1 Úvod:

ELEKTRONOVÉ MIKROSKOPY
Lucie Chvátalová
1 Úvod: ................................................................................................................................... 1
2 Princip:................................................................................................................................. 2
3 Rozdělení elektronových mikroskopů:................................................................................ 4
3.1 Transmisní elektronový mikroskop: ............................................................................. 5
3.2 Rastrovací elektronový mikroskop: .............................................................................. 7
3.2.1 Enviromentální rastrovací elektronová mikroskopie: .......................................... 13
4 Výhody a nevýhody elektronových mikroskopů:.............................................................. 17
5 Použití:............................................................................................................................... 17
6 Anglické články................................................................................................................. 17
7 Seznam adres : ................................................................................................................... 22
1 Úvod:
Při vědecké práci, ale i jiné praxi často potřebujeme pozorovat předměty, nebo organismy,
které jsou pouhým okem neviditelné. Nebo se například potřebujeme podívat na strukturu
materiálu nebo různých buněk. Pro takováto pozorování používáme přístroje, které se
nazývají mikroskopy.
Je známo, že lidské oko nemůže vidět předmět, nebo detail předmětu, jestliže je zorný úhel
menší než 1' . Mikroskop je zařízení, které umožňuje zorný úhel opticky zvětšit a tak
pozorovat i velmi malé předměty.
Mikroskopy se dělí na optické a elektronové . Tato práce je zaměřena pouze na elektronovou
mikroskopii.
Elektronová mikroskopie je metoda založená na vlnových vlastnostech elektronů a je analogií
klasické optické mikroskopie. Místo zdroje světla zde je elektronová tryska, optické čočky
jsou nahrazeny zpravidla elektromagnetickými čočkami (cívkami). Narozdíl od optického
však elektronový mikroskop musí pracovat ve vakuu - řádově 10 -5 Pa (neuvažujeme-li tzv.
"environmentální" skenovací elektronové mikroskopy, které pracují s volitelným vakuem).
Podle typu elektronového mikroskopu můžeme výsledný zvětšený obraz pozorovat okem
(transmisní mikroskopy používají fluorescenční stínítko), případně ve většině případů se
používá záznam na film či fotografickou desku nebo se snímá CCD kamerou. Posledně
jmenovaný záznam umožňuje digitalizaci obrazu, jeho následnou úpravu a elegantní archivaci
v počítači nebo na jiných záznamových médiích.
Z vlnové povahy svazku elektronů (podle Luie de Broglieho) vyplývá schopnost
elektronových mikroskopů rozlišit detaily řádově v desetinách nm (TEM) až jednotkách nm
(SEM). Hodnota teoretické rozlišovací meze při použití elektronového paprsku je 10 -11 m, což
je přibližně o 4 řády lepší rozlišení než u světelného mikroskopu.

2 Princip:
Svazek elektronů z vhodného zdroje (tzv. elektronová tryska např. žhavené wolframové
vlákno) urychlený napětím až 50 kV je zaostřen na plošku tuhého vzorku (průměr svazku je
1– 5 µ m), kde elektrony proniknou do hloubky několika µ m pod povrch vzorku (proto se
tato metoda někdy též nazývá elektronová mikrosonda a používá se zkratka EPMA - Electron
Probe Microanalyzer). Zjednodušené schéma elektronové mikrosondy ukazuje obrázek 1.
Chyba! Nebyla zadána položka automatického
textu.!Neočekávaný konec výrazu
Ae – zařízení na měření absorbovaných elektronů
Te - zařízení na měření prošlých elektronů
Obr.1 Schéma elektronového mikroskopu s detektory rentgenového záření – tzv.mikrosondy
Při dopadu elektronů dochází současně k několika procesům: část elektronů je absorbována,
část odražena (pružné elektronové srážky), dochází k emisi sekundárních elektronů (nepružné
srážky) a k emisi rentgenového záření.
Emitované primární rentgenové záření vzniklé ve vzorku je analyzováno v rentgenovém
spektrometru (vlnově-disperzní, energiově-disperzní s Si(Li) detektory). Metoda založená na
spojení elektronového mikroskopu a lokální rentgenové analýzy je elektronová mikroanalýza
(EMA).
Absorbované elektrony tvoří 50-90% celkového proudu elektronů. Odražené elektrony mají
energii poněkud menší než elektrony dopadající, ale řádově srovnatelnou, zatímco sekundární
elektrony mají energii podstatně nižší. Protože oba tyto typy elektronů charakterizují
morfologii povrchu vzorku, jsou registrovány a analyticky využívány.
Metoda, která umožňuje zobrazování povrchu pomocí sekundárních a odražených elektronů,
je rastrovací elektronová mikroskopie (Scanning Electron Microscopy, SEM). Elektronové

mikroskopy, které využívají k zobrazení vzorku těchto typů elektronů ve spojení
s rastrováním povrchu se nazývají rastrovací (řádkovací) elektronové mikroskopy.
Elektronový paprsek urychlený v elektrickém poli je velmi dobře stabilizován a může být
vychylován systémem elektromagnetických cívek v osách x, y. Povrch je postupným
vychylováním snímán řádek po řádku a takto je postupně skládán obraz vzorku (princip
známý z televize) – toto je princip rastrovací elektronové mikroskopie.
Sekundární elektrony (SE) jsou detekovány scintilačními detektory, jejichž katoda “odsává”
SE z prostoru nad vzorkem (rychlé, velmi energetické, odražené elektrony se tak do
scintilátoru nemohou dostat). Vznikající signál se převádí na zobrazovací jednotku a čím větší
je počet SE, tím světlejší bod dostáváme. SE se mohou dostat maximálně z hloubky několika
nanometrů, proto zobrazení SE přináší informaci pouze o povrchové vrstvě (obr. 2).
Obr.2 SEM zobrazení povrchu wolframového atomizátoru (obraz SE) po opakované
atomizaci vzorku s vysokým obsahem H2SO4.
Odražené elektrony, jejichž počet je závislý na protonovém čísle, jsou detekovány vždy
dvěma detektory a vzniklý obraz dává informaci o fázovém složení pevných vzorků. Fáze
s vyšším průměrným protonovým číslem odrážejí elektrony více a odpovídají jim tak na
obrazovce světlejší plochy (obr. 3).

Obr.3 SEM fázového složení wolframového atomizátoru (obraz odražených elektronů) po 100
atomizačních cyklech. Obraz detekuje vznik nehomogenit uvnitř materiálu.
Do oblasti elektronové mikroskopie patří i metoda prozařovací elektronové mikroskopie TEM
(Transmission Electron Microscopy). Prozařovací elektronové mikroskopy využívají
k zobrazení vzorku prošlých elektronů. Metoda TEM se používá při analýzách velmi tenkých
vzorků.
3 Rozdělení elektronových mikroskopů:
Elektronová mikroskopie je provozována v mnoha režimech, z nichž nejvýznamnější jsou:
1. transmisní elektronová mikroskopie (TEM), kdy se "prozařuje" celý vzorek najednou
a detekují se elektrony na fluorescenčním stínítku po průchodu vzorkem. Je zřejmé, že
vzorek musí být dostatečně tenký (ultratenké řezy asi 50 nm), aby elektrony nebyly
vzorkem zcela pohlceny. Při vysokých urychlovacích napětích (několik set kV) se
rozlišení této varianty při splnění dalších podmínek blíží rozlišení jednotlivých atomů
(HRTEM - TEM s vysokým rozlišením);
2. skenovací (rovněž známá pod názvem rastrovací) elektronová mikroskopie (REM).
Metoda se používá nejčastěji pro zobrazení "tlustých" vzorků. Primární elektronový
paprsek skenuje (rastruje) povrch vzorku řádek po řádku synchronně s elektronovým
paprskem v pozorovací obrazovce. Podle režimu zobrazení se tak bod po bodu vytváří
celkový obraz. Z každého bodu jsou primárním svazkem vybuzeny signály, které
přináší užitečné informace o topografii (sekundární elektrony * ), materiálovém složení
(zpětně odražené elektrony ** ) případně chemickém složení (charakteristické rtg.
záření *** ) analyzovaného vzorku;
3. STEM je metodou kombinující oba předchozí režimy (transmisní i rastrovací);
4. rastrovací elektronové mikroskopy s volitelným vakuem (environmentální) jsou
určeny pro biologické aplikace, kdy je možné pozorovat biologické vzorky in vivo,
tedy v původním stavu. Vakuový systém tohoto elektronového mikroskopu umožňuje
ponechat v preparátové komoře přirozené prostředí biologických vzorků (dostatečnou
relativní vlhkost) při tlacích nad 660 Pa (tlak trojného bodu vody);
*
) Sekundární elektrony jsou elektrony uvolněné po dopadu primárního svazku, avšak mají
mnohem menší energii (asi 50 eV). Mohou být uvolněny některými nepřímými procesy.
Sekundární elektrony jsou uvolňovány z tenké povrchové vrstvy a přináší perfektní informaci
o povrchové topografii (prostorový obraz s velkou hloubkou ostrosti).
**
) Zpětně odražené elektrony mají energii srovnatelnou s energií primárního elektronového
svazku. Vystupují z větší hloubky (řádově desítky mikrometrů) a přináší tedy informaci
o lokálních změnách materiálu. Hovoříme o materiálovém kontrastu.
*** ) Charakteristické rentgenové záření je buzeno vysokoenergetickými elektronovými svazky
a nese informaci o chemickém složení. Detekcí rtg. záření buď s rozkladem podle energie
(polovodičové detektory) nebo vlnové délky (krystalové detektory) je možná kvalitativní i

kvantitativní mikroanalýza vzorku (objem řádově desítky až stovky krychlových
mikrometrů).
3.1 Transmisní elektronový mikroskop:
elektrony.
Viditelný obraz se vytváří na
fluorescenčním stínítku svazkem
elektronů, které prošly studovaným
vzorkem, nebo které ve vzorku
difraktovaly.
Zdrojem proudu elektronů je kovová
katoda, která po rozžhavení vysílá
elektrony urychlované elektrickým
polem o napětí 50 - 200kV.
Proud elektronů prochází tzv.
elektronovou čočkou, kterou tvoří el.
pole zvláštního kondenzátoru, nebo
mag. pole cívky. Tato elektronová
čočka soustřeďuje elektrony na
pozorovaný předmět (preparát).
Vrstva preparátu musí být velmi tenká,
přibližně 1µm, aby nepohlcovala
Proud elektronů pak prochází další elektronovou čočkou – objektivem a vytvoří první
elektronový obraz. Část tohoto obrazu se elektronovou čočkou – projektivem – znovu
zvětší a výsledný obrazec se promítá buď na stínítko pokryté vrstvou luminoforu, nebo
se zachytí na fotografické desce či filmu.
Tyto, a samozřejmě i další součásti elektronového mikroskopu jsou uloženy ve
vzduchotěsné válcové nádobě, z níž je vyčerpán vzduch, aby se proud elektronů
nezeslaboval.
K přípravě vzorků pro transmisní elektronový mikroskop se používá několik metod:
• metoda obtisků (replik) - povrch silnější než 10 - 50 nm se pokrývá replikou. To
může být např. roztok celulózy, který se nakápne na pozorovaný povrch a nechá se
roztéct. Po zaschnutí repliku sejmeme a pozorujeme.

• příprava ultratenkých řezů - používá se zařízení zvané ultramikroton. Obsahuje
fixní skleněný nůž a masivní ocelovou tyč, na níž je upevněn vzorek. Tyč se otáčí a je
ohřívána průchodem proudu, čímž dojde k jejímu prodloužení a uříznutí části vzorku.
Princip:
• elektrochemické leptání - vzorek (cca 100µm) je elektrochemicky leptán nebo
iontově poprašován. V místě, kde se vzorek proleptá jej pozorujeme
katoda
anoda
+
_
Transmisní elektronový mikroskop
zdroj el paprsku
kondenzor objekt objektiv projektiv obrazovka
zdroj VN, ř. 100kV
vakuum

3.2 Rastrovací elektronový mikroskop:
Rastrovací elektronový mikroskop pracuje tak, že na vzorek dopadá tenký svazek elektronů,
který dopadá postupně na všechna místa
vzorku. Odražený (emitovaný) paprsek se
převádí na viditelný obraz.
Mech. clona - vybírá pouze část elektronů,
které dopadnou na preparát.
Projekční čočka - způsobí, aby zaostřený
svazek elektronů dopadl na preparát.
Zaostřený svazek elektronů musí po povrchu preparátu rastrovat synchronně s TV.
Rozlišujeme čtyři skupiny elektronů opouštějící povrch vzorku:
• zpětně odražené elektrony - poskytují informaci o topografii (reliéfu) vzorku a o
materiálovém složení. Jejich rozlišovací schopnost je 50-200nm.
• sekundární elektrony - poskytují informaci převážně topografickou. Rozlišovací
schopnost je 5-15 nm.
• augerovy elektrony - jsou vyráženy z materiálu a zjištěním jejich energie lze
provádět prvkovou (kvalitativní) analýzu.
• primární elektrony - detekují se jako u transmisního elektronového mikroskopu (0,5
nm).
Dále pak můžeme detekovat i RTG záření nebo i viditelné světlo, což nám umožní získat další
informace o zkoumaném vzorku.
Vzorek může být 2-3 cm tlustý a 15 cm dlouhý a musí být kvalitně pokoven.
Rastrovací elektronová mikroskopie umožňuje pozorování kovových nebo pokovených
suchých vzorků s výraznou morfologií povrchu nebo částic až do 100 tisícinásobného
zvětšení. K dosažení obrazu v REM musí být vzorek zbaven organických nečistot a umístěn

ve vakuové komoře, aby dopadající elektronový svazek i odražené nebo vyražené elektrony
nebyly rozptylovány srážkami s molekulami vzduchu. Informace o struktuře a složení látek z
povrchu vzorků lze získat detekcí elektronů různých druhů a pro jejich zachycení jsou
mikroskopy vybavovány různými typy detektorů, nejčastější pro odražené a vyražené
elektrony. Detektor vyražených elektronů poskytuje informaci o materiálovém složení látek,
jež se projevuje jako materiálový kontrast. Ke studiu mokrých vzorků jsou vyráběny speciální
rastrovací elektronové mikroskopy Enviromental Scanning Electron Microscopes - ESEM, u
nichž je vakuový prostor vytvářen fyzikálně pouze v oblasti pozorování.
Mikroskopická laboratoř FSv ČVUT je vybavena rastrovacím elektronovým mikroskopem
TESLA BS 340 s obrazovým procesorem Tescan TS 1201 umožňujícím volbu rozlišení, t.j.
velikost obrazu v pixelech do rozměru 2048x2048 při zvětšení až do 50-ti tisíc. Kvalita
snímků je podmíněna jak seřízením mikroskopu tak i přípravou vzorků. Laboratoř má též
zařízení pro napařování povrchu vzorků kovy.

Princip:
Rastrovací elektronový mikroskop
zdroj el. paprsku snimač
čas.
základna
vakuum
objekt
elektrony
el. obvody
obraz
povrchu
monitor
Rastrovací elektronová mikroskopie využívá k analýze struktury látek elektronového svazku.
Působením těchto, tzv. primárních, elektronů jsou z povrchu preparátu emitovány sekundární
elektrony za současného vzniku elektronů odražených elektronů, Augerových elektronů,
fotonů a charakteristického rentgenového záření. Primární paprsek je přitom rozmítán po
povrchu preparátu a vzniklé elektrony jsou v detektorech zpracovávány a převáděny na signál,
který je zobrazován na stínítku obrazovky (v současné době spíše na monitoru počítače).
Vynález rastrovacího elektronového mikroskopu je znám poměrně dlouho. Je uplatňován v
mnoha vědeckotechnických oborech a mezi jeho hlavní přednosti je počítána možnost
přímého pozorování objektů nepropustných pro elektrony, jednoduchá příprava preparátů,
vysoká rozlišovací schopnost a rozsah zvětšení, vynikající hloubka ostrosti a plastičnost
obrazu.
Počátek výzkumů a vývoje rastrovacího elektronového mikroskopu (SEM - scanning electron
microscope), je datován do 50. let 20. století, kdy byl zahájen výzkum v laboratořích
univerzity v Cambridgi v Anglii. V roce 1965 pak spatřil světlo světa první rastrovací
elektronový mikroskop STEREOSCAN firmy Cambridge Instr. Co . V České republice
začíná výroba těchto přístrojů v roce 1976, kdy byl uveden do života rastrovací elektronový
mikroskop TESLA BS 300. Všechny tyto přístroje pracují za vysokého vakua 10 -2 Pa. Tato
skutečnost znamená jistou nevýhodu pro pozorování biologických preparátů obsahujících
vodu, kdy pro pozorování vzorků v nezměněném tvaru musí být voda vytěsněna a nahrazena
jinou látkou (např. glutaraldehydem) . Zároveň se biologické preparáty a vzorky izolantů pro
zamezení nabíjení jejich povrchu opatřují iontovým naprašováním vrstvičkou kovu (Au, Ag,
Cr), popř. uhlíku. Tloušťka vrstvy se pohybuje v řádech 10 1 nm.

Výrobci rastrovacích elektronových mikroskopů věnují v současnosti značnou pozornost
přístrojům, u kterých je možno umístit a pozorovat vzorek při vyšším tlaku, např. 300 Pa.
Použitý tlak je limitován typem detektorů. Tyto rastrovací elektronové mikroskopy jsou
označovány jako environmentální (ESEM)α . Výhodou těchto přístrojů je možnost pozorovat
biologické vzorky a vzorky izolantů bez složité přípravy a dokonce je možno pozorovat
preparáty vlhké.
Výsledkem výzkumných prací Ústavu přístrojové techniky v Brně a Ústavu
elektrotechnologie Fakulty elektrotechniky a informatiky VUT v Brně je realizace
environmentálního rastrovacího elektronového mikroskopu AQUASEM se speciálním
detektorem, který byl připraven ve spolupráci s firmami PRECIOSA CRYTUR, s.r.o a
TESCAN, s.r.o. (nyní LEO).
Kromě klasického rastrovacího elektronového mikroskopu (Scanning Electron Microscope -
SEM) jsou vyvíjeny přístroje schopné pracovat za vyšších tlaků (Low Vacuum adaptations of
CSEM - LV CSEM).
V odborné literatuře se v současné době můžeme setkat s termíny jako:
SEM - Scanning Electron Microscopes (rastrovací elektronová mikroskopie všeobecně)
CSEM - Conventional High Vacuum SEM´s (konvenční rastrovací elektronové mikroskopy
pracující s vysokým vakuem)
ESEMα ∗ - The Environmental SEM´s (environmentální rastrovací elektronové mikroskopy
LV CSEM - Low Vacuum adaptations of CSEM´s (rastrovací elektronové mikroskopy
pracující s nízkým vakuem, t.j. s vyšším tlakem)
Činnost rastrovacího elektronového mikroskopu (CSEM) je založena na použití úzkého
svazku elektronů emitovaných ze žhavené katody a urychlovaných v elektronové trysce
tvořené systémem katoda - Wehneltův válec - anoda. Paprsek je dále zpracován
elektromagnetickými čočkami a je rozmítán po povrchu pozorovaného objektu. Synchronně s
tímto svazkem elektronů je rozmítán elektronový svazek paprsku v pozorovací obrazovce.
Interakcí elektronového svazku s povrchem pozorovaného objektu vznikají sekundární
elektrony (zároveň s fotony, odraženými elektrony, aj.) - viz obr 1. Tyto po detekci a zesílení
modulují jas elektronového paprsku v pozorovací obrazovce, takže na obrazovce vznikne
obraz odpovídající povrchu pozorovaného vzorku.

Obr. 1 Interakce primárního elektronového paprsku (PE) a atomů povrchu vzorku -
generování různých druhů signálů
Rozlišovací schopnost mikroskopu je dána známou rovnicí
λ
∆ =
n ⋅sinα
kde λ je vlnová délka použitého záření [ nm]
n. sinα je numerická apertura
Rozlišovací schopnost se u SEM pohybuje podle použitého urychlovacího napětí a zvětšení
řádově v 10 1 nm. Zvětšení mikroskopu Zm je přitom dáno poměrem rozlišení na obrazovce a
rozlišení vztaženého na předmět (stopy elektronového paprsku na preparátu).
m
d
=
d
kde do [ m] je rozlišení na obrazovce
dp [ m] je rozlišení vztažené na předmět.
Z
0
p
[ nm]
Užitečné zvětšení mikroskopu vychází řádově 10 3 - 10 4 .
Jak již bylo řečeno v úvodu, klasický SEM pracuje s vakuem min. 10 -2 Pa a proto je nutno
použít speciální přípravy preparátů, zejména jeho naprášení kovem.
V mnoha případech nejde jen o pouhé zobrazení studovaných objektů. V souvislosti s tím je
potřeba znát, s jakou přesností lze měřit geometrické rozměry při vysokých zvětšeních.
Analýzou bylo zjištěno, že maximální relativní chyba se pohybuje u klasického SEM.
Klasický rastrovací elektronový mikroskop (CSEM) pracující s vysokým vakuem v režimu
sekundárních elektronů vyžaduje povrchovou úpravu těch preparátů, které se vlivem
dopadajících primárních elektronů nabíjejí, popř. je jejich povrch energií elektronů narušován.

Známá úprava povrchu preparátu je jeho iontové povrstvení kovy (Ag, Au, Cr, Pt), popř.
uhlíkem.
Další problémy nastávají u preparátů, které obsahují vodu, popř. jiné kapaliny, plyny, a pod.
U těchto preparátů by vložením do vakua došlo k odpaření kapalin a plynů a ke zborcení
struktury, vzniku artefaktů, a pod. Kapaliny jsou proto vytěsňovány a nahrazovány jinými
substancemi, struktura je složitým způsobem zpevňována. Problémy vznikající při analýze
povrchu různých typů materiálů a jejich možná řešení jsou uvedeny přehledně v tabulce
(Tab.I.)
Tab. I. Problematika preparace pro rastrovací elektronovou mikroskopii
Preparát Problém Řešení
Kovy a ostatní vodivé materiály - žádný
Izolanty
(sklo, polymery, prášky, atp.)
Preparáty s členitým povrchem,
u nichž nedochází k řádnému
naprášení povrchu
Preparáty s nebezpečím
odlupování naprášené vrstvy
Pórovité preparáty obsahující
velké množství plynů (vzduchu)
Preparáty obsahující vlhkost,
tekutiny, vodu, oleje
(biologické preparáty)
Preparáty, které se nesmějí
povrstvit (naprášit)
- malý kontrast
- CSEM
- naprášení preparátu
- nabíjení - CSEM + naprášení
- použití ESEM
(AQUASEM)
- nabíjení - použití ESEM
(AQUASEM)
- vznik artefaktů - použití ESEM
(AQUASEM)
- změny preparátu v čase - použití ESEM
- deformace po úniku vody,
par,
- vznik artefaktů
(AQUASEM)
- použití LV SEM
- použití ESEM
(AQUASEM)
- použití LV SEM
- nabíjení - použití ESEM
(AQUASEM)

Vzácné preparáty - použití LV SEM
3.2.1 Enviromentální rastrovací elektronová mikroskopie:
U environmentální rastrovací elektronové mikroskopie jde o pozorování vzorků při vyšším
tlaku (300 - 2 000 Pa). Tím je umožněno pozorování vlhkých vzorků a izolantů, které není
nutno pro mikroskopii speciálně připravovat.
Výsledkem prací na výzkumu možností oddělení prostoru komory vzorku a tubusu systémem
diferenciálního čerpání a speciálního dvojitého párového scintilačního detektoru zpětně
odražených elektronů je realizace mikroskopu AQUASEM. Tento přístroj umožňuje
pozorování vzorků při tlaku v komoře vzorku do 2 000 Pa. Experimenty s pozorováním
elektricky nevodivých vzorků potvrdily, že při tlacích v komoře vzorku nad 100 Pa dochází k
odstranění tzv. nabíjecího jevu, který by u klasického SEM bez speciální úpravy jejich
pozorování znemožnil.
Během činnosti ESEM dochází při vyšším tlaku v komoře vzorku kromě běžné interakce
primárního paprsku ( PE ) s atomy povrchu preparátu rovněž k vzniku iontů. Tyto jsou poté
detekovány ionizačním detektorem ( ID ) - viz obr. 2
Přístroj AQUASEM je řízen počítačem. Počítačová podpora systému umožňuje získání
obrazu v bitové mapě (*.bmp) a jeho další zpracování v systémech obrazové analýzy. Kromě
toho odpadá celý fotografický proces zpracování obrazu a tím se zpřesňuje měření na ESEM.
Obr. 2 Detekce iontů ionizačním detektorem (ID)
Environmentální rastrovací elektronový mikroskop AQUASEM umožňuje pracovat ve více
režimech:

• jako klasický rastrovací elektronový mikroskop v režimu sekundárních elektronů
• jako environmentální rastrovací elektronový mikroskop v režimu odražených
elektronů a detekce iontů pro izolanty, vlhké vzorky a biologické preparáty
Aplikační úlohy environmentálního rastrovacího elektronového mikroskopu AQUASEM
v oboru zkoumání textilních struktur lze rozdělit do několika oblastí:
• oblast textilních materiálů (polymery, vlákna přírodní, chemická, anorganická,
nadvlákenné útvary, příze, zkaniny, pleteniny, atp.)
• oblast biologických preparátů (přírodní vlákna, vlhké vzorky, roztoči, atp.)
• oblast ostatních (mezioborových) aplikací s překrývající se problematikou (oblast
životního prostředí, kontaminace vody barvivy po barvení textilií, apod.)
• oblast měření a analýzy struktur, zejména po spojení s obrazovou analýzou. Na
pracovišti je používán výkonný systém obrazové analýzy LUCIA (výrobce Laboratory
Imaging, Praha).
Environmentální rastrovací elektronový mikroskop je výkonným pomocníkem při analýzách
ve všech technických a rovněž v textilních oborech. Jako každá moderní metoda je i
environmentální rastrovací elektronová mikroskopie dále rozvíjena. Lze ji použít pro rutinní
ověřování kvality i pro rozšiřování poznání ve vědeckých bádáních. Umožňuje digitální
zpracování obrazu, měření a analýzu struktur.
RASTROVACÍ ELEKTRONOVÉ MIKROSKOPY VEGA
Rastrovací elektronové mikroskopy patřící do rodiny mikroskopů VEGA jsou mikroskopy
plně řízené počítačem, jejichž typickými vlastnostmi jsou:
• vynikající elektronově optické vlastnosti
• promyšlená konstrukce tubusu bez mechanických centrovacích prvků umožňující
pohodlnou obsluhu a snadnou údržbu
• rychlé a snadné dosažení čistého pracovního vakua pomocí turbomolekulární a rotační
vývěvy; pracuje bez chladící vody

• neblikavý obraz s vysokým jasem a brilancí jako výsledek digitálního způsobu
pořízení a zpracování obrazu
• důmyslný software pro řízení mikroskopu a pořizování snímků a dokonalý systém pro
jejich archivaci, zpracování a vyhodnocování, dálkové ovládání mikroskopu
s možností diagnostiky na dálku, která snižuje servisní náklady
• minimální nároky na instalaci a provoz mikroskopu (nevyžaduje tekoucí vodu a zabírá
malý prostor)
• VEGA TS 5130- základní model řady VEGA, konvenční vysokovakuový mikroskop
s manuálními posuvy vzorku.
VEGA TS 5130 MM - vysokovakuový mikroskop se středně velkou komorou a motorovými
posuvy vzorku

• VEGA Plus TS 5135- mikroskop pracující v těchto oblastech: vysoké vakuum
(typicky 5*10-3 Pa) a střední vakuum (5 až 50 Pa) - vhodné pro suché nevodivé
vzorky. Vakuum v komoře vzorku lze snadno měnit .
• VEGA Plus TS 5135 MM- mikroskop se středně velkou komorou a motorovými
posuvy vzorku, pracující v těchto oblastech: vysoké vakuum (typicky 5*10-3 Pa)
a střední vakuum (5 až 50 Pa) - vhodné pro suché nevodivé vzorky. Vakuum v komoře
vzorku lze snadno měnit.
• VEGA UniVac TS 5140- mikroskop pracující v oblastech: vysoké vakuum (typicky
5*10-3 Pa) a nízké vakuum (5 až 500 Pa) - vhodné pro nevodivé vzorky obsahující
vodu.
Tubus je diferenciálně čerpán v místě, kde u předchozích modelů je umístěna
mezičočka - nelze tedy dosáhnout některých speciálních režimů optické soustavy
základního modelu VEGA. Vakuum v komoře vzorku lze snadno měnit.
• VEGA UniVac TS 5140 MM- mikroskop pracující v oblastech: vysoké vakuum
(typicky 5*10-3 Pa) a nízké vakuum (5 až 500 Pa) - vhodné pro nevodivé vzorky
obsahující vodu.
Tubus je diferenciálně čerpán v místě, kde u modelů VEGA a VEGA Plus je umístěna
mezičočka - nelze tedy dosáhnout některých speciálních režimů optické soustavy
základního modelu VEGA. Vakuum v komoře vzorku lze snadno měnit.
Mikroskop je vybaven středně velkou komorou a motorovými posuvy vzorku.
Modernizace elektronových mikroskopů VEGA EOScan a MV 2300
Přehled typů mikroskopů VEGA a jejich specifikace je uveden na následující stránce.
Dále jsou uvedeny požadavky na pracovní prostředí a minimální plochu potřebnou pro
instalaci mikroskopu.

4 Výhody a nevýhody elektronových mikroskopů:
Mezi největší výhody patří velmi velké zvětšení - řádově až 1 000 000 ,což umožňuje
pozorovat i opravdu velmi malé částice.
U transmisních el. mikroskopů je nutné, aby vzorek byl velmi tenký, což lze považovat za
nevýhodu. Další podstatná nevýhoda je to, že preparát musí být umístěn ve vakuu, což
neumožňuje pozorovat živé organismy.
El. mikroskop má také velké rozlišení (0,1 nm) a velkou hloubku ostrosti (několik mm).
Pohyb svazku elektronů lze řídit pomocí počítače, což umožňuje využít veškerý komfort,
který tato technika poskytuje (zobrazit pouze výřez, odstranit šum snížením rastrovací
rychlosti, tisknout obraz ...)
Výhoda je také to, že elektronový mikroskop může dát informaci nejen o topografii vzorku,
ale i o jeho materiálovém složení.
Za nevýhody lze dále považovat i velké nároky na prostor a vysokou pořizovací cenu.
5 Použití:
Elektronová mikroskopie se používá při studiu velmi malých částic, například v lékařství při
studiu bakterií a virů.
Jiné uplatnění nalézá např. v mikroelektronice, kde se využívá při vývoji a studiu čipů a
polovodičových materiálů. Vzhledem k tomu, že dráhy elektronů ovlivňují také případné
mag. pole povrchové vrstvy vzorku, můžeme např. pozorovat mag. pole, které vytváří
pracující polovodičová součástka.
Mikroskop lze využít i ke kvalitativní (prvkové) analýze např. v chemii, biologii atd.
Aplikační možnosti SEM a ESEM sahají od pozorování povrchu vláken a vnitřních struktur
vláken (lomové plochy, struktury získané sloupnutím povrchové vrstvy vláken), defekty a
poškození vláken, přes struktury přízí, nití, plošných textilií (tkaniny, pleteniny, netkané
textilie) až po možnosti analýzy příčin různých vad v textiliích (mrtvá vlákna bavlny,
zašpinění, oděr, atd.). SEM a ESEM umožňují nedestruktivní analýzu poruch textilních
struktur, kdy není nutno strukturu rozebírat na jednotlivé konstrukční elementy (příze, nitě,
vlákna).
Jako příklad lze uvést analýzu struktury povrchu vlněného vlákna v surovém stavu a po
aplikaci různých metod úpravy vlny .
Kromě struktur textilií jsou na katedře textilních materiálů TUL pomocí SEM a ESEM
zkoumány struktury využívající vláken jako konstrukčních prvků v kompozitech. Pomocí
metod rastrovací elektronové mikroskopie jsou analyzovány např. lomové plochy C-C
kompozitů.
6 Anglické články

Electron Microscopy
What are Electron Microscopes?
Electron Microscopes are scientific instruments that use a beam of highly energetic
electrons to examine objects on a very fine scale. This examination can yield the
following information:
Topography
The surface features of an object or "how it looks", its texture; direct relation between
these features and materials properties (hardness, reflectivity...etc.)
Morphology
The shape and size of the particles making up the object; direct relation between these
structures and materials properties (ductility, strength, reactivity...etc.)
Composition
The elements and compounds that the object is composed of and the relative amounts
of them; direct relationship between composition and materials properties (melting
point, reactivity, hardness...etc.)
Crystallographic Information
How the atoms are arranged in the object; direct relation between these arrangements
and materials properties (conductivity, electrical properties, strength...etc.)
Where did Electron Microscopes Come From?
Electron Microscopes were developed due to the limitations of Light Microscopes
which are limited by the physics of light to 500x or 1000x magnification and a
resolution of 0.2 micrometers. In the early 1930's this theoretical limit had been
reached and there was a scientific desire to see the fine details of the interior structures
of organic cells (nucleus, mitochondria...etc.). This required 10,000x plus
magnification which was just not possible using Light Microscopes.
The Transmission Electron Microscope (TEM) was the first type of Electron
Microscope to be developed and is patterned exactly on the Light Transmission
Microscope except that a focused beam of electrons is used instead of light to "see
through" the specimen. It was developed by Max Knoll and Ernst Ruska in Germany
in 1931.
The first Scanning Electron Microscope (SEM) debuted in 1942 with the first
commercial instruments around 1965. Its late development was due to the electronics
involved in "scanning" the beam of electrons across the sample. An excellent article
was just published in Scanning detailing the history of SEMs and I would encourage
those interested to read it.
How do Electron Microscopes Work?
Electron Microscopes(EMs) function exactly as their optical counterparts except that
they use a focused beam of electrons instead of light to "image" the specimen and gain
information as to its structure and composition.
The basic steps involved in all EMs:
1. A stream of electrons is formed (by theElectron Source) and accelerated toward the
specimen using a positive electrical potential
2. This stream is confined and focused using metal apertures and magnetic lenses into a
thin, focused, monochromatic beam.
3. This beam is focused onto the sample using a magnetic lens

4. Interactions occur inside the irradiated sample, affecting the electron beam
These interactions and effects are detected and transformed into an image
The above steps are carried out in all EMs regardless of type. A more specific treatment of the
workings of two different types of EMs are described in more detail:
Transmission Electron Microscope
Scanning Electron Microscope
Transmission Electron Microscope (TEM)
TEMs are patterned after Transmission Light Microscopes and will yield similar information.
Morphology
The size, shape and arrangement of the particles which make up the specimen as well
as their relationship to each other on the scale of atomic diameters.
Crystallographic Information
The arrangement of atoms in the specimen and their degree of order, detection of
atomic-scale defects in areas a few nanometers in diameter
Compositional Information (if so equipped)
The elements and compounds the sample is composed of and their relative ratios, in
areas a few nanometers in diameter
A TEM works much like a slide projector. A projector shines a beam of light through
(transmits) the slide, as the light passes through it is affected by the structures and objects on
the slide. These effects result in only certain parts of the light beam being transmitted through
certain parts of the slide. This transmitted beam is then projected onto the viewing screen,
forming an enlarged image of the slide.
TEMs work the same way except that they shine a
beam of electrons (like the light) through the
specimen(like the slide). Whatever part is transmitted
is projected onto a phosphor screen for the user to
see. A more technical explanation of a typical TEMs
workings is as follows (refer to the diagram below):
1. The "Virtual Source" at the top represents the
electron gun, producing a stream of
monochromatic electrons.
2. This stream is focused to a small, thin,
coherent beam by the use of condenser lenses
1 and 2. The first lens (usually controlled by
the "spot size knob") largely determines the
"spot size"; the general size range of the final
spot that strikes the sample. The second
lens(usually controlled by the "intensity or

ightness knob" actually changes the size of the spot on the sample; changing it from
a wide dispersed spot to a pinpoint beam.
3. The beam is restricted by the condenser aperture (usually user selectable), knocking
out high angle electrons (those far from the optic axis, the dotted line down the center)
4. The beam strikes the specimen and parts of it are transmitted
5. This transmitted portion is focused by the objective lens into an image
6. Optional Objective and Selected Area metal apertures can restrict the beam; the
Objective aperture enhancing contrast by blocking out high-angle diffracted electrons,
the Selected Area aperture enabling the user to examine the periodic diffraction of
electrons by ordered arrangements of atoms in the sample
7. The image is passed down the column through the intermediate and projector lenses,
being enlarged all the way
8. The image strikes the phosphor image screen and light is generated, allowing the user
to see the image. The darker areas of the image represent those areas of the sample
that fewer electrons were transmitted through (they are thicker or denser). The lighter
areas of the image represent those areas of the sample that more electrons were
transmitted through (they are thinner or less dense)
Scanning Electron Microscope (SEM)
SEMs are patterned after Reflecting Light Microscopes and yield
similar information:
Topography
The surface features of an object or "how it looks", its texture;
detectable features limited to a few manometers
Morphology
The shape, size and arrangement of the particles making up the
object that are lying on the surface of the sample or have been
exposed by grinding or chemical etching; detectable features limited
to a few manometers
Composition
The elements and compounds the sample is composed of and their relative ratios, in
areas ~ 1 micrometer in diameter
Crystallographic Information
The arrangement of atoms in the specimen and their degree of order; only useful on
single-crystal particles >20 micrometers
A detailed explanation of how a typical SEM functions follows (refer to the diagram below):

1. The "Virtual Source" at the top represents the electron gun, producing a stream of
monochromatic electrons.
2. The stream is condensed by the first condenser lens (usually controlled by the "coarse
probe current knob"). This lens is used to both form the beam and limit the amount of
current in the beam. It works in conjunction with the condenser aperture to eliminate
the high-angle electrons from the beam
3. The beam is then constricted by the condenser aperture (usually not user selectable),
eliminating some high-angle electrons
4. The second condenser lens forms the electrons into a thin, tight, coherent beam and is
usually controlled by the "fine probe current knob"
5. A user selectable objective aperture further eliminates high-angle electrons from the
beam
6. A set of coils then "scan" or "sweep" the beam in a grid fashion (like a television),
dwelling on points for a period of time determined by the scan speed (usually in the
microsecond range)
7. The final lens, the Objective, focuses the scanning beam onto the part of the specimen
desired.
8. When the beam strikes the sample (and dwells for a few microseconds) interactions
occur inside the sample and are detected with various instruments
9. Before the beam moves to its next dwell point these instruments count the number of
interactions and display a pixel on a CRT whose intensity is determined by this
number (the more reactions the brighter the pixel).
10. This process is repeated until the grid scan is finished and then repeated, the entire
pattern can be scanned 30 times per second.
The Transmission Electron Microscope
The transmission electron microscope (TEM) operates on the same basic principles as the
light microscope but uses electrons instead of light. What you can see with a light microscope
is limited by the wavelength of light. TEMs use electrons as "light source" and their much
lower wavelength makes it possible to get a resolution a thousand times better than with a
light microscope.
You can see objects to the order of a few angstrom (10 -10 m). For example, you can study
small details in the cell or different materials down to near atomic levels. The possibility for
high magnifications has made the TEM a valuable tool in both medical, biological and
materials research.

Magnetic Lenses Guide the Electrons
A "light source" at the top of the microscope emits the electrons that travel through vacuum in
the column of the microscope. Instead of glass lenses focusing the light in the light
microscope, the TEM uses electromagnetic lenses to focus the electrons into a very thin beam.
The electron beam then travels through the specimen you want to study. Depending on the
density of the material present, some of the electrons are scattered and disappear from the
beam. At the bottom of the microscope the unscattered electrons hit a fluorescent screen,
which gives rise to a "shadow image" of the specimen with its different parts displayed in
varied darkness according to their density. The image can be studied directly by the operator
or photographed with a camera.
7 Seznam adres :
http://www.microscopy-uk.org.uk/primer/special.htm speciální mikroskop. techniky
http://www.biomed.cas.cz/d331/vade/mikroskopy.html#h4_7 mikroskopy
http://www.physics.muni.cz/~kubena/optika1/sld017.htm
http://cheminfo.chemi.muni.cz/ianua/Konecna/Konecna_SP_JS01.html využití elektronové
mikroskopie v AAS
http://www.ujep.cz/ujep/pf/kbiol/web/elektronm.htm obrázek el. mikr. TESLA
http://www.edlin.cz/fei/fei1.htm-TEM Morgagni(FEI)
http://www.edlin.cz/fei/fei2.htm- SEM Quanta(FEI)
http://www.tescan.cz/cz_prods.html#VEGA rast. el.m. VEGA

http://www.ft.vslib.cz/depart/ktm/aquasem/vlakna.htm využití přístroje Aquasem pro
zkoumání vlákenných a nadvlákenných struktur
http://www.isibrno.cz/info.new/celky/popis/c-030101.htm enviroment. rastr. mikroskopy
http://atmilab.upol.cz/vys/JineMet.htm jiné metody studia povrchu látek
http://mujweb.atlas.cz/www/frenky/mikro.htm elektronová mikroskopie transmisní a
rastrovací
http://www.unl.edu/CMRAcfem/em.htm elektronové mikroskopy - anglický článek
http://www.unl.edu/CMRAcfem/temoptic.htm transmisní elektronový mikroskop -
anglický článek
http://www.unl.edu/CMRAcfem/semoptic.htm rastrovací elektronový mikroskop -
anglický článek
http://www.nobel.se/physics/educational/microscopes/tem/ transmisní elektronový
mikroskop - anglický článek
http://www.ujep.cz/ujep/pf/kbiol/web/elektronm.htm obrázek el. mikr. TESLA