Transmissionselektronmikroskop

Transmission (transmission) elektronmikroskop (TEM, engelska, TEM - Transmission elektronmikroskopi) - en anordning för att erhålla en bild med hjälp av en elektronstråle som passerar genom ett prov .

Det skiljer sig från andra typer av elektronmikroskop genom att elektronstrålen lyser genom provet, den inhomogena absorptionen av elektroner av olika delar av provet ger en tvådimensionell bild av fördelningen av densiteten hos det överförda elektronflödet. Flödet som passerar genom provet fokuseras sedan på inspelningsytan av magnetiska elektronlinser ( elektronoptik ) i en förstorad storlek. Som inspelningsyta används fluorescerande skärmar belagda med ett fosforskikt , fotografisk film eller fotografisk platta, eller laddningskopplade enheter (på en CCD-matris ). Till exempel bildas en lysande synlig bild på fosforskiktet.

Eftersom elektronflödet absorberas kraftigt av ämnet bör proverna som studeras ha en mycket liten tjocklek, de så kallade ultratunna proverna. Ett ultratunt prov anses vara mindre än 0,1 µm tjockt .

Historik

Den första TEM skapades av de tyska elektronikingenjörerna Max Knoll och Ernst Ruska den 9 mars 1931 .

Den första användbara TEM byggdes av Albert Prebus och J. Hillier vid University of Toronto ( Kanada ) 1938 baserat på de principer som tidigare föreslagits av Knoll och Ruska.

1986 tilldelades Ernst Ruske Nobelpriset för skapandet av TEM .

Teoretiska grunder

Teoretiskt sett är den maximala möjliga upplösningen i ett optiskt mikroskop begränsad av:

• våglängden som används för att belysa provet;
• vinkelöppning av det optiska systemet - den så kallade Abbe-gränsen , som uttrycks:

Det följer av formeln att i ett optiskt mikroskop i princip inte kan erhållas en upplösning som är mindre än lite mindre än våglängden för det upplysande ljuset, eftersom brytningsindex inte kan vara särskilt stort, i praktiken, i nedsänkningsmikroskopiska linser , ca. 1,5, och vinkelns sinus är alltid mindre än 1.

I början av 1900-talet diskuterade forskare frågan om att övervinna begränsningarna för en relativt stor våglängd av synligt ljus ( våglängder på 400–700 nanometer ) genom att använda en elektronstråle, eftersom de Broglie- våglängden för en elektron, även vid inte för höga energier, är många storleksordningar mindre än den synliga våglängden Sveta.

Flödet av elektroner i ett elektronmikroskop skapas med hjälp av termion- eller fältemission . I det första fallet emitteras elektroner av en het volframtråd ( se glödtråd ) eller en het enkristall av lantanhexaborid .

De emitterade elektronerna accelereras av en hög potentialskillnad och "belyser" provet. Flödet som passerar genom provet är rumsligt modulerat av elektronströmtätheten, beroende på "transparensen" av provområdena för elektroner, och sedan fokuseras det på inspelningsytan med elektromagnetiska (eller i lågupplösta mikroskop, elektrostatiska) linser i mångfaldigt förstorad storlek.

Enhet

PEM innehåller följande komponenter:

• vakuumsystem för att avlägsna luft och öka den genomsnittliga fria vägen för elektroner;
• objektbord : provhållare, mekanismer för att ändra hållarens position under drift och vakuumlås ;
• elektronkälla : en elektronisk strålkastare (elektronpistol) för att skapa ett upplysande flöde (stråle) av elektroner;
• en högspänningskälla för accelererande elektroner;
• öppningar  - membran som begränsar divergensen av elektronstrålen;
• ett system av elektromagnetiska linser (och ibland elektrostatiska linser) för att styra och fokusera elektronstrålen;
• en fluorescerande skärm på vilken en förstorad elektronisk bild projiceras (fasas gradvis ut av digitala bilddetektorer).

Kommersiella TEM kan innehålla ytterligare enheter, till exempel en skanningsbilaga som låter dig arbeta i raster TEM -läge ).

Vakuumsystem

Vakuumsystemet tjänar till att pumpa luft till ett lågt resttryck (vanligtvis upp till 10 -4 Pa [1] ) från det område där elektronstrålen fortplantar sig och minskar frekvensen av kollisioner av elektroner med atomer av restgasen till en obetydlig nivå - en ökning av medelfri väg .

Vakuumsystemet för nedpumpning till arbetstryck består av flera steg:

1. rotations- eller membranpump - 1:a stegs förlinjepumpar;
2. turbomolekylär eller diffusionspump - högvakuumpumpar i 2:a steget;
3. heterojonpumpar för att pumpa ut kaviteten i fältemissionselektronkanonen (om sådan används).

1:a stegspumpen uppnår det tryck som krävs för att driva 2:a stegspumpen (lågt vakuum). 2:a stegspumpen minskar trycket till önskat arbetsvärde.

Delar av PEM kan delas upp:

• en speciell gasseparerande öppning ( eng.  tryckbegränsande öppning ), som tillåter elektronstrålen att passera genom , men hindrar utbytet av restgaser mellan delar av vakuumsystemet;
• grindventiler för att separera vakuumdelarna i  mikroskopet och kan användas för att skapa olika nivåer av vakuum i olika delar av vakuumsystemet (till exempel kan en FEM med fältemission utrustas med ett separat system för att pumpa luft från elektronkanonen område för att skapa ett ultrahögt vakuum på 10 -4 ... 10 -7 Pa och lägre; pumpsystemet kan innefatta en heterojonisk pump ).

Ämnestabell

Objekttabellen är utformad för att hålla provet under elektronbestrålning och består av följande element:

• provhållare;
• mekanismer för att ändra hållarens position (rotation, lutning);
• lås som gör att du kan gå in i hållaren med provet in i TEM-vakuummiljön utan att pumpa om hela vakuumsystemet.

Prover placeras antingen på ett speciellt galler eller skärs i form av en provhållare (självbärande prover).

Hållaren är lämplig för att fästa både galler och självbärande exemplar i standardstorlek. Den vanliga TEM-maskdiametern är 3,05  mm .

Elektronisk strålkastare

En elektronisk strålkastare (elektronpistol) är utformad för att producera en elektronstråle med hjälp av termionisk (termoelektronisk pistol) eller fältemission (fältemissionspistoler).