on-line
Сейчас на сайте 0 пользователей и 43 гостя.
Вход в систему
Яндекс.Метрика

Электронный микроскоп: открытие, принципы, применение, перспективы.

 В 1933 г. немецкие ученые Макс Кролль и Эрнст Руска создали электронный микроскоп. В нем на объект падают волны электронов, которые в тысячи раз мельче световых.
 На телеэкране можно увидеть объекты в тысячу раз меньше, чем в оптическом микроскопе.
 С открытием электронного микроскопа возникли и методы исследования микроструктур тел (вплоть до атомно-молекулярного уровня), их локального состава и локализованных на поверхностях или микрообъемах тел электрических и магнитных полей (микрополей).
 Как самостоятельное научное направлении электронная микроскопия включает

  • усовершенствование и разработку новых электронных и других корпускулярных микроскопов (например, протонного микроскопа) и приставок к ним,
  • разработку методик препарирования образцов, исследуемых в электронных микроскопах,
  • изучение механизмов формирования электронно-оптических изображений,
  • разработку способов анализа разнообразной информации, получаемой с помощью электронных микроскопов.


фото с еlementy.ru/lib/430816
 Объекты исследования в электронной микроскопии − обычно твердые тела. В просвечивающих электронных микроскопах (ПЭМ), в которых электроны с энергиями от 1 кэВ до 5 МэВ проходят сквозь объект, изучаются образцы в виде тонких пленок, фольги, срезов и т. д. толщиной от 1 нм до 10 мкм. Порошки, микрокристаллы, аэрозоли можно изучать, нанеся их предварительно на подложку − тонкую пленку для исследования в ПЭМ или массивную подложку в растровых электронных микроскопах (РЭМ). Поверхностную и приповерхностную структуру массивных тел толщиной существенно больше 1 мкм исследуют с помощью РЭМ, отражательных и зеркальных, а также ионных проекторов и электронных проекторов.
 Поверхностная геометрическая структура массивных тел изучается также и методом реплик. С поверхности тела снимается реплика-отпечаток в виде тонкой пленки углерода, коллодия, формвара и т. д. повторяющая рельеф поверхности, и рассматривается в ПЭМ.
 Обычно предварительно на реплику в вакууме напыляется под скользящим углом слой сильно рассеивающего электроны тяжелого металла (например, платина), оттеняющего выступы и впадины геометрического рельефа.
Метод так называемого декорирования позволяет исследовать не только геометрическую структуру поверхностей, но и электрическую, т. е. микрополя, обусловленные наличием дислокаций, скоплением точечных дефектов, ступенями роста кристаллических граней, доменной структурой и т.д. При таком методе исследования на поверхность образца вначале напыляется очень тонкий слой декорирующих частиц (атомы тяжелого металла с большим коэффициентом поверхностной диффузии, молекулы полупроводников или диэлектриков), осаждающихся преимущественно на участках сосредоточения микрополей, а затем снимается реплика с включениями декорирующих микрополя частиц.
 С помощью газовых микрокамер − приставок к ПЭМ или РЭМ − 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 других объектов необходимо тщательно выбирать режим работы электронного микроскопа, обеспечивающих минимальную дозу облучения.
 Наряду с исследованиями статических, не изменяющихся во времени объектов, электронная микроскопия дает возможность изучать различные процессы в динамике их развития:

  • рост пленок,
  • деформацию кристаллов под действием переменной нагрузки,
  • изменение структуры под влиянием электронного или ионного облучения и т.д.

 Благодаря малой инерционности электронов можно исследовать периодические во времени процессы, например, перемагничивание тонких магнитных пленок, изменение поляризации сегнетоэлектриков, распространение УЗ-волн и т.д. Эти исследования проводят методами стробоскопической электронной микроскопии. Образец «освещается» электронным пучком не непрерывно, а импульсами, синхронными с подачей импульсного напряжения на образец, что обеспечивает фиксацию на экране прибора определенной фазы процесса точно также, как это происходит в светооптических стробоскопических приборах.
 Предельное временное разрешение при этом может, в принципе, составлять около 10−15 с для ПЭМ (реализовано разрешение лучшее 10−12 для ПЭМ и РЭМ).
 Аморфные и квазиаморфные тела, размеры частиц которых меньше разрешаемого в электронном микроскопе расстояния, рассеивают электроны диффузно. Для их исследования используются простейшие методы амплитудной электронной микроскопии. Например, в ПЭМ контраст изображения, т. е. перепад яркостей изображения соседних участков объекта, в первом приближении пропорционален перепаду толщин этих участков.
 Для расчёта контраста изображений кристаллических тел и решения обратной задачи − расчёта структуры объекта по наблюдаемому изображению − привлекаются методы фазовой электронной микроскопии: решается задача о дифракции электронов на кристаллической решётке. При этом дополнительно учитываются неупругие взаимодействия электронов с объектом: рассеяние на плазмонах, фононах и т. п. В ПЭМ и растровых ПЭМ (ПРЭМ) высокого разрешения получают изображения отдельных молекул или атомов тяжёлых элементов; пользуясь методами фазовой электронной микроскопии, восстанавливают по изображениям трёхмерную структуру кристаллов и биол. макромолекул. Для решения подобных задач применяют, в частности, методы голографии, а расчёты производят на ЭВМ.
Разновидность фазовой электронной микроскопии − интерференционная электронная микроскопия, аналогичная оптической интерферометрии: электронный пучок расщепляется с помощью электронных призм в одном из плеч интерферометра устанавливается образец, изменяющий фазу проходящей сквозь него электронной волны. Этим методом можно измерить, например, внутренний электрический потенциал образца.


 фото с сайта diс.academic.ru
 С помощью т. н. лоренцевой электронной микроскопии, в которой изучают явления, обусловленные Лоренца силой, исследуют внутренние магнитные и электрические поля или внешние поля рассеяния, напр. поля магнитных доменов в тонких плёнках, сегнетоэлектрических доменов, поля головок для магнитной записи информации и т. п.
 Состав объектов исследуется методами микродифракции, т. е. электронографии локальных участков объекта, методами рентгеновского и катодолюминесцеитного локального спектрального микроанализа: регистрируются рентгеновское излучение на характеристических частотах или катодолюминесценция, возникающие при бомбардировке образца сфокусированным пучком электронов (диаметр электронного «зонда» менее 1 мкм). Кроме того, изучаются энергетические спектры вторичных электронов, выбитых первичным электронным пучком с поверхности или из объёма образца.
 Интенсивно разрабатываются методы количественной электронной микроскопии − точного измерения различных параметров образца или исследуемого процесса, напр. измерение локальных электрических потенциалов и магнитных полей, микрогеометрии поверхностного рельефа и т. д. Электронные микроскопы используют и в технологических целях (например, для изготовления микросхем методом электронолитографии).
 Развиваются также методы электронной микроскопии с использованием туннельного тока.
Литература: Стоянова И. Г. Анаскин И. Ф., Физические основы методов просвечивающей электронной микроскоции, М., 1972; Утевский Л. М., Дифракционная электронная микроскопия в металловедении, М., 1973; Хокс П., Электронная оптика и электронная микроскопия, пер. с англ., М., 1974; Практическая растровая электронная микроскопия, под ред. Дж. Гоулдстейна и X. Яковица, пер. с англ., М., 1978.


Смотрите еще:
Качественные задачи и вопросы по физике
Физические явления, интересные физические вопросы, о физике интересно.
Нобелевские лауреаты по физике.
Почему паутина такая прочная?