1 Úvod:
1 Úvod:
1 Úvod:
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
ELEKTRONOVÉ MIKROSKOPY<br />
Lucie Chvátalová<br />
1 <strong>Úvod</strong>: ................................................................................................................................... 1<br />
2 Princip:................................................................................................................................. 2<br />
3 Rozdělení elektronových mikroskopů:................................................................................ 4<br />
3.1 Transmisní elektronový mikroskop: ............................................................................. 5<br />
3.2 Rastrovací elektronový mikroskop: .............................................................................. 7<br />
3.2.1 Enviromentální rastrovací elektronová mikroskopie: .......................................... 13<br />
4 Výhody a nevýhody elektronových mikroskopů:.............................................................. 17<br />
5 Použití:............................................................................................................................... 17<br />
6 Anglické články................................................................................................................. 17<br />
7 Seznam adres : ................................................................................................................... 22<br />
1 <strong>Úvod</strong>:<br />
Při vědecké práci, ale i jiné praxi často potřebujeme pozorovat předměty, nebo organismy,<br />
které jsou pouhým okem neviditelné. Nebo se například potřebujeme podívat na strukturu<br />
materiálu nebo různých buněk. Pro takováto pozorování používáme přístroje, které se<br />
nazývají mikroskopy.<br />
Je známo, že lidské oko nemůže vidět předmět, nebo detail předmětu, jestliže je zorný úhel<br />
menší než 1' . Mikroskop je zařízení, které umožňuje zorný úhel opticky zvětšit a tak<br />
pozorovat i velmi malé předměty.<br />
Mikroskopy se dělí na optické a elektronové . Tato práce je zaměřena pouze na elektronovou<br />
mikroskopii.<br />
Elektronová mikroskopie je metoda založená na vlnových vlastnostech elektronů a je analogií<br />
klasické optické mikroskopie. Místo zdroje světla zde je elektronová tryska, optické čočky<br />
jsou nahrazeny zpravidla elektromagnetickými čočkami (cívkami). Narozdíl od optického<br />
však elektronový mikroskop musí pracovat ve vakuu - řádově 10 -5 Pa (neuvažujeme-li tzv.<br />
"environmentální" skenovací elektronové mikroskopy, které pracují s volitelným vakuem).<br />
Podle typu elektronového mikroskopu můžeme výsledný zvětšený obraz pozorovat okem<br />
(transmisní mikroskopy používají fluorescenční stínítko), případně ve většině případů se<br />
používá záznam na film či fotografickou desku nebo se snímá CCD kamerou. Posledně<br />
jmenovaný záznam umožňuje digitalizaci obrazu, jeho následnou úpravu a elegantní archivaci<br />
v počítači nebo na jiných záznamových médiích.<br />
Z vlnové povahy svazku elektronů (podle Luie de Broglieho) vyplývá schopnost<br />
elektronových mikroskopů rozlišit detaily řádově v desetinách nm (TEM) až jednotkách nm<br />
(SEM). Hodnota teoretické rozlišovací meze při použití elektronového paprsku je 10 -11 m, což<br />
je přibližně o 4 řády lepší rozlišení než u světelného mikroskopu.
2 Princip:<br />
Svazek elektronů z vhodného zdroje (tzv. elektronová tryska např. žhavené wolframové<br />
vlákno) urychlený napětím až 50 kV je zaostřen na plošku tuhého vzorku (průměr svazku je<br />
1– 5 µ m), kde elektrony proniknou do hloubky několika µ m pod povrch vzorku (proto se<br />
tato metoda někdy též nazývá elektronová mikrosonda a používá se zkratka EPMA - Electron<br />
Probe Microanalyzer). Zjednodušené schéma elektronové mikrosondy ukazuje obrázek 1.<br />
Chyba! Nebyla zadána položka automatického<br />
textu.!Neočekávaný konec výrazu<br />
Ae – zařízení na měření absorbovaných elektronů<br />
Te - zařízení na měření prošlých elektronů<br />
Obr.1 Schéma elektronového mikroskopu s detektory rentgenového záření – tzv.mikrosondy<br />
Při dopadu elektronů dochází současně k několika procesům: část elektronů je absorbována,<br />
část odražena (pružné elektronové srážky), dochází k emisi sekundárních elektronů (nepružné<br />
srážky) a k emisi rentgenového záření.<br />
Emitované primární rentgenové záření vzniklé ve vzorku je analyzováno v rentgenovém<br />
spektrometru (vlnově-disperzní, energiově-disperzní s Si(Li) detektory). Metoda založená na<br />
spojení elektronového mikroskopu a lokální rentgenové analýzy je elektronová mikroanalýza<br />
(EMA).<br />
Absorbované elektrony tvoří 50-90% celkového proudu elektronů. Odražené elektrony mají<br />
energii poněkud menší než elektrony dopadající, ale řádově srovnatelnou, zatímco sekundární<br />
elektrony mají energii podstatně nižší. Protože oba tyto typy elektronů charakterizují<br />
morfologii povrchu vzorku, jsou registrovány a analyticky využívány.<br />
Metoda, která umožňuje zobrazování povrchu pomocí sekundárních a odražených elektronů,<br />
je rastrovací elektronová mikroskopie (Scanning Electron Microscopy, SEM). Elektronové
mikroskopy, které využívají k zobrazení vzorku těchto typů elektronů ve spojení<br />
s rastrováním povrchu se nazývají rastrovací (řádkovací) elektronové mikroskopy.<br />
Elektronový paprsek urychlený v elektrickém poli je velmi dobře stabilizován a může být<br />
vychylován systémem elektromagnetických cívek v osách x, y. Povrch je postupným<br />
vychylováním snímán řádek po řádku a takto je postupně skládán obraz vzorku (princip<br />
známý z televize) – toto je princip rastrovací elektronové mikroskopie.<br />
Sekundární elektrony (SE) jsou detekovány scintilačními detektory, jejichž katoda “odsává”<br />
SE z prostoru nad vzorkem (rychlé, velmi energetické, odražené elektrony se tak do<br />
scintilátoru nemohou dostat). Vznikající signál se převádí na zobrazovací jednotku a čím větší<br />
je počet SE, tím světlejší bod dostáváme. SE se mohou dostat maximálně z hloubky několika<br />
nanometrů, proto zobrazení SE přináší informaci pouze o povrchové vrstvě (obr. 2).<br />
Obr.2 SEM zobrazení povrchu wolframového atomizátoru (obraz SE) po opakované<br />
atomizaci vzorku s vysokým obsahem H2SO4.<br />
Odražené elektrony, jejichž počet je závislý na protonovém čísle, jsou detekovány vždy<br />
dvěma detektory a vzniklý obraz dává informaci o fázovém složení pevných vzorků. Fáze<br />
s vyšším průměrným protonovým číslem odrážejí elektrony více a odpovídají jim tak na<br />
obrazovce světlejší plochy (obr. 3).
Obr.3 SEM fázového složení wolframového atomizátoru (obraz odražených elektronů) po 100<br />
atomizačních cyklech. Obraz detekuje vznik nehomogenit uvnitř materiálu.<br />
Do oblasti elektronové mikroskopie patří i metoda prozařovací elektronové mikroskopie TEM<br />
(Transmission Electron Microscopy). Prozařovací elektronové mikroskopy využívají<br />
k zobrazení vzorku prošlých elektronů. Metoda TEM se používá při analýzách velmi tenkých<br />
vzorků.<br />
3 Rozdělení elektronových mikroskopů:<br />
Elektronová mikroskopie je provozována v mnoha režimech, z nichž nejvýznamnější jsou:<br />
1. transmisní elektronová mikroskopie (TEM), kdy se "prozařuje" celý vzorek najednou<br />
a detekují se elektrony na fluorescenčním stínítku po průchodu vzorkem. Je zřejmé, že<br />
vzorek musí být dostatečně tenký (ultratenké řezy asi 50 nm), aby elektrony nebyly<br />
vzorkem zcela pohlceny. Při vysokých urychlovacích napětích (několik set kV) se<br />
rozlišení této varianty při splnění dalších podmínek blíží rozlišení jednotlivých atomů<br />
(HRTEM - TEM s vysokým rozlišením);<br />
2. skenovací (rovněž známá pod názvem rastrovací) elektronová mikroskopie (REM).<br />
Metoda se používá nejčastěji pro zobrazení "tlustých" vzorků. Primární elektronový<br />
paprsek skenuje (rastruje) povrch vzorku řádek po řádku synchronně s elektronovým<br />
paprskem v pozorovací obrazovce. Podle režimu zobrazení se tak bod po bodu vytváří<br />
celkový obraz. Z každého bodu jsou primárním svazkem vybuzeny signály, které<br />
přináší užitečné informace o topografii (sekundární elektrony * ), materiálovém složení<br />
(zpětně odražené elektrony ** ) případně chemickém složení (charakteristické rtg.<br />
záření *** ) analyzovaného vzorku;<br />
3. STEM je metodou kombinující oba předchozí režimy (transmisní i rastrovací);<br />
4. rastrovací elektronové mikroskopy s volitelným vakuem (environmentální) jsou<br />
určeny pro biologické aplikace, kdy je možné pozorovat biologické vzorky in vivo,<br />
tedy v původním stavu. Vakuový systém tohoto elektronového mikroskopu umožňuje<br />
ponechat v preparátové komoře přirozené prostředí biologických vzorků (dostatečnou<br />
relativní vlhkost) při tlacích nad 660 Pa (tlak trojného bodu vody);<br />
*<br />
) Sekundární elektrony jsou elektrony uvolněné po dopadu primárního svazku, avšak mají<br />
mnohem menší energii (asi 50 eV). Mohou být uvolněny některými nepřímými procesy.<br />
Sekundární elektrony jsou uvolňovány z tenké povrchové vrstvy a přináší perfektní informaci<br />
o povrchové topografii (prostorový obraz s velkou hloubkou ostrosti).<br />
**<br />
) Zpětně odražené elektrony mají energii srovnatelnou s energií primárního elektronového<br />
svazku. Vystupují z větší hloubky (řádově desítky mikrometrů) a přináší tedy informaci<br />
o lokálních změnách materiálu. Hovoříme o materiálovém kontrastu.<br />
*** ) Charakteristické rentgenové záření je buzeno vysokoenergetickými elektronovými svazky<br />
a nese informaci o chemickém složení. Detekcí rtg. záření buď s rozkladem podle energie<br />
(polovodičové detektory) nebo vlnové délky (krystalové detektory) je možná kvalitativní i
kvantitativní mikroanalýza vzorku (objem řádově desítky až stovky krychlových<br />
mikrometrů).<br />
3.1 Transmisní elektronový mikroskop:<br />
elektrony.<br />
Viditelný obraz se vytváří na<br />
fluorescenčním stínítku svazkem<br />
elektronů, které prošly studovaným<br />
vzorkem, nebo které ve vzorku<br />
difraktovaly.<br />
Zdrojem proudu elektronů je kovová<br />
katoda, která po rozžhavení vysílá<br />
elektrony urychlované elektrickým<br />
polem o napětí 50 - 200kV.<br />
Proud elektronů prochází tzv.<br />
elektronovou čočkou, kterou tvoří el.<br />
pole zvláštního kondenzátoru, nebo<br />
mag. pole cívky. Tato elektronová<br />
čočka soustřeďuje elektrony na<br />
pozorovaný předmět (preparát).<br />
Vrstva preparátu musí být velmi tenká,<br />
přibližně 1µm, aby nepohlcovala<br />
Proud elektronů pak prochází další elektronovou čočkou – objektivem a vytvoří první<br />
elektronový obraz. Část tohoto obrazu se elektronovou čočkou – projektivem – znovu<br />
zvětší a výsledný obrazec se promítá buď na stínítko pokryté vrstvou luminoforu, nebo<br />
se zachytí na fotografické desce či filmu.<br />
Tyto, a samozřejmě i další součásti elektronového mikroskopu jsou uloženy ve<br />
vzduchotěsné válcové nádobě, z níž je vyčerpán vzduch, aby se proud elektronů<br />
nezeslaboval.<br />
K přípravě vzorků pro transmisní elektronový mikroskop se používá několik metod:<br />
• metoda obtisků (replik) - povrch silnější než 10 - 50 nm se pokrývá replikou. To<br />
může být např. roztok celulózy, který se nakápne na pozorovaný povrch a nechá se<br />
roztéct. Po zaschnutí repliku sejmeme a pozorujeme.
• příprava ultratenkých řezů - používá se zařízení zvané ultramikroton. Obsahuje<br />
fixní skleněný nůž a masivní ocelovou tyč, na níž je upevněn vzorek. Tyč se otáčí a je<br />
ohřívána průchodem proudu, čímž dojde k jejímu prodloužení a uříznutí části vzorku.<br />
Princip:<br />
• elektrochemické leptání - vzorek (cca 100µm) je elektrochemicky leptán nebo<br />
iontově poprašován. V místě, kde se vzorek proleptá jej pozorujeme<br />
katoda<br />
anoda<br />
+<br />
_<br />
Transmisní elektronový mikroskop<br />
zdroj el paprsku<br />
kondenzor objekt objektiv projektiv obrazovka<br />
zdroj VN, ř. 100kV<br />
vakuum
3.2 Rastrovací elektronový mikroskop:<br />
Rastrovací elektronový mikroskop pracuje tak, že na vzorek dopadá tenký svazek elektronů,<br />
který dopadá postupně na všechna místa<br />
vzorku. Odražený (emitovaný) paprsek se<br />
převádí na viditelný obraz.<br />
Mech. clona - vybírá pouze část elektronů,<br />
které dopadnou na preparát.<br />
Projekční čočka - způsobí, aby zaostřený<br />
svazek elektronů dopadl na preparát.<br />
Zaostřený svazek elektronů musí po povrchu preparátu rastrovat synchronně s TV.<br />
Rozlišujeme čtyři skupiny elektronů opouštějící povrch vzorku:<br />
• zpětně odražené elektrony - poskytují informaci o topografii (reliéfu) vzorku a o<br />
materiálovém složení. Jejich rozlišovací schopnost je 50-200nm.<br />
• sekundární elektrony - poskytují informaci převážně topografickou. Rozlišovací<br />
schopnost je 5-15 nm.<br />
• augerovy elektrony - jsou vyráženy z materiálu a zjištěním jejich energie lze<br />
provádět prvkovou (kvalitativní) analýzu.<br />
• primární elektrony - detekují se jako u transmisního elektronového mikroskopu (0,5<br />
nm).<br />
Dále pak můžeme detekovat i RTG záření nebo i viditelné světlo, což nám umožní získat další<br />
informace o zkoumaném vzorku.<br />
Vzorek může být 2-3 cm tlustý a 15 cm dlouhý a musí být kvalitně pokoven.<br />
Rastrovací elektronová mikroskopie umožňuje pozorování kovových nebo pokovených<br />
suchých vzorků s výraznou morfologií povrchu nebo částic až do 100 tisícinásobného<br />
zvětšení. K dosažení obrazu v REM musí být vzorek zbaven organických nečistot a umístěn
ve vakuové komoře, aby dopadající elektronový svazek i odražené nebo vyražené elektrony<br />
nebyly rozptylovány srážkami s molekulami vzduchu. Informace o struktuře a složení látek z<br />
povrchu vzorků lze získat detekcí elektronů různých druhů a pro jejich zachycení jsou<br />
mikroskopy vybavovány různými typy detektorů, nejčastější pro odražené a vyražené<br />
elektrony. Detektor vyražených elektronů poskytuje informaci o materiálovém složení látek,<br />
jež se projevuje jako materiálový kontrast. Ke studiu mokrých vzorků jsou vyráběny speciální<br />
rastrovací elektronové mikroskopy Enviromental Scanning Electron Microscopes - ESEM, u<br />
nichž je vakuový prostor vytvářen fyzikálně pouze v oblasti pozorování.<br />
Mikroskopická laboratoř FSv ČVUT je vybavena rastrovacím elektronovým mikroskopem<br />
TESLA BS 340 s obrazovým procesorem Tescan TS 1201 umožňujícím volbu rozlišení, t.j.<br />
velikost obrazu v pixelech do rozměru 2048x2048 při zvětšení až do 50-ti tisíc. Kvalita<br />
snímků je podmíněna jak seřízením mikroskopu tak i přípravou vzorků. Laboratoř má též<br />
zařízení pro napařování povrchu vzorků kovy.
Princip:<br />
Rastrovací elektronový mikroskop<br />
zdroj el. paprsku snimač<br />
čas.<br />
základna<br />
vakuum<br />
objekt<br />
elektrony<br />
el. obvody<br />
obraz<br />
povrchu<br />
monitor<br />
Rastrovací elektronová mikroskopie využívá k analýze struktury látek elektronového svazku.<br />
Působením těchto, tzv. primárních, elektronů jsou z povrchu preparátu emitovány sekundární<br />
elektrony za současného vzniku elektronů odražených elektronů, Augerových elektronů,<br />
fotonů a charakteristického rentgenového záření. Primární paprsek je přitom rozmítán po<br />
povrchu preparátu a vzniklé elektrony jsou v detektorech zpracovávány a převáděny na signál,<br />
který je zobrazován na stínítku obrazovky (v současné době spíše na monitoru počítače).<br />
Vynález rastrovacího elektronového mikroskopu je znám poměrně dlouho. Je uplatňován v<br />
mnoha vědeckotechnických oborech a mezi jeho hlavní přednosti je počítána možnost<br />
přímého pozorování objektů nepropustných pro elektrony, jednoduchá příprava preparátů,<br />
vysoká rozlišovací schopnost a rozsah zvětšení, vynikající hloubka ostrosti a plastičnost<br />
obrazu.<br />
Počátek výzkumů a vývoje rastrovacího elektronového mikroskopu (SEM - scanning electron<br />
microscope), je datován do 50. let 20. století, kdy byl zahájen výzkum v laboratořích<br />
univerzity v Cambridgi v Anglii. V roce 1965 pak spatřil světlo světa první rastrovací<br />
elektronový mikroskop STEREOSCAN firmy Cambridge Instr. Co . V České republice<br />
začíná výroba těchto přístrojů v roce 1976, kdy byl uveden do života rastrovací elektronový<br />
mikroskop TESLA BS 300. Všechny tyto přístroje pracují za vysokého vakua 10 -2 Pa. Tato<br />
skutečnost znamená jistou nevýhodu pro pozorování biologických preparátů obsahujících<br />
vodu, kdy pro pozorování vzorků v nezměněném tvaru musí být voda vytěsněna a nahrazena<br />
jinou látkou (např. glutaraldehydem) . Zároveň se biologické preparáty a vzorky izolantů pro<br />
zamezení nabíjení jejich povrchu opatřují iontovým naprašováním vrstvičkou kovu (Au, Ag,<br />
Cr), popř. uhlíku. Tloušťka vrstvy se pohybuje v řádech 10 1 nm.
Výrobci rastrovacích elektronových mikroskopů věnují v současnosti značnou pozornost<br />
přístrojům, u kterých je možno umístit a pozorovat vzorek při vyšším tlaku, např. 300 Pa.<br />
Použitý tlak je limitován typem detektorů. Tyto rastrovací elektronové mikroskopy jsou<br />
označovány jako environmentální (ESEM)α . Výhodou těchto přístrojů je možnost pozorovat<br />
biologické vzorky a vzorky izolantů bez složité přípravy a dokonce je možno pozorovat<br />
preparáty vlhké.<br />
Výsledkem výzkumných prací Ústavu přístrojové techniky v Brně a Ústavu<br />
elektrotechnologie Fakulty elektrotechniky a informatiky VUT v Brně je realizace<br />
environmentálního rastrovacího elektronového mikroskopu AQUASEM se speciálním<br />
detektorem, který byl připraven ve spolupráci s firmami PRECIOSA CRYTUR, s.r.o a<br />
TESCAN, s.r.o. (nyní LEO).<br />
Kromě klasického rastrovacího elektronového mikroskopu (Scanning Electron Microscope -<br />
SEM) jsou vyvíjeny přístroje schopné pracovat za vyšších tlaků (Low Vacuum adaptations of<br />
CSEM - LV CSEM).<br />
V odborné literatuře se v současné době můžeme setkat s termíny jako:<br />
SEM - Scanning Electron Microscopes (rastrovací elektronová mikroskopie všeobecně)<br />
CSEM - Conventional High Vacuum SEM´s (konvenční rastrovací elektronové mikroskopy<br />
pracující s vysokým vakuem)<br />
ESEMα ∗ - The Environmental SEM´s (environmentální rastrovací elektronové mikroskopy<br />
LV CSEM - Low Vacuum adaptations of CSEM´s (rastrovací elektronové mikroskopy<br />
pracující s nízkým vakuem, t.j. s vyšším tlakem)<br />
Činnost rastrovacího elektronového mikroskopu (CSEM) je založena na použití úzkého<br />
svazku elektronů emitovaných ze žhavené katody a urychlovaných v elektronové trysce<br />
tvořené systémem katoda - Wehneltův válec - anoda. Paprsek je dále zpracován<br />
elektromagnetickými čočkami a je rozmítán po povrchu pozorovaného objektu. Synchronně s<br />
tímto svazkem elektronů je rozmítán elektronový svazek paprsku v pozorovací obrazovce.<br />
Interakcí elektronového svazku s povrchem pozorovaného objektu vznikají sekundární<br />
elektrony (zároveň s fotony, odraženými elektrony, aj.) - viz obr 1. Tyto po detekci a zesílení<br />
modulují jas elektronového paprsku v pozorovací obrazovce, takže na obrazovce vznikne<br />
obraz odpovídající povrchu pozorovaného vzorku.
Obr. 1 Interakce primárního elektronového paprsku (PE) a atomů povrchu vzorku -<br />
generování různých druhů signálů<br />
Rozlišovací schopnost mikroskopu je dána známou rovnicí<br />
λ<br />
∆ =<br />
n ⋅sinα<br />
kde λ je vlnová délka použitého záření [ nm]<br />
n. sinα je numerická apertura<br />
Rozlišovací schopnost se u SEM pohybuje podle použitého urychlovacího napětí a zvětšení<br />
řádově v 10 1 nm. Zvětšení mikroskopu Zm je přitom dáno poměrem rozlišení na obrazovce a<br />
rozlišení vztaženého na předmět (stopy elektronového paprsku na preparátu).<br />
m<br />
d<br />
=<br />
d<br />
kde do [ m] je rozlišení na obrazovce<br />
dp [ m] je rozlišení vztažené na předmět.<br />
Z<br />
0<br />
p<br />
[ nm]<br />
Užitečné zvětšení mikroskopu vychází řádově 10 3 - 10 4 .<br />
Jak již bylo řečeno v úvodu, klasický SEM pracuje s vakuem min. 10 -2 Pa a proto je nutno<br />
použít speciální přípravy preparátů, zejména jeho naprášení kovem.<br />
V mnoha případech nejde jen o pouhé zobrazení studovaných objektů. V souvislosti s tím je<br />
potřeba znát, s jakou přesností lze měřit geometrické rozměry při vysokých zvětšeních.<br />
Analýzou bylo zjištěno, že maximální relativní chyba se pohybuje u klasického SEM.<br />
Klasický rastrovací elektronový mikroskop (CSEM) pracující s vysokým vakuem v režimu<br />
sekundárních elektronů vyžaduje povrchovou úpravu těch preparátů, které se vlivem<br />
dopadajících primárních elektronů nabíjejí, popř. je jejich povrch energií elektronů narušován.
Známá úprava povrchu preparátu je jeho iontové povrstvení kovy (Ag, Au, Cr, Pt), popř.<br />
uhlíkem.<br />
Další problémy nastávají u preparátů, které obsahují vodu, popř. jiné kapaliny, plyny, a pod.<br />
U těchto preparátů by vložením do vakua došlo k odpaření kapalin a plynů a ke zborcení<br />
struktury, vzniku artefaktů, a pod. Kapaliny jsou proto vytěsňovány a nahrazovány jinými<br />
substancemi, struktura je složitým způsobem zpevňována. Problémy vznikající při analýze<br />
povrchu různých typů materiálů a jejich možná řešení jsou uvedeny přehledně v tabulce<br />
(Tab.I.)<br />
Tab. I. Problematika preparace pro rastrovací elektronovou mikroskopii<br />
Preparát Problém Řešení<br />
Kovy a ostatní vodivé materiály - žádný<br />
Izolanty<br />
(sklo, polymery, prášky, atp.)<br />
Preparáty s členitým povrchem,<br />
u nichž nedochází k řádnému<br />
naprášení povrchu<br />
Preparáty s nebezpečím<br />
odlupování naprášené vrstvy<br />
Pórovité preparáty obsahující<br />
velké množství plynů (vzduchu)<br />
Preparáty obsahující vlhkost,<br />
tekutiny, vodu, oleje<br />
(biologické preparáty)<br />
Preparáty, které se nesmějí<br />
povrstvit (naprášit)<br />
- malý kontrast<br />
- CSEM<br />
- naprášení preparátu<br />
- nabíjení - CSEM + naprášení<br />
- použití ESEM<br />
(AQUASEM)<br />
- nabíjení - použití ESEM<br />
(AQUASEM)<br />
- vznik artefaktů - použití ESEM<br />
(AQUASEM)<br />
- změny preparátu v čase - použití ESEM<br />
- deformace po úniku vody,<br />
par,<br />
- vznik artefaktů<br />
(AQUASEM)<br />
- použití LV SEM<br />
- použití ESEM<br />
(AQUASEM)<br />
- použití LV SEM<br />
- nabíjení - použití ESEM<br />
(AQUASEM)
Vzácné preparáty - použití LV SEM<br />
3.2.1 Enviromentální rastrovací elektronová mikroskopie:<br />
U environmentální rastrovací elektronové mikroskopie jde o pozorování vzorků při vyšším<br />
tlaku (300 - 2 000 Pa). Tím je umožněno pozorování vlhkých vzorků a izolantů, které není<br />
nutno pro mikroskopii speciálně připravovat.<br />
Výsledkem prací na výzkumu možností oddělení prostoru komory vzorku a tubusu systémem<br />
diferenciálního čerpání a speciálního dvojitého párového scintilačního detektoru zpětně<br />
odražených elektronů je realizace mikroskopu AQUASEM. Tento přístroj umožňuje<br />
pozorování vzorků při tlaku v komoře vzorku do 2 000 Pa. Experimenty s pozorováním<br />
elektricky nevodivých vzorků potvrdily, že při tlacích v komoře vzorku nad 100 Pa dochází k<br />
odstranění tzv. nabíjecího jevu, který by u klasického SEM bez speciální úpravy jejich<br />
pozorování znemožnil.<br />
Během činnosti ESEM dochází při vyšším tlaku v komoře vzorku kromě běžné interakce<br />
primárního paprsku ( PE ) s atomy povrchu preparátu rovněž k vzniku iontů. Tyto jsou poté<br />
detekovány ionizačním detektorem ( ID ) - viz obr. 2<br />
Přístroj AQUASEM je řízen počítačem. Počítačová podpora systému umožňuje získání<br />
obrazu v bitové mapě (*.bmp) a jeho další zpracování v systémech obrazové analýzy. Kromě<br />
toho odpadá celý fotografický proces zpracování obrazu a tím se zpřesňuje měření na ESEM.<br />
Obr. 2 Detekce iontů ionizačním detektorem (ID)<br />
Environmentální rastrovací elektronový mikroskop AQUASEM umožňuje pracovat ve více<br />
režimech:
• jako klasický rastrovací elektronový mikroskop v režimu sekundárních elektronů<br />
• jako environmentální rastrovací elektronový mikroskop v režimu odražených<br />
elektronů a detekce iontů pro izolanty, vlhké vzorky a biologické preparáty<br />
Aplikační úlohy environmentálního rastrovacího elektronového mikroskopu AQUASEM<br />
v oboru zkoumání textilních struktur lze rozdělit do několika oblastí:<br />
• oblast textilních materiálů (polymery, vlákna přírodní, chemická, anorganická,<br />
nadvlákenné útvary, příze, zkaniny, pleteniny, atp.)<br />
• oblast biologických preparátů (přírodní vlákna, vlhké vzorky, roztoči, atp.)<br />
• oblast ostatních (mezioborových) aplikací s překrývající se problematikou (oblast<br />
životního prostředí, kontaminace vody barvivy po barvení textilií, apod.)<br />
• oblast měření a analýzy struktur, zejména po spojení s obrazovou analýzou. Na<br />
pracovišti je používán výkonný systém obrazové analýzy LUCIA (výrobce Laboratory<br />
Imaging, Praha).<br />
Environmentální rastrovací elektronový mikroskop je výkonným pomocníkem při analýzách<br />
ve všech technických a rovněž v textilních oborech. Jako každá moderní metoda je i<br />
environmentální rastrovací elektronová mikroskopie dále rozvíjena. Lze ji použít pro rutinní<br />
ověřování kvality i pro rozšiřování poznání ve vědeckých bádáních. Umožňuje digitální<br />
zpracování obrazu, měření a analýzu struktur.<br />
RASTROVACÍ ELEKTRONOVÉ MIKROSKOPY VEGA<br />
Rastrovací elektronové mikroskopy patřící do rodiny mikroskopů VEGA jsou mikroskopy<br />
plně řízené počítačem, jejichž typickými vlastnostmi jsou:<br />
• vynikající elektronově optické vlastnosti<br />
• promyšlená konstrukce tubusu bez mechanických centrovacích prvků umožňující<br />
pohodlnou obsluhu a snadnou údržbu<br />
• rychlé a snadné dosažení čistého pracovního vakua pomocí turbomolekulární a rotační<br />
vývěvy; pracuje bez chladící vody
• neblikavý obraz s vysokým jasem a brilancí jako výsledek digitálního způsobu<br />
pořízení a zpracování obrazu<br />
• důmyslný software pro řízení mikroskopu a pořizování snímků a dokonalý systém pro<br />
jejich archivaci, zpracování a vyhodnocování, dálkové ovládání mikroskopu<br />
s možností diagnostiky na dálku, která snižuje servisní náklady<br />
• minimální nároky na instalaci a provoz mikroskopu (nevyžaduje tekoucí vodu a zabírá<br />
malý prostor)<br />
• VEGA TS 5130- základní model řady VEGA, konvenční vysokovakuový mikroskop<br />
s manuálními posuvy vzorku.<br />
VEGA TS 5130 MM - vysokovakuový mikroskop se středně velkou komorou a motorovými<br />
posuvy vzorku
• VEGA Plus TS 5135- mikroskop pracující v těchto oblastech: vysoké vakuum<br />
(typicky 5*10-3 Pa) a střední vakuum (5 až 50 Pa) - vhodné pro suché nevodivé<br />
vzorky. Vakuum v komoře vzorku lze snadno měnit .<br />
• VEGA Plus TS 5135 MM- mikroskop se středně velkou komorou a motorovými<br />
posuvy vzorku, pracující v těchto oblastech: vysoké vakuum (typicky 5*10-3 Pa)<br />
a střední vakuum (5 až 50 Pa) - vhodné pro suché nevodivé vzorky. Vakuum v komoře<br />
vzorku lze snadno měnit.<br />
• VEGA UniVac TS 5140- mikroskop pracující v oblastech: vysoké vakuum (typicky<br />
5*10-3 Pa) a nízké vakuum (5 až 500 Pa) - vhodné pro nevodivé vzorky obsahující<br />
vodu.<br />
Tubus je diferenciálně čerpán v místě, kde u předchozích modelů je umístěna<br />
mezičočka - nelze tedy dosáhnout některých speciálních režimů optické soustavy<br />
základního modelu VEGA. Vakuum v komoře vzorku lze snadno měnit.<br />
• VEGA UniVac TS 5140 MM- mikroskop pracující v oblastech: vysoké vakuum<br />
(typicky 5*10-3 Pa) a nízké vakuum (5 až 500 Pa) - vhodné pro nevodivé vzorky<br />
obsahující vodu.<br />
Tubus je diferenciálně čerpán v místě, kde u modelů VEGA a VEGA Plus je umístěna<br />
mezičočka - nelze tedy dosáhnout některých speciálních režimů optické soustavy<br />
základního modelu VEGA. Vakuum v komoře vzorku lze snadno měnit.<br />
Mikroskop je vybaven středně velkou komorou a motorovými posuvy vzorku.<br />
Modernizace elektronových mikroskopů VEGA EOScan a MV 2300<br />
Přehled typů mikroskopů VEGA a jejich specifikace je uveden na následující stránce.<br />
Dále jsou uvedeny požadavky na pracovní prostředí a minimální plochu potřebnou pro<br />
instalaci mikroskopu.
4 Výhody a nevýhody elektronových mikroskopů:<br />
Mezi největší výhody patří velmi velké zvětšení - řádově až 1 000 000 ,což umožňuje<br />
pozorovat i opravdu velmi malé částice.<br />
U transmisních el. mikroskopů je nutné, aby vzorek byl velmi tenký, což lze považovat za<br />
nevýhodu. Další podstatná nevýhoda je to, že preparát musí být umístěn ve vakuu, což<br />
neumožňuje pozorovat živé organismy.<br />
El. mikroskop má také velké rozlišení (0,1 nm) a velkou hloubku ostrosti (několik mm).<br />
Pohyb svazku elektronů lze řídit pomocí počítače, což umožňuje využít veškerý komfort,<br />
který tato technika poskytuje (zobrazit pouze výřez, odstranit šum snížením rastrovací<br />
rychlosti, tisknout obraz ...)<br />
Výhoda je také to, že elektronový mikroskop může dát informaci nejen o topografii vzorku,<br />
ale i o jeho materiálovém složení.<br />
Za nevýhody lze dále považovat i velké nároky na prostor a vysokou pořizovací cenu.<br />
5 Použití:<br />
Elektronová mikroskopie se používá při studiu velmi malých částic, například v lékařství při<br />
studiu bakterií a virů.<br />
Jiné uplatnění nalézá např. v mikroelektronice, kde se využívá při vývoji a studiu čipů a<br />
polovodičových materiálů. Vzhledem k tomu, že dráhy elektronů ovlivňují také případné<br />
mag. pole povrchové vrstvy vzorku, můžeme např. pozorovat mag. pole, které vytváří<br />
pracující polovodičová součástka.<br />
Mikroskop lze využít i ke kvalitativní (prvkové) analýze např. v chemii, biologii atd.<br />
Aplikační možnosti SEM a ESEM sahají od pozorování povrchu vláken a vnitřních struktur<br />
vláken (lomové plochy, struktury získané sloupnutím povrchové vrstvy vláken), defekty a<br />
poškození vláken, přes struktury přízí, nití, plošných textilií (tkaniny, pleteniny, netkané<br />
textilie) až po možnosti analýzy příčin různých vad v textiliích (mrtvá vlákna bavlny,<br />
zašpinění, oděr, atd.). SEM a ESEM umožňují nedestruktivní analýzu poruch textilních<br />
struktur, kdy není nutno strukturu rozebírat na jednotlivé konstrukční elementy (příze, nitě,<br />
vlákna).<br />
Jako příklad lze uvést analýzu struktury povrchu vlněného vlákna v surovém stavu a po<br />
aplikaci různých metod úpravy vlny .<br />
Kromě struktur textilií jsou na katedře textilních materiálů TUL pomocí SEM a ESEM<br />
zkoumány struktury využívající vláken jako konstrukčních prvků v kompozitech. Pomocí<br />
metod rastrovací elektronové mikroskopie jsou analyzovány např. lomové plochy C-C<br />
kompozitů.<br />
6 Anglické články
Electron Microscopy<br />
What are Electron Microscopes?<br />
Electron Microscopes are scientific instruments that use a beam of highly energetic<br />
electrons to examine objects on a very fine scale. This examination can yield the<br />
following information:<br />
Topography<br />
The surface features of an object or "how it looks", its texture; direct relation between<br />
these features and materials properties (hardness, reflectivity...etc.)<br />
Morphology<br />
The shape and size of the particles making up the object; direct relation between these<br />
structures and materials properties (ductility, strength, reactivity...etc.)<br />
Composition<br />
The elements and compounds that the object is composed of and the relative amounts<br />
of them; direct relationship between composition and materials properties (melting<br />
point, reactivity, hardness...etc.)<br />
Crystallographic Information<br />
How the atoms are arranged in the object; direct relation between these arrangements<br />
and materials properties (conductivity, electrical properties, strength...etc.)<br />
Where did Electron Microscopes Come From?<br />
Electron Microscopes were developed due to the limitations of Light Microscopes<br />
which are limited by the physics of light to 500x or 1000x magnification and a<br />
resolution of 0.2 micrometers. In the early 1930's this theoretical limit had been<br />
reached and there was a scientific desire to see the fine details of the interior structures<br />
of organic cells (nucleus, mitochondria...etc.). This required 10,000x plus<br />
magnification which was just not possible using Light Microscopes.<br />
The Transmission Electron Microscope (TEM) was the first type of Electron<br />
Microscope to be developed and is patterned exactly on the Light Transmission<br />
Microscope except that a focused beam of electrons is used instead of light to "see<br />
through" the specimen. It was developed by Max Knoll and Ernst Ruska in Germany<br />
in 1931.<br />
The first Scanning Electron Microscope (SEM) debuted in 1942 with the first<br />
commercial instruments around 1965. Its late development was due to the electronics<br />
involved in "scanning" the beam of electrons across the sample. An excellent article<br />
was just published in Scanning detailing the history of SEMs and I would encourage<br />
those interested to read it.<br />
How do Electron Microscopes Work?<br />
Electron Microscopes(EMs) function exactly as their optical counterparts except that<br />
they use a focused beam of electrons instead of light to "image" the specimen and gain<br />
information as to its structure and composition.<br />
The basic steps involved in all EMs:<br />
1. A stream of electrons is formed (by theElectron Source) and accelerated toward the<br />
specimen using a positive electrical potential<br />
2. This stream is confined and focused using metal apertures and magnetic lenses into a<br />
thin, focused, monochromatic beam.<br />
3. This beam is focused onto the sample using a magnetic lens
4. Interactions occur inside the irradiated sample, affecting the electron beam<br />
These interactions and effects are detected and transformed into an image<br />
The above steps are carried out in all EMs regardless of type. A more specific treatment of the<br />
workings of two different types of EMs are described in more detail:<br />
Transmission Electron Microscope<br />
Scanning Electron Microscope<br />
Transmission Electron Microscope (TEM)<br />
TEMs are patterned after Transmission Light Microscopes and will yield similar information.<br />
Morphology<br />
The size, shape and arrangement of the particles which make up the specimen as well<br />
as their relationship to each other on the scale of atomic diameters.<br />
Crystallographic Information<br />
The arrangement of atoms in the specimen and their degree of order, detection of<br />
atomic-scale defects in areas a few nanometers in diameter<br />
Compositional Information (if so equipped)<br />
The elements and compounds the sample is composed of and their relative ratios, in<br />
areas a few nanometers in diameter<br />
A TEM works much like a slide projector. A projector shines a beam of light through<br />
(transmits) the slide, as the light passes through it is affected by the structures and objects on<br />
the slide. These effects result in only certain parts of the light beam being transmitted through<br />
certain parts of the slide. This transmitted beam is then projected onto the viewing screen,<br />
forming an enlarged image of the slide.<br />
TEMs work the same way except that they shine a<br />
beam of electrons (like the light) through the<br />
specimen(like the slide). Whatever part is transmitted<br />
is projected onto a phosphor screen for the user to<br />
see. A more technical explanation of a typical TEMs<br />
workings is as follows (refer to the diagram below):<br />
1. The "Virtual Source" at the top represents the<br />
electron gun, producing a stream of<br />
monochromatic electrons.<br />
2. This stream is focused to a small, thin,<br />
coherent beam by the use of condenser lenses<br />
1 and 2. The first lens (usually controlled by<br />
the "spot size knob") largely determines the<br />
"spot size"; the general size range of the final<br />
spot that strikes the sample. The second<br />
lens(usually controlled by the "intensity or
ightness knob" actually changes the size of the spot on the sample; changing it from<br />
a wide dispersed spot to a pinpoint beam.<br />
3. The beam is restricted by the condenser aperture (usually user selectable), knocking<br />
out high angle electrons (those far from the optic axis, the dotted line down the center)<br />
4. The beam strikes the specimen and parts of it are transmitted<br />
5. This transmitted portion is focused by the objective lens into an image<br />
6. Optional Objective and Selected Area metal apertures can restrict the beam; the<br />
Objective aperture enhancing contrast by blocking out high-angle diffracted electrons,<br />
the Selected Area aperture enabling the user to examine the periodic diffraction of<br />
electrons by ordered arrangements of atoms in the sample<br />
7. The image is passed down the column through the intermediate and projector lenses,<br />
being enlarged all the way<br />
8. The image strikes the phosphor image screen and light is generated, allowing the user<br />
to see the image. The darker areas of the image represent those areas of the sample<br />
that fewer electrons were transmitted through (they are thicker or denser). The lighter<br />
areas of the image represent those areas of the sample that more electrons were<br />
transmitted through (they are thinner or less dense)<br />
Scanning Electron Microscope (SEM)<br />
SEMs are patterned after Reflecting Light Microscopes and yield<br />
similar information:<br />
Topography<br />
The surface features of an object or "how it looks", its texture;<br />
detectable features limited to a few manometers<br />
Morphology<br />
The shape, size and arrangement of the particles making up the<br />
object that are lying on the surface of the sample or have been<br />
exposed by grinding or chemical etching; detectable features limited<br />
to a few manometers<br />
Composition<br />
The elements and compounds the sample is composed of and their relative ratios, in<br />
areas ~ 1 micrometer in diameter<br />
Crystallographic Information<br />
The arrangement of atoms in the specimen and their degree of order; only useful on<br />
single-crystal particles >20 micrometers<br />
A detailed explanation of how a typical SEM functions follows (refer to the diagram below):
1. The "Virtual Source" at the top represents the electron gun, producing a stream of<br />
monochromatic electrons.<br />
2. The stream is condensed by the first condenser lens (usually controlled by the "coarse<br />
probe current knob"). This lens is used to both form the beam and limit the amount of<br />
current in the beam. It works in conjunction with the condenser aperture to eliminate<br />
the high-angle electrons from the beam<br />
3. The beam is then constricted by the condenser aperture (usually not user selectable),<br />
eliminating some high-angle electrons<br />
4. The second condenser lens forms the electrons into a thin, tight, coherent beam and is<br />
usually controlled by the "fine probe current knob"<br />
5. A user selectable objective aperture further eliminates high-angle electrons from the<br />
beam<br />
6. A set of coils then "scan" or "sweep" the beam in a grid fashion (like a television),<br />
dwelling on points for a period of time determined by the scan speed (usually in the<br />
microsecond range)<br />
7. The final lens, the Objective, focuses the scanning beam onto the part of the specimen<br />
desired.<br />
8. When the beam strikes the sample (and dwells for a few microseconds) interactions<br />
occur inside the sample and are detected with various instruments<br />
9. Before the beam moves to its next dwell point these instruments count the number of<br />
interactions and display a pixel on a CRT whose intensity is determined by this<br />
number (the more reactions the brighter the pixel).<br />
10. This process is repeated until the grid scan is finished and then repeated, the entire<br />
pattern can be scanned 30 times per second.<br />
The Transmission Electron Microscope<br />
The transmission electron microscope (TEM) operates on the same basic principles as the<br />
light microscope but uses electrons instead of light. What you can see with a light microscope<br />
is limited by the wavelength of light. TEMs use electrons as "light source" and their much<br />
lower wavelength makes it possible to get a resolution a thousand times better than with a<br />
light microscope.<br />
You can see objects to the order of a few angstrom (10 -10 m). For example, you can study<br />
small details in the cell or different materials down to near atomic levels. The possibility for<br />
high magnifications has made the TEM a valuable tool in both medical, biological and<br />
materials research.
Magnetic Lenses Guide the Electrons<br />
A "light source" at the top of the microscope emits the electrons that travel through vacuum in<br />
the column of the microscope. Instead of glass lenses focusing the light in the light<br />
microscope, the TEM uses electromagnetic lenses to focus the electrons into a very thin beam.<br />
The electron beam then travels through the specimen you want to study. Depending on the<br />
density of the material present, some of the electrons are scattered and disappear from the<br />
beam. At the bottom of the microscope the unscattered electrons hit a fluorescent screen,<br />
which gives rise to a "shadow image" of the specimen with its different parts displayed in<br />
varied darkness according to their density. The image can be studied directly by the operator<br />
or photographed with a camera.<br />
7 Seznam adres :<br />
http://www.microscopy-uk.org.uk/primer/special.htm speciální mikroskop. techniky<br />
http://www.biomed.cas.cz/d331/vade/mikroskopy.html#h4_7 mikroskopy<br />
http://www.physics.muni.cz/~kubena/optika1/sld017.htm<br />
http://cheminfo.chemi.muni.cz/ianua/Konecna/Konecna_SP_JS01.html využití elektronové<br />
mikroskopie v AAS<br />
http://www.ujep.cz/ujep/pf/kbiol/web/elektronm.htm obrázek el. mikr. TESLA<br />
http://www.edlin.cz/fei/fei1.htm-TEM Morgagni(FEI)<br />
http://www.edlin.cz/fei/fei2.htm- SEM Quanta(FEI)<br />
http://www.tescan.cz/cz_prods.html#VEGA rast. el.m. VEGA
http://www.ft.vslib.cz/depart/ktm/aquasem/vlakna.htm využití přístroje Aquasem pro<br />
zkoumání vlákenných a nadvlákenných struktur<br />
http://www.isibrno.cz/info.new/celky/popis/c-030101.htm enviroment. rastr. mikroskopy<br />
http://atmilab.upol.cz/vys/JineMet.htm jiné metody studia povrchu látek<br />
http://mujweb.atlas.cz/www/frenky/mikro.htm elektronová mikroskopie transmisní a<br />
rastrovací<br />
http://www.unl.edu/CMRAcfem/em.htm elektronové mikroskopy - anglický článek<br />
http://www.unl.edu/CMRAcfem/temoptic.htm transmisní elektronový mikroskop -<br />
anglický článek<br />
http://www.unl.edu/CMRAcfem/semoptic.htm rastrovací elektronový mikroskop -<br />
anglický článek<br />
http://www.nobel.se/physics/educational/microscopes/tem/ transmisní elektronový<br />
mikroskop - anglický článek<br />
http://www.ujep.cz/ujep/pf/kbiol/web/elektronm.htm obrázek el. mikr. TESLA