Электронный микроскоп 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).
Появление электронного микроскопа стало возможным после ряда физических открытий конца XIX начала XX века. Это открытие в 1897 году электрона (Дж.Томсон) и экспериментальное обнаружение в 1926 году волновых свойств электрона (К.Дэвиссон, Л.Гермер), подтверждающее выдвинутую в 1924 году де Бройлем гипотезу о корпускулярно-волновом дуализме всех видов материи. В 1926 году немецкий физик X.Буш создал магнитную линзу, позволяющую фокусировать электронные лучи, что послужило предпосылкой для создания в 1930-х годах первого электронного микроскопа. В 1931 году Р.Руденберг получил патент на просвечивающий электронный микроскоп, а в 1932 году М.Кнолль и Э.Руска построили первый прототип современного прибора. Эта работа Э.Руски в 1986 году была отмечена Нобелевской премией по физике, которую присудили ему и изобретателям сканирующего зондового микроскопа Герду Карлу Биннигу и Генриху Рореру. В 1938 Руска и Б. фон Боррис построили прототип промышленного просвечивающего электронного микроскопа для фирмы «Сименс-Хальске» в Германии; этот прибор в конце концов позволил достичь разрешения 100 нм. Несколькими годами позднее А.Пребус и Дж.Хиллер построили первый ОПЭМ высокого разрешения в Торонтском университете (Канада). В конце 1930-х начале 1940-х годов появились первые растровые электронные микроскопы (РЭМ), формирующие изображение объекта при последовательном перемещении электронного зонда малого сечения по объекту. Массовое применение этих приборов в научных исследованиях началось в 1960-ых годах, когда они достигли значительного технического совершенства. РЭМ в его нынешней форме был изобретен в 1952 Чарльзом Отли. Правда, предварительные варианты такого устройства были построены Кноллем в Германии в 1930-х годах и Зворыкиным с сотрудниками в корпорации RCA в х годах, но лишь прибор Отли смог послужить основой для ряда технических усовершенствований, завершившихся внедрением в производство промышленного варианта РЭМ в середине 1960-х годов.
Существуют два основных вида электронных микроскопов. просвечивающий электронный микроскопВ 1930-х годах был изобретен обычный просвечивающий электронный микроскоп (ОПЭМ), растровый (сканирующий) электронный микроскоп в 1950-х годах – растровый (сканирующий) электронный микроскоп (РЭМ)
Просвечивающий электронный микроскоп от ультратонкого объекта 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 В относительно других электродов, фокусирующих электроны в узкий пучок. Эта часть прибора называется электронным прожектором. одной миллиардной атмосферного.Поскольку электроны сильно рассеиваются веществом, в колонне микроскопа, где движутся электроны, должен быть вакуум. Здесь поддерживается давление, не превышающее одной миллиардной атмосферного.
Магнитное поле, создаваемое витками катушки, по которой проходит ток, действует как собирающая линза, фокусное расстояние которой можно изменять, изменяя ток. Витки провода, по которым проходит ток, фокусируют пучок электронов так же, как стеклянная линза фокусирует световой пучок. Электронное изображение формируется электрическими и магнитными полями примерно так же, как световое – оптическими линзами. Принцип действия магнитной линзы поясняется следующей схемой.
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. 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 (показана лишь последняя) 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 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 Таким образом, увеличение, которое можно получить в современных ОПЭМ, составляет от менее 1000 до ~ (При увеличении в миллион раз грейпфрут вырастает до размеров Земли). 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.
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. Разрешение.Разрешение. 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 преимуществ о 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.
Растровая электронная микроскопия Растровый электронный микроскоп (РЭМ, англ. Scanning Electron Microscope, SEM) прибор, основанный на принципе взаимодействия электронного пучка с веществом, предназначенный для получения изображения поверхности объекта с высоким пространственным разрешением (несколько нанометров), а также о составе, строении и некоторых других свойствах приповерхностных слоёв. Пространственное разрешение сканирующего электронного микроскопа зависит от поперечного размера электронного пучка, который, в свою очередь зависит от электронно-оптической системы, фокусирующей 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 Hitachi Япония JEOL Япония (Japan Electron Optics Laboratory) Tescan Чехия
1 – источник электронов; 2 – ускоряющая система; 3 – магнитная линза; 4 – отклоняющие катушки; 5 – образец; 6 – детектор отраженных электронов; 7 – кольцевой детектор; 8 – анализатор 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 (рис.). 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. электронной колонной 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 плохопроводящие поверхности для предотвращения эффектов, связанных с накоплением заряда; проведение измерений только в условиях вакуума; возможность повреждения изучаемой поверхности высокоэнергетичным сфокусированным пучком электронов.
Из-за очень узкого электронного луча РЭМ обладают очень большой глубиной резкости (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. Микрофотография пыльцы демонстрирует возможности РЭМ.
Сканирующие зондовые микроскопы Сканирующие зондовые микроскопы (СЗМ, англ. SPM Scanning Probe Microscope) класс микроскопов для измерения характеристик объекта с помощью различных типов зондов. Процесс построения изображения основан на сканировании поверхности зондом. В общем случае СЗМ позволяют получить трёхмерное изображение поверхности (топографию) с высоким разрешением. Основные типы сканирующих зондовых микроскопов: Сканирующий туннельный микроскоп Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ, англ. STM scanning tunneling microscope) или растровый тунельный микроскоп (РТМ) - для получения изображения используется туннельный ток между зондом и образцом, что позволяет получить информацию о топографии и электрических свойствах образца. Сканирующий атомно-силовой микроскоп Сканирующий атомно-силовой микроскоп (АСМ) - регистрирует различные силы между зондом и образцом. Позволяет получить топографию поверхности и её механические свойства. Сканирующий ближнепольный оптический микроскоп Сканирующий ближнепольный оптический микроскоп (СБОМ) - для получения изображения используется эффект ближнего поля.
Отличительной СЗМ особенностью является наличие: зонда, системы перемещения зонда относительно образца по 2-м (X-Y) или 3-м (X-Y-Z) координатам, регистрирующей системы. При малом расстоянии между поверхностью и образцом действие сил взаимодействия (отталкивания, притяжения,и других сил) и проявление различных эффектов (например, туннелирование электронов) можно зафиксировать с помощью современных средств регистрации. Для регистрации используют различные типы сенсоров, чувствительность которых позволяет зафиксировать малые по величине возмущения. Работа сканирующего зондового микроскопа основана на взаимодействии поверхности образца с зондом (кантилевер - англ. балка, игла или оптический зонд). Кантилеверы разделяются на жёсткие и мягкие, - по длине балки, а характеризуется это резонансной частотой колебаний кантилевера. Процесс сканирования микрозондом поверхности может происходить как в атмосфере или заранее заданном газе, так и в вакууме, и даже сквозь плёнку жидкости. Кантилевер в сканирующем электронном микроскопе (увеличение 1000X) координатам,
Регистрирующая система фиксирует значение функции, зависящей от расстояния зонд- образец. Для получения полноценного растрового изображения используют различные устройства развертки по осям X и Y (например, пьезотрубки, плоскопараллельные сканеры). Сканирование поверхности может происходить двумя способами, - сканирование кантилевером и сканировение подложкой. Если в первом случае движения вдоль исследуемой поверхности совершает кантилевер, то во втором относительно неподвижного кантилевера движется сама подложка. обратной связи Для сохранения режима сканирования, - кантилевер должен находиться вблизи поверхности, - в зависимости от режима, - будь то режим постоянной силы, или постоянной высоты, существует система, которая могла бы сохранять такой режим во время процесса сканирования. Для этого в электронную схему микроскопа входит специальная система обратной связи, которая связана с системой отклонения кантилевера от первоначального положения. Основные технические сложности при создании сканирующего зондового микроскопа: Конец зонда должен иметь размеры сопоставимые с исследуемыми объектами. Обеспечение механической (в том числе тепловой и вибрационной) стабильности на уровне лучше 0,1 ангстрема. Детекторы должны надежно фиксировать малые по величине возмущения регистрируемого параметра. Создание прецизионной системы развёртки. Обеспечение плавного сближения зонда с поверхностью.
Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ, англ. STM scanning tunneling microscope) или растровый тунельный микроскоп (РТМ) Сканирующий тунельный микроскоп в современном виде изобретен (принципы этого класса приборов были заложены ранее другими исследователями) Гердом Карлом Биннигом и Генрихом Рорером в 1981 году. За это изобретение они были удостоены Нобелевской премии по физике за 1986 год, которая была разделена между ними и изобретателем просвечивающего электронного микроскопа Э. Руска. 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 пА при расстояниях около 1 A. В этом микроскопе используется металлическое острие малого диаметра, являющееся источником электронов. В зазоре между острием и поверхностью образца создается электрическое поле. Число электронов, вытягиваемых полем из острия в единицу времени (ток туннелирования), зависит от расстояния между острием и поверхностью образца (на практике это расстояние меньше 1 нм). При перемещении острия вдоль поверхности ток модулируется. Это позволяет получить изображение, связанное с рельефом поверхности образца. Если острие заканчивается одиночным атомом, то можно сформировать изображение поверхности, проходя атом за атомом.
РТМ может работать только при условии, что расстояние от острия до поверхности постоянно, а острие можно перемещать с точностью до атомных размеров. Высокое разрешение СТМ вдоль нормали к поверхности (~0,01 нм) и в горизонтальном направлении (~0,1 нм), которое реализуется как в вакууме, так и с диэлектрическими средами в туннельном промежутке, открывает широкие перспективы повышения точности измерений линейных размеров в нанометровом диапазоне. Платиново - иридиумная игла сканирующего туннельного микроскопа крупным планом.
Сканирующий атомно-силовой микроскоп Сканирующий атомно-силовой микроскоп (АСМ) Атомно-силовая микроскопия поверхности (АСМ), предложенная в 1986 г., основана на эффекте силового взаимодействия между близко расположенными твердыми телами. В отличие от СТМ метод АСМ пригоден для проведения измерений как на проводящих, так и на непроводящих поверхностях не только в вакууме, но и на воздухе и в жидкой среде. Важнейшим элементом АСМ является микрозонд (кантилевер), на конце которого располагается диэлектрическое острие с радиусом кривизны R, к которому с помощью трехкоординатного манипулятора подводится поверхность исследуемого образца на расстояние d0,1÷10 нм. Острие кантилевера обычно закрепляют на пружине, изготовленной в виде кронштейна с малой механической жесткостью. В результате межатомного (межмолекулярного) взаимодействия между образцом и острием кантилевера кронштейн отклоняется. Разрешение АСМ вдоль нормали к поверхности сравнимо с соответствующим разрешением СТМ, а разрешение в горизонтальном направлении (продольное разрешение) зависит от расстояния d и радиуса кривизны острия R. Числовой расчет показывает, что при R=0,5 нм и d=0,4 нм продольное разрешение составляет ~1 нм. Необходимо подчеркнуть, что зондом АСМ является острие иглы, которое позволяет снимать информацию о профиле элемента рельефа поверхности, имеющего нанометровые размеры, но высота (глубина) такого элемента не должна превышать 100 нм, а соседний элемент должен быть расположен не ближе, чем на расстоянии 100 нм. При выполнении некоторых специфических для АСМ условий возможно восстановление профиля элемента без потери информации. Однако эти условия практически невозможно осуществить в эксперименте.
Вид Пространственное разрешение (x,y) Разрешение по z- координате Размер поля Увеличение Оптическая микроскопия 200 нм-0,4 -0,2 мм х Конфокальный микроскоп 200 нм 1 нм Интерферометрия в белом свете 200 нм 0,1 нм 0.05 до x Голографическая микроскопия 200 нм 0,1 нм 0.05 до x Просвечивающий электронный микроскоп 0,2 нм- до Растровый электронный микроскоп (РЭМ) 0,4 нм 0,1 нм 0,1-500 мкм по z - ~1-10 мм до х Сканирующие зондовые микроскопы 0,1 нм 0,05 нм ~150 х 150 мкм по z -
Мы начинаем публиковать блог предпринимателя, специалиста в области информационных технологий и по совместительству конструктора-любителя Алексея Брагина, в котором рассказывается о необычном опыте - вот уже год как автор блога занят восстановлением сложного научного оборудования - сканирующего электронного микроскопа - практически в домашних условиях. Читайте о том, с какими инженерно-техническими и научными задачами пришлось столкнуться Алексею и как он с ними справился.
Позвонил мне как-то друг и говорит: нашел интересную штуку, надо привезти к тебе, правда, весит полтонны. Так у меня в гараже появилась колонна от сканирующего электронного микроскопа JEOL JSM-50A. Ее давно списали из какого-то НИИ и вывезли в металлолом. Электронику потеряли, а вот электронно-оптическую колонну вместе с вакуумной частью удалось спасти.
Раз основная часть оборудования сохранилась, возник вопрос: нельзя ли спасти микроскоп целиком, то есть восстановить и привести его в рабочее состояние? Причем прямо в гараже, собственными руками, с помощью лишь базовых инженерно-технических знаний и подручных средств? Правда, прежде я никогда не имел дела с подобным научным оборудованием, не говоря уже о том, чтобы уметь им пользоваться, и не представлял, как оно работает. Но интересно ведь не просто запустить старую железяку в рабочее состояние - интересно во всем самостоятельно разобраться и проверить, возможно ли, используя научный метод, освоить совершенно
новые области. Так я стал восстанавливать электронный микроскоп в гараже.
В этом блоге я буду рассказывать вам о том, что мне уже удалось сделать и что еще предстоит. Попутно я познакомлю вас с принципами функционирования электронных микроскопов и их основных узлов, а также расскажу о множестве технических препятствий, которые пришлось преодолеть по ходу работы. Итак, приступим.
Чтобы восстановить оказавшийся у меня микроскоп хотя бы до состояния «рисуем электронным лучом на люминесцентном экране», необходимо было следующее:
Начнем по порядку. Сегодня я расскажу о принципах работы электронных микроскопов. Они бывают двух типов:
Просвечивающий электронный микроскоп
ПЭМ очень похож на обычный оптический микроскоп, только исследуемый образец облучается не светом (фотонами), а электронами. Длина волны электронного луча намного меньше, чем фотонного, поэтому можно получить существенно большее разрешение.
Фокусировка электронного луча и управление им осуществляются с помощью электромагнитных или электростатических линз. Им даже присущи те же искажения (хроматические аберрации), что и оптическим линзам, хотя природа физического взаимодействия тут совершенно иная. Она, кстати, добавляет еще и новых искажений (вызванных закручиванием электронов в линзе вдоль оси электронного пучка, чего не происходит с фотонами в оптическом микроскопе).
У ПЭМ есть недостатки: исследуемые образцы должны быть очень тонкие, тоньше 1 микрона, что не всегда удобно, особенно при работе в домашних условиях. Например, чтобы посмотреть свой волос на просвет, его необходимо разрезать вдоль хотя бы на 50 слоев. Это связано с тем, что проникающая способность электронного луча гораздо хуже фотонного. К тому же ПЭМ, за редким исключением, достаточно громоздки. Вот этот аппарат, изображенный ниже, вроде бы и не такой большой (хотя он выше человеческого роста и имеет цельную чугунную станину), но к нему еще прилагается блок питания размером с большой шкаф - итого необходима почти целая комната.
Зато разрешение у ПЭМ - наивысшее. С его помощью (если сильно постараться) можно увидеть отдельные атомы вещества.
University of Calgary
Такое разрешение бывает особенно полезно для идентификации возбудителя вирусного заболевания. Вся вирусная аналитика ХХ века была построена на базе ПЭМ, и только с появлением более дешевых методов диагностики популярных вирусов (например, полимеразной цепной реакции, или ПЦР) рутинное использование ПЭМов для этой цели прекратилось.
Например, вот как выглядит грипп H1N1 «на просвет»:
University of Calgary
Сканирующий электронный микроскоп
SEM применяется в основном для исследования поверхности образцов с очень высоким разрешением (увеличение в миллион крат, против 2 тысяч у оптических микроскопов). А это уже гораздо полезнее в домашнем хозяйстве:)
К примеру, так выглядит отдельная щетинка новой зубной щетки:
То же самое должно происходить и в электронно-оптической колонне микроскопа, только тут облучается образец, а не люминофор экрана, и изображение формируется на основе информации с датчиков, фиксирующих вторичные электроны, упруго-отраженные электроны и прочее. Об электронном микроскопе именно этого типа и пойдет речь в этом блоге.
И кинескоп телевизора, и электронно-оптическая колонна микроскопа работают только под вакуумом. Но об этом я расскажу подробно в следующем выпуске.
(Продолжение следует)
ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОСКОП - высоковольтный, вакуумный прибор, в котором увеличенное изображение объекта получают с помощью потока электронов. Предназначен для исследования и фотографирования объектов при больших увеличениях. Электронные микроскопы имеют высокую разрешающую способность. Электронные микроскопы находят широкое применение в науке, технике, биологии и медицине.
По принципу действия различают просвечивающие (трансмиссионные), сканирующие, (растровые) и комбинированные электронные микроскопы. Последние могут работать в просвечивающем, сканирующем либо в двух режимах одновременно.
Отечественная промышленность приступила к выпуску просвечивающих электронных микроскопов в конце 40-х годов 20 века Необходимость создания электронного микроскопа была вызвана низкой разрешающей способностью световых микроскопов. Для увеличения разрешающей способности требовался более коротковолновый источник излучения. Решение проблемы стало возможным только с применением в качестве осветителя пучка электронов. Длина волны потока электронов, ускоренных в электрическом поле с разностью потенциалов 50 000 в, составляет 0,005 нм. В настоящее время на просвечивающем электронном микроскопе достигнуто разрешение для пленок золота 0,01 нм.
Схема электронного микроскопа просвечивающего типа: 1 - электронная пушка; 2 - конденсорные линзы; 3 - объектив; 4 - проекционные линзы; 5 - тубус со смотровыми окнами, через которые можно наблюдать изображение; 6 - высоковольтный кабель; 7 - вакуумная система; 8 - пульт управления; 9 - стенд; 10 - высоковольтное питающее устройство; 11 - источник питания электромагнитных линз.
Принципиальная схема просвечивающего электронного микроскопа мало чем отличается от схемы светового микроскопа (см.). Ход лучей и основные элементы конструкции обоих микроскопов аналогичны. Несмотря на большое разнообразие выпускаемых электронных микроскопов, все они построены по одной схеме. Основным элементом конструкции просвечивающего электронного микроскопа является колонна микроскопа, состоящая из источника электронов (электронной пушки), набора электромагнитных линз, предметного столика с объектодержателем, люминесцентного экрана и фоторегистрирующего устройства (см. схему). Все элементы конструкции колонны микроскопа собраны герметично. Системой вакуумных насосов в колонне создается глубокий вакуум для беспрепятственного прохождения электронов и защиты образца от разрушения.
Поток электронов образуется в пушке микроскопа, построенной по принципу трехэлектродной лампы (катод, анод, управляющий электрод). В результате термоэмиссии с разогретого V-образного вольфрамового катода высвобождаются электроны, которые разгоняются до высоких энергий в электрическом поле с разностью потенциалов от нескольких десятков до нескольких сотен киловольт. Через отверстие в аноде поток электронов устремляется в просвет электромагнитных линз.
Наряду с вольфрамовыми термоэмиссионными катодами в электронном микроскопе применяют стержневые и автоэмиссионные катоды, обеспечивающие значительно большую плотность пучка электронов. Однако для их работы необходим вакуум не ниже 10^-7 мм рт. ст., что создает дополнительные конструктивные и эксплуатационные трудности.
Другой основной элемент конструкции колонны микроскопа - электромагнитная линза, представляющая собой катушку с большим числом витков тонкого медного провода, помещенную в панцирь из мягкого железа. При прохождении через обмотку линзы электрического тока в ней образуется электромагнитное поле, силовые линии которого концентрируются во внутреннем кольцевом разрыве панциря. Для усиления магнитного поля в область разрыва помещен полюсный наконечник, позволяющий получать мощное, симметричное поле при минимальном токе в обмотке линзы. Недостатком электромагнитных линз являются различные аберрации, влияющие на разрешающую способность микроскопа. Наибольшее значение имеет астигматизм, вызванный асимметрией магнитного поля линзы. Для его устранения применяют механические и электрические стигматоры.
Задача сдвоенных конденсорных линз, как и конденсора светового микроскопа, состоит в изменении освещенности объекта за счет изменения плотности потока электронов. Диафрагма конденсорной линзы диаметром 40-80 мкм выбирает центральную, наиболее однородную часть мучка электронов. Объективная линза - самая короткофокусная линза с мощным магнитным полем. Ее задача состоит в фокусировании и первичном увеличении угла движения электронов, прошедших через объект. От качества изготовления и однородности материала полюсного наконечника объективной линзы во многом зависит разрешающая способность микроскопа. В промежуточной и проекционной линзах происходит дальнейшее увеличение угла движения электронов.
Особые требования предъявляются к качеству изготовления предметного столика и объектодержателя, так как они должны не только перемещать и наклонять образец в заданных направлениях при большом увеличении, но и при необходимости подвергать его растяжению, нагреву или охлаждению.
Довольно сложным электронно-механическим устройством является фоторегистрирующая часть микроскопа, которая позволяет осуществлять автоматическую экспозицию, замену отснятого фотоматериала, производить на нем запись необходимых режимов микроскопирования.
В отличие от светового микроскопа объект исследования в просвечивающем электронном микроскопе крепится на тонких сетках, изготовленных из немагнитного материала (медь, палладий, платина, золото). На сетки крепится пленка-подложка из коллодия, формвара или углерода толщиной несколько десятков нанометров, затем наносится материал, подвергаемый микроскопическому исследованию. Взаимодействие падающих электронов с атомами образца приводит к изменению направления их движения, отклонению на незначительные углы, отражению или полному поглощению. В формировании изображения на люминесцентном экране или фотоматериале принимают участие только те электроны, которые были отклонены веществом образца на незначительные углы и смогли пройти через апертурную диафрагму объективной линзы. Контрастность изображения зависит от наличия в образце тяжелых атомов, сильно влияющих на направление движения электронов. Для усиления контрастности биологических объектов, построенных в основном из легких элементов, применяют различные методы контрастирования (см. Электронная микроскопия).
В просвечивающем электронном микроскопе предусмотрена возможность получать темнопольное изображение образца при освещении его наклонным пучком электронов. В этом случае через апертурную диафрагму проходят рассеянные образцом электроны. Темно-польная микроскопия увеличивает контрастность изображения при высоком разрешении деталей образца. В просвечивающем электронном микроскопе предусмотрен также режим микродифракции минимальных кристаллов. Переход от светлопольного к темнопольному режиму и микродифракции не требует значительных изменений в схеме микроскопа.
В сканирующем электронном микроскопе поток электронов формируется высоковольтной пушкой. С помощью сдвоенных конденсорных линз получают тонкий пучок электронов (электронный зонд). Посредством отклоняющих катушек электронный зонд разворачивается на поверхности образца, вызывая излучение. Система сканирования в сканирующем электронном микроскопе напоминает систему, с помощью которой получают телевизионное изображение. Взаимодействие электронного луча с образцом приводит к появлению рассеянных электронов, потерявших часть энергии при взаимодействии с атомами образца. Для построения объемного изображения в сканирующем электронном микроскопе электроны собираются специальным детектором, усиливаются и подаются на генератор развертки. Количество отраженных и вторичных электронов в каждой отдельной точке зависит от рельефа и химического состава образца, соответственно меняется яркость и контрастность изображения объекта на кинескопе. Разрешающая способность сканирующего электронного микроскопа достигает 3 нм, увеличение - 300 000. Глубокий вакуум в колонне сканирующего электронного микроскопа предусматривает обязательное обезвоживание биологических образцов с помощью органических растворителей либо их лиофилизацию из замороженного состояния.
Комбинированный электронный микроскоп может быть создан на базе просвечивающего или сканирующего электронного микроскопа. Пользуясь комбинированным электронным микроскопом, можно одновременно изучать образец в просвечивающем и сканирующем режимах. В комбинированном электронном микроскопе, как и в сканирующем, предусмотрена возможность для рентгеноструктурного, энергодисперсионного анализа химического состава вещества объекта, а также для оптико-структурного машинного анализа изображений.
Для увеличения эффективности использования всех видов электронных микроскопов созданы системы, позволяющие переводить электронно-микроскопическое изображение в цифровую форму с последующей обработкой этой информации на ЭВМ Оптико-структурный машинный анализ позволяет производить статистический анализ изображения непосредственно с микроскопа, минуя традиционный метод «негатив-отпечаток».
Библиогр.: Стоянова И. Г. и Анаскнн И. Ф. Физические основы методов просвечивающей электронной микроскопии, М., 1972; Суворов А. Л. Микроскопия в науке и технике, М., 1981; Финеан Дж. Биологические ультраструктуры, пер. с англ., М., 1970; Шиммель Г. Методика электронной микроскопии, пер. с нем.. М., 1972. См. также библиогр. к ст. Электронная микроскопия.
Московский институт электронной техники
Лаборатория электронной микроскопии С.В. Седов
Принцип работы современного растрового электронного микроскопа и его использование для исследования объектов микроэлектроники
Цель работы: знакомство с методиками исследования материалов и микроэлектронных структур при помощи растрового электронного микроскопа.
Продолжительность работы: 4 ч.
Приборы и принадлежности: растровый электронный микроскоп Philips-
SEM-515, образцы микроэлектронных структур.
Устройство и принцип работы растрового электронного микроскопа
1. Введение
Растровая электронная микроскопия - это исследование объекта путем облучения тонко сфокусированным электронным пучком, который развертывается в растр по поверхности образца. В результате взаимодействия сфокусированного электронного пучка с поверхностью образца возникают вторичные электроны, отраженные электроны, характеристическое рентгеновское излучение, ожэ-электроны и фотоны различных энергий. Они рождаются в определенных объемах - областях генерации внутри образца и могут быть использованы для измерения многих его характеристик, таких как топография поверхности, химический состав, электрофизические свойства и т д.
Основной причиной широкого использования растровых электронных микроскоов является высокое разрешение при исследовании массивных объектов, достигающее 1,0 нм (10 Å). Другой важной чертой изображений, получаемых в растровом электронном микроскопе является их объемность, обусловленная большой глубиной резкости прибора. Удобство применения растрового микроскопа в микро-и нанотехнологии объясняется относительной простотой подготовки образца и оперативностью исследования, что позволяет использовать его для межоперационного контроля технологических параметров без значительных потерь времени. Изображение в растровом микроскопе формируется в виде телевизионного сигнала, что существенно упрощает его ввод в компьютер и дальнейшую программную обработку результатов исследований.
Развитие микротехнологий и появление нанотехнологий, где размеры элементов существенно меньше длины волны видимого света, делает растровую электронную микроскопию практически единственной неразрушающей методикой визуального контроля при производстве изделий твердотельной электроники и микромеханики.
2. Взаимодействие электронного луча с образцом
При взаимодействии пучка электронов с твердой мишенью возникает большое число различного рода сигналов. Источником этих сигналов являются области излучения, размеры которых зависят от энергии пучка и атомного номера бомбардируемой мишени. Размерами этой области, при использовании определенного сорта сигнала, определяется разрешение микроскопа. На рис. 1 показаны области возбуждения в образце для разных сигналов.
Полное распределение по энергии электронов, излучаемых образцом
приведено на рис.2. Оно получено при энергии падающего пучка Е 0= 180эВ, по оси ординат отложено число эмиттированых мишенью электронов J s (E), а по оси абсцисс - энергия Е этих электронов. Заметим, что вид зависимости,
приведенной на рис.2, сохраняется и для пучков с энергией 5 – 50 кэВ, используемых в растровых электронных микроскопах.
Г
руппуI
составляют
упруго отраженные электроны с энергией,
близкой к энергии первичного пучка. Они
возникают при упругом рассеянии под
большими углами. С увеличением атомного
номера Z
растет
упругое рассеяние и увеличивается доля
отраженных электронов .
Распределение отраженных электронов
по энергиям для некоторых элементов
приведено на рис.3.
Угол
рассеяния 135 0
,
W=E/E 0
- нормированная энергия, d/dW
-
число отраженных электронов на падающий
электрон и на единицу энергетического
интервала. Из рисунка видно, что при
увеличении атомного номера не только
растет число отраженных электронов, но
и их энергия становится ближе к энергии
первичного пучка. Это приводит к
возникновению контраста по атомному
номеру и позволяет исследовать фазовый
состав объекта.
Группа II включает в себя электроны, подвергшиеся многократному неупругому рассеянию и излученные к поверхности после прохождения более или менее толстого слоя материала мишени, потеряв при этом определенную часть своей первоначальной энергии.
Э
лектроны
группыIII
являются
вторичными электронами с малой энергией
(менее 50 эВ), которые образуются при
возбуждении первичным пучком слабосвязаных
электронов внешних оболочек атомов
мишени. Основное влияние на количество
вторичных электронов оказывает топография
поверхности образца и локальные
электрические и магнитные поля.
Количество
выходящих вторичных электронов зависит
от угла падения первичного пучка (рис.4).
Пусть R 0
– максимальная глубина выхода вторичных
электронов. Если образец наклонен, то
длина пути в пределах расстояния
R 0
от
поверхности возрастает: R
= R 0
sec
Следовательно возрастает и количество соударений, при которых рождаются вторичные электроны. Поэтому незначительное изменение угла падения приводит к заметному изменению яркости выходного сигнала. Благодаря тому, что генерация вторичных электронов происходит в основном в приповерхностной области образца (рис.1), разрешение изображения во вторичных электронах близко к размерам первичного электронного пучка.
Характеристическое рентгеновское излучение возникает в результате взаимодействия падающих электронов с электронами внутренних K, L, или М оболочек атомов образца. Спектр характеристического излучения несет информацию о химическом составе объекта. На этом основаны многочисленные методы микроанализа состава. Большинство современных растровых электронных микроскопов оснащено энергодисперсионными спектрометрами для качественного и количественного микроанализа, а так же для создания карт поверхности образца в характеристическом рентгеновском излучении определенных элементов.
3 Устройство растрового электронного микроскопа .
Трансмиссионный электронный микроскоп – прибор для получения увеличенного изображения микроскопических предметов, в котором используются пучки электронов. Электронные микроскопы имеют большее разрешение по сравнению с оптическими микроскопами, кроме того они могут применяться также для получения дополнительной информации относительно материала и структуры объекта.
Первый электронный микроскоп был построен в 1931 году немецкими инженерами Эрнст Руска и Максом ствола. Эрнст Руска получил за это открытие Нобелевскую премию по физике в 1986 году. Он разделил ее с изобретателями туннельного микроскопа, поскольку Нобелевский комитет чувствовал, что изобретателей электронного микроскопа несправедливо забыли.
В электронном микроскопе для получения изображения используются фокусированные пучки электронов, которыми бомбардируется поверхность исследуемого объекта. Изображение можно наблюдать разными способами – в лучах, которые прошли через объект, в отраженных лучах, регистрируя вторичные электроны или рентгеновское излучение. Фокусировки пучка электронов с помощью специальных электронных линз.
Электронные микроскопы могут увеличивать изображение в 2 млн. раз. Высокое разрешение электронных микроскопов достигается за счет малой длины волны электрона. В то время как длина волны видимого света лежит в диапазоне от 400 до 800 нм, длина волны электрона, ускоренного в потенциале 150 В, составляет 0,1 нм. Таким образом, в электронные микроскопы можно практически рассматривать объекты размером с атом, хотя практически осуществить это трудно.
Схематическая строение электронного микроскопа Строение электронного микроскопа можно рассмотреть на примере прибора, работающего на пропускание. Монохроматический пучок электронов формируется в электронной пушке. Его характеристики улучшаются конденсорною системой, состоящей из конденсорнои диафрагмы и электронных линз. В зависимости от типа линз, магнитных или электростатических, различат магнитные и электростатические микроскопы. В дальнейшем пучок попадает на предмет, рассеиваясь на нем. Рассеянный пучок проходит через апертуру и попадает в объективную линзу, которая предназначена для растягивания изображения. Растянутый пучок электронов вызывает свечение люминофора на экране. В современных микроскопах используются несколько степеней увеличения.
Апертурная диафрагма объектива электронного микроскопа очень мала, составляет сотые доли миллиметра.
Если пучок электронов от объекта потраплае непосредственно на экран, то объект будет выглядеть на нем темным, а вокруг образовываться светлый фон. Такое изображение называется свитлопольним.
Если же в апертуру объективной линзы попадает не основы пучок, а рассеянный, то образуется темнопольный
изображения. Темнопольный изображение контрастнее, чем свитлопольне, но разрешение у него меньше.
Существует много различных типов и конструкций электронных микроскопов. Основными среди них являются:
Просвичуюючий электронный микроскоп – прибор, в котором электронный пучок просвечивает предмет насквозь.
Сканирующий просвичуюючий электронный микроскоп позволяет изучать отдельные участки объекта.
Сканирующий электронный микроскоп использует для исследования поверхности объекта, выбитые электронным пучком вторичные электроны.
Рефлекторный электронный микроскоп использует упруго-рассеянные электроны.
Электронный микроскоп можно, также, снарядить системой детектирования рентгеновских лучей, которые излучают сильно возбуждены, при столкновении с высокоэнергетическими електоронамы, атомы вещества. При выбивании электрона из внутренней электронных оболочек, образуется характеристическое рентгеновское излучение, исследуя которое можно установить химический состав материала.
Изучение спектра неупругие-рассеянных электронов позволяет получать информацию о характерных электронные возбуждения в материале исследуемого предмета.
Электронные микроскопы широко используются в физике, материаловедении, биологии.
Вчера сфотографировал белую Ауди. Получилось отличное фото audi сбоку. Жалко, что тюнинг на фотографии не видно.