Дифракция электронов. Электронный микроскоп

итоге жизнедеятельность организмов.

В этом мире нашему взору открываются ранее не известные нам

населяющие его «жители», их действия и привычки, взаимоотношения между

собой, их дружба и маленькие трагедии, которые в конечном итоге приводят к

событиям, играющим важнейшую роль в масштабах природы и человечества. Здесь

на молекулярном уровне хранится величайшая тайна ( тайна жизни, ее вечного

воспроизведения и совершенствования. Здесь же спрятаны такие факторы, как

причины болезней и смерти, либо прерывающие жизнь, либо делающие ее

трагической; вирусы многих грозных болезней «легких», таких, как грипп, и

страшных - таких, как чума; сложные молекулярные структуры ( молекулы ДНК,

РНК, хранящие вековечный код жизни, воспроизводящие и осуществляющие эту

жизнь, ( принадлежат к этому миру.

Многие свойства материалов, являющихся основой современной техники и

использующихся в повседневной жизни человека и общества в целом,

определяются свойствами микроструктур вещества, также относящихся к этому

миру.

Таким образом, мир, который открывают нам методы электронной

микроскопии, не только многообразен и по своему красочен, но и играет

чрезвычайно важную роль в жизни природы и человечества.

Виды электронных микроскопов.

Многообразие явлений, требующих изучения при помощи электронной

микроскопии, определяет разнообразие и специфику ее методов и

соответствующих устройств. Мы уже знакомы с принципом действия

просвечивающего электронного микроскопа. С его помощью можно исследовать

тонкие образцы, пропускающие падающий на них пучок электронов.

В ряде случаев и в первую очередь для исследования массивных объектов

применяются электронные микроскопы других типов.

Эмиссионный электронный микроскоп формирует изображение с помощью

электронов, испускаемых самим объектом. Такое испускание достигается путем

нагревания объекта (термоэлектронная эмиссия), освещения его

(фотоэлектронная эмиссия), бомбардировки электронами или ионами (вторичная

электронная эмиссия), а также помещением его в сильное электрическое поле

(автоэлектронная эмиссия). Увеличенное изображение формируется подобно

тому, как это делается в микроскопе просвечивающего типа. Образование

изображения в эмиссионном электронном микроскопе происходит в основном за

счет различного испускания электронов микроучастками объекта. При

эмиссионных исследованиях объектов разрешающая способность микроскопов

составляет (300А(.

Эмиссионная электронная микроскопия нашла широкое применение в

исследованиях и разработках катодов электровакуумных приборов различного, в

том числе радиолокационного применения, а также в физических исследованиях

металлов и полупроводников.

В отражательном электронном микроскопе изображение создается с

помощью электронов, отраженных (рассеянных) поверхностным слоем объекта.

Образование изображения в нем обусловлено различием рассеяния электронов в

разных точках объекта в зависимости от материала и микрорельефа. Обычно

образцы получаются под малым углом (приблизительно несколько градусов) к

поверхности. Практически на электронных микроскопах такого типа достигнуто

разрешение порядка 100 ангстрем.

Одна из особенностей отражательного электронного микроскопа —

различие увеличений в различных направления вдоль плоскости объекта связано

с наклонным положением объекта по отношению к оптической оси микроскопа.

Поэтому увеличение такого микроскопа характеризуют обычно двумя величинами:

увеличением в плоскости падения пучка электронов и увеличением в плоскости,

перпендикулярной плоскости падения.

Растровый электронный микроскоп основан на использовании

предварительно сформированного тонкого электронного луча (зонда),

положением которого управляют с помощью электромагнитных полей. Это

управление (сканирование) во многом аналогично процессу развертки в

телевизионных кинескопах. Электронный зонд последовательно проходит по

поверхности исследуемого образца. Под воздействием электронов пучка

происходит ряд процессов, характерных для данного материала и его

структуры. К их числу относятся рассеяние первичных электронов, испускание

(эмиссия) вторичных электронов, появление электронов, прошедших сквозь

объект (в случае тонких объектов), возникновение рентгеновского излучения.

В ряде специальных случаев (люминесцирующие материалы, полупроводники)

возникает также световое излучение. Регистрация электронов, выходящих из

объекта, а также других видов излучения (рентгеновского, светового) дает

информацию о различных свойствах микроучастков изучаемого объекта.

Соответственно этому системы индикации и другие элементы растровых

микроскопов различаются в зависимости от вида регистрируемого излучения.

Синхронно с разверткой электронного зонда осуществляется развертка

луча большого кинескопа. Рассмотрим работу растрового электронного

микроскопа в режиме индикации тока вторичных электронов. В этом случае

величина вторичного электронного тока определяет глубину модуляции яркости

на экране кинескопа. Растровый электронный микроскоп такого типа позволяет

получить увеличение 100 ( 100 000 при достаточной контрастности

изображения. Разрешающая способность растровых электронных микроскопов

определяется диаметром электронного зонда и в случае получения изображения

в электронных лучах составляет (300А(. Растровые электронные микроскопы

позволяют изучать, например, так называемые p-n переходы в полупроводниках.

Из электронных микроскопов упомянем зеркальный электронный микроскоп,

основной особенностью которого является чувствительность к микроскопическим

электрическим и магнитным полям на отражающем массивном объекте. При этом

достигается разрешение деталей порядка 1000А( и увеличение почти в 2000*.

Работа такого микроскопа основана на действии микроскопических

электрических и магнитных полей на электронный поток. Зеркальный

электронный микроскоп позволяет изучать, например, доменную структуру

ферромагнитных материалов, структуру сегнетоэлектриков.

В теневом электронном микроскопе, так же как и в растровом,

формируется электронный зонд, однако положение его остается неизменным.

Электронные лучи зонда служат для получения увеличенного теневого

изображения объекта, помещенного в непосредственной близости от зонда.

Образование изображения обусловлено рассеянием и поглощением электронов

различными участками объекта. Следует отметить, что интенсивность конечного

изображения в теневом электронном микроскопе незначительна, поэтому обычно

в них используются усилители света типа электронно-оптических

преобразователей.

Важной разновидностью электронных микроскопов растрового типа

является микрорентгеноспектральный анализатор. Прибор основан на

возбуждении так называемого характеристического рентгеновского излучения

атомов малого участка поверхности - образца с помощью тонкого

высокоскоростного электронного зонда. Электронный зонд с помощью системы

развертки обегает исследуемую поверхность. При торможении электронов на

поверхности возникает наряду с так называемым тормозным излучением

характеристическое рентгеновское излучение, свойства которого существенно

определяются строением электронных оболочек в атомах вещества. Это

излучение обязано своим возникновением энергетическим переходом между

глубокими энергетическими уровнями атомов.

Возникающее характеристическое излучение регистрируется с помощью

рентгеноспектральной аппаратуры. Диаметр электронного зонда может

изменяться от 360 до 0,5 мкм, а размер просматриваемой площадки

представляет собой квадрат со стороной 360, 180, 90 или 45 мкм. В одном из

приборов такого типа скорость анализа по одному химическому элементу

соответствует движению зонда 8 или 96 мкм/мин (при механическом перемещении

объекта). Анализировать можно все элементы периодической системы элементов

Менделеева, легких (от атомного номера 11 - натрия).минимальный объем

вещества, поддающегося количественному анализу, составляет 0,1 мкг. С

помощью микрорентгеновского анализатора получают распределение физико-

химического состава вдоль исследуемой поверхности.

В СССР серийно выпускается (выпускался) микрорентгеновский анализатор

типа МАР-1 (диаметр зонда около 1 мкм, наименьшая анализируемая площадь

1мкм(2). Приборы такого вида находят применение в электронной

промышленности и в других областях науки и техники.

Читатель, видимо, обратил внимание на тот факт, что в электронных

микроскопах не достигается разрешающая способность, предсказываемая

теорией. В чем же дело? Вспомним, что в формировании изображения в

электронных микроскопах важную роль играют элементы электронной оптики,

позволяющие осуществлять управление электронными пучками. Этим элементам —

электронным линзам свойственны различного рода отклонения от идеального

(требуемого расчетом) распределения электрических и магнитных полей.

Положение здесь во многом аналогично ограничениям в оптической микроскопии,

связанным с неточностью изготовления оптических линз, зеркал и других

элементов. Кроме того, ряд трудностей связан с особенностями изготовления и

работы источников электронных потоков (катодов), а также с проблемой

создания потоков, в которых электроны мало отличаются по скоростям. В

соответствии с этими фактами, действующими в реальных условиях, различают

определённые виды искажений в электронных микроскопах, используя при этом

терминологию, заимствованную из световой оптики.

Основными видами искажений электронных линз в просвечивающих

микроскопах являются сферическая и хроматическая аберрации, а также

дифракция и приосевой астигматизм. Не останавливаясь на происхождении

различных видов искажений, связанных с нарушениями симметрии полей и

взаимным расположением элементов электронной оптики, упомянем лишь о

хроматической аберрации. Последний вид искажений аналогичен возникновению

окрашенных изображений в простых биноклях и лупах. Использование

спектрально чистого монохроматического света в оптике (вместо белого)

устраняет этот вид искажений. Аналогично этому в электронной микроскопии

используют по возможности пучки электронов, скорости которых отличаются

мало (вспомним соотношение (=h/(m(v) для электрона!). Этого достигают

применением высокостабильных источников электрического питания.

Близким «родственником» электронного микроскопа является

электронограф ( прибор, использующий явление дифракции электронов, той

самой дифракции, которая в своё время подтвердила наличие волновых свойств

у электронов и ставит в наши дни предел разрешения в электронном

микроскопе. В случае электронов объектами, в которых может происходить

дифракция на периодической структуре (аналогичной объёмной дифракционной

решётке в оптике), служат кристаллические структуры. Известно, что в

кристаллах атомы расположены в строгом геометрическом порядке на

расстояниях порядка единиц ангстрем. Особенно правильно это расположение в

так называемых монокристаллах. При взаимодействии электронов с такими

структурами возникает рассеяние электронов в преимущественных направлениях

в соответствии с предсказываемыми теорией соотношениями. Регистрируя

рассеянные электроны (например, фотографируя их), можно получать информацию

об атомной структуре вещества. В современных условиях электронография

широко применяется при исследованиях не только твёрдых, но и жидких,

газообразных тел. О виде получаемых электронограмм можно судить по

фотографиям (см. рис.6).

Рис. 6. Электорнограмма высокого разрешения (окись цинка):

вверху ( электронограмма; внизу ( увеличенное изображение участка А.

В нашей стране и за рубежом применяются специализированные

электронографы промышленного типа. Кроме того, в некоторых электронных

микроскопах предусмотрена возможность работы в режиме электронографии.

Следует заметить, что с точки зрения физики получение электронограмм

представляет собой процесс, во многом близкий процессу получению

рентгенограмм в рентгеноструктурном анализе. Действительно, если в

электрографии используется дифракция электронов, то в рентгеноструктурном

анализе происходит дифракция рентгеновских лучей на атомных структурах.

Естественно, что каждый из этих методов имеет свою область применения.

Особенности работы с электронным микроскопом.

Остановимся кратко на основных приемах работы в электронной

микроскопии. Естественно, что эти приемы своеобразны, учитывая сверхмалые

размеры объектов, подлежащих исследованию. Так, например, в биологических

исследованиях находят применения «сверхтонкие ножи» - микротомы,

позволяющие получать срезы биологических объектов толщиной менее 1 мкм.

Главные особенности методики электронной микроскопии определяются

необходимостью помещения объекта исследования внутрь колонны электронного

микроскопа, т.е. в вакуум и обеспечения условий высокой чистоты, так как

малейшие загрязнения могут существенно исказить результаты. Для

просвечивающего электронного микроскопа объект приготовляется в виде тонких

пленок, в качестве которых могут служить различного рода лаки, пленки

металлов и полупроводников, ультратонкие срезы биологических препаратов.

Кроме того, объектами исследования могут быть тонко измельченные

(диспергированные) совокупности частиц. Обычно в просвечивающих

микроскопах, работающих при напряжениях 50-100 кв, толщина объектов не

может превышать 200 А((для неорганических веществ) и 1000 А( (для

органических). Биологические объекты в большинстве случаев приходится

контрастировать, т.е. «окрашивать» (солями тяжелых металлов), оттенять

напылением металлов (платиной, палладием и др.) и использовать ряд других

приемов. Необходимость контрастирования вызвана тем, что большинство

биологических объектов содержит атомы легких элементов (с малым атомным

номером) - водород, углерод, азот, кислород, фосфор и т.д. в то же время

толщина объектов, интересных для биологии и медицины, составляет величину

порядка 50 А(. Без контрастирования при электронно-микроскопических

исследованиях вирусов наблюдаются бесструктурные пятна, а отдельные

молекулы нуклеиновых кислот вообще неразличимы. Использование методов

контрастирования позволяет эффективно применить электронную микроскопию в

биологических исследованиях и в том числе при исследованиях больших молекул

(макромолекул) ( см., например, рис. 7.

Рис. 7. РНК из вируса табачной мозаики (из раствора с ионной силой

0,0003 мкм).

В ряде случаев при исследовании, например, массивных объектов в

технике широкое применение находит метод получения отпечатков, который

заключается в изготовлении и последующем исследовании в микроскопе копий

поверхностей объектов.

Используются как естественные отпечатки (тонкие слои окислов), так и

искусственные, получаемые путем нанесения (напыления, осаждения) пленок

кварца, углерода и других веществ. Наибольшее разрешение ( (10 А()

позволяют получить угольные реплики, которые находят широкое применение как

в технике, так и в биологии.

При наблюдении электронно-микроскопическими методами влажных объектов

( в том числе живых клеток) используются вакуумно-изолированные газовые

микрокамеры. Объекты исследования помещаются в электронных микроскопах на

тончайшие пленки - подложки, которые крепятся на специальных сетках,

изготовляемых обычно из меди электролитическим способом. Эти пленки должны

удовлетворять целому ряду требований, поскольку относительно большая

толщина их, а также сильное рассеяние ими электронов приводят к резкому

ухудшению качества изображения объекта. Кроме того, материал таких пленок

должен обладать хорошей теплопроводностью и высокой стойкостью к

электронной бомбардировке.

Кстати, об электронной бомбардировке объекта исследования и ее

последствиях. При попадании электронов на объект они выделяют энергию,

примерно равную кинетической энергии их движения. В результате могут

происходить местный разогрев и разрушение участков объекта.

Электронный микроскоп часто используется для микрохимического анализа

исследуемого вещества согласно методу, предложенному М. И. Земляновой и Ю.

М. Кушниром. По существу этот метод аналогичен методу микрохимического

анализа с помощью оптического микроскопа. В данном случае электронный

микроскоп используется в качестве устройства, способного обнаружить малые

количества искомого вещества (по форме и структуре кристаллов и т.п.). на

поверхность водного раствора, в котором предполагается наличие искомых

ионов, наносится капля 1 — 1,5% раствора нитроклетчатки в амилацетате.

Капля растекается по поверхности жидкости и образует коллодиевую пленку, на

которую наносится капля реагента. Ионы реагента проникают (диффундируют)

сквозь пленку и, взаимодействуя с раствором, образуют на поверхности пленки

кристаллы, которые содержат ионы, подлежащие обнаружению. После специальной

очистки кусочек пленки с кристалликами помещается в электронный микроскоп,

и на основе изучения этих кристалликов оказывается возможным дать ответ о

наличии искомых ионов, а в ряде случаев — и об их концентрации. Такой метод

микрохимического анализа характеризуется высокой чувствительностью (на 2 —

3 порядка большей по сравнению с другими способами). Например, ионы

марганца могут быть обнаружены в растворе с концентрацией не ниже 10(-11

нормального раствора при содержании иона 10(-11 г (по данным А. М.

Решетникова).

Пути преодоления дифракционного предела электронной микроскопии.

К настоящему времени электронная микроскопия достигла больших успехов

и нашла многочисленные применения. Однако в ряде случаев, о которых кратко

было сказано выше, было бы чрезвычайно желательным добиться дальнейшего

прогресса в электронной микроскопии. Это в первую очередь относится к

проблеме достижения большей разрешающей способности.

На пути решения этой краеугольной задачи стоят чрезвычайно серьезные

технические трудности, связанные с проблемами создания электронных линз, их

взаимного расположения формирования односкоростных электронных потоков.

Совокупность этих факторов приводит в конечном итоге к различного рода

искажениям, играющим важную роль при больших увеличениях и приводящим к

тому, что практически достигаемое разрешение оказывается хуже предельного.

По мере приближения электронной микроскопии к своим предельным

возможностям все труднее и труднее становится вносить в нее дальнейшие

усовершенствования.

Самые последние достижения в электронной микроскопии основаны на

применении новых высоковольтных (V = 100 кв) и сверхвысоковакуумных (вакуум

2e-10 мм рт.(ст.) приборов. Высоковольтная электронная микроскопия, как

показывает опыт, позволяет уменьшить хроматическую аберрацию электронных

линз. В печати сообщается, например, о том, что с помощью нового японского

микроскопа SMH-5 могут быть получены фотографии решеток с межплоскостным

расстоянием (1 А(. Сообщается также, что на новом электронном микроскопе с

ускоряющим напряжением 750 кв получено разрешение, равное 3 А(.

Рассматриваются возможности применения в электронной микроскопии линз

из сверхпроводящих сплавов (например, Hi ( Zn), которые позволят получить

высокие оптические свойства электронных систем и исключительную

стабильность полей. Ожидается, что использование специальных линз-фильтров

позволит получить новые результаты в отражательной электронной микроскопии.

При использовании таких линз в просвечивающем электронном микроскопе

удалось существенно улучшить их разрешающую способность.

В растровых электронных микроскопах просвечивающего типа к настоящему

времени достигнута разрешающая способность в 100 А(. Новый эмиссионный

микроскоп позволяет получать разрешения деталей с размерами от 120 (для

фотоэмиссии) до 270 А( (для вторичной эмиссии).

Вызывает интерес сообщение о том, что голландская фирма Philips вносит

ряд усовершенствований в микроскоп типа EM-300, которые позволят довести

практическую разрешающую способность до теоретического предела (!). Правда,

о существе этих усовершенствований пока не сообщается.

Важность проблемы улучшения разрешающей способности в электронной

микроскопии, приближение ее к теоретическому пределу стимулировала

проведение целого ряда исследований в этой области. Из многочисленных

предложений и идей, зачастую остроумных и весьма перспективных, остановимся

на идеях, высказанных английским физиком Габором, получивших в последние

годы широкое развитие в оптике, радиофизике, акустике, особенно в связи с

созданием оптических квантовых генераторов (лазеров). Речь идет о так

называемой голографии, о которой известно сейчас не только специалистам, но

и всем тем, кто интересуется новейшими достижениями физики. Вместе с тем не

все, наверное, знают, что первые работы Габора по голографии, проведенные

еще в «долазерный» период (1948-1951), были поставлены и выполнены именно в

связи с задачей повышения разрешающей способности в электронной

микроскопии.

Сущность предлагавшегося метода сводилась к следующему.

Монохроматический поток электронов, т.е. поток, содержащий электроны с

одинаковыми скоростями, освещает объект исследования (по схеме

просвечивающего или теневого микроскопа). При этом происходит дифракция

электронов на объекте (вспомним волновые свойства электронов!). Обычно в

электронном микроскопе пучок, претерпевший дифракцию на объекте, поступает

в систему электронных линз, формирующих изображение и обеспечивающих нужное

большое увеличение. Однако эти же линзы, как мы уже отмечали, являются

источниками трудно устранимых искажений, препятствующих достижению

теоретического разрешения. В новом методе предлагалось фиксировать

результат дифракции электронов фотографически в виде дифракционной картины

и подвергать эту картину последующей обработке с помощью оптических

методов, где получение нужных усилений может быть достигнуто с меньшими

искажениями. В таком двухступенчатом процессе получения изображений

основное увеличение достигается за счет перехода от «электронных» длин волн

к оптическим. При этом следует отметить, что обрабатываемая оптическими

методами картина дифракции практически не имеет сходства с объектом

исследования. Однако с помощью светового излучения (видимого) по этой

картине в несложном оптическом устройстве можно восстановить изображение

исследуемого объекта. Для этого источник излучения должен посылать

монохроматические когерентные волны, т.е. должен обладать теми свойствами,

которые так ярко проявляются у оптических квантовых генераторов.

Заметим, что, образно говоря, в этом двухступенчатом процессе мы

фиксируем, «замораживаем» фронт электронных волн и потом воспроизводим его

вновь в виде фронта световой волны в значительно большем масштабе,

используя при этом различие длин волн света и электронов (это соотношение,

например, может быть порядка 6000А(/0,030А( ( 200000).

В таком «безлинзовом», а потому и не вносящим искажений увеличении и

заключается основное достоинство метода голографии в электронной

микроскопии.

К числу новых направлений следует также отнести область микроскопии,

использующую вместо электронов другие виды микрочастиц, тяжелых по

сравнению с электронами. В этом случае дифракционный предел,

предсказываемый теорией, смещен в более далекую область малых размеров.

Примером такого направления микроскопии является развивающаяся автоионная

микроскопия.

В автоионных микроскопах, используемых при исследовании физики

поверхностных явлений, главным образом в металлах, оказывается возможным

видение отдельных атомов. Методика автоионной микроскопии весьма

своеобразна; эта область претерпевает бурное развитие.

Как же далеко мы сможем еще продвинуться по пути раскрытия тайн

микрообъектов? Мы видим, что за исторически короткий срок, используя

новейшие достижения физики и радиоэлектроники, электронная микроскопия

превратилась в мощное орудие исследования природы. Обозримое будущее этой

области науки связано с реализацией дерзновенных проектов создания таких

приборов, которые позволят «приблизить» и сделать зримым многообразный и

красочный микромир. Далеко не всё ещё ясно на этом пути, на котором

постоянно возникают всё более и более сложные научно-технические и

технологические проблемы. Современные приборы микроскопии являются

несравненно более сложными устройствами, чем микроскопы недавнего прошлого.

Уже сейчас мы сталкиваемся с очевидным фактом: приборы микроскопии

становятся всё более сложными и громоздкими по мере проникновения в ранее

недосягаемые тайны мира малых объектов. Дальнейшее усложнение этих

приборов, увеличение затрат на их изготовление определяются необходимостью

разрешения новых всё более сложных проблем.

Здесь уместно провести аналогию с развитием экспериментальной ядерной

физики, где получение информации о свойствах микрочастиц вещества, из

которых состоят ядра атомов, связано с созданием сложнейших и, как правило,

чрезвычайно громоздких и дорогих приборов и установок.

Получение информации, раскрывающей тайны микромира, оплачивается

высокой ценой. Однако происходящие при этом затраты интеллектуальных и

материальных ресурсов, как показывает опыт истории науки, безусловно,

окупаются теми возможностями, которые открываются при этом в технике,

физике, химии, биологии и медицине.

Литература:

. Рукман Г.И. , Клименко И.С. Электронная микроскопия. М., Знание, 1968.

. Савельев И.В. Курс физики, т.3. М., Наука, 1989.

Рисунки:

-----------------------

[1] Напомним, что 1(( (ангстрем) = 10e-10 м.

[2] В абсолютной системе единиц коэффициент преломления вакуума равен

единице.

[3] Обратим внимание на то, что масса электрона по данным 1996 г. известна

с относительной погрешностью не более 0,00003, а заряд ( не более 0,00002.

Страницы: 1, 2, 3