ФГБОУ ВО СТАВРОПОЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра физики
РЕФЕРАТ
Дисциплина: ФИЗИКА
Тема: «Электронный микроскоп: устройство и использование»
Выполнил:
студент факультета механизации
сельского хозяйства,
2 курса, 4 группы,
направление 23.03.03 Эксплуатация
Волков В.В.
Проверила:
к.с.н., доцент Любая С.И.
Ставрополь, 2021
Оглавление
Введение. 3
Просвечивающий электронный микроскоп. 4
Разрешение. 6
Современные виды ПЭМ.. 6
Растровый микроскоп. 8
Режимы работы.. 8
Принцип работы растрового микроскопа. 9
Разрешение Микроскопа. 10
Области применения растровой электронной микроскопии. 10
Заключение. 11
Список литературы.. 12
Введение
Электронные микроскопы в нынешнее время являются предметами первой необходимости в любой лаборатории, занимающейся исследованием любых материалов и биологических объектов.
Первые успехи использования электронных микроскопов можно отнести к 30-м годам 20-го века, когда при помощи них удалось обнаружить структуру ряда органических материалов и биологических объектов. Позиции электронной микроскопии особенно укрепились с появлением микроскопов с высоким напряжением (100кВ и выше) в исследованиях неорганических материалов, в частности, металлических сплавов. Благодаря просвечивающей электронной микроскопии появилась теория механизма пластической деформации материалов. Огромную роль электронная микроскопия играет в ряде других разделов материаловедения.
Объяснить рост интереса к электронной микроскопии можно следующими обстоятельствами. Прежде всего, расширение возможностей познания благодаря появлению самых различных типов электронных микроскопов: для исследований при низких (до -150ºС) и высоких (до 1200ºС) температурах
Репликами, наблюдения деформации непосредственно в микроскопе, исследования рентгеновских спектров микроучастков (ло 1мкм и менее) и др.
Именно так называемой просвечивающей электронной микроскопии обязана своим появлением и постоянным развитием теория дислокаций.
Также следует отметить существенное повышение (до 1 Е и менее) разрешающей способности электронных микроскопов, что позволило им конкурировать с автоионными микроскопами в получении прямых изображений кристаллической решетки.
Наконец, возможность параллельно с микроскопическими исследованиями детально изучать дифракционные картины вплоть до наблюдения таких тонких деталей, как диффузионное рассеяние электронов. Все шире шагает растровая электронная микроскопия, сконцентрировавшая все достижения просвечивающей электронной микроскопии.
Цель реферата заключается в изучении конструкции просвечивающих электронных микроскопов, определении объектов их применения, а также в ознакомлении с особенностями работы данных приборов.
Просвечивающий электронный микроскоп
Просвечивающим электронным микроскопом (ПЭМ) является устройство, изображение в котором от ультратонкого объекта (толщиной порядка 0,1 мкм) формируется в результате взаимодействия пучка электронов с веществом образца с последующим увеличением магнитными линзами (объектив) и регистрацией на флуоресцентном экране.
Просвечивающий электронный микроскоп схож со световым микроскопом, но только для освещения образцов в нем используется не свет, а пучок электронов. Конструкция включает электронный прожектор, ряд конденсорных линз, объективную линзу и проекционную систему, которая соответствует окуляру, но проецирует действительное изображение на люминесцентный экран или фотографическую пластинку.
Электроны исходят из нагреваемого катода из вольфрама или гексаборида лантана. Катод электрически изолирован от остальной части прибора, и электроны ускоряются сильным электрическим полем. Для создания такого поля катод поддерживают под потенциалом порядка - 100 000 В относительно других электродов, фокусирующих электроны в узкий пучок. Эта часть прибора называется электронным прожектором.
В области микроскопа, где движутся электроны, должен быть вакуум, так как электроны сильно рассеиваются веществом. Здесь создается давление, не превышающее одной миллиардной атмосферного давления.
Электронное изображение формируется электрическими и магнитными полями примерно так же, как световое – оптическими линзами. Принцип действия магнитной линзы поясняется следующей схемой.
Схема и принцип работы электромагнитных линз
Витки провода, по которым проходит ток, фокусируют пучок электронов аналогично тому, как стеклянная линза фокусирует световой пучок.
Витки катушки, по которой проходит ток, создают магнитное поле, действующее как собирающая линза, фокусное расстояние которой можно изменять изменением тока.
Электроны ускоряются, а затем фокусируются магнитными линзами. Увеличенное изображение, создаваемое электронами, которые проходят через диафрагму объектива, преобразуется люминесцентным экраном в видимое или регистрируется на фотопластинке.
Ряд конденсорных линз фокусирует электронный пучок на образце. Обычно первая из них создает не увеличенное изображение источника электронов, а последняя контролирует размер освещаемого участка на образце. Диафрагмой последней конденсорной линзы определяется ширина пучка в плоскости объекта.
В магнитном поле момещается исследуемый предмет объектной линзы с большой оптической силой – важнейшей линзы ОПЭМ, определяющей предельное возможное разрешение прибора. Аберрации объективной линзы ограничиваются ее диафрагмой так же, как это происходит в фотоаппарате или световом микроскопе. Объектная линза дает увеличенное изображение объекта (обычно с увеличением порядка 100); дополнительное увеличение, производимое промежуточными и проекционной линзами, находится в диапазоне величин от несколько меньшей 10 до несколько большей 1000.
В современных ОПЭМ можно получить увеличение от менее 1000 до ~1 000 000. Исследуемый объект помещается на очень мелкую сетку, вкладываемую в специальный держатель. Держатель можно механическим или электрическим способом плавно перемещать вверх-вниз и вправо-влево.
Обычный просвечивающий электронный микроскоп (ОПЭМ).
1 – источник электронов; 2 – ускоряющая система; 3 – диафрагма; 4 –конденсорная линза; 5 – образец; 6 – объективная линза; 7 – диафрагма; 8 – проекционная линза; 9 – экран или пленка; 10 – увеличенное изображение.
Окончательное увеличенное электронное изображение становится видимым при помощи люминесцентного экрана, светящегося под действием электронной бомбардировки. Это изображение, как правило, рассматривают через бинокулярный световой микроскоп. При той же яркости такой микроскоп с увеличением 10 может создавать на сетчатке глаза изображение, в 10 раз более крупное, чем при наблюдении невооруженным глазом. Иногда для повышения яркости слабого изображения применяется люминофорный экран с электронно-оптическим преобразователем. В этом случае окончательное изображение может быть выведено на обычный телевизионный экран. Фотопластинка обычно позволяет получить более четкое изображение, чем наблюдаемое простым глазом или записанное на видеоленте, так как фотоматериалы, вообще говоря, более эффективно регистрируют электроны.
Разрешение
Пучки электронов обладают свойствами, схожими со свойствами световых пучков. Каждый электрон имеет определенную длину волны. Разрешающая способность электронных микроскопов определяется эффективной длиной электронной волны. Скорость электронов и их ускореняющее напряжение влияет на длину волны; при высоком ускоряющем напряжении увеличивается скорость электронов и тем самым меньше длина волны, а значит, выше разрешение. Это преимущество электронных микроскопов в разрешающей способности объясняется тем, что длина волны электронов намного меньше длины волны света. Однако электронные линзы фокусируют хуже оптических (числовая апертура хорошей электронной линзы составляет около 0,09, однако для хорошего оптического объектива эта величина достигает 0,95), разрешение ЭМ равно 50–100 длинам волн электронов.
Слабые линзы в ЭМ могут получить предел разрешения ~ 0,17 нм, что позволяет различать отдельные атомы в кристаллах. Для получения разрешения такого порядка необходима очень точная настройка прибора; так, необходимы высокостабильные источники питания, а сам прибор (который может быть высотой ~2,5 м и иметь массу в несколько тонн) и его дополнительное оборудование требуют монтажа, исключающего вибрацию.
Увеличение в ОПЭМ может достигать 1 млн. Предел пространственного (по x, y) разрешения - ~0,17 нм.
Пространственное разрешение сканирующего электронного микроскопа зависит от поперечного размера электронного пучка, который, в свою очередь зависит от электронно-оптической системы, фокусирующей пучок.
Современные виды ПЭМ
Просвечивающий электронный микроскоп Titan 80 – 300 с атомным разрешением.
Современный просвечивающий электронный микроскоп Titan 80 – 300 дает изображение наноструктур на суб-ангстремном уровне. Электронный микроскоп Титан работает в диапазоне 80 – 300 кВ с возможностями коррекции сферической аберрации и монохроматичности. Данный электронный микроскоп соответствует жестким требованиям максимальной механической, тепловой и электрической стабильности, так же, как точным юстировкам усовершенствованных компонентов. Титан расширяет разрешающие возможности спектроскопии при измерении запрещенных энергетических зон и электронных свойств и позволяет пользователю получить четкие изображения границ раздела и наиболее полно интерпретировать полученные данные.
Просвечивающий электронный микроскоп, оборудованный электронной пушкой высокой яркости с подогревным катодом на полевой эмиссии, обладающим повышенной стабильностью тока эмиссии. Позволяет непосредственно наблюдать детали атомного строения и анализировать отдельные атомные слои. Электронная пушка с подогревным катодом на полевой эмиссии, более всего подходящая для анализа нанообластей, обеспечивает ток зонда 0,5 нА при его диаметре 1 нм и 0,1 нА при 0,4 нм.
Разрешение в точке: 0,17 нм
Ускоряющее напряжение: 100, 200, 300 кВ
Увеличение: от х60 до х1 500 000
JEOL JEМ – 2100F
200 кВ просвечивающий электронный микроскоп с полевой эмиссией
Электронная пушка с полевой эмиссией, обеспечивающая электронный пучок с высокой яркостью и когерентностью, играет ключевую роль в получении высокого разрешения и при анализе наноструктур. Прибор JEM – 2100F является комплексным ПЭМ, оснащенным развитой системой электронного управления различными функциями.
Основные особенности данного прибора:
· Высокая яркость и стабильность электронной пушки с термополевой эмиссией обеспечивает анализ областей наноразмеров при большом увеличении.
· Диаметр зонда меньше 0.5 нм позволяет уменьшить точку анализа до уровня нанометров.
· Новый высокостабильный столик образцов с боковой загрузкой обеспечивает простой наклон, поворот, нагрев и охлаждение, программируемые установки и другое без механического дрейфа.
JEOL JEМ – 2100 LaB6
200 кВ аналитический просвечивающий электронный микроскоп
позволяет не только получать изображения на просвет и картины дифракции, но и включает в себя компьютерную систему контроля, которая может объединять TEM, устройство получения изображений в режиме сканирования (STEM), энергодисперсионный спектрометр (JED – 2300 T) и спектрометр энергетических потерь электронов (EELS) в любых комбинациях.
Высокое разрешение (0,19 нм при 200 kV на катоде LaB 6) достигается благодаря стабильности высокого напряжения и тока пучка, вместе с превосходной системой линз. Новая структура рамы колонны микроскопа мягко уменьшает эффект вибрации прибора. Новый гониометрический столик позволяет позиционирование образца с точностью до нанометров. Компьютерная система контроля микроскопа обеспечивает подключение по сети других пользователей (компьютеров) и обмен информацией между ними.
Растровый микроскоп
Растровый микроскоп – прибор, предназначенный для получения увеличенного в несколько тысяч раз изображения объекта с огромным пространственным разрешением. При работе с этим устройством учёные смогут получить информацию о структуре, строении и составе исследуемой поверхности. Изображение формируется при взаимодействии электронного пучка с образцом
Режимы работы
Конструкция растрового электронного микроскопа позволяет получать информацию о поверхностной структуре с помощью обратно-рассеянных (ОЭ) или вторичных электронов (ВЭ). Контраст вторичных электронов определяется поверхностным рельефом, а отраженные частицы содержат информацию о распределении электронной плотности. На изображении области с элементами, имеющими большие атомные номера, будут выглядеть намного ярче.
Схема растрового электронного микроскопа
Как правило, растровый микроскоп имеет следующие функции:
1. Детектирование ВЭ.
2. Детектирование ОЭ.
3. Элементный микроанализ. При этом типе анализа выявляется рентгеновское излучение вещества, возникающее при электронном облучении.
4. Анализ при низких ускоряющих напряжениях. Устройство способно функционировать при ускоряющем напряжении до 200 вольт. При наличии приложения замедляющего потенциала этот показатель можно уменьшить до 10 вольт. При таком анализе можно достичь равновесия между количеством эмитированных и поглощенных электронов. На образец для исследования не нужно наносить проводящее покрытие.
5. Переменный вакуум. Современные модели микроскопов оборудованы системой поддержки высокого и сверхвысокого вакуума. При таком анализе образец пребывает в разряженной, но плотной для нейтрализации поверхностного заряда среде. В итоге наблюдение можно осуществлять без проводящего покрытия. При наличии охлаждающего держателя прибор сможет работать с водой и влажными образцами.
Во время анализа прибор сразу использует вторичные и обратно-рассеянные электронные. Такая комбинация частиц позволяет получить более полную информацию об исследуемом объекте.