Что такое просвечивающий электронный микроскоп?

Что такое просвечивающий электронный микроскоп?

Просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ) — это измерительное устройство, которое может наблюдать внутреннюю структуру образца.

Это тип электронного микроскопа, который наблюдает за внутренней частью сверхтонкого образца, направляя на образец электронные пучки и обнаруживая прошедшие и рассеянные электроны, проходящие через образец. Этот метод используется в различных областях, включая материаловедение и биохимию, поскольку он позволяет наблюдать внутреннюю структуру образца при большом увеличении, что невозможно с помощью оптического микроскопа.

Применение просвечивающих электронных микроскопов

Рисунок 1. Типы и разрешения микроскопов

Просвечивающие электронные микроскопы используются для наблюдения за внутренней структурой образца при увеличении от нескольких сотен до нескольких миллионов раз.

Можно наблюдать целые клетки на уровне десятков микрометров, а также атомные структуры атомных расположений на уровне нескольких Å (1Å (ангстрем) = 10-10 м). Он находит применение в структурном анализе различных материалов, таких как полупроводники и керамика, а также в структурном анализе биологических образцов, таких как клетки и бактерии. Можно получить различную информацию, например, наблюдение за картинами дифракции электронов путем регулировки системы линз, а также элементный анализ и анализ состояния путем присоединения дополнительного спектрометра. В отличие от сканирующих просвечивающих электронных микроскопов (СТЭМ), ТЭМ иногда используются для наблюдения за изменениями в структуре объекта с течением времени, поскольку данные изображения можно получить сразу.

Принцип работы просвечивающих электронных микроскопов

Рисунок 2. Типы микроскопов и структурные изображения

Принцип работы ТЭМ заключается в облучении образца ускоренными электронами и наблюдении за его внутренним состоянием путем обнаружения электронов, прошедших через образец. Структура микроскопа похожа на структуру оптического микроскопа. Однако, поскольку источником света является электронный пучок, а не видимый свет, толщина образца должна быть уменьшена до уровня, на котором электроны могут проникнуть (100 нм или меньше). Разница в плотности электронов, прошедших через образец, проявляется как контраст.

Чем короче длина волны электронов, облучающих образец (чем выше энергия), тем выше разрешение (~0,1 нм), поскольку длина волны электронов, ускоренных при ускоряющем напряжении 300 кВ, составляет 0,00197 нм, что намного короче длины волны видимого света (примерно от 380 нм до 780 нм), используемого в оптической микроскопии.

Чем выше ускоряющее напряжение, тем короче длина волны и выше разрешение. Однако это увеличивает повреждение образца и должно быть отрегулировано соответствующим образом. Верхний предел разрешения составляет около 50 пм из-за таких факторов, как аберрация оптической системы.

Другая информация о просвечивающих электронных микроскопах

1. Подготовка образцов для просвечивающих электронных микроскопов

Некоторые образцы требуют соответствующей подготовки.

Толстые образцы
Образцы, которые будут наблюдаться с помощью обычных просвечивающих электронных микроскопов, необходимо истончить до толщины около 100 нм.
1. Метод дисперсии
Образец диспергируется в растворителе, и дисперсия капает на подложку для наблюдения.
2. Метод микротома
Этот метод использует алмазный нож для истончения образца до толщины около 100 нм. Мягкие образцы, такие как полимеры, охлаждаются жидким азотом, а затем разрезаются.
3. Метод измельчения Ar
Образец, механически утонченный до толщины в несколько десятков микрометров, облучается ионами Ar+, которые разрушают связи в образце и одновременно утончают его.
4. Метод FIB
Целевая область утончается с помощью FIB при наблюдении с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM). Используя сверхвысоковольтный электронный микроскоп (HVEM) с ускоряющим напряжением 1000 кВ или выше, можно наблюдать образцы толщиной около 5 мкм. Однако, поскольку оборудование очень большое, а структура микроскопа сложная, им в основном владеют исследовательские учреждения, такие как университеты.

Образцы, не содержащие тяжелых элементов
Полимерные и биологические образцы в основном состоят из легких элементов, таких как C, H, N и O, которые обладают высокой проницаемостью для электронов и могут не обеспечивать достаточного контраста для идентификации структуры образца. Селективное электронное окрашивание с помощью окрашивающего агента с высокой способностью рассеивать электроны (например, OsO4 или RuO4) в области, где должна наблюдаться структура образца, обеспечит изображение с достаточным контрастом. Электронное окрашивание может изменить структуру образца. Чтобы избежать этого эффекта, эффективно использовать метод фазового контраста просвечивающей электронной микроскопии или сканирующей просвечивающей электронной микроскопии (СТЭМ).

Образцы, которые испаряются или сублимируются в условиях высокого вакуума
Испарение или сублимация в условиях высокого вакуума не только изменяют структуру образца и его форму, но и могут привести к выходу оборудования из строя. Чтобы предотвратить это, следует использовать трансмиссионные электронные микроскопы с контролируемой средой (ЭТЭМ) или криоэлектронные микроскопы.

2. Основное аналитическое оборудование, прикрепляемое к трансмиссионным электронным микроскопам>

Рисунок 3. Основные электромагнитные волны, генерируемые при облучении электронным пучком

Поскольку при облучении образца ускоренным электронным пучком можно получить различные сигналы, отличные от электронов, просвечивающие электронные микроскопы могут быть оснащены различными типами аналитических приборов.

Дифракция электронного пучка
Путем обнаружения интерференции упруго рассеянных электронных пучков получается дифракционное изображение образца. Анализ дифракционного изображения выявляет кристаллографическую информацию, такую ​​как структура кристалла и его ориентация.

Спектроскопия потерь энергии электронов (EELS)
Неупруго рассеянные электронные пучки — это пучки, испускаемые образцом после того, как падающий электронный пучок возбуждает электроны в образце. Измеряя, сколько энергии теряет электронный пучок по сравнению с тем, что было до падающего луча, можно определить информацию о составе и состоянии связей образца.

Электронная томография
Применяя принципы КТ (компьютерной томографии) к прошедшим электронам, мы можем создать трехмерное стереоскопическое изображение образца путем наложения изображений поперечного сечения образца.

К ним можно добавить различные другие аналитические функции. По сравнению с измерениями, выполненными с помощью независимого измерительного устройства, можно выполнять более подробные измерения, поскольку положение измерения можно выбирать во время просмотра изображения, полученного с помощью просвечивающего электронного микроскопа.