MIKROSKOPIA ELEKTRONOWA

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z przygotowaniem preparatów do badań mikroskopowych, a także z ogólną budową i zasadami działania mikroskopu elektronowego.

Rozdzielczość mikroskopu optycznego jest ograniczona poprzez długość fali świetlnej, i tak dla najkrótszej fali widzialnej czyli ultrafioletu o długości fali równej 3600 Ĺ możemy uzyskać zdolność rozdzielczą d=2250 Ĺ, jest to o wiele za mało aby oglądać strukturę danego materiału. Tak więc naukowcy od dawna chcieli przełamać tą granicę, jedynym skutecznym sposobem na znaczne poprawienie zdolności rozdzielczej jest zastosowanie krótszych fal niosących informację o materiale, z fal elektromagnetycznych krótsze o światła widzialnego są promienie Roentgena i gamma i były pomysły zastosowania ich, lecz są to fale wysokoenergetyczne i mogłyby szkodzić zdrowiu człowieka, także praktycznie nie udało się ich zastosować.

Dopiero prace de'Broglia o falach materii pozwoliły znaleźć fale bardzo krótkie, a jednocześnie możliwe do praktycznego zastosowania: fale materii odpowiadające szybkim elektronom.

Długość fali materii znajdujemy ze wzoru: λ = , gdzie h- stała Plancka, p- pęd elektronu, tak więc im większy elektron posiada pęd, czyli prędkość gdyż jego masa się nie zmienia, tym fala jest krótsza. Wysoką prędkość elektron uzyskuje poprzez przyśpieszenie w polu magnetycznym, np. przy potencjale 15kV można uzyskać falę długości λ = 0,1 Ĺ .

W mikroskopie elektronowym źródłem elektronów jest wolframowy żarnik, który pod wpływem przepływającego prądu o dużym napięciu emituje elektrony, które następnie zostają rozpędzone, napotykają na badaną próbkę, przechodzą przez układy soczewek magnetycznych i padają na ekran luminescencyjny lub w inny sposób zostają zamienione na obraz. Oczywiście cała droga elektronów odbywa się w próżni, aby nie było zakłóceń.

Obecnie stosowane są dwa rodzaje mikroskopów elektronowych: transmisyjny i skaningowy. Obydwa typy różnią się wykorzystania wiązki elektronów, więc i przygotowanie próbek jest również inne.

W mikroskopie transmisyjnym próbka jest prześwietlana wiązką elektronów, dlatego też musi ona być bardzo cienka i musi przewodzić prąd elektryczny. W praktyce trudne byłoby uzyskanie tak cienkich próbek i stosuje się repliki lub stosuje się pocienianie cienkich folii np. elektrolitycznie.

W zależności od badanego materiału i rodzaju odwzorowanej powierzchni stosuje się repliki bezpośrednie lub pośrednie. Wykonywanie repliki pośredniej polega na tym, że warstwa naparowana tworzy się nie na próbce lecz na odbitce wykonanej na powierzchni w tworzywie sztucznym o nazwie `triafol' łatwo rozpuszczalnym w acetonie.

Przygotowanie takiej próbki wygląda następująco:

• wykonanie zgładu metalograficznego i jego wytrawienie,

• wykonanie odwzorowania (matrycy) powierzchni w triafolu,

• naparowanie matrycy - umieszczamy ją w napylarce próżniowej, gdzie zostaje napylona węglem i np. platyną aby były widoczne zagłębienia powierzchni, grubość takiej błonki wynosi ok. 400 Ĺ .

• usunięcie matrycy poprzez rozpuszczenie jej w octanie metylu i po wielu operacjach suszenia i moczenia wyławiamy próbkę na specjalne siateczki nośne.

Przygotowanie cienkiej folii przebiega następująco:

• wycięcie z badanego materiału próbki wyjściowej o grubości 100 - 250 μm,

• wstępne chemiczne lub elektrolityczne polerowanie zmniejszające grubość

2 - 10 - krotnie,

• końcowe pocienianie elektrolityczne, trwające do pojawienia się pierwszej dziurki w próbce.

Metoda przygotowania repliki jest bardziej pracochłonna lecz ma jedną dużą zaletę w stosunku do cienkich folii: próbka taka udaje się znacznie częściej niż cienka folia, i oczywiście dla pewnych materiałów metoda druga jest niemożliwa do zastosowania.

Inaczej przygotowuje się próbki dla mikroskopu skaningowego, ponieważ działa ona na podobnej zasadzie jak zwykły mikroskop metalograficzny, czyli wiązka elektronów jest odbijana od próbki i trafia do układu wizyjnego, więc wymiary próbki są ograniczone jedynie wielkością komory mikroskopu, i jedynym warunkiem jest aby powierzchnia próbki przewodziła prąd, oczywiście próbka musi być sucha, bez pęcherzyków powietrza, aby możliwe było uzyskanie próżni i nie nastąpiło zniszczenie próbki.

O ile w mikroskopie transmisyjnym obrazy powstawały na luminescencyjnym ekranie, o tyle w mikroskopie skaningowym obraz otrzymujemy na ekranie telewizyjnym, co też umożliwia zastosowanie elektroniki do obróbki obrazu. Mikroskopy skaningowe mają wiele zalet w porównaniu z transmisyjnymi:

- mają płynną regulację powiększenia, czego nie osiąga się na mikroskopach transmisyjnych,

- dają możliwość oglądania dużych przedmiotów praktycznie z każdej strony,

- można nimi badać materiały niemożliwe do oglądania w mikroskopie transmisyjnym np. żywe organizmy,

- można w nich zastosować różnego rodzaju przystawki np. nowoczesne mikroskopy skaningowe są całkowicie skomputeryzowane, jest też możliwość badania składu chemicznego wybranego fragmentu próbki.

Niestety jest to jeszcze najbardziej zaawansowana technika, czyli bardzo droga, nowoczesny mikroskop może kosztować ponad milion dolarów.

Powiększenia w nowoczesnych mikroskopach sięgają obecnie ok. 2mln razy co umożliwia oglądanie pojedynczych atomów w strukturze materiału.

---