. 1. Схема работы просвечивающего электронного микроскопа

Просвечивающий электронный микроскоп имеет несколько принципиальных особенностей: поскольку электронный поток сильно поглощается веществом, то внутри установки должен быть создан вакуум; по этой же причине исследуемый образец должен быть очень тонким (порядка 100 нм).

Рис. 2. Схема просвечивающего электронного микроскопа: 1 - катод, 2 - управляющий электрод, 3 - анод, 4 - конденсорная линза, 5 - объектная линза, 6 - апертурная диафрагма, 7 - селекторная диафрагма, 8 - промежуточная линза, 9 - проекционная линза, 10 – экран.

Растровая электронная микроскопия

В отличие от ПЭМ растровая электронная микроскопия позволяет дефектоскопировать образцы практически любых размеров по толщине. В её основе лежат физические явления, наблюдающиеся при бомбардировке поверхности твёрдого тела пучком электронов с энергией до нескольких десятков килоэлектронвольт, разворачиваемым в двумерный растр на поверхности исследуемого образца.

Растровый электронный микроскоп является вакуумным прибором, так как при нормальном атмосферном давлении электронный пучок сильно рассеивается и поглощается, что делает невозможным его фокусировку. Поэтому рабочий вакуум в камере микроскопа должен быть 10-5 тор., или лучше. Электронный пучок от источника электронов специальной конденсорной системой формируется в виде хорошо сфокусированного зонда и проходит через систему управляющих электродов или электромагнитов, которые перемещают пучок по поверхности образца по траектории, образующей растр, аналогичный телевизионному растру.

Рис.3. Упрощенная схема, иллюстрирующая работу РЭМ

Перемещение зонда по поверхности образца должно происходить с очень высокой точностью и будет, в конечном счете, наряду с размером зонда, определять величину разрешения прибора. В результате взаимодействия пучка электронов с поверхностью образца возникает ответная реакция, которая регистрируется соответствующими датчиками. Регистрируемый датчиками сигнал используется в дальнейшем для модуляции яркости электронного пучка в электронно-лучевой трубке монитора. Величина этого вторичного сигнала будет зависеть от физических свойств поверхности образца и может меняться от точки к точке. В результате на экране монитора образуется изображение поверхности образца, отображающее топографию соответствующего физического свойства исследуемого образца. Таким образом можно исследовать топографию неоднородностей дефектов и состояния поверхности: например, топологию поверхности (границы зерен, поры, трещины, неоднородности состава и др.) - в отраженных или вторичных электронах; распределение элементного состава по поверхности образца - в характеристическом рентгеновском излучении; распределение донорных или акцепторных центров - по величине поглощенного тока; топографию магнитной доменной структуры - во вторичных электронах и пр.

Просвечивающий и растровый электронные микроскопы позволили исследовать объекты микро- и нанометровых размеров. Развитие методов электронной микроскопии продолжается и по сей день. Однако сложности технического характера и фундаментальные ограничения этого метода заставили искать новые способы, позволяющие еще глубже заглянуть в структуру нано-материалов.

Этим новым способом оказалась сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ), которая подразделяется на атомно-силовую и туннельную. Их объединяет общая деталь конструкции - зонд, который представляет собой иглу с очень острым концом - всего несколько атомных радиусов. В атомно-силовой микроскопии в каждой точке сканируемой области образца измеряется сила взаимодействия зонда с поверхностью. Для объяснения принципов работы зондовой микроскопии будем говорить о силе взаимодействия между зондом и образцом, которая может относиться к механическому, электрическому, магнитному и другим видам взаимодействия.

Рис. 4. Изменение расстояния между зондом и поверхностью образца при перемещении зонда над атомами поверхности

На рис. 4 видно как изменяется расстояние между острием зонда и поверхностью образца при движении зонда над поверхностью.

Таким образом, для того чтобы увидеть атомы с помощью СЗМ, нужно:

- научиться передвигать зонд (или образец) на расстояние меньше, чем размеры атомов;

- заострить конец зонда до размеров одного атома;

- научиться измерять силу взаимодействия между отдельны¬ми атомами.

Полученная картина распределения этих сил визуализируется на экране компьютера, что позволяет судить о топологии поверхности.

В туннельной микроскопии в каждой точке сканируемой области образца измеряется туннельный ток между зондом и проводящей поверхностью. Поэтому в туннельной микроскопии могут применяться только проводящие материалы - металлы или полупроводники.

Рис. 5. Обобщенная структурная схема сканирующего зондового микроскопа

Перед началом проведения измерения система грубого повода и позиционирования зонда постепенно приближает зонд к образцу и достигает расстояний порядка нескольких нанометров. Далее под управлением электроники взаимодействие зонда и поверхности измеряется с очень высокой точностью, в результате чего положение зонда корректируется относительно поверхности образца с точностью до тысячных долей нанометра.

Только после этого начинается измерение топологии поверхности образца - зонд шаг за шагом проходит каждую точку поверхности в заданной области сканирования, проводит измерения либо туннельного тока, либо силы взаимодействия и передает эти данные на компьютер. Сканирующее устройство после проведения измерения в точке передвигает зонд в соседнюю точку поверхности на расстояние порядка нанометра. Таким образом поверхность сканируется и получается изображение, которое несет информацию не только о топологии, но и о других локальных характеристиках поверхности, таких как сопротивление, емкость, жесткость и других, с атомарной точностью. Полученное при помощи компьютерной обработки изображение принято называть сканом.

Сканирующая туннельная микроскопия

В СТМ зонд подводится к поверхности образца на расстояние в несколько ангстрем. При этом образуется туннельно-прозрачный потенциальный барьер. При качественном рассмотрении барьер можно считать прямоугольным. Туннельный ток экспоненциально зависит от расстояния. Эта зависимость позволяет осуществлять регулирование расстояния между зондом и образцом в туннельном микроскопе с высокой точностью. СТМ представляет собой электромеханическую систему с отрицательной обратной связью. Система обратной связи поддерживает величину туннельного тока между зондом и образцом на заданном уровне (I0) выбираемом оператором. Контроль величины туннельного тока, а следовательно, и расстояния зонд-поверхность осуществляется посредством перемещения зонда вдоль оси Z с помощью пьезоэлектрического элемента.

Изображение рельефа поверхности в СТМ формируется двумя способами. В режиме постоянного туннельного тока зонд перемещается вдоль поверхности, осуществляя растровое сканирование; при этом изменение напряжения на Z-электроде пьезоэлемента в цепи обратной связи (с большой точностью повторяющее рельеф поверхности образца) записывается в память компьютера в виде функции Z = f(x,y), а затем воспроизводится средствами компьютерной графики.

При исследовании атомарно гладких поверхностей часто более эффективным оказывается получение СТМ изображения поверхности в режиме постоянной высоты Z = const. В этом случае зонд перемещается над поверхностью на расстоянии в несколько ангстрем, при этом изменение туннельного тока регистрируется в качестве СТМ изображения поверхности. Сканирование производится либо при отключенной ОС, либо со скоростями, превышающими скорость реакции ОС, так что ОС отрабатывает только плавные изменения рельефа поверхности. В данном способе реализуются очень высокие скорости сканирования и высокая частота получения СТМ изображений, что позволяет вести наблюдение за изменения, происходящими на поверхности, практически в реальном времени.

Оптические системы просвечивающего и растрового сканирующего электронного микроскопа. Современное состояние.

Выполнил студент: Глазырина А.А

Проверил: Алалыкин А.С

Просвечивающий электронный микроскоп ……………………….. .3

Современные виды ПЭМ ……………………………………………. 7

Основные особенности данного прибора ……………………………..8

Схема сканирующего электронного микроскопа, назначение его узлов и их функционирование ………………………………………………..9

Растровый просвечивающий электронный микроскоп ………………11

Электронный микроскоп – прибор, позволяющий получать изображение объектов с максимальным увеличением до 10 6 раз, благодаря использованию вместо светового потока пучка электронов. Разрешающая способность электронного микроскопа в 1000÷10000 раз превосходит разрешение светового микроскопа и для лучших современных приборов может составлять несколько ангстрем (10 -7 м).

Существуют два основных вида электронных микроскопов.

В 1930-х годах был изобретен обычный просвечивающий электронный микроскоп (ОПЭМ), в 1950-х годах – растровый (сканирующий) электронный микроскоп (РЭМ).

Просвечивающий электронный микроскоп.

Просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ) — это установка, в которой изображение от ультратонкого объекта (толщиной порядка 0,1 мкм) формируется в результате взаимодействия пучка электронов с веществом образца с последующим увеличением магнитными линзами (объектив) и регистрацией на флуоресцентном экране.

Просвечивающий электронный микроскоп во многом подобен световому микроскопу, но только для освещения образцов в нем используется не свет, а пучок электронов. В нем имеются электронный прожектор, ряд конденсорных линз, объективная линза и проекционная система, которая соответствует окуляру, но проецирует действительное изображение на люминесцентный экран или фотографическую пластинку.

Источником электронов обычно служит нагреваемый катод из вольфрама или гексаборида лантана. Катод электрически изолирован от остальной части прибора, и электроны ускоряются сильным электрическим полем. Для создания такого поля катод поддерживают под потенциалом порядка - 100 000 В относительно других электродов, фокусирующих электроны в узкий пучок. Эта часть прибора называется электронным прожектором.

Поскольку электроны сильно рассеиваются веществом, в колонне микроскопа, где движутся электроны, должен быть вакуум. Здесь поддерживается давление, не превышающее одной миллиардной атмосферного давления.

Электронное изображение формируется электрическими и магнитными полями примерно так же, как световое – оптическими линзами. Принцип действия магнитной линзы поясняется следующей схемой.

Схема и принцип работы электромагнитных линз.

Витки провода, по которым проходит ток, фокусируют пучок электронов так же, как стеклянная линза фокусирует световой пучок.

Магнитное поле, создаваемое витками катушки, по которой проходит ток, действует как собирающая линза, фокусное расстояние которой можно изменять, изменяя ток.

Электроны ускоряются, а затем фокусируются магнитными линзами. Увеличенное изображение, создаваемое электронами, которые проходят через диафрагму объектива, преобразуется люминесцентным экраном в видимое или регистрируется на фотопластинке.

Ряд конденсорных линз фокусирует электронный пучок на образце. Обычно первая из них создает не увеличенное изображение источника электронов, а последняя контролирует размер освещаемого участка на образце. Диафрагмой последней конденсорной линзы определяется ширина пучка в плоскости объекта.

Образец помещается в магнитном поле объектной линзы с большой оптической силой – самой важной линзы ОПЭМ, которой определяется предельное возможное разрешение прибора. Аберрации объективной линзы ограничиваются ее диафрагмой так же, как это происходит в фотоаппарате или световом микроскопе. Объектная линза дает увеличенное изображение объекта (обычно с увеличением порядка 100); дополнительное увеличение, вносимое промежуточными и проекционной линзами, лежит в пределах величин от несколько меньшей 10 до несколько большей 1000.

Таким образом, увеличение, которое можно получить в современных ОПЭМ, составляет от менее 1000 до ~1 000 000. Исследуемый объект обычно помещают на очень мелкую сетку, вкладываемую в специальный держатель. Держатель можно механическим или электрическим способом плавно перемещать вверх-вниз и вправо-влево.

Обычный просвечивающий электронный микроскоп (ОПЭМ).

1 – источник электронов; 2 – ускоряющая система; 3 – диафрагма; 4 –конденсорная линза; 5 – образец; 6 – объективная линза; 7 – диафрагма; 8 – проекционная линза; 9 – экран или пленка; 10 – увеличенное изображение.

Окончательное увеличенное электронное изображение преобразуется в видимое посредством люминесцентного экрана, который светится под действием электронной бомбардировки. Это изображение, обычно слабоконтрастное, как правило, рассматривают через бинокулярный световой микроскоп. При той же яркости такой микроскоп с увеличением 10 может создавать на сетчатке глаза изображение, в 10 раз более крупное, чем при наблюдении невооруженным глазом. Иногда для повышения яркости слабого изображения применяется люминофорный экран с электронно-оптическим преобразователем. В этом случае окончательное изображение может быть выведено на обычный телевизионный экран. Фотопластинка обычно позволяет получить более четкое изображение, чем наблюдаемое простым глазом или записанное на видеоленте, так как фотоматериалы, вообще говоря, более эффективно регистрируют электроны.

Электронные пучки имеют свойства, аналогичные свойствам световых пучков. В частности, каждый электрон характеризуется определенной длиной волны. Разрешающая способность ЭМ определяется эффективной длиной волны электронов. Длина волны зависит от скорости электронов, а следовательно, от ускоряющего напряжения; чем больше ускоряющее напряжение, тем больше скорость электронов и тем меньше длина волны, а значит, выше разрешение. Столь значительное преимущество ЭМ в разрешающей способности объясняется тем, что длина волны электронов намного меньше длины волны света. Но поскольку электронные линзы не так хорошо фокусируют, как оптические (числовая апертура хорошей электронной линзы составляет всего лишь 0,09, тогда как для хорошего оптического объектива эта величина достигает 0,95), разрешение ЭМ равно 50–100 длинам волн электронов.

Даже со столь слабыми линзами в электронном микроскопе можно получить предел разрешения ~ 0,17 нм, что позволяет различать отдельные атомы в кристаллах. Для достижения разрешения такого порядка необходима очень тщательная настройка прибора; в частности, требуются высокостабильные источники питания, а сам прибор (который может быть высотой ~2,5 м и иметь массу в несколько тонн) и его дополнительное оборудование требуют монтажа, исключающего вибрацию.

В ОПЭМ можно получить увеличение до 1 млн. Предел пространственного (по x, y) разрешения - ~0,17 нм.

Пространственное разрешение сканирующего электронного микроскопа зависит от поперечного размера электронного пучка, который, в свою очередь зависит от электронно-оптической системы, фокусирующей пучок.

Современные виды ПЭМ

Просвечивающий электронный микроскоп Titan 80 – 300 с атомным разрешением.

Современный просвечивающий электронный микроскоп Titan 80 – 300 дает изображение наноструктур на суб-ангстремном уровне. Электронный микроскоп Титан работает в диапазоне 80 – 300 кВ с возможностями коррекции сферической аберрации и монохроматичности. Данный электронный микроскоп соответствует жестким требованиям максимальной механической, тепловой и электрической стабильности, так же, как точным юстировкам усовершенствованных компонентов. Титан расширяет разрешающие возможности спектроскопии при измерении запрещенных энергетических зон и электронных свойств и позволяет пользователю получить четкие изображения границ раздела и наиболее полно интерпретировать полученные данные.

Просвечивающий электронный микроскоп, оборудованный электронной пушкой высокой яркости с подогревным катодом на полевой эмиссии, обладающим повышенной стабильностью тока эмиссии. Позволяет непосредственно наблюдать детали атомного строения и анализировать отдельные атомные слои. Электронная пушка с подогревным катодом на полевой эмиссии, более всего подходящая для анализа нанообластей, обеспечивает ток зонда 0,5 нА при его диаметре 1 нм и 0,1 нА при 0,4 нм.

Разрешение в точке: 0,17 нм

Ускоряющее напряжение: 100, 200, 300 кВ

Увеличение: от х60 до х1 500 000

JEOL JEМ – 2100F

200 кВ просвечивающий электронный микроскоп с полевой эмиссией

Электронная пушка с полевой эмиссией, обеспечивающая электронный пучок с высокой яркостью и когерентностью, играет ключевую роль в получении высокого разрешения и при анализе наноструктур. Прибор JEM – 2100F является комплексным ПЭМ, оснащенным развитой системой электронного управления различными функциями.

Основные особенности данного прибора:

Высокая яркость и стабильность электронной пушки с термополевой эмиссией обеспечивает анализ областей наноразмеров при большом увеличении.

Диаметр зонда меньше 0.5 нм позволяет уменьшить точку анализа до уровня нанометров.

Новый высокостабильный столик образцов с боковой загрузкой обеспечивает простой наклон, поворот, нагрев и охлаждение, программируемые установки и другое без механического дрейфа.

JEOL JEМ – 2100 LaB6

200 кВ аналитический просвечивающий электронный микроскоп

позволяет не только получать изображения на просвет и картины дифракции, но и включает в себя компьютерную систему контроля, которая может объединять TEM, устройство получения изображений в режиме сканирования (STEM), энергодисперсионный спектрометр (JED – 2300 T) и спектрометр энергетических потерь электронов (EELS) в любых комбинациях.

Высокое разрешение (0,19 нм при 200 kV на катоде LaB 6 ) достигается благодаря стабильности высокого напряжения и тока пучка, вместе с превосходной системой линз. Новая структура рамы колонны микроскопа мягко уменьшает эффект вибрации прибора. Новый гониометрический столик позволяет позиционирование образца с точностью до нанометров. Компьютерная система контроля микроскопа обеспечивает подключение по сети других пользователей (компьютеров) и обмен информацией между ними.

Схема сканирующего электронного микроскопа, назначение его узлов и их функционирование.

В отличии от ПЭМ сканирующие электронные микроскопы сканируют поверхность образца с помощью очень тонкого луча диаметром всего в несколько ангстрем. В этом случае разрешающая способность ограничивается в основном диаметром электронного луча, падающего на образец, и радиационным повреждением.

Современные СПЭМ предоставляют беспрецедентную возможность для изучения биомолекул, позволяя определять структуры при суб-нанометровом разрешении.

Для улучшения разрешения и для химического анализа в СПЭМ, подобно ПЭМ, можно применять различную технику энергетического фильтрования, например, путем удаления нерассеянных электронов и получения неупругих темнопольных изображений.

Пример сканирующего электронного микроскопа с энергетическим фильтром.

Многие СПЭМ предоставляют обе возможности – получение как упругих так и неупругих темнопольных изображений. Третьим типом является яркопольные детектирование, при котором электроны улавливаются с помощью небольшой апертуры, расположенной на оптической оси, а электроны, которые теряют свою энергию, удаляются энергетическими фильтрами. Изображение получается путем отбора малоугловых упруго и неупруго рассеянных электронов.

Линзы объектива фокусируют электронный луч на небольшом участке образца. Рассеянные электроны регистрируются с помощью упругого темнопольного детектора. Изображение генерируется путем передвижения сфокусированного луча над образцом.

Не упруго рассеянные электроны, т.е. те, у которых при взаимодействии с образцом изменились и энергия, и направление движения, улавливаются и тем самым получается неупругое темнопольное изображение.

Схема устройства сканирующего просвечивающего электронного микроскопа.

Растровый просвечивающий электронный микроскоп.

Растровый просвечивающий электронный микроскоп (РПЭМ) – это особый вид РЭМ. Он рассчитан на тонкие образцы, такие же, как и исследуемые в ОПЭМ. Схема РПЭМ отличается от схемы тем, что в ней нет детекторов, расположенных выше образца. Поскольку изображение формируется бегущим пучком (а не пучком, освещающим весь исследуемый участок образца), требуется высокоинтенсивный источник электронов, чтобы изображение можно было зарегистрировать за приемлемое время. В РПЭМ высокого разрешения используются автоэлектронные эмиттеры высокой яркости. В таком источнике электронов создается очень сильное электрическое поле (10 8 В/см) вблизи поверхности заостренной травлением вольфрамовой проволочки очень малого диаметра. Это поле буквально вытягивает миллиарды электронов из проволочки без всякого нагрева. Яркость такого источника почти в 10 000 раз больше, чем источника с нагреваемой вольфрамовой проволокой, а испускаемые им электроны могут быть сфокусированы в пучок диаметром менее 1 нм. Были даже получены пучки, диаметр которых близок к 0,2 нм.

Автоэлектронные источники могут работать только в условиях сверхвысокого вакуума (при давлениях ниже 10 -8 Па), в которых полностью отсутствуют такие загрязнения, как пары углеводородов и воды, и становится возможным получение изображений с высоким разрешением. Благодаря таким сверхчистым условиям можно исследовать процессы и явления, недоступные ЭМ с обычными вакуумными системами.

Исследования в РПЭМ проводятся на сверхтонких образцах. Электроны проходят сквозь такие образцы почти без рассеяния. Электроны, рассеянные на углы более нескольких градусов без замедления, регистрируются, попадая на кольцевой электрод, расположенный под образцом. Сигнал, снимаемый с этого электрода, сильно зависит от атомного номера атомов в той области, через которую проходят электроны, – более тяжелые атомы рассеивают больше электронов в направлении детектора, чем легкие. Если электронный пучок сфокусирован в точку диаметром менее 0,5 нм, то можно получить изображение отдельных атомов. Реально удается различать на изображении, полученном в РПЭМ, отдельные атомы с атомной массой железа (т.е. 26 и более).

Электроны, не претерпевшие рассеяния в образце, а также электроны, замедлившиеся в результате взаимодействия с образцом, проходят в отверстие кольцевого детектора. Энергетический анализатор, расположенный под этим детектором, позволяет отделить первые от вторых. Измеряя энергию, потерянную электронами при рассеянии, можно получить важную информацию об образце. Потери энергии, связанные с возбуждением рентгеновского излучения или выбиванием вторичных электронов из образца, позволяют судить о химических свойствах вещества в области, через которую проходит электронный пучок.

В настоящее время современные модели РЭМ выпускаются рядом фирм мира, среди которых можно назвать:

Carl Zeiss NTS GmbH — Германия

FEI Company — США (слилась с Philips Electron Optics)

FOCUS GmbH — Германия

JEOL — Япония (Japan Electron Optics Laboratory)

В РЭМ применяются электронные линзы для фокусировки электронного пучка (электронного зонда) в пятно очень малых размеров. Можно отрегулировать РЭМ так, чтобы диаметр пятна в нем не превышал 0,2 нм, но, как правило, он составляет единицы или десятки нанометров.

Это пятно непрерывно обегает некоторый участок образца аналогично лучу, обегающему экран телевизионной трубки. Электрический сигнал, возникающий при бомбардировке объекта электронами пучка, используется для формирования изображения на экране телевизионного кинескопа или электронно-лучевой трубки (ЭЛТ), развертка которой синхронизирована с системой отклонения электронного пучка.

Увеличение в данном случае понимается как отношение размера изображения на экране к размеру области, обегаемой пучком на образце. Это увеличение составляет от 10 до 10 млн.

Электронные линзы (обычно сферические магнитные) и отклоняющие катушки образуют систему, называемую электронной колонной.

Однако РЭМ-метод характеризуется рядом ограничений и недостатков, которые особенно сильно проявляются в субмикронном и нанометровом диапазонах измерений:

недостаточно высокое пространственное разрешение;

сложность получения трехмерных изображений поверхности, обусловленная в первую очередь тем, что высота рельефа в РЭМ определяется по эффективности упругого и неупругого рассеяния электронов и зависит от глубины проникновения первичных электронов в поверхностный слой;

необходимость нанесения дополнительного токосъемного слоя на плохо проводящие поверхности для предотвращения эффектов, связанных с накоплением заряда;

проведение измерений только в условиях вакуума;

возможность повреждения изучаемой поверхности высоко энергетичным сфокусированным пучком электронов.

1 – источник электронов; 2 – ускоряющая система; 3 – магнитная линза; 4 – отклоняющие катушки; 5 – образец; 6 – детектор отраженных электронов; 7 – кольцевой детектор; 8 – анализатор

Из-за очень узкого электронного луча РЭМ обладают очень большой глубиной резкости (0.6-0.8 мм), что на два порядка выше, чем у оптического микроскопа и позволяет получать четкие микрофотографии с характерным трехмерным эффектом для объектов со сложным рельефом.

Это свойство РЭМ крайне полезно для понимания поверхностной структуры образца.

Растровые микроскопы применяются как исследовательский инструмент в физике, электронике, биологии и материаловедении. Их главная функция - получение изображения исследуемого образца, которое зависит от регистрируемого сигнала. Сопоставление изображений, полученных в разных сигналах, позволяют делать вывод о морфологии и составе поверхности. Растровый электронный микроскоп практически единственный прибор, который может дать изображение поверхности современной микросхемы или промежуточной стадии фотолитографического процесса.

Метод просвечивающей электронной микроскопии позволяет изучать внутреннюю структуру исследуемых металлов и сплавов, в частности: определять тип и параметры кристаллической решетки материала; изучать строение границ зерен; определять кристаллографическую ориентацию отдельных зерен, субзерен; определять углы разориентировки между зернами, субзернами; изучать плотность и распределение дефектов кристаллического строения (дислокаций, дефектов упаковки) в материалах изделий; изучать процессы структурных и фазовых превращений в сплавах; изучать влияние на структуру конструкционных материалов технологических факторов (прокатки, ковки, сварки, механической обработки).

* Данная работа не является научным трудом, не является выпускной квалификационной работой и представляет собой результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала при самостоятельной подготовки учебных работ.

Содержание

Глава 1. Электронная микроскопия металлов и сплавов

1.1. Метод сканирующей электронной микроскопии

1.2.Метод просвечивающей электронной микроскопии

Глава 2. Электронная микроскопия металлической жидкости

2.1. Электронография поверхностных слоев расплавов

2.2. Методические особенности электронно-микроскопического исследования металлических расплавов

2.3. Конструктивные особенности микроскопов предназначенных для исследования структуры поверхностных слоев металлических расплавов

Введение

Методы электронной микроскопии завоевали такую популярность, что в настоящее время невозможно представить себе лабораторию, занимающуюся исследованием материалов, их не применяющую. Первые успехи электронной микроскопии следует отнести к 30-м годам, когда с ее помощью была выявлена структура ряда органических материалов и биологических объектов. В исследованиях неорганических материалов, в особенности металлических сплавов, позиции электронной микроскопии укрепились с появлением микроскопов с высоким напряжением (100 кВ и выше) и еще в большей мере благодаря совершенствованию техники получения объектов, позволившей работать непосредственно с материалом, а не со слепками-репликами.

Глава 1. Электронная микроскопия металлов и сплавов

Электронная микроскопия совокупность электронно-зондовых методов исследования микроструктуры твердых тел, их локального состава и микрополей (электрических, магнитных и др.) с помощью электронных микроскопов (ЭМ) - приборов, в которых для получения увеличения изображений используют электронный пучок. Электронная микроскопия включает также методики подготовки изучаемых объектов, обработки и анализа результирующей информации. Различают два главных направления Электронная микроскопии: трансмиссионную (просвечивающую) и растровую (сканирующую), основанных на использовании соответствующих типов электронной микроскопии. Они дают качественно различную информацию об объекте исследования и часто применяются совместно. Известны также отражательная, эмиссионная, оже-электронная, лоренцова и иные виды электронной микроскопии, реализуемые, как правило, с помощью приставок к трансмиссионным и растровым Электронным микроскопам.

1.1. Метод сканирующей электронной микроскопии

Одним из наиболее информативных приборов для микроструктурных исследований является сканирующий электронный микроскоп. По сравнению с оптическим микроскопом он обладает на порядок большим увеличением (до 10 000), на два порядка большей глубиной фокуса (от 1 мкм при увеличении 10 ООО до 2 мм при десятикратном) и дает возможность более легко получать и интерпретировать изображение поверхности материала с сильно выраженным рельефом, таких например, как поверхности излома, глубокотравленные поверхности или пористые материалы.

1.2.1. Основы сканирующей электронной микроскопии

В последнее время опубликован ряд монографий по физическим основам, методике исследования, конструкциям и применению сканирующей электронной микроскопии [1, 2, 3. 4]. Принцип действия сканирующего электронного микроскопа весьма прост: электроны, испускаемые нагретым вольфрамовым или LaBe катодом фокусируются магнитными линзами в пятно диаметром ~10 нм. Применение катодов с полевой эмиссией позволяет получить электронный луч еще меньшего диаметра. Используется ускоряющее напряжение от 1 до 50 кВ. величина тока пучка электронов на поверхности варьируется от 10-6 до 10-11 А. Электронный луч быстро сканирует по исследуемому участку поверхности и модулирует яркость второго электронного луча, синхронно с ним двигающегося по телеэкрану микроскопа.

Увеличение микроскопа регулируется изменением силы тока в обмотках электромагнитных линз, нормальный диапазон увеличений 10—50 000. Изображение выводится на высокоразрешающий экран электронно-лучевой трубки с разрешением на трубке 0,1 мм, что при увеличении 10 000 соответствует 10 нм на поверхности образца. Яркость каждой точки на телевизионном изображении определяется величиной сигнала с детектора электронов, который приблизительно равен 10-14 А и поэтому должен быть усилен с помощью электронного умножителя или обычного усилителя. Четкость изображения поверхности при больших увеличениях определяется уровнем шумов в электронных схемах.

На рис. 2, а приведено типичное изображение поверхности полированного металла во вторичных электронах, на рис. 2, б—в обратноотраженных. Оба изображении могут быть получены с помощью одного и того же детектора электронов, но работающего в разных режимах для регистрации вторичных и обратноотраженных электронов, имеющих разную энергию.

Обратноотраженные электроны образуются при рассеянии первичных электронов на большие (до 90°) углы в результате однократного упругого рассеяния или в результате многократного рассеяния на малые углы. При энергии первичного пучка от 10 до 20 кэВ примерно 50 % от общего числа образующихся вторичных и обратноотраженных электронов достигают поверхность

Типичные изображения, полученные в сканирующем электронном микроскопе (размер изменен при печати): а - топеграфичееский контраст во вторичных электронах. А1—12% (по массе) Si (алюминиевая матрица протравлена) X 300; б — контраст за счет атомного номера материала в обратноотражеиных электронах. медная матрица с волокнами никеля . X1060; в — топографичесский контраст во вторичных электронах. керамика оксид алюминия — 10 % (по массе) оксида циркония, термическое травление. Чериая линия осаждения загрязнении при сканировании вдоль линии; профиль модуляции дан в виде световой ЛИНИИ Х3600; г — изображение во вторичных электронах с контрастом за счет рельефа поверхности. Шероховатая грубая поверхность алюминиевой матрицы выглядит более светлой, по сравнению с узкими полированным

образца и покидают ее. Если атомный номер атомов материала в точке падения первичного пучка уменьшается, то образуется меньше обратнорассеянных электронов и потери их энергии больше. В материале с большим атомным номером, большее число электронов упруго отражается на атомах и на меньшей глубине в образце, поэтому потери энергии при их движении к поверхности меньше. Таким образом, количество, распределение по энергиям и глубина выхода обратноотражениых электронов прямо связаны с атомным номером материала. Вторичные электроны имеют меньшую энергию по сравнению с обратноотраженныых и образуются при взаимодействии первичного пучка со слабо связанными электронами оболочек атомов. Распределение вторичных электронов по энергиям зависит от энергии первичного пучка электронов, числа электронов во внешней оболочке атома, радиуса атома и наиболее сильно от величины потенциального барьера на поверхности материала. Максимум распределения вторичных электронов соответствует энергии на порядок меньшей, чем энергия первичного пучка. Вероятность вылета низкоэнергетического вторичного электрона экспоненциально уменьшается с глубиной генерации. Более половины вторичных

электронов эмиттируется с глубины ~0,5 нм. Очевидно, что обратноотраженные электроны имеют достаточную энергию для выбивания электронов из оболочек атомов и тем самым увеличивают шумовую составляющую в спектре вторичных электронов и уменьшают пространственное разрешение. Количество образующихся вторичных электронов слабо зависит от атомного номера элемента. Основным параметром, определяющим выход вторичных электронов, является угол падения первичного пучка на поверхность. При наклонном падении первичного пучка на поверхность, вся возбуждаемая электронным лучом область (см. рис. 1) будет отклонена от нормали и выход вторичных электронов в связи с этим возрастет. Таким образом, вариации наклона микроучастков поверхности вызывают резко выраженные изменения в выходе вторичных электронов. Этот эффект используется для получения информации о топографии поверхности.

Ряд методик обработки сигнала вторичных электронов используется для извлечения дополнительной информации или повышения качества изображения, например: методика подавления уровня шумов, состоящая в дифференцированном усилении сигнала, что дает усиление контраста на телевизионном изображении или на фотоснимке; методика нелинейного усиления, когда усилие контраста производится в определенном диапазоне интенсивностей сигнала на телевизионной трубке, что позволяет наблюдать детали на относительно темных участках изображения. В методе у-модуляции на телевизионной электронно-лучевой трубке луч отклоняется в вертикальном направлении пропорционально сигналу с детектора (см. рис. 2, в), что улучшает восприятие незначительных изменений в контрасте на фоне больших. Если используется какая-либо из описанных методик обработки сигнала, то необходимо более тщательно подходить к интерпретации изображений. Некоторые практические вопросы применения растровой электронной микроскопии в материаловедческих лабораториях обсуждены в обзоре [5].

Приготовление образцов

Наибольшим преимуществом сканирующей электронной микроскопии является минимальная обработка образцов при подготовке их к исследованиям. Практика подготовки образцов для сканирующей электронной микроскопии обсуждена в [6, 7]. Металлографические шлифы или поверхности излома металлических материалов могут исследоваться без всякой подготовки образцов. Непроводящие материалы должны быть покрыты тонким проводящим слоем толщиной 10—100 им для устранения зарядки образца. Обычно для этих целей используют углерод, золото и другие металлы, наносимые распылением или испарением в высоком вакууме. Окисление поверхности кислородом воздуха при длительном хранении или при высокотемпературной обработке может быть устранено электрохимической обработкой [8] или водородным восстановлением [9]. Поперечные сечения для исследования в растровом электронном микроскопе приготавливаются так же, как и в оптической микроскопии, однако следует более тщательно очищать поверхность от остатков полирующей жидкости или травящего раствора, так как они могут вызвать загрязнение поверхности при исследовании образца в условиях вакуума. Органические смолы и любые другие углеродсодержащие вещества, например, смазки, также удаляют с поверхности для предотвращения ее загрязнения углеродом и продуктами разложения углеводородов.

Микроструктура многофазных сплавов может быть выявлена глубоким травлением (см. например, [10, 11]). На рис. 2, а показан сплав алюминий—кремний с глубоким травлением алюминиевой матрицы. Октаэдрическая форма первичных кристаллов кремния и сложное расположение кремниевых пластинок в эвтектической структуре не выявляется на нетравленной полированной поверхности.

Травление поверхности не производится при формировании изображения обратноотраженными электронами и контраст при этом возникает за счет различия атомных номеров элементов в разных точках поверхности. Фаза, в состав которой входят тяжелые элементы с большими атомными номерами, на изображении в обратноотраженных электронах выглядит более светлой по сравнению с участками или фазами, содержащими более легкие элементы. Механическая полировка образца, содержащего твердые и мягкие фазы, часто приводит к появлению нежелательного в этом случае топографического контраста из-за их разной полируемости. В некоторых случаях , при отсутствии загрязнений на поверхности, различная полируемость позволяет получить хороший контраст во вторичных электронах (рис. 2, г). Слабо проявляющиеся изображения, например изображения магнитных доменов или картины каналирования электронов, вообще невозможно получить при наличии на поверхности деформированного слоя или неровностей. Поэтому исследование микроструктуры этими методами требует приготовления гладких и свободных от деформации поверхностей.

1.2.Метод просвечивающей электронной микроскопии

Электронные микроскопы можно условно разделить на три части в соответствии с их функциями: осветительная система, состоящая из электронной пушки и конденсорных линз, дающая тонкий электронный пучок для освещения образца; объективные линзы, расположенные непосредственно за образцом и служащие для получения дифракционных картин и первого увеличенного изображения образца; система увеличения для получения конечного изображения. Кроме оптических частей микроскопы содержат камеру образца (систему установки образца) и регистрирующую систему [12, 13].

Осветительная система формирует падающий на образец частично когерентный пучок электронов регулируемого размера, интенсивности и угла расходимости. Термин когерентность относится к интервалу сдвигов фаз в пучке, когда он достигает образца. Если электроны вылетают из точечного источника, то все длины волн электронов внутри пучка находятся в одной фазе относительно друг друга и освещение образца таким пучком является когерентным. Однако, если источник электронов настолько большой, что фазового соответствия между волнами электронов нет, то такое освещение полностью некогерентное. На самом деле нить катода электронного микроскопа обеспечивает промежуточные условия между этими двумя крайними случаями и освещение следует рассматривать как частично когерентное. В ПЭМ размер области образца а, в которой освещение является когерентным, связан с угловой апертурой освещения α1 соотношением. Электроны и электромагнитные волны, излучаемые просвечиваемым образцом в результате упругого и неупругого рассеяния или дифракции падающих электронных волн делах 10 нм — 1 мкм н зависит от типа изображения и ускоряющего напряжения микроскопа. Существуют различные способы электрохимического утонения проводящих материалов [14] и ионного утонения непроводящих материалов [15].

Облучаемый высокоэнергетичными электронами образец испускает электроны разных типов и электромагнитные волны Последние возникают из-за процессов упругого и неупругого рассеяния. Для различных способов формирования изображении используются разные сигналы от образца. Изучая упруго рассеянные электроны, можно получить сведения о кристаллической структуре и дефектах образца (и формировании изображения ни микрофотографиях участвуют и неупруго рассеянные электроны, вносящие вклад в интенсивность фона) Исследования неупруго рассеянных электронов и других волн, испускаемых образцам (рис. 3), позволяют определить химический состав и строение поверхности образца.

В обычном просвечивающем режиме электронный микроскоп позволяет получать изображение в светлом (СИ) и темном (ТП) полях или изображение решетки (рис. 4). Светло польное (темно-польное) изображение образуется, когда для его получения используется только один проходящий (дифракционянный) пучок.

Апертура объектива предохраняет от попадания всех других пучков в регистрирующую систему. Обычно образец ориентируется таким образом, что для некоторой группы плоскостей решетки почти полностью выполняется условие Брэггов. В таком случае образуется только один диафрагированный пучок (кроме падающего). Если для формирования изображения берется слабый темнопольный пучок, то получается темнопольное изображение в слабом пучке (ТПСП)

Изображение решетки образуется при интерференции по крайней мере двух пучков в плоскости изображения объективной линзы. Полосы решетки можно наблюдать, если для изображения используется несколько систематических пучков (отраженных от искомых плоскостей), а изображение структуры получается при использовании множества пучков, имеющихся в Лауэ-зоне нулевого порядка. Для получения изображения с высоким разрешением необходима специальная переналадка микроскопа [16, 17].

Объективная линза формирует дифракционную картину в своей задней фокальной плоскости. Первое изображение объекта повернуто на 180" относительно дифракционной картины. Последующими промежуточными и проекционными линзами эта дифракционная картина увеличивается. При получении изображения способом растровой просвечивающей электронной микроскопии (PПЭМ) электронный пучок в виде тонкого зонда фиксируется на образце с помощью предполя объективной линзы. Зонд сканирует по образцу (с помощью отклоняющих катушек), и регистрируется интенсивность прошедшего пучка.

Обычно в материаловедении РПЭМ применяется для аналитической микроскопии , когда зонд фиксируется на малой ограниченной площади, и для определения химического состава образца исследуются либо энергетические потери прошедших электронов (ЭППЭ), либо рентгеновские лучи, возбужденные в образце (обычно с помощью спектрометра энергетической дисперсии). Использование зонда очень маленького размера

В основе световой микроскопии лежат различные свойства света. Световая микроскопия обеспечивает увеличение до 2-3 тысяч раз, цветное и подвижное изображение живого объекта, возможность микрокиносъемки и длительного наблюдения одного и того же объекта, оценку его динамики и химизма.

Современные световые микроскопы представляют собой довольно сложные приборы, совершенствующиеся в течение 400 лет с момента создания первого прототипа микроскопа.

Освещение при микроскопии играет весьма существенную роль.

Неправильное или недостаточное освещение не позволит использовать полностью все возможности микроскопа.

Хорошее освещение достигается при установке света по методу Келлера. Для этого устанавливают осветитель на расстоянии 30-40 см от микроскопа и, перемещая патрон с лампочкой или весь осветитель, добиваются четкого изображения нити накала лампы на закрытой полностью диафрагме конденсора так, чтобы это изображение полностью заполняло отверстие конденсора.

Закрыв диафрагму осветителя, открывают диафрагму конденсора и, перемещая конденсор, добиваются резкого изображения диафрагмы осветителя в поле зрения микроскопа. Чтобы яркий свет не слепил глаза, предварительно уменьшают с помощью реостата накал нити лампы.

И, наконец, с помощью зеркала изображение отверстия диафрагмы устанавливают в центре поля зрения, а диафрагму осветителя открывают так, чтобы было освещено все видимое поле зрения. Раскрывать больше диафрагму не нужно, так как это не усилит освещенности, а лишь уменьшит контрастность за счет рассеянного света.

Виды световой микроскопии

Иммерсионная световая микроскопия. Иммерсионные объективы используются для изучения объектов невидимых или плохо видимых через сухие системы микроскопа.
Фазовоконтрастная микроскопия предназначена для получения изображений прозрачных и бесцветных объектов, невидимых при наблюдении по методу светлого поля.
Аноптральная микроскопия – разновидность фазовоконтрастной микроскопии, при которой применяют объективы со специальными пластинками, нанесенными на одну из линз в виде затемненного кольца.
Метод интерференционного контраста (интерференционная микроскопия) состоит в том, что каждый луч раздваивается, входя в микроскоп. Один из полученных лучей направляется сквозь наблюдаемую частицу, другой — мимо неё по той же или дополнительной оптической ветви микроскопа. В окулярной части микроскопа оба луча вновь соединяются и интерферируют между собой. Один из лучей, проходя через объект, запаздывает по фазе (приобретает разность хода по сравнению со вторым лучом).
Поляризационная микроскопия – это метод наблюдения в поляризованном свете для микроскопического исследования препаратов, включающих оптически анизотропные элементы (или целиком состоящих из таких элементов).
Темнопольная микроскопия. При микроскопии по методу темного поля препарат освещается сбоку косыми пучками лучей, не попадающими в объектив. В объектив попадают лишь лучи, которые отклоняются частицами препарата в результате отражения, преломления или дифракции. В силу этого микробные клетки и другие частицы представляются ярко светящимися на черном фоне (картина напоминает мерцающее звездное небо).

Люминесцентная микроскопия

Люминесцентная микроскопия — метод наблюдения под микроскопом люминесцентного свечения микрообъектов при освещении их сине-фиолетовым светом или ультрафиолетовыми лучами

Метод основан на способности некоторых веществ светиться под действием коротковолновых лучей света.

При этом длина волны излучаемого при люминесценции света всегда будет больше, чем длина волны света, возбуждаемого люминесценцию. Так, если освещать объект синим светом, он будет испускать лучи красного, оранжевого, желтого и зеленого цвета.

Препараты для люминесцентной микроскопии окрашивают специальными светящимися люминесцентными красителями – флуохромами (акридиновый оранжевый, изотиоционат флуоресцеина и др.).

Лучи света от сильного источника (обычно ртутной лампы сверхвысокого давления) пропускают через сине-фиолетовый светофильтр. Под действием этого коротковолнового излучения окрашенные флуохромом клетки или бактерии начинают светиться красным или зеленым светом.

Для того, чтобы синий свет, вызвавший люминесценцию, не мешал наблюдению, над окуляром ставят запирающий желтый светофильтр, задерживающий синие, но пропускающий желтые, красные и зеленые лучи.

В результате при наблюдении в люминесцентном микроскопе на темном фоне видны будут клетки или бактерии, светящиеся желтым, зеленым или красным цветом. Например, при окраске акридиновым оранжевым ДНК клетки (ядерное вещество) будет светиться ярко-зеленым цветом.

Метод люминесцентной микроскопии позволяет изучать живые нефиксированные бактерии, окрашенные сильно разведенными флуохромами, не причиняющими вреда миробным клеткам.

По характеру свечения могут быть дифференцированы отдельные химические вещества, входящие в состав микробной клетки.

Темнопольная микроскопия

При микроскопии по методу темного поля препарат освещается сбоку косыми пучками лучей, не попадающими в объектив.

В обектив попадают лишь лучи, которые отклоняются частицами препарата в результате отражения, преломления или дифракции. В силу этого микробные клетки и другие частицы представляются ярко светящимися на черном фоне (картина напоминает мерцающее звездное небо).

Для микроскопии в темном поле используют специальный конденсор (параболоид-конденсор или кардиоид-конденсор) и обычные объективы.

Так как аппаратура иммерсионного объектива больше, чем апертура конденсора темного поля, внутрь иммерсионного объектива вставляется специальная трубчатая диафрагма, снижающая его апертуру.

Этот метод микроскопии удобен при изучении живых бактерий, спирохет и их подвижности.

Фазово-контрастная микроскопия

Обыкновенные окрашенные препараты поглощают часть проходящего через них света, в результате чего амплитуда световых волн снижается, и частицы препарата выглядят темнее фона.

При прохождении света через неокрашенный препарат амплитуда световых волн не меняется, происходит лишь изменение фазы световых волн, прошедших через частицы препарата. Однако человеческий глаз улавливать это изменение фазы света не способен, поэтому неокрашенный препарат при правильной установке освещения в микроскопе будет невидим.

Фазово-контрастное устройство позволяет превратить изменение фазы лучей, прошедших через частицы неокрашенного препарата, в изменения амплитуды, воспринимаемые человеческим глазом, и, таким образом, позволяет сделать неокрашенные препараты отчетливо видимыми.

Приспособление для фазово-контрастной микроскопии включает в себя конденсор с набором кольцевых диафрагм, обеспечивающих освещение препарата полным конусом света, и фазово-контрастные объективы, которые отличаются от обычных тем, что в их главном фокусе располагается полупрозрачная фазовая пластинка в виде кольца, вызывающая сдвиг фазы проходящего через нее света.

Установку освещения проводят так, чтобы весь свет, прошедший через кольцевидную диафрагму конденсора, в дальнейшем прошел через расположенное в объективе фазовое кольцо.

При рассмотрении препарата весь свет, прошедший через участки препарата в которых нет каких-либо объектов, пройдет через фазовое кольцо и даст светлое изображение фона. Свет, прошедший через имеющиеся в препарате частицы, например, бактериальные клетки, получит некоторое изменение фазы и, кроме того, разделится на два луча – недифрагированный и дифрагированный.

Недифрагированные лучи, пройдя в дальнейшем через кольцевидную фазовую пластинку в объективе, получат дополнительный сдвиг фазы.

Дифрагированные лучи пройдут мимо фазовой пластинки, и их фаза не изменится. В плоскости полевой диафрагмы окуляра произойдет интерференция (наложение) дифрагированного и недифрагированного лучей, а так как эти лучи идут в разных фазах, произойдет их взаимное частичное гашение и уменьшение амплитуды.

Благодаря этому микробные клетки будут выглядеть темными на светлом фоне.

Существенными недостатками фазово-контрастной микроскопии являются слабая контрастность получаемых изображений и наличие светящихся ореолов вокруг объектов.

Фазово-контрастная микроскопия не увеличивает разрешающей способности микроскопа, но помогает выявить детали структуры живых бактерий, стадии их развития, изменения в них под действием различных агентов (антибиотики, химические вещества и т.д.).

Электронная микроскопия

Для изучения структуры клеток на субклеточном и молекулярном уровнях, а также для изучения вирусов используют электронную микроскопию.

Ценность электронной микроскопии заключается в ее способности разрешать объекты, не разрешаемые оптическом микроскопом в видимом или ультрафиолетовом свете.

Малая длина волны электронов, которая уменьшается в прямой зависимости от подаваемого ускоряющего напряжения, позволяет разрешать, т.е. различать как отдельные объекты, отстоящие друг от друга всего на 2А (0,2 нм или 0,0002 мкм) или даже меньше, в то время как предел разрешения световой оптики лежит вблизи 0,2 мкм (он зависит от длины волны используемого света).

Электронная микроскопия, при которой изображение получают благодаря прохождению (просвечиванию) электронов через образец, называется просвечивающей (трансмиссивной).

При сканирующей (растровой), или туннельной электронной микроскопии пучок электронов быстро сканирует поверхность образца, вызывая излучение, которое посредством катодно-лучевой трубки формирует изображение на светящемся экране микроскопа по аналогии с формированием телевизионного изображения.

Принципиальная оптическая схема электронного микроскопа аналогична схеме светового, в котором все оптическое элементы заменены соответствующими электрическими: источник света – источником электронов, стеклянные линзы – линзами электромагнитными.

Электронные микроскопы: системы

В электронных микроскопах просвечивающего типа различают три системы: электронно-оптическую, вакуумную и электропитания.

Источником электронов является электронная пушка, состоящая из V-образного вольфрамового термокатода, который при нагревании до 2900°С при подаче постоянного напряжения до 100 кВ в результате термоэмиссии испускает свободные электроны, ускоряемые затем электростатическим полем, создаваемым между фокусирующим электродом и анодом.

Электронный пучок затем формируется с помощью конденсорных линз и направляется на исследуемый объект. Электроны, проходя сквозь объект, за счет его разной толщины и электроплотности отклоняются под различными углами и попадают в объективную линзу, которая формирует первое увеличение объекта.

После объективной линзы электроны попадают в промежуточную линзу, которая предназначена для плавного изменения увеличения микроскопа и получения дифракции с участков исследуемого образца.

Проекционная линза создает конечное увеличенное изображение объекта, которое направляется на флуоресцентный экран.

Благодаря взаимодействию быстрых электронов с люминофором экрана на нем возникает видимое изображение объекта. После наведения резкости сразу проводят фотографирование.

Увеличение конечного изображения на экране определяется как произведение увеличений, даваемых объективной, промежуточной и проекционной линзами.

Электронномикроскопическому исследованию могут быть подвергнуты как ультратонкие срезы различных тканей, клеток, микроорганизмов, так и целые бактериальные клетки, вирусы, фаги, а также субклеточные культуры, выделяемые при разрушении клеток различными способами.

Виды электронных микроскопов

1) Просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ) — это установка, в которой изображение от ультратонкого объекта (толщиной порядка 0,1 мкм) формируется в результате взаимодействия пучка электронов с веществом образца с последующим увеличением магнитными линзами (объектив) и регистрацией на флуоресцентном экране.

Для регистрации изображения возможно использование сенсоров, например, ПЗС-матрицы. Первый практический просвечивающий электронный микроскоп был построен Альбертом Пребусом и Дж. Хиллиером в университете Торонто (Канада) в 1938 году с использованием концепции, предложенной ранее Максом Кноллом и Эрнстом Руска.

2) Растровый электронный микроскоп (РЭМ, англ. Scanning Electron Microscope, SEM) — прибор, позволяющий получать изображения поверхности образца с большим разрешением (несколько нанометров).

Ряд дополнительных методов позволяет получать информацию о химическом составе приповерхностных слоёв;

3) Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ, англ.STM — scanning tunneling microscope) — прибор, предназначенный для измерения рельефа проводящих поверхностей с высоким пространственным разрешением. В СТМ острая металлическая игла подводится к образцу на расстояние нескольких ангстрем.

При подаче на иглу относительно образца небольшого потенциала возникает туннельный ток. Величина этого тока экспоненциально зависит от расстояния образец-игла. Типичные значения 1-1000 пА при расстояниях около 1 Å.

Современные модели электронных микроскопов устроены так, что сочетают в себе возможности как просвечивающего, так и сканирующего микроскопов, и их легко можно переоборудовать с одного типа на другой.

Просвечивающая электронная микроскопия применяется для изучения ультратонких срезов микробов, тканей, а также строения мелких объектов (вирусов, жгутиков и др.), контрастированных фосфорно-вольфрамовой кислотой, уранилацетатом, напылением металлов в вакууме.

Сканирующая электронная микроскопия применяется для изучения поверхности объектов. При просвечивающей электронной микроскопии получают плоскостные изображения объекта, а при сканирующей – удается получить трехмерное объемное изображение. В бактериологии сканирование наиболее эффективно для выявления отростков и других поверхностных структур, для определения формы и топографических отношений как в колониях, так и на поверхности инфицированных тканей.

При сканирующей микроскопии образец фиксируют, высушивают на холоде и напыляют в вакууме золотом или другими тяжелыми металлами.

Таким образом получают реплику (отпечаток), повторяющую контуры образца, впоследствии сканируемую.

Недостатки электронного микроскопа

1) подготовленный к исследованию материал должен быть мертвым, так как в процессе наблюдения он находится в вакууме;
2) трудно быть уверенным, что объект воспроизводит живую клетку во всех ее деталях, поскольку фиксация и окрашивание исследуемого материала могут изменить или повредить ее структуру;
3) дорого стоит и сам электронный микроскоп и его обслуживание;
4) подготовка материала для работы с микроскопом отнимает много времени и требует высокой квалификации персонала;

Световая микроскопия. В основе световой микроскопии лежат различные свойства света. Световая микроскопия обеспечивает увеличение до 2-3 тысяч раз, цветное и подвижное изображение живого объекта, возможность микрокиносъемки и длительного наблюдения одного и того же объекта, оценку его динамики и химизма.

Освещение при микроскопии играет весьма существенную роль. Неправильное или недостаточное освещение не позволит использовать полностью все возможности микроскопа.

Хорошее освещение достигается при установке света по методу Келлера.

Для этого устанавливают осветитель на расстоянии 30-40 см от микроскопа и, перемещая патрон с лампочкой или весь осветитель, добиваются четкого изображения нити накала лампы на закрытой полностью диафрагме конденсора так, чтобы это изображение полностью заполняло отверстие конденсора.

Закрыв диафрагму осветителя, открывают диафрагму конденсора и, перемещая конденсор, добиваются резкого изображения диафрагмы осветителя в поле зрения микроскопа.

Чтобы яркий свет не слепил глаза, предварительно уменьшают с помощью реостата накал нити лампы. И, наконец, с помощью зеркала изображение отверстия диафрагмы устанавливают в центре поля зрения, а диафрагму осветителя открывают так, чтобы было освещено все видимое поле зрения. Раскрывать больше диафрагму не нужно, так как это не усилит освещенности, а лишь уменьшит контрастность за счет рассеянного света.

Читайте также: