Просвечивающий электронный микроскоп

Поперечный срез клетки бактерии сенной палочки, снятый при помощи аппарата «Tecnai T-12». Масштаб шкалы — 200 нм

Просвечивающий (трансмиссионный) электронный микроскоп (ПЭМ, англ, TEM - Transmission electron microscopy) — устройство для получения изображения ультратонкого образца путём пропускания через него пучка электронов. Ультратонким считается образец толщиной порядка 0,1 мкм. Прошедший через образец и провзаимодействовавший с ним пучок электронов увеличивается магнитными линзами (объективом) и регистрируется на флуоресцентном экране, фотоплёнке или сенсорном приборе с зарядовой связью (на ПЗС-матрице).

История

Первый практический ПЭМ; экспозиция в музее Мюнхена (Германия)

Первый ПЭМ создан немецкими инженерами-электронщиками Максом Кноллем и Эрнстом Руской 9 марта 1931 года. Первый практический ПЭМ был построен Альбертом Пребусом и Дж. Хиллиером в университете Торонто (Канада) в 1938 году на основе принципов, открытых ранее Кноллем и Руской. В 1986 году Эрнсту Руске за создание ПЭМ была присуждена Нобелевская премия.

Основы

Теоретически максимально возможное разрешение в оптическом микроскопе ограничено:

• длиной волны фотонов, используемых для освещения образца;
• угловой апертурой оптической системы (так называемым барьером Аббе).

${\displaystyle d={\frac {\lambda }{2n\sin \alpha }}\approx {\frac {\lambda }{2\,{\textrm {NA}}}}}$

В начале XX века ученые обсуждали вопрос преодоления ограничений относительно большой длины волны видимого света (длины волн 400-700 нанометров) путём использования электронов. Поток электронов в электронном микроскопе создаётся посредством термоэлектронной или полевой эмиссии. В первом случае при высокой температуре электроны испускаются проволокой из вольфрама (см. нить накаливания) или монокристаллом гексаборида лантана. Затем электроны ускоряются высокой разностью потенциалов и фокусируются на образце электромагнитными (или реже — электростатическими) линзами. Прошедший через образец луч электронов содержит информацию об электронной плотности, фазе и периодичности; эти данные используются при формировании изображения.

Компоненты

В состав ПЭМ входят следующие компоненты:

• вакуумная система для удаления воздуха и увеличения таким образом длины свободного пробега электронов;
• предметный столик: держатель образца, механизмы для изменения положения держателя и вакуумные шлюзы;
• источник электронов: электронный прожектор или электронная пушка для генерирования потока (пучка) электронов;
• источник высокого напряжения для ускорения электронов;
• апертуры, ограничивающие расходимость электронного пучка;
• набор электромагнитных линз (и иногда электростатических пластин) для управления и контроля электронного луча;
• экран, на который проецируется увеличенное электронное изображение (постепенно выходит из употребления и заменяется детекторами цифрового изображения).

ПЭМ может включать дополнительные системы, например, сканирующую приставку, позволяющую работать в режиме растрового ПЭМ (см. растровый электронный микроскоп).

Вакуумная система

Вакуумная система служит для откачки воздуха до низкого давления (обычно до 10^-4 Па^[1]) из области, в которой проходит пучок электронов. Применяется для уменьшения частоты столкновений электронов с атомами газа до незначительного уровня (увеличение длины свободного пробега).

Вакуумная система откачки до рабочего давления состоит из нескольких ступеней:

1. роторный или мембранный насос;
2. турбомолекулярный или диффузионный (англ.) насос.
3. Гетероионные насосы для откачки электронной пушки полевой эмиссии (если таковая присутствует)

С помощью насоса 1-й ступени достигается давление, требуемое для работы насоса 2-й ступени (низкий вакуум). Насос 2-й ступени доводит давление до необходимой рабочей величины.

Части ПЭМ могут быть разделены:

• специальной апертурой (англ. pressure-limiting aperture), пропускающей электронный пучок, но затрудняющей обмен остаточными газами между частями вакуумной системы;
• запорным клапаном (англ. gate valve) для полного обособления частей микроскопа.

Это может использоваться для создания в отдельных областях различного уровня вакуума (например, ПЭМ с автоэмиссией может оснащаться отдельной системой откачки воздуха из области электронной пушки для создания высокого вакуума 10^-4…10^-7 Па и выше; система откачки может включать гетероионный насос).

Предметный столик

Предметный столик предназначен для удерживания образца во время облучения электронами и состоит из следующих элементов:

• держатель образца;
• механизмы для изменения положения держателя (поворот, наклон);
• шлюзы, позволяюшие вводить держатель с образцом в вакуумную среду ПЭМ с минимальным увеличением давления.

Образцы либо помещаются на сетку, либо вырезаются по форме держателя (самоподдерживающиеся образцы).

Держатель приспособлен для фиксации как сеток, так и самоподдерживаемых образцов стандартного размера. Стандартный диаметр ПЭМ сетки — 3,05 мм.

Сетка для поддержки образцов ПЭМ со срезом, полученным с помощью ультрамикротома

Электронная пушка

Электронная пушка предназначена для создания пучка электронов с помощью термоэлектронной (термоэлектронные пушки) или полевой (автоэмиссионные пушки) эмиссии.

Термоэлектронная пушка

Катод из монокристалла LaB₆ (гексаборид лантана):
coupling/mounting legs — соединителььные/опорные ножки;
insulation — изоляция;
single crystal LaB filament — нить из монокристалла LaB₆

Вольфрамовый катод в форме шпильки: mounting/coupling connector — опорные/соединительные провода; support — опора; tungsten filament — вольфрамовая нить

Термоэлектронная пушка состоит из трёх элементов:

• катод (нить накала);
• венельт;
• анод.

Принцип работы цилиндра Венельта: wehnelt — цилиндр Венельта; filament — нить, катод; crossover — точка пересечения траекторий электронов; beam current — пучок электронов

При нагревании вольфрамовая нить или заострённый кристалл гексаборида лантана испускают (эмитируют) электроны (см. термоэлектронная эмиссия). Ускоряясь под действием разности потенциалов (напряжения смещения), значительная часть электронов проходит через отверстие в венельте. Изменяя напряжение смещения, можно регулировать эмиссионный ток. Чем больше напряжение смещения, тем меньше площадь участка катода, испускающего электроны, тем меньше эмиссионный ток.

Прошедшие через апертуру (отверстие) цилиндра Венельта электроны пересекаются в точке, называемой кроссовером и являющейся виртуальным источником электронов в оптической системе микроскопа.

Автоэмиссионная электронная пушка

Различают автоэмиссионные пушки:

• с катодом холодной автоэмиссии;
• с катодом Шоттки.

Катоды первых обычно состоят из вольфрамовой нити. Диаметр кончика нити — 100 нм.

Катоды вторых работают аналогично катодам термоэлектронных пушек, но находятся под воздействием электрического поля, понижающего энергетический барьер (эффект Шоттки).

Апертуры

Апертуры представляют собой металлические пластины с отверстиями для прохождения электронов. Толщина пластин подбирается так, чтобы сквозь отверстия проходили только электроны, отклоняющиеся от оптической оси не более, чем на выбранный угол.

Подготовка образцов

Подготовка образцов для ПЭМ может быть комплексной процедурой. Они должны иметь толщину 20-200 нм. Высокое качество образцов будет при толщине, сравнимой со средней длиной свободного пробега электронов в образце, которая может быть всего несколько десятков нанометров.

Материалы, имеющие достаточно малые размеры, чтобы быть прозрачными в электронном пучке, такие, как порошки или нанотрубки, могут быть быстро приготовлены нанесением крошечного количества вещества на поддерживающую сетку или плёнку.

Образцы материалов

Главная задача при подготовке образцов материалов — получить достаточно тонкие образцы с минимальными повреждениями структуры.

Механическое утончение

Для подготовки образцов может использоваться механическая полировка. Полировка должна быть высокого качества, чтобы быть уверенным, что образец имеет постоянную толщину в изучаемой области.

Химическое травление

Ионное травление

Как правило, применяется в качестве финальной обработки после механического или химического утоньшения. Заключается в распылении материала образца бомбардировкой ионами инертных газов, обычно аргона.

Метод реплик

Получил широкое распространение на заре ПЭМ в связи со сложностью других методов пробоподготовки.

Биологические образцы

Биологические образцы должны быть обезвожены или заморожены (жидкая вода не совместима с вакуумом в микроскопе) и разрезаны на тонкие пластины.

Традиционный метод

Традиционное приготовление биологических образцов для ПЭМ включает в себя процедуры, позволяющие сохранить морфологию тканей при их подготовке для наблюдения в условиях высокого вакуума. Образцы должны быть достаточно маленькими, чтобы позволить быстрое проникновение химических реагентов по всей толщине ткани (по крайней мере в одном из направлений их размер не должен превышать 0,7 мм). Образцы подвергаются химической фиксации (обычно альдегидами), вторичной фиксации в четырёхокиси осмия, и затем обезвоживаются в органических растворителях (спирте или ацетоне). Обезвоженные образцы пропитываются эпоксидными смолами, которые затем полимеризуются. Получающиеся твердые блоки из смол с заключёнными в них образцами режутся на ультрамикротомах с помощью алмазных (реже – стеклянных) ножей на срезы толщиной 20-100 нанометров. Срезы помещаются на специальные сетки (диаметром 3 мм) и контрастируются соединениями тяжелых элементов (урана, свинца, вольфрама и др.).

Криомикроскопия

Этот раздел статьи ещё не написан. Согласно замыслу одного или нескольких участников Википедии, на этом месте должен располагаться специальный раздел. Вы можете помочь проекту, написав этот раздел. Эта отметка установлена 31 мая 2016 года.

Методы визуализации и Формирование контраста

Этот раздел статьи ещё не написан. Согласно замыслу одного или нескольких участников Википедии, на этом месте должен располагаться специальный раздел. Вы можете помочь проекту, написав этот раздел. Эта отметка установлена 31 мая 2016 года.

Методы визуализации в ПЭМ используют информацию, содержащуюся в электронных волнах исходящих из образца, для формирования изображения.

Светлое поле

Базовый режим в ПЭМ — это режим светлого поля. В этом режиме контраст формируется рассеиванием и поглощением электронов образцом. Области образца с большей толщиной и большим атомным номером выглядят темнее, тогда как области без образца в пучке электронов — светлыми (поэтому режим называется светлопольным).

Дифракционный контраст и темное поле

Часть электронов, проходящих через кристаллический образец, рассеивается согласно закону Брэгга, формируя так называемый дифракционный контраст. Дифракционный контраст особо полезен при изучении дефектов кристаллической решетки.

EELS

Фазовый контраст

Дифракция

Дифракционная картина в направлении <110> с двойникового зерна ГЦК аустенитной стали

Трехмерная визуализация

Трехмерная модель реконструируется из серии изображений, полученных с одной и той же части образца под разными углами.

См. также

• Растровый электронный микроскоп
• Сфокусированный ионный пучок
• Дифракция отражённых электронов
• Линии Кикучи
• Электронный микроскоп
• Преобразование Фурье
• Электронная томография
• EFTEM
• EELS
• Сканирующий гелиевый ионный микроскоп

Примечания

Литература

• Я. С. Уманский, Ю. А. Скаков, А. Н. Иванов, Л. Н. Расторгуев. Кристаллография, рентгенография и электронная микроскопия. — М.: Металлургия, 1982, 632 с.
• Д. Синдо. Т. Оикава. Аналитическая просвечивающая электронная микроскопия. — М.: Техносфера, 2006, 256 с. ISBN 5-94836-064-4.

Ссылки

• The National Center for Electron Microscopy, Berkeley California USA
• The National Center for Macromolecular Imaging, Houston Texas USA
• The National Resource for Automated Molecular Microscopy, La Jolla California USA
• Manufacturer of TEM’s (FEI Company)
• Delong Group
• Tutorial courses in Transmission Electron Microscopy
• Cambridge University Teaching and Learning Package on TEM
• Лаборатория электронной микроскопии ЦКП МГУ им. Ломоносова
• Центр коллективного пользования электронной микроскопии ИБВВ РАН

В другом языковом разделе есть более полная статья Transmission electron microscopy (англ.). Вы можете помочь проекту, расширив текущую статью с помощью перевода. При этом, для соблюдения правил атрибуции, следует установить шаблон {{переведённая статья}} на страницу обсуждения, либо указать ссылку на статью-источник в комментарии к правке.