Просвечивающая электронная микроскопия

редактировать
Методика микроскопии ТЕМ-изображение кластера полиовируса. Вирус полиомиелита имеет диаметр 30 нм. File:Transmission Electron Microscope operating principle.ogvВоспроизведение носителя Принцип работы просвечивающего электронного микроскопа

Просвечивающая электронная микроскопия (ТЕМ ) представляет собой микроскопия метод, в пучок электронов проходит через образец для формирования изображения. Чаще всего образец представляет собой ультратонкий срез толщиной менее 100 нм или суспензию на сетке. Изображение формируется в результате встречи электронов с образцом, когда луч проходит через образец. Затем изображение увеличивается и фокусируется на устройстве формирования изображения, таком как флуоресцентный экран, слой фотопленки или датчик, такой как прикрепленный сцинтиллятор к устройство с зарядовой связью.

Просвечивающие электронные устройства способны формировать изображения со значительно более разрешением, чем световые микроскопы, благодаря меньшей длине волны де Бройля электронов. Это позволяет прибору улавливать мелкие детали - даже такие маленькие, как одиночный столбик элементов, который в тысячи раз меньше, чем разрешенный объект, видимый в световом микроскопе. Просвечивающая электронная микроскопия - один из основных аналитических методов в физических, химических и биологических науках. ТЕА находят применение в исследованиях рака, вирусологии и материаловедении, а также в загрязнении, нанотехнологиях и исследования полупроводников, но также и в других областях, таких как палеонтология и палинология.

Инструменты ПЭМ могут похвастаться огромным набором рабочих методов, включая традиционную визуализацию, сканирующую визуализацию ПЭМ (STEM), дифракция, спектроскопия и их комбинации. Даже в рамках обычного изображения существует множество основных способов создания контраста, называемых «механизмами контраста изображения». Контраст может возникнуть из-за различий между положением в толщине или плотности («контраст массы-толщины»), атомном номере («Z-контраст», относящемся к общепринятой аббревиатуре Z для атомного номера), кристаллической структуре или ориентации («кристаллографический контраст» или «дифракционный контраст»), небольшие квантово-механические фазовые сдвиги, которые отдельные атомы производят в электронах, проходящих через них («фазовый контраст»), энергию, теряемую электронами при прохождении через образец («фазовый контраст») и Больше. Каждый механизм сообщает пользователю различную информацию, зависящую не только от механизма контраста, но и от того, как используется микроскоп - настроек от линз, апертур и детекторов. Это означает, что ПЭМ способен к необычному разнообразию информации с нанометровым и атомным разрешением, в идеальных условиях. По этой причине важным инструментом нанонауки в области биологии, так и материаловедения.

Первый ПЭМ был применан Максом Ноллом и Эрнстом Руска в 1931 году, когда эта группа разработала первый ПЭМ с разрешением, превышающим разрешение света в 1933 году, и первый коммерческий ПЭМ в 1939 году. В 1986 году Руска была удостоена Нобелевской премии по физике за прогноз просвечивающей электронной микроскопии.

Содержание

  • 1 История
    • 1.1 Начальная разработка
    • 1.2 Улучшение разрешения
    • 1.3 Дальнейшие исследования
  • 2 Предпосылки
    • 2.1 Электроны
    • 2.2 Источник электронов
    • 2.3 Оптика
      • 2.3.1 Взаимность
    • 2.4 Дисплей и детекторы
  • 3 Компоненты
    • 3.1 Вакуумная система
    • 3.2 Предметный столик
    • 3.3 Электронная пушка
    • 3.4 Электронная линза
    • 3.5 Апертуры
  • 4 Методы визуализации
    • 4.1 Формирование контраста
      • 4.1.1 Дифракционный контраст
      • 4.1.2 Фазовый контраст
    • 4.2 Дифракция
      • 4.2.1 Спектроскопия потерь энергии электронов (EELS)
    • 4.3 Трехмерное изображение
  • 5 Подготовка образцов
    • 5.1 Срезы тканей
    • 5.2 Окрашивание
    • 5.3 Механическое фрезерование
    • 5.4 Химическое фрезерование
    • 5.5 Ионное травление
    • 5.6 Ионное фрезерование
    • 5.7 Репликация
  • 6 Модификации
    • 6.1 Сканирующий TEM
    • 6.2 Низковольтный электронный микроскоп
    • 6.3 Крио- ТЕМ
    • 6.4 Окружающая среда / ТЕА на местах е
    • 6.5 ТЕА с поправкой на аберрации
    • 6.6 Сверхбыстрый и динамический ТЕМ
  • 7 Ограничения
    • 7.1 Пределы разрешения
  • 8 См. Также
  • 9 Ссылки
  • 10 Внешние ссылки

История

Первоначальная разработка

Первый практический ТЕМ, установлен установленный в IG Farben-Werke, а теперь выставленный в Немецком музее в Мюнхене, Германия Просвечивающий электронный микроскоп (1976).

В 1873 году Эрнст Аббе предположил, что способность различать детали в объекте ограничена приблизительно длиной волны используемого света. в визуализации или несколько сотен нанометров для микроскопов видимого света. Разработки ультрафиолетовых (УФ) микроскопов, используемые Келером и Рором, увеличили разрешающую способность в два раза. Однако для этого требовалась дорогая кварцевая оптика из-за УФ стеклом. Считалось, что получение изображения с субмикронной информацией было невозможно из-за этого ограничения длины волны.

В 1858 году Плюккер наблюдал отклонение «катодных лучей» (электронов ) магнитными полями. Этот эффект был использован Фердинандом Брауном в 1897 году для создания простых электронно-лучевых осциллографов (CRO) измерительных устройств. В 1891 году Рике заметил, что позволяет создавать простые электромагнитные линзы. В 1926 году Ганс Буш опубликовал работу, расширяющую эту теорию, показал, что уравнение производителя линз можно, с добавлением допущениями, применить к электронам.

В 1928 г. Технический университет Берлина, Ад Матиас, профессор технологии высокого напряжения и электроустановок, назначил Макса Кнолля руководить группой исследователей для продвижения дизайна CRO. Команда состояла из нескольких докторантов, включая Эрнста Руска и Бодо фон Борриса. Исследовательская группа работала над дизайном линз и размещением столбцов CRO, чтобы оптимизировать параметры для построения лучших CRO и создать электронно-оптические компоненты для создания изображений с плохим дизайном (почти 1: 1). В 1931 году группа успешно создала увеличенные изображения сеток, размещенных над анодным отверстием. В устройстве использовались две магнитные линзы для большего увеличения, что, возможно, было создано для достижения первого электронного микроскопа. В том же году Рейнхольд Руденберг, научный руководитель компании Siemens, запатентовал электронный микроскоп с электростатической линзой.

Повышение разрешения

В то время электроны считались заряженными частями материи; Волновая природа электронов не была полностью осознана до публикации гипотезы Де Бройля в 1927 году. Исследовательская группа Кнолля не знала об этой публикации до 1932 года, когда они быстро поняли, что длина волны де Бройля электронов равна множеству на порядки меньше, чем для света, что теоретически позволяет получать изображения в атомных масштабах. (Даже для электронов с кинетической энергией всего в 1 вольт длина волны уже составляет 1,23 нм.) В апреле 1932 года приветствуется создание нового электронного микроскопа для прямого изображения, вставленных в микроскоп, а не простые сетчатые сетки или изображения апертур. С помощью этого устройства было достигнуто успешное дифракционное и нормальное изображение алюминиевого листа. Однако достижимое увеличение было ниже, чем при световой микроскопии. В сентябре 1933 г. были получены более высокие увеличения, чем те, которые доступны с помощью светового микроскопа, с изображениями хлопковых волокон, быстро получены до того, как они были повреждены электронным лучом.

В настоящее время интерес к электронному микроскопу увеличилась вместе с другими группами, такими как Пол Андерсон и Кеннет Фицсиммонс из ского государственного университета, а также группа Альберта Пребуса и Джеймса Хиллиера из Университета Торонто, который построил первые ТЕА в Северной Америке в 1935 и 1938 годах, соответственно, постоянно совершенствуя дизайн ТЕА.

Исследования на электронном микроскопе продолжались в Siemens в 1936 году, где целью исследования было развитие и улучшение свойств изображений с помощью ПЭМ, особенно в отношении биологических образцов. В то время для определенных групп производились электронные микроскопы, такие как устройство «EM1», используемое в Национальной физической лаборатории Великобритании. В 1939 году первый коммерческий электронный микроскоп, изображенный на фотографии, был установлен в физическом отделе IG Farben -Werke. Дальнейшая работа над электронным микроскопом была затруднена из-за разрушения новой лаборатории, построенной Сименсом в результате воздушного налета, а также смертью двух исследователей, Хайнца Мюллера и Фридрика Краузе во время Мир Вторая война.

Дальнейшие исследования

После Второй мировой войны Руска возобновил работу в Сименс, где он продолжил электронный микроскопа, выпустив первый микроскоп с размером 100k. Фундаментальная конструкция с доступной оптикой для подготовки луча до сих пор используется в современных микроскопах. Мировое сообщество электронной микроскопии продвинулось вперед с появлением электронных микроскопов, производимых в Манчестере, Великобритании, США (RCA), Германии (Siemens) и Японии (JEOL). Первая международная конференция по электронной микроскопии прошла в Делфте в 1949 году, и на ней присутствовало более ста человек. Более поздние конференции включали «Первую» международную конференцию в Париже в 1950 году, а затем в Лондоне в 1954 году.

С развитием ПЭМ, новая связанная с ним методика просвечивающей электронной микроскопии (STEM). повторно исследовались и оставались неразработанными до 1970-х годов, когда Альберт Кру из Чикагского университета разработал автоэмиссионную пушку и добавил высококачественные линзы объектива для создания современного STEM. Используя эту конструкцию, Крю представал способность отображать атомы с помощью кольцевой визуализации темного поля. Крю и его коллеги из Чикагского университета разработали источник холодной автоэлектронной эмиссии и создали STEM, способный визуализировать отдельные тяжелые атомы на тонких углеродных подложках. В 2008 году Янник Мейер и др. Прямая визуализация легких материалов, таких как углерод и даже водород, с использованием ПЭМ и чистой однослойной графеновой подложки.

Фон

Электроны

Теоретически максимальное разрешение, d, которое можно получить с помощью светового микроскопа, ограничено длиной волны фотонов, которые используются для зондирования образца, λ, и числовой апертурой системы, NA.

d = λ 2 n грех ⁡ α ≈ λ 2 NA {\ displaystyle d = {\ frac {\ lambda} {2n \ sin \ alpha}} \ приблизительно {\ frac {\ lambda} {2 \, {\ textrm {NA}}}}}d={\frac {\lambda }{2n\sin \alpha }}\approx {\frac {\lambda }{2\,{\textrm {NA}}}}

где n - показатель преломления среды, в которой работает линза, а α - максимальный полуугол конуса света, который может войти в объектив (см. числовую апертуру ). В начале двадцатого века ученые предложили способы обойти ограничения относительно большой длины волны видимого света (длина волн 400–700 нанометров ) с помощью электронов. Как и вся материя, электроны обладают как волновыми, так и частными свойствами (согласно теории Луи-Виктора де Бройля ), а их волнообразные свойства означают, что пучок электронов может фокусироваться и дифрагировать так же, как свет. Длина волны электронов связана с их кинетической энергией через уравнение де Бройля, в которой говорится, что длина волны обратно пропорциональна импульсу. Принимая во внимание релятивистские эффекты (поскольку в ПЭМ скорость электрона составляет значительную часть скорости, c) длина волны равна

λ e = h 2 m 0 E (1 + E 2 m 0 c 2) {\ displaystyle \ lambda _ { e} = {\ frac {h} {\ sqrt {2m_ {0} E \ left (1 + {\ frac {E} {2m_ {0} c ^ {2}}} \ right)}}}}{\displaystyle \lambda _{e}={\frac {h}{\sqrt {2m_{0}E\left(1+{\frac {E}{2m_{0}c^{2}}}\right)}}}}

где h - постоянная Планка, m 0 - масса покоя электрона, а E - кинетическая энергия ускоренного электрона. Электроны обычно генерируются в электронном микроскопе с помощью процесса, известного как термоэлектронная эмиссия из нити накала, обычно из вольфрама, таким же образом, как лампочка, или, альтернативно, с помощью поля . электронная эмиссия. Затем электроны ускоряют электрический потенциал (измеряется в вольт ) и фокусируются электростатическими и электромагнитными линзами на образец. Переданный луч содержит информацию о плотности электронов, фазе и периодичности ; этот луч используется для формирования изображения.

Источник электронов

Расположение оптических компонентов в базовом ПЭМ Вольфрамовая нить типа шпилька Монокристалл Нить накала LaB 6

Сверху вниз, ПЭМ состоит из источника или катода, который может быть вольфрамовой нитью или иглой, или гексаборидом лантана (LaB 6 ) монокристаллическим устройством. Пистолет подключается к источнику высокого напряжения (обычно ~ 100–300 кВ), и при наличии достаточного тока пушка начнет испускать электроны либо посредством термоэлектронной, либо автоэлектронной эмиссии в вакууме. В случае термоэмиссии Источник электронов обычно устанавливается в цилиндре Венельта для обеспечения предварительной фокусировки испускаемых электронов в пучок, а также стабилизации тока с помощью схемы пассивной обратной связи. В источнике автоэмиссии вместо этого используются электростатические электроды, называемые экстрактор, глушитель и линза пистолета, с различным напряжением на каждому, для управления и напряжением электрического поля. сити возле острого наконечника. Комбинацию катода и этих первых электростатических линз часто называют «электронной пушкой». После того, как он покидает пистолет, луч обычно ускоряется рядом электростатических пластин, пока он не достигнет своего конечного напряжения в следующей части микроскопа: система конденсорных линз. Эти верхние линзы ПЭМ затем фокусируют электронный луч до нужного размера и местоположения на образце.

Манипуляция электронным пучком выполняется с использованием двух физических эффектов. Взаимодействие электронов с магнитным полем заставит электроны двигаться в соответствии с правилами левой руки, что позволяет электромагнитам управлять электроннымлучом. Использование магнитных полей позволяет формировать магнитную линзу с помощью фокусирующей способности, причем форма линзы обусловлена ​​распределением магнитного потока. Кроме того, электростатические поля могут вызывать отклонение электронов на постоянный угол. Сочетание двух отклонений в противоположных направлениях с промежуточным зазором позволяет сформировать сдвиг на пути луча, что позволяет сдвиг луча в ПЭМ, что важно для STEM. Этим двум эффектом, а также использованием системы электронного изображения, можно в достаточной степени контролировать луча для работы ПЭМ. Оптическая конфигурация ПЭМ может быть быстро изменена, в отличие от оптического микроскопа, поскольку линзы на пути луча могут быть включены, их сила изменена или полностью отключена просто с помощью быстрого электрического переключения, скорость которого ограничена такими эффектами, как магнитный гистерезис линз.

Оптика

Объективы ПЭМ - это то, что придает ему гибкость в режимах работы и способность фокусировать лучи до атомного масштаба и увеличивать их обратно, чтобы получить изображение на камеру. Линза обычно из соленоидной катушки, почти окруженной ферромагнитными материалами, предназначенной для концентрации магнитного поля катушки в точной, ограниченной. Когда электрон входит в это магнитное поле и покидает его, он вращается по спирали вокруг изогнутых силовых линий поля, действуя во многом так же, как обычная стеклянная линза для света - это собирающая линза. Но, в отличие от стеклянной линзы, магнитная линза может очень легко изменить силу фокусировки, просто регулируемый ток, проходящий через катушки. Это гибкость работы, которая еще больше увеличивает, когда линзы собираются в стопки независимых линз, каждая из которых может фокусировать, расфокусировать, увеличивать и / или коллимировать луч, исходящий от предыдущей линзы. Это позволяет системе с одной линзой между образцом и образцом (система «конденсаторных линз») параллельный луч диаметром более 1 миллиметра, сфокусированный луч меньше атома или что-то среднее. Дополнительный стек линз, система линз "промежуточный / проектор", находится после образца. Его можно настроить для получения сфокусированной дифракционной картины или изображения образца с увеличением, изменяющимся в огромном диапазоне. Многие одиночные микроскопы могут охватывать диапазон увеличения от примерно 100X до более чем 1000000X.

Не менее важны для линз и диафрагмы. Это круглые отверстия в тонких полосах тяжелого металла, размещенные в хорошо выбранных точках колонны линз. Некоторые из них имеют фиксированный размер и положение и играют важную роль в ограничении генерации рентгеновских лучей и улучшении характеристик вакуума. Они также препятствуют прохождению электронов через внешние части магнитных линз, которые из-за больших аберраций линз крайне плохо фокусируют электронные пучки. Другие можно свободно переключать между несколькими размерами и регулировать их положение. Эти «переменные апертуры» используются для определения тока луча, достигающего образца, а также для улучшения способности фокусировать луч. Переменные апертуры после положения образца дополнительно позволяют пользователю выбирать диапазон пространственных положений или углов рассеяния электронов, которые будут использоваться при формировании изображения или дифракционной картины. При умелом использовании эти отверстия позволяют чрезвычайно точно и детально изучать дефекты кристаллов.

Электронно-оптическая система также включает дефлекторы и стигматоры, обычно сделанные из небольших электромагнитов. В отличие от линз, магнитные поля, создаваемые дефлекторами, ориентированы в первую очередь на отклонение луча, а не на его фокусировку. Дефлекторы позволяют независимо контролировать положение и угол луча в позиции образца (что важно для STEM), а также гарантируют, что лучи остаются рядом с центрами с низкой аберрацией каждой линзы в пакетах линз. Стигматоры обеспечивают вспомогательную тонкую фокусировку, компенсируя небольшие дефекты и аберрации, вызывающие астигматизм - линзы имеют разную силу фокусировки в разных направлениях.

Обычно ПЭМ состоит из трех этапов линзирования. Ступени - это линзы конденсатора, линзы объектива и линзы проектора. Линзы конденсатора отвечают за формирование первичного луча, в то время как линзы объектива фокусируют луч, который проходит через сам образец (в режиме сканирования STEM над образцом также есть линзы объектива, чтобы падающий электронный пучок сходился). Линзы проектора используются для распространения луча на люминофорный экран или другое устройство формирования изображения, такое как пленка. Увеличение ПЭМ связано с соотношением расстояний между образцом и плоскостью изображения линзы объектива. Дополнительные стигматоры позволяют корректировать асимметричные искажения луча, известные как астигматизм. Следует отметить, что оптические конфигурации ПЭМ значительно различаются в зависимости отвыходной поверхности образца существуют два типа электронов - нерассеянные (которые соответствуют яркому центральному пучку на дифракционной картине) и рассеянные электроны (которые меняют свои траектории из-за взаимодействия с материалом).

В режиме визуализации апертура объектива вставлена ​​в заднюю фокальную плоскость (BFP) линзы объектива (где образуются дифракционные пятна). Если использовать апертуру объектива для выбора только центрального луча, прошедшие электроны проходят через апертуру, в то время как все остальные блокируются, и получается изображение в ярком поле (изображение BF). Если мы разрешаем сигнал от дифрагированного луча, получается изображение темного поля (изображение DF). Выбранный сигнал увеличивается и проецируется на экран с помощью линз Intermediate и Projector. Таким образом получается изображение образца.

В режиме дифракции можно использовать апертуру выбранной области для более точного определения области образца, из которой будет выбран сигнал. Изменяя силу тока к промежуточной линзе, дифракционная картина проецируется на экран. Дифракция - очень мощный инструмент для реконструкции ячеек и определения ориентации кристаллов.

Формирование контраста

Контраст между двумя соседними областями на изображении ПЭМ можно определить как разницу в плотностях в изображениях плоскости. Из-за рассеяния падающего луча на образце амплитуда и фазы электронной волны изменяются, что приводит к амплитуде контрасту и фазовому контрасту, соответственно. Большинство изображений имеют оба контрастных компонента.

Амплитуда - контраст получается за счет удаления части электронов перед плоскостью изображения. Во время взаимодействия с образцом часть электронов будет потеряна из-за или из-за рассеяния на очень большие углы, превышающие физические ограничения микроскопа, или заблокированы апертурой объектива. Хотя первые две неудачи связаны с конструкцией образца и микроскопа, апертура объездная инсульт оператором для увеличения контраста контраста.

Демонстрация контраста BF и DF. ПЭМ-изображение поликристаллической пленки Pt

На рисунке справа показано ПЭМ-изображение (а) и соответствующая дифракционная пленка (b) поликристаллической пленки Pt, снятые без апертуры объектива. Чтобы повысить контраст изображения ПЭМ, необходимо уменьшить количество рассеянных лучей, видимых на дифракционной картине. Это можно сделать, выбрав определенную область в задней фокальной плоскости, такую ​​как только центральный луч или определенный дифрагированный луч (угол), или такие комбинации лучей. Умышленно апертуру объектива, которая позволяет только недифрагированному лучу выходить за пределы задней фокальной плоскости (и на плоскость изображения): создается изображение в светлом поле (BF) (c), тогда как если центральный, не дифрагированный луч блокируется: можно получить изображения в темном поле (DF), такие как показанные на (de). Изображения DF (d-e) были получены путем выбора дифрагированных лучей, обозначенных на дифракционной картине кружками (b), с использованием апертуры в задней фокальной плоскости. Зерна, от которых электроны рассеиваются в этих дифракционных пятнах, выглядят ярче. Более подробная информация о формировании дифракционного контраста ниже.

Существует два типа амплитудного контраста - масса - толщина и дифракционный контраст. Во-первых, давайте рассмотрим контраст массы и толщины . Когда луч освещает две соседние области с малой массой (или толщиной) и большой массой (или толщиной), более тяжелая область рассеивает электроны под большими углами. Эти сильно рассеянные электроны блокируются в режиме BF TEM апертурой объектива. В результате более тяжелые области кажутся более темными на изображениях BF (имеют низкую интенсивность). Контраст массы и толщины наиболее важен для некристаллических аморфных материалов.

Дифракционный контраст возникает из-за кристаллографической ориентации зерна. В таком случае кристалл находится в так называемом состоянии Брэгга, при котором атомные плоскости ориентированы таким образом, что существует высокая вероятность рассеяния. Таким образом, дифракционный контраст дает информацию об ориентации кристаллов в поликристаллическом образце. Обратите внимание, что в случае наличия дифракционного контраста, контраст не может быть интерпретирован как результат изменения массы или толщины.

Дифракционный контраст

Электронная микрофотография дислокаций в стали, которые являются дефектами в кристаллической решетки в атомном масштабе.

Образцы могут демонстрировать дифракционный контраст, в результате чего электронный луч подвергается брэгговскому рассеянию, которое в случае кристаллического образца рассеивает электроны в дискретных местах в задней фокальной плоскости . Путем размещения апертур в задней фокальной плоскости, то есть апертуры объектива, можно выбрать (или исключить) желаемые брэгговские отражения таким образом, только те части образца, которые вызывают рассеяние электронов на выбранные отражения, будут проецироваться на аппарат визуализации.

Если выбранные отражения не включают нерассеянный луч (который появится в фокусе линзы), то изображение будет темным везде, где отсутствует рассеяние образца до выбранного пика, так как такая область без образца будет темной. Это изображение называется темным полем.

Современные образцы, которые позволяют использовать наклонные образцы под разными углами для определения условий дифракции, отверстия, расположенные над образцом, позволяют выбирать электроны, которые в обратном направлении дифрагировать в определенном направлении от входа в образец.

Применения этого метода включения идентификации дефектов решетки в кристаллах. Тщательно подобрав ориентацию образца, можно не определить положение дефектов, но и определить имеющееся дефекта. Если образец ориентирован так, то одна конкретная плоскость лишь слегка наклонена от самого сильного угла дифрагирования (известный как угол Брэгга ), любое искажение плоскости кристалла, которое локально наклоняет плоскость к углу Брэгга, будет особенно сильные вариации контраста. Однако дефекты, которые создают только смещения элементов, которые не наклоняют кристалл до угла Брэгга (т. Е. Смещения, параллельные плоскости кристалла), не создают сильного контраста.

Фазовый контраст

Кристаллическая структура также может быть исследована с помощью просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения (HRTEM), также известной как фазовый контраст. При использовании автоэмиссионного источника и образца однородной толщины изображения формируются из-за различий в фазах электронных волн, вызванного воздействием образцов. Формирование изображения определяется комплексным модулем входящего электронного лучей. Таким образом, изображение зависит не только от количества электронов, попадающих на экран, что усложняет прямую интерпретацию фазово-контрастных изображений. Однако этот эффект можно использовать с пользой, чтобы использовать больше информации об образце, как им можно управлять, например, в сложных методах поиска фазы.

Дифракция

Кристаллическая дифракционная картина от сдвоенного зерна аустенитной стали FCC

Как указывалось ранее, путем регулировки магнитных линз таким образом, чтобы задняя фокальная плоскость линзы, не плоскость изображения была помещена на изображение изображения. может быть сформирована дифракционная картина. Для тонких кристаллических образцов это дает изображение, состоящее из рисунка из точек в случае монокристалла или ряда колец в случае поликристаллического или аморфного твердого тела материал. Для случая монокристалла дифракционная картина зависит от ориентации образца и структуры образца, освещенного электронным лучом. Это изображение исследователю информацию о симметрии пространственной группы в кристалле и ориентации кристалла на пути луча. Обычно это делается без использования какой-либо информации, кроме положения, в котором появляются изображения, наблюдаемые симметрии.

Дифрактограммы могут иметь большой динамический диапазон, а для кристаллических образцов иметь интенсивность больше, чем те, которые записываются с помощью ПЗС. Пленка для одноразового использования.

Линии Кикучи сходящегося луча от кремния, около оси зоны [100]

Анализ дифракционных картин за пределами точки может быть сложным, как изображение чувствительно к ряду факторов, таких как толщина образца ориентации, расфокус линзы объектива, сферическая и хроматическая аберрация. Хотя количественная интерпретация контраста, показанного на изображениях решетки, возможна, она по своей сути сложна и может использовать такого обширного компьютерного моделирования и анализа, как электронный мультисрезовый анализ.

Более сложное поведение при дифракции плоскость также возможна, с такими явлениями, как линии Кикучи, проявляющие в результате множественной дифракции внутри кристаллической решетки. В дифракции электронов на сходящемся пучке (CBED), где непараллельный, т. Е. Сходящий, электронный волновой пучок взаимодействует с электронным пучком.

Спектроскопия потерь энергии электронов (EELS)

Используя передовую методику спектроскопии потерь энергии электронов (EELS), для ТЕМ, оборудованных соответствующим образом, электроны могут быть разделены в спектр на основе их скорости (которая связана связана с их кинетической энергией и, следовательно, потерями энергии из луча), с использованием устройств на основе магнитного сектора, известных как спектрометры EEL. Эти устройства взаимодействуют с образцом энергии. Например, разные элементы в образце приводят к разной энергии электронов в пучке после образца. Обычно это приводит к хроматической аберрации, однако этот эффект можно, например, использовать для создания изображения.

Спектрометры EELS часто могут работать как в спектроскопическом режиме, так и в режиме визуализации, что позволяет изолировать или отклонять упруго рассеянных пучков. Для многих представляющих интерес сигналов, визуализацию EELS можно использовать для увеличения контрастности представленных изображений, включая как яркое поле, так и дифракцию, путем отбрасывания нежелательных компонентов.

Трехмерное изображение

File:TEM-parapoxvirus-tomograph.ogvВоспроизвести носитель Трехмерное изображение парапоксвируса с помощью ПЭМ

Образцы образцов для ПЭМ обычно позволяют вращать образец на желаемый угол, несколько изображений тот же образец можно получить, повернув под углом вдоль оси, перпендикулярной пучку. Путем нескольких изображений одного образца ПЭМ под разными углами, обычно с шагом в 1 °, можно собрать набор изображений, известный как «серия наклона». Эта методология была предложена в 1970-х Уолтером Хоппе. В условиях чисто абсорбционного контраста этот набор изображений можно использовать для построения трехмерного представления образца.

Реконструкция выполняется в двухэтапном процессе, первые изображения выравниваются для учета ошибок в размещение образца; такие ошибки могут возникать из-за вибрации или механического дрейфа. В методах выравнивания используются алгоритмы регистрации изображений, такие как методы автокорреляции для исправления этих ошибок. Во-вторых, с использованием алгоритма реконструкции, такого как обратная проекция с фильтром, выровненные срезы изображения могут быть преобразованы из набора двумерных изображений, I j (x, y), в одиночное трехмерное изображение, I 'j (x, y, z). Это трехмерное изображение представляет особый интерес, когда требуется морфологическая информация, дальнейшее изучение может быть предпринято с использованием компьютерных алгоритмов, таких как изоповерхности и срезы данных для анализа данных.

Поскольку образцы ПЭМ обычно невозможно просмотреть при полном повороте на 180 °, наблюдаемые изображения обычно страдают от «недостающего клина» данных, который при использовании методов обратной проекции на основе Фурье уменьшается диапазон разрешаемых частот при трехмерной реконструкции. Механические усовершенствования, такие как многоосевой наклон (две серии наклона одного и того же образца, выполненные в ортогональных направлениях) и коническая томография (где образец сначала наклоняется на заданный фиксированный угол, а затем изображение отображается с равными угловыми приращениями за один полный оборот в плоскость сетки образца) может использоваться для ограничения влияния отсутствующих данных на наблюдаемую морфологию образца. Используя фрезерование сфокусированным ионным пучком , была предложена новая технология, в которой используется образец в форме столба и специальный держатель для томографии на оси для выполнения поворота образца на 180 ° внутри полюсного наконечника линзы объектива в ПЭМ.. Используя такие устройства, возможна количественная электронная томография без недостающего клина. Кроме того, существуют численные методы, которые могут улучшить собираемые данные.

Все вышеупомянутые методы включают регистрацию серии наклона заданного поля образца. Это неизбежно приводит к суммированию большой дозы реактивных электронов через образец и сопутствующему разрушению мелких деталей во время записи. Поэтому для смягчения этого эффекта регулярно применяется метод визуализации с низкой дозой (минимальная доза). Визуализация с низкой дозой выполняется путем одновременного отклонения областей освещения и формирования изображения от оптической оси для изображения области, прилегающей к области, которая должна быть записана (область высокой дозы). Эта область поддерживается в центре во время наклона и перефокусируется перед записью. Во время записи отклонения устраняются, так что интересующая область подвергается воздействию электронного луча только в течение времени, необходимого для получения изображения. Усовершенствованием этого метода (для объектов, лежащих на наклонной пленке-подложке) является наличие двух симметричных внеосевых областей для фокусировки с последующей установкой фокуса на среднее из двух значений фокусировки с высокой дозой перед записью интересующей области с низкой дозой..

Нетомографические варианты этого метода, называемые анализом отдельных частиц, используют изображения нескольких (будем надеяться) идентичных объектов в разных ориентациях для получения данных изображения, необходимых для трехмерной реконструкции. Если объекты не имеют значительных предпочтительных ориентаций, этот метод не страдает от отсутствия клина (или конуса) данных, который сопровождает томографические методы, и не требует чрезмерной дозировки излучения, однако он предполагает, что различные отображаемые объекты можно рассматривать так, как если бы Сгенерированные на их основе трехмерные данные возникли из единого устойчивого объекта.

Подготовка образца

Образец клеток (черный), окрашенных тетроксидом осмия и уранилацетатом, залитый в эпоксидную смолу (янтарный), готовый к сечению.

Подготовка образца в ПЭМ может быть сложной процедурой. Образцы ПЭМ должны быть менее 100 нанометров для обычного ПЭМ. В отличие от нейтронного или рентгеновского излучения, электроны в пучке легко взаимодействуют с образцом, эффект, который примерно увеличивается с увеличением квадрата атомного номера (Z). Образцы высокого качества будут иметь толщину, сравнимую со средней длиной свободного пробега электронов, проходящих через образцы, которая может составлять всего несколько десятков нанометров. Подготовка образцов для ПЭМ зависит от анализируемого материала и типа информации, которую необходимо получить от образца.

Материалы, размеры которых достаточно малы, чтобы быть прозрачными для электронов, такие как порошкообразные вещества, мелкие организмы, вирусы или нанотрубки, могут быть быстро приготовлены путем нанесения разбавленного образца, содержащего образец, на пленки на опорных решетках. Биологические образцы могут быть залиты смолой, чтобы выдерживать высокий вакуум в камере для образцов и позволять разрезать ткань на прозрачные для электронов тонкие срезы. Биологический образец может быть окрашен с использованием отрицательного окрашивающего материала, такого как уранилацетат для бактерий и вирусов, или, в случае встроенных срезов, образец может быть окрашен тяжелыми металлами., в том числе четырехокись осмия. В качестве альтернативы образцы можно выдерживать при температурах жидкого азота после погружения в стекловидный лед. В материаловедении и металлургии образцы обычно могут выдерживать высокий вакуум, но все же должны быть приготовлены в виде тонкой фольги или протравлены, чтобы некоторая часть образца была достаточно тонкой для проникновения луча. Ограничения по толщине материала могут быть ограничены сечением рассеяния атомов, из которых состоит материал.

Срезы тканей

Лезвие алмазного ножа, используемое для разрезания ультратонких срезов (обычно от 70 до 350 нм) для просвечивающей электронной микроскопии.

Биологическая ткань часто заделывается в блок смолы, а затем истончается до менее 100 нм на ультрамикротоме. Блок из смолы ломается, когда проходит по кромке стеклянного или алмазного ножа. Этот метод используется для получения тонких, минимально деформированных образцов, которые позволяют наблюдать ультраструктуру тканей. Неорганические образцы, такие как алюминий, также могут быть погружены в смолы и ультратонкие срезы таким образом с использованием либо стеклянных, сапфировых, либо алмазных ножей с большим углом наклона. Чтобы предотвратить накопление заряда на поверхности образца при просмотре в ПЭМ, образцы ткани необходимо покрыть тонким слоем проводящего материала, например углерода.

Окрашивание образца

Срез клетки Bacillus subtilis, полученный с помощью ТЕМ Tecnai T-12. Масштабная линейка составляет 200 нм.

Образцы биологических тканей для ПЭМ нуждаются в окрашивании с высоким атомным номером для усиления контраста. Пятно поглощает электроны пучка или рассеивает часть электронного пучка, который в противном случае проецируется на систему визуализации. Соединения тяжелых металлов, таких как осмий, свинец, уран или золотомаркировке иммунозолота ) можно использовать до наблюдения с помощью ПЭМ для избирательного осаждения электронно-плотных атомов в образце или на нем в желаемой клеточной или белковой области. Этот процесс требует понимания того, как тяжелые металлы связываются с конкретными биологическими тканями и клеточными структурами.

Механическое измельчение

Механическое полирование также используется для подготовки образцов для визуализации на ПЭМ. Полировка должна выполняться с высоким качеством, чтобы гарантировать постоянную толщину образца в интересующей области. Алмазный полировальный состав или кубический нитрид бора может использоваться на заключительных этапах полировки для удаления любых царапин, которые могут вызвать колебания контраста из-за различной толщины образца. Даже после тщательного механического фрезерования могут потребоваться дополнительные тонкие методы, такие как ионное травление, для выполнения окончательного утонения.

Химическое травление

Некоторые образцы могут быть приготовлены химическим травлением, особенно металлические образцы. Эти образцы разбавляют с использованием химического травителя, такого как кислота, чтобы подготовить образец для наблюдения с помощью ПЭМ. Устройства для управления процессом утонения могут позволить оператору управлять либо напряжением, либо током, проходящим через образец, и могут включать системы для определения того, когда образец был разбавлен до достаточного уровня оптической прозрачности.

Ионное травление

Ионное травление - это процесс распыления, с помощью которого можно удалить очень мелкие количества материала. Используется для финишной полировки образцов, отполированных другими способами. Ионное травление использует инертный газ, пропущенный через электрическое поле, для создания потока плазмы, который направляется к поверхности образца. Энергия ускорения для газов, таких как аргон, обычно составляет несколько киловольт. Образец можно вращать для обеспечения равномерного полирования поверхности образца. Скорость напыления таких методов составляет порядка десятков микрометров в час, что ограничивает метод только чрезвычайно тонкой полировкой.

Ионное травление газообразным аргоном, как недавно было показано, может спиливать структуру стопки MTJ до определенного слоя, который затем подвергается атомарному разделению. ПЭМ-изображения, полученные в виде сверху, а не в поперечном сечении, показывают, что слой MgO внутри MTJ содержит большое количество границ зерен, которые могут ухудшать свойства устройств.

Ионное измельчение

Сканирующий электронный микроскоп изображение тонкого образца ПЭМ, измельченного на FIB. Показанная здесь тонкая мембрана подходит для исследования ПЭМ; однако при толщине ~ 300 нм он не подходит для ПЭМ высокого разрешения без дальнейшего измельчения.

В последнее время для приготовления образцов использовались методы сфокусированного ионного пучка. ФИП - это относительно новый метод подготовки тонких образцов для ПЭМ-исследования из более крупных образцов. Поскольку FIB можно очень точно использовать для микромашиностроения образцов, можно фрезеровать очень тонкие мембраны из определенной интересующей области в образце, такой как полупроводник или металл. В отличие от распыления ионами инертного газа, FIB использует значительно более энергичные ионы галлия и может изменять состав или структуру материала посредством имплантации галлия.

Репликация

Staphylococcus aureus платиновая копия изображения, снятого на ПЭМ с увеличением 50,000x.

Образцы также могут быть воспроизведены с использованием пленки ацетата целлюлозы, пленка впоследствии покрыта тяжелым металлом, таким как платина, исходная пленка растворяется, а копия отображается на ПЭМ. Варианты метода реплик используются как для материалов, так и для биологических образцов. В материаловедении обычно используется для исследования свежей поверхности излома металлических сплавов.

Модификации

Возможности ПЭМ могут быть дополнительно расширены за счет дополнительных столиков и детекторов, иногда встроенных в тот же микроскоп.

Сканирующий TEM

TEM может быть преобразован в сканирующий просвечивающий электронный микроскоп (STEM) путем добавления системы, которая растрирует сходящийся пучок по образцу для формирования изображение в сочетании с подходящими детекторами. Сканирующие катушки используются для отклонения луча, например, путем электростатического сдвига луча, при этом луч затем собирается с помощью детектора тока, такого как чаша Фарадея, которая действует как прямой счетчик электронов. Сопоставляя счетчик электронов с положением сканирующего луча (известного как «зонд»), можно измерить переданный компонент луча. Непереданные компоненты могут быть получены либо путем наклона луча, либо с помощью кольцевых детекторов темного поля.

Схематическая диаграмма лучей, иллюстрирующая оптическую взаимность между ПЭМ (слева) и STEM (справа). Угол схождения в ТЕМ, α T {\ displaystyle \ alpha _ {T}}\alpha _{T}, становится углом сбора в STEM, β S {\ displaystyle \ beta _ {S}}\beta _{S}. Изображение вдохновлено Хреном и др.

По сути, ТЕМ и STEM связаны посредством взаимности Гельмгольца. STEM - это TEM, в котором источник электронов и точка наблюдения переключены относительно направления движения электронного луча. Смотрите лучевые диаграммы на рисунке справа. Инструмент STEM эффективно использует ту же оптическую схему, что и TEM, но работает, изменяя направление движения электронов (или время реверсирования) во время работы TEM. Вместо использования апертуры для управления обнаруженными электронами, как в ПЭМ, в ПЭМ используются различные детекторы с углами сбора, которые можно регулировать в зависимости от того, какие электроны пользователь хочет улавливать.

Электронный микроскоп низкого напряжения

A Электронный микроскоп низкого напряжения (LVEM) работает при относительно низком ускоряющем напряжении электронов в диапазоне 5–25 кВ. Некоторые из них могут быть комбинацией SEM, TEM и STEM в одном компактном приборе. Низкое напряжение увеличивает контраст изображения, что особенно важно для биологических образцов. Это увеличение контрастности значительно снижает или даже устраняет необходимость окрашивания. В режимах ПЭМ, СЭМ и СТЭМ возможно разрешение нескольких нм. Низкая энергияэлектронный луча Сообщение, что постоянные магниты инкассаторская в качестве линз и, таким образом, штатная миниатюрная колонка, не приветствующая охлаждения.

Cryo-TEM

Основная статья: Трансмиссионная электронная криомикроскопия

В криогенной просвечивающей электронной микроскопии (Cryo-TEM) используется ПЭМ с держателем образца, способным поддерживать образец при температурех жидкого азота или жидкого гелия. Это позволяет визуализировать образцы, полученные в стекловидном льду, что является предпочтительным методом подготовки для визуализации отдельных молекул или макромолекулярных сборок, визуализировать границы раздела между стекловидным твердым телом и электролизером, а также визуализировать материалы, летучие при вакуумной температуре, такой как сера.

Окружающая среда / ТЕМ на месте

Эксперименты на месте также можно проводить в ПЭМ с использованием камер для образцов с испытой откачкой или специальных держателей. Типы экспериментов на месте включают изучение наноматериалов, биологических и химических материалов с использованием жидкофазной электронной микроскопии и тестирование деформации материала.

ТЕМ с поправкой на аберрации

Современные исследовательские ПЭМ могут включать в себя корректоры аберрации, чтобы уменьшить количество искажений в изображении. Также можно использовать монохроматоры падающего пучка, которые уменьшают разброс энергии падающего электронного пучка до менее 0,15 эВ. Основные производители ТЕМ с исправленными аберрациями включают JEOL, Hitachi High-Technologies, FEI Company и NION.

Сверхбыстрый и динамический ПЭМ

С помощью импульсных электронов можно достичь временного разрешения, значительно превышающего скорость считывания детекторов электронов. Чтобы включить фотоэмиссию, инициируемую лазером, либо путем установки сверхбыстрого глушителя луча, либо путем установки лазерного луча. Этот подход называется сверхбыстрой просвечивающей электронной микроскопией, когда используется стробоскопическая электроника накачка-зонд освещение: изображение формируется путем накопления импульсов электронных импульсов с фиксированной временной задержкой между приходом электронного импульса и возбуждения образца. С другой стороны, использование электронных изображений одного или короткой использования электронных ламп. В сверхбыстрой ПЭМ возможно временное разрешение до сотен фемтосекунд и пространственное разрешение, сравнимое с разрешением, доступным для источника автоэлектронной эмиссии Шоттки, но этот метод позволяет отображать только обратимые процессы, которые могут воспроизводиться миллионы раз. Динамический ПЭМ может разрешить необратимые процессы с точностью до десятков наносекунд и десятков нанометров.

Ограничения

Метод ПЭМ имеет ряд недостатков. Многие материалы требуют тщательной подготовки образца для получения образца, достаточно тонкого, чтобы быть прозрачным для электронов, что делает анализ ПЭМ относительно трудоемким процессом с низкой производительностью образцов. Структура образца также может быть измененным в процессе подготовки. Кроме того, поле зрения относительно невелико, что повышает вероятность того, что анализируемая область может не быть характерной для всего образца. Существует вероятность того, что образец может быть поврежден электронным лучом, особенно в случае биологических материалов.

Пределы коррекции

Эволюция пространственного разрешения, достигаемого с помощью оптических, просвечивающих (TEM) и электронных микроскопов с помощью аберраций (ACTEM).

Предел разрешения, достигаемый в TEM, можно описать границы пространства, и обычно называется информационным пределом микроскопа. Одним из часто используемых значений является значение отсечки передаточной функции контраста, функции, которые обычно цитируется в частотной области для определения воспроизведения пространственных частот объектов в предметной плоскости оптикой микроскопа. Частота отсечки q max для передаточной функции может быть аппроксимирована следующим уравнением, где C s - коэффициент сферической аберрации , а λ - длина волны электрона:

q макс = 1 0,67 (C s λ 3) 1/4. {\ displaystyle q _ {\ max} = {\ frac {1} {0,67 (C_ {s} \ lambda ^ {3}) ^ {1/4}}}.}q_{\max }={\frac {1}{0.67(C_{s}\lambda ^{3})^{1/4}}}.

Для микроскопа на 200 кВ с частичным скорректированными сферические аберрации («до третьего порядка») и значение C s, равное 1 мкм, теоретическое значение отсечки может быть 1 / q max = 42 пм. Тот же микроскоп без корректора имел бы C s = 0,5 мм и, следовательно, границу границы 200 мкм. Сферические аберрации подавляются до третьего или пятого порядка в микроскопах «с коррекцией аберрации ». Однако их разрешение ограничено геометрией источника электронов, яркими и хроматическими аберрациями системе линз объектива.

Представление функций передачи контраста в частотной области может иметь колебательный характер, который можно настроить путем регулировки фокусного расстояния. стоимость линзы объектива. Этот колебательный характер точно включает в себя. Комбинируя несколько изображений с разными пространственными частотами, можно использовать такие методы, как реконструкция фокальной серии, для улучшения разрешения ПЭМ ограниченным образом. Передаточную функцию контраста можно до некоторой степени экспериментально аппроксимировать с помощью таких методов, как преобразовать Фурье изображений аморфного материала, такого как аморфный углерод.

. Совсем недавно достижения в конструкции корректора аберраций позволили уменьшить сферические аберрации и для достижения разрешения менее 0,5 Ангстремов (50 мкм) при увеличении более 50 миллионов раз. Повышенное разрешение позволяет получать изображения более легких предметов, которые эффективно рассеивают электроны, например, методы лития в материалах литиевых батарей. Возможность создания положения элементов в материалах HRTEM сделала незаменимым инструментом для нанотехнологий исследования и разработки во многих областях, включая гетерогенный катализ и программу полупроводниковых устройств. для электроники и фотоники.

См. Также

Ссылки

Внешние ссылки

На Викискладе есть материалы, связанные с Просвечивающим электронным микроскопом.
Th
Последняя правка сделана 2021-06-11 09:57:38
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru