Transmisyjna mikroskopia elektronowa - Transmission electron microscopy

Obraz TEM klastra wirusa polio . Wirus polio ma średnicę 30 nm .
Zasada działania transmisyjnego mikroskopu elektronowego

Transmisyjna mikroskopia elektronowa ( TEM ) to technika mikroskopowa , w której wiązka elektronów jest przepuszczana przez próbkę w celu utworzenia obrazu. Próbka to najczęściej ultracienki odcinek o grubości poniżej 100 nm lub zawiesina na siatce. Obraz powstaje z interakcji elektronów z próbką, gdy wiązka jest przepuszczana przez próbkę. Obraz jest następnie powiększany i ogniskowany na urządzeniu do obrazowania, takim jak ekran fluorescencyjny , warstwa błony fotograficznej lub czujnik taki jak scyntylator przymocowany do urządzenia ze sprzężeniem ładunkowym .

Transmisyjne mikroskopy elektronowe są w stanie obrazować ze znacznie wyższą rozdzielczością niż mikroskopy świetlne , ze względu na mniejszą długość fali de Broglie elektronów. Dzięki temu instrument może uchwycić drobne szczegóły — nawet tak małe jak pojedyncza kolumna atomów, która jest tysiące razy mniejsza niż rozdzielczy obiekt widziany w mikroskopie świetlnym. Transmisyjna mikroskopia elektronowa jest główną metodą analityczną w naukach fizycznych, chemicznych i biologicznych. TEM znajdują zastosowanie w badaniach nad rakiem , wirusologii i materiałoznawstwie, a także w badaniach nad zanieczyszczeniami , nanotechnologią i półprzewodnikami , ale także w innych dziedzinach, takich jak paleontologia i palinologia .

Instrumenty TEM mają wiele trybów pracy, w tym obrazowanie konwencjonalne, obrazowanie skaningowe TEM (STEM), dyfrakcja, spektroskopia i ich kombinacje. Nawet w konwencjonalnym obrazowaniu istnieje wiele fundamentalnie różnych sposobów wytwarzania kontrastu, zwanych „mechanizmami kontrastu obrazu”. Kontrast może wynikać z różnic między pozycjami w grubości lub gęstości („kontrast masy i grubości”), liczbie atomowej („kontrast Z”, odnosząc się do powszechnego skrótu Z oznaczającego liczbę atomową), struktury krystalicznej lub orientacji („krystalograficzny kontrast” lub „kontrast dyfrakcyjny”), niewielkie kwantowo-mechaniczne przesunięcia fazowe, które poszczególne atomy wytwarzają w elektronach, które przez nie przechodzą („kontrast fazowy”), energia tracona przez elektrony podczas przechodzenia przez próbkę („obrazowanie widmowe”) i jeszcze. Każdy mechanizm przekazuje użytkownikowi inny rodzaj informacji, zależny nie tylko od mechanizmu kontrastu, ale także od sposobu użycia mikroskopu – ustawienia soczewek, przysłon i detektorów. Oznacza to, że TEM jest w stanie zwrócić niezwykłą różnorodność informacji o rozdzielczości nanometrowej i atomowej, w idealnych przypadkach ujawniając nie tylko lokalizację wszystkich atomów, ale także rodzaje atomów i sposób ich wiązania. Z tego powodu TEM jest uważany za podstawowe narzędzie nanonauki zarówno w dziedzinie biologii, jak i materiałów.

Pierwszy TEM został zademonstrowany przez Maxa Knolla i Ernsta Ruskę w 1931 roku, przy czym grupa ta opracowała pierwszy TEM o rozdzielczości większej niż światło w 1933 roku i pierwszy komercyjny TEM w 1939 roku. W 1986 roku Ruska otrzymała Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za rozwój transmisyjnej mikroskopii elektronowej.

Historia

Początkowy rozwój

Pierwszy praktyczny TEM, pierwotnie zainstalowany w IG Farben-Werke, a teraz wystawiany w Deutsches Museum w Monachium, Niemcy
Transmisyjny mikroskop elektronowy (1976).

W 1873 roku Ernst Abbe zaproponował, że zdolność do rozdzielenia szczegółów obiektu jest ograniczona w przybliżeniu długością fali światła używanego do obrazowania lub kilkuset nanometrów w przypadku mikroskopów światła widzialnego. Rozwój mikroskopów ultrafioletowych (UV), kierowany przez Köhlera i Rohra , zwiększył zdolność rozdzielczą dwukrotnie. Wymagało to jednak drogiej optyki kwarcowej ze względu na absorpcję promieniowania UV przez szkło. Uważano, że uzyskanie obrazu z informacjami poniżej mikrometra nie jest możliwe ze względu na to ograniczenie długości fali.

W 1858 roku Plücker zaobserwował ugięcie „promieni katodowych” ( elektronów ) przez pola magnetyczne. Efekt ten został wykorzystany przez Ferdinanda Brauna w 1897 roku do budowy prostych urządzeń pomiarowych oscyloskopu katodowego (CRO). W 1891 Riecke zauważył, że promienie katodowe mogą być skupiane przez pola magnetyczne, co pozwala na proste konstrukcje soczewek elektromagnetycznych. W 1926 roku Hans Busch opublikował pracę rozszerzającą tę teorię i wykazał, że równanie producenta soczewek można, przy odpowiednich założeniach, zastosować do elektronów.

W 1928 roku na Uniwersytecie Technicznym w Berlinie Adolf Matthias, profesor technologii wysokiego napięcia i instalacji elektrycznych, wyznaczył Maxa Knolla na kierowanie zespołem badaczy mających na celu udoskonalenie projektu CRO. W skład zespołu wchodziło kilku doktorantów, w tym Ernst Ruska i Bodo von Borries . Zespół badawczy pracował nad projektowaniem soczewek i rozmieszczeniem kolumn CRO, aby zoptymalizować parametry w celu skonstruowania lepszych CRO i stworzyć elektronowe komponenty optyczne do generowania obrazów o niskim powiększeniu (prawie 1:1). W 1931 roku grupa z powodzeniem wygenerowała powiększone obrazy siatek oczek umieszczonych nad otworem anodowym. W urządzeniu zastosowano dwie soczewki magnetyczne, aby uzyskać większe powiększenia, tworząc prawdopodobnie pierwszy mikroskop elektronowy . W tym samym roku Reinhold Rudenberg , dyrektor naukowy firmy Siemens , opatentował mikroskop elektronowy z soczewką elektrostatyczną .

Poprawa rozdzielczości

W tamtych czasach rozumiano, że elektrony są naładowanymi cząstkami materii; falowa natura elektronów nie została w pełni uświadomiona do czasu opublikowania hipotezy De Broglie w 1927 roku. Grupa badawcza Knolla nie wiedziała o tej publikacji do 1932 roku, kiedy szybko zorientowali się, że długość fali elektronów De Broglie jest o wiele rzędów wielkości mniejsza niż ta na światło, teoretycznie pozwalającą na obrazowanie w skalach atomowych. (Nawet dla elektronów o energii kinetycznej zaledwie 1 wolta długość fali jest już tak krótka, jak 1,23  nm .) W kwietniu 1932 Ruska zaproponowała budowę nowego mikroskopu elektronowego do bezpośredniego obrazowania próbek wprowadzanych do mikroskopu, zamiast prostej siatki siatki lub obrazy otworów. Za pomocą tego urządzenia uzyskano udaną dyfrakcję i normalne obrazowanie blachy aluminiowej. Jednak osiągalne powiększenie było mniejsze niż przy mikroskopie świetlnym. Powiększenia większe niż dostępne w mikroskopie świetlnym osiągnięto we wrześniu 1933 r., dzięki obrazom włókien bawełny, które zostały szybko uzyskane przed uszkodzeniem przez wiązkę elektronów.

W tym czasie zainteresowanie mikroskopem elektronowym wzrosło wraz z innymi grupami, takimi jak Paul Anderson i Kenneth Fitzsimmons z Washington State University oraz Albert Prebus i James Hillier z University of Toronto , którzy skonstruowali pierwsze TEM na północy Ameryka w latach 1935 i 1938, odpowiednio, stale rozwijała projekty TEM.

Kontynuowano badania nad mikroskopem elektronowym w firmie Siemens w 1936 roku, gdzie celem badań było opracowanie i udoskonalenie właściwości obrazowania TEM, szczególnie w odniesieniu do próbek biologicznych. W tym czasie produkowano mikroskopy elektronowe dla określonych grup, takie jak urządzenie „EM1” używane w brytyjskim National Physical Laboratory. W 1939 roku na wydziale fizyki IG Farben- Werke zainstalowano pierwszy komercyjny mikroskop elektronowy przedstawiony na zdjęciu . Dalsze prace nad mikroskopem elektronowym utrudniło zniszczenie w wyniku nalotu nowego laboratorium wybudowanego w firmie Siemens , a także śmierć dwóch badaczy, Heinza Müllera i Friedricka Krause podczas II wojny światowej .

Dalsze badania

Po II wojnie światowej Ruska wznowił pracę w firmie Siemens, gdzie kontynuował rozwój mikroskopu elektronowego, produkując pierwszy mikroskop o powiększeniu 100 tys. Podstawowa konstrukcja tego projektu mikroskopu, z wielostopniową optyką przygotowującą wiązkę, jest nadal stosowana w nowoczesnych mikroskopach. Światowa społeczność zajmująca się mikroskopią elektronową rozwinęła się dzięki mikroskopom elektronowym produkowanym w Manchesterze w Wielkiej Brytanii, USA (RCA), Niemczech (Siemens) i Japonii (JEOL). Pierwsza międzynarodowa konferencja z zakresu mikroskopii elektronowej odbyła się w Delft w 1949 roku, z ponad stu uczestnikami. Późniejsze konferencje obejmowały „Pierwszą” międzynarodową konferencję w Paryżu w 1950 r., a następnie w Londynie w 1954 r.

Wraz z rozwojem TEM, powiązana technika skaningowej transmisyjnej mikroskopii elektronowej (STEM) została ponownie zbadana i pozostała nierozwinięta do lat 70. XX wieku, a Albert Crewe z University of Chicago opracował działo do emisji polowej i dodał wysokiej jakości soczewkę obiektywu, aby stworzyć nowoczesny STEM. Korzystając z tego projektu, Crewe zademonstrował zdolność obrazowania atomów za pomocą pierścieniowego obrazowania w ciemnym polu . Crewe i współpracownicy z University of Chicago opracowali źródło emisji elektronów w zimnym polu i zbudowali STEM zdolny do wizualizacji pojedynczych ciężkich atomów na cienkich podłożach węglowych. W 2008 roku Jannick Meyer i in. opisał bezpośrednią wizualizację lekkich atomów, takich jak węgiel, a nawet wodór, za pomocą TEM i czystego jednowarstwowego podłoża grafenowego.

Tło

Elektrony

Teoretycznie maksymalna rozdzielczość d , jaką można uzyskać za pomocą mikroskopu świetlnego, została ograniczona długością fali fotonów (λ) używanych do sondowania próbki oraz aperturą numeryczną NA układu.

gdzie n jest współczynnikiem załamania ośrodka, w którym pracuje soczewka, a α jest maksymalnym półkątem stożka światła, jaka może dostać się do soczewki (patrz apertura numeryczna ). Naukowcy z początku XX wieku opracowali teorię sposobów obejścia ograniczeń stosunkowo dużej długości fali światła widzialnego (długości fal 400-700 nanometrów ) za pomocą elektronów. Jak każda materia, elektrony mają zarówno właściwości falowe, jak i cząsteczkowe (jak teoretyzował Louis-Victor de Broglie ), a ich właściwości falowe oznaczają, że wiązka elektronów może być skupiana i uginana, podobnie jak światło. Długość fali elektronów jest powiązana z ich energią kinetyczną za pomocą równania de Broglie, które mówi, że długość fali jest odwrotnie proporcjonalna do pędu. Biorąc pod uwagę efekty relatywistyczne (tak jak w TEM prędkość elektronu jest znaczną częścią prędkości światła,  c ) długość fali jest

gdzie h jest stałą Plancka , m 0 jest masą spoczynkową elektronu, a E jest energią kinetyczną przyspieszanego elektronu. Elektrony są zwykle generowane w mikroskopie elektronowym w procesie zwanym emisją termionową z żarnika, zwykle wolframu, w taki sam sposób jak żarówka , lub alternatywnie przez polową emisję elektronów . Elektrony są następnie przyspieszane przez potencjał elektryczny (mierzony w woltach ) i skupiane na próbce przez soczewki elektrostatyczne i elektromagnetyczne. Przesyłana wiązka zawiera informacje o gęstości elektronowej, fazie i okresowości ; ta wiązka jest używana do tworzenia obrazu.

Źródło elektronów

Układ elementów optycznych w podstawowym TEM
Włókno wolframowe w stylu spinki do włosów
Monokryształ LaB 6 włókno

Od góry do dołu, TEM składa się ze źródła emisji lub katody, które może być wolframu włókno lub igły albo heksaborek lantanu ( LaB 6 ) monokrystalicznego źródła. Pistolet jest podłączony do źródła wysokiego napięcia (zwykle ~100–300 kV) i przy wystarczającym natężeniu, pistolet zacznie emitować elektrony poprzez termionową lub polową emisję elektronów do próżni. W przypadku źródła termionowego, źródło elektronów jest zwykle montowane w cylindrze Wehnelta, aby zapewnić wstępne skupienie emitowanych elektronów na wiązce, jednocześnie stabilizując prąd za pomocą pasywnego obwodu sprzężenia zwrotnego. Źródło emisji pola wykorzystuje zamiast tego elektrody elektrostatyczne zwane ekstraktorem, tłumikiem i soczewką pistoletu, z różnymi napięciami na każdym, do kontrolowania kształtu i intensywności pola elektrycznego w pobliżu ostrej końcówki. Połączenie katody i tych pierwszych elementów soczewek elektrostatycznych jest często zbiorczo nazywane „działem elektronowym”. Po opuszczeniu pistoletu wiązka jest zwykle przyspieszana przez serię płytek elektrostatycznych, aż osiągnie swoje końcowe napięcie i wejdzie do następnej części mikroskopu: systemu soczewek kondensorowych. Te górne soczewki TEM następnie dalej skupiają wiązkę elektronów do pożądanego rozmiaru i lokalizacji na próbce.

Manipulacja wiązką elektronów odbywa się za pomocą dwóch efektów fizycznych. Oddziaływanie elektronów z polem magnetycznym spowoduje ruch elektronów zgodnie z zasadą lewej ręki , umożliwiając w ten sposób elektromagnesom manipulowanie wiązką elektronów. Zastosowanie pól magnetycznych pozwala na wytworzenie soczewki magnetycznej o zmiennej sile ogniskowania, której kształt wynika z rozkładu strumienia magnetycznego. Dodatkowo pola elektrostatyczne mogą powodować odchylanie elektronów pod stałym kątem. Sprzężenie dwóch ugięć w przeciwnych kierunkach z niewielką przerwą pośrednią pozwala na powstanie przesunięcia toru wiązki, pozwalającego na przesuwanie wiązki w TEM, co jest ważne dla STEM . Dzięki tym dwóm efektom, a także zastosowaniu systemu obrazowania elektronów, możliwa jest wystarczająca kontrola nad ścieżką wiązki dla operacji TEM. Optyczną konfigurację TEM można szybko zmienić, w przeciwieństwie do mikroskopu optycznego, ponieważ soczewki na ścieżce wiązki można włączyć, zmienić ich siłę lub całkowicie wyłączyć za pomocą szybkiego przełączania elektrycznego, którego prędkość jest ograniczona przez efekty takie jak histereza magnetyczna soczewek.

Optyka

Soczewki TEM dają mu elastyczność trybów pracy i możliwość ogniskowania wiązek w skali atomowej i powiększania ich z powrotem, aby uzyskać obraz w aparacie. Soczewka jest zwykle wykonana z cewki solenoidu niemal otoczonej materiałami ferromagnetycznymi przeznaczonymi do koncentrowania pola magnetycznego cewki w precyzyjnym, ograniczonym kształcie. Kiedy elektron wchodzi i opuszcza to pole magnetyczne, krąży wokół zakrzywionych linii pola magnetycznego w sposób, który działa bardzo podobnie jak zwykła szklana soczewka dla światła — jest to soczewka skupiająca. Ale w przeciwieństwie do szklanej soczewki, soczewka magnetyczna może bardzo łatwo zmienić swoją moc ogniskowania, po prostu dostosowując prąd przepływający przez cewki. Zapewnia to elastyczność działania, która ulega dalszemu zwielokrotnieniu, gdy soczewki są montowane w stosy niezależnych soczewek, z których każda może ogniskować, rozogniskować, powiększać i/lub kolimować wiązkę pochodzącą z poprzedniej soczewki. Umożliwia to pojedynczemu systemowi soczewek, między źródłem a próbką (system „soczewki kondensorowej”), wytworzenie równoległej wiązki o średnicy ponad 1 milimetra, ściśle skupionej wiązki mniejszej niż atom lub czegokolwiek pomiędzy. Dodatkowy zestaw soczewek, system soczewek „pośredni/projektor”, znajduje się za próbką. Można go wyregulować w celu uzyskania skupionego wzoru dyfrakcyjnego lub obrazu próbki przy powiększeniach zmieniających się w ogromnym zakresie. Wiele pojedynczych mikroskopów może pokryć zakres powiększenia od około 100X do ponad 1 000 000X.

Równie ważne dla obiektywów są przysłony. Są to okrągłe otwory w cienkich paskach ciężkiego metalu, umieszczone w dobrze dobranych punktach kolumny soczewek. Niektóre z nich mają ustalony rozmiar i położenie oraz odgrywają ważną rolę w ograniczaniu wytwarzania promieni rentgenowskich i poprawianiu wydajności próżni. Zapobiegają również przechodzeniu elektronów przez najbardziej zewnętrzne części soczewek magnetycznych, które ze względu na duże aberracje soczewek bardzo słabo skupiają wiązki elektronów. Inne można dowolnie przełączać między kilkoma różnymi rozmiarami i dostosowywać ich pozycje. Te „zmienne apertury” są wykorzystywane do określania prądu wiązki docierającej do próbki, a także do poprawy zdolności ogniskowania wiązki. Zmienne apertury za pozycją próbki umożliwiają ponadto użytkownikowi wybór zakresu położeń przestrzennych lub kątów rozpraszania elektronów do wykorzystania w tworzeniu obrazu lub wzoru dyfrakcyjnego. Umiejętnie wykorzystane, apertury te pozwalają na niezwykle precyzyjne i szczegółowe badanie defektów kryształów.

W skład układu elektronowo-optycznego wchodzą również deflektory i stygmaty, zwykle wykonane z małych elektromagnesów. W przeciwieństwie do soczewek, pola magnetyczne wytwarzane przez deflektory są zorientowane przede wszystkim na odchylanie wiązki, a nie na jej skupianie. Deflektory umożliwiają niezależne kontrolowanie położenia i kąta wiązki w pozycji próbki (co jest istotne w przypadku STEM), a także zapewniają, że wiązki pozostają w pobliżu środków o niskiej aberracji każdej soczewki w stosach soczewek. Stygmaty zapewniają dodatkowe precyzyjne ogniskowanie, kompensując drobne niedoskonałości i aberracje, które powodują astygmatyzm – soczewka o różnej ogniskowej w różnych kierunkach.

Zazwyczaj TEM składa się z trzech etapów soczewkowania. Etapy to soczewki kondensora, soczewki obiektywu i soczewki projektora. Soczewki kondensora są odpowiedzialne za formowanie wiązki pierwotnej, podczas gdy soczewki obiektywowe skupiają wiązkę, która przechodzi przez samą próbkę (w trybie skanowania STEM istnieją również soczewki obiektywowe nad próbką, aby uzyskać zbieżność padającej wiązki elektronów). Soczewki projektora służą do rozszerzania wiązki na ekran fosforowy lub inne urządzenie obrazujące, takie jak film. Powiększenie TEM wynika ze stosunku odległości między preparatem a płaszczyzną obrazu soczewki obiektywu. Dodatkowe stygmaty pozwalają na korekcję asymetrycznych zniekształceń wiązki, tzw. astygmatyzmu . Należy zauważyć, że konfiguracje optyczne TEM różnią się znacznie od implementacji, przy czym producenci stosują niestandardowe konfiguracje soczewek, takie jak instrumenty z korekcją aberracji sferycznej lub TEM wykorzystujące filtrowanie energii do korygowania aberracji chromatycznej elektronów .

Wzajemność

Twierdzenie o wzajemności optycznej, lub zasada wzajemności Helmholtza , generalnie jest prawdziwe dla elektronów sprężyście rozproszonych w ośrodku absorbującym, jak to często ma miejsce w standardowych warunkach pracy TEM. Twierdzenie to mówi, że amplituda fali w pewnym punkcie B w wyniku działania źródła punktowego elektronu A byłaby taka sama jak amplituda w punkcie A z powodu równoważnego źródła punktowego umieszczonego w B. Krótko mówiąc, funkcja falowa dla elektronów skupionych w dowolnym szeregu komponentów optycznych, które zawierają tylko pola skalarne (tj. nie magnetyczne), będą dokładnie równoważne, jeśli źródło elektronów i punkt obserwacji zostaną odwrócone.

W TEM wykazano, że soczewki elektromagnetyczne nie zakłócają zauważalnie obserwacji wzajemności, pod warunkiem, że w próbce dominują procesy rozpraszania sprężystego, a próbka nie jest silnie magnetyczna. Staranne zastosowanie twierdzenia o wzajemności w przypadkach, gdy jest ono ważne, daje użytkownikowi TEM znaczną elastyczność w wykonywaniu i interpretowaniu obrazów i wzorów dyfrakcji elektronów. Wzajemność może być również wykorzystana do zrozumienia skaningowej transmisyjnej mikroskopii elektronowej (STEM) w znanym kontekście TEM oraz do uzyskania i interpretacji obrazów przy użyciu STEM.

Wyświetlacz i detektory

Kluczowe czynniki przy rozważaniu detekcji elektronów obejmują detektywną wydajność kwantową (DQE) , funkcję rozproszenia punktów (PSF) , funkcję przenoszenia modulacji (MTF) , rozmiar piksela i rozmiar macierzy, szum, prędkość odczytu danych i twardość promieniowania.

Systemy obrazowania w TEM składają się z ekranu luminoforowego , który może być wykonany z drobnych (10–100 μm) cząstek siarczku cynku , do bezpośredniej obserwacji przez operatora oraz, opcjonalnie, z systemu rejestracji obrazu, takiego jak film fotograficzny , domieszkowany ekran YAG sprzężone przetworniki CCD lub inny detektor cyfrowy. Zazwyczaj urządzenia te mogą zostać usunięte lub wstawione przez operatora w tor wiązki, zgodnie z wymaganiami. Chociaż klisza fotograficzna może rejestrować informacje o wysokiej rozdzielczości, automatyzacja nie jest łatwa, a wyników nie można wyświetlać w czasie rzeczywistym. Pierwsze doniesienie o użyciu detektora ze sprzężeniem ładunkowym (CCD) dla TEM pojawiło się w 1982 roku, ale technologia ta nie znalazła szerokiego zastosowania aż do późnych lat 90./początku XXI wieku. W TEM zastosowano również monolityczne czujniki z aktywnymi pikselami (MAPS). Detektory CMOS , które są szybsze i bardziej odporne na uszkodzenia radiacyjne niż CCD, są stosowane w TEM od 2005 roku. Na początku lat 2010 dalszy rozwój technologii CMOS pozwolił na wykrywanie zliczeń pojedynczych elektronów („tryb zliczania”). Te detektory Direct Electron są dostępne w firmach Gatan , FEI , Quantum Detectors i Direct Electron .

składniki

Źródło elektronów TEM znajduje się na górze, gdzie system soczewkowania (4,7 i 8) skupia wiązkę na próbce, a następnie rzutuje ją na ekran (10). Sterowanie wiązką znajduje się po prawej stronie (13 i 14)

TEM składa się z kilku elementów, w tym układu próżniowego, w którym przemieszczają się elektrony, źródła emisji elektronów do generowania strumienia elektronów, szeregu soczewek elektromagnetycznych oraz płytek elektrostatycznych. Dwa ostatnie umożliwiają operatorowi prowadzenie i manipulowanie wiązką zgodnie z wymaganiami. Wymagane jest również urządzenie umożliwiające wprowadzanie, poruszanie się i usuwanie próbek ze ścieżki wiązki. Urządzenia obrazujące są następnie wykorzystywane do tworzenia obrazu z elektronów opuszczających układ.

System próżniowy

W celu zwiększenia średniej swobodnej ścieżki oddziaływania gazowego elektronu, standardowy TEM opróżnia się do niskich ciśnień, zwykle rzędu 10 -4 Pa . Potrzeba tego jest dwojaka: po pierwsze uwzględnienie różnicy napięć między katodą a ziemią bez generowania łuku, a po drugie zmniejszenie częstości zderzeń elektronów z atomami gazu do pomijalnych poziomów – efekt ten charakteryzuje się średnią ścieżką swobodną . Elementy TEM, takie jak uchwyty na próbki i kasety z błoną, muszą być rutynowo wkładane lub wymieniane, co wymaga systemu z możliwością regularnej ponownej ewakuacji. W związku z tym TEM są wyposażone w wiele systemów pompowania i śluzy powietrzne i nie są trwale uszczelnione próżniowo.

System próżniowy do opróżniania TEM do poziomu ciśnienia roboczego składa się z kilku etapów. Początkowo niskie lub zgrubne podciśnienie uzyskuje się za pomocą obrotowej pompy łopatkowej lub pomp membranowych ustawiających wystarczająco niskie ciśnienie, aby umożliwić działanie pompy turbomolekularnej lub dyfuzyjnej zapewniającej wysoki poziom podciśnienia niezbędny do działania. Aby pompa niskociśnieniowa nie wymagała ciągłej pracy, przy ciągłej pracy pomp turbomolekularnych, strona próżniowa pompy niskociśnieniowej może być połączona z komorami, które mieszczą gazy spalinowe z pompy turbomolekularnej. Sekcje TEM można izolować za pomocą otworów ograniczających ciśnienie, aby umożliwić różne poziomy próżni w określonych obszarach, takie jak wyższa próżnia od 10-4 do 10-7 Pa lub wyższa w dziale elektronowym w wysokiej rozdzielczości lub w polu -TEM emisji.

Wysokonapięciowe TEM wymagają ultrawysokiej próżni w zakresie od 10-7 do 10-9 Pa, aby zapobiec powstawaniu łuku elektrycznego, szczególnie na katodzie TEM. W związku z tym w przypadku TEM o wyższym napięciu może działać trzeci system próżniowy, z pistoletem odizolowanym od komory głównej zaworami zasuwowymi lub otworem do pompowania różnicowego – małym otworem, który zapobiega szybszej dyfuzji cząsteczek gazu do obszaru pistoletu o wyższej próżni. można wypompować. W przypadku tych bardzo niskich ciśnień stosuje się pompę jonową lub materiał pochłaniający .

Słaba próżnia w TEM może powodować szereg problemów, począwszy od osadzania się gazu wewnątrz TEM na próbce, patrząc w procesie znanym jako osadzanie indukowane wiązką elektronów, do poważniejszych uszkodzeń katod spowodowanych wyładowaniami elektrycznymi. Zastosowanie wymrażarki do adsorpcji sublimowanych gazów w pobliżu próbki w znacznym stopniu eliminuje problemy związane z próżnią spowodowane sublimacją próbki .

Etap próbki

Siatka nośna próbki TEM „siatka”, z sekcjami ultramikrotomii

Projekty stolików do próbek TEM zawierają śluzy powietrzne, które umożliwiają włożenie uchwytu na próbki do próżni przy minimalnej utracie próżni w innych obszarach mikroskopu. Uchwyty na próbki mieszczą siatkę próbki o standardowym rozmiarze lub samonośną próbkę. Standardowe rozmiary siatki TEM to średnica 3,05 mm, grubość i wielkość oczek od kilku do 100 μm. Próbkę umieszcza się na siatkowym obszarze o średnicy około 2,5 mm. Zwykłe materiały siatki to miedź, molibden, złoto lub platyna. Siatkę tę umieszcza się w uchwycie próbki, który jest sparowany ze stolikiem na próbki. Istnieje wiele różnych projektów scen i uchwytów, w zależności od rodzaju przeprowadzanego eksperymentu. Oprócz siatek 3,05 mm czasami, choć rzadko, stosuje się siatki 2,3 mm. Siatki te były szczególnie używane w naukach mineralnych, gdzie może być wymagany duży stopień nachylenia i gdzie materiał próbki może być niezwykle rzadki. Próbki przezierne dla elektronów mają grubość zwykle mniejszą niż 100 nm, ale wartość ta zależy od napięcia przyspieszającego.

Po umieszczeniu w TEM próbkę należy manipulować, aby zlokalizować obszar zainteresowania wiązki, tak jak w przypadku dyfrakcji pojedynczego ziarna , w określonej orientacji. Aby to dostosować, stolik TEM umożliwia ruch próbki w płaszczyźnie XY, regulację wysokości Z i zwykle pojedynczy kierunek pochylenia równoległy do ​​osi bocznych uchwytów wejściowych. Rotacja próbki może być dostępna na specjalistycznych uchwytach i stolikach dyfrakcyjnych. Niektóre nowoczesne TEM zapewniają możliwość dwóch prostopadłych kątów nachylenia ruchu dzięki wyspecjalizowanym konstrukcjom uchwytów zwanych uchwytami próbek z podwójnym nachyleniem. Niektóre projekty scen, takie jak wstawianie od góry lub wstawianie pionowe, niegdyś powszechne w badaniach TEM o wysokiej rozdzielczości, mogą po prostu mieć dostępną tylko translację XY. Kryteria projektowania etapów TEM są złożone, ze względu na jednoczesne wymagania ograniczeń mechanicznych i elektronowo-optycznych oraz dostępne są wyspecjalizowane modele dla różnych metod.

Stolik TEM jest wymagany, aby móc utrzymać próbkę i manipulować nim, aby umieścić obszar zainteresowania na ścieżce wiązki elektronów. Ponieważ TEM może pracować w szerokim zakresie powiększeń, stolik musi być jednocześnie wysoce odporny na dryf mechaniczny, przy wymaganiach dryftu tak niskiego jak kilka nm/minutę, przy jednoczesnym zachowaniu możliwości poruszania się o kilka μm/minutę, z dokładnością repozycjonowania na zamówienie nanometrów. Wcześniejsze projekty TEM osiągnęły to dzięki złożonemu zestawowi mechanicznych urządzeń do zmniejszania biegów, pozwalających operatorowi na precyzyjną kontrolę ruchu sceny za pomocą kilku obracających się prętów. Nowoczesne urządzenia mogą wykorzystywać elektryczne scenografie, wykorzystujące przekładnie śrubowe w połączeniu z silnikami krokowymi , zapewniając operatorowi komputerowe wejście sceniczne, takie jak joystick lub trackball .

Istnieją dwa główne projekty scen w TEM, wersja z wejściem bocznym i wejściem od góry. Każdy projekt musi pomieścić pasujący uchwyt, aby umożliwić wprowadzenie próbki bez uszkadzania delikatnej optyki TEM lub wpuszczania gazu do systemów TEM pod próżnią.

Schemat jednoosiowego uchwytu na próbki do wstawiania do goniometru TEM. Przechylenie uchwytu uzyskuje się poprzez obrót całego goniometru

Najczęściej spotykany jest uchwyt z wejściem bocznym, w którym próbkę umieszcza się w pobliżu końcówki długiego metalowego pręta (z mosiądzu lub stali nierdzewnej), a próbkę umieszcza się płasko w małym otworze. Wzdłuż pręta znajduje się kilka polimerowych pierścieni próżniowych, które umożliwiają utworzenie próżniowego uszczelnienia o odpowiedniej jakości po włożeniu do sceny. Stolik jest zatem zaprojektowany tak, aby pomieścić pręt, umieszczając próbkę pomiędzy lub w pobliżu soczewki obiektywu, w zależności od konstrukcji obiektywu. Po włożeniu do sceny uchwyt z bocznym wejściem ma końcówkę znajdującą się w próżni TEM, a podstawa jest wystawiona na atmosferę, czyli śluzę powietrzną utworzoną przez pierścienie próżniowe.

Procedury wprowadzania uchwytów TEM z bocznym wejściem zazwyczaj obejmują obracanie próbki w celu wyzwolenia mikroprzełączników, które inicjują opróżnianie śluzy powietrznej przed włożeniem próbki do kolumny TEM.

Druga konstrukcja to uchwyt z górnym wejściem, składający się z naboju o długości kilku cm z otworem wywierconym wzdłuż osi naboju. Próbkę umieszcza się w otworze, prawdopodobnie za pomocą małego pierścienia śrubowego, aby utrzymać próbkę na miejscu. Ten wkład jest wkładany do śluzy powietrznej z otworem prostopadłym do osi optycznej TEM. Po zamknięciu, śluza powietrzna jest manipulowana w celu popchnięcia naboju tak, że nabój wpadnie na miejsce, gdzie otwór zostaje wyrównany z osią wiązki tak, że wiązka przemieszcza się w dół otworu naboju i do próbki. Takie konstrukcje zazwyczaj nie mogą być przechylane bez blokowania ścieżki wiązki lub ingerencji w soczewkę obiektywu.

Działo elektronowe

Schemat przekrojowy zespołu działa elektronowego, ilustrujący ekstrakcję elektronów

Działo elektronowe składa się z kilku elementów: żarnika, obwodu polaryzującego, nasadki Wehnelta i anody ekstrakcyjnej. Podłączając żarnik do zasilacza składowej ujemnej, elektrony mogą być „pompowane” z wyrzutni elektronowej do płytki anodowej i kolumny TEM, uzupełniając w ten sposób obwód. Działo jest zaprojektowane do tworzenia wiązki elektronów wychodzących z zespołu pod określonym kątem, znanym jako półkąt rozbieżności działa, α. Konstruując cylinder Wehnelta w taki sposób, aby miał wyższy ładunek ujemny niż samo włókno, elektrony, które opuszczają włókno w sposób rozbieżny, są, przy prawidłowym działaniu, wymuszane we wzorze zbieżnym, którego minimalny rozmiar stanowi średnica skrzyżowania działa.

Gęstość prądu emisji termionowej, J , można powiązać z funkcją pracy emitującego materiału za pomocą prawa Richardsona

gdzie A jest stałą Richardsona , Φ jest funkcją pracy, a T jest temperaturą materiału.

Z równania tego wynika, że ​​do uzyskania wystarczającej gęstości prądu konieczne jest podgrzanie emitera, uważając, aby nie doprowadzić do uszkodzenia przez doprowadzenie nadmiernego ciepła. Z tego powodu dla żarnika pistoletu wymagane są materiały o wysokiej temperaturze topnienia, takie jak wolfram, lub te o niskiej funkcji pracy (LaB 6 ). Ponadto, zarówno źródła heksaborku lantanu, jak i źródła termionowe wolframu muszą być ogrzewane w celu uzyskania emisji termoelektrycznej, co można osiągnąć przez zastosowanie małej taśmy oporowej. Aby zapobiec szokowi termicznemu, często wymuszane jest opóźnienie w doprowadzeniu prądu do końcówki, aby gradienty termiczne nie uszkodziły włókna, opóźnienie wynosi zwykle kilka sekund dla LaB 6 i znacznie niższe dla wolframu.

Soczewka elektronowa

Schemat soczewki projektowej z dzielonym nabiegunnikiem TEM

Soczewki elektronowe są zaprojektowane do działania w sposób naśladujący soczewkę optyczną, skupiając równoległe elektrony w pewnej stałej odległości ogniskowej. Soczewki elektronowe mogą działać elektrostatycznie lub magnetycznie. Większość soczewek elektronowych do TEM wykorzystuje cewki elektromagnetyczne do generowania soczewki wypukłej . Pole wytwarzane dla soczewki musi być promieniowo symetryczne, ponieważ odchylenie od promieniowej symetrii soczewki magnetycznej powoduje aberracje takie jak astygmatyzm oraz pogarsza aberrację sferyczną i chromatyczną . Soczewki elektronowe są produkowane ze stopów żelaza, żelaza, kobaltu lub niklu i kobaltu, takich jak permalloy . Są one dobierane ze względu na ich właściwości magnetyczne, takie jak nasycenie magnetyczne , histereza i przepuszczalność .

Komponenty obejmują jarzmo, cewkę magnetyczną, bieguny, nabiegunnik i zewnętrzny obwód sterujący. Nabiegunnik musi być wykonany bardzo symetrycznie, ponieważ zapewnia to warunki brzegowe dla pola magnetycznego tworzącego soczewkę. Niedoskonałości w produkcji nabiegunnika mogą powodować poważne zniekształcenia symetrii pola magnetycznego, które powodują zniekształcenia, które ostatecznie ograniczą zdolność soczewek do odtwarzania płaszczyzny obiektu. Dokładne wymiary szczeliny, średnica wewnętrzna nabiegunnika i stożek, a także ogólna konstrukcja soczewki są często wykonywane za pomocą analizy elementów skończonych pola magnetycznego, z uwzględnieniem ograniczeń termicznych i elektrycznych projektu.

Cewki wytwarzające pole magnetyczne znajdują się w jarzmie obiektywu. Cewki mogą zawierać prąd zmienny, ale zwykle wykorzystują wysokie napięcia, a zatem wymagają znacznej izolacji, aby zapobiec zwarciom elementów soczewki. Rozdzielacze termiczne są umieszczone w celu zapewnienia odprowadzania ciepła generowanego przez energię traconą na rezystancję uzwojeń cewki. Uzwojenia mogą być chłodzone wodą, przy użyciu doprowadzenia wody lodowej w celu ułatwienia usunięcia wysokiego obciążenia termicznego.

Otwory

Apertury to pierścieniowe metalowe płytki, przez które można wykluczyć elektrony znajdujące się dalej niż ustalona odległość od osi optycznej . Składają się one z małego metalowego dysku, który jest wystarczająco gruby, aby zapobiec przechodzeniu elektronów przez dysk, jednocześnie przepuszczając elektrony osiowe. To dopuszczenie elektronów centralnych w TEM powoduje jednocześnie dwa efekty: po pierwsze, apertury zmniejszają natężenie wiązki, ponieważ elektrony są odfiltrowywane z wiązki, co może być pożądane w przypadku próbek wrażliwych na wiązkę. Po drugie, filtrowanie usuwa elektrony, które są rozproszone pod dużymi kątami, co może być spowodowane niepożądanymi procesami, takimi jak aberracja sferyczna lub chromatyczna, lub dyfrakcją z interakcji w próbce.

Otwory są albo stałymi otworami w kolumnie, na przykład przy soczewce kondensora, albo są ruchomymi otworami, które można wkładać lub wycofywać ze ścieżki wiązki lub przesuwać w płaszczyźnie prostopadłej do toru wiązki. Zespoły apertury to urządzenia mechaniczne, które pozwalają na wybór różnych rozmiarów apertury, które mogą być wykorzystywane przez operatora w celu zrównoważenia intensywności i efektu filtrowania apertury. Zespoły apertury są często wyposażone w mikrometry do przesuwania apertury, wymagane podczas kalibracji optycznej.

Metody obrazowania

Metody obrazowania w TEM wykorzystują informacje zawarte w falach elektronowych wychodzących z próbki do utworzenia obrazu. Soczewki projektora pozwalają na prawidłowe umiejscowienie tego rozkładu fali elektronowej w systemie oglądania. Obserwowane natężenie I obrazu, przy założeniu odpowiednio wysokiej jakości urządzenia obrazującego, można aproksymować jako proporcjonalne do kwadratu uśrednionej w czasie wartości bezwzględnej amplitudy funkcji falowych elektronów, gdzie fala tworząca wiązkę wyjściową jest oznaczona przez .

Różne metody obrazowania próbują zatem modyfikować fale elektronowe opuszczające próbkę w sposób, który dostarcza informacji o próbce lub samej wiązce. Z poprzedniego równania można wywnioskować, że obserwowany obraz zależy nie tylko od amplitudy wiązki, ale także od fazy elektronów, chociaż efekty fazowe często można pominąć przy mniejszych powiększeniach. Obrazowanie o wyższej rozdzielczości wymaga cieńszych próbek i wyższych energii padających elektronów, co oznacza, że ​​próbki nie można już uważać za absorbujące elektrony (tj. poprzez efekt prawa Beera). Zamiast tego próbkę można zamodelować jako obiekt, który nie zmienia amplitudy przychodzącej funkcji fali elektronowej, ale zamiast tego modyfikuje fazę nadchodzącej fali; w tym modelu próbka jest znana jako obiekt czystej fazy. W przypadku wystarczająco cienkich próbek w obrazie dominują efekty fazowe, co komplikuje analizę obserwowanych natężeń. Aby poprawić kontrast w obrazie, TEM może działać przy niewielkim rozogniskowaniu w celu zwiększenia kontrastu, z powodu splotu przez funkcję przenoszenia kontrastu TEM, która normalnie zmniejszałaby kontrast, gdyby próbka nie była obiektem o słabej fazie.

Schematyczny widok trybów obrazowania i dyfrakcji w TEM.

Rysunek po prawej przedstawia dwa podstawowe tryby pracy TEM – tryby obrazowania i dyfrakcji. W obu przypadkach próbka oświetlana jest wiązką równoległą, utworzoną przez kształtowanie wiązki elektronów za pomocą systemu soczewek Condensera i apertury Condensera. Po oddziaływaniu z próbką, na powierzchni wyjściowej próbki istnieją dwa rodzaje elektronów – nierozproszone (które będą odpowiadały jasnej wiązce centralnej na obrazie dyfrakcyjnym) oraz elektrony rozproszone (które zmieniają swoje trajektorie pod wpływem oddziaływania z materiałem).

W trybie obrazowania apertura obiektywu jest umieszczana w tylnej płaszczyźnie ogniskowej (BFP) soczewki obiektywu (gdzie tworzą się plamy dyfrakcyjne). W przypadku użycia apertury obiektywu do wybrania tylko wiązki centralnej, transmitowane elektrony przechodzą przez aperturę, podczas gdy wszystkie inne są blokowane i uzyskuje się obraz jasnego pola (obraz BF). Jeśli dopuścimy sygnał z wiązki ugiętej, otrzymamy obraz ciemnego pola (obraz DF). Wybrany sygnał jest powiększany i rzutowany na ekran (lub na kamerę) za pomocą obiektywów Intermediate i Projector. W ten sposób uzyskuje się obraz próbki.

W trybie dyfrakcji, apertura wybranego obszaru może być użyta do dokładniejszego określenia obszaru próbki, z którego będzie wyświetlany sygnał. Zmieniając natężenie prądu do soczewki pośredniej, obraz dyfrakcyjny jest rzutowany na ekran. Dyfrakcja jest bardzo potężnym narzędziem do rekonstrukcji komórek i określania orientacji kryształów.

Tworzenie kontrastu

Kontrast pomiędzy dwoma sąsiednimi obszarami na obrazie TEM można zdefiniować jako różnicę gęstości elektronów w płaszczyźnie obrazu. Ze względu na rozpraszanie wiązki padającej przez próbkę zmienia się amplituda i faza fali elektronowej, co powoduje odpowiednio kontrast amplitudy i kontrast fazowy . Większość obrazów zawiera oba komponenty kontrastu.

Kontrast amplitudowy uzyskuje się dzięki usunięciu niektórych elektronów przed płaszczyzną obrazu. W czasie ich oddziaływania z próbką część elektronów zostanie utracona w wyniku absorpcji lub w wyniku rozpraszania pod bardzo dużymi kątami poza fizycznymi ograniczeniami mikroskopu lub zostanie zablokowana przez aperturę obiektywu. Podczas gdy pierwsze dwie straty wynikają z konstrukcji preparatu i mikroskopu, apertura obiektywu może być użyta przez operatora do zwiększenia kontrastu.

Demonstracja kontrastu BF i DF. Obraz TEM polikrystalicznej folii Pt

Rysunek po prawej przedstawia obraz TEM (a) i odpowiadający mu obraz dyfrakcyjny (b) polikrystalicznej folii Pt, wykonany bez apertury obiektywu. W celu zwiększenia kontrastu w obrazie TEM należy zmniejszyć liczbę rozproszonych wiązek widocznych na obrazie dyfrakcyjnym. Można to zrobić, wybierając pewien obszar w tylnej płaszczyźnie ogniskowej, taki jak tylko wiązka centralna lub określona wiązka ugięta (kąt) lub kombinacje takich wiązek. Celowo wybierając aperturę obiektywu, która pozwala tylko nieugiętej wiązce przejść poza tylną płaszczyznę ogniskowania (i na płaszczyznę obrazu): tworzy się obraz jasnego pola (BF) (c), podczas gdy centralny, nie- ugięta wiązka jest zablokowana: można uzyskać obrazy ciemnego pola (DF), takie jak te pokazane na (de). Obrazy DF (de) uzyskano przez wybranie ugiętych wiązek wskazanych we wzorze dyfrakcji kółkami (b) przy użyciu otworu w tylnej płaszczyźnie ogniskowej. Ziarna, z których elektrony są rozpraszane w tych plamkach dyfrakcyjnych, wydają się jaśniejsze. Więcej szczegółów na temat tworzenia kontrastu dyfrakcyjnego podano dalej.

Istnieją dwa rodzaje kontrastu amplitudowego – kontrast masy i kontrast dyfrakcyjny. Najpierw rozważmy kontrast między masą a grubością . Gdy wiązka oświetla dwa sąsiednie obszary o małej masie (lub grubości) i dużej masie (lub grubości), cięższy obszar rozprasza elektrony pod większymi kątami. Te silnie rozproszone elektrony są blokowane w trybie BF TEM przez aperturę obiektywu. W rezultacie cięższe regiony wydają się ciemniejsze na obrazach BF (mają niską intensywność). Kontrast masy i grubości jest najważniejszy dla niekrystalicznych, amorficznych materiałów.

Kontrast dyfrakcyjny występuje w wyniku specyficznej orientacji krystalograficznej ziarna. W takim przypadku kryształ znajduje się w tak zwanym stanie Bragga, w którym płaszczyzny atomowe są zorientowane w taki sposób, że istnieje duże prawdopodobieństwo rozproszenia. W ten sposób kontrast dyfrakcyjny dostarcza informacji o orientacji kryształów w próbce polikrystalicznej. Należy zauważyć, że w przypadku istnienia kontrastu dyfrakcyjnego kontrast ten nie może być interpretowany jako wynikający ze zmian masy lub grubości.

Kontrast dyfrakcyjny

Transmisyjna mikrografia elektronowa dyslokacji w stali, które są błędami w strukturze sieci krystalicznej w skali atomowej

Próbki mogą wykazywać kontrast dyfrakcyjny, dzięki czemu wiązka elektronów ulega rozpraszaniu Bragga , co w przypadku próbki krystalicznej rozprasza elektrony w dyskretnych miejscach w tylnej płaszczyźnie ogniskowej . Poprzez umieszczenie apertur w tylnej płaszczyźnie ogniskowej, tj. aperturze obiektywu, można wybrać (lub wykluczyć) pożądane odbicia Bragga, a zatem tylko części próbki, które powodują rozpraszanie elektronów do wybranych odbić, zostaną rzutowane na aparat do obrazowania.

Jeśli wybrane odbicia nie obejmują nierozproszonej wiązki (która pojawi się w ognisku soczewki), wówczas obraz będzie ciemny wszędzie tam, gdzie nie występuje rozproszenie próbki do wybranego piku, jako taki obszar bez próbki będzie ciemny. Nazywa się to obrazem ciemnego pola.

Nowoczesne TEM są często wyposażone w uchwyty na próbki, które pozwalają użytkownikowi pochylać próbkę pod różnymi kątami w celu uzyskania określonych warunków dyfrakcji, a otwory umieszczone nad próbką pozwalają użytkownikowi wybrać elektrony, które w przeciwnym razie uległyby dyfrakcji w określonym kierunku od wejścia do próbki.

Zastosowania tej metody obejmują identyfikację defektów sieci w kryształach. Dzięki starannemu doborowi orientacji próbki można nie tylko określić położenie defektów, ale także określić rodzaj występującego defektu. Jeśli próbka jest zorientowana tak, że jedna konkretna płaszczyzna jest tylko nieznacznie odchylona od najsilniejszego kąta dyfrakcji (znanego jako kąt Bragga ), każde zniekształcenie płaszczyzny kryształu, które lokalnie przechyla płaszczyznę do kąta Bragga, spowoduje szczególnie silne zmiany kontrastu. Jednak defekty, które powodują tylko przemieszczenie atomów, które nie przechylają kryształu pod kątem Bragga (tj. przemieszczenia równoległe do płaszczyzny kryształu), nie dadzą silnego kontrastu.

Kontrast fazowy

Strukturę krystaliczną można również badać za pomocą transmisyjnej mikroskopii elektronowej o wysokiej rozdzielczości (HRTEM), znanej również jako kontrast fazowy . Przy zastosowaniu źródła emisji polowej i próbki o jednolitej grubości obrazy powstają w wyniku różnic w fazie fal elektronowych, co jest spowodowane interakcją próbki. Tworzenie obrazu wynika ze złożonego modułu przychodzących wiązek elektronów. W związku z tym obraz jest zależny nie tylko od liczby elektronów uderzających w ekran, co sprawia, że ​​bezpośrednia interpretacja obrazów z kontrastem fazowym jest bardziej złożona. Jednak efekt ten może być wykorzystany z korzyścią, ponieważ można nim manipulować, aby dostarczyć więcej informacji o próbce, na przykład w technikach odzyskiwania fazy złożonej .

Dyfrakcja

Dyfraktogram krystaliczny z podwójnego ziarna stali austenitycznej FCC

Jak wspomniano wcześniej, przez ustawienie soczewek magnetycznych w taki sposób, że tylna płaszczyzna ogniskowania soczewki, a nie płaszczyzna obrazowania jest umieszczona na aparacie do obrazowania, można wygenerować wzór dyfrakcyjny . W przypadku cienkich próbek krystalicznych daje to obraz, który składa się z wzoru kropek w przypadku pojedynczego kryształu lub serii pierścieni w przypadku polikrystalicznego lub amorficznego materiału stałego . W przypadku monokryształu wzór dyfrakcji zależy od orientacji próbki i struktury próbki oświetlonej wiązką elektronów. Obraz ten dostarcza badaczowi informacji na temat symetrii grup przestrzennych w krysztale oraz orientacji kryształu względem toru wiązki. Odbywa się to zazwyczaj bez użycia jakichkolwiek informacji poza położeniem, w którym pojawiają się plamki dyfrakcyjne i obserwowanymi symetriami obrazu.

Wzory dyfrakcyjne mogą mieć duży zakres dynamiczny, a dla próbek krystalicznych mogą mieć intensywności większe niż te rejestrowane przez CCD. Jako takie, TEM nadal mogą być wyposażone w kasety z błoną w celu uzyskania tych obrazów, ponieważ błona jest detektorem jednorazowego użytku.

Linie Kikuchi z wiązką zbieżną z krzemu, w pobliżu osi strefy [100]

Analiza wzorów dyfrakcyjnych poza położeniem punktu może być skomplikowana, ponieważ obraz jest wrażliwy na wiele czynników, takich jak grubość i orientacja próbki, rozogniskowanie obiektywu oraz aberracja sferyczna i chromatyczna. Chociaż możliwa jest ilościowa interpretacja kontrastu pokazanego na obrazach sieci, jest ona z natury skomplikowana i może wymagać rozległej symulacji komputerowej i analizy, takiej jak analiza wieloprzekrojowa elektronów .

Możliwe jest również bardziej złożone zachowanie w płaszczyźnie dyfrakcyjnej, ze zjawiskami takimi jak linie Kikuchi wynikające z wielokrotnej dyfrakcji w sieci krystalicznej. W przypadku dyfrakcji zbieżnej wiązki elektronów (CBED), gdzie nierównoległy, tj. zbieżny front fali elektronowej jest wytwarzany przez skupienie wiązki elektronów w cienkiej sondzie na powierzchni próbki, oddziaływanie wiązki zbieżnej może dostarczyć informacji wykraczających poza dane strukturalne, takie jak próbka grubość.

Spektroskopia strat energii elektronów (EELS)

Wykorzystując zaawansowaną technikę spektroskopii strat energii elektronów (EELS), dla odpowiednio wyposażonych TEM, elektrony można rozdzielić na widmo w oparciu o ich prędkość (która jest ściśle związana z ich energią kinetyczną, a tym samym stratą energii z energii wiązki), przy użyciu urządzenia oparte na sektorze magnetycznym , znane jako spektrometry EEL. Urządzenia te pozwalają na dobór określonych wartości energii, które można powiązać ze sposobem oddziaływania elektronu z próbką. Na przykład różne pierwiastki w próbce powodują różne energie elektronów w wiązce za próbką. Zwykle powoduje to aberrację chromatyczną – jednak efekt ten można na przykład wykorzystać do wygenerowania obrazu, który dostarcza informacji o składzie pierwiastkowym na podstawie przejścia atomowego podczas interakcji elektron-elektron.

Spektrometry EELS często mogą pracować zarówno w trybie spektroskopowym, jak i obrazowania, co pozwala na izolację lub odrzucenie wiązek elastycznie rozproszonych . Ponieważ w przypadku wielu obrazów nieelastyczne rozpraszanie będzie zawierać informacje, które mogą nie być interesujące dla badacza, zmniejszając w ten sposób obserwowalne sygnały zainteresowania, obrazowanie EELS może być stosowane do zwiększenia kontrastu obserwowanych obrazów, w tym zarówno jasnego pola, jak i dyfrakcji, poprzez odrzucenie niepożądanych składników.

Obrazowanie trójwymiarowe

Trójwymiarowy obraz TEM parapokswirusa

Ponieważ uchwyty do próbek TEM zazwyczaj umożliwiają obrót próbki o żądany kąt, wiele widoków tej samej próbki można uzyskać, obracając próbkę o kąt wzdłuż osi prostopadłej do belki. Wykonując wiele obrazów pojedynczej próbki TEM pod różnymi kątami, zwykle w odstępach co 1°, można zebrać zestaw obrazów znany jako „seria pochylenia”. Metodologia ta została zaproponowana w latach 70. przez Waltera Hoppe . W warunkach kontrastu czysto absorpcyjnego ten zestaw obrazów można wykorzystać do skonstruowania trójwymiarowej reprezentacji próbki.

Rekonstrukcja odbywa się w dwuetapowym procesie, pierwsze obrazy są dopasowywane w celu uwzględnienia błędów w pozycjonowaniu próbki; takie błędy mogą wystąpić z powodu wibracji lub dryfu mechanicznego. Metody wyrównywania wykorzystują algorytmy rejestracji obrazu , takie jak metody autokorelacji , do korygowania tych błędów. Po drugie, przy użyciu algorytmu rekonstrukcji, takiego jak filtrowana projekcja wsteczna , wyrównane wycinki obrazu można przekształcić z zestawu dwuwymiarowych obrazów I j ( xy ) do pojedynczego trójwymiarowego obrazu I ' j ( xyz ). Ten trójwymiarowy obraz jest szczególnie interesujący, gdy wymagana jest informacja morfologiczna, dalsze badania można przeprowadzić przy użyciu algorytmów komputerowych, takich jak izopowierzchnie i cięcie danych w celu analizy danych.

Ponieważ próbki TEM zazwyczaj nie mogą być oglądane przy pełnym obrocie o 180°, obserwowane obrazy zazwyczaj cierpią na „brakujący klin” danych, który przy użyciu metod projekcji wstecznej opartych na Fourier zmniejsza zakres częstotliwości rozdzielczych w rekonstrukcji trójwymiarowej. Udoskonalenia mechaniczne, takie jak przechylanie wieloosiowe (dwie serie przechyłów tej samej próbki wykonane w kierunkach ortogonalnych) i tomografia stożkowa (gdzie próbka jest najpierw przechylana pod danym stałym kątem, a następnie obrazowana z równymi przyrostami kątowymi obrotu przez jeden pełny obrót w płaszczyzny siatki próbki) można wykorzystać do ograniczenia wpływu brakujących danych na obserwowaną morfologię próbki. Wykorzystując frezowanie zogniskowaną wiązką jonów , zaproponowano nową technikę, która wykorzystuje próbkę w kształcie kolumny i dedykowany osiowy uchwyt tomografii do wykonywania obrotu próbki o 180° wewnątrz nabiegunnika soczewki obiektywu w TEM. Dzięki takim układom możliwa jest ilościowa tomografia elektronowa bez brakującego klina. Ponadto istnieją techniki numeryczne, które mogą ulepszyć gromadzone dane.

Wszystkie powyższe metody polegają na rejestracji serii pochylenia danego pola próbki. Powoduje to nieuchronnie sumowanie się dużej dawki reaktywnych elektronów przez próbkę i towarzyszące temu zniszczenie drobnych szczegółów podczas nagrywania. Dlatego technika obrazowania niskodawkowego (minimalnej dawki) jest regularnie stosowana w celu złagodzenia tego efektu. Obrazowanie z niską dawką jest wykonywane przez odchylenie obszarów oświetlenia i obrazowania jednocześnie od osi optycznej w celu zobrazowania obszaru sąsiadującego z obszarem, który ma być zarejestrowany (obszar wysokiej dawki). Obszar ten jest utrzymywany centralnie podczas przechylania i ponownie ustawiany przed nagrywaniem. Podczas rejestracji ugięcia są usuwane tak, że obszar zainteresowania jest wystawiony na działanie wiązki elektronów tylko przez czas wymagany do obrazowania. Udoskonalenie tej techniki (w przypadku obiektów spoczywających na pochyłej folii podłoża) polega na tym, że przed zarejestrowaniem obszaru zainteresowania o niskiej dawce należy ustawić ostrość na dwa symetryczne obszary poza osią .

Nietomograficzne warianty tej metody, określane jako analiza pojedynczych cząstek , wykorzystują obrazy wielu (miejmy nadzieję) identycznych obiektów w różnych orientacjach w celu uzyskania danych obrazu wymaganych do rekonstrukcji trójwymiarowej. Jeżeli obiekty nie mają znaczących preferowanych orientacji, metoda ta nie jest dotknięta brakiem klina danych (lub stożka) towarzyszącym metodom tomograficznym ani nie wiąże się z nadmierną dawką promieniowania, jednak zakłada, że ​​różne zobrazowane obiekty mogą być traktowane tak, jakby Generowane z nich dane 3D powstały z jednego stabilnego obiektu.

przygotowanie próbki

Próbka komórek (czarna) wybarwiona tetratlenkiem osmu i octanem uranylu osadzonych w żywicy epoksydowej (bursztynowa) gotowa do cięcia.

Przygotowanie próbki w TEM może być skomplikowaną procedurą. Próbki TEM powinny mieć grubość mniejszą niż 100 nanometrów w przypadku konwencjonalnego TEM. W przeciwieństwie do promieniowania neutronowego lub promieniowania rentgenowskiego elektrony w wiązce łatwo oddziałują z próbką, efekt ten narasta z grubsza wraz z kwadratem liczby atomowej (Z 2 ). Próbki wysokiej jakości będą miały grubość porównywalną ze średnią drogą swobodną elektronów przechodzących przez próbki, która może wynosić tylko kilkadziesiąt nanometrów. Przygotowanie próbek TEM jest specyficzne dla analizowanego materiału i rodzaju informacji, które należy uzyskać z próbki.

Materiały, które mają wystarczająco małe wymiary, aby były przezroczyste dla elektronów, takie jak substancje sproszkowane, małe organizmy, wirusy lub nanorurki, można szybko przygotować przez osadzanie rozcieńczonej próbki zawierającej próbkę na błonach na siatkach nośnych. Próbki biologiczne można zatopić w żywicy, aby wytrzymać wysoką próżnię w komorze próbki i umożliwić cięcie tkanki na cienkie sekcje przezroczyste dla elektronów. Próbkę biologiczną można wybarwić za pomocą materiału do barwienia ujemnego , takiego jak octan uranylu na bakterie i wirusy, lub, w przypadku skrawków zatopionych, próbkę można wybarwić metalami ciężkimi, w tym tetratlenkiem osmu . Alternatywnie próbki można przechowywać w temperaturze ciekłego azotu po zatopieniu w szklistym lodzie. W materiałoznawstwie i metalurgii próbki zwykle wytrzymują wysoką próżnię, ale nadal muszą być przygotowane jako cienka folia lub wytrawione, aby pewna część próbki była wystarczająco cienka, aby wiązka mogła przeniknąć. Ograniczenia grubości materiału mogą być ograniczone przez przekrój rozpraszania atomów, z których składa się materiał.

Skrawanie tkanek

Diamentowe ostrze noża używane do cięcia ultracienkich odcinków (zwykle od 70 do 350 nm) do transmisyjnej mikroskopii elektronowej.

Tkanka biologiczna jest często osadzana w bloku żywicy, a następnie rozrzedzana do mniej niż 100 nm na ultramikrotomie . Blok żywicy pęka, gdy przechodzi przez krawędź noża szklanego lub diamentowego. Metoda ta służy do uzyskiwania cienkich, minimalnie odkształconych próbek, które pozwalają na obserwację ultrastruktury tkanek. Próbki nieorganiczne, takie jak aluminium, można również osadzać w żywicach i ciąć w ten sposób na ultracienkie skrawki za pomocą noży ze szkła powlekanego, szafiru lub diamentów o większym kącie. Aby zapobiec gromadzeniu się ładunku na powierzchni próbki podczas oglądania w TEM, próbki tkanek należy pokryć cienką warstwą materiału przewodzącego, takiego jak węgiel.

Barwienie próbki

Sekcja komórki Bacillus subtilis , pobrana za pomocą TEM Tecnai T-12. Skala to 200 nm.

Próbki TEM tkanek biologicznych wymagają barwienia o wysokiej liczbie atomowej w celu zwiększenia kontrastu. Plama absorbuje elektrony wiązki lub rozprasza część wiązki elektronów, która w przeciwnym razie jest rzucana na system obrazowania. Związki metali ciężkich, takich jak osm , ołów , uran lub złoto (w znakowaniu immunozłotem ) można stosować przed obserwacją TEM w celu selektywnego osadzania atomów o gęstości elektronowej w lub na próbce w żądanym regionie komórkowym lub białkowym. Proces ten wymaga zrozumienia, w jaki sposób metale ciężkie wiążą się z określonymi tkankami biologicznymi i strukturami komórkowymi.

Frezowanie mechaniczne

Polerowanie mechaniczne służy również do przygotowania próbek do obrazowania na TEM. Polerowanie musi być wykonane z zachowaniem wysokiej jakości, aby zapewnić stałą grubość próbki w całym obszarze zainteresowania. W końcowych etapach polerowania można użyć diamentu lub sześciennego azotku boru, aby usunąć wszelkie rysy, które mogą powodować wahania kontrastu ze względu na różną grubość próbki. Nawet po starannym mechanicznym zmieleniu mogą być wymagane dodatkowe precyzyjne metody, takie jak wytrawianie jonowe, w celu wykonania końcowego rozrzedzania.

Trawienie chemiczne

Niektóre próbki mogą być przygotowane przez trawienie chemiczne, w szczególności próbki metali. Próbki te są rozcieńczane za pomocą chemicznego wytrawiacza, takiego jak kwas, w celu przygotowania próbki do obserwacji TEM. Urządzenia do kontroli procesu rozcieńczania mogą umożliwiać operatorowi kontrolowanie napięcia lub prądu przepływającego przez próbkę i mogą zawierać systemy do wykrywania, kiedy próbka została pocieniona do wystarczającego poziomu przezroczystości optycznej.

Trawienie jonowe

Trawienie jonowe to proces rozpylania, który może usunąć bardzo małe ilości materiału. Służy do wykonywania wykańczającego polerowania okazów wypolerowanych w inny sposób. Trawienie jonowe wykorzystuje gaz obojętny przepuszczany przez pole elektryczne w celu wygenerowania strumienia plazmy skierowanego na powierzchnię próbki. Energie przyspieszenia dla gazów takich jak argon wynoszą zwykle kilka kilowoltów. Próbkę można obracać, aby ułatwić równomierne polerowanie powierzchni próbki. Szybkość rozpylania takich metod jest rzędu dziesiątek mikrometrów na godzinę, co ogranicza metodę tylko do bardzo dokładnego polerowania.

Ostatnio wykazano, że trawienie jonowe za pomocą argonu jest w stanie złożyć struktury stosu MTJ do określonej warstwy, która następnie została rozłożona atomowo. Obrazy TEM wykonane w widoku z góry, a nie w przekroju pokazują, że warstwa MgO w MTJ zawiera dużą liczbę granic ziaren, które mogą pogarszać właściwości urządzeń.

Mielenie jonowe

Obraz ze skaningowego mikroskopu elektronowego cienkiej próbki TEM zmielonej przez FIB . Pokazana tutaj cienka membrana nadaje się do badania TEM; jednak przy grubości ~300 nm nie byłby odpowiedni dla TEM o wysokiej rozdzielczości bez dalszego frezowania.

Ostatnio do przygotowania próbek stosowano metody skupionej wiązki jonów . FIB to stosunkowo nowa technika przygotowywania cienkich próbek do badania TEM z większych próbek. Ponieważ FIB może być używany do bardzo precyzyjnej mikroobróbki próbek, możliwe jest mielenie bardzo cienkich membran z określonego obszaru zainteresowania próbki, takiego jak półprzewodnik lub metal. W przeciwieństwie do rozpylania jonów gazu obojętnego, FIB wykorzystuje znacznie bardziej energetyczne jony galu i może zmieniać skład lub strukturę materiału poprzez implantację galu.

Transfer wspomagany nanoprzewodami

W celu minimalnego wprowadzania naprężeń i zginania do próbek z transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM) ( lamele , cienkie folie i inne próbki wrażliwe mechanicznie i na wiązkę), podczas przenoszenia wewnątrz skupionej wiązki jonów (FIB), elastyczne metalowe nanodruty można przymocować do typowo sztywny mikromanipulator .

Główne zalety tej metody to znaczne skrócenie czasu przygotowania próbki (szybkie spawanie i cięcie nanodrutu przy małym prądzie wiązki) oraz minimalizacja zginania wywołanego naprężeniami, zanieczyszczenia Pt i uszkodzenia wiązki jonów. Ta technika jest szczególnie odpowiednia do przygotowania próbek pod mikroskopem elektronowym in situ .

Replikacja

Platynowa replika Staphylococcus aureus wykonana na TEM przy powiększeniu 50 000x.

Próbki mogą być również powielane przy użyciu folii z octanu celulozy , która następnie jest pokryta metalem ciężkim, takim jak platyna, oryginalna folia rozpuszcza się, a replika jest obrazowana na TEM. Odmiany techniki replik są stosowane zarówno w przypadku materiałów, jak i próbek biologicznych. W materiałoznawstwie powszechnym zastosowaniem jest badanie świeżej powierzchni pęknięcia stopów metali.

Modyfikacje

Możliwości TEM można dodatkowo rozszerzyć o dodatkowe stopnie i detektory, czasami wbudowane w ten sam mikroskop.

Skanowanie TEM

TEM można zmodyfikować w skaningowy mikroskop elektronowy z transmisją (STEM) poprzez dodanie systemu, który w połączeniu z odpowiednimi detektorami tworzy zbieżną wiązkę w poprzek próbki w celu utworzenia obrazu. Cewki skanujące są używane do odchylania wiązki, na przykład przez przesunięcie elektrostatyczne wiązki, gdzie wiązka jest następnie zbierana za pomocą detektora prądu, takiego jak kubek Faradaya , który działa jako bezpośredni licznik elektronów. Poprzez skorelowanie liczby elektronów z położeniem wiązki skanującej (znanej jako „sonda”) można zmierzyć przepuszczaną składową wiązki. Nieprzesyłane składowe można uzyskać albo przez przechylanie wiązki, albo przez zastosowanie pierścieniowych detektorów ciemnego pola .

Schematyczny diagram promieni ilustrujący wzajemność optyczną między TEM (po lewej) i STEM (po prawej). Kąt zbieżności w TEM, , staje się kątem zebrania w STEM, . Obraz inspirowany przez Hren et al.

Zasadniczo TEM i STEM są połączone wzajemnością Helmholtza . STEM to TEM, w którym źródło elektronów i punkt obserwacji zostały zamienione względem kierunku ruchu wiązki elektronów. Zobacz diagramy promieni na rysunku po prawej stronie. Instrument STEM skutecznie opiera się na tej samej konfiguracji optycznej, co TEM, ale działa poprzez zmianę kierunku przemieszczania się elektronów (lub czasu cofania) podczas działania TEM. Zamiast używać apertury do kontrolowania wykrytych elektronów, jak w TEM, STEM wykorzystuje różne detektory z kątami zbierania, które można regulować w zależności od tego, które elektrony użytkownik chce przechwycić.

Mikroskop elektronowy niskiego napięcia

Niskiego napięcia mikroskopu elektronowego (LVEM) pracuje pod stosunkowo niskim napięciu przyspieszającym elektrony pomiędzy 5-25 kV. Niektóre z nich mogą być kombinacją SEM, TEM i STEM w jednym kompaktowym instrumencie. Niskie napięcie zwiększa kontrast obrazu, co jest szczególnie ważne w przypadku preparatów biologicznych. Ten wzrost kontrastu znacznie zmniejsza, a nawet eliminuje potrzebę barwienia. Rozdzielczości rzędu kilku nm są możliwe w trybach TEM, SEM i STEM. Niska energia wiązki elektronów oznacza, że ​​magnesy trwałe mogą być używane jako soczewki, a tym samym można zastosować miniaturową kolumnę, która nie wymaga chłodzenia.

Krio-TEM

Główny artykuł: Transmisyjna kriomikroskopia elektronowa

Transmisyjna mikroskopia kriogeniczna (Cryo-TEM) wykorzystuje TEM z uchwytem na próbki zdolnym do utrzymywania próbki w temperaturach ciekłego azotu lub ciekłego helu . Pozwala to na obrazowanie próbek przygotowanych w szklistym lodzie , preferowaną technikę przygotowania do obrazowania pojedynczych cząsteczek lub zespołów makromolekularnych , obrazowanie styków zeszklonych ciał stałych i elektrolitów oraz obrazowanie materiałów, które są lotne w wysokiej próżni w temperaturze pokojowej, takich jak siarka.

TEM środowiskowy/in-situ

Eksperymenty in-situ mogą być również prowadzone w TEM przy użyciu komory próbek z pompowaniem różnicowym lub specjalistycznych uchwytów. Rodzaje eksperymentów in-situ obejmują badanie nanomateriałów, próbek biologicznych i reakcji chemicznych przy użyciu mikroskopii elektronowej w fazie ciekłej oraz badanie deformacji materiału.

Skorygowana aberracja TEM

Nowoczesne badania TEM mogą zawierać korektory aberracji , aby zmniejszyć ilość zniekształceń obrazu. Można również stosować monochromatory wiązki padającej, które zmniejszają rozproszenie energii padającej wiązki elektronów do mniej niż 0,15  eV . Do głównych producentów TEM z korekcją aberracji należą JEOL , Hitachi High-technologies, FEI Company i NION.

Ultraszybki i dynamiczny TEM

Możliwe jest osiągnięcie rozdzielczości czasowej znacznie przekraczającej szybkość odczytu detektorów elektronowych przy użyciu elektronów impulsowych . Impulsy mogą być wytwarzane przez modyfikację źródła elektronów w celu umożliwienia fotoemisji wyzwalanej laserem lub przez instalację ultraszybkiego wygaszania wiązki. Podejście to nosi nazwę ultraszybkiej transmisyjnej mikroskopii elektronowej, gdy stosuje się stroboskopowe oświetlenie pompowo-sondowe : obraz jest tworzony przez akumulację wielu impulsów elektronowych z ustalonym opóźnieniem między przybyciem impulsu elektronowego a wzbudzeniem próbki. Z drugiej strony użycie pojedynczej lub krótkiej sekwencji impulsów elektronowych z wystarczającą liczbą elektronów do utworzenia obrazu z każdego impulsu nazywa się dynamiczną transmisyjną mikroskopią elektronową. Rozdzielczość czasowa do setek femtosekund i rozdzielczość przestrzenna porównywalna do tej dostępnej w przypadku źródła emisji pola Schottky'ego jest możliwa w ultraszybkim TEM, ale technika ta może obrazować tylko procesy odwracalne, które można odtwarzać miliony razy. Dynamic TEM może rozwiązać nieodwracalne procesy z dokładnością do dziesiątek nanosekund i dziesiątek nanometrów.

Ograniczenia

Technika TEM ma wiele wad. Wiele materiałów wymaga szeroko zakrojonego przygotowania próbki, aby wyprodukować próbkę wystarczająco cienką, aby była przezroczysta dla elektronów, co sprawia, że ​​analiza TEM jest stosunkowo czasochłonnym procesem o niskiej przepustowości próbek. Struktura próbki może również ulec zmianie podczas procesu przygotowania. Również pole widzenia jest stosunkowo małe, co stwarza możliwość, że analizowany region może nie być charakterystyczny dla całej próby. Istnieje możliwość uszkodzenia próbki przez wiązkę elektronów, szczególnie w przypadku materiałów biologicznych.

Granice rozdzielczości

Ewolucja rozdzielczości przestrzennej osiągniętej za pomocą mikroskopów optycznych, transmisyjnych (TEM) i elektronowych z korekcją aberracji (ACTEM).

Granica rozdzielczości możliwa do uzyskania w TEM może być opisana na kilka sposobów i jest zwykle określana jako granica informacyjna mikroskopu. Jedną z powszechnie stosowanych wartości jest wartość odcięcia funkcji przenoszenia kontrastu , funkcji , która jest zwykle cytowana w dziedzinie częstotliwości w celu określenia odwzorowania częstotliwości przestrzennych obiektów w płaszczyźnie obiektu przez optykę mikroskopu. Częstotliwość odcięcia, P max , dla funkcji przenoszenia mogą być aproksymowane za pomocą następującego równania, przy czym C y jest sferyczna aberracja współczynnik i λ jest długością fali elektronowej:

Przez mikroskop 200 kV, z częściowo skorygowanych aberracji sferycznej ( „dla trzeciego rzędu”) i a c s wartości 1 um, teoretyczna wartość odcięcia może wynosić 1 / P max = 42  godz . Ten sam mikroskop bez korektora miałby C s = 0,5 mm, a więc odcięcie 200 pm. Aberracje sferyczne są tłumione do trzeciego lub piątego rzędu w mikroskopach „z korekcją aberracji ”. Ich rozdzielczość jest jednak ograniczona przez geometrię źródła elektronów oraz jasność i aberracje chromatyczne w układzie soczewek obiektywu.

Reprezentacja funkcji przenoszenia kontrastu w domenie częstotliwości może często mieć charakter oscylacyjny, który można dostroić, regulując wartość ogniskowej soczewki obiektywu. Ta oscylacyjna natura oznacza, że ​​niektóre częstotliwości przestrzenne są wiernie odwzorowywane przez mikroskop, podczas gdy inne są tłumione. Łącząc wiele obrazów o różnych częstotliwościach przestrzennych, można wykorzystać techniki, takie jak rekonstrukcja serii ogniskowych, w celu poprawy rozdzielczości TEM w ograniczony sposób. Funkcję przenoszenia kontrastu można do pewnego stopnia eksperymentalnie przybliżyć za pomocą technik, takich jak transformacja Fouriera obrazów materiału amorficznego, takiego jak węgiel amorficzny .

Ostatnio postęp w projektowaniu korektora aberracji umożliwił zmniejszenie aberracji sferycznych i osiągnięcie rozdzielczości poniżej 0,5 Ångströms (50 pm) przy powiększeniu powyżej 50 milionów razy. Ulepszona rozdzielczość pozwala na obrazowanie lżejszych atomów, które rozpraszają elektrony mniej wydajnie, takich jak atomy litu w materiałach baterii litowych. Możliwość określenia położenia atomów w materiałach sprawiła, że ​​HRTEM jest niezbędnym narzędziem do badań i rozwoju nanotechnologii w wielu dziedzinach, w tym w zakresie katalizy heterogenicznej i opracowywania urządzeń półprzewodnikowych dla elektroniki i fotoniki.

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki