Elektron mikroskop

Ett elektronmikroskop (EM) är en enhet som låter dig få en bild av objekt med en maximal förstoring på upp till 10 6 gånger, tack vare användningen, till skillnad från ett optiskt mikroskop, istället för ett ljusflöde, en elektronstråle med energier på 200 eV  - 400 keV eller mer (till exempel transmissionselektronmikroskops upplösning med en accelerationsspänning på 1 MV ) .

De Broglie-våglängden för elektroner som accelereras i ett elektriskt fält med en potentialskillnad på 1000 V är 0,4 Å , vilket är mycket mindre än våglängden för synligt ljus [1] . Som ett resultat kan upplösningen hos ett elektronmikroskop överstiga upplösningen för ett traditionellt optiskt mikroskop med mer än 10 000 gånger . För att få en bild i ett elektronmikroskop används speciella magnetiska linser som styr rörelsen av elektroner i enhetens kolumn med hjälp av ett elektromagnetiskt fält .

Historien om utvecklingen av elektronmikroskopet

1931 fick R. Rudenberg patent på ett transmissionselektronmikroskop , och 1932 byggde M. Knoll och E. Ruska den första prototypen av ett modernt instrument. Detta arbete av E. Ruska belönades 1986 med Nobelpriset i fysik, som tilldelades honom och uppfinnarna av scanning probe mikroskop , Gerd Karl Binnig och Heinrich Rohrer . Användningen av transmissionselektronmikroskopet för vetenskaplig forskning började i slutet av 1930-talet, och det första kommersiella instrumentet byggt av Siemens dök upp samtidigt .

I slutet av 1930-talet och början av 1940-talet dök de första svepelektronmikroskopen upp, som bildar en bild av ett föremål genom att sekventiellt flytta en elektronsond med ett litet tvärsnitt över föremålet. Massanvändningen av dessa enheter i vetenskaplig forskning började på 1960-talet, när de nådde betydande teknisk perfektion.

Ett betydande steg (på 1970-talet) i utvecklingen var användningen av Schottky -katoder och katoder med kallfältemission istället för termioniska katoder, men deras användning kräver ett mycket större vakuum .

I slutet av 1990-talet och början av 2000-talet förenklade datorisering och användningen av CCD-detektorer den digitala avbildningen avsevärt.

Under det senaste decenniet har moderna avancerade transmissionselektronmikroskop använt korrektorer för sfäriska och kromatiska aberrationer, som introducerar stora förvrängningar i den resulterande bilden. Men deras användning kan avsevärt komplicera användningen av enheten.

Under 2018 lyckades amerikanska forskare uppnå en upplösning av ett elektronmikroskop på 3,9 * 10 −11  m [2] .

Typer av enheter

Transmissionselektronmikroskopi

Transmissionselektronmikroskopet (TEM) använder en högenergielektronstråle för att bilda en bild. Elektronstrålen skapas med hjälp av en katod (volfram, LaB 6 , Schottky eller kallfältsemission). Den resulterande elektronstrålen accelereras vanligtvis till 80–200 keV (olika spänningar används från 20 kV till 1 MV), fokuseras av ett system av magnetiska linser (ibland elektrostatiska linser ), passerar genom provet så att några av elektronerna är utspridda på provet, och vissa är det inte. Således bär elektronstrålen som passerar genom provet information om strukturen hos provet. Därefter passerar strålen genom ett system av förstoringslinser och bildar en bild på en självlysande skärm (vanligtvis gjord av zinksulfid), en fotografisk platta eller en CCD- kamera.

TEM-upplösning begränsas huvudsakligen av sfärisk aberration . Vissa moderna TEM har sfäriska aberrationskorrigerare .

De största nackdelarna med TEM är behovet av ett mycket tunt prov (i storleksordningen 100 nm) och instabiliteten (sönderdelningen) hos proverna under strålen.

Transmission scanning (scanning) elektronmikroskopi (SEM)

En typ av transmissionselektronmikroskopi (TEM); Det finns dock enheter som endast fungerar i PREM-läget. En elektronstråle passerar genom ett relativt tunt prov, men till skillnad från konventionell transmissionselektronmikroskopi fokuseras elektronstrålen till en punkt som rör sig över provet längs rastret.

Raster (skanning) elektronmikroskopi

Den är baserad på tv-principen att svepa en tunn elektronstråle över provytan.

Färgläggning

I sina vanligaste konfigurationer producerar elektronmikroskop bilder med ett separat ljusstyrkevärde per pixel, med resultaten vanligtvis visas i gråskala . [3] Men ofta färgläggs dessa bilder sedan med hjälp av programvara, eller helt enkelt genom manuell redigering med en bildredigerare. Detta görs vanligtvis för estetisk effekt eller för att förfina strukturen, och brukar inte lägga till information om mönstret. [fyra]

I vissa konfigurationer kan mer information om provets egenskaper samlas in per pixel genom att använda flera detektorer. [5] I SEM kan attribut för topografi och topografi för ett material fångas med hjälp av ett par elektroniska reflektansdetektorer och sådana attribut kan läggas över i en enda färgbild, med olika primärfärger tilldelade varje attribut. [6] I analogi kan olika färger tilldelas kombinationer av den reflekterade och sekundära elektroniska signalen och överlagras på ett färgmikrofotografi, som samtidigt visar provets egenskaper. [7]

Vissa typer av detektorer som används i SEM har analytiska möjligheter och kan tillhandahålla flera dataobjekt per pixel. Exempel är detektorer som används i elementaranalys och katodoluminescensmikroskopsystem som analyserar intensiteten och spektrumet av elektronstimulerad luminescens (som i geologiska prover). I SEM-system är användningen av dessa detektorer vanligt för att färgkoda signalerna och överlagra dem till en enda färgbild så att skillnader i fördelningen av olika provkomponenter tydligt kan ses och jämföras. Dessutom kan den sekundära elektroniska avbildningsstandarden kombineras med en eller flera sammansättningskanaler så att strukturen och sammansättningen av provet kan jämföras. Sådana bilder kan göras samtidigt som originalsignalens fullständiga integritet bibehålls, som inte förändras på något sätt.

Nackdelar

Elektronmikroskop är dyra att tillverka och underhålla, men den totala kostnaden och driftskostnaden för ett konfokalt optiskt mikroskop är jämförbart med vanliga elektronmikroskop. Mikroskop som syftar till att uppnå höga upplösningar måste placeras i stabila byggnader (ibland under jord) och utan externa elektromagnetiska fält. Prover bör generellt betraktas i ett vakuum, eftersom molekylerna som utgör luften kommer att sprida elektroner. Svepelektronmikroskop som arbetar i det vanliga högvakuumläget avbildar typiskt ett ledande prov; Därför kräver icke-ledande material en ledande beläggning (guld/palladium, kollegering, osmium, etc.). Lågspänningsläget hos moderna mikroskop gör det möjligt att observera icke-ledande, obelagda prover. Icke-ledande material kan också avbildas med ett svepelektronmikroskop med variabelt tryck (eller miljö).

Applikationer

Världens största tillverkare av elektronmikroskop

• Coxem - Korea

Se även

• Lågspänningselektronmikroskop
• Mikroskop
• Mikroskopi
• Replikmetod (mikroskopi)
• Långsam elektronmikroskopi
• Scanning heliumjonmikroskop
• Reflektionsmikroskopi

Anteckningar

1. ↑ Yavorsky B. M. , Pinsky A. A. Fundamentals of Physics. Volym 2. - M., Nauka , 1974. - Upplaga 169 000 exemplar. - Med. 180
2. ↑ Rachel Courtland. Mikroskoprevolutionen som sveper genom materialvetenskap (EN) // Nature. — 2018-11-21. - T. 563 . - S. 462 . - doi : 10.1038/d41586-018-07448-0 .
3. ↑ Burgess, Jeremy. Under the Microscope: A Hidden World Revealed  (engelska) . - Cambridge University Press , 1987. - P. 11. - ISBN 0-521-39940-8 .
4. ↑ Introduktion till elektronmikroskopi 15. FEI Company. Hämtad: 12 december 2012. (obestämd)
5. ↑ Antonovsky, A. Tillämpningen av färg på sem-avbildning för ökad definition  //  Micron and Microscopica Acta: journal. - 1984. - Vol. 15 , nr. 2 . - S. 77-84 . - doi : 10.1016/0739-6260(84)90005-4 .
6. ↑ Danilatos, GD Färgmikrofotografier för tillbakaspridda elektronsignaler i SEM  //  Scanning: journal. - 1986. - Vol. 9 , nej. 3 . - S. 8-18 . - doi : 10.1111/j.1365-2818.1986.tb04287.x .
7. ↑ Danilatos, GD Environmental svepelektronmikroskopi i färg  (odefinierad)  // J. Microscopy. - 1986. - T. 142 . - S. 317-325 . - doi : 10.1002/sca.4950080104 .

Länkar

Litteratur

• Elektronmikroskop / P. A. Stoyanov // Bookplate - Yaya. - M .  : Soviet Encyclopedia, 1978. - ( Great Soviet Encyclopedia  : [i 30 volymer]  / chefredaktör A. M. Prokhorov  ; 1969-1978, vol. 30).
• Elektronmikroskopi / A. E. Lukyanov // Bookplate - Yaya. - M .  : Soviet Encyclopedia, 1978. - ( Great Soviet Encyclopedia  : [i 30 volymer]  / chefredaktör A. M. Prokhorov  ; 1969-1978, vol. 30).
• Användningen av elektronmikroskopi i biologi / N. A. Starosvetskaya, Ya. Yu. Komissarchik // Bookplate — Yaya. - M .  : Soviet Encyclopedia, 1978. - ( Great Soviet Encyclopedia  : [i 30 volymer]  / chefredaktör A. M. Prokhorov  ; 1969-1978, vol. 30).

Ordböcker och uppslagsverk	Stor dansk Stor norsk Stor ryss runt världen Britannica (online) Britannica (online) Universalis
I bibliografiska kataloger	BNF : 119811272 J9U : 987007538457205171 NDL : 00561446