Wydział Metali Nieżelaznych

Inżynieria Materiałowa

Rok III

MIKROSKOPIA ELEKTRONOWA

Piotr Janik

Wstęp:

Informacje ogólne

MIKROSKOP ELEKTRONOWY, przyrząd elektronooptyczne, w którym powiększony obraz przedmiotu otrzymuje się za pomocą wiązki elektronowej, odchylonej i skupionej przez soczewki elektronowe; pozwala uzyskać znacznie lepszą zdolność rozdzielczą niż mikroskop optyczny (do 0,2 nm), dzięki znacznie krótszej od fal świetlnych (o kilka rzędów wielkości) długości fal de Broglie'a odpowiadających elektronom (zdolność rozdzielcza mikroskopu elektronowego jest ograniczona przez

efekty dyfrakcyjne). Najbardziej rozpowszechniony jest mikroskop elektronowy prześwietleniowy, w którym bardzo cienką (rzędu 10 nm) warstewkę badanego preparatu przenika skupiona wiązka elektronowa. Główną częścią mikroskopu elektronowego jest komora próżniowa; wyrzutnia elektronowa emituje

wiązkę elektronów, które są przyspieszane polem o napięciu od kilku kV do kilku MV(najczęściej 30 - 150 kV) i osiągają znaczną prędkość; wiązka elektronowa skupiona przez soczewki elektronowe, średnicy rzędu kilku do 10 μm, przenika przez badany preparat, a następnie zostaje powiększona przez układ soczewek elektronowych i pada na ekran fluorescencyjny lub błonę fot., tworząc bardzo silnie powiększony obraz prześwietlanego preparatu.

Z punktu widzenia wykorzystywanego obrazu rozróżnia się mikroskopy elektronowe :

1) prześwietlające (najczęściej stosowane) ;

2) odbiciowe;

3) zwierciadlane;

4) emisyjne;

5) cieniowe.

Z punktu widzenia sposobu tworzenia obrazu rozróżnia się :

1) m.e. oświetlające jednocześnie cały obraz;

2) m.e. rastrowe analizujące preparat punkt po punkcie ;

3) m.e. polowe.

Mikroskopy elektronowe są wykorzystywane głównie w badaniach krystalograficznych, biologicznych, medycznych, a także w fizyce

ciała stałego. Pierwszy mikroskop elektronowy zbudowali (wg. Idei mikroskopu optycznego) w 1931 Niemcy M. Knoll i E. Ruska; pierwszy mikroskop elektronowy użytkowy wyprodukowała 1938 firma Siemens.

Porównanie mikroskopu elektronowego z mikroskopem optycznym:

- Metoda tworzenia powiększonego obrazu przedmiotu w prześwietleniowej mikroskopii optycznej i elektronowej oparta jest na podobnych zasadach optyki. W typowym mikroskopie optycznym światło żarówki zostaje skupione przez soczewkę kondensora (lub lustro wklęsłe) i przechodzi przez częściowo przeźroczysty preparat. Obraz preparatu jest następnie powiększany przez soczewki obiektywu, okularu

i odtwarzany bezpośrednio na siatkówce ludzkiego oka. Podobnie tworzony jest obraz w prześwietleniowym mikroskopie elektronowym, jakkolwiek użyte promieniowanie (światło), rodzaj soczewek, jak tez warunki odtworzenia obrazu widocznego okiem obserwatora, różnią się dość istotnie.

Cecha urządzenia:	Mikroskop optyczny, prześwietleniowy	Prześwietleniowy mikroskop elektronowy
Oświetlenie	Światło widzialne, l = 400-800 nm	Wiązka elektronów, l = 0,004 nm
Maksymalne powiększenie	2 000 x	2 500 000 x, lub więcej
Zdolność rozdzielcza	1 μm	do 0,22 nm
Sposób obserwacji	Bezpośredni	pośredni (obraz tworzony jest na ekranie fluoryzującym)
Preparaty	Przeźroczyste optycznie	Przeźroczyste dla wiązki elektronów (niekoniecznie przeźroczyste dla światła widzialnego)
Stosowane soczewki	Szklane, kwarcowe	Elektromagnetyczne, elektrostatyczne

Budowa mikroskopu elektronowego:

Schemat

K1, K2 - soczewki kondensorowe, 

P - preparat, 

Ob - soczewka obiektywowa, 

P - soczewka pośrednia, 

Pr - soczewka projekcyjna, 

E - ekran pokryty luminoforem, 

F - kaseta z kliszami fotograficznymi, 

V - zawory próżniowe

Bardzo ważną częścią mikroskopu elektronowego jest układ odpowiedzialny za wytwarzanie próżnie. Próżnia jest konieczna z tego względu że napotkane cząstki mogły by stanowić przeszkodę dla wiązki elektronów i otrzymany obraz byłby zniekształcony lub w ogóle by nie powstał.

Zasada działania:

Światło widzialne jest zastąpione w mikroskopii elektronowej wiązką elektronów, przyśpieszonych pod wpływem silnego pola elektrycznego. Źródłem elektronów jest tzw. działo elektronowe. Niewielki drut wolframowy, wygięty w kształcie litery „V”, rozgrzany prądem do temperatury powyżej 1000oC, emituje chmurę elektronów na skutek efektu termoemisji. Pomiędzy katodą, którą jest drut wolframowy, a anodą umieszczoną w dolnej części działa, wytworzona jest różnica potencjałów np. 1000 000 V. Elektrony, które przeszły z katody do próżni, zostają przyśpieszone polem elektrostatycznym i skierowane

w stronę otworu w anodzie. Skupienie wiązki osiąga się przez wykorzystanie pola elektrostatycznego wytworzonego przez tzw. cylinder Wehnelta, który znajduje się na drodze wiązki między katodą, a anodą. Jest to soczewka elektrostatyczna, wytwarzająca ujemne pole potencjału powodujące odpychanie

ujemnie naładowanych elektronów. W efekcie, wiązka zostaje wstępnie skupiona i skierowana do dalszej części kolumny mikroskopu.

Budowa soczewek

Cewka, zasilana prądem stałym, obudowana jest płaszczem z materiału ferromagnetycznego. W środkowej części płaszcza utworzona jest szczelina, uniemożliwiająca pełne zamknięcie pola magnetycznego w płaszczu

ferromagnetycznym. Końce szczeliny są biegunami magnesu N i S , wokół których w specyficzny sposób układają się linie sił pola magnetycznego. Kształt linii pola magnetycznego jest bardzo precyzyjnie ustalany przez nabiegunniki soczewki. Najmniejszy błąd wymiarowy, lub wada materiałowa w nabiegunnikach, może silnie zakłócić kształt pola magnetycznego i spowodować wadliwe działanie soczewki. Stabilność układu powiększającego wymaga bardzo wysokiej stabilizacji prądu soczewek, od którego zależy pole magnetyczne wytworzone w soczewkach. Również niewielkie wahania napięcia

przyśpieszającego, zmieniając nieznacznie prędkość elektronów, mogą spowodować drgania obrazu na ekranie. Z tego powodu, napięcie przyśpieszające jest stabilizowane z dokładnością lepszą niż 0,1 V (zmiany napięcia nie powinny przekraczać ±
wartości nominalnej). Podobnie wysoką dokładność stosuje się również przy stabilizacji prądu soczewek elektromagnetycznych.

Budowa układu próżniowego

Próżnia we wnętrzu kolumny jest wytwarzana na drodze wielostopniowego pompowania za pomocą systemu pomp i zaworów kierujących kolejnymi etapami pompowania. W mimośrodowym wirniku pompy umieszczone są łopatki, którymi powietrze wtłaczane jest do otworu wylotowego ukrytego pod warstwa oleju. Olej ma na celu uszczelnienie zaworu, oraz układu łopatek i

komory wewnętrznej. W ten sposób można osiągnąć próżnię ok.
Tr. Jest to jednak próżnia niewystarczająca do pracy mikroskopu. Dokładniejsze usunięcie resztek powietrza z kolumny uzyskuje się poprzez otwarcie zaworów łączących

wnętrze kolumny z pompą dyfuzyjną i rotacyjną. Resztki gazów pompowane są wtedy przez pompę dyfuzyjna do zbiornika próżni, a stąd odciągane przez pompę rotacyjna na zewnątrz. Pompa dyfuzyjna wytwarza próżnię ok
Tr, co wystarcza do uzyskania sprzyjających warunków dla emisji wiązki elektronowej. Może ona jednak pracować tylko w warunkach wstępnej próżni wytworzonej przez pompę rotacyjną, poniżej
Tr. Zasada działania pompy opiera się na zjawisku wytwarzania się różnicy ciśnień w strefach parowania i kondensacji par cieczy. W układzie pompy dyfuzyjnej, olej silikonowy znajdujący się w dolnym zbiorniku, jest podgrzewany do temperatury wrzenia i pary oleju wyrzucane są dyszami na boczne ścianki cylindra pompy. Na chłodzonych ściankach pompy, pary oleju zostają skroplone i ponownie pływają do zbiornika. Ciągły obieg wrzenia i skraplania par oleju powoduje różnicę ciśnień między górnym a dolnym otworem pompy, dając efekt pompowania.

Wśród nowoczesnych pomp wytwarzających wysoką próżnię, w systemach mikroskopów elektronowych wykorzystuje się często pompy jonowe lub molekularne. Pompa jonowa jest podłączona bezpośrednio od kolumny mikroskopu i nie ma otworu odprowadzającego gazy na zewnątrz. Zasada

działania pompy jonowej polega na jonizowaniu cząsteczek gazy pod wpływem wysokiego napięcia (5kV) i adsorbowania ich przez gąbczastą metaliczną (tytanową) powierzchnię katod. Po dłuższym czasie, pompa jonowa ulega „zatkaniu”, ponieważ porowate nawierzchnie elektrod nie mogą już więcej wchłonąć gazu i wtedy należy przeprowadzić zabieg oczyszczenia katod przez podgrzanie ich w warunkach dostatecznie wysokiej próżni i uwolnienia zaadsorbowanych gazów. Pompy molekularne przypominają budowa zwykłe pompy wirnikowe, gdzie obracająca się turbina powoduje efekt pompowania gazu. Pompa molekularna pracuje jednak w wysokiej próżni wytworzonej

wstępnie przez pompę rotacyjną. W związku z tym, turbinka wirnika może osiągać bardzo duże szybkości obrotowe, które umożliwiają mechaniczne wyrzucenie drobin gazu do wlotu pompy rotacyjnej. Zaletą pompy molekularnej, jak też jonowej, jest duża „czystość” próżni i zmniejszenie efektu kontaminacji na obserwowanych preparatach elektronomikroskopowych.

Mikroskop elektronowy skaningowy

Mikroskop skaningowy należy do grupy mikroskopów elektronowych, w których wiązka elektronów wytwarzana jest w podobny sposób, jak w przypadku TEM. Podobny jest również układ próżniowy, tak jak w każdym mikroskopie elektronowym. Wiązka, emitowana przez działo elektronowe, skupiona przez układ kondensora, następnie jest kierowana na powierzchnię masywnego preparatu. Preparatem może być zwykły zgład metalograficzny. Na drodze wiązki elektronów znajdują się elektromagnesy odchylające wiązkę w kierunku X-X i w kierunku do niego prostopadłym, Y-Y. Silnie skupiona wiązka, o średnicy 0,1-1 μm biegnie po powierzchni preparatu podobnie jak plamka na ekranie telewizora. Jednak jej ruch po powierzchni próbki jest ograniczony do bardzo małych odległości X i Y. Obok próbki znajduje się licznik elektronów odbitych od powierzchni próbki, które wpadając do niego powodują powstanie sygnału prądowego. Sygnał jest wzmacniany elektronicznie i przesyłany do monitora TV, w którym intensywność świecenia plamki na ekranie jest proporcjonalna do sygnału z detektora. Plamka na kineskopie przesuwa się z taką samą częstotliwością, jak wiązka po powierzchni próbki. Na monitorze zatem tworzy się obraz odpowiadający topografii powierzchni od której zostały odbite elektrony. Powiększenie obrazu w mikroskopie skaningowym jest równe stosunkowi szerokości ekranu monitora do szerokości pola, po którym przebiega wiązka skanująca powierzchnię próbki. Zmianę powiększenia uzyskuje się zmniejszając, lub zwiększając odchylenie wiązki biegnącej po powierzchni próbki w kierunku X i Y. Zdolność rozdzielcza mikroskopu zależy przede wszystkim od średnicy wiązki: im mniejsza wiązka,

tym większą uzyskuje się rozdzielczość obrazu. Na ogół jednak, powiększenia uzyskiwane za pomocą mikroskopu skaningowego nie przekraczają jednak kilkudziesięciu tysięcy razy. Są znacznie mniejsze niż w przypadku mikroskopów prześwietleniowych Wiązka elektronów padających na powierzchnię próbki nie tylko powoduje odbicie elektronów. Część elektronów zostaje pochłonięta, a utworzony prąd może być użyty do wytworzenia obrazu elektronów pochłoniętych. Obraz tworzy się na monitorze TV tak samo jak w poprzednim przypadku dla elektronów odbitych, z tym jednak, że intensywność świecenia plamki na monitorze jest związana z wartością prądu wiązki pochłoniętej. Padające na próbkę wysokoenergetyczne elektrony wybijają z atomów elektrony wtórne. Badanie widma promieniowania wtórnego i dyfrakcji elektronów wtórnych i odbitych dostarcza ciekawych informacji, m.in. o strukturze krystalograficznej materiału.

Podstawowe preparaty:

Podstawowymi preparatami stosowanymi w mikroskopii elektronowej są cienkie folie. Są to elementy wycięte w specjalny sposób z badanego materiału i po przez szereg operacji scienione aż do osiągnięcia rządniej grubości preparatu.

Etapy przygotowania próbki do obserwacji pod mikroskopem elektronowym:

1.wycinanie próbki z badanego materiału

2.szlifowanie próbki na papierze ściernym

3.wycięcie krążka o średnicy 3mm za pomocą „dziurkacza”

4.ścienianie (jonowe, elektrolityczne) próbki

Ad 1. Wycięcia próbki z badanego materiału można dokonać przy pomocy specjalnej piły tarczowej przy zastosowaniu tarczy o końcówce diamentowej. Ważne jest aby metoda wycinania nie wprowadzała zmian struktury lub nie prowadziła do zgięcia próbki. Inną metodą jest metoda elektroiskrowa w nafcie która za pomocą iskier pozwala na wycięcie fragmentu badanego przedmiotu.

Ad 2. Aby przeprowadzić szlifowanie próbki na papierze ściernym należy ją najpierw przykleić do specjalnej śruby która ułatwia szlifowanie. Przy jej pomocy możemy tak szlifować materiał aby otrzymać idealnie gładką i płaską powierzchnie. Następnie próbkę odklejamy i poddajemy dalszym zabiegom prowadzącym do zmniejszenia jej grubości.

Ad 3. Aby móc zastosować próbkę do badań pod mikroskopem elektronowym trzeba nadać jej kształt krążka o średnicy 3 mm. Rozmiar ten jest to norma przyjęta przez producentów mikroskopów. Czynność tą wykonujemy przy pomocy specjalnego dziurkacza który działa na zasadzie podobnej jak dziurkacz do papieru.

Ad 4. W celu dalszego zmniejszenia grubości próbki poddajemy ją procesowi ścienniania jonowego. Proces ten jest wykonywany w ściemniaczu jonowym. Urządzenie to wymaga zapewnienia próżni i za pomocą 2 dział jonowych bombarduje naszą próbkę jonami argonu. Proces ten jest długo trwały.

Tak przygotowaną próbkę można zamontować w uchwycie mikroskopu elektronowego i dokonać obserwacji struktury.

Przebieg ćwiczenia:

Podczas ćwiczenia mieliśmy okazje zapoznać się z metodami przygotowania preparatu (cienkiej foli) do obserwacji przy pomocy mikroskopu elektronowego. Zapoznaliśmy się z urządzeniami niezbędnymi do przygotowania preparatu takimi jak piła tarczowa o końcówce diamentowej, ścieniacz jonowy, „dziurkacz” do wycinania krążków. Następnie mieliśmy możliwość zobaczyć mikroskop elektronowy i oglądnąć zdjęcia preparatów wykonane przy jego pomocy.

---