Просвечивающая электронная микроскопия
-
Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ)
- Метод микроскопии, при котором пучок электронов пропускается через образец для формирования изображения
- Изображение формируется в результате взаимодействия электронов с образцом
- ПЭМ способна получать изображения с высоким разрешением благодаря меньшей длине волны электронов
-
Применение ПЭМ
- Используется в физических, химических и биологических науках
- Применяется в исследованиях рака, вирусологии, материаловедении и других областях
- Работает в нескольких режимах, включая обычную визуализацию, STEM, дифракцию и спектроскопию
-
История ПЭМ
- Первая ПЭМ продемонстрирована в 1931 году Максом Кноллем и Эрнстом Руской
- В 1933 году группа разработала первую ПЭМ с разрешением, превышающим разрешение света
- В 1986 году Руска получил Нобелевскую премию за разработку ПЭМ
-
Развитие ПЭМ
- В 1873 году Эрнст Аббе предположил, что длина волны света ограничивает разрешающую способность микроскопов
- В 1858 году Плюкер наблюдал отклонение электронов магнитными полями
- В 1926 году Ханс Буш показал, что уравнение создателя линз может быть применено к электронам
- В 1931 году группа Кнолля успешно сгенерировала увеличенные изображения сетчатых решеток
- В 1932 году Руска предложил сконструировать электронный микроскоп для прямой визуализации образцов
- В 1933 году достигнуты более высокие увеличения, чем при использовании светового микроскопа
-
Дальнейшие исследования
- После Второй мировой войны Руска продолжил разработку электронного микроскопа
- В 1949 году состоялась первая международная конференция по электронной микроскопии
- В 1970-х годах Альберт Кру разработал полевой эмиссионный пистолет для создания STEM
- Крю продемонстрировал способность получать изображения атомов с помощью кольцевых изображений в темном поле
-
Конструкция ПЭМ
- Источник излучения: вольфрамовая нить накала, монокристалл гексаборида лантана или полевой эмиссионный пистолет
- Пушка подключена к источнику высокого напряжения, испускает электроны термоэлектронной или полевой эмиссией
- В случае термоэлектронного источника используется цилиндр Венельта для фокусировки и стабилизации тока
- В полевом источнике используются электростатические электроды для управления формой и интенсивностью электрического поля
-
Манипуляция электронным лучом
- Взаимодействие электронов с магнитным полем позволяет манипулировать лучом
- Электростатические поля отклоняют электроны на постоянный угол
- Соединение двух отклонений формирует смещение траектории луча
-
Оптика ПЭМ
- Линзы ПЭМ обеспечивают гибкость режимов работы и фокусировку до атомного масштаба
- Линзы изготавливаются из катушки соленоида с ферромагнитными материалами
- Регулируемые отверстия позволяют выбирать диапазон пространственных положений электронов
- Дефлекторы и стигматоры регулируют положение и угол наклона луча
-
Взаимность
- Теорема оптической взаимности утверждает, что амплитуда волны в точке B эквивалентна амплитуде в точке A
- Используется для понимания STEM и получения изображений
-
Дисплей и детекторы
- Ключевые факторы: квантовая эффективность детектора, функция разброса точек, функция передачи модуляции
- Системы визуализации: люминофорный экран, фотопленка, ПЗС-матрицы, цифровые детекторы
- Детекторы: CCD, MAPS, КМОП-матрицы, детекторы прямых электронов
-
Компоненты ПЭМ
- Вакуумная система: низкий вакуум для увеличения длины свободного пробега электронов, высокий вакуум для предотвращения электрической дуги
- Вакуумная система включает роторно-лопастные, мембранные и турбомолекулярные насосы
- Высоковольтные ПЭМ требуют сверхвысокого вакуума для предотвращения электрической дуги
-
Стадия отбора образцов
- Конструкция подставки для образцов включает воздушные шлюзы для минимизации потери вакуума
- Держатели для образцов предназначены для размещения сеток стандартного размера или самонесущих образцов
- Стандартные размеры сеток: 3,05 мм в диаметре, толщина и размер ячейки варьируются от нескольких до 100 мкм
-
Конструкция и использование сеток
- Сетки диаметром 3,05 мм и 2,3 мм используются в зависимости от типа эксперимента.
- Сетки 2,3 мм особенно полезны в минералогии.
- Электронно-прозрачные образцы имеют толщину менее 100 нм.
-
Манипуляции с образцом
- ПЭМ-стенд позволяет перемещать образец в плоскости XY и регулировать высоту по оси Z.
- Вращение образца доступно на специализированных держателях.
- Современные ПЭМ обеспечивают перемещение под двумя ортогональными углами наклона.
-
Критерии проектирования ступеней
- Ступени должны соответствовать механическим и электронно-оптическим ограничениям.
- Современные конструкции используют электрические конструкции сцены.
-
Типы держателей
- Держатели с боковым вводом: образец помещается рядом с наконечником стержня.
- Держатели с верхним вводом: образец загружается в отверстие картриджа.
-
Электронная пушка
- Состоит из нити накала, схемы смещения, колпачка Венельта и вытяжного анода.
- Пушка создает пучок электронов под заданным углом.
- Для нити накала требуются материалы с высокой температурой плавления или низкой рабочей функцией.
-
Электронная линза
- Фокусирует параллельные электроны на постоянном фокусном расстоянии.
- Используются электромагнитные катушки для создания выпуклой линзы.
- Линзы изготавливаются из железа, железо-кобальтовых или никель-кобальтовых сплавов.
-
Отверстия
- Кольцевые металлические пластины, пропускающие электроны дальше определенного расстояния от оптической оси.
- Уменьшают интенсивность пучка и удаляют электроны, рассеивающиеся под большими углами.
- Могут быть неподвижными или подвижными.
-
Методы визуализации
- Используют информацию из электронных волн для формирования изображения.
- Линзы проектора обеспечивают правильное позиционирование электронных волн.
- Наблюдаемая интенсивность изображения пропорциональна квадрату амплитуды волновых функций электронов.
-
Зависимость изображения от амплитуды и фазы электронов
- Изображение зависит от амплитуды и фазы электронов.
- Фазовые эффекты важны при меньших увеличениях.
- Для тонких образцов преобладают фазовые эффекты.
-
Режимы работы ПЭМ
- Визуализация: диафрагма объектива в задней фокальной плоскости.
- Дифракция: апертура выбранной области для точного определения области образца.
-
Формирование контраста
- Контраст определяется разницей в плотности электронов.
- Амплитудно-контрастный эффект достигается удалением части электронов.
- Дифракционный контраст возникает из-за кристаллографической ориентации зерна.
-
Типы амплитудного контраста
- Массо-толщинный контраст: более тяжелые области рассеивают электроны под большими углами.
- Дифракционный контраст: информация об ориентации кристаллов и дефектах.
-
Дифракционный контраст
- Образцы могут демонстрировать дифракционный контраст.
- Апертура объектива позволяет выбирать желаемые векторы взаимной решетки.
- Современные ПЭМЫ позволяют наклонять образец для получения определенных условий дифракции.
-
Фазовый контраст
- Кристаллическую структуру можно исследовать с помощью HRTEM.
- Изображения формируются из-за различий в фазе электронных волн.
- Фазовый контраст можно использовать для получения дополнительной информации.
-
Дифракция
- Дифракционная картина формируется путем регулировки магнитных линз.
- Дифракционные картины предоставляют информацию о симметриях и ориентации кристалла.
- Анализ дифракционных картин сложен и требует компьютерного моделирования.
-
Дифракция электронов сходящимся пучком (CBED)
- Сходящийся электронный волновой фронт создает тонкий зонд на поверхности образца
- Взаимодействие пучка с образцом дает информацию о структурных данных
-
Спектроскопия потерь энергии электронов (EELS)
- Электроны разделяются по спектру в зависимости от их скорости
- EEL-спектрометры позволяют выбирать конкретные значения энергии
- EELS может использоваться для создания изображений элементного состава
-
Трехмерное изображение
- Держатели для образцов позволяют поворачивать образец под разными углами
- Серия наклонов используется для построения трехмерного изображения
- Реконструкция выполняется в два этапа: выравнивание и реконструкция
-
Подготовка образцов
- Толщина образцов должна быть менее 100 нанометров
- Материалы наносятся на пленки или заливаются смолой
- Биологические образцы окрашиваются тяжелыми металлами или уранилацетатом
-
Рассечение тканей
- Биологическая ткань помещается в эпоксидную смолу и разрезается на тонкие срезы
- Ультрамикротом используется для получения тонких образцов
- Неорганические образцы также могут быть разрезаны на ультратонкие части
-
Окрашивание образца
- Образцы биологических тканей окрашиваются тяжелыми металлами для усиления контраста
- Отрицательное окрашивание используется для визуализации крупных белков
-
Механическое фрезерование
- Полировка используется для подготовки образцов к визуализации
- Полировальный состав из алмаза или кубического нитрида бора удаляет царапины
-
Методы тонкой обработки образцов
- Химическое травление: разбавление образцов кислотами для подготовки к ПЭМ.
- Ионное травление: распыление образцов инертными газами для финишной полировки.
- Ионное измельчение (FIB): использование ионов галлия для микромеханической обработки.
- Перенос с помощью нанопроволоки: минимизация напряжений и изгиба при перемещении образцов.
- Копирование: использование пленки из ацетата целлюлозы для репликации образцов.
-
Модификации ПЭМ
- Сканирующий просвечивающий электронный микроскоп (STEM): использование сходящегося луча для формирования изображения.
- Низковольтный электронный микроскоп (LVEM): работа при низком напряжении для увеличения контрастности.
- Криогенная просвечивающая электронная микроскопия (Cryo-TEM): использование образцов при низких температурах для получения изображений отдельных молекул.
-
Эксперименты на месте
- Высокотемпературная ПЭМ: наблюдение фазовых превращений при повышенных температурах.
- Проблемы с высокотемпературными держателями: коррекция смещения, измерение температуры, снижение разрешения.
- Методы калибровки температуры: ИК-пирометрия, рамановская спектроскопия, рентгеновская дифракция.
-
Оптимизация разрешения
- Коррекция сферических аберраций с помощью объектива.
- Использование монохроматоров для достижения разрешения 0,05 нм при зазоре между полюсами 5 мм.
-
Высокое разрешение ПЭМ
- Позволяет контролировать образец в диапазоне от сотен нанометров до нескольких ангстрем
- Визуализирует упругую и пластическую деформацию, движение кристаллографических дефектов
-
Механические деформирующие держатели
- Классические держатели: испытания на растяжение, изгиб, сдвиг
- Современные держатели: наноиндентирование, микроэлектромеханические системы
-
Наноиндентирование
- Проверка твердости материала с помощью твердого наконечника
- Измерение приложенного усилия и смещения образца
-
Микроэлектромеханические системы
- Дешевая и настраиваемая платформа для механических испытаний
- Активные и пассивные системы с различными приводами и датчиками
-
Сверхбыстрый и динамичный ПЭМ
- Временное разрешение до сотен фемтосекунд
- Динамическая ПЭМ: разрешение до десятков наносекунд и нанометров
-
Ограничения и пределы разрешения
- Трудоемкая пробоподготовка, изменение структуры образца
- Ограниченное поле зрения, вероятность повреждения образца
- Предел разрешающей способности: функция передачи контраста, сферические аберрации
-
Колебательная природа ПЭМ
- Некоторые пространственные частоты точно отображаются микроскопом
- Другие частоты подавляются
-
Методы повышения разрешающей способности
- Реконструкция фокальных рядов
- Преобразование Фурье изображений аморфного материала
-
Достижения в коррекции аберраций
- Уменьшение сферических аберраций
- Разрешение менее 0,5 ангстрема при увеличении более 50 миллионов раз
-
Применение HRTEM
- Получение изображений легких атомов, таких как литий
- Определение положения атомов в материалах
- Важность для нанотехнологий, гетерогенного катализа и полупроводниковых приборов
-
Дополнительные методы и ресурсы
- Электронный микроскоп
- Криоэлектронная микроскопия
- Дифракция электронов
- Спектроскопия потерь энергии электронов (EELS)
- Просвечивающая электронная микроскопия с фильтром энергии (EFTEM)
- Просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения (HRTEM)
- Низковольтный электронный микроскоп (LVEM)
- Прецессионная дифракция электронов
- Сканирующая конфокальная электронная микроскопия
-
Рекомендации и ресурсы
- Национальный центр электронной микроскопии, Беркли, Калифорния, США
- Национальный центр макромолекулярной визуализации, Хьюстон, Техас, США
- Национальный центр автоматизированной молекулярной микроскопии, Нью-Йорк, США
- Учебные курсы по просвечивающей электронной микроскопии
- Учебно-методический комплекс Кембриджского университета по ТЕА
- Онлайн-курс по просвечивающей электронной микроскопии и кристаллическим дефектам Эрика Стаха (2008)
- Тренажер просвечивающего электронного микроскопа (учебное пособие)
- Анимация и пояснения к различным типам микроскопов, включая электронные микроскопы (Парижский университет)