SKANINGOWY
SKANINGOWY
MIKROSKOP
MIKROSKOP
ELEKTRONOWY
ELEKTRONOWY
Katarzyna Borowska gr. 1
MIKROSKOP
MIKROSKOP
–
urządzenie służące do obserwacji
małych obiektów, zwykle niewidocznych gołym
okiem.
Pierwszy
mikroskop elektronowy
został
skonstruowany w 1931 roku przez Ernsta Ruska
i Maksa Knolla w Berlinie.
Pierwszy
skaningowy mikroskop elektronowy
skonstruował Manfred von Ardenne w 1938 roku.
SKANINGOWY MIKROSKOP ELEKTRONOWY
(SEM – Scanning Electron Microscope)
Przyrząd elektronooptyczny, rodzaj mikroskopu elektronowego,
w którym obraz uzyskiwany jest przez omiatanie próbki wiązką
fali elektronowej (wiązka elektronów skupiona jest w postaci
małej plamki, która omiata obserwowany obszar linia po linii).
SEM (otwarta komora)
Budowa mikroskopu elektronowego jest bardzo
podobna do mikroskopu optycznego, tyle że w
miejsce promieni świetlnych używa się
wiązki
elektronów
, które rozpędzone w polu
elektrycznym poruszają się po linii prostej.
Natomiast soczewki optyczne zastąpiono
odpowiednio ukształtowanym
polem
magnetycznym
, zmieniającym bieg elektronów.
Obraz jest tworzony przez te elektrony na ekranie
luminescencyjnym lub kliszy światłoczułej.
Zdolność rozdzielcza mikroskopu optycznego jest znacznie
mniejsza niż mikroskopu elektronowego, gdyż jest ona
ograniczona przez zjawisko dyfrakcji promieni tworzących obraz.
W momencie, gdy odległości pomiędzy obserwowanymi obiektami
stają się bliskie długości fali świetlnej, obrazy tych obiektów
zaczynają się ze sobą zlewać. Zatem zmniejszając długość fali
padającej i odbijającej się od obserwowanych obiektów, możemy
dostrzec więcej jego szczegółów.
Na uzyskanie takiego zjawiska pozwala zwiększenie
prędkości elektronów, których
długość fali
, zgodnie z ich
dualną naturą,
maleje wraz ze wzrostem prędkości
.
To znaczy, że mikroskop elektronowy umożliwia
obserwowanie znacznie mniejszych obiektów, gdyż
elektron jako fala materii, ma dużo mniejszą długość fali
niż światło.
Granica rozdzielczości mikroskopu elektronowego wynosi
mniej niż
0,1 nm
, czyli 10ˉ¹º metra (średnica 1 atomu), a
mikroskopu optycznego ok. 0,2 µm.
Przygotowanie
preparatu
Warunkiem wykonania pomiaru w skaningowym
mikroskopie elektronowym jest umieszczenie próbki
w próżni
oraz
przewodnictwo elektryczne
próbki.
Dlatego badaną próbkę napyla się w tzw. napylarce
próżniowej cienką warstwą metalu (najlepiej złotem).
Zaletą tak uzyskanych próbek jest ich trwałość i
możliwość
powtarzania obrazowania. W SEM preparat nie musi
być
bardzo cienki, tak jak jest to wymagane w zwykłym
mikroskopie elektronowym.
Zasada działania SEM
Wiązka elektronów
kierowana na badaną
próbkę nie jest
statyczna. Specjalne
cewki odchylające
sprawiają, że w sposób
regularny omiata dany
obszar preparatu. W
momencie, gdy wiązka
elektronów pada na
powierzchnię część z
nich jest rozpraszana,
część wnika do wnętrza
próbki powodując
emisję wtórnych
elektronów, promieni
rentgenowskich oraz
światła widzialnego.
W pobliżu oświetlanej
elektronami próbki
ustawione są specjalne
detektory
, które
wykrywają elektrony
rozproszone, wtórne lub
któryś z rodzajów
promieniowania
przetwarzając
rejestrowane sygnały na
sygnały cyfrowe. Sygnały
cyfrowe są następnie
przetwarzane na obraz
wyświetlany na
monitorze.
Rodzajem SEM jest
skaningowy mikroskop
tunelowy
( STM ), który
został skonstruowany
przez Gerda Binninga i
Heinricha Rohrera w
1986 roku.
Uzyskanie obrazu
powierzchni jest możliwe
dzięki wykorzystaniu
zjawiska tunelowego
.
Zasada działania STM
Nad powierzchnią próbki umieszczona jest
sonda
(igła), którą można
poruszać w sposób kontrolowany. Ramię trzymające igłę mocowane jest
do aparatury poprzez odpowiednio skonstruowany
układ piezoelektryczny
(tzw. skaner piezoelektryczny),
który pod wpływem napięcia
elektrycznego zmienia w
niewielkim stopniu swe
wymiary, a tym samym
zmienia położenie igły
umożliwiając jej
przesuwanie się nad próbką.
Skanowanie kolejnych linii i
punktów obrazu próbki
odbywa się według z góry
zadanego programu,
natomiast ustalanie
odległości igła-próbka jest
przeprowadzane przez
odpowiednio szybki układ
ujemnego sprzężenia
zwrotnego zapewniające np.
przepływ stałego prądu
tunelowego.
Sonda
(drut wolframowy lub Pt/Ir o średnicy 0.2 mm - 0.5 mm) zawiera
na końcu kryształ ustawiony wierzchołkiem w stronę ostrza - dzięki
temu zakończeniem sondy jest dokładnie jeden atom. Odległość sondy
od powierzchni próbki jest rzędu kilku angstremów (do 1nm).
Przyłożone napięcie pomiędzy sondą a próbką -od ułamków do kilku
woltów. Tak małe napięcie nie jest wystarczające do tego, by elektron
pokonał przyciąganie jonów metalu i oderwał się od ostrza igły, ale
dzięki temu, że próbka jest w niewielkiej odległości od ostrza igły
elektron przeskakuje przez zabroniony obszar (barierę potencjału) do
badanej próbki w wyniku emisji polowej, istnienie której tłumaczy się
kwantowym zjawiskiem tunelowym
, dlatego też nazywany jest prądem
tunelowym.
Elektrony tunelują z ostrza przez powietrze (lub
próżnię) do próbki lub odwrotnie w zależności od
kierunku przyłożonego napięcia. Wartość prądu
tunelowego zależy silnie (wykładniczo) od
szerokości bariery potencjału, w tym przypadku
jest to odległość ostrza od najbliższych atomów ( a
nawet powłok atomowych) próbki. Typowe wartości
prądu są rzędu 0.1 - 10 nA.
Komputer analizuje i zapamiętuje mapę prądów
tunelowych dla każdego punktu próbki i na tej
podstawie tworzony jest później obraz próbki.
Zastosowanie
•
zbadanie i poznanie wielu organizmów, wniknięcie do komórki
i poznanie licznych jej funkcji, również tych
najmniejszych organizmów jakimi są bakterie i wirusy,
• badanie produktów spożywczych,
• badanie struktury krystalicznej i jej defektów,
• w przemyśle elektronicznym i innych gałęziach przemysłu
nowoczesnego,
• w laboratoriach fizycznych i chemicznych,
• w archeologii i badaniach historycznych,
• w kryminalistyce i innych dziedzinach, gdzie wymagana jest
precyzja i dokładne sprawdzenie wytworzonych materiałów,
• w nanotechnologii (mikroskop tunelowy) – obróbka materiału
na poziomie atomowym (Jeżeli do igły przyłoży się większe
napięcie niż przy skanowaniu, to może ona oderwać pojedynczy
atom z powierzchni próbki i przełożyć go w inne miejsce).
Zdjęcia obiektów zbadanych przez SEM
Odnóże biedronki
Oko motyla
Aparat oddechowy konika polnego
Głowa mrówki
Płatek śniegu
Elementy morfotyczne
krwi człowieka
Pyłki kwiatowe
Wytwór epidermy i
aparat szparkowy
słonecznika
Spory pieczarki
dwuzarodnikowej
Dziękuję za
uwagę