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 прямому электронному детектору.
Просвечивающие электронные микроскопы способны создавать изображения со значительно более высоким разрешением , чем световые микроскопы , благодаря меньшей длине волны де Бройля электронов. Это позволяет прибору захватывать мелкие детали — даже такие маленькие, как один столбец атомов, который в тысячи раз меньше разрешаемого объекта, видимого в световой микроскоп. Просвечивающая электронная микроскопия является основным аналитическим методом в физических, химических и биологических науках. Просвечивающие электронные микроскопы 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 .
Инструменты TEM имеют несколько режимов работы, включая обычную визуализацию, сканирующую визуализацию TEM (STEM), дифракцию, спектроскопию и их комбинации. Даже в рамках обычной визуализации существует множество принципиально разных способов создания контраста, называемых «механизмами контраста изображения». Контраст может возникать из-за разницы в толщине или плотности от положения к положению («контраст массы-толщины»), атомного числа («контраст Z», ссылаясь на распространенную аббревиатуру Z для атомного числа), кристаллической структуры или ориентации («кристаллографический контраст» или «дифракционный контраст»), небольших квантово-механических фазовых сдвигов, которые отдельные атомы производят в электронах, проходящих через них («фазовый контраст»), энергии, теряемой электронами при прохождении через образец («спектральная визуализация») и многого другого. Каждый механизм сообщает пользователю разный вид информации, в зависимости не только от механизма контраста, но и от того, как используется микроскоп — настроек линз, апертур и детекторов. Это означает, что ТЭМ способен возвращать необычайное разнообразие информации с нанометровым и атомным разрешением, в идеальных случаях показывая не только, где находятся все атомы, но и какие это виды атомов и как они связаны друг с другом. По этой причине ТЭМ считается важнейшим инструментом для нанонауки как в биологической, так и в материаловедении.
Первый просвечивающий электронный микроскоп был продемонстрирован Максом Кноллем и Эрнстом Руской в 1931 году, а в 1933 году эта группа разработала первый просвечивающий электронный микроскоп с разрешением, превышающим световое, а в 1939 году — первый коммерческий просвечивающий электронный микроскоп. В 1986 году Руска был удостоен Нобелевской премии по физике за разработку просвечивающей электронной микроскопии. [2]
В 1873 году Эрнст Аббе предположил, что способность различать детали объекта ограничена приблизительно длиной волны света, используемого для получения изображений, или несколькими сотнями нанометров для микроскопов видимого света. Разработки ультрафиолетовых (УФ) микроскопов под руководством Кёлера и Рора увеличили разрешающую способность в два раза. [3] Однако это потребовало дорогостоящей кварцевой оптики из-за поглощения УФ-излучения стеклом. Считалось, что получение изображения с субмикрометровой информацией невозможно из-за этого ограничения длины волны. [4]
В 1858 году Плюккер наблюдал отклонение «катодных лучей» ( электронов ) магнитными полями. [5] Этот эффект был использован Фердинандом Брауном в 1897 году для создания простых измерительных приборов — катодных осциллографов (CRO). [6] В 1891 году Эдуард Рикке заметил, что катодные лучи могут фокусироваться магнитными полями, что позволяет создавать простые конструкции электромагнитных линз. В 1926 году Ганс Буш опубликовал работу, расширяющую эту теорию, и показал, что уравнение изготовителя линз можно, при соответствующих предположениях, применить к электронам. [2]
В 1928 году в Техническом университете в Шарлоттенбурге (ныне Технический университет Берлина ) Адольф Маттиас, профессор высоковольтной техники и электроустановок, назначил Макса Кнолля руководителем группы исследователей для усовершенствования конструкции CRO. Группа состояла из нескольких аспирантов, включая Эрнста Руску и Бодо фон Борриса . Исследовательская группа работала над конструкцией линз и размещением столбцов CRO, чтобы оптимизировать параметры для создания лучших CRO и создания электронно-оптических компонентов для создания изображений с низким увеличением (почти 1:1). В 1931 году группа успешно создала увеличенные изображения сеток, размещенных над апертурой анода. Устройство использовало две магнитные линзы для достижения более высоких увеличений, что, возможно, создало первый электронный микроскоп . В том же году Райнхольд Руденберг , научный руководитель компании Siemens , запатентовал электростатический линзовый электронный микроскоп. [4] [7]
В то время электроны считались заряженными частицами материи; волновая природа электронов не была полностью осознана до докторской диссертации Луи де Бройля в 1924 году. [8] Исследовательская группа Кнолля не знала об этой публикации до 1932 года, когда они поняли, что длина волны де Бройля электронов на много порядков меньше, чем у света, что теоретически позволяет получать изображения в атомных масштабах. (Даже для электронов с кинетической энергией всего 1 электронвольт длина волны уже составляет всего 1,18 нм .) В апреле 1932 года Руска предложил сконструировать новый электронный микроскоп для прямой визуализации образцов, вставленных в микроскоп, а не простых сеток или изображений отверстий. С помощью этого устройства была достигнута успешная дифракция и нормальное получение изображений алюминиевого листа. Однако достижимое увеличение было ниже, чем при световой микроскопии. В сентябре 1933 года были достигнуты увеличения, превышающие те, которые доступны с помощью светового микроскопа, благодаря быстрому получению изображений хлопковых волокон до того, как они были повреждены электронным лучом. [4]
В это время интерес к электронному микроскопу возрос, и другие группы, такие как группа Пола Андерсона и Кеннета Фицсиммонса из Университета штата Вашингтон [9] и группа Альберта Пребуса и Джеймса Хиллиера из Университета Торонто , которые построили первые просвечивающие электронные микроскопы в Северной Америке в 1935 и 1938 годах соответственно [10] , постоянно совершенствовали конструкцию просвечивающих электронных микроскопов.
Исследования электронного микроскопа продолжились в Siemens в 1936 году, где целью исследований было развитие и улучшение свойств визуализации TEM, особенно в отношении биологических образцов. В это время электронные микроскопы изготавливались для определенных групп, например, устройство «EM1», используемое в Национальной физической лаборатории Великобритании. [11] В 1939 году первый коммерческий электронный микроскоп, изображенный на фотографии, был установлен в физическом отделе IG Farben -Werke. Дальнейшая работа над электронным микроскопом была затруднена разрушением новой лаборатории, построенной в Siemens, в результате авианалета , а также смертью двух исследователей, Хайнца Мюллера и Фридриха Краузе во время Второй мировой войны . [12]
После Второй мировой войны Руска возобновил работу в Siemens, где продолжил разработку электронного микроскопа, создав первый микроскоп с увеличением 100k. [12] Фундаментальная структура этой конструкции микроскопа с многоступенчатой оптикой подготовки пучка до сих пор используется в современных микроскопах. Мировое сообщество электронной микроскопии продвинулось вперед с электронными микроскопами, производимыми в Манчестере (Великобритания), США (RCA), Германии (Siemens) и Японии (JEOL). Первая международная конференция по электронной микроскопии прошла в Делфте в 1949 году, на ней присутствовало более ста участников. [11] Более поздние конференции включали «Первую» международную конференцию в Париже в 1950 году, а затем в Лондоне в 1954 году.
С развитием ПЭМ, связанная с ним техника сканирующей просвечивающей электронной микроскопии (СТЭМ) была повторно исследована и оставалась неразвитой до 1970-х годов, когда Альберт Крю из Чикагского университета разработал полевой эмиссионный пистолет [13] и добавил высококачественную объективную линзу для создания современного СТЭМ. Используя эту конструкцию, Крю продемонстрировал возможность получения изображений атомов с использованием кольцевой темнопольной визуализации . Крю и его коллеги из Чикагского университета разработали источник холодной полевой электронной эмиссии и построили СТЭМ, 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 войти в линзу (см. численная апертура ). [16] Ученые начала двадцатого века теоретизировали способы обхода ограничений 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 ), и их волновые свойства означают, что пучок электронов может фокусироваться и дифрагировать так же, как свет. Длина волны электронов связана с их кинетической энергией через уравнение де Бройля, которое гласит, что длина волны обратно пропорциональна импульсу. Принимая во внимание релятивистские эффекты (как в ТЭМ скорость электрона составляет существенную часть скорости света, c [17] ), длина волны равна
где h — постоянная Планка , m 0 — масса покоя электрона, а E — кинетическая энергия ускоренного электрона.
Сверху вниз, ТЭМ состоит из источника эмиссии или катода, который может быть вольфрамовой нитью, монокристаллом гексаборида лантана ( LaB6 ) или полевой эмиссионной пушкой . [18] Пушка подключена к источнику высокого напряжения (обычно ~100–300 кВ) и испускает электроны либо путем термоионной , либо путем полевой электронной эмиссии в вакуум. В случае термоионного источника источник электронов установлен в цилиндре Венельта для обеспечения предварительной фокусировки испускаемых электронов в пучок, а также для стабилизации тока с помощью пассивной цепи обратной связи. Источник полевой эмиссии вместо этого использует электростатические электроды, называемые экстрактором, подавителем и линзой пушки, с различными напряжениями на каждом, для управления формой и интенсивностью электрического поля вблизи острого кончика. Комбинация катода и этих первых электростатических линзовых элементов в совокупности называется «электронной пушкой». После того, как он покидает пушку, луч обычно ускоряется до тех пор, пока не достигнет своего конечного напряжения и не попадет в следующую часть микроскопа: систему конденсорных линз. Эти верхние линзы ТЭМ затем дополнительно фокусируют электронный луч до нужного размера и местоположения на образце. [19]
Манипулирование электронным пучком осуществляется с использованием двух физических эффектов. Взаимодействие электронов с магнитным полем заставит электроны двигаться в соответствии с правилом левой руки , что позволит электромагнитам манипулировать электронным пучком. Кроме того, электростатические поля могут заставить электроны отклоняться на постоянный угол. Сцепление двух отклонений в противоположных направлениях с небольшим промежуточным зазором позволяет сформировать сдвиг в траектории пучка, что позволяет смещать пучок.
Линзы TEM — это то, что дает ему гибкость рабочих режимов и способность фокусировать лучи вплоть до атомного масштаба и увеличивать их для получения изображения. Линза обычно изготавливается из соленоидной катушки, почти окруженной ферромагнитными материалами, предназначенными для концентрации магнитного поля катушки в точную, ограниченную форму. Когда электрон входит и выходит из этого магнитного поля, он вращается по спирали вокруг изогнутых линий магнитного поля таким образом, что действует во многом так же, как обычная стеклянная линза для света — это собирательная линза. Но, в отличие от стеклянной линзы, магнитная линза может очень легко изменять свою фокусирующую силу, регулируя ток, проходящий через катушки.
Не менее важны для линз апертуры. 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 производительности вакуума. Другие могут свободно переключаться между несколькими различными размерами и иметь регулируемые положения. Изменяемые апертуры после образца позволяют пользователю выбирать диапазон пространственных положений или углов рассеяния электронов, которые будут использоваться при формировании изображения или дифракционной картины.
Электронно-оптическая система также включает дефлекторы и стигматоры, обычно состоящие из небольших электромагнитов. Дефлекторы позволяют независимо контролировать положение и угол луча в позиции образца, а также обеспечивают, чтобы лучи оставались вблизи низкоаберрационных центров каждой линзы в стеках линз. Стигматоры компенсируют небольшие дефекты и аберрации, которые вызывают астигматизм — линзу, имеющую различную фокусную силу в разных направлениях.
Обычно ТЭМ состоит из трех стадий линзирования. Стадии — это конденсорные линзы, объективные линзы и проекционные линзы. Конденсорные линзы отвечают за формирование первичного пучка, в то время как объективные линзы фокусируют пучок, который проходит через сам образец (в режиме сканирования STEM над образцом также находятся объективные линзы, чтобы сделать падающий электронный пучок сходящимся). Проекционные линзы используются для расширения пучка на фосфорный экран или другое устройство формирования изображений, такое как пленка. Увеличение ТЭМ обусловлено соотношением расстояний между образцом и плоскостью изображения объективной линзы. [20] Оптические конфигурации ТЭМ значительно различаются в зависимости от реализации, при этом производители используют пользовательские конфигурации линз, такие как в инструментах с исправленной сферической аберрацией , [19] или ТЭМ, использующие энергетическую фильтрацию для исправления электронной хроматической аберрации .
Теорема оптической взаимности, или принцип взаимности Гельмгольца , в целом 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 точечного источника электронов A будет такой же, как амплитуда в точке A из-за эквивалентного точечного источника, размещенного в точке B. [22] Проще говоря, волновая функция для электронов, сфокусированных через любую серию оптических компонентов, которая включает только скалярные (т.е. не магнитные) поля, будет в точности эквивалентна, если источник электронов и точка наблюдения поменять местами. R
Взаимность используется для понимания сканирующей просвечивающей электронной микроскопии (СТЭМ) в привычном контексте ТЭМ, а также для получения и интерпретации изображений с помощью СТЭМ.
Ключевые факторы при рассмотрении обнаружения электронов включают в себя квантовую эффективность обнаружения (DQE) , функцию рассеяния точки (PSF) , функцию передачи модуляции (MTF) , размер пикселя и размер массива, шум, скорость считывания данных и стойкость к радиации. [23]
Системы формирования изображений в просвечивающем электронном микроскопе состоят из фосфорного экрана, который может быть изготовлен из мелкодисперсного (10–100 мкм) сульфида цинка для непосредственного наблюдения оператором, и системы записи изображения, такой как фотопленка , [24] легированные YAG- экраны, связанные с ПЗС, [25] или другой цифровой детектор. [23] Обычно эти устройства можно снимать или вставлять в путь луча по мере необходимости. (Фотопленка больше не используется.) Первое сообщение об использовании детектора с зарядовой связью (ПЗС) для просвечивающего электронного микроскопа было 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 просвечивающем электронном микроскопе. [28] Детекторы CMOS , которые быстрее и более устойчивы к радиационному повреждению, чем CCD, используются для TEM с 2005 года. [29] [30] В начале 2010-х годов дальнейшее развитие технологии CMOS позволило обнаруживать отдельные электроны («режим счета»). [31] [32] Эти детекторы прямых электронов доступны в Gatan , FEI , Quantum Detectors и Direct Electron. [28]
TEM состоит из нескольких компонентов, в том числе вакуумной системы, в которой перемещаются электроны, источника электронной эмиссии для генерации электронного потока, ряда электромагнитных линз, а также электростатических пластин. Последние два позволяют оператору направлять и манипулировать лучом по мере необходимости. Также требуется устройство, позволяющее вставлять, перемещать и удалять образцы с пути луча. Устройства визуализации впоследствии используются для создания изображения из электронов, которые выходят из системы.
Для увеличения длины свободного пробега взаимодействия электронов с газом стандартный ТЭМ откачивают до низких давлений, обычно порядка10−4 Па . [33] Необходимость в этом двоякая: во-первых, допуск на разницу напряжений между катодом и землей без образования дуги, а во-вторых, снижение частоты столкновений электронов с атомами газа до пренебрежимо малых уровней — этот эффект характеризуется средней длиной свободного пробега . Компоненты ТЭМ, такие как держатели образцов и картриджи для пленки, должны регулярно вставляться или заменяться, что требует системы с возможностью регулярной повторной откачки. Таким образом, ТЭМ оснащены несколькими насосными системами и воздушными шлюзами и не являются постоянно герметичными.
Вакуумная система для откачки ТЭМ до рабочего уровня давления состоит из нескольких этапов. Первоначально низкий или грубый вакуум достигается либо с помощью роторного лопастного насоса , либо с помощью мембранных 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 подключена к камерам, которые вмещают выхлопные газы из турбомолекулярного насоса. [34] Секции ТЭМ могут быть изолированы с помощью отверстий, ограничивающих давление, чтобы обеспечить различные уровни вакуума в определенных областях, таких как более высокий вакуум от 10−4 до 10−7 Па или выше в электронной пушке в ТЭМ с высоким разрешением или с полевой эмиссией.
Высоковольтные ТЭМ требуют сверхвысокого вакуума в диапазоне от 10−7 до 10−9 Па для предотвращения возникновения электрической дуги, особенно на катоде ТЭМ. [35] Таким образом, для высоковольтных ТЭМ может работать третья вакуумная система, при этом пушка изолирована от основной камеры либо запорными клапанами, либо дифференциальной откачной апертурой — небольшим отверстием, которое предотвращает диффузию молекул газа в область пушки 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 ТЭМ может вызвать несколько проблем, начиная от осаждения газа внутри ТЭМ на образец при наблюдении в процессе, известном как осаждение, вызванное электронным пучком, 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 предметного столика TEM включают воздушные шлюзы , позволяющие вставлять держатель образца в вакуум с минимальной потерей вакуума в других областях микроскопа. Держатели образцов удерживают стандартный размер сетки образца или самонесущий образец. Стандартные размеры сетки TEM составляют 3,05 мм в диаметре, с толщиной и размером ячеек от нескольких до 100 мкм. Образец помещается на сетчатую область диаметром приблизительно 2,5 мм. Обычными материалами сетки являются медь, молибден, золото или платина. Эта сетка помещается в держатель образца, который соединен с предметным столиком образца. Существует большое разнообразие конструкций столиков и держателей в зависимости от типа проводимого эксперимента. В дополнение к сеткам 3,05 мм иногда, хотя и редко, используются сетки 2,3 мм. Эти сетки особенно использовались в минералогии, 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 помещения в ТЭМ образец необходимо манипулировать, чтобы определить область интереса для пучка, например, при дифракции одного зерна , в определенной ориентации. Чтобы обеспечить это, столик ТЭМ позволяет перемещать образец в плоскости XY, регулировать высоту Z и, как правило, одно направление наклона, параллельное оси держателей с боковым входом. Вращение образца может быть доступно на специализированных держателях и столиках для дифракции. Некоторые современные ТЭМ обеспечивают возможность двух ортогональных углов наклона движения с помощью специализированных конструкций держателей, называемых держателями образцов с двойным наклоном. Некоторые конструкции столиков, такие как столики с верхним входом или вертикальные столики для вставки, когда-то обычные для исследований ТЭМ с высоким разрешением, могут просто иметь только XY-перемещение. Критерии проектирования столиков ТЭМ сложны из-за одновременных требований механических и электронно-оптических ограничений, и для различных методов доступны специализированные модели.
От столика ТЭМ требуется возможность удерживать образец и манипулировать им, чтобы поместить интересующую область на путь электронного пучка. Поскольку ТЭМ может работать в широком диапазоне увеличений, столик должен одновременно обладать высокой устойчивостью к механическому дрейфу, с требованиями к дрейфу всего в несколько нм/минуту, при этом иметь возможность перемещаться со скоростью несколько мкм/минуту с точностью повторного позиционирования порядка нанометров. [36] Более ранние конструкции ТЭМ достигали этого с помощью сложного набора механических устройств опускания, что позволяло оператору точно управлять движением столика с помощью нескольких вращающихся стержней. Современные устройства могут использовать электрические конструкции столика, используя винтовую передачу совместно с шаговыми двигателями , предоставляя оператору компьютерный ввод для столика, такой как джойстик или трекбол .
Существуют две основные конструкции ступеней в ТЭМ: с боковым и верхним входом. [25] Каждая конструкция должна иметь соответствующий держатель, позволяющий вставлять образцы без повреждения чувствительной оптики ТЭМ или попадания газа в системы ТЭМ под действием вакуума.
Наиболее распространенным является держатель с боковым входом, где образец помещается около кончика длинного металлического (латунного или из нержавеющей стали) стержня, при этом образец помещается плашмя в небольшое отверстие. Вдоль стержня расположено несколько полимерных вакуумных колец, позволяющих сформировать вакуумное уплотнение достаточного качества при вставке в предметный столик. Таким образом, предметный столик спроектирован для размещения стержня, помещая образец либо между, либо около линзы объектива, в зависимости от конструкции объектива. При вставке в предметный столик кончик держателя с боковым входом находится внутри вакуума ТЭМ, а основание представлено атмосфере, воздушный шлюз образован вакуумными кольцами.
Процедуры вставки для держателей ТЭМ с боковым вводом обычно включают вращение образца для срабатывания микропереключателей , которые инициируют откачку воздушного шлюза перед тем, как образец будет вставлен в колонку ТЭМ.
Вторая конструкция — держатель с верхним входом, состоящий из картриджа длиной несколько см с отверстием, просверленным по оси картриджа. Образец загружается в отверстие, возможно, с использованием небольшого винтового кольца для удержания образца на месте. Этот картридж вставляется в воздушный шлюз с отверстием, перпендикулярным оптической оси ТЭМ. После герметизации воздушный шлюз манипулируется, чтобы протолкнуть картридж таким образом, чтобы картридж встал на место, где отверстие становится совмещенным с осью пучка, так что луч проходит по отверстию картриджа и попадает в образец. Такие конструкции, как правило, невозможно наклонить, не блокируя путь пучка или не мешая объективной линзе. [25]
Электронная пушка состоит из нескольких компонентов: нити накала, схемы смещения, колпачка Венельта и анода извлечения. Подключив нить накала к источнику питания отрицательного компонента, электроны можно «перекачивать» из электронной пушки в анодную пластину и колонку ТЭМ, тем самым замыкая цепь. Пушка предназначена для создания пучка электронов, выходящих из сборки под некоторым заданным углом, известным как полуугол расхождения пушки, α. Благодаря конструкции цилиндра Венельта таким образом, чтобы он имел более высокий отрицательный заряд, чем сама нить накала, электроны, которые выходят из нити накала расходящимся образом, при правильной работе принудительно формируют сходящийся рисунок, минимальный размер которого равен диаметру кроссовера пушки.
Плотность тока термоэлектронной эмиссии, J , может быть связана с работой выхода излучающего материала с помощью 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 чрезмерным нагревом. По этой причине для нити пушки требуются материалы либо с высокой температурой плавления, такие как вольфрам, либо с низкой работой выхода (LaB 6 ). [37] Кроме того, как гексаборид лантана, так и вольфрамовые термоионные источники должны быть нагреты для достижения термоионной эмиссии, этого можно добиться с помощью небольшой резистивной полоски. Чтобы предотвратить тепловой удар, часто вводят задержку при подаче тока на наконечник, чтобы предотвратить повреждение нити температурными градиентами, задержка обычно составляет несколько секунд для LaB 6 и значительно меньше для вольфрама [ необходима цитата ] .
Электронные линзы предназначены для работы по принципу, имитирующему оптические линзы, путем фокусировки параллельных электронов на некотором постоянном фокусном расстоянии. Электронные линзы могут работать электростатически или магнитно. Большинство электронных линз для ТЭМ используют 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 сферическую и хроматическую аберрацию . Электронные линзы изготавливаются из сплавов железа, железа и кобальта или никеля и кобальта [38] , таких как пермаллой . Они выбираются по своим магнитным свойствам, таким как магнитное насыщение , гистерезис и проницаемость .
Компоненты включают 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, которое формирует линзу. Несовершенства в изготовлении полюсного наконечника могут вызвать серьезные искажения в симметрии магнитного поля, которые вызывают искажения, которые в конечном итоге ограничат способность линз воспроизводить плоскость объекта. Точные размеры зазора, внутреннего диаметра и конусности полюсного наконечника, а также общая конструкция линзы часто выполняются с помощью конечно-элементного анализа магнитного поля, при этом учитываются тепловые и электрические ограничения конструкции. [38]
Катушки, которые создают магнитное поле, расположены внутри ярма линзы. Катушки могут содержать переменный ток, но обычно используют высокие напряжения, и поэтому требуют значительной изоляции, чтобы предотвратить короткое замыкание компонентов линзы. Тепловые распределители размещаются для обеспечения извлечения тепла, генерируемого энергией, потерянной на сопротивление обмоток катушки. Обмотки могут охлаждаться водой, используя подачу охлажденной воды, чтобы облегчить удаление высокой тепловой нагрузки.
Апертуры представляют собой кольцевые металлические пластины, через которые могут быть исключены электроны, находящиеся дальше фиксированного расстояния от оптической оси . Они состоят из небольшого металлического диска, который достаточно толстый, чтобы не допустить прохождения электронов через диск, в то же время допуская аксиальные электроны. Это разрешение центральных электронов в ТЭМ вызывает два эффекта одновременно: во-первых, апертуры уменьшают интенсивность пучка, поскольку электроны фильтруются из пучка, что может быть желательно в случае образцов, чувствительных к пучку. Во-вторых, эта фильтрация удаляет электроны, которые рассеиваются под большими углами, что может быть связано с нежелательными процессами, такими как сферическая или хроматическая аберрация, или из-за дифракции от взаимодействия внутри образца. [39]
Апертуры представляют собой либо фиксированную апертуру внутри колонны, например, в конденсорной линзе, либо подвижную апертуру, которую можно вставлять или вынимать из 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 компромисса между интенсивностью и фильтрующим эффектом апертуры. Апертурные узлы часто оснащаются микрометрами для перемещения апертуры, что необходимо во время оптической калибровки.
Методы визуализации в ТЭМ используют информацию, содержащуюся в электронных волнах, выходящих из образца, для формирования изображения. Линзы проектора позволяют правильно позиционировать это распределение электронных волн на системе просмотра. Наблюдаемая интенсивность, I , изображения, при условии достаточно высокого качества устройства формирования изображения, может быть аппроксимирована как пропорциональная усредненному по времени квадрату абсолютного значения амплитуды электронных волновых функций, где волна, которая формирует выходной луч, обозначается как Ψ. [40]
Различные методы визуализации, таким образом, пытаются модифицировать электронные волны, выходящие из образца, таким образом, чтобы предоставить информацию об образце или самом пучке. Из предыдущего уравнения можно сделать вывод, что наблюдаемое изображение зависит не только от амплитуды пучка, но и от фазы электронов, [ необходимо разъяснение ] , хотя фазовые эффекты часто могут игнорироваться при более низком увеличении. Для получения изображений с более высоким разрешением требуются более тонкие образцы и более высокие энергии падающих электронов, что означает, что образец больше не может считаться поглощающим электроны (т. е. через эффект закона Бера). Вместо этого образец можно смоделировать как объект, который не изменяет амплитуду волновой функции входящего электрона, но вместо этого изменяет фазу входящей волны; в этой модели образец известен как чисто фазовый объект. Для достаточно тонких образцов фазовые эффекты доминируют в изображении, что усложняет анализ наблюдаемых интенсивностей. [40] Для улучшения контрастности изображения ТЭМ может работать при небольшой расфокусировке, что позволит усилить контрастность за счет свертки функции передачи контрастности ТЭМ, [41] что обычно снижает контрастность, если образец не является объектом слабой фазы.
На рисунке справа показаны два основных режима работы просвечивающего электронного микроскопа – режим визуализации и режим дифракции. В обоих случаях образец освещается параллельным пучком, сформированным путем формирования электронного пучка системой конденсорных линз и конденсорной апертуры. После взаимодействия с образцом на выходной поверхности образца присутствуют два типа электронов – нерассеянные (что будет соответствовать яркому центральному пучку на дифракционной картине) и рассеянные электроны (которые изменяют свои траектории из-за взаимодействия с материалом).
В режиме Imaging апертура объектива вставляется в заднюю фокальную плоскость (BFP) объективной линзы (где формируются дифракционные пятна). Если использовать апертуру объектива для выбора только центрального пучка, прошедшие электроны пропускаются через апертуру, в то время как все остальные блокируются, и получается светлопольное изображение (изображение BF). Если мы допускаем сигнал от дифрагированного пучка, получается темнопольное изображение (изображение DF). Выбранный сигнал увеличивается и проецируется на экран (или на камеру) с помощью промежуточных и проекционных линз. Таким образом получается изображение образца.
В режиме дифракции можно использовать выбранную апертуру области для более точного определения области образца, с которой будет отображаться сигнал. Изменяя силу тока на промежуточной линзе, дифракционная картина проецируется на экран. Дифракция является очень мощным инструментом для реконструкции ячейки и определения ориентации кристалла.
Контраст между двумя соседними областями на изображении TEM можно определить как разницу в электронной плотности в плоскости изображения. Из-за рассеяния падающего пучка образцом амплитуда и фаза электронной волны изменяются, что приводит к амплитудному и фазовому контрасту соответственно. Большинство изображений имеют оба контрастных компонента.
Амплитудный контраст достигается за счет удаления некоторых электронов перед плоскостью изображения. Во время взаимодействия с образцом некоторые электроны будут потеряны из-за поглощения или из-за рассеивания под очень большими углами за пределами физических ограничений микроскопа или будут заблокированы апертурой объектива. В то время как первые две потери обусловлены образцом и конструкцией микроскопа, апертура объектива может использоваться оператором для усиления контраста.
На рисунке справа показано изображение TEM (a) и соответствующая дифракционная картина (b) поликристаллической пленки Pt, полученная без апертуры объектива. Для повышения контрастности изображения TEM следует уменьшить количество рассеянных лучей, видимых в 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 выбрав апертуру объектива, которая позволяет только недифрагированному лучу проходить за заднюю фокальную плоскость (и в плоскость изображения): создается изображение светлого поля (BF) (c), тогда как если центральный, недифрагированный луч заблокирован: можно получить изображения темного поля (DF), такие как те, что показаны на (d–e). Изображения DF (d–e) были получены путем выбора дифрагированных лучей, указанных в дифракционной картине кружками (b), с использованием апертуры в задней фокальной плоскости. Зерна, из которых электроны рассеиваются в эти дифракционные пятна, выглядят ярче. Более подробная информация о формировании дифракционного контраста приведена далее.
Существует два типа амплитудного контраста – контраст массы–толщины и дифракционный контраст. Сначала рассмотрим контраст массы–толщины . Когда луч освещает две соседние области с малой массой (или толщиной) и большой массой (или толщиной), более тяжелая область рассеивает электроны под большими углами. Эти сильно рассеянные электроны блокируются в режиме BF TEM апертурой объектива. В результате более тяжелые области выглядят темнее на изображениях BF (имеют низкую интенсивность). Контраст массы–толщины наиболее важен для некристаллических, аморфных материалов.
Дифракционный контраст возникает из-за определенной кристаллографической ориентации зерна. В таком случае кристалл ориентирован таким образом, что существует высокая вероятность дифракции. Дифракционный контраст предоставляет информацию об ориентации кристаллов в поликристаллическом образце, а также другую информацию, такую как дефекты. Обратите внимание, что в случае существования дифракционного контраста контраст не может быть интерпретирован как обусловленный изменениями массы или толщины.
Образцы могут демонстрировать дифракционный контраст, при котором электронный луч подвергается дифракции , которая в случае кристаллического образца рассеивает электроны в дискретных местах в задней фокальной плоскости . Размещая отверстия в задней фокальной плоскости, т. е. апертуру объектива, можно выбрать (или исключить) нужные векторы обратной решетки , таким образом, только те части образца, которые вызывают рассеивание электронов в выбранных отражениях, будут в конечном итоге проецироваться на аппарат формирования изображения.
Если выбранные отражения не включают нерассеянный луч (который появится в фокусе линзы), то изображение будет выглядеть темным везде, где нет рассеивания образца на выбранный пик, поскольку такая область без образца будет выглядеть темной. Это известно как изображение темного поля.
Современные просвечивающие электронные микроскопы часто оснащены держателями образцов, которые позволяют пользователю наклонять образец под разными углами для получения определенных условий дифракции, а расположенные над образцом отверстия позволяют пользователю выбирать электроны, которые в противном случае дифрагировали бы в определенном направлении при попадании в образец.
Приложения для этого метода включают идентификацию дефектов решетки в кристаллах. Тщательно выбирая ориентацию образца, можно не только определить положение дефектов, но и определить тип присутствующего дефекта. Если образец ориентирован так, что одна конкретная плоскость лишь слегка наклонена от самого сильного угла дифракции (известного как угол Брэгга ), любое искажение плоскости кристалла, которое локально наклоняет плоскость к углу Брэгга, приведет к особенно сильным изменениям контраста. Однако дефекты, которые вызывают только смещение атомов, которые не наклоняют кристалл к углу Брэгга (т. е. смещения, параллельные плоскости кристалла), дадут 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 полевой эмиссии и образца однородной толщины изображения формируются из-за различий в фазе электронных волн, что вызвано взаимодействием образца. [41] Формирование изображения задается комплексным модулем входящих электронных пучков. Таким образом, изображение зависит не только от количества электронов, попадающих на экран, что делает прямую интерпретацию фазово-контрастных изображений немного более сложной. Однако этот эффект можно использовать с выгодой, поскольку его можно использовать для получения дополнительной информации об образце, например, в методах извлечения сложной фазы .
Как уже говорилось, путем регулировки магнитных линз таким образом, чтобы задняя фокальная плоскость линзы, а не плоскость изображения, была помещена на аппарат формирования изображения, можно сгенерировать дифракционную картину . Для тонких кристаллических образцов это создает изображение, состоящее из рисунка точек в случае монокристалла или серии колец в случае поликристаллического или аморфного твердого материала. Для монокристаллического случая дифракционная картина зависит от ориентации образца и структуры образца, освещенного электронным пучком. Это изображение предоставляет исследователю информацию о симметриях пространственных групп в кристалле и ориентации кристалла по отношению к траектории 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 интенсивности, превышающие те, которые регистрируются ПЗС. Таким образом, ТЭМ могут быть оснащены картриджами с пленкой для получения этих изображений, поскольку пленка является одноразовым детектором.
Анализ дифракционных картин за пределами точечного положения может быть сложным, поскольку изображение чувствительно к ряду факторов, таких как толщина и ориентация образца, расфокусировка объектива, сферическая и хроматическая аберрация. Хотя количественная интерпретация контраста, показанного на решетчатых изображениях, возможна, она по своей сути сложна и может потребовать обширного компьютерного моделирования и анализа, например, электронного многослойного анализа. [43]
Более сложное поведение в плоскости дифракции также возможно, с такими явлениями, как линии Кикучи , возникающие из-за множественной дифракции внутри кристаллической решетки. В дифракции сходящихся пучков электронов (CBED), где непараллельный, т. е. сходящийся, электронный волновой фронт создается путем концентрации электронного пучка в тонкий зонд на поверхности образца, взаимодействие сходящегося пучка может предоставить информацию, выходящую за рамки структурных данных, таких как толщина образца.
Используя передовую технику спектроскопии потери энергии электронов (EELS), для соответствующим образом оборудованных TEM электроны могут быть разделены 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 спектрометры EEL. Эти устройства позволяют выбирать определенные значения энергии, которые могут быть связаны с тем, как электрон взаимодействовал с образцом. Например, различные элементы в образце приводят к различным энергиям электронов в пучке после образца. Обычно это приводит к хроматической аберрации — однако этот эффект может, например, использоваться для создания изображения, которое предоставляет информацию об элементном составе на основе атомного перехода во время взаимодействия электронов с электронами. [44]
Спектрометры EELS часто могут работать как в спектроскопическом, 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 сигналы, представляющие интерес, визуализация EELS может использоваться для повышения контрастности наблюдаемых изображений, включая как светлое поле, так и дифракцию, путем отклонения нежелательных компонентов.
Поскольку держатели образцов TEM обычно позволяют вращать образец на желаемый угол, можно получить несколько видов одного и того же образца, вращая угол образца вдоль оси, перпендикулярной лучу. Снимая несколько изображений одного образца TEM под разными углами, как правило, с шагом 1°, можно собрать набор изображений, известный как «наклонная серия». Эта методология была предложена в 1970-х годах Уолтером Хоппе . В условиях чистого контраста поглощения этот набор изображений можно использовать для построения трехмерного представления образца. [46]
Реконструкция выполняется в два этапа: сначала изображения выравниваются для учета ошибок позиционирования образца; такие ошибки могут возникать из-за вибрации или механического дрейфа. [47] Методы выравнивания используют алгоритмы регистрации изображений , такие как методы автокорреляции , для исправления этих ошибок. Во-вторых, используя алгоритм реконструкции, такой как фильтрованная обратная проекция , выровненные срезы 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 не могут просматриваться при полном повороте на 180°, наблюдаемые изображения обычно страдают от «отсутствующего клина» данных, что при использовании методов обратной проекции на основе Фурье уменьшает диапазон разрешаемых частот в трехмерной реконструкции. [46] Механические уточнения, такие как многоосевой наклон (две серии наклонов одного и того же образца, сделанные в ортогональных направлениях) и коническая томография (где образец сначала наклоняется на заданный фиксированный угол, а затем отображается с равными угловыми приращениями вращения через один полный поворот в плоскости сетки образца) могут использоваться для ограничения влияния отсутствующих данных на наблюдаемую морфологию образца. Используя измельчение сфокусированным ионным пучком , была предложена новая методика [48] , которая использует образец в форме столба и специальный осевой держатель томографии для выполнения поворота образца на 180° внутри полюсного наконечника объектива в ПЭМ. Используя такие устройства, возможна количественная электронная томография без отсутствующего клина. [49] Кроме того, существуют численные методы, которые могут улучшить собранные данные.
Все вышеупомянутые методы включают в себя запись серии наклонов заданного поля образца. Это неизбежно приводит к суммированию высокой дозы реактивных электронов через образец и сопутствующему разрушению мелких деталей во время записи. Поэтому метод визуализации с низкой дозой (минимальной дозой) регулярно применяется для смягчения этого эффекта. Визуализация с низкой дозой выполняется путем отклонения областей освещения и визуализации одновременно от оптической оси для изображения смежной области к области, которая должна быть записана (область с высокой дозой). Эта область поддерживается в центре во время наклона и перефокусируется перед записью. Во время записи отклонения удаляются, так что интересующая область подвергается воздействию электронного пучка только в течение времени, необходимого для визуализации. Улучшение этого метода (для объектов, лежащих на наклонной пленке-подложке) заключается в наличии двух симметричных внеосевых областей для фокусировки с последующей установкой фокуса на среднее значение двух значений фокусировки с высокой дозой перед записью интересующей области с низкой дозой.
Нетомографические варианты этого метода, называемые анализом отдельных частиц , используют изображения нескольких (надеюсь) идентичных объектов в разных ориентациях для получения данных изображения, необходимых для трехмерной реконструкции. Если объекты не имеют значительных предпочтительных ориентаций, этот метод не страдает от клина (или конуса) отсутствующих данных, которые сопровождают томографические методы, и не влечет за собой чрезмерную дозу облучения, однако он предполагает, что различные объекты, отображаемые на изображении, можно рассматривать так, как если бы трехмерные данные, полученные из них, возникли из одного стабильного объекта.
Подготовка образцов в ТЭМ может быть сложной процедурой. [50] Образцы ТЭМ должны быть толщиной менее 100 нанометров для обычного ТЭМ. В отличие от нейтронного или рентгеновского излучения электроны в пучке легко взаимодействуют с образцом, причем этот эффект увеличивается примерно с квадратом атомного числа ( Z 2 ). [15] Высококачественные образцы будут иметь толщину, сопоставимую со средней длиной свободного пробега электронов, проходящих через образцы, которая может составлять всего несколько десятков нанометров. Подготовка образцов ТЭМ зависит от анализируемого материала и типа информации, которую необходимо получить от образца.
Материалы, размеры которых достаточно малы, чтобы быть электронно-прозрачными, такие как порошкообразные вещества, мелкие организмы, вирусы или нанотрубки, можно быстро подготовить путем нанесения 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 резать ткань на электронно-прозрачные тонкие срезы. Биологический образец может быть окрашен с использованием либо негативного окрашивающего материала, такого как уранилацетат для бактерий и вирусов, либо, в случае залитых срезов, образец может быть окрашен тяжелыми металлами, включая тетроксид осмия . В качестве альтернативы образцы могут храниться при температуре жидкого азота после заливки в стекловидный лед. [51] В материаловедении и металлургии образцы обычно могут выдерживать высокий вакуум, но все равно должны быть подготовлены в виде тонкой фольги или протравлены, чтобы некоторая часть образца была достаточно тонкой для проникновения луча. Ограничения по толщине материала могут быть ограничены поперечным сечением рассеяния атомов, из которых состоит материал.
Перед разделением биологическую ткань часто помещают в блок эпоксидной смолы и сначала обрезают с помощью лезвия бритвы в трапециевидную поверхность блока. Затем толстые срезы отрезают от поверхности блока. Толстые срезы грубо окрашивают толуидиновым синим и исследуют на предмет ориентации образца и блока перед тонкими срезами. [52] Затем биологическую ткань истончают до менее 100 нм на ультрамикротоме . Блок смолы ломается, когда он проходит по стеклянному или алмазному лезвию ножа. [53] Этот метод используется для получения тонких, минимально деформированных образцов, которые позволяют наблюдать ультраструктуру ткани. Неорганические образцы, такие как алюминий, также могут быть помещены в смолы и ультратонко разрезаны таким образом, используя либо покрытое стекло, сапфир или алмазные ножи с большим углом. [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 ТЭМ, нуждаются в окрашивании с высоким атомным числом для усиления контраста. Окрашивание поглощает электроны пучка или рассеивает часть электронного пучка, которая в противном случае проецируется на систему визуализации. Соединения тяжелых металлов, таких как осмий , свинец , уран или золото (при иммунозолотой маркировке ), могут использоваться до наблюдения с помощью ТЭМ для выборочного размещения атомов с электронной плотностью в образце или на нем в желаемой клеточной или белковой области. Этот процесс требует понимания того, как тяжелые металлы связываются с определенными биологическими тканями и клеточными структурами. [55]
Другой формой окрашивания образцов является негативное окрашивание , когда на образец наносится большее количество красителя тяжелых металлов . [56] Результатом является образец с темным фоном и топологическая поверхность образца, которая выглядит светлее. Электронная микроскопия с негативным окрашиванием может быть идеальной для визуализации или формирования трехмерных топологических реконструкций крупных белков или макромолекулярных комплексов (> 150 кДа). Для более мелких белков негативное окрашивание может использоваться в качестве этапа скрининга для поиска идеальной концентрации образца для криогенной электронной микроскопии . [56]
Механическая полировка также используется для подготовки образцов к визуализации на ТЭМ. Полировка должна быть выполнена с высоким качеством, чтобы обеспечить постоянную толщину образца в интересующей области. Алмазный или кубический нитрид бора полировальный состав может использоваться на последних этапах полировки для удаления любых царапин, которые могут вызвать колебания контраста из-за различной толщины образца. Даже после тщательного механического фрезерования могут потребоваться дополнительные тонкие методы, такие как ионное травление, для выполнения утончения на последнем этапе.
Некоторые образцы могут быть подготовлены путем химического травления, в частности, металлические образцы. Эти образцы утончаются с использованием химического травителя, такого как кислота, для подготовки образца к наблюдению в просвечивающем электронном микроскопе. Устройства для управления процессом утончения могут позволить оператору контролировать либо напряжение, либо ток, проходящий через образец, и могут включать системы для обнаружения, когда образец был утончен до достаточного уровня оптической прозрачности.
Ионное травление — это процесс распыления, который может удалять очень мелкие количества материала. Он используется для выполнения финишной полировки образцов, отполированных другими способами. Ионное травление использует инертный газ, пропущенный через электрическое поле, для создания плазменного потока, который направляется на поверхность образца. Энергии ускорения для таких газов, как аргон, обычно составляют несколько киловольт. Образец можно вращать, чтобы способствовать равномерной полировке поверхности образца. Скорость распыления таких методов составляет порядка десятков микрометров в час, что ограничивает метод только чрезвычайно тонкой полировкой.
Недавно было показано, что ионное травление аргоновым газом может привести к спиливанию структур стека MTJ до определенного слоя, который затем был атомарно разрешен. Изображения TEM, полученные 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 использовать методы сфокусированного ионного пучка . FIB — это относительно новый метод подготовки тонких образцов для исследования в просвечивающем электронном микроскопе из более крупных образцов. Поскольку FIB можно использовать для микрообработки образцов очень точно, можно фрезеровать очень тонкие мембраны из определенной интересующей области образца, например, полупроводника или металла. В отличие от распыления ионов инертного газа, FIB использует значительно более энергичные ионы галлия и может изменять состав или структуру материала посредством имплантации галлия. [58]
Для минимального воздействия напряжения и изгиба на образцы для просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) ( пластины , тонкие пленки и другие образцы, чувствительные к механическим воздействиям и излучению) при перемещении внутри сфокусированного ионного пучка (ФИП) гибкие металлические нанопроволоки можно прикрепить к обычно жесткому микроманипулятору .
К основным преимуществам этого метода относятся значительное сокращение времени подготовки образцов (быстрая сварка и резка нанопроволоки при низком токе пучка), а также минимизация изгиба, вызванного напряжением, загрязнения платиной и повреждения ионным пучком. [59] Этот метод особенно подходит для подготовки образцов для электронной микроскопии in situ .
Образцы также могут быть воспроизведены с использованием пленки из ацетата целлюлозы , пленка впоследствии покрывается тяжелым металлом, таким как платина, исходная пленка растворяется, а реплика отображается на ТЭМ. Вариации техники реплик используются как для материалов, так и для биологических образцов. В материаловедении обычно используется для изучения свежей поверхности излома металлических сплавов.
Возможности ТЭМ могут быть расширены за счет дополнительных ступеней и детекторов, иногда встраиваемых в тот же микроскоп.
TEM может быть модифицирован в сканирующий просвечивающий электронный микроскоп (STEM) путем добавления системы, которая растрирует сходящийся луч по образцу для формирования изображения, в сочетании с подходящими детекторами. Сканирующие катушки используются для отклонения луча, например, путем электростатического смещения луча, где луч затем собирается с помощью детектора тока, такого как цилиндр Фарадея , который действует как прямой счетчик электронов. Соотнося количество электронов с положением сканирующего луча (известного как «зонд»), можно измерить прошедший компонент луча. Непрошедшие компоненты могут быть получены либо путем наклона луча, либо с помощью кольцевых детекторов темного поля .
По сути, TEM и STEM связаны через принцип взаимности Гельмгольца . STEM — это TEM, в котором источник электронов и точка наблюдения поменялись местами относительно направления движения электронного пучка. Смотрите диаграммы лучей на рисунке справа. Инструмент STEM фактически использует ту же оптическую установку, что и TEM, но работает, меняя направление движения электронов (или обращая время) во время работы TEM. Вместо того, чтобы использовать апертуру для управления обнаруженными электронами, как в TEM, STEM использует 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 напряжении ускорения электронов от 5 до 25 кВ. Некоторые из них могут быть комбинацией SEM, TEM и STEM в одном компактном приборе. Низкое напряжение увеличивает контрастность изображения, что особенно важно для биологических образцов. Это увеличение контрастности значительно снижает или даже устраняет необходимость окрашивания. Разрешение в несколько нм возможно в режимах TEM, SEM и STEM. Низкая энергия электронного пучка означает, что постоянные магниты могут использоваться в качестве линз, и, таким образом, может использоваться миниатюрная колонна, не требующая охлаждения. [60] [61]
Криогенная просвечивающая электронная микроскопия (Cryo-TEM) использует TEM с держателем образца, способным поддерживать образец при температурах жидкого азота или жидкого гелия . Это позволяет визуализировать образцы, подготовленные в стекловидном льду , предпочтительная методика подготовки для визуализации отдельных молекул или макромолекулярных ансамблей , [62] визуализация остеклованных интерфейсов твердое тело-электролит, [63] и визуализация материалов, которые являются летучими в высоком вакууме при комнатной температуре, таких как сера. [64]
Эксперименты in situ также могут проводиться в просвечивающем электронном микроскопе с использованием камер для образцов с дифференциальной откачкой или специализированных держателей. [65] Типы экспериментов in situ включают изучение наноматериалов, [66] биологических образцов, химических реакций молекул, [67] жидкофазной электронной микроскопии , [68] [69] и испытания на деформацию материалов. [70]
Многие фазовые превращения происходят во время нагрева. Кроме того, огрубление и рост зерна, а также другие процессы, связанные с диффузией, происходят быстрее при повышенных температурах, где кинетика улучшается, что позволяет наблюдать связанные явления с помощью просвечивающей электронной микроскопии в разумные сроки. Это также позволяет наблюдать явления, которые происходят при повышенных температурах и исчезают или не сохраняются равномерно в образцах ex-situ.
Высокотемпературная ТЭМ 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 ТЭМ линейно пропорционален разнице температур между комнатой и держателем. При температурах до 1500 °C в современных держателях образцы могут испытывать значительный дрейф и вертикальное смещение (выпячивание), требуя постоянной фокусировки или регулировки столика, вызывая потерю разрешения и механический дрейф. [73] [74] Отдельные лаборатории и производители разработали программное обеспечение в сочетании с передовыми системами охлаждения для коррекции теплового дрейфа на основе прогнозируемой температуры в камере для образцов [71] [74] [75] Этим системам часто требуется от 30 минут до многих часов для стабилизации смещения образца. Несмотря на значительный прогресс, не было создано универсального приспособления для ТЭМ, учитывающего дрейф при повышенных температурах. [72] [73] [75]
Дополнительной проблемой многих из этих специализированных держателей является знание локальной температуры образца. Многие высокотемпературные держатели используют вольфрамовую нить для локального нагрева образца. [71] [74] Неопределенность температуры в нагревателях печи (W-провод) с термопарами возникает из-за теплового контакта между печью и сеткой ТЭМ; осложняется градиентами температуры вдоль образца, вызванными различной теплопроводностью с различными образцами и материалами сетки. [72] С различными держателями, как коммерческими, так и лабораторными, доступны различные методы создания 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 проводили собственные калибровки на коммерческих держателях. Исследователи из NIST использовали спектроскопию Рамана для отображения температурного профиля образца на сетке TEM и достижения очень точных измерений для улучшения своих исследований. [76] Аналогичным образом исследовательская группа в Германии использовала рентгеновскую дифракцию для измерения небольших сдвигов в шаге решетки, вызванных изменениями температуры, чтобы вычислить точную температуру в держателе. Этот процесс требовал тщательной калибровки и точной оптики TEM. [77] Другие примеры включают использование EELS для измерения локальной температуры с использованием изменения плотности газа, [78] и изменений удельного сопротивления. [72]
Оптимальное разрешение в ТЭМ достигается, когда сферические аберрации корректируются объективной линзой. Однако из-за геометрии большинства ТЭМ вставка больших держателей in-situ требует от пользователя компромисса с объективной линзой и выдержки сферических аберраций. Таким образом, существует компромисс между шириной зазора полюсного наконечника и пространственным разрешением ниже 0,1 нм. Исследовательские группы в различных учреждениях пытались преодолеть сферические аберрации с помощью монохроматоров для достижения разрешения 0,05 нм с зазором полюсного наконечника 5 мм. [79]
Высокое разрешение TEM 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 механический отклик in situ, можно связать информацию о наномеханических испытаниях с моделями, которые описывают как тонкость, так и сложность того, как материалы реагируют на напряжение и деформацию. [80] Свойства материала и точность данных, полученных в результате таких наномеханических испытаний, в значительной степени определяются используемым механическим деформационным держателем. Текущие деформационные держатели способны выполнять испытания на растяжение , наноиндентирование , испытания на сжатие, испытания на сдвиг и испытания на изгиб материалов. [81]
Одним из пионеров классических держателей был Хайнц ГФ Вильсдорф, который провел испытание на растяжение внутри ТЭМ в 1958 году. [82] В типичном эксперименте электронно-прозрачные образцы ТЭМ разрезаются по 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 держателю на растяжение, который растягивает образец с помощью длинного жесткого вала, прикрепленного к червячному редуктору , приводимому в действие электродвигателем, расположенным в корпусе снаружи ТЭМ. Обычно скорости деформации составляют от 10 нм/с до 10 мкм/с. [83] Изготовленные на заказ держатели, расширяющие простое приведение в действие деформацией, позволили проводить испытания на изгиб с использованием держателя на изгиб [84] и испытания на сдвиг с использованием держателя образца на сдвиг. [85] Типичные измеряемые свойства образца в этих экспериментах: предел текучести , модуль упругости , модуль сдвига , предел прочности на растяжение , предел прочности на изгиб и предел прочности на сдвиг . Для изучения зависящих от температуры механических свойств образцов ТЭМ держатель можно охлаждать через холодный палец, соединенный с резервуаром с жидким азотом. Для высокотемпературных экспериментов образец ТЭМ также можно нагревать через миниатюрную печь или лазер, которые обычно могут достигать 1000 °C. [86]
Держатели наноиндентирования выполняют испытание твердости исследуемого материала, вдавливая твердый наконечник в полированную плоскую поверхность и измеряя приложенную силу и результирующее смещение на образце TEM посредством изменения емкости между эталоном и подвижной электростатической пластиной, прикрепленной к наконечнику. [87] Типичными измеряемыми свойствами образца являются твердость и модуль упругости . Хотя наноиндентирование стало возможным с начала 1980-х годов, его исследование с использованием TEM впервые было описано в 2001 году, когда был исследован алюминиевый образец, нанесенный на кремниевый клин. [ 88] Для экспериментов по наноиндентированию образцы TEM обычно формируются в виде клиньев с использованием штативного полировщика, окна H-bar или микро-наностолбика с использованием сфокусированного ионного пучка , чтобы создать достаточно места для нажатия наконечника в желаемом электронно-прозрачном месте. Наконечники индентора обычно имеют форму плоского пуансона, пирамидальную или клиновидную форму, удлиненную в направлении z. [89] Пирамидальные наконечники обеспечивают высокую точность порядка 10 нм, но страдают от проскальзывания образца, в то время как клиновые инденторы имеют большую площадь контакта, чтобы предотвратить проскальзывание, но требуют анализа конечных элементов для моделирования передаваемого напряжения, поскольку высокая площадь контакта с образцом ТЭМ делает это испытание почти испытанием на сжатие. [90]
Держатели на основе микроэлектромеханических систем (МЭМ) обеспечивают дешевую и настраиваемую платформу для проведения механических испытаний на ранее сложных для работы образцах, таких как микростолбики, нанопроволоки и тонкие пленки. [91] Пассивные МЭМ используются как простые устройства «толкай-тяни» для механических испытаний на месте. Обычно держатель наноиндентирования используется для приложения толкающего усилия в месте вдавливания. Используя геометрию рычагов, это толкающее усилие преобразуется в тянущее усилие на паре растягивающих прокладок, к которым прикреплен образец. Таким образом, сжатие, приложенное к внешней стороне МЭМ, преобразуется в растяжение в центральном зазоре, где находится образец ТЭМ. Полученную кривую сила-смещение необходимо скорректировать, выполнив тот же тест на пустом МЭМ без образца ТЭМ, чтобы учесть жесткость пустых МЭМ. Размеры и жесткость МЭМ можно изменить для проведения испытаний на растяжение на образцах разного размера с разными нагрузками. Для сглаживания процесса приведения в действие были разработаны активные МЭМ со встроенными приводами и датчиками . Эти устройства работают, прикладывая напряжение с помощью электрической мощности и измеряя деформацию с помощью изменений емкости . [92] Электростатически активируемые МЭМ также были разработаны для размещения очень низких приложенных сил в диапазоне 1–100 нН. [93]
Большая часть текущих исследований сосредоточена на разработке держателей образцов, которые могут выполнять механические испытания, создавая при этом стимулы окружающей среды, такие как изменение температуры, переменные скорости деформации и различные газовые среды. Кроме того, появление детекторов высокого разрешения позволяет контролировать движение дислокаций и взаимодействие с другими дефектами и расширяет пределы измерений субнанометровой деформации. Механические измерения TEM in-situ обычно сочетаются с другими стандартными измерениями TEM, такими как EELS и XEDS, для достижения всестороннего понимания структуры и свойств образца. [94]
Современные исследовательские ТЭМ могут включать корректоры аберраций , [19] чтобы уменьшить количество искажений в изображении. Могут также использоваться монохроматоры падающего пучка, которые уменьшают разброс энергии падающего электронного пучка до менее чем 0,15 эВ . [19] Основные производители ТЭМ с коррекцией аберраций включают JEOL , Hitachi High-technologies, FEI Company и NION.
Можно достичь временного разрешения, намного превосходящего скорость считывания электронных детекторов с использованием импульсных электронов. Импульсы могут быть получены либо путем модификации источника электронов для включения фотоэмиссии, запускаемой лазером [95], либо путем установки сверхбыстрого гасителя пучка. [96] Этот подход называется сверхбыстрой просвечивающей электронной микроскопией, когда используется стробоскопическое зондовое освещение накачки: изображение формируется путем накопления множества сверхкоротких электронных импульсов (обычно сотен фемтосекунд) с фиксированной временной задержкой между прибытием электронного импульса и возбуждением образца. С другой стороны, использование одиночных или короткой последовательности электронных импульсов с достаточным количеством электронов для формирования изображения из каждого импульса называется динамической просвечивающей электронной микроскопией. Временное разрешение вплоть до сотен фемтосекунд и пространственное разрешение, сопоставимое с тем, что доступно с источником полевой эмиссии Шоттки, возможны в сверхбыстрой ПЭМ. [97] При использовании подхода Photon-gating [98] временное разрешение в сверхбыстром электронном микроскопе достигает 30 фемтосекунд, что позволяет визуализировать сверхбыструю атомную и электронную динамику вещества. [99] Однако эта техника может визуализировать только обратимые процессы, которые могут быть воспроизводимо запущены миллионы раз. Динамический ТЭМ может разрешать необратимые процессы вплоть до десятков наносекунд и десятков нанометров. [100]
Эта технология была впервые применена в начале 2000-х годов в лабораториях Германии ( Технический университет Берлина [95] ) и США ( Калифорнийский технологический институт [101] [102] и Ливерморская национальная лаборатория им. Лоуренса [103] [104] ). Сверхбыстрая просвечивающая электронная микроскопия и динамическая просвечивающая электронная микроскопия сделали возможным исследование в реальном времени многочисленных физических и химических явлений в наномасштабе.
Интересным вариантом метода сверхбыстрой просвечивающей электронной микроскопии является фотонно-индуцированная ближнепольная электронная микроскопия (PINEM). Последняя основана на неупругой связи между электронами и фотонами в присутствии поверхности или наноструктуры. [105] Этот метод позволяет исследовать изменяющиеся во времени наномасштабные электромагнитные поля в электронном микроскопе, а также динамически формировать волновые свойства электронного пучка.
Метод ПЭМ имеет ряд недостатков. Многие материалы требуют тщательной подготовки образцов для получения образца, достаточно тонкого для того, чтобы быть прозрачным для электронов, что делает анализ ПЭМ относительно трудоемким процессом с низкой пропускной способностью образцов. Структура образца также может быть изменена в процессе подготовки. Кроме того, поле зрения относительно мало, что повышает вероятность того, что анализируемая область может не быть характерной для всего образца. Существует вероятность того, что образец может быть поврежден электронным пучком, особенно в случае биологических материалов.
Предел разрешения, достигаемого в ТЭМ, может быть описан несколькими способами и обычно называется информационным пределом микроскопа. Одно из часто используемых значений [ требуется 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. Пороговая частота, q max , для функции передачи может быть аппроксимирована следующим уравнением, где C s — коэффициент сферической аберрации , а λ — длина волны электрона: [39]
Для микроскопа 200 кВ с частично исправленными сферическими аберрациями («до третьего порядка») и значением C s 1 мкм [107] теоретическое пороговое значение может быть 1/ q max = 42 пм . [39] Тот же микроскоп без корректора имел бы C s = 0,5 мм и, таким образом, пороговое значение 200 пм. [107] Сферические аберрации подавляются до третьего или пятого порядка в микроскопах « с исправленными аберрациями ». Однако их разрешение ограничено геометрией источника электронов, яркостью и хроматическими аберрациями в системе объективных линз. [19] [108]
Частотное представление функции передачи контраста может часто иметь колебательную природу, [109] которую можно настроить, регулируя фокусное значение объектива. Эта колебательная природа подразумевает, что некоторые пространственные частоты точно отображаются микроскопом, в то время как другие подавляются. Объединяя несколько изображений с различными пространственными частотами, можно использовать такие методы, как реконструкция фокальных серий, для улучшения разрешения ТЭМ ограниченным образом. [39] Функция передачи контраста может быть, в некоторой степени, экспериментально приближена с помощью таких методов, как преобразование Фурье изображений аморфного материала, например, аморфного углерода .
Совсем недавно, достижения в области разработки корректоров аберраций смогли уменьшить сферические аберрации [110] и достичь разрешения ниже 0,5 ангстрем (50 пм) [108] при увеличении более 50 миллионов раз. [111] Улучшенное разрешение позволяет визуализировать более легкие атомы, которые рассеивают электроны менее эффективно, такие как атомы лития в материалах литиевых батарей. [112] Возможность определять положение атомов внутри материалов сделала HRTEM незаменимым инструментом для исследований и разработок в области нанотехнологий во многих областях, включая гетерогенный катализ и разработку полупроводниковых приборов 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}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
