Dariusz Gąsiorek 5.5.2000r.

Gr.15D IMiR

Zespół 3

SPRAWOZDANIE Z ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

Badania materiałów przy użyciu mikroskopii elektronowej i świetlnej

KRAKÓW

Rozróżniamy dwa rodzaje mikroskopów:

- optyczne (wykorzystujące fale świetlne)

- nieoptyczne.

I Mikroskopy optyczne.

Cechy charakteryzujące mikroskop optyczny

Zdolność rozdzielcza jest to najmniejsza odległość między dwoma punktami leżącymi w

płaszczyźnie przedmiotowej obiektywu (na preparacie), których obrazy w mikroskopie

są jeszcze rozdzielone i nie zlewają się w jedną plamę .

Wg. Abbego zdolność rozdzielcza mikroskopu optycznego (jak się później okazało także elektronowego) określa następujący wzór:

,gdzie:

δ-zdolność rozdzielcza, n- współczynnik załamania światła,

α- kąt apertury, λ- długość fali światła.

A- apertura obiektywu,

Powiększenie użyteczne jest ono uwarunkowane zdolnością rozdzielczą mikroskopu i zdolnością rozdzielczą oka ludzkiego (ok.0.1 mm). W praktyce powiększenie użyteczne

Jest zależne od apertury obiektywu i wynosi (500- 1000) A, czyli sięga powiększeń 1000x.

Powiększenia większe będą powiększeniami pustymi, tj. nie wnoszącymi do obserwowanego obrazu nowych mniejszych szczegółów. Uwarunkowane jest to długością fali światła gdyż maksymalna zdolność rozdzielcza mikroskopu optycznego wynosi 0.3μm.

II Mikroskopy nieoptyczne.

Są to przyrządy pozwalające uzyskiwać powiększone obrazy małych przedmiotów, nie wykorzystujące w tym celu fal świetlnych. Zgodnie z teorią mikroskopu ( E. Abbe ) obraz w mikroskopie (mikroskop optyczny) powstaje na skutek nałożenia się zjawisk dyfrakcyjnych, stąd istnieje fizyczne ograniczenie zdolności rozdzielczej każdego mikroskopu, pozwalające dostrzec szczegóły powierzchni nie mniejsze od poł. użytej do obserwacji długości fali.

Mikroskopy elektronowe

Wraz z odkryciem falowej natury cząstek pojawiły się możliwości skonstruowania przyrządów pozwalających znacznie zwiększyć zdolność rozdzielczą. Pierwszą taką konstrukcją był mikroskop elektronowy prześwietleniowy. Jest to przyrząd, w którym preparat oświetlony jest skolimowanym strumieniem przyspieszonych elektronów . Zjawiska dyfrakcyjne powstające przy oddziaływaniu elektronów z przedmiotem (wykorzystuje się falowe własności wiązki elektronów) przetwarzane są na obraz. Wiązka elektronów ogniskowana jest za pomocą soczewek magnetycznych (odpowiednie elektromagnesy lub magnesy trwałe).

Mikroskop elektronowy pozwala uzyskać powiększenia 250 000 razy. Powiększenie sięgające 5 mln razy można uzyskać w podobnych konstrukcjach, przy zastąpieniu elektronów wiązką jonów (mikroskop jonowy), w szczególności jonów wodoru, czyli protonów (mikroskop protonowy). Istnieją mikroskopy rentgenowskie, w których próbka oświetlana jest zogniskowaną wiązką ( optyka rentgenowska ) niskoenergetycznego promieniowania rentgenowskiego.

Transmisyjny mikroskop elektronowy

Są to mikroskopy dające większe powiększenia ,gdyż wiązkę światła zastąpiono wiązką elektronów. Pierwszy transmisyjny mikroskop elektronowy skonstruowali Niemcy, Ernest Ruska i M. Knoll w 1931r.

Długość fali elektronowej De Broglie opisał następującą zależnością

,gdzie:

λ- długość fali elektronowej, h- stała Plancka,

p- pęd elektronu, m₀- masa spoczynkowa elektronu,

v- prędkość elektronu c- prędkość światła

Zasada powstawania obrazu w transmisyjnym mikroskopie elektronowym jest identyczna jak w mikroskopie optycznym biologicznym (prześwietleniowym). Schematycznie pokazano to na rys. 1. Różnica polega tylko na tym, że zamiast światła mamy wiązkę elektronów wytworzoną w tzw. Dziale elektronowym, natomiast zamiast soczewek optycznych soczewki elektromagnetyczne.

Działo elektronowe

Jego celem jest wytworzenie odpowiednio ukształtowanej wiązki elektronów .Jego konstrukcja jest analogiczna do konstrukcji źródeł emisji elektronów

występujących w lampach oscyloskopowych czy kineskopach telewizyjnych .Działo elektronowe składa się z trzech podstawowych elementów:

1. Katody- jest wykonana zazwyczaj z cienkiego drutu wolframowego odpowiednio ukształtowanego w formie ostrza. Po rozżarzeniu do temperatury ok. 2600-2800C emituje elektrony. Ze wzrostem temperatury pracy katody wzrasta emisja elektronów, a zatem uzyskujemy większą jasność wiązki.

2. Anody- jest wykonana w postaci pierścieniowej przesłony z otworem w środku. Pomiędzy anodę i katodę przykłada się napięcie przyśpieszające.

3. Cylindra Wehnelta- ma on zasadniczy wpływ na kształtowanie wiązki elektronowej. Poprzez odpowiedni dobór odległości pomiędzy katodą i Cylindrem Wehnelta oraz odpowiednią wartość napięcia przyłożonego pomiędzy katodę i Cylinder Wehnelta można uzyskać maksymalną energię wiązki i w konsekwencji maksymalną jasność.

Soczewki elektromagnetyczne

Rys.Schemat soczewki elektromagnetycznej:

1. linie sił pola w selenoidzie

2. linie sił w szczelinie nabiegunnika

3. rozkład indukcji indukcji magnetycznej

Konstrukcja soczewki oparta jest na własnościach solenoidu. Jeżeli solenoid zaopatrzymy w

ferromagntyczny nabiegunnik ze szczeliną powietrzną w środku to pole magnetyczne zostanie skupione w szczelinie, a gradient rozkładu indukcji magnetycznej będzie bardzo duży. Soczewka elektromagnetyczna ma symetrię kołową. Rozkład pola powoduje, że elektrony poruszają się torem śrubowym. Efekt ten powoduje skręcenie obrazu mikroskopowego.

Ogniskowa soczewki elektromagnetycznej jest określona zależnością:

Gdzie : f -ogniskowa soczewki,

k- współczynnik zależny od geometrii nabiegunnika,

U_a -napięcie przyspieszające mikroskopu,

N -liczba zwojów w uzwojeniu,

J - prąd płynący w uzwojeniu,

Zatem jak widać w mikroskopie elektronowym nie regulujemy ustawienia soczewki lecz przez odpowiednie napięcie ogniskową soczewki.

Soczewki elektromagnetyczne obarczone są znacznymi wadami odwzorowania rzutującymi na uzyskiwaną zdolność rozdzielczą. Wady występujące w soczewkach elektromagnetycznych są analogicznie do wad klasycznych soczewek optycznych. Najważniejsze z nich to aberacja sferyczna, aberacja chromatyczna i asygmatyzm (polega na tym, że wiązka elektronów obrazująca punkt, po przejściu przez soczewkę nie jest skupiona w jednym punkcie, lecz w dwu wzajemnie prostopadłych obszarach liniowych odległych od siebie o pewną wartość).

Transmisyjny mikroskop elektronowy składa się z:

• Układu optycznego umieszczonego w części mikroskopu zwanej kolumną,

• Układu próżniowego mikroskopu,

• Układu zasilania,

• Układu sterowania i regulacji,

• Urządzeń dodatkowych.

Układ optyczny - kolumna .

Na rys. pokazano schematycznie podstawową część mikroskopu, kolumnę z układem optycznym .Układ optyczny mikroskopu składa się z następujących elementów :

1.Działa elektronowego (opisane powyżej)

2.Układu soczewek kondensatora

Zdaniem układu soczewek kondensora jest formowanie wiązki elektronów tak aby można było zmieniać jej natężenie, kąt rozbieżności i skupiać wiązkę na preparacie tak, aby wymiar oświetlonej części próbki nie przekraczał 1μm , a więc był znacznie mniejszy niż wielkość efektywna źródła elektronów (katody).

W układzie kondensora, poniżej soczewek, znajduje się zawsze ruchoma, regulowana przesłona kondensatorowa z otworami o różnej średnicy

(Działo elektronowe wraz z soczewkami kondensatorowymi, stygmatorami i przesłoną kondensorową tworzą układ oświetlający mikroskopu).

3. Komory preparatowej

Musi zapewnić odpowiednie usytuowanie i zamocowanie preparatu. W komorze znajduje się zawsze ruchomy stolik o dużej precyzji przesuwu, oraz goniometr pozwalający na nachylanie i obracanie preparatu względem wiązki elektronowej.

4. Układu soczewek tworzący obraz

Składa się z co najmniej trzech soczewek. Pierwsza z nich nosi nazwę soczewki obiektywowej, następna soczewki pośredniej, a ostatnia soczewki projekcyjnej.

Soczewka obiektywowa ma największe znaczenie bo właśnie ona tworzy obraz obserwowanego preparatu. Wykonywana jest najdokładniej ze wszystkich soczewek, bo jej wady są przenoszone i powiększane przez następne soczewki. Soczewka pośrednia, ma duże możliwości regulacji wzbudzenia i dzięki temu może regulować powiększenie obrazu.

Soczewka projekcyjna służy do dalszego powiększania obrazu oraz do tworzenia końcowego obrazu na ekranie luminescencyjnym. W zespole soczewek tworzących obraz znajdują się dwie ruchome przesłony: obiektywowa (poprawia ostrość obrazu) i selekcyjna (wybieramy obszar preparatu z którego chcemy wykonać obraz dyfrakcyjny).

5. Układu rejestrującego mikroskopu.

Stanowi go ekran luminescencyjny na który soczewki rzucają obraz.

Układ próżniowy.

Jego zadaniem jest to aby elektron w swoim ruchu między katodą i ekranem jak najrzadziej zderzał się z cząsteczkami gazu.

Układ zasilania.

Układ zasilania elektrycznego ma za zadanie zapewnić dostarczenie odpowiednich prądów i napięć o wysokim poziomie stabilizacji dla poszczególnych zespołów mikroskopu.

Układ sterowania i regulacji.

Obecnie jest zautomatyzowany.

Mikroskopy skaningowe

Innym rodzajem mikroskopu nieoptycznego są mikroskopy skaningowe (rastrowe). W konstrukcjach tych nad próbką przesuwa się sonda skanująca, zależnie od konstrukcji może ona wysyłać wiązkę elektronów (skaningowy mikroskop elektronowy emisyjny), rejestrować prąd płynący pomiędzy sondą a próbką na skutek efektu tunelowego (skaningowy mikroskop tunelowy) lub rejestrować zmiany pola elektrycznego (skaningowy mikroskop polowy). Uzyskane informacje przetwarzane są na obraz. Te konstrukcje mikroskopów pozwalają dostrzec przedmioty rozmiarów pojedynczych atomów.

Mikroskop elektronowy

III Preparaty do badań

!. Metody pośrednie

a). Repliki dwustopniowe.

Umożliwiają badanie topografii powierzchni próbki bez jej zniszczenia. Na powierzchnię próbki przykłada się zwilżoną w rozpuszczalniku folię z acetobutylanu celulozy (triafol). Folię taką po odparowaniu rozpuszczalnika odrywa się od próbki. Stanowi ona matrycę odwzorowującą topografię powierzchni. Matrycę umieszcza się w napylarce próżniowej i naparowuje platyną i węglem. Rozpuszczając następnie matrycę triafolową w rozpuszczalniku otrzymujemy cienką replikę węglową wykazującą dzięki cieniowaniu platyną bardzo dobry kontrast. Cienką replikę umieszczamy na siateczce nośnej i wprowadzamy do mikroskopu.

b).Repliki jednostopniowe

Wykonuje się naparowując węgiel bezpośrednio na powierzchnię badanej próbki pod dużym kątem. Następnie rozpuszcza się preparat. Pozostaje błonka którą umieszczamy na siateczce nośnej.

c). Repliki ekstrakcyjne

Służą do badania wydzieleń w stopach. Reoliki ekstrakcyjne wykonuje się przez naparowanie warstwy węgla na wytrawiony zgład metalograficzny. Trawienie należy prowadzić tak, aby wytrawić osnowę a pozostawić wystające ponad powierzchnię wydzielenia. Po naparowaniu rozpuszcza się osnowę chemicznie lub elektrolityczne. Końcowym etapem jest płukanie w wodzie i gotowy preparat umieszczamy na siateczce nośnej.

d). Repliki ekstrakcyjne podwójne

Kiedy wydzieleń jest bardzo mało, albo kiedy są duże i tkwią bardzo mocno w osnowie chcąc wykonać próbkę szlifuje się na cienka blaszkę o grubości ok. 0.1 mm. Blaszkę naparowuje się obustronnie węglem. Po na parowaniu obie błonki nacina się na kwadraciki ok. 2x2mm (jednakowo z obu stron ) i umieszcza w rozpuszczalniku który rozpuszcza osnowę, a nie rozpuszcza wydzieleń.

2. Metody bezpośrednie-cienkie folie.

Preparatami dającymi najwięcej informacji o budowie wewnętrznej są cienkie folie. Można je przygotować z litych materiałów i dzięki temu badać rzeczywistą budowę materiału. Cienka folia to próbka badanego materiału ścieniona tak aby mogła przez nią przechodzić wiązka elektronowa. Zatem ich grubość nie powinna przekraczać 2000 A.

Wykonywanie cienkich folii przeprowadza się w trzech etapach:

!. Przygotowanie cienkiej próbki metalicznej o grubości 0.08-0.15 mm,

2. Wstępne ścienianie chemiczne lub elektrolityczne do grubości 0.06-0.10 mm,

3. Końcowe polerowanie elektrolityczne.

Porównanie wielkości

Rys1.Schemat powstawania obrazu w mikroskopie elektronowym

1. obraz mikroskopowy

2. obraz dyfrakcyjny

Rys. Schemat kolumny mikroskopu elektronowego

---