Электронная микроскопия

Электронная микроскопия — это совокупность методов исследования микроструктуры твёрдых тел и биологических объектов с помощью пучка электронов, позволяющая получать изображение с разрешением, значительно превосходящим возможности оптической микроскопии. В основе метода лежит использование электронов, длина волны которых в тысячи раз меньше длины волны видимого света, что позволяет различать детали размером до долей нанометра.

История

Развитие электронной микроскопии началось в первой половине XX века. В 1926 году немецкий физик Ханс Буш показал, что магнитные поля могут фокусировать пучки электронов аналогично тому, как линзы фокусируют свет. В 1931 году Эрнст Руска и Макс Кнолль в Берлинском техническом университете создали первый прототип электронного микроскопа, который давал увеличение в 400 раз. За эту работу Руска в 1986 году был удостоен Нобелевской премии по физике.

В 1938 году в США компания RCA под руководством Владимира Зворыкина выпустила первый коммерческий электронный микроскоп. В 1940-х годах были разработаны основы сканирующей электронной микроскопии. В 1950-х годах появились первые просвечивающие электронные микроскопы с разрешением на атомном уровне. В 1980-х годах была изобретена сканирующая зондовая микроскопия, расширившая возможности исследования поверхностей.

В СССР первые работы по электронной микроскопии начались в 1940-х годах в Институте кристаллографии АН СССР под руководством Н. Н. Шефтеля и В. В. Келдыша. К 1950-м годам были созданы отечественные серийные модели электронных микроскопов, такие как ЭМ-100.

Физические основы

Электронная микроскопия основана на волновой природе электронов. Согласно корпускулярно-волновому дуализму, движущийся электрон обладает длиной волны де Бройля, которая обратно пропорциональна его импульсу. Для электронов, ускоренных напряжением 100–200 кВ, длина волны составляет около 0,0025–0,0037 нм. Это на 4–5 порядков меньше длины волны видимого света (400–700 нм), что теоретически позволяет получать разрешение на уровне отдельных атомов.

Пучок электронов формируется в электронной пушке, фокусируется электромагнитными линзами и направляется на образец. Взаимодействие электронов с веществом приводит к рассеянию, поглощению, отражению и вторичной эмиссии, что даёт информацию о структуре, составе и топографии образца.

Классификация

По принципу формирования изображения электронные микроскопы делятся на несколько основных типов.

Просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ)

В просвечивающем электронном микроскопе (ПЭМ) пучок электронов проходит через тонкий образец (толщиной 50–500 нм). Электроны, рассеянные атомами образца, формируют изображение на флуоресцентном экране или детекторе. ПЭМ позволяет получать изображения с атомным разрешением (до 0,05 нм) и проводить дифракционный анализ кристаллических структур.

Сканирующий электронный микроскоп (СЭМ)

В сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) тонкий электронный зонд сканирует поверхность образца построчно. Регистрируются вторичные и отражённые электроны, а также характеристическое рентгеновское излучение. СЭМ даёт трёхмерное изображение поверхности с разрешением до 1–10 нм и позволяет проводить элементный анализ методом энергодисперсионной спектроскопии (ЭДС).

Растровый просвечивающий электронный микроскоп (РПЭМ)

Растровый просвечивающий электронный микроскоп (РПЭМ) сочетает принципы ПЭМ и СЭМ: тонкий образец сканируется сфокусированным пучком, а прошедшие электроны регистрируются детектором. Этот метод позволяет получать изображения с высоким контрастом и проводить спектроскопию потерь энергии электронов (EELS).

Другие типы

К другим типам относятся:

• Эмиссионный электронный микроскоп — регистрирует электроны, испускаемые образцом под действием нагрева или облучения.
• Зеркальный электронный микроскоп — использует отражение электронов от поверхности образца.
• Электронный микроскоп с автоэмиссионным катодом — обеспечивает высокую яркость и когерентность пучка.

Устройство и принцип работы

Основными компонентами электронного микроскопа являются:

• Электронная пушка — источник электронов (термоэмиссионный катод из вольфрама или гексаборида лантана, либо автоэмиссионный катод).
• Электромагнитные линзы — конденсорные, объективные и проекционные линзы, фокусирующие пучок.
• Вакуумная система — создаёт высокий вакуум (10⁻⁴–10⁻⁷ Па) для предотвращения рассеяния электронов на молекулах газа.
• Держатель образца — позволяет перемещать и наклонять образец в трёх измерениях.
• Детекторы — регистрируют электроны и рентгеновское излучение.
• Система управления и визуализации — компьютер с программным обеспечением для управления и обработки изображений.

Подготовка образцов

Подготовка образцов для электронной микроскопии является критически важным этапом, так как большинство материалов не выдерживают высокого вакуума и электронного облучения.

Для ПЭМ

• Утонение — механическое шлифование, ионное травление или электрополировка до толщины менее 100 нм.
• Криофиксация — замораживание биологических образцов в жидком азоте для сохранения структуры.
• Напыление — нанесение тонкого слоя углерода или металла для повышения контраста.

Для СЭМ

• Фиксация — химическая обработка биологических образцов (глутаральдегид, осмий).
• Высушивание — критическая точка или сублимационная сушка.
• Напыление — покрытие золотом, платиной или углеродом для отвода заряда.

Применение

Электронная микроскопия используется в широком спектре научных и прикладных областей:

Материаловедение

• Исследование микроструктуры металлов, сплавов, керамики, полимеров.
• Контроль дефектов кристаллической решётки, границ зёрен, дислокаций.
• Анализ наночастиц, тонких плёнок, композитных материалов.

Биология и медицина

• Изучение клеточных органелл, вирусов, бактерий.
• Исследование структуры белков и нуклеиновых кислот.
• Диагностика заболеваний (например, вирусных инфекций, раковых клеток).

Нанотехнологии

• Визуализация нанотрубок, графена, квантовых точек.
• Контроль размеров и формы нанообъектов.
• Разработка наноэлектронных устройств.

Геология и минералогия

• Анализ минералов, горных пород, метеоритов.
• Изучение микроископаемых и палеонтологических образцов.

Криминалистика

• Исследование следов выстрела, микрочастиц, волокон.
• Анализ документов и красок.

Преимущества и ограничения

Преимущества

• Высочайшее разрешение (до 0,05 нм в ПЭМ).
• Возможность элементного и структурного анализа.
• Трёхмерная визуализация поверхности в СЭМ.
• Широкий диапазон увеличений (от 10 до 1 000 000×).

Ограничения

• Необходимость высокого вакуума (непригодно для живых объектов).
• Требовательность к подготовке образцов.
• Высокая стоимость оборудования и эксплуатации.
• Возможность повреждения образца электронным пучком.
• Ограниченная глубина фокуса в ПЭМ.

Интересные факты

• Первый электронный микроскоп, созданный Руской и Кноллем, давал увеличение всего в 400 раз, но уже в 1930-х годах удалось достичь увеличения в 10 000 раз.
• В 2008 году с помощью ПЭМ впервые удалось получить изображение отдельных атомов водорода.
• Современные ПЭМ могут различать атомы размером 0,05 нм, что в 10 000 раз меньше длины волны видимого света.
• Электронные микроскопы используются для исследования лунного грунта, доставленного советскими автоматическими станциями «Луна» и американскими миссиями «Аполлон».

Источники

• Гольдштейн Дж. И., Ньюбери Д. Э. Сканирующая электронная микроскопия и рентгеновский микроанализ. — М.: Мир, 1984.
• Уильямс Д. Б., Картер К. Б. Просвечивающая электронная микроскопия. — М.: Техносфера, 2008.
• Эрнст Руска. Нобелевская лекция «Развитие электронного микроскопа» (1986).
• Книппель Г. Электронная микроскопия. — М.: Наука, 1978.
• Материалы сайта Национального института стандартов и технологий США (NIST).