Необитаемый исландский остров Суртсей в Северной Атлантике находится в 32 км от южной береговой линии Исландии. Это один из тех малочисленных островов, которые появились на фоне извержений подводных вулканов. Остров Суртсей возник в 1963 году в связи с извержением такого вулкана близ островов Вэстманнаэайр. Свидетелями рождения острова стали члены экипажа рыболовецкого судна «Айлейфер II», наблюдавшие извержения пара и огня подводного происхождения.

С исландского «Суртсэй» звучит как «остров Суртура», где Суртур - это норвежский мифический персонаж, повелевающий огненными великанами. С высоты полета очертания острова похожи на огромного грызуна с кратерами, словно глазницы. Образующими материалами острова стали пемза, пепел и зола - характерные вулканические породы. Такую смесь еще называют дьявольской (тефрой). Остров безгранично заинтересовал ученых со всех концов мира.

Дело в том, что на примере таких редкостных явлений, как образование нового острова в океане, можно приобрести бесценный опыт и провести интригующие наблюдения. Ученых интересовал самый древний вопрос вселенной: как происходит зарождение жизни на земле. С 1967 года Суртсей превратился в своего рода, лабораторию, где ученые могут воочию увидеть, как жизнь отвоевывает новые просторы на земле.

Кроме этого все люди, задействованные в проекте, были сильно удивлены скоростью формирования разнообразного ландшафта на острове Суртсей. Как правило, на это уходит много времени - миллионы лет! А на Суртсее ландшафт во всем своем многообразии практически сформировался всего лишь за десятилетие, учитывая и то, что бактерии появились на острове спустя пару-тройку часов.

Остров Суртсей своим возникновением и быстрой адаптацией внутренней экосистемы является одним из ярких представителей униформитаристской теории, которая оспаривает древний возраст Земли. Она предшествовала знаменитой теории Дарвина. Из наблюдений ученых стало очевидным, что микроорганизмы стали не первыми жителями острова, как прописано в книгах по биологии в разделе о зарождении жизни на земле.

Первыми покорили остров соцветия морской горчицы и папоротники. Далее на острове обосновались лишайники и мхи, через 35 лет появились заросли кустарников, перелетные стаи птиц принесли сюда семена новых видов растений и удобрения в виде помета. Таким образом, спустя время на острове сложилась функционирующая экосистема.

При рождении площадь острова охватила 2,7 км 2 , а на сегодня вымывание волнами и эрозия оставили только половину. Один из геологов общества по исследованию острова предполагает, что равнины острова смоет через одно столетие. По другим прогнозам спустя несколько лет размеры острова прекратят уменьшаться.

Исландский остров Суртсей именит также тем, что стал объектом природного наследия ЮНЕСКО. Следует отметить, имеющий место быть, факт, что вероятность возобновления активности подземного вулкана остается. И в какой-нибудь момент остров Суртсей прекратит свое существование в пламени, которое его же и породило.

Расположенный приблизительно в 30 километрах от южного побережья Исландии небольшой остров Суртсей - один из самых молодых островов в мире с возрастом чуть более пятидесяти лет. Как большинство островов, Суртсей родился при подводном извержении вулкана, которое началось на глубине 130 метров в Норвежском море. Раскаленная лава продолжала формировать платформу, пока 14 ноября 1963 не достигла поверхности. Именно этот день и стал официальной датой рождения острова.

Захватывающее рождение Суртсея было засвидетельствовано командой проплывающего поблизости траулера. Увидев темный столб дыма на расстоянии, капитан принял его за пожар на корабле. Отправившись на спасение, они обнаружили растущий остров. В течение нескольких дней остров достиг более чем 500 метров в длине и высоты 45 метров.

Новый остров назвали в честь Суртура - бога огня из норвежской мифологии. Спустя менее чем три недели после после появления острова, команда трех французских журналистов рискнула ступить на все еще тлеющую скалу. Они находились тут в течение пятнадцати минут, прежде чем сильный взрыв вынудил их уехать. К счастью, французы не стали предъявлять свои права на владение островом, хотя журналисты действительно шутили на этот счет. Прежде чем начались какие-либо политические споры, Исландия быстро утвердила права на управление новым островом.

Между тем, вулкан продолжал извергаться, а остров продолжал расти. Когда извержение наконец остановилось 5 июня 1967, остров вырос до размера 2.7 квадратных километров. Его самый высокий пункт был на 174 метра выше уровня моря. Но начиная с конца извержения остров только уменьшался в размере, так как сформирован из слабой вулканической породы, известной как тефра. Она довольно быстро разрушается водами Северной Атлантики. По состоянию на 2012 площадь поверхности сократилась наполовину, а максимальное возвышение упало до 155 метров. Сейчас уровень эрозии замедлился, и размеры острова остановятся на нынешнем уровне еще около 100 лет. Все это дает основания полагать, что молодой остров Суртсей просуществует еще как минимум несколько веков.

Что делает Суртсей еще более захватывающим и интересным для ученых, так это заселение острова растениями и колониями птиц. Первые растения были найдены на его берегах еще весной 1965 года. За следующие двадцать лет появилось приблизительно двадцать разновидностей новых растений, но только половина из них прижилась в бедной питательными веществами песчаной почве. Как только на остров начали прибывать птицы, их помет удобрил почву и растений стало значительно больше. К 2008 насчитывалось уже 69 разновидностей, среди которых преобладали мхи и лишайники. Новые виды продолжают прибывать на остров с помощью моря, ветра и птиц, добавляя от 2 до 5 растений в год. Вне всяких сомнений, это один из самых необычных островов мира.

Суртсей также изобилует животной жизнью. Двенадцать разновидностей регулярно обитают на острове, включая кайру, чайку и атлантического буревестника. Мигрирующие птицы используют остров в качестве места для остановки, а на северном берегу греются тюлени. Присутствие привлекло к берегам Суртсея касаток, а насекомые, слизняки, пауки и жуки и вовсе исчисляются сотнями видов.

Это место входит в список 25 популярных закрытых достопримечательностей мира. Чтобы позволить природе острова развиваться естественно без человеческого вмешательства, очень немногим людям разрешают посещать Суртсей. Кто-то из посетителей попытался вырастить картофель на острове, но его тут же выкопали после обнаружения всходов. Однажды на месте стоянки туристов были неправильно убраны отходы, в результате чего пустил корни куст помидора. Его также уничтожили, чтобы не нарушать естественную экосистему. С 1965 Суртсей является заповедником и объектом всемирного наследия ЮНЕСКО.

Расширил предел разрешения от длины световой волны до атомных размеров, а точнее до межплоскостных расстоянии величиной порядка 0,15 нм. Первые попытки сфокусировать пучок электронов при помощи электростатических и электромагнитных линз были сделаны в 20-х годах XX века. Первый электронный микроскоп был сделан И.Руска в Берлине в 30-х годах. Ею микроскоп был просвечивающим и предназначался для изучения порошков, тонких пленок и срезов.

Отражающие электронные микроскопы появились после Второй мировой войны. Почти сразу же они были вытеснены растровыми (сканирующими) электронными микроскопами, объединенными со средствами микроанализа.

Качественная подготовка образца для просвечивающего электронного микроскопа является весьма непростой задачей. Тем не менее, методы такой подготовки существуют.

Имеется несколько методов подготовки образца. При наличии хорошего оборудования тонкую пленку можно приготовить практически из любого технического материала. С другой стороны, не стоит терять время на изучение плохо подготовленного образца.

Рассмотрим методы получения тонких образцов из блочного материала. Методы подготовки биологических тканей, дисперсных частиц, а также осаждение пленок из газовой и жидкой фаз здесь не рассматриваются. Следует отметить, что практически любой материал имеет особенности подготовки для электронного микроскопа.

Механическая обработка.

Исходной точкой для подготовки образца обычно является диск диаметром 3 мм и толщиной несколько сотен микрон, вырезаый из массивной детали. Этот диск может быть вырублен из металлической фольги, вырезан из керамики или выточен из блочного образца. Во всех случаях необходимо свести к минимуму опасность микрорастрескивания и сохранить плоскую поверхность образца.

Следующая задача состоит в уменьшении толщины лиска. Это делают шлифовкой и полировкой, как при подготовке образца для оптического микроскопа. Выбор оптимального способа шлифовки определяется жесткостью (модулем упругости), твердостью и степенью пластичности материала. Пластичные металлы, керамики и сплавы полируют различно.

Электрохимическое травление.

При механической обработке, как правило, появляются приповерхностные повреждения типа пластического сдвига или микрорастрескивания. В случае проводящего металла толщину образца можно уменьшить путем химического или электрохимического растворения в электрополирующем растворе. Однако следует иметь в виду, что параметры обработки тонких образцов значительно отличаются от макрообразцов, прежде всего в связи с малостью обрабатываемой области. В частности, в случае тонких образцов можно использовать гораздо более высокие плотности тока. Проблема охлаждения материала вследствие протекания химической реакции решается путем проведения реакции в струе растворителя, причем обработка диска может быть двусторонней.

Тонкие пленки металлов, сплавов и других электропроводящих материалов часто успешно полируют струей. Однако условия полировки таких материалов различаются по составу, температуре раствора и плотности тока.

Области вокруг нейтрального отверстия должны быть прозрачными (обычно их диаметр равен 50-200 нм). Если подходящие для исследования области слишком малы, это связано со слишком долгим травлением, которое следует прекращать сразу после появления отверстия Если эти области слишком грубы, то или слишком мала плотность тока, или следует сменить загрязненный и перегретый полирующий раствор.

Ионное травление .

Метод ионного травления (бомбардировки) имеет следующие достоинства:

(а) Ионное травление является газофазным процессом, проводимым при низком давлении, когда легко контролировать степень загрязнения поверхности.

(б) Электрохимические методы ограничены проводящими металлами, в то время как ионное травление применимо и к непроводящим материалам.

(в) Хотя ионное травление может приводить к приповерхностному радиационному повреждению материала, его степень может быть уменьшена соответствующим выбором параметров процесса.

(г) Ионное травление позволяет удалить поверхностные окисные слои, появившиеся при предыдущей электрополировке. При этом не изменяется поверхностный состав, поскольку процесс обычно проводят при невысоких температурах, когда отсутствует поверхностная диффузия.

(д) Ионное травление позволяет обрабатывать мультислоистые материалы, состоящие из нескольких нанесенных на подложку слоев, в плоскости, перпендикулярной слоям. Отметим, что стандартные методы химического травления этого не позволяют.

(с) Метод ионного травления позволяет обрабатывать области размером менее 1 мкм, что невозможно химическими методами. Он очень удобен для подготовки тонких пленок.

Конечно, этот метод имеет и недостатки. Скорость травления максимальна. если пучок ионов перпендикулярен поверхности образца, а атомные веса ионов и обрабатываемого материала близки. Однако пучок ионов переносит импульс, и при угле 90 0 максимально микроповрежление поверхностного слоя. Кроме того, из-за опасности химического взаимодействия ионов с обрабатываемой поверхностью в качестве пучка используют лишь инертные газы (обычно аргон).

Скорость травления может быть увеличена путем увеличения энергии ионов, но при этом они начинают проникать в материал и создают поврежленный поверхностный слой. Практически, энергия ионов ограничена несколькими кэВ, когда глубина внедрения не слишком высока и ионы могут диффундировать на поверхность, не повреждая материал.

Скорость травления не превышает 50 мкм в час. Как следствие, перед ионной обработкой образцы необходимо обрабатывать механически (диском или придавая им форму клина) или электрохимически до толщины 20-50 мкм. При ионной бомбардировке образец вращают. чтобы гарантировать однородную обработку, причем для увеличения скорости травления начальная стадия обработки выполняется одновременно с двух сторон под углом 18 0 . После этого угол пучка (и, следовательно, скорость процесса) уменьшают. Минимальный угол, позволяющий получить плоскую поверхность и примерно одинаковую толщину пленки в достаточно большой области, определяется геометрией ионного пучка. При стишком малых углах падения пучок перестает попадать на образец, и распыляемый при этом материал камеры осаждается и загрязняет поверхность образца. Минимальные углы падения пучка на заключительной стадии обработки обычно равны 2-6 0 .

Как правило, обработку заканчивают при появлении на поверхности образца первого отверстия. В современных ионных установках можно следить за обрабатываемой областью и процессе работы. что позволяет правильно завершить процесс.

Напыление покрытия.

Так как электронный пучок несет электрический заряд, образец в процессе работы микроскопа может заряжаться. Если заряд образца становится слишком большим (а но многих случаях это не так, поскольку остаточная поверхностная проводимость часто ограничивает величину заряда), образец нужно покрывать электропроводящим слоем. Наилучшим материалом для этого является углерод, который после напыления имеет аморфную структуру и имеет низкий атомный номер (6).

Покрытие создают, пропуская электрический ток через два контактирующих углеродных стержня. Второй способ состоит в распылении углеродного материала, бомбардируя его ионами инертного газа, после чего атомы углерода оседают на поверхность образца. «Проблемные» материалы могут потребовать покрытия с обеих сторон. Иногда тонкие (5-10 нм) нанометровые покрытия бывают слабо видны на изображении.

Метод реплик.

Вместо подготовки тонкого образца для просвечивающего электронного микроскопа иногда делают реплику (отпечаток) поверхности. В принципе, это не требуется, если поверхность можно изучать при помощи растрового электронного микроскопа. Однако и в этом случае может иметься целый ряд причин для приготовления реплик, например:

(а) Если нельзя резать образец. После разрезания детали в дальнейшем ее использовать нельзя. Напротив, снятие реплики позволяет сохранить деталь.

(б) В случаях, когда ищут определенные фазы на поверхности образца. Поверхность реплики отражает морфологию таких фаз и позволяет их идентифицировать.

(в) Часто можно экстрагировать одну из компонент многофазного материала, например, химическим травлением. Этот компонент можно выделить на реплике, при этом сохранив его и на исходном материале. Химический состав, кристаллографическую структуру и морфологию выделенной фазы можно изучать изолированно от основного материала, свойства которого иногда мешают исследованию,

г) Наконец, иногда нужно сравнить изображение реплики с оригинальной поверхностью в растровом электронном микроскопе. Примером является исследование материала в условиях механической усталости, когда поверхность изменяется в процессе испытания.

Стандартная методика состоит в получении негативной реплики при помощи пластичного полимера. Реплику получают при помощи отверждаемой эпоксидной смолы или размягченной растворителем полимерной пленки, прижимаемой к исследуемой поверхности перед испарением растворителя. В некоторых случаях требуется удалить поверхностное загрязнение. Для этого перед созданием конечной реплики используют ультразвук или делают предварительную «чистящую» поверхность реплику перед снятием конечной реплики. В некоторых случаях объектом исследования может быть «загрязнитель».

После застывания полимерной реплики ее отделяют от исследуемого образца и покрывают слоем тяжелого металла (обычно сплавом золота и палладия) для увеличения контрастности изображения. Металл выбирают так, чтобы при напылении размер его капель был минимален, а рассеяние электронов максимально. Размер капли металла обычно имеет порядок 3 нм. После затенения металлом, на полимерную реплику напыляют углеродную пленку толщиной 100-200 нм, а затем полимер растворяют. Углеродную пленку вместе с частицами, извлеченными полимером из оригинальной поверхности, а также затеняющий ее металлический слой (отражающий топографию оригинальной поверхности) после этого ополаскивают, кладут на тонкую медную сетку и помещают в микроскоп.

Подготовка поверхности.

Использование многослойных тонкопленочных материалов в электронике привело к необходимости развития методов их подготовки для изучения в электронном просвечивающем микроскопе.

Подготовка многослойных образцов имеет несколько этапов:

Сначала образец погружают в жидкую эпоксидную смолу, которую затем отверждают и разрезают перпендикулярно плоскости слоев.

Затем плоские образцы или протачивают диском, или полируют для получения клинообразных образцов. В последнем случае микрометром контролируют толщину удаленного материала и угол клина. Полировка имеет несколько стадии, на последней из которых используют частицы алмазного порошка диаметром 0,25 мкм.

Применяют ионное травление, до тех пор пока толщина исследуемой области не снизится до нужного уровня. Конечную обработку проводят ионным пучком под углом менее 6 0 .

Литература:

Брандон Д., Каплан У. Микроструктура материалов. Методы исследования и контроля // Издательство: Техносфера.2006. 384 с.

Просвечивающая электронная микроскопия.

1.Общая схема и принцип действия просвечивающего электронного микроскопа.

Все современные просвечивающие электронные микроскопы (ПЭМ) могут работать в двух режимах – в режиме изображения и в режиме дифракции.

Электронный пучок формируется в ускорительной колонне 1, состоящей из электронной пушки, секционной ускорительной трубки (обычно 6 секций) и системы отклонения. Энергия электронов на выходе ускорительной колонны, определяется величиной ускоряющего напряжения на электронной пушке и в различных типах ПЭМ может меняться в пределах 20-200 кэВ. Чем больше энергия электронов, тем меньше длина волны, тем больше проникающая способность электронов.

После ускорительной колонны установлена система конденсорных линз 2, назначение которой получить электронный пучок с минимальным угловым расхождением. Ускорительная колонна совместно с системой конденсорных линз позволяет получать электронные пучки разного диаметра. Минимальный диаметр электронного пучка в ПЭМ может составлять несколько нанометров, что позволяет получать дифракцию от локальной области такого же диаметра в режиме микролучевой дифракции. При работе в режиме изображений при помощи системы конденсорных линз получают параллельный пучок электронов. Система отклонения предназначена для электронного наклона пучка в режиме изображения и дифракции.

За системой конденсорных линз расположена объективная линза. Держатель с образцом 3 устанавливается в зазор полюсного наконечника объективной линзы, так чтобы образец находился в предполье объективной линзы. Гониометрическая головка позволяет осуществлять поворот образца относительно электронного пучка на угол ± 12º. Так как в просвечивающей электронной микроскопии изображение формируется электронами, прошедшими через образец, то его толщина должна быть много меньше длины пробега электронов в материале образца.

Пройдя через образец, электроны попадают в объективную линзу 4. Данная короткофокусная (несколько мм) линза, имеющая небольшое увеличение (~ 50), является ключевой в дальнейшем формировании изображения, поэтому она снабжена корректором астигматизма – стигматором. Диафрагма объективной линзы расположена на задней фокальной плоскости объективной линзы. В последних моделях микроскопов изображения выводятся на монитор компьютера при помощи цифровых ПЗС камер.

В ПЭМ используются электромагнитные линзы, которые состоят из обмотки, магнитопровода и полюсного наконечника. Полюсный наконечник является концентратором магнитного поля. Полюсный наконечник имеет форму круговой симметрии. В центре имеется отверстие с некоторым радиусом и зазор между полюсами. В результате такой конструкции полюсного наконечника, магнитный поток сжимается в зазоре. Электроны, проходя через объективную линзу, под действием магнитного поля отклоняются в направлении оптической оси и фокусируются в определенной точке оптической оси (в фокусе линзы).

2.Реализация режимов наблюдения изображения (темное и светлое поле), микродифракции .

Формирование электронно-микро-скопического изображения коротко можно описать следующим образом. Электронный пучок, сформированный осветительной системой, падает на объект и рассеивается. Далее, рассеянная волна объективной линзой преобразуется в изображение. Образованное объективной линзой изображение увеличивается промежуточными линзами и проецируется проекционной линзой либо на экран для наблюдения, либо на фотопластины или выводится на дисплей монитора.

Светлопольное изображение формируется прямым пучком, а темнопольное – дифрагированным, рис.4.8.5.

Рисунок 4.8.5 – Схема формирования светлопольного (а) и темнопольного (б)

изображений: 1 – падающий пучок электронов; 2 – объект; 3 – дифрагированные пучки;

4 – объективная линза; 5 – апертурная диафрагма; 6 – первичное микроскопическое

изображение; А и В – зерна различной ориентации (В – ближе к «отражающему»

положению).

Поэтому те участки образца (зерна, субзерна), которые ближе к отражающему положению (брегговскому положению для определенного семейства (hkl)), будут на светлопольном изображении темнее (Iпр меньше), а те, которые больше отклоняются от отражающего положения – светлее (Iпр – больше), рис.4.8.6. На темнопольном изображении картина будет обратной.

Для того чтобы получить изображение в светлом поле, апертурная диафрагма должна «пропустить» прямой пучок. Это достигается тем, что диафрагма, которая видна на экране в режиме получения дифракционной картины, располагается так, чтобы вырезать центральный рефлекс (изображение узла 000 обратной решетки), рис.4.8.5 а. Ясно, что пучок, формирующий изображение, распространяется при этом по оси объективной линзы. Для получения темнопольного изображения в лучах рефлекса HKL (максимум интенсивности при дифракции электронов на плоскостях (hkl)) апертурную диафрагму следует сдвинуть так (при работе микроскопа в дифракционном режиме), чтобы вырезать рефлекс HKL. При этом формирующий изображение дифрагированный пучок проходит по периферии объективной линзы, рис.4.8.5 б, где неоднородность (градиент) магнитного поля больше, чем вблизи оптической оси линзы. Поэтому возрастает размытие в изображении точки, обусловленное сферической аберрацией, а следовательно, ухудшается разрешение на темнопольном изображении. Чтобы получить темнопольное изображение с тем же разрешением, что и светлопольное (так называмое темнопольное изображение высокого разрешения), надо направить формирующий его дифрагированный пучок по оси линзы, для чего следует наклонить падающий пучок на угол 2θ.

2. Электронография.

ЭЛЕКТРОНОГРАФИЯ, метод исследования атомной структуры вещества, главным образом кристаллов, основанный на дифракции электронов. Существует несколько вариантов метода. Основным является электронография на просвет, при этом используют дифракцию электроноввысоких энергий (50-300 кэВ, что соответствует длине волны 5-10-3 нм). Электронографию проводят в специальных приборах - электронографах, в которых поддерживается вакуум 10-5-10-6 Па, время экспозиции около 1 с, или в трансмиссионных электронных микроскопах. Образцы для исследований готовят в виде тонких пленок толщиной 10-50 нм, осаждая кристаллическое вещество из растворов или суспензий, либо получая пленки вакуумным распылением. Образцы представляют собой мозаичный монокристалл, текстуру или поликристалл.

Дифракционная картина - электронограмма - возникает в результате прохождения начального монохроматического пучка электронов через образец и представляет собой совокупность упорядочение расположенных дифракционных пятен - рефлексов, которые определяются расположением атомов в исследуемом объекте. Рефлексы характеризуются межплоскостными расстояниями dhkl в кристалле и интенсивностью Ihkl, где h, k и l - миллеровские индексы. По величинам и по расположению рефлексов определяют элементарную ячейку кристалла; используя также данные по интенсивности рефлексов, можно определить атомную структуру кристалла. Методы расчета атомной структуры в электронографии близки к применяемым в рентгеновском структурном анализе. Расчеты, обычно проводимые на ЭВМ, позволяют установить координаты атомов, расстояния между ними и т. д.

3. Механизмы формирования контраста изображения в просвечивающем электронном микроскопе (общие понятия).

Механизм формирования контраста в электронной линзе такой же, как формирование контраста в геометрической оптике с оптическими линзами. На рис. 17.3 показан ход лучей при образовании дифракционного контраста. Диафрагма объективной линзы установлена так, что она пропускает только центральный пучок, а отраженные электроны не достигают конечного изображения. Изображение будет сформировано из центрального пучка и электронов, неупруго рассеянных под малыми углами. Изображение является однолучевым и оно, в этом случае, называется светлопольным . Полученный контраст обусловлен распределением интенсивности электронов, отраженных по закону Вульфа-Брэгга и поэтому получил названиедифракционный контраст . При пропускании через диафрагму двух и более пучков (в том числе и центральный пучок), получаем многолучевое светлопольное изображение. На таких изображениях преобладает фазовый контраст.

Изображения можно получить, пропуская через диафрагму объективной линзы только дифрагированные пучки. Тогда полученные изображения называются темнопольными и они так же бывают однолучевыми и многолучевыми.

4. Предельные возможности просвечивающего электронного микроскопа.

5. Требования к объектам исследования.

1. Для исследований с высоким разрешением требуются ультратонкие образцы, толщиной порядка 10 нм.

2. Приготовленный образец должен иметь достаточное количество прозрачных для электрона участков для исследования, чтобы можно было оценить, является ли данная структура типичной для исследуемого образца.

Просвечивающий (трансмиссионный) электронный микроскоп (ПЭМ, англ, TEM - Transmission electron microscopy) - устройство для получения изображения ультратонкого образца путём пропускания через него пучка электронов . Ультратонким считается образец толщиной порядка 0.1 мкм . Прошедший через образец и провзаимодействовавший с ним пучок электронов увеличивается магнитными линзами (объективом) и регистрируется на флуоресцентном экране, фотоплёнке или сенсорном приборе с зарядовой связью (на ПЗС-матрице).

История

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

Основы

Теоретически максимально возможное разрешение в оптическом микроскопе ограничено:

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

d = λ 2 n sin ⁡ α ≈ λ 2 NA {\displaystyle d={\frac {\lambda }{2n\sin \alpha }}\approx {\frac {\lambda }{2\,{\textrm {NA}}}}}

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

Компоненты

В состав ПЭМ входят следующие компоненты:

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

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

Вакуумная система

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

Вакуумная система откачки до рабочего давления состоит из нескольких ступеней:

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

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

Части ПЭМ могут быть разделены:

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

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

Предметный столик

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

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

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

Держатель приспособлен для фиксации как сеток, так и самоподдерживаемых образцов стандартного размера. Стандартный диаметр ПЭМ сетки - 3.05 мм .

Электронная пушка

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

Термоэлектронная пушка

Термоэлектронная пушка состоит из трёх элементов:

• катод (нить накала);

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

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

Автоэмиссионная электронная пушка

Различают автоэмиссионные пушки:

• с катодом Шоттки.

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

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

Апертуры

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

Подготовка образцов

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

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

Образцы материалов

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

Механическое утончение

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

Химическое травление

Ионное травление

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

Метод реплик

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

Биологические образцы

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

Традиционный метод

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

Криомикроскопия

Методы визуализации

Формирование контраста

Формирование контраста в ПЭМ в основном зависит от режима работы.

Светлое поле

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

Трехмерная визуализация

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