Elektronový mikroskop

Lidské oko jako optická soustavadvojvypuklá spojka – obraz skutečný, převrácený, mozek ho otočí do správnépolohy, zmenšenýrozlišovací schopnost oka cca 0.25 mm

Světelný mikroskopokulárstativobjektivhrubé ostřenístolekkondenzorjemné ostřeníoptický přístroj pvyužívajvající viditelné světlorozlišovacovací schopnost (X) záviszvisí na vlnové délce (λ)() použititého zářenzeníX min= 0,61 . λ / n sin θ viditelné světlovyužívanvané v mikroskopii má λ cca 550nm, rozlišovacovací schopnost světelntelnéhomikroskopu cca 250nm ( cca ½ λ), maximmaximální užitečné zvětšenení je 1000 - 1500x (0,25/0,25.10 - 4 ) pro vyššízvětšenení nutno použít t zářenzení o kratšívlnové délce

Elektromagnetické spektrum

Elektronová mikroskopie1930 – Ruska, KnollMikroskopická technika využívající paprsku elektronů namísto světelnéhozáření. Fotony jsou nahrazeny elektrony a optické čočky elektromagnetickýmičočkami.Proč elektrony?Jsou nositelé záporného náboje a mají nepatrnou hmotnost ve srovnání sprotony či neutrony. Záporný náboj umožňuje urychlovat elektron elektrickýmnapětím U. Vlnová délka urychleného elektronu (60kV) je přibližně 0,005nm(cca stotisíckrát kratší než viditelné světlo).Výhoda EM - možnost mnohem většího zvětšení než u optického mikroskopu(až 1 000 000x, X min= 0,1 – 0, 5 nm). EM poskytuje komplexní informaceo mikrostruktuře, krystalografii, chemickém složení , ale i o dalšíchvlastnostech zkoumaného vzorku.

Proč fungují ?• Vlnový charakter pohybujících se částic, vtomto případě elektronůh• Dualismusλ =mv• de Broglieho vlnová délka• Svazek elektronů je urychlen napětím vřádu desítek až stovek kVv=2eUm

Elektronová mikroskopie

Elektronová mikroskopieŘada společných součástí - zdroje světla nebo elektronů, čočky skleněné nebo elektromagnetické a v obou sepreparát umísťuje na mechanický stolek. TEM potřebuje ke své činnosti i mnoho dalších systémů, které usvětelného mikroskopu nejsou, např. vysokonapěťové zdroje, elektroniku k řízení mikroskopu a výkonný vakuovýsystém pro vyčerpání jeho vnitřních prostor mikroskopu na hodnotu, která zabezpečí střední volnou dráhuelektronu alespoň v délce 3 m.

ProzařovacovacímikroskopP - preparátO - objektivPR - projektivZ - zdrojS - stínítkotkoZvětšenení až stovky tisíc c krát1013.5.2010

1113.5.2010

Elektronové čočky•Rotačně symetrická elektrostatická nebomagnetická pole•mohou soustřeďovat svazky elektronů.•Elektrostatické čočky - systém kruhovýchclonek nebo válců, které mají vhodný potenciál.Mohou být jako spojky nebo rozptylky•Elektromagnetické čočky - sférická vada. Lzeje snadno regulovat velikostí protékajícíhoproudu, ten musí být přesně stabilizován. Lzedosáhnout vyššího zvětšení

Elektrostatická čočka

Kondenzor - elmagelmag.č. BudicBudicí vinutíŽelezný elezný plášášťMezeraMezera

Elektromagnetická čočkaVinutí, , pólovplové nástavce

Interakce PES s hmotouSEM (Scanning Electron Microscopy) – rastrovací elektronová mikroskopie zobrazujícíelektronový paprsek odražený od povrchu vzorku, pohyblivý svazek, zobrazení povrchuvzorku pomocí odražených a sekundárních elektronů.teploTEM (Transmission Electron Microscopy) – transmisní elektronová mikroskopie zobrazujícíelektronový paprsek procházející tenkým vzorkem, nepohyblivý elektronový svazek, detekceelektronů prošlých vzorkem na fluorescenčním stínítku nebo detektorem.

1713.5.2010

• Rozlišujeme čtyři skupiny elektronů opouštějícípovrch vzorku: zpětně odražené elektrony - poskytují informacio topografii (reliéfu) vzorku a o materiálovémsložení. Jejich rozlišovací schopnost je 50-200nm.sekundární elektrony - poskytují informacipřevážně topografickou. Rozlišovací schopnostje 5-15 nm. augerovy elektrony - jsou vyráženy z materiálu azjištěním jejich energie lze provádět prvkovou(kvalitativní) analýzu.primární elektrony - detekují se jako u transmisníhoelektronového mikroskopu (0,5 nm).1813.5.2010

Elektronová mikroskopie

Rozlišovacovací schopnoststruktura

Osvětlovtlov.část- zdroje elektronového svazkuZahřátím materiálu na vysokou teplotu, dodáme elektronům dostatečnou energii, aby překonaly přirozenouenergetickou bariéru, která jim brání v úniku.Vztah únikové energie elektronu k jejich únikové rychlostikde v je úniková rychlost elektronu, e je jeho náboj a m hmotnost, E je výstupní energie specifická pro daný kov .žhavené wolframové vláknoE wolframu = 4.52, vysoká úniková rychlost 1.26 x 106m/s, vysoký bodu tání (cca 3653 K ), nízké hodnotyvakua ( kterou vyžaduje TEM pro svůj provoz),tvarování do tvaru písmene Vhrot z boritu lanthanu (LaB 6)bod tání 2000 K, lepší vakuum v oblastitrysky, tj. vyšší provozní náklady

Osvětlovactlovací část- elektronové děloElektronové dělo (elektronová termoemisní tryska) funkce: vybavení elektronů, směr, rychlostsvazku elektronů emitovaných ze žhavené katody a urychlovaných v elektronové trysce tvořené systémem katoda - Wehneltůvválec - anoda• katoda - nutnost aby elektrony vycházely z co nejmenší plochy• fokusační elektroda = Wehneltův válec = (elektrostatická čočka) – stlačuje elektronový svazek dokřižiště těsně před anodou• anoda: potenciální rozdíl mezi katodou a anodou 60-100kV (u biologických preparátů obvykle 80 kV),

Zobrazovací část– elektromagnetické čočkydržák preparátu, objektiv, mezičočky, projektivy a pozorovací stínítkoPůsobení magnetického pole na dráhu letícího elektronu lze využít k sestrojení elektromagnetické čočky,které by fungovala přibližně stejně jako skleněná čočka v případě světla.Solenoid - kruhová cívka, ve které a okolo které při průchodu elektrického proudu vzniká magnetické pole,jehož siločáry uvnitř cívky jsou rovnoběžné s osou cívky a vně jsou zakřivené. Magnetické pole solenoiduovlivňuje dráhy elektronů, které vycházejí z bodového zdroje A a které po zakřivení jejich drah vmagnetickém poli cívky, opět protínajíjejíosuv bodě B. Účinnost solenoidu se zvyšuje, obklopením cívkyvrstvou měkkého železa. Silnější magnetické pole cívky znamená kratší ohniskovou délku a tedy celkověvýkonnější a kvalitnější čočku.

Interakce PES s hmotou z pohledu TEMPředpoklad – tloušťka preparátu cca 100 nm, nesmí obsahovat vodu• část elektronů se absorbuje (teplo!)• část elektronů prochází („prozáření“) beze změnyPři průchodu elektron těsně míjí:• atomové jádro = velká úchylka směru, malá ztráta energie = elastický (pružný) rozptyl, část elektronůrozptýlených s dostatečně velkým úhlem je zachycena objektivovou clonou a tím vyřazena z tvorbyobrazu na stínítku. V důsledku toho se mění intenzita elektronového svazku a vzniká kontrast obrazu• zasáhne jiný elektron = malá úchylka ve směru, ztráta velké části rychlosti = neelastický (nepružný)rozptyl = změna vlnové délky = chromatická vada = preparát musí být tenký•odstranění uchýlených elektronů =zvětšování kontrastu preparátu = vnášení atomů těžkých kovů (Pb,U, W, Os,…), které mají větší náboj jádra a snáze působí elastický rozptyl.

Interakce PES s hmotou z pohledu REMPředpoklad – masivnější preparát (do 100 nm)• část elektronů se absorbuje (= teplo)• část se odrazí – odražené elektrony, (informace o topografii (reliéfu) vzorku a omateriálovém složení, rozlišovací schopnost je 50-200 nm, materiálový kontrast – signálodražených elektronů závisí na průměrném atomovém (protonovém) čísle Z. Pro větší Z jeintenzivnější.– sekundární elektrony s malou energií (předávání energie primárníchelektronů atomům vzorku, poskytují informaci převážně topografickou. Rozlišovacíschopnost je 5-15 nm.)• používá se mnohem nižší urychlovací napětí než u TEM (SEM obvykle 20 kV, TEMobvykle 80kV)

Oblast interakce2613.5.2010

Rastrovací elektronový mikroskopČinnost je založena na použití úzkého svazkuelektronů emitovaných ze žhavené katody aurychlovaných v elektronové trysce tvořenésystémem katoda - Wehneltův válec - anoda.Paprsek je dále zpracován elektromagnetickýmičočkami a je rozmítán po povrchu pozorovanéhoobjektu. Synchronně s tímto svazkem elektronů jerozmítán elektronový svazek paprsku v pozorovacíobrazovce.Elektronový paprsek urychlený v elektrickém polije velmi dobře stabilizován a může být vychylovánsystémem elektromagnetických cívek v osách x, y.Povrch je postupným vychylováním snímán řádekpo řádku a takto je postupně skládán obraz vzorku(princip známý z televize) .SEM pracuje s vakuem min. 10 -2 [Pa] a proto jenutno použít speciální přípravy preparátů, zejménajeho naprášení kovem.

Princip SEM2813.5.2010

2913.5.2010

Faktory ovlivňujující kvalitu obrazu• volba (velikost) urychlovacího napětí• náklon vzorku• nabíjení vzorku• kvalita pokovení preparátu

Příprava preparátu pro TEM

Vliv velikosti urychlovacího ho napětí

Vliv náklonu nvzorku

Vliv velikosti urychlovacího ho napětí

Vliv velikosti urych.nap.napětíVliv nabíjenjení vzorku

Rastrovací elektronový mikroskopPovrch vlněnéhovláknaHV: 20.0 kVZoom: 1Au coated, detector AVacuum degree: 20 Pa

Rastrovací elektronový mikroskopLedové krystaly na povrchuskleněného vláknaHV: 15.0 kVZoom: 1.00UncoatedDetector ID + A + BVacuum degree 480 Pa

Augerovy elektrony3813.5.2010

AE3913.5.2010

Energie AE

Lidský vlasPix: 0.648022 ľmMag: 602.8HV: 15.0 kVZoom: 1.00Uncoated Detector ID + A + BVacuum degree 480 Pa4113.5.2010

Mikroskop atomárnrních sil (AFM)Japonsko,Španělsko, ČeskoAFM umožňuje zobrazovat nejen elektricky vodivélátky, ale také polovodiče a biologické materiály.3D obrazVyužitícharakterizace mechanických vlastností bílkovinnebo pro popisování struktury buněčnýchmembránHrot tvořený jedním atomem křemíku kmitá na raménku. Když se hrot přiblíží k povrchu desky schemickými prvky (asi deseti miliontin milimetru ), nastane interakce (vzájemné působení prvků),která změní kmitání, na základě které je stanovena síla chemické vazby mezi jednotlivými atomy.Tak lze zobrazit všechny atomy na ploše, ale nepozná se, o jaké prvky jde (viz černobílý snímek ).Řešení - výkonnější nanotranzistoryMěřením chemických vazeb vznikajících mezi atomem na hrotu a atomem z nějaké chemikálie nadestičce lze přesně identifikovat jednotlivé prvky.