Просвечивающая электронная микроскопия ( ПЭМ ) — это метод микроскопии , при котором пучок электронов пропускается через образец для формирования изображения. Образец чаще всего представляет собой ультратонкий срез толщиной менее 100 нм или суспензию на сетке. Изображение формируется в результате взаимодействия электронов с образцом при прохождении луча через образец. Затем изображение увеличивается и фокусируется на устройстве формирования изображения, таком как флуоресцентный экран, слой фотопленки или детектор , такой как сцинтиллятор, прикрепленный к устройству с зарядовой связью , или детектор прямых электронов.
Просвечивающие электронные микроскопы способны получать изображения со значительно более высоким разрешением , чем световые микроскопы , благодаря меньшей длине волны де Бройля электронов. Это позволяет прибору улавливать мелкие детали — даже такие маленькие, как один столбец атомов, который в тысячи раз меньше, чем разрешаемый объект, видимый в световой микроскоп. Просвечивающая электронная микроскопия является основным аналитическим методом в физических, химических и биологических науках. ТЭМ находят применение в исследованиях рака , вирусологии и материаловедении , а также в исследованиях загрязнения , нанотехнологий и полупроводников , а также в других областях, таких как палеонтология и палинология .
Приборы TEM имеют несколько режимов работы, включая традиционную визуализацию, сканирующую TEM-визуализацию (STEM), дифракцию, спектроскопию и их комбинации. Даже в рамках традиционной визуализации существует множество принципиально разных способов создания контраста, называемых «механизмами контраста изображения». Контраст может возникать из-за различий между позициями в толщине или плотности («контраст массы-толщины»), атомном номере («Z-контраст», что относится к общепринятому сокращению Z для атомного номера), кристаллической структуре или ориентации («кристаллографический контраст»). контраст» или «дифракционный контраст»), небольшие квантово-механические сдвиги фаз, которые отдельные атомы производят в электронах, проходящих через них («фазовый контраст»), энергию, теряемую электронами при прохождении через образец («изображение спектра») и более. Каждый механизм сообщает пользователю различную информацию, зависящую не только от механизма контрастирования, но и от того, как используется микроскоп — настройки линз, апертуры и детекторов. Это означает, что ПЭМ способен возвращать чрезвычайно разнообразную информацию с нанометровым и атомным разрешением, в идеальных случаях показывая не только, где находятся все атомы, но и какие они виды атомов и как они связаны друг с другом. По этой причине TEM рассматривается как важный инструмент нанонауки как в области биологии, так и в области материалов.
Первый ТЭМ был продемонстрирован Максом Ноллом и Эрнстом Руской в 1931 году, при этом эта группа разработала первый ТЭМ с разрешением, превышающим разрешение света, в 1933 году и первый коммерческий ТЭМ в 1939 году. В 1986 году Руска был удостоен Нобелевской премии по физике за развитие просвечивающей электронной микроскопии. [2]
В 1873 году Эрнст Аббе предположил, что способность различать детали объекта ограничена примерно длиной волны света, используемого при визуализации, или несколькими сотнями нанометров для микроскопов видимого света. Разработки ультрафиолетовых (УФ) микроскопов, возглавляемые Кёлером и Рором , увеличили разрешающую способность в два раза. [3] Однако для этого потребовалась дорогая кварцевая оптика из-за поглощения УФ-излучения стеклом. Считалось, что получение изображения с субмикрометровой информацией невозможно из-за ограничения длины волны. [4]
В 1858 году Плюкер наблюдал отклонение «катодных лучей» ( электронов ) магнитными полями. [5] Этот эффект был использован Фердинандом Брауном в 1897 году для создания простых измерительных устройств электронно-лучевого осциллографа (CRO). [6] В 1891 году Эдуард Рике заметил, что катодные лучи могут фокусироваться с помощью магнитных полей, что позволило создать простые конструкции электромагнитных линз. В 1926 году Ганс Буш опубликовал работу, расширяющую эту теорию, и показал, что уравнение производителя линз при соответствующих предположениях можно применить к электронам. [2]
В 1928 году в Берлинском техническом университете Адольф Маттиас, профессор технологии высокого напряжения и электроустановок, назначил Макса Нолля руководителем группы исследователей для продвижения конструкции CRO. В состав команды входили несколько аспирантов, в том числе Эрнст Руска и Бодо фон Боррис . Исследовательская группа работала над дизайном линз и размещением колонны CRO, чтобы оптимизировать параметры для создания более качественных CRO и создать электронно-оптические компоненты для создания изображений с низким увеличением (почти 1:1). В 1931 году группа успешно создала увеличенные изображения сетчатых сеток, расположенных над апертурой анода. В устройстве использовались две магнитные линзы для достижения большего увеличения, что, возможно, создало первый электронный микроскоп . В том же году Райнхольд Руденберг , научный директор компании Siemens , запатентовал электронный микроскоп с электростатическими линзами . [4] [7]
В то время под электронами понимали заряженные частицы материи; Волновая природа электронов не была полностью осознана до тех пор, пока Луи де Бройль не защитил докторскую диссертацию в 1924 году . [8] Исследовательская группа Нолла не знала об этой публикации до 1932 года, когда они поняли, что длина волны де Бройля электронов была на много порядков меньше. чем для света, что теоретически позволяет получать изображения на атомных масштабах. (Даже для электронов с кинетической энергией всего в 1 электронвольт длина волны уже составляет всего 1,18 нм .) В апреле 1932 года Руска предложил построить новый электронный микроскоп для прямого получения изображений образцов, вставленных в микроскоп, а не простой сетки. сетки или изображения отверстий. С помощью этого устройства была достигнута успешная дифракция и нормальное изображение алюминиевого листа. Однако достижимое увеличение было ниже, чем при световой микроскопии. В сентябре 1933 года было достигнуто увеличение, превышающее доступное с помощью светового микроскопа: изображения хлопковых волокон были быстро получены до того, как они были повреждены электронным лучом. [4]
В это время возрос интерес к электронному микроскопу, а также другие группы, такие как группа Пола Андерсона и Кеннета Фицсиммонса из Университета штата Вашингтон [9] и группа Альберта Пребуса и Джеймса Хиллера из Университета Торонто , которые построили первый электронный микроскоп. ТЭМ в Северной Америке в 1935 и 1938 годах соответственно [10] постоянно совершенствовали конструкцию ТЭМ.
Исследования электронного микроскопа в компании Siemens продолжились в 1936 году, целью которых была разработка и улучшение свойств изображений TEM, особенно в отношении биологических образцов. В это время для конкретных групп производились электронные микроскопы, такие как устройство «ЕМ1», используемое в Национальной физической лаборатории Великобритании. [11] В 1939 году первый коммерческий электронный микроскоп (на фото) был установлен на физическом факультете компании IG Farben -Werke. Дальнейшая работа над электронным микроскопом была затруднена разрушением новой лаборатории, построенной в Сименсе в результате воздушного налета , а также смертью двух исследователей, Хайнца Мюллера и Фридриха Краузе, во время Второй мировой войны . [12]
После Второй мировой войны Руска возобновил работу в компании Siemens, где продолжил разработку электронного микроскопа, создав первый микроскоп с увеличением в 100 тыс. раз. [12] Фундаментальная конструкция этой конструкции микроскопа с многоступенчатой оптикой подготовки луча до сих пор используется в современных микроскопах. Мировое сообщество электронной микроскопии продвинулось вперед благодаря производству электронных микроскопов в Манчестере, Великобритании, США (RCA), Германии (Siemens) и Японии (JEOL). Первая международная конференция по электронной микроскопии прошла в Делфте в 1949 году, на ней присутствовало более ста человек. [11] Более поздние конференции включали «Первую» международную конференцию в Париже в 1950 году, а затем в Лондоне в 1954 году.
С развитием ПЭМ связанный с ней метод сканирующей просвечивающей электронной микроскопии (СТЭМ) был повторно исследован и оставался неразработанным до 1970-х годов, когда Альберт Крю из Чикагского университета разработал автоэмиссионную пушку [13] и добавил в нее высококачественный объектив. объектив для создания современного STEM. Используя эту конструкцию, Крю продемонстрировал способность получать изображения атомов с помощью кольцевой визуализации в темном поле . Крю и его коллеги из Чикагского университета разработали источник электронной эмиссии в холодном поле и построили STEM, способный визуализировать отдельные тяжелые атомы на тонких углеродных подложках. [14]
Теоретически максимальное разрешение d , которое можно получить с помощью светового микроскопа, ограничено длиной волны фотонов ( λ) и числовой апертурой NA системы. [15]
где n — показатель преломления среды, в которой работает линза, а α — максимальный полуугол конуса света, который может попасть в линзу (см. числовую апертуру ). [16] Ученые начала двадцатого века теоретизировали способы обойти ограничения относительно большой длины волны видимого света (длины волн 400–700 нанометров ) с помощью электронов. Как и вся материя, электроны обладают как волновыми, так и корпускулярными свойствами ( волна материи ), а их волновые свойства означают, что луч электронов может фокусироваться и дифрагировать так же, как это может делать свет. Длина волны электронов связана с их кинетической энергией уравнением де Бройля, которое гласит, что длина волны обратно пропорциональна импульсу. Принимая во внимание релятивистские эффекты (поскольку в ПЭМ скорость электрона составляет значительную часть скорости света c [17] ) длина волны равна
где h – постоянная Планка , m 0 – масса покоя электрона и E – кинетическая энергия ускоренного электрона.
Сверху вниз ТЭМ состоит из источника излучения или катода, который может представлять собой вольфрамовую нить, монокристалл гексаборида лантана ( LaB 6 ) или автоэмиссионную пушку . [18] Пушка подключается к источнику высокого напряжения (обычно ~ 100–300 кВ) и испускает электроны либо термоэлектронной , либо автоэлектронной эмиссией в вакуум. В случае термоэлектронного источника источник электронов устанавливается в цилиндре Венельта , чтобы обеспечить предварительную фокусировку испускаемых электронов в пучок, а также стабилизировать ток с помощью пассивной цепи обратной связи. Вместо этого в источнике автоэмиссии используются электростатические электроды, называемые экстрактором, подавителем и линзой пушки, с разным напряжением на каждом, чтобы контролировать форму и интенсивность электрического поля вблизи острого кончика. Комбинация катода и этих первых электростатических линзовых элементов вместе называется «электронной пушкой». После выхода из пушки луч обычно ускоряется до тех пор, пока не достигнет конечного напряжения и не попадет в следующую часть микроскопа: систему конденсорных линз. Эти верхние линзы ПЭМ затем дополнительно фокусируют электронный луч до желаемого размера и местоположения на образце. [19]
Манипулирование электронным пучком осуществляется с помощью двух физических эффектов. Взаимодействие электронов с магнитным полем заставит электроны двигаться по правилу левой руки , что позволит электромагнитам манипулировать электронным лучом. Кроме того, электростатические поля могут вызывать отклонение электронов на постоянный угол. Соединение двух прогибов в противоположных направлениях с небольшим промежуточным зазором позволяет сформировать сдвиг траектории луча, позволяющий осуществлять смещение луча.
Линзы ТЭМ — это то, что дает ему гибкость режимов работы и способность фокусировать лучи до атомного масштаба и увеличивать их для получения изображения. Линза обычно состоит из соленоидной катушки, почти окруженной ферромагнитными материалами, предназначенной для концентрации магнитного поля катушки в точной, ограниченной форме. Когда электрон входит в это магнитное поле и покидает его, он вращается по спирали вокруг изогнутых силовых линий магнитного поля, действуя во многом так же, как обычная стеклянная линза для света — это собирающая линза. Но, в отличие от стеклянной линзы, магнитная линза может очень легко менять свою силу фокусировки, регулируя ток, проходящий через катушки.
Не менее важным для объективов является апертура. Это круглые отверстия в тонких полосках тяжелого металла. Некоторые из них имеют фиксированный размер и положение и играют важную роль в ограничении генерации рентгеновского излучения и улучшении характеристик вакуума. Другие можно свободно переключать между несколькими размерами и регулировать их положение. Переменные апертуры после образца позволяют пользователю выбирать диапазон пространственных положений или углов рассеяния электронов, которые будут использоваться при формировании изображения или дифракционной картины.
В состав электронно-оптической системы входят также дефлекторы и стигматоры, обычно выполненные из небольших электромагнитов. Дефлекторы позволяют независимо контролировать положение и угол луча в месте расположения образца, а также гарантируют, что лучи остаются вблизи центров с низкой аберрацией каждой линзы в стопке линз. Стигматисты компенсируют небольшие дефекты и аберрации, вызывающие астигматизм — линзы имеют разную фокусную силу в разных направлениях.
Обычно ПЭМ состоит из трех этапов линзирования. Этапы представляют собой конденсорные линзы, объективы и линзы проектора. Линзы конденсатора отвечают за формирование первичного луча, а линзы объектива фокусируют луч, проходящий через сам образец (в режиме сканирования STEM над образцом также имеются объективные линзы, которые сводят падающий электронный луч). Линзы проектора используются для распространения луча на люминофорный экран или другое устройство формирования изображения, например пленку. Увеличение ПЭМ обусловлено соотношением расстояний между образцом и плоскостью изображения объектива. [20] Оптические конфигурации TEM существенно различаются в зависимости от реализации: производители используют специальные конфигурации линз, например, в инструментах с коррекцией сферической аберрации , [19] или TEM, использующие энергетическую фильтрацию для коррекции электронной хроматической аберрации .
Теорема оптической взаимности, или принцип взаимности Гельмгольца , обычно справедлива для упруго рассеянных электронов, как это часто бывает в стандартных условиях работы ТЭМ. [21] [22] Теорема утверждает, что амплитуда волны в некоторой точке B в результате действия точечного источника электронов A будет такой же, как амплитуда в точке A из-за эквивалентного точечного источника, помещенного в B. [22] Проще говоря, Волновая функция электронов, сфокусированных через любую серию оптических компонентов, включающую только скалярные (т.е. не магнитные) поля, будет точно эквивалентной, если источник электронов и точка наблюдения поменяются местами. р
Взаимность используется для понимания сканирующей трансмиссионной электронной микроскопии (STEM) в знакомом контексте TEM, а также для получения и интерпретации изображений с использованием STEM.
Ключевые факторы при рассмотрении обнаружения электронов включают квантовую эффективность детектора (DQE) , функцию рассеяния точки (PSF) , функцию передачи модуляции (MTF) , размер пикселя и размер массива, шум, скорость считывания данных и радиационную стойкость. [23]
Системы визуализации в ПЭМ состоят из люминофорного экрана, который может быть изготовлен из мелких (10–100 мкм) частиц сульфида цинка для непосредственного наблюдения оператором, и системы регистрации изображения, такой как фотопленка , [24] экран из легированного YAG . связанные ПЗС-матрицы [25] или другой цифровой детектор. [23] Обычно эти устройства можно снимать или вставлять в путь луча по мере необходимости. (Фотопленка больше не используется.) Первый отчет об использовании детектора с зарядовой связью (ПЗС) для ТЭМ был в 1982 году [26] , но эта технология не нашла широкого применения до конца 1990-х - начала 2000-х годов. [27] Монолитные датчики с активными пикселями (MAPS) также использовались в TEM. [28] КМОП- детекторы, которые быстрее и более устойчивы к радиационному повреждению, чем ПЗС-матрицы, используются для ПЭМ с 2005 года. [29] [30] В начале 2010-х годов дальнейшее развитие КМОП-технологии позволило обнаруживать единичные электроны. («режим счета»). [31] [32] Эти детекторы прямых электронов можно приобрести у компаний Gatan , FEI , Quantum Detectors и Direct Electron. [28]
ТЭМ состоит из нескольких компонентов, в том числе вакуумной системы, в которой движутся электроны, источника электронной эмиссии для генерации потока электронов, ряда электромагнитных линз, а также электростатических пластин. Последние два позволяют оператору направлять и манипулировать лучом по мере необходимости. Также требуется устройство, позволяющее вводить, перемещать внутри и удалять образцы с пути луча. Устройства обработки изображений впоследствии используются для создания изображения электронов, выходящих из системы.
Чтобы увеличить длину свободного пробега взаимодействия электронов с газом, стандартный ТЭМ откачивают до низких давлений, обычно порядка 10 -4 Па . [33] Необходимость в этом двоякая: во-первых, учет разницы напряжений между катодом и землей без образования дуги, во-вторых, уменьшение частоты столкновений электронов с атомами газа до пренебрежимо малых уровней — этот эффект характеризуется длина свободного пробега . Компоненты ТЕМ, такие как держатели образцов и картриджи с пленкой, необходимо регулярно вставлять или заменять, для чего требуется система с возможностью регулярной повторной эвакуации. Таким образом, ТЭМ оснащены несколькими насосными системами и воздушными шлюзами и не имеют постоянной вакуумной изоляции.
Вакуумная система откачки ТЭМ до уровня рабочего давления состоит из нескольких ступеней. Первоначально низкий или черновой вакуум достигается либо с помощью пластинчато-роторного насоса , либо с помощью диафрагменных насосов, устанавливающих достаточно низкое давление, чтобы обеспечить работу турбомолекулярного или диффузионного насоса, устанавливающего высокий уровень вакуума, необходимый для работы. Чтобы насос низкого вакуума не требовал непрерывной работы при непрерывной работе турбомолекулярных насосов, вакуумная сторона насоса низкого давления может быть соединена с камерами, в которых размещаются выхлопные газы турбомолекулярного насоса. [34] Секции ТЭМ могут быть изолированы с помощью отверстий, ограничивающих давление, чтобы обеспечить различные уровни вакуума в определенных областях, например, более высокий вакуум от 10 -4 до 10 -7 Па или выше в электронной пушке в условиях высокой температуры. разрешение или автоэмиссионные ТЭМ.
Высоковольтные ТЭМ требуют сверхвысокого вакуума в диапазоне от 10 -7 до 10 -9 Па, чтобы предотвратить образование электрической дуги, особенно на катоде ТЕМ. [35] Таким образом, для ТЭМ с более высоким напряжением может работать третья вакуумная система, при этом пистолет изолирован от основной камеры либо задвижками, либо апертурой дифференциальной откачки - небольшим отверстием, которое предотвращает диффузию молекул газа в область пистолета с более высоким вакуумом. быстрее, чем они могут быть откачаны. Для этих очень низких давлений используется либо ионный насос , либо геттерный материал.
Плохой вакуум в ПЭМ может вызвать ряд проблем, начиная от осаждения газа внутри ПЭМ на образец при просмотре в процессе, известном как осаждение, индуцированное электронным лучом, до более серьезных повреждений катода, вызванных электрическим разрядом. [35] Использование холодной ловушки для адсорбции сублимированных газов вблизи образца в значительной степени устраняет проблемы с вакуумом, вызванные сублимацией образца . [34]
Конструкции столиков для образцов TEM включают воздушные шлюзы , позволяющие вводить держатель образца в вакуум с минимальной потерей вакуума в других областях микроскопа. Держатели образцов удерживают решетку для образцов стандартного размера или самонесущий образец. Стандартные размеры сетки TEM составляют 3,05 мм в диаметре, толщина и размер ячейки варьируются от нескольких до 100 мкм. Образец помещают на сетчатую площадку диаметром примерно 2,5 мм. Обычными материалами сетки являются медь, молибден, золото или платина. Эта сетка помещается в держатель образца, который соединен с предметным столиком. Существует большое разнообразие конструкций столиков и держателей в зависимости от типа проводимого эксперимента. Помимо сеток 3,05 мм, иногда, хотя и редко, используются сетки 2,3 мм. Эти сетки особенно использовались в науках о минералах, где может потребоваться большая степень наклона и где материал образца может быть крайне редким. Электронно-прозрачные образцы обычно имеют толщину менее 100 нм, но эта величина зависит от ускоряющего напряжения.
После введения в ПЭМ образцом необходимо манипулировать, чтобы определить область интереса для луча, например, при дифракции отдельных зерен , в определенной ориентации. Чтобы обеспечить это, столик TEM позволяет перемещать образец в плоскости XY, регулировать высоту по оси Z и обычно в одном направлении наклона, параллельном оси держателей с боковым входом. Вращение образца может быть доступно на специализированных дифракционных держателях и столиках. Некоторые современные ТЭМ обеспечивают возможность перемещения под двумя ортогональными углами наклона с помощью специальных конструкций держателей, называемых держателями образцов с двойным наклоном. Некоторые конструкции столиков, такие как столики с верхним входом или вертикальным вводом, которые когда-то были обычным явлением для исследований ПЭМ с высоким разрешением, могут просто иметь доступный только XY-перенос. Критерии проектирования стадий ТЕМ сложны из-за одновременных требований механических и электронно-оптических ограничений, а для различных методов доступны специализированные модели.
Требуется, чтобы столик TEM имел возможность удерживать образец и манипулировать им, чтобы вывести интересующую область на путь электронного луча. Поскольку ПЭМ может работать в широком диапазоне увеличений, предметный столик должен одновременно обладать высокой устойчивостью к механическому дрейфу, требования к дрейфу составляют всего несколько нм/мин, при этом иметь возможность перемещаться на несколько мкм/мин, с точностью изменения положения порядка нанометров. [36] Более ранние конструкции ТЭМ достигали этого с помощью сложного набора механических понижающих устройств, позволяющих оператору точно контролировать движение сцены с помощью нескольких вращающихся стержней. В современных устройствах может использоваться электрическая конструкция сцены, использующая винтовую передачу в сочетании с шаговыми двигателями , предоставляя оператору компьютерные возможности управления сценой, такие как джойстик или трекбол .
Существуют две основные конструкции ступеней TEM: версия с боковым входом и версия с верхним входом. [25] Каждая конструкция должна иметь соответствующий держатель, чтобы можно было вставлять образец, не повреждая деликатную оптику ТЭМ и не допуская попадания газа в системы ТЕМ под вакуумом.
Наиболее распространенным является держатель с боковым вводом, при котором образец помещается рядом с кончиком длинного металлического стержня (латуни или нержавеющей стали), а образец помещается плашмя в небольшое отверстие. Вдоль стержня расположены несколько полимерных вакуумных колец, позволяющих сформировать достаточно качественное вакуумное уплотнение при вставке в предметный столик. Таким образом, предметный столик спроектирован таким образом, чтобы на нем можно было разместить стержень, помещая образец либо между объективом, либо рядом с ним, в зависимости от конструкции объектива. При вставке в предметный столик кончик держателя с боковым входом находится в вакууме ПЭМ, а основание оказывается в атмосфере, воздушный затвор образован вакуумными кольцами.
Процедуры установки держателей TEM с боковым вводом обычно включают вращение образца для срабатывания микропереключателей , которые инициируют вакуумирование воздушного шлюза перед введением образца в колонку TEM.
Вторая конструкция представляет собой держатель с верхним входом, состоящий из картриджа длиной несколько см с отверстием, просверленным по оси картриджа. Образец загружается в отверстие, возможно, с помощью небольшого винтового кольца, чтобы удерживать образец на месте. Этот картридж вставляется в воздушный шлюз с отверстием, перпендикулярным оптической оси ТЭМ. При герметизации воздушный шлюз проталкивает картридж так, что картридж падает на место, где отверстие отверстия выравнивается с осью луча, так что луч проходит вниз по отверстию картриджа и попадает в образец. Такие конструкции обычно невозможно наклонить, не блокируя путь луча или не создавая помех объективу. [25]
Электронная пушка состоит из нескольких компонентов: нити накала, цепи смещения, колпака Венельта и экстракционного анода. Подключив нить к источнику питания отрицательного компонента, электроны можно «перекачивать» из электронной пушки на анодную пластину и колонку ТЕМ, замыкая таким образом цепь. Пушка предназначена для создания пучка электронов, выходящих из сборки под некоторым заданным углом, известным как полуугол расхождения пушки, α. Построив цилиндр Венельта так, чтобы он имел более высокий отрицательный заряд, чем сама нить, электроны, выходящие из нити расходящимся образом, при правильной работе вынуждены образовывать сходящуюся структуру, минимальный размер которой равен диаметру кроссовера пушки.
Плотность тока термоэлектронной эмиссии J может быть связана с работой выхода излучающего материала посредством закона Ричардсона.
где A — постоянная Ричардсона , Φ — работа выхода, а T — температура материала. [25]
Это уравнение показывает, что для достижения достаточной плотности тока необходимо нагреть эмиттер, стараясь не повредить его из-за чрезмерного нагрева. По этой причине для нити пистолета требуются материалы либо с высокой температурой плавления, такие как вольфрам, либо материалы с низкой работой выхода (LaB 6 ). [37] Кроме того, как гексаборид лантана, так и вольфрамовые термоэмиссионные источники должны быть нагреты для достижения термоэлектронной эмиссии, этого можно достичь с помощью небольшой резистивной полосы. Чтобы предотвратить тепловой удар, часто применяется задержка при подаче тока на наконечник, чтобы предотвратить повреждение нити температурными градиентами, задержка обычно составляет несколько секунд для LaB 6 и значительно меньше для вольфрама .
Электронные линзы созданы таким образом, чтобы имитировать действие оптических линз, фокусируя параллельные электроны на некотором постоянном фокусном расстоянии. Электронные линзы могут работать электростатически или магнитно. В большинстве электронных линз для ТЭМ используются электромагнитные катушки для создания выпуклой линзы . Поле, создаваемое линзой, должно быть радиально-симметричным, поскольку отклонение от радиальной симметрии магнитной линзы вызывает аберрации, такие как астигматизм , и ухудшает сферические и хроматические аберрации . Электронные линзы изготавливаются из железа, железо-кобальтовых или никель-кобальтовых сплавов, [38] например, пермаллоя . Они выбраны по их магнитным свойствам, таким как магнитное насыщение , гистерезис и проницаемость .
Компоненты включают в себя ярмо, магнитную катушку, полюса, полюсный наконечник и внешнюю схему управления. Полюсный наконечник должен быть изготовлен очень симметричным образом, поскольку это обеспечивает граничные условия для магнитного поля, образующего линзу. Несовершенства изготовления полюсного наконечника могут вызвать серьезные искажения симметрии магнитного поля, которые в конечном итоге ограничивают способность линз воспроизводить плоскость объекта. Точные размеры зазора, внутреннего диаметра и конусности полюсного наконечника, а также общую конструкцию линзы часто определяются методом конечных элементов анализа магнитного поля с учетом тепловых и электрических ограничений конструкции. [38]
Катушки, создающие магнитное поле, расположены внутри ярма линзы. Катушки могут содержать переменный ток, но обычно используют высокое напряжение и поэтому требуют значительной изоляции, чтобы предотвратить короткое замыкание компонентов линзы. Теплораспределители размещены так, чтобы обеспечить отвод тепла, образующегося за счет энергии, теряемой на сопротивление обмоток катушки. Обмотки могут охлаждаться водой с использованием подачи охлажденной воды, чтобы облегчить устранение высокой тепловой нагрузки.
Апертуры представляют собой кольцевые металлические пластины, через которые можно исключить электроны, находящиеся дальше фиксированного расстояния от оптической оси . Они состоят из небольшого металлического диска, достаточно толстого, чтобы предотвратить прохождение электронов через диск, но при этом пропускают осевые электроны. Такое разрешение центральных электронов в ПЭМ вызывает одновременно два эффекта: во-первых, апертуры уменьшают интенсивность луча, поскольку электроны фильтруются из луча, что может быть желательно в случае чувствительных к лучу образцов. Во-вторых, эта фильтрация удаляет электроны, рассеянные на большие углы, что может быть вызвано нежелательными процессами, такими как сферическая или хроматическая аберрация, или дифракцией от взаимодействия внутри образца. [39]
Апертуры представляют собой либо фиксированную апертуру внутри колонны, например, на линзе конденсора, либо подвижную апертуру, которую можно вставлять или удалять с пути луча или перемещать в плоскости, перпендикулярной пути луча. Апертурные узлы представляют собой механические устройства, которые позволяют выбирать различные размеры апертуры, которые могут использоваться оператором для достижения компромисса между интенсивностью и фильтрующим эффектом апертуры. Апертурные узлы часто оснащаются микрометрами для перемещения апертуры, необходимых при оптической калибровке.
Методы визуализации в TEM используют информацию, содержащуюся в электронных волнах, выходящих из образца, для формирования изображения. Линзы проектора позволяют правильно позиционировать распределение электронных волн в системе просмотра. Наблюдаемая интенсивность I изображения, при условии достаточно высокого качества устройства формирования изображения, может быть аппроксимирована как пропорциональная усреднённому по времени квадрату абсолютного значения амплитуды электронных волновых функций, где волна, образующая выходной луч, обозначается как Ψ. [40]
Поэтому различные методы визуализации пытаются изменить электронные волны, выходящие из образца, таким образом, чтобы получить информацию об образце или самом луче. Из предыдущего уравнения можно сделать вывод, что наблюдаемое изображение зависит не только от амплитуды луча, но и от фазы электронов, [ необходимы пояснения ] , хотя фазовые эффекты часто можно игнорировать при меньшем увеличении. Для получения изображений с более высоким разрешением требуются более тонкие образцы и более высокие энергии падающих электронов, а это означает, что образец больше нельзя считать поглощающим электроны (т.е. через эффект закона Бера). Вместо этого образец можно смоделировать как объект, который не меняет амплитуду волновой функции входящего электрона, а вместо этого изменяет фазу входящей волны; в этой модели образец известен как чистофазовый объект. Для достаточно тонких образцов на изображении доминируют фазовые эффекты, что усложняет анализ наблюдаемых интенсивностей. [40] Чтобы улучшить контрастность изображения, ПЭМ можно использовать при небольшой расфокусировке для повышения контраста благодаря свертке с помощью передаточной функции контраста ПЭМ, [41] которая обычно снижает контраст, если образец не является слабофазовый объект.
На рисунке справа показаны два основных режима работы ПЭМ – режим визуализации и режим дифракции. В обоих случаях образец освещается параллельным лучом, формируемым за счет формирования электронного луча с помощью системы конденсорных линз и конденсорной апертуры. После взаимодействия с образцом на выходной поверхности образца существуют два типа электронов – нерассеянные (что будет соответствовать яркому центральному лучу на дифракционной картине) и рассеянные электроны (которые меняют свои траектории за счет взаимодействия с материалом).
В режиме визуализации апертура объектива вставляется в заднюю фокальную плоскость (BFP) объектива (где образуются дифракционные пятна). Если использовать апертуру объектива для выбора только центрального луча, прошедшие электроны проходят через апертуру, в то время как все остальные блокируются, и получается изображение в светлом поле (изображение BF). Если допустить сигнал от дифрагированного луча, то будет получено темнопольное изображение (DF-изображение). Выбранный сигнал увеличивается и проецируется на экран (или на камеру) с помощью промежуточных и проекционных линз. Таким образом получается изображение образца.
В режиме «Дифракция» апертуру выбранной области можно использовать для более точного определения области образца, от которой будет отображаться сигнал. Изменяя силу тока на промежуточную линзу, дифракционная картина проецируется на экран. Дифракция — очень мощный инструмент для реконструкции клеток и определения ориентации кристаллов.
Контраст между двумя соседними областями на ПЭМ-изображении можно определить как разницу в плотности электронов в плоскости изображения. Из-за рассеяния падающего луча на образце амплитуда и фаза электронной волны изменяются, что приводит к амплитудному и фазовому контрасту соответственно. Большинство изображений имеют оба контрастных компонента.
Амплитудно-контрастный получается за счет удаления части электронов перед плоскостью изображения. Во время их взаимодействия с образцом некоторые электроны теряются из-за поглощения или рассеяния на очень большие углы, выходящие за пределы физических ограничений микроскопа, или блокируются апертурой объектива. Хотя первые две потери связаны с конструкцией образца и микроскопа, оператор может использовать апертуру объектива для усиления контраста.
На рисунке справа показано ПЭМ-изображение (а) и соответствующая дифракционная картина (б) поликристаллической пленки Pt, полученная без апертуры объектива. Чтобы повысить контрастность изображения ПЭМ, необходимо уменьшить количество рассеянных лучей, видимых на дифракционной картине. Это можно сделать, выбрав определенную область в задней фокальной плоскости, например только центральный луч или определенный дифрагированный луч (угол), или комбинации таких лучей. Намеренно выбирая апертуру объектива, которая позволяет только недифрагированному лучу проходить за пределы задней фокальной плоскости (и на плоскость изображения), создается изображение в светлом поле (BF) (с), тогда как если центральное, не дифрагированный луч блокируется: можно получить изображения в темном поле (DF), например, показанные на (de). РЛ-изображения (de) были получены путем выбора дифрагированных лучей, обозначенных на дифракционной картине кружками (b), с использованием апертуры в задней фокальной плоскости. Зерна, из которых электроны рассеиваются в эти дифракционные пятна, кажутся более яркими. Более подробно о формировании дифракционного контраста будет сказано далее.
Различают два типа амплитудного контраста – массотолщинный и дифракционный контраст. Во-первых, давайте рассмотрим контраст массы и толщины . Когда луч освещает две соседние области с малой массой (или толщиной) и большой массой (или толщиной), более тяжелая область рассеивает электроны на большие углы. Эти сильно рассеянные электроны блокируются в режиме BF TEM апертурой объектива. В результате более тяжелые области на изображениях BF кажутся темнее (имеют низкую интенсивность). Контраст массы и толщины наиболее важен для некристаллических аморфных материалов.
Дифракционный контраст возникает из-за специфической кристаллографической ориентации зерна. В таком случае кристалл ориентирован таким образом, что существует высокая вероятность дифракции. Дифракционный контраст дает информацию об ориентации кристаллов в поликристаллическом образце, а также другую информацию, например о дефектах. Обратите внимание, что в случае существования дифракционного контраста его нельзя интерпретировать как результат изменений массы или толщины.
Образцы могут проявлять дифракционный контраст, при котором электронный луч подвергается дифракции , которая в случае кристаллического образца рассеивает электроны в отдельные места в задней фокальной плоскости . Путем размещения апертур в задней фокальной плоскости, то есть апертуры объектива, можно выбрать (или исключить) желаемые векторы обратной решетки , таким образом, в конечном итоге будут проецироваться только те части образца, которые заставляют электроны рассеиваться к выбранным отражениям. на аппарат формирования изображений.
Если выбранные отражения не включают нерассеянный луч (который появится в фокусе линзы), то изображение будет темным везде, где нет рассеяния образца до выбранного пика, как в такой области без образца. будет казаться темным. Это известно как изображение темного поля.
Современные ПЭМ часто оснащены держателями образцов, которые позволяют пользователю наклонять образец под разными углами, чтобы получить определенные условия дифракции, а отверстия, расположенные над образцом, позволяют пользователю выбирать электроны, которые в противном случае дифрагировали бы в определенном направлении. от входа в образец.
Приложения этого метода включают идентификацию дефектов решетки в кристаллах. Тщательно выбирая ориентацию образца, можно не только определить положение дефектов, но и тип присутствующего дефекта. Если образец ориентирован так, что одна конкретная плоскость лишь слегка отклонена от самого сильного угла дифракции (известного как угол Брэгга ), любое искажение кристаллической плоскости, которое локально наклоняет плоскость к углу Брэгга, приведет к особенно сильным изменениям контраста. Однако дефекты, вызывающие только смещение атомов, не наклоняющее кристалл в сторону угла Брэгга (т. е. смещения параллельно плоскости кристалла), будут давать более слабый контраст. [42]
Кристаллическую структуру также можно исследовать с помощью просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения (HRTEM), также известной как фазовый контраст . При использовании источника автоэмиссии и образца одинаковой толщины изображения формируются за счет различия фаз электронных волн, что обусловлено взаимодействием образцов. [41] Формирование изображения определяется комплексным модулем входящих электронных лучей. Таким образом, изображение зависит не только от количества электронов, попадающих на экран, что несколько усложняет прямую интерпретацию фазово-контрастных изображений. Однако этот эффект можно использовать с выгодой, поскольку им можно манипулировать для получения дополнительной информации об образце, например, в методах сложного фазового восстановления .
Как указывалось ранее, путем регулировки магнитных линз таким образом, чтобы на устройстве формирования изображения располагалась задняя фокальная плоскость линзы, а не плоскость изображения, можно создать дифракционную картину . Для тонких кристаллических образцов это создает изображение, состоящее из набора точек в случае монокристалла или серии колец в случае поликристаллического или аморфного твердого материала. В случае монокристалла картина дифракции зависит от ориентации образца и структуры образца, освещенного электронным лучом. Это изображение дает исследователю информацию о симметрии пространственных групп в кристалле и ориентации кристалла на пути луча. Обычно это делается без использования какой-либо информации, кроме положения, в котором появляются дифракционные пятна, и наблюдаемой симметрии изображения.
Дифракционные картины могут иметь большой динамический диапазон, а для кристаллических образцов могут иметь интенсивность, превышающую ту, которую можно записать с помощью ПЗС-матрицы. Таким образом, ТЭМ по-прежнему могут быть оснащены кассетами с пленкой для получения этих изображений, поскольку пленка является детектором одноразового использования.
Анализ дифракционных картин за пределами положения точки может быть сложным, поскольку изображение чувствительно к ряду факторов, таких как толщина и ориентация образца, расфокусировка объектива, а также сферические и хроматические аберрации. Хотя количественная интерпретация контраста, показанного на изображениях решетки, возможна, она по своей сути сложна и может потребовать обширного компьютерного моделирования и анализа, такого как электронный многосрезовый анализ. [43]
Также возможно более сложное поведение в плоскости дифракции: такие явления, как линии Кикучи, возникают в результате многократной дифракции внутри кристаллической решетки. При дифракции электронов со сходящимся пучком (CBED), где непараллельный, т. е. сходящийся, волновой фронт электронов создается путем концентрации электронного луча в тонком зонде на поверхности образца, взаимодействие сходящегося луча может предоставить информацию, выходящую за рамки структурных данных, таких как данные об образце. толщина.
Используя передовую технику спектроскопии потерь энергии электронов (EELS), для ПЭМ, оборудованных соответствующим образом, электроны можно разделить на спектр на основе их скорости (которая тесно связана с их кинетической энергией и, следовательно, потерей энергии из энергии пучка), используя устройства на основе магнитного сектора , известные как EEL-спектрометры. Эти устройства позволяют выбирать конкретные значения энергии, которые могут быть связаны со способом взаимодействия электрона с образцом. Например, разные элементы в образце приводят к разной энергии электронов в пучке после образца. Обычно это приводит к хроматической аберрации, однако этот эффект можно, например, использовать для создания изображения, дающего информацию об элементном составе на основе атомного перехода во время электрон-электронного взаимодействия. [44]
Спектрометры EELS часто могут работать как в режиме спектроскопии, так и в режиме визуализации, что позволяет изолировать или отклонять упруго рассеянные лучи. Поскольку для многих изображений неупругое рассеяние будет включать информацию, которая может не представлять интереса для исследователя, тем самым уменьшая наблюдаемые интересующие сигналы, визуализация EELS может использоваться для повышения контраста в наблюдаемых изображениях, включая как светлое поле, так и дифракцию, путем отклонения нежелательных компонентов.
Поскольку держатели образцов для ПЭМ обычно позволяют поворачивать образец на желаемый угол, можно получить несколько изображений одного и того же образца, поворачивая угол образца вдоль оси, перпендикулярной лучу. Сделав несколько изображений одного образца ПЭМ под разными углами, обычно с шагом 1 °, можно собрать набор изображений, известный как «серия наклона». Эта методология была предложена в 1970-х годах Уолтером Хоппе . В условиях чисто абсорбционного контраста этот набор изображений можно использовать для построения трехмерного представления образца. [46]
Реконструкция выполняется в два этапа: сначала изображения выравниваются для учета ошибок в позиционировании образца; такие ошибки могут возникать из-за вибрации или механического смещения. [47] Методы выравнивания используют алгоритмы регистрации изображений , такие как методы автокорреляции , для исправления этих ошибок. Во-вторых, используя алгоритм реконструкции, такой как обратная проекция с фильтром , выровненные фрагменты изображения могут быть преобразованы из набора двумерных изображений I j ( x , y ) в одно трехмерное изображение I ' j ( x , y , z ). Это трехмерное изображение представляет особый интерес, когда требуется морфологическая информация. Дальнейшее исследование может быть проведено с использованием компьютерных алгоритмов, таких как изоповерхности и нарезка данных для анализа данных.
Поскольку образцы ПЭМ обычно нельзя просматривать при полном повороте на 180 °, наблюдаемые изображения обычно страдают от «отсутствующего фрагмента» данных, что при использовании методов обратной проекции на основе Фурье уменьшает диапазон разрешаемых частот в трехмерной реконструкции. [46] Механические усовершенствования, такие как многоосный наклон (две серии наклонов одного и того же образца, выполненные в ортогональных направлениях) и коническая томография (когда образец сначала наклоняется на заданный фиксированный угол, а затем отображается с равными угловыми приращениями вращения через один полное вращение в плоскости сетки образца) можно использовать для ограничения влияния недостающих данных на наблюдаемую морфологию образца. С использованием фрезерования сфокусированным ионным лучом был предложен новый метод [48] , в котором используется образец в форме столба и специальный осевой томографический держатель для поворота образца на 180 ° внутри полюсного наконечника объектива в ПЭМ. Используя такие устройства, возможна количественная электронная томография без недостающего клина. [49] Кроме того, существуют численные методы, которые могут улучшить собранные данные.
Все перечисленные методы предполагают регистрацию серий наклонов заданного поля образца. Это неизбежно приводит к суммированию высокой дозы реактивных электронов через образец и сопутствующему разрушению мелких деталей во время записи. Поэтому для смягчения этого эффекта регулярно применяется техника визуализации с низкими (минимальными) дозами. Визуализация с низкой дозой выполняется путем одновременного отклонения областей освещения и визуализации от оптической оси для изображения области, примыкающей к области, подлежащей записи (область с высокой дозой). Эта область сохраняется по центру во время наклона и перефокусируется перед записью. Во время записи отклонения устраняются, так что интересующая область подвергается воздействию электронного луча только в течение времени, необходимого для визуализации. Усовершенствование этого метода (для объектов, лежащих на наклонной пленке-подложке) заключается в наличии двух симметричных внеосевых областей для фокусировки с последующей установкой фокуса на среднее из двух значений фокусировки с высокой дозой перед записью интересующей области с низкой дозой. .
Нетомографические варианты этого метода, называемые анализом одной частицы , используют изображения нескольких (надеюсь) идентичных объектов в разных ориентациях для получения данных изображения, необходимых для трехмерной реконструкции. Если объекты не имеют существенной предпочтительной ориентации, этот метод не страдает от отсутствия клина (или конуса) данных, который сопровождает томографические методы, а также не требует чрезмерной дозы радиации, однако он предполагает, что различные отображаемые объекты можно рассматривать так, как если бы объекты Сгенерированные из них 3D-данные возникли из одного стабильного объекта.
Подготовка проб в TEM может оказаться сложной процедурой. [50] Для обычного ТЭМ образцы должны иметь толщину менее 100 нанометров. В отличие от нейтронного или рентгеновского излучения электроны пучка легко взаимодействуют с образцом, и этот эффект примерно возрастает с увеличением квадрата атомного номера (Z 2 ). [15] Образцы высокого качества будут иметь толщину, сравнимую со средней длиной свободного пробега электронов, проходящих через образцы, которая может составлять всего несколько десятков нанометров. Подготовка образцов ПЭМ зависит от анализируемого материала и типа информации, которую необходимо получить из образца.
Материалы, размеры которых достаточно малы, чтобы быть электронно-прозрачными, такие как порошкообразные вещества, мелкие организмы, вирусы или нанотрубки, можно быстро приготовить путем осаждения разбавленного образца, содержащего образец, на пленки на опорных сетках. Биологические образцы могут быть залиты смолой, чтобы выдерживать высокий вакуум в камере для образцов и позволять разрезать ткань на тонкие электронно-прозрачные срезы. Биологический образец можно окрасить либо с использованием негативного окрашивающего материала, такого как уранилацетат для бактерий и вирусов, либо, в случае встроенных срезов, образец можно окрасить тяжелыми металлами, включая тетраоксид осмия . Альтернативно образцы можно хранить при температуре жидкого азота после помещения в стекловидный лед. [51] В материаловедении и металлургии образцы обычно выдерживают высокий вакуум, но их все же необходимо подготовить в виде тонкой фольги или протравить, чтобы некоторая часть образца была достаточно тонкой для проникновения луча. Ограничения на толщину материала могут быть ограничены сечением рассеяния атомов, из которых состоит материал.
Перед разделением биологическую ткань часто заливают в блок из эпоксидной смолы и сначала обрезают с помощью лезвия бритвы трапециевидную поверхность блока. Затем из лицевой поверхности блока вырезаются толстые секции. Толстые срезы грубо окрашивают толуидиновым синим и исследуют на предмет ориентации образца и блока перед приготовлением тонких срезов. [52] Затем на ультрамикротоме биологическую ткань истончают до толщины менее 100 нм . Блок смолы ломается при прохождении через острие стеклянного или алмазного ножа. [53] Этот метод используется для получения тонких, минимально деформированных образцов, позволяющих наблюдать ультраструктуру тканей. Неорганические образцы, такие как алюминий, также можно заключить в смолы и таким образом нарезать ультратонкие срезы с использованием стекла с покрытием, сапфира или алмазных ножей с большим углом наклона. [54] Чтобы предотвратить накопление заряда на поверхности образца при просмотре в ПЭМ, образцы ткани необходимо покрыть тонким слоем проводящего материала, такого как углерод.
Образцы биологических тканей, полученные с помощью ПЭМ, нуждаются в окраске с высоким атомным номером для повышения контрастности. Пятно поглощает электроны луча или рассеивает часть электронного луча, который в противном случае проецируется на систему визуализации. Соединения тяжелых металлов, таких как осмий , свинец , уран или золото (при мечении иммунозолотом ), можно использовать перед наблюдением с помощью ПЭМ для избирательного осаждения электронно-плотных атомов в или на образце в желаемой клеточной или белковой области. Этот процесс требует понимания того, как тяжелые металлы связываются с конкретными биологическими тканями и клеточными структурами. [55]
Другая форма окрашивания образца — негативное окрашивание , при котором на образец наносится большее количество красителя тяжелых металлов . [56] В результате получается образец с темным фоном, а топологическая поверхность образца выглядит светлее. Электронная микроскопия с отрицательным окрашиванием может быть идеальной для визуализации или формирования трехмерных топологических реконструкций крупных белков или макромолекулярных комплексов (> 150 кДа). Для более мелких белков отрицательное окрашивание можно использовать в качестве этапа скрининга, чтобы найти идеальную концентрацию образца для криогенной электронной микроскопии . [56]
Механическая полировка также используется для подготовки образцов к визуализации на ПЭМ. Полировку необходимо выполнять с высоким качеством, чтобы обеспечить постоянную толщину образца в интересующей области. На заключительных этапах полировки можно использовать полировальный состав с алмазом или кубическим нитридом бора для удаления любых царапин, которые могут вызвать колебания контрастности из-за различной толщины образца. Даже после тщательного механического измельчения для выполнения финального этапа утонения могут потребоваться дополнительные тонкие методы, такие как ионное травление.
Некоторые образцы, особенно металлические образцы, можно приготовить методом химического травления. Эти образцы разбавляют химическим травителем, например кислотой, чтобы подготовить образец для наблюдения с помощью ПЭМ. Устройства для управления процессом утончения могут позволять оператору контролировать либо напряжение, либо ток, проходящие через образец, и могут включать в себя системы для обнаружения того, что образец был утончен до достаточного уровня оптической прозрачности.
Ионное травление — это процесс распыления, позволяющий удалить очень мелкие количества материала. Используется для финишной полировки образцов, отполированных другими способами. Ионное травление использует инертный газ, пропускаемый через электрическое поле, для создания плазменного потока, направляемого на поверхность образца. Энергия ускорения таких газов, как аргон, обычно составляет несколько киловольт. Образец можно вращать, чтобы обеспечить равномерную полировку поверхности образца. Скорость распыления при таких методах составляет порядка десятков микрометров в час, что ограничивает метод только чрезвычайно тонкой полировкой.
Недавно было показано, что ионное травление газообразным аргоном позволяет спилить структуры стека MTJ до определенного слоя, который затем подвергается атомарному разрешению. Изображения ПЭМ, сделанные в плане, а не в поперечном сечении, показывают, что слой MgO внутри MTJ содержит большое количество границ зерен, которые могут ухудшать свойства устройств. [57]
Совсем недавно для подготовки образцов стали использоваться методы сфокусированного ионного пучка . FIB — это относительно новый метод подготовки тонких образцов для исследования TEM из более крупных образцов. Поскольку FIB можно использовать для очень точной микрообработки образцов, можно фрезеровать очень тонкие мембраны из определенной интересующей области образца, например полупроводника или металла. В отличие от ионного распыления инертным газом, FIB использует значительно более энергичные ионы галлия и может изменить состав или структуру материала посредством имплантации галлия. [58]
Для минимального воздействия напряжения и изгиба на образцы просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) ( ламели , тонкие пленки и другие механически и лучечувствительные образцы) при переносе внутри сфокусированного ионного пучка (FIB) гибкие металлические нанопроволоки могут быть прикреплены к обычно жесткий микроманипулятор .
К основным преимуществам этого метода относятся значительное сокращение времени подготовки образца (быстрая сварка и резка нанопроволоки при малом токе луча), а также минимизация изгиба под напряжением, загрязнения Pt и повреждения ионным пучком. [59] Этот метод особенно подходит для подготовки образцов для электронной микроскопии in situ .
Образцы также можно воспроизвести с использованием пленки из ацетата целлюлозы , затем пленку покрывают тяжелым металлом, например платиной, исходную пленку растворяют, а копию отображают на ПЭМ. Вариации метода реплик используются как для материалов, так и для биологических образцов. В материаловедении обычно используется для исследования свежей поверхности излома металлических сплавов.
Возможности ПЭМ могут быть расширены за счет дополнительных столиков и детекторов, иногда встроенных в один и тот же микроскоп.
ПЭМ можно модифицировать в сканирующий просвечивающий электронный микроскоп (СТЭМ) путем добавления системы, которая в сочетании с подходящими детекторами распределяет сходящийся луч по образцу для формирования изображения. Сканирующие катушки используются для отклонения луча, например, за счет электростатического сдвига луча, при этом луч затем собирается с помощью детектора тока, такого как чашка Фарадея , который действует как прямой счетчик электронов. Сопоставляя количество электронов с положением сканирующего луча (известного как «зонд»), можно измерить переданную составляющую луча. Непрошедшие компоненты можно получить либо путем наклона луча, либо с помощью кольцевых детекторов темного поля .
По сути, TEM и STEM связаны принципом взаимности Гельмгольца . СТЭМ — это ПЭМ, в котором источник электронов и точка наблюдения переключаются относительно направления движения электронного луча. См. лучевые диаграммы на рисунке справа. Инструмент STEM фактически основан на той же оптической схеме, что и TEM, но работает путем изменения направления движения электронов (или изменения времени) во время работы TEM. Вместо использования апертуры для контроля обнаруженных электронов, как в TEM, в STEM используются различные детекторы с углами сбора, которые можно регулировать в зависимости от того, какие электроны пользователь хочет захватить.
Низковольтный электронный микроскоп (LVEM) работает при относительно низком ускоряющем напряжении электронов в диапазоне 5–25 кВ. Некоторые из них могут представлять собой комбинацию SEM, TEM и STEM в одном компактном приборе. Низкое напряжение увеличивает контрастность изображения, что особенно важно для биологических образцов. Такое увеличение контраста значительно уменьшает или даже устраняет необходимость окрашивания. Разрешение в несколько нм возможно в режимах TEM, SEM и STEM. Низкая энергия электронного луча означает, что в качестве линз можно использовать постоянные магниты и, таким образом, можно использовать миниатюрную колонну, не требующую охлаждения. [60] [61]
Криогенная трансмиссионная электронная микроскопия (Cryo-TEM) использует ПЭМ с держателем образца, способным поддерживать образец при температуре жидкого азота или жидкого гелия . Это позволяет визуализировать образцы, приготовленные в стекловидном льду (предпочтительный метод подготовки для визуализации отдельных молекул или макромолекулярных ансамблей) , [62] визуализировать остеклованные границы раздела твердое тело-электролит, [63] и визуализировать материалы, которые летучи в высоком вакууме при комнатной температуре, такие как как сера. [64]
Эксперименты на месте также могут проводиться в ПЭМ с использованием камер для образцов с дифференциальной накачкой или специализированных держателей. [65] Типы экспериментов на месте включают изучение наноматериалов, [66] биологических образцов, химических реакций молекул, [67] жидкофазную электронную микроскопию , [68] [69] и испытания на деформацию материалов. [70]
При нагреве происходит множество фазовых превращений. Кроме того, укрупнение и рост зерен, наряду с другими процессами, связанными с диффузией, происходят быстрее при повышенных температурах, где кинетика улучшается, что позволяет наблюдать соответствующие явления с помощью просвечивающей электронной микроскопии в разумных временных масштабах. Это также позволяет наблюдать явления, которые происходят при повышенных температурах и исчезают или не сохраняются равномерно в образцах ex-situ.
Высокотемпературная ПЭМ создает различные дополнительные проблемы, которые необходимо решать в механике высокотемпературных держателей, включая, помимо прочего, коррекцию дрейфа, измерение температуры и снижение пространственного разрешения за счет более сложных держателей. [71] [72]
Дрейф образца в ПЭМ линейно пропорционален разнице температур между помещением и держателем. При температуре в современных держателях до 1500°C образцы могут испытывать значительный дрейф и вертикальное смещение (выпучивание), что требует постоянной регулировки фокуса или предметного столика, что приводит к потере разрешения и механическому дрейфу. [73] [74] Отдельные лаборатории и производители разработали программное обеспечение в сочетании с современными системами охлаждения для коррекции теплового дрейфа на основе прогнозируемой температуры в камере для образцов [71] [74] [75] Эти системы часто занимают от 30 минут до многих часов. для смещения выборки для стабилизации. Несмотря на значительный прогресс, не было создано универсального приспособления для ТЭМ, учитывающего дрейф при повышенных температурах. [72] [73] [75]
Дополнительной проблемой для многих из этих специализированных держателей является знание местной температуры образца. Во многих высокотемпературных держателях для локального нагрева образца используется вольфрамовая нить. [71] [74] Неопределенность температуры в печных нагревателях (W-проволока) с термопарами возникает из-за теплового контакта между печью и сеткой ТЕМ; осложняется градиентами температуры вдоль образца, вызванными различной теплопроводностью в зависимости от образца и материала сетки. [72] При использовании различных держателей, как коммерческих, так и лабораторных, доступны разные методы калибровки температуры. Такие производители, как Gatan, используют ИК-пирометрию для измерения градиентов температуры по всему образцу. Еще лучшим методом калибровки является рамановская спектроскопия, которая измеряет локальную температуру порошка Si на электронно-прозрачных окнах и количественно калибрует ИК-пирометрию. Эти измерения имеют гарантированную точность в пределах 5%. Исследовательские лаборатории также провели собственную калибровку коммерческих держателей. Исследователи из NIST использовали рамановскую спектроскопию для картирования температурного профиля образца на сетке TEM и проведения очень точных измерений для улучшения своих исследований. [76] Аналогичным образом, исследовательская группа в Германии использовала дифракцию рентгеновских лучей для измерения небольших сдвигов в шаге решетки, вызванных изменениями температуры, для обратного расчета точной температуры в держателе. Этот процесс требовал тщательной калибровки и точной оптики TEM. [77] Другие примеры включают использование EELS для измерения местной температуры с использованием изменения плотности газа, [78] и изменений удельного сопротивления. [72]
Оптимальное разрешение в ПЭМ достигается, когда сферические аберрации корректируются с помощью объектива. Однако из-за геометрии большинства ТЭМ установка больших держателей in-situ требует от пользователя компромисса с линзой объектива и возникновения сферических аберраций. Следовательно, существует компромисс между шириной зазора между полюсами и пространственным разрешением ниже 0,1 нм. Исследовательские группы в различных учреждениях пытались преодолеть сферические аберрации за счет использования монохроматоров для достижения разрешения 0,05 нм с зазором между полюсами 5 мм. [79]
Высокое разрешение ПЭМ позволяет контролировать исследуемый образец в масштабе длины от сотен нанометров до нескольких ангстрем. Это позволяет визуализировать как упругую, так и пластическую деформацию через поля деформации, а также движение кристаллографических дефектов , таких как искажения решетки и движение дислокаций . Одновременно наблюдая явления деформации и измеряя механическую реакцию на месте, можно связать информацию о наномеханических испытаниях с моделями, которые описывают как тонкости, так и сложность того, как материалы реагируют на напряжение и деформацию. [80] Свойства материала и точность данных, полученных в результате таких наномеханических испытаний, во многом определяются используемым держателем механического напряжения. Современные тензодержатели способны проводить испытания материалов на растяжение , наноиндентирование , сжатие, сдвиг и изгиб. [81]
Одним из пионеров классических держателей был Хайнц Г.Ф. Вильсдорф, который провел испытание на растяжение внутри ПЭМ в 1958 году. [82] В типичном эксперименте электронно-прозрачные образцы ПЭМ вырезаются по заданной форме и приклеиваются к деформируемой сетке. Достижения в области микроманипуляторов также позволили проводить испытания на растяжение нанопроволок и тонких пленок . Деформируемая сетка крепится к классическому растягивающемуся держателю, который растягивает образец с помощью длинного жесткого вала, прикрепленного к червячной передаче , приводимой в действие электродвигателем, расположенным в корпусе снаружи ТЭМ. Обычно скорости деформации находятся в диапазоне от 10 нм/с до 10 мкм/с. [83] Изготовленные на заказ держатели, расширяющие простоту действия при натяжении, позволили провести испытания на изгиб с использованием держателя на изгиб [84] и испытания на сдвиг с использованием держателя образца на сдвиг. [85] Типичными измеряемыми свойствами образца в этих экспериментах являются предел текучести , модуль упругости , модуль сдвига , прочность на растяжение , прочность на изгиб и прочность на сдвиг . Для изучения температурно-зависимых механических свойств образцов ТЕМ держатель можно охлаждать через холодный палец, подключенный к резервуару с жидким азотом. Для экспериментов при высоких температурах образец ТЕМ также можно нагреть с помощью миниатюрной печи или лазера, температура которого обычно может достигать 1000 °C. [86]
Держатели нано-индентирования выполняют испытание на твердость рассматриваемого материала, вдавливая твердый наконечник в полированную плоскую поверхность и измеряя приложенную силу и результирующее смещение образца ПЭМ за счет изменения емкости между эталоном и прикрепленной подвижной электростатической пластиной. до кончика. [87] Типичными измеряемыми свойствами образца являются твердость и модуль упругости . Хотя наноиндентирование стало возможным с начала 1980-х годов, о его исследовании с использованием ПЭМ впервые сообщалось в 2001 году, когда исследовался образец алюминия, нанесенный на кремниевый клин. [88] Для экспериментов по наноиндентированию образцам ПЭМ обычно придают форму клиньев с использованием полировального станка, H-образного окна или микронаностолбика с использованием сфокусированного ионного луча , чтобы создать достаточно места для нажатия наконечника в желаемом месте, прозрачном для электронов. Наконечники индентора обычно имеют плоскую форму пуансона, пирамидальную или клиновидную форму, вытянутую в направлении Z. [89] Пирамидальные наконечники обеспечивают высокую точность порядка 10 нм, но страдают от проскальзывания образца, в то время как клиновые инденторы имеют больший контракт для предотвращения скольжения, но требуют анализа методом конечных элементов для моделирования передаваемого напряжения, поскольку высокая площадь контакта с образцом ПЭМ делает это почти проверка компрессии. [90]
Держатели на основе микроэлектромеханических систем (MEM) представляют собой дешевую и настраиваемую платформу для проведения механических испытаний ранее сложных в работе образцов, таких как микростолбики, нанопроволоки и тонкие пленки. [91] Пассивные МЭМ используются как простые устройства «тяни-тяни» для механических испытаний на месте. Обычно держатель наноиндентирования используется для приложения толкающей силы к месту вдавливания. Используя геометрию рычагов, эта толкающая сила преобразуется в тянущую силу на паре натяжных подушечек, к которым прикреплен образец. Таким образом, сжатие, приложенное к внешней стороне МЭМ, приводит к напряжению в центральном зазоре, где расположен образец ПЭМ. Полученную кривую силы-перемещения необходимо скорректировать, выполнив тот же тест на пустых MEM без образца TEM, чтобы учесть жесткость пустых MEM. Размеры и жесткость МЭМ можно изменять для проведения испытаний на растяжение образцов разного размера с разными нагрузками. Для облегчения процесса срабатывания были разработаны активные МЭМ со встроенными исполнительными механизмами и датчиками . Эти устройства работают путем приложения нагрузки с помощью электрической энергии и измерения деформации с использованием изменений емкости . [92] МЭМ с электростатическим приводом также были разработаны для восприятия очень низких приложенных сил в диапазоне 1-100 нН. [93]
Большая часть текущих исследований сосредоточена на разработке держателей образцов, которые могут проводить механические испытания, одновременно создавая стимулы окружающей среды, такие как изменение температуры, переменная скорость деформации и различные газовые среды. Кроме того, появление детекторов высокого разрешения позволяет отслеживать движение дислокаций и взаимодействие с другими дефектами, а также расширяет границы измерений субнанометровой деформации. Механические измерения TEM на месте обычно сочетаются с другими стандартными измерениями TEM, такими как EELS и XEDS , для достижения полного понимания структуры и свойств образца. [94]
Современные исследовательские ПЭМ могут включать в себя корректоры аберраций [19] для уменьшения количества искажений изображения. Могут также использоваться монохроматоры падающего луча , которые уменьшают разброс энергии падающего электронного луча до уровня менее 0,15 эВ . [19] К основным производителям ТЕМ с исправленными аберрациями относятся JEOL , Hitachi High-technologies, FEI Company и NION.
При использовании импульсных электронов можно достичь временного разрешения, значительно превышающего скорость считывания электронных детекторов . Импульсы могут быть получены либо путем модификации источника электронов для обеспечения лазерной фотоэмиссии [95] , либо путем установки сверхбыстрого подавителя луча. [96] Этот подход называется сверхбыстрой просвечивающей электронной микроскопией, когда используется стробоскопическое освещение накачкой-зондом : изображение формируется путем накопления множества ультракоротких электронных импульсов (обычно в сотни фемтосекунд) с фиксированной временной задержкой между приходом электрона импульс и возбуждение образца. С другой стороны, использование одиночных или коротких последовательностей электронных импульсов с достаточным количеством электронов для формирования изображения из каждого импульса называется динамической просвечивающей электронной микроскопией. В сверхбыстром ПЭМ возможно временное разрешение до сотен фемтосекунд и пространственное разрешение, сравнимое с разрешением, доступным с источником автоэмиссии Шоттки . [97] Используя подход фотонного стробирования, [98] временное разрешение в сверхбыстром электронном микроскопе достигает 30 фс, что позволяет отображать сверхбыструю атомную и электронную динамику материи. [99] Однако этот метод может отображать только обратимые процессы, которые можно воспроизводимо запускать миллионы раз. Динамический ТЭМ может разрешить необратимые процессы длительностью до десятков наносекунд и десятков нанометров. [100]
Этот метод был впервые применен в начале 2000-х годов в лабораториях Германии ( Технический университет Берлина [95] ) и США ( Калифорнийский технологический институт [101] [102] и Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса [103] [104] ). Сверхбыстрая ПЭМ и динамическая ПЭМ сделали возможным исследование в реальном времени многочисленных физических и химических явлений на наноуровне.
Интересным вариантом метода сверхбыстрой просвечивающей электронной микроскопии является фотонно-индуцированная электронная микроскопия ближнего поля (PINEM). Последний основан на неупругой связи между электронами и фотонами при наличии поверхности или наноструктуры. [105] Этот метод позволяет исследовать изменяющиеся во времени наноразмерные электромагнитные поля в электронном микроскопе, а также динамически формировать волновые свойства электронного пучка.
Метод ТЭМ имеет ряд недостатков. Многие материалы требуют тщательной подготовки образцов для получения образца, достаточно тонкого, чтобы быть электронно-прозрачным, что делает ПЭМ-анализ относительно трудоемким процессом с низкой пропускной способностью образцов. Структура образца также может быть изменена в процессе приготовления. Кроме того, поле зрения относительно невелико, что повышает вероятность того, что анализируемая область может не быть характерной для всей выборки. Существует вероятность того, что образец может быть поврежден электронным лучом, особенно в случае биологических материалов.
Предел разрешения, достижимого с помощью ПЭМ, можно описать несколькими способами, и его обычно называют информационным пределом микроскопа. Одно из часто используемых значений [ нужна ссылка ] — это пороговое значение функции передачи контраста , функции, которая обычно указывается в частотной области для определения воспроизведения пространственных частот объектов в плоскости объекта оптикой микроскопа. Частота среза q max для передаточной функции может быть аппроксимирована следующим уравнением, где C s — коэффициент сферической аберрации , а λ — длина волны электрона: [39]
Для микроскопа на 200 кВ с частично исправленными сферическими аберрациями («до третьего порядка») и значением C s 1 мкм [107] теоретическое значение отсечки может составлять 1/ q max = 42 пм . [39] Тот же микроскоп без корректора будет иметь C s = 0,5 мм и, следовательно, границу обрезки 200 пм. [107] В микроскопах с « коррекцией аберраций » сферические аберрации подавляются до третьего или пятого порядка . Однако их разрешение ограничено геометрией источника электронов, яркостью и хроматическими аберрациями в системе объективов. [19] [108]
Представление функции контраста в частотной области часто может иметь колебательный характер, [109] который можно настроить путем регулировки фокусного значения объектива. Эта колебательная природа подразумевает, что некоторые пространственные частоты точно отображаются микроскопом, тогда как другие подавляются. Объединив несколько изображений с разными пространственными частотами, можно использовать такие методы, как реконструкция фокальной серии, для ограниченного улучшения разрешения ПЭМ. [39] Передаточная функция контраста может быть в некоторой степени экспериментально аппроксимирована с помощью таких методов, как преобразование Фурье изображений аморфного материала, такого как аморфный углерод .
Совсем недавно достижения в конструкции корректора аберраций позволили уменьшить сферические аберрации [110] и достичь разрешения ниже 0,5 ангстрема (50 пм) [108] при увеличениях более 50 миллионов раз. [111] Улучшенное разрешение позволяет получать изображения более легких атомов, которые менее эффективно рассеивают электроны, таких как атомы лития в материалах литиевых батарей. [112] Способность определять положение атомов внутри материалов сделала HRTEM незаменимым инструментом для нанотехнологических исследований и разработок во многих областях, включая гетерогенный катализ и разработку полупроводниковых устройств для электроники и фотоники. [113]
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )[ нужна страница ]{{cite journal}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )
