Сфери застосування електронних мікроскопів

Напівпровідники і зберігання данних

• Редагування схем

• Метрологія 3D

• Дефектний аналіз

• Аналіз пошкоджень

Біологія і біологічні науки

• Кріобіологія

• Локалізація білків

• Електронна томографія

• Клітинна томографія

• Кріо-електронна ікроскопія

• Токсикологія

• Біологічне виробництво і моніторинг завантаження вірусів

• Аналіз часток

• Фармацевтичний контроль якості

• 3D зображення тканин

• Вірусологія

• Стеклування

Наукові дослідження

• Кваліфікація матеріалів

• Підготовка матеріалів і зразків

• Створення нанопрототипів

• Нанометрологія

• Тестування і отримання характеристик пристроїв

Промисловість

• Створення зображень викої роздільної здатності

• Отримання мікрохарактеристик 2D та 3D

• Макрозразки для нанометричної метрології

• Виявлення і отримання параметрів часток

• Конструювання прямого пучка

• Експерименти з динамічними матеріалами

• Підготовка зразків

• Судова експертиза

• Добування і аналіз корисних копалин

• Хімія/нафтохімія

Основні світові виробники електронних мікроскопів

• Delong Group

• FEI Company — США (злилася з Philips Electron Optics)

• FOCUS GmbH — Німеччина

• Hitachi — Японія

• Nion Company — США

• JEOL — Японія (Japan Electro Optics Laboratory)

• TESCAN — Євросоюз

• Carl Zeiss NTS GmbH — Німеччина

Види електронних мікроскопів

• Просвітлюючий електронний мікроскоп

• Растровий електронний мікроскоп

• Скануючий тунельний мікроскоп

• Скануючий атомно-силовий мікроскоп

• Відбивний електронний мікроскоп

• Растровий просвітлюючий електронний мікроскоп

• Фотоемісійний електронний мікроскоп

Перших три основних види при використанні доповнюють один одного

Взаємодії електронів з речовиною властиво різноманіття ефектів, що дозволяє використовувати електрони для вивченя різних характеристик речовини. Основною характеристикою електронів, яка визначає

Переріз клітини бацили Bacillus subtilis ТЕМ, Tecnai T-12, Риска шкали – 200 нм

Перший практичний ТЕМ, на виставці в Німецькому музеї у Мюніхі, Німеччина

ТЕМ каталізатора кобальту (темні плями) на вугіллі карбонізованому при 850 ºС і доданий за методикою іонного обміну.

ТЕМ дислокацій

СЕМ зображення тонкого ТЕМ зразка перемеленого за допомогою FIB. Показана тонка мембрана підходить для дослідження в ТЕМ, проте при товщині ~300 нм не підходить для високо роздільного ТЕМ без подрібнення.

Аналогія між заломленням світлових променів і пучком електронів.

1. Фізичні основи електронної оптики

Електронні пучки отримали широке практичне застосування в приладах електронної мікроскопії. Використовуючи джерела вільних електронів і різні типи лінз, що фокусують або дефокусують пучки електронів, сконструйовано велике число аналогів оптичних пристроїв. Фізичні основи електронно-оптичних приладів були закладені майже за сто років до створення електронного мікроскопа ірландським математиком У.Р. Гамільтоном, що встановив існування аналогії між проходженням світлового променя в оптично неоднорідних середовищах і траєкторіями частинок в силових полях. Перспективність застосування електронної оптики стала ясна після висунення в 1924 р. гіпотези про хвилі де Бройля. Завдяки надзвичайно малій довжині хвилі електронів, дозволена межа, що характеризує здатність приладу відображати роздільно дрібні, максимально близько розташовані деталі об'єкту, у електронного мікроскопа складає 2-3 Е (1Е=10-10м). Це в декілька тисяч разів менше ніж для оптичного мікроскопа. Вперше зображення об'єкту, сформоване пучками електронів, було отримано в 1931 р. німецькими вченими М. Кноллем і Е.Руська.

Отримання і керування потоком електронів

Необхідною умовою переміщення електронів у вигляді пучка на велику відстань є створення на їх шляху вакууму, оскільки в цьому випадку середня довжина вільного пробігу електронів між зіткненнями з газовими молекулами значно перевищуватиме відстань, на яку вони повинні переміщатися. Для цього достатньо підтримувати в робочій камері вакуум приблизно 10-4 Па. Джерелом електронів служить метал (зазвичай вольфрам), з якого після його нагрівання в результаті термоелектронної емісії випускаються електрони. За допомогою електричного поля потік електронів можна прискорювати і уповільнювати, а також відхиляти в будь-яких напрямах, використовуючи електричні і магнітні поля.

Схема керуванням потоком електронів представлена на рис.1. Джерелом електронів служить катод, що розігрівається, К. Керуюча сітка 4 формує і прискорює (або сповільнює) потік електронів. В поперечному електричному полі, напруженість якого Е, електрон набуває за час руху в ньому t імпульс

(1)

де m – маса електрона, V – паралельна вектору Е складова швидкості електрона, е – заряд електрона. При цьому кут відхилення електрона від первинного напряму руху складатиме :

(2)

тут V_- складова швидкості електрона, перпендикулярна Е.

При попаданні електрона в магнітне поле, вектор індукції В якого направлений під кутом до швидкості електрона V (мал. 1), він під дією сили Лоренца рухатиметься по спіралі, радіус якої

(3а)

а крок

(3б)

тут і - відповідно паралельна і перпендикулярна магнітному полю складові швидкості електрона.

Електростатичні лінзи

Аналогію між заломленням світлового променя і пучка електронів ілюструє рис. 2.

На рис. 2а промінь світла, при вході в оптично більш щільне середовище, після заломлення на межі розділу, наближається до нормалі з поверхнею. Кути падіння i і заломлення r зв'язані законом заломлення:

(4)

де n1 і n2 – абсолютні показники заломлення першого і другого середовищ відповідно; V1 і V2 – швидкості світла в цих середовищах. Електронний аналог закону заломлення показаний на мал. 2б. Електрон після входу в область більшого потенціалу наближається до нормалі з еквіпотенціальною поверхнею в результаті збільшення складової його швидкості, вздовж нормалі до цієї поверхні. З умови постійності поперечної складової швидкості отримуємо:

(5а)

або

(5б)

Розглянутий фізичний механізм зміни траєкторії електрона при русі в електростатичному полі справедливий для будь-якої форми еквіпотенціальних поверхонь. У будь-якому випадку, при перетині електроном еквіпотенціальної поверхні з області меншого потенціалу в область більшого потенціалу траєкторія електрона відхиляється до нормалі з еквіпотенціальною поверхнею в даній точці (рис. 2в). Якщо змінити напрям градієнта електричного поля на протилежний, тобто електрон переміщатиметься з області більшого потенціалу в область меншого потенціалу, траєкторія електрона відхилятиметься в протилежну сторону. Змінюючи конфігурацію еквіпотенціальних поверхонь відносно вектора швидкості електронів, можна формувати траєкторію їх руху по необхідному закону. Таким чином, еквіпотенціальні поверхні електростатичного поля можна приблизно вважати аналогами границь розділу оптичних середовищ з різними показниками заломлення, тобто лінзами.

Така аналогія наводить на роздуми, що найпростішу електростатичну лінзу можна виготовити, якщо взяти два порожнисті провідні циліндри, помістити їх близько один до одного і прикласти між ними різницю потенціалів – . Еквіпотенціальні поверхні в зазорі між цими циліндрами згинатимуться, як показано на рис. 3, оскільки нормальна до осі лінзи складова сили, діючої на вільний заряд, поблизу стінок більша, ніж в середині циліндрів. Ця відмінність зумовлена наявністю вільного від зарядів зазора між кінцями циліндрів. Степінь впливу зазора і, отже, кривизна еквіпотенціальних поверхонь, залежать від довжини циліндрів. Якщо циліндри мають нескінченну довжину, то еквіпотенціальні поверхні паралельні одна одній.

Магнітні лінзи

Принцип фокусування електронного променя неоднорідним магнітним полем короткої котушки ілюструє рис. 4. В загальному випадку вектор швидкості електрона V направлений під деяким кутом до осі котушки (лінії ОС). Розкладемо вектор швидкості електрона в точці А (рис. 4) на осьову і радіальну складові ₍V_z і V_r відповідно). Відповідні складові вектора індукції магнітного поля В в цій точці позначимо В_z і В_r. Вектори V_z і В_r зумовлюють складову сили Лоренца F_r(рис. 4, справа, вгорі). Сила F_r викликає обертання електронів навколо осі ОС, тобто з'являється азимутальна складова швидкості V_r, яка спільно з В_z утворює силу Fr, направлену до осі котушки. Неважко переконатися в тому, що після перетину площини О₁О2, не дивлячись на зміну напряму радіальної складової магнітного поля на протилежну, поперечна сила F_z як і раніше відхилює електрони до осі ОC. Змінюючи індукцію магнітного поля, можна досягти перетину траєкторій всіх електронів в точці З, забезпечуючи тим самим фокусування електронного потоку.

За допомогою аксіального магнітного поля можна зробити і товсту магнітну лінзу (в товстій магнітній лінзі всі траєкторії електронів розташовуються усередині неї).