Elektronová mikroskopie transmisní a rastrovací

Při vědecké práci, ale i jiné praxi často potřebujeme pozorovat předměty, nebo organismy, které jsou pouhým okem neviditelné. Nebo se například potřebujeme podívat na strukturu materiálu nebo různých buněk. Pro takováto pozorování používáme přístroje, které se nazývají mikroskopy.

Je známo, že lidské oko nemůže vidět předmět, nebo detail předmětu, jestliže je zorný úhel menší než 1' . Mikroskop je zařízení, které umožňuje zorný úhel opticky zvětšit a tak pozorovat i velmi malé předměty.

Mikroskopy se dělí na optické a elektronové. Tato práce je zaměřena pouze na elektronovou mikroskopii. Přesto je velmi důležité upozornit na paralelu mezi klasickou optickou mikroskopií a elektronovou mikroskopií. V klasickém mikroskopu se používá viditelné světlo fokusované pomocí čoček, v elektronovém mikroskopu se používá svazek elektronů fokusovaný pomocí magnetů.

Lidské oko je schopné rozlišit detaily s minimální velikostí (rozlišovací schopnost) R.S.oka=0.1 mm. Pokud použijeme mikroskop, je jeho maximální rozlišení dané ohybem na kruhových clonkách. Pokud uvažujeme standardní geometrii, je R.S.mikr~½ lambda. Pokud se na vzorek díváme viditelným světlem je vlnová délka ~ 500 nm. Použijeme-li ale elektronový svazek, rozlišení se zvětší, neboť vlnová délka elektronu je daná vztahem: lambda=h / (2emU)½. Kde U je urychlovací napětí. (Pro napětí větší než 105V je třeba započítat relativistickou korekci, neboť elektron dosahuje v tomto poli rychlostí větších, než je poloviční rychlost světla)
U (V) 102 104 105
lambda (nm) 0.123 0.0123 0.0037

Princip elektronového mikroskopu

Elektronové mikroskopy pracují s proudem elektronů ve vakuu. Proud elektronů - záření velmi malé vlnové délky.

Elektronové mikroskopy se dělí na dva druhy:

Transmisní elektronový mikroskop

Viditelný obraz se vytváří na fluorescenčním stínítku svazkem elektronů, které prošly studovaným vzorkem, nebo které ve vzorku difraktovaly.

Zdrojem proudu elektronů je kovová katoda, která po rozžhavení vysílá elektrony urychlované elektrickým polem o napětí 50 - 200kV.

Proud elektronů prochází tzv. elektronovou čočkou, kterou tvoří el. pole zvláštního kondenzátoru, nebo mag. pole cívky. Tato elektronová čočka soustřeďuje elektrony na pozorovaný předmět (preparát).

Vrstva preparátu musí být velmi tenká, přibližně 1µm, aby nepohlcovala elektrony.

Proud elektronů pak prochází další elektronovou čočkou – objektivem a vytvoří první elektronový obraz. Část tohoto obrazu se elektronovou čočkou – projektivem – znovu zvětší a výsledný obrazec se promítá buď na stínítko pokryté vrstvou luminoforu, nebo se zachytí na fotografické desce či filmu.

Tyto, a samozřejmě i další součásti elektronového mikroskopu jsou uloženy ve vzduchotěsné válcové nádobě, z níž je vyčerpán vzduch, aby se proud elektronů nezeslaboval.

Rastrovací (skenovací) elektronový mikroskop

Rastrovací elektronový mikroskop pracuje tak, že na vzorek dopadá tenký svazek elektronů, který dopadá postupně na všechna místa vzorku. Odražený (emitovaný) paprsek se převádí na viditelný obraz.

Mech. clona - vybírá pouze část elektronů, které dopadnou na preparát.

Projekční čočka - způsobí, aby zaostřený svazek elektronů dopadl na preparát.

Zaostřený svazek elektronů musí po povrchu preparátu rastrovat synchronně s TV.

To, co se děje v místě dopadu fokusovaného elektronového svazku na povrch vzorku ukazuje obrázek vlevo.

Rozlišujeme čtyři skupiny elektronů opouštějící povrch vzorku: Dále pak můžeme detekovat i RTG záření nebo i viditelné světlo, což nám umožní získat další informace o zkoumaném vzorku.

Vzorek může být 2-3 cm tlustý a 15 cm dlouhý a musí být kvalitně pokoven. Schéma celého mikroskopu SEM včetně vakuové aparatury ukazuje následující obrázek.


Výhody a nevýhody elektronové mikroskopie

Mezi největší výhody patří velmi velké zvětšení - řádově až 1 000 000, což umožňuje pozorovat i opravdu velmi malé částice.

U transmisních el. mikroskopů je nutné, aby vzorek byl velmi tenký, což lze považovat za nevýhodu. Další podstatná nevýhoda je to, že preparát musí být umístěn ve vakuu, což neumožňuje pozorovat živé organismy.

El. mikroskop má také velké rozlišení (0,1 nm) a velkou hloubku ostrosti (několik mm). Pohyb svazku elektronů lze řídit pomocí počítače, což umožňuje využít veškerý komfort, který tato technika poskytuje (zobrazit pouze výřez, odstranit šum snížením rastrovací rychlosti, tisknout obraz ...)

Výhoda je také to, že elektronový mikroskop může dát informaci nejen o topografii vzorku, ale i o jeho materiálovém složení.

Za nevýhody lze dále považovat i velké nároky na prostor a vysokou pořizovací cenu.

Použití elektronové mikroskopie

Elektronová mikroskopie se používá při studiu velmi malých částic, například v lékařství při studiu bakterií a virů.

Jiné uplatnění nalézá např. v mikroelektronice, kde se využívá při vývoji a studiu čipů a polovodičových materiálů. Vzhledem k tomu, že dráhy elektronů ovlivňují také případné mag. pole povrchové vrstvy vzorku, můžeme např. pozorovat mag. pole, které vytváří pracující polovodičová součástka.

Mikroskop lze využít i ke kvalitativní (prvkové) analýze např. v chemii, biologii atd.

Seznam použité literatury