Elektronová mikroskopie transmisní a rastrovací
- Úvod
- Princip elektronového mikroskopu
- Transmisní elektronový mikroskop
- Rastrovací (skenovací) elektronový mikroskop
- Výhody a nevýhody elektronových mikroskopů
- Použití
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) mm.
Pokud použijeme mikroskop, je jeho maximální rozlišení dané ohybem na kruhových
clonkách. Pokud uvažujeme standardní geometrii, je
. 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 TEM
- Rastrovací (skenovací) elektronový mikroskop SEM
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:
- zpětně odražené elektrony - poskytují informaci o topografii
(reliéfu) vzorku a o materiálovém složení. Jejich rozlišovací schopnost je
50-200nm.
- sekundární elektrony - poskytují
informaci převážně topografickou. Rozlišovací schopnost je 5-15 nm.
- augerovy elektrony - jsou vyráženy z
materiálu a zjištěním jejich energie lze provádět prvkovou (kvalitativní)
analýzu.
- primární elektrony - detekují se jako u transmisního
elektronového mikroskopu (0,5 nm).
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