Сканирующий электронный микроскоп
Сканирующий микроскоп – это прибор, который используют в разных отраслях с целью изучения объектов под большим увеличением, где применяют энергетический электронный пучок. Сканирующий микроскоп стал известным уже с начала 1930 годов, когда началось изучение органических клеток и тканей. Основное отличие светового микроскопа от электронного заключается в оптической системе последнего, в ней применяются электромагнитные линзы и электростатические, которые направляют пучок электронного луча и фокусируют его на исследуемом объекте с целью получения увеличенного изображения и изучения его.
Устройство сканирующего микроскопа, принцип действия
Сканирующий электронный микроскоп: принцип работы основан на том, что из него исходит электронный пучок разной энергии. На исследуемом образце он фокусируется в виде пятна, размер которого не превышает 5нм. Благодаря этому пятну и происходит сканирование всей поверхности объекта. При столкновении электронного пучка с поверхностью объекта, он немного проникает в нее, при этом происходит процесс эмиссии не только электронов, но и фотонов из самого предмета, который подлежит обследованию, которые и попадают в электронно-лучевую трубку, в которой они преобразуются в изображение.
Все полученные изображения при исследовании сканирующим электронным микроскопом делятся на те, которые образуются из вторичных электронов; те, которые формируются из рассеянных электронов, а также те, которые получены за счет рентгеновского излучения.
Применение электронной микроскопии в разных отраслях не только науки, но и техники характеризуется использование разной микроскопии. Вкратце остановимся на каждой из них.
Виды, отличия
На сегодня в медицине используют два вида сканирующих микроскопов:
Преимущества и недостатки
Сканирующий электронный микроскоп имеет целый ряд преимуществ и достоинств. Среди них основное место принадлежит следующим:
Но помимо достоинств, сканирующая микроскопия имеет и определенные недостатки. Среди них на первый план выступают:
Учитывая все это, смело можно сказать, что сканирующий электронный микроскоп является прибором, который способен показать то, что при оптической микроскопии не удается увидеть.
Устройство и преимущество сканирующего электронного микроскопа
Электронные микроскопы — это научные приборы, которые исследуют объекты в очень большом масштабе с применением энергетического электронного пучка.
Эти приборы были разработаны еще в начале 1930-х годов, в связи с возникшим научным желанием исследовать мельчайшие детали строения органических клеток, которые требуют более чем 10000-х увеличения.
Ограничения оптических микроскопов стимулируют изобретение электронных микроскопов.
Электронный микроскоп отличается от оптического тем, что использует электростатические и электромагнитные линзы для направления электронного луча и фокусировки его для освещения образца с целью формирования изображения.
Хотя принцип действия электронно-оптических линз кажется схожим со стеклянными линзами с изобретением светового оптического микроскопа, но концепция и форма изображения с электронным совершенно различны.
Прежде всего, возникает два вопроса: Что такое электронный микроскоп? Чем электронный микроскоп отличается от оптического?
Типы электронных микроскопов
Существует два типа электронных микроскопов:
Они имеют общие черты, но есть и различия между ними.
Все виды микроскопов широко используются для диагностики в медицине и ветеринарии, медицинских исследованиях, исследованиях и разработках материалов и новых материалов для промышленности, а также в других науках, таких как археология, металлургия, ботаника, зоология.
Принцип работы
Сканирующий электронный микроскоп (СЭМ) — это тип электронного микроскопа, который изображает образец, сканируя его сфокусированным пучком заряженных электронов в растровом сканирующем узоре (прямоугольном узоре захвата и реконструкции изображения). Различные сигналы, которые могут быть обнаружены, когда электроны взаимодействуют с атомами в образце, где сигналы могут быть интерпретированы в информацию о свойствах поверхности образца. Затем положение луча комбинируется с обнаруженным сигналом для получения изображения. СЭМ может достигать разрешения лучше, чем 1 нанометр. 
Образцы можно наблюдать в высоком вакууме, в низком вакууме, во влажных условиях, в окружающей среде, а также в широком диапазоне криогенных или повышенных температур.
Наиболее распространенным режимом СЭМ является обнаружение вторичных электронов, испускаемых атомами, возбужденными электронным пучком. Количество вторичных электронов зависит от угла, под которым пучок встречается с поверхностью образца. При сканировании образца и сборе вторичных электронов с помощью специального детектора создается изображение, отображающее топографию поверхности.
Как следует из названия, СЭМ использует электронную пушку, которая испускает сфокусированный пучок электронов высокой энергии, заменяющий источник света, используемый в оптическом микроскопе.
Достоинства
Недостатки
Таким образом, эти факты ограничивают использование при исследованиях и промышленном применении.
Основные компоненты и устройство
Работа сканирующего электронного микроскопа во многом похожа на работу видеокамеры.
Внутренняя часть прибора представляет собой вакуум, чтобы электронные лучи не врезались в молекулы воздуха.
Основные компоненты включают:
Электронная пушка
В верхней части расположена электронная пушка, испускающая электроны. Как правило, нагретые вольфрамовые нити используются для испускания электронов.
Анод притягивает эти электроны и позволяет им проскользнуть через отверстие в нем. Этот луч отклоняется отклоняющими катушками и сканируется над образцом по оси x и y, что очень похоже на то, что мы используем в электронно-лучевой трубке, используемой в старых больших телевизорах.
Линзы: электроны имеют форму пучка, который должен быть сфокусирован на маленьком пятне размером около одной миллиардной метра, прежде чем они достигнут образца. Эта фокусировка осуществляется с помощью электромагнитных линз, которые используют свойство изгиба электрона из-за магнитного поля.
Камера
Исследуемый образец находится в нижней части камеры, которую можно перемещать вдоль направлений x, y и z, а также поворачивать под определенными углами. Она также изолирует СЭМ от вибраций. СЭМ обладает высокой чувствительностью к вибрации, так как она вызывает искажение снимаемого им изображения. Прежде чем образец попадет в камеру, необходимо убедиться, что он свободен от пыли. Чаще всего для шлифования образца используется тонкое покрытие из металла.
Детекторы сигналов
Когда электронный пучок попадает на поверхность образца, генерируется целый ряд сигналов.
Каждый сигнал обнаруживается отдельными детекторами. Вторичные электроны, генерируемые этим электронным пучком, обнаруживаются с помощью сцинтиллятора/фотоумножителя, который является интересным устройством, используемым для обнаружения слабых уровней света. С помощью этого детектора вторичных электронов выявляется поверхностная структура и топологический контраст. Обратное рассеяние электронов регистрируется с помощью твердотельных диодов, и это дает информацию о топологии, атомном номере и кристаллографии образца. Образец также испускает рентгеновские лучи, видимый свет, УФ-и ИК-излучение, которые обнаруживаются другими специфическими детекторами.
Вакуумная камера
Вакуум является важным критерием правильного функционирования.
Как и без вакуума, электроны, генерируемые электронной пушкой, могут подвергаться постоянным помехам, вызванным частицами воздуха, присутствующими внутри камеры. Воздушная частица не только блокирует электроны, испускаемые электронной пушкой, но и может выбивать электроны из образца, тем самым повреждая исследуемый образец. Большая часть сканирующих электронных микроскопов работает при давлении 0,0001 торр, что составляет около 1,315/10000000 атмосферного давления по сравнению с атмосферным давлением уровня моря.
Пульт управления
Пульт управления отвечает за регулировку излучений от электронной пушки, фокусировку электромагнитных линз, потенциал ускорения пучка, размер и скорость сканирования. Электроны, улавливаемые этими детекторами, поступают в монитор, который создает изображение. Увеличение регулируется за счет уменьшения размера сканирования. Высококачественные фотографии можно сделать снизив скорость сканирования.
Что такое СЭМ?
Рисунок 1. Внешний вид типичного сканирующего электронного микроскопа.
Сканирующий электронный микроскоп (СЭМ) — это многофункциональное оборудование, которое далеко выходит за рамки устройства для получения увеличенных изображений. На рис. 1 фото типичного сканирующего электронного микроскопа, который состоит из электронно-оптической колонны, блока электроники и управляющего компьютера (иногда колонна и блок электроники объединены). У всех современных СЭМ изображения формируются сразу в цифровом формате, окуляров нет.
Сравнение СЭМ с другими распространёнными микроскопическими техниками условно можно представить себе следующим образом, рис. 2: а) оптическая микроскопия — цветные снимки при малых и средних увеличениях; б) сканирующая электронная микроскопия — чёрно-белые снимки при малых, средних и больших увеличениях, объекты на снимках выглядят объёмными; в) просвечивающая электронная микроскопия — чёрно-белые снимки при больших и очень больших увеличениях, объекты на снимках выглядят плоскими.
В колонне СЭМ есть, сверху вниз: электронная пушка, где формируется пучок электронов; набор электромагнитных катушек, которые этот пучок фокусируют; камера образцов, где размещаются образцы. В наименовании СЭМ есть слово «сканирующий», потому что при построении СЭМ-изображений тонко сфокусированный пучок электронов сканирует поверхность образца, т.е. закрашивает образец точку за точкой. СЭМ-изображение формируется вслед за движением электронного пучка последовательно во времени, пиксель за пикселем. Для сравнения, фотографирование на фотоплёнку — это параллельный способ формирования изображения, потому что все зёрна фотоплёнки засвечиваются одновременно. Чем меньше диаметр электронного пучка, тем лучшего пространственного разрешения СЭМ можно добиться. Типичный диаметр электронного пучка
Самые распространённые детекторы сканирующего электронного микроскопа
Теперь пусть СЭМ-детекторы перестанут быть безликими, пусть они из абстрактных детекторов «1», «2», «3» … превратятся в детекторы с конкретными наименованиями и соответствующим перечнем регистрируемых свойств образца. Три самых распространённых СЭМ-детектора, которые вы встретите в подавляющем большинстве сканирующих электронных микроскопов — это:
Приставки SE, BSE и EDS — это далеко не полный перечень детекторов, которые могут быть установлены на колонну сканирующего электронного микроскопа. См. здесь подробное описание остальных СЭМ-детекторов производства компании TESCAN (того же производителя, что и изготовитель электронно-оптической колонны). Здесь описание детекторов и аксессуаров для сканирующего электронного микроскопа, которые выпускаются сторонними производителями, но которые при этом совместимы с микроскопами марки TESCAN. Часть детекторов можно купить при приобретении СЭМ, а другую часть докупить позже, постепенно превращая сканирующий электронный микроскоп в многофункциональное устройство для исследований свойств материалов.
Какими должны быть образцы, подготовленные для исследований в сканирующем электронном микроскопе
В камере СЭМ исследование образцов происходит в вакууме, так как иначе пучок электронов рассеивался бы на молекулах атмосферы и не долетал бы до образца. Для замены образцов в камере микроскопа временно создаётся атмосферное давление, но после камера снова откачивается. У микроскопов TESCAN длительность откачки камеры образцов от атмосферы до рабочего вакуума составляет менее 3 минут, поэтому менять образцы много раз в течение дня — это обычная практика. Исходя из конструктивных особенностей СЭМ, подытожим основные требования к образцам, предназначенным для исследований в сканирующем электронном микроскопе:
Сравнение сканирующей электронной микроскопии с оптической микроскопией
Сравним сканирующую электронную микроскопию с повсеместно распространённой оптической микроскопией. Основные отличия СЭМ от оптического микроскопа:
Рисунок 9. Сравнение глубины резкости сканирующего электронного микроскопа и оптического стереомикроскопа
Рисунок 10. Челюсть крота, снимок получен за один проход сканирования, без использования панорамной сшивки кадров. Данное СЭМ-изображение демонстрирует и широкое поле обзора СЭМ, и большую глубину резкости СЭМ
Рисунок 12. Пример корреляционной микроскопии: а) локализация бактерий helicobacter pylori на образце биологической ткани. Зелёные маркеры, указывающие на местоположение колоний helicobacter pylori, хорошо видны во флуоресцентном микроскопе, но не в СЭМ; б) после того, как благодаря корреляционной микроскопии колония helicobacter pylori найдена, можно фотографировать в СЭМ индивидуальные бактерии при гораздо большем увеличении, чем это было бы доступно с оптическим микроскопом
Краткий обзор специальных приложений СЭМ
Зачастую использование СЭМ ограничивается лишь получением SE- и BSE-изображений и точечным анализом составов с помощью детектора ЭДС. Следующий уровень освоения сканирующего электронного микроскопа — это применение специальных методик, расширяющих функционал СЭМ:
Рисунок 16. Пример реконструкции трёхмерной поверхности, выполненной с помощью программы Alicona Mex на основе стереопары изображений одного и того же участка: а) один из двух СЭМ-снимков стереопары; б) результат реконструкции; в) профиль перепеда высот, откуда следует, что глубина наблюдаемого кратера 200 мкм
Рисунок 17. Полированный образец песчаника. Один и тот же участок наблюдается с помощью трёх СЭМ-детекторов: а) детектор обратно отражённых электронов BSE, б) панхроматический катодолюминесцентный детектор, в) цветной катодолюминесцентный детектор. В то время как на BSE-изображении зёрна песчаника выглядят одинаковыми, CL-детекторы показывают вариации оттенков
Многие из перечисленных выше методик требуют приобретения дополнительных детекторов или дополнительного программного обеспечения, что может быть сделано как на этапе покупки микроскопа, так и позже в виде upgrade. На других страницах нашего сайта более подробно освещаются некоторые из приложений, затронутых выше.
Зачем нужна ионная колонна?
Сканирующий электронный микроскоп позволяет наблюдать поверхность образцов. А что скрыто под поверхностью? Обычно для ответа на этот вопрос из образца готовится поперечное сечение или скол. И то, и другое означает разрушение образца. С помощью ионной колонны можно обойтись микроразрушениями, не ломая образец целиком.
Рисунок 18. а) схема совместной работы ионной и электронной колонн двулучевого сканирующего электронно-ионного микроскопа FIB-SEM. Создание локального микрошлифа (кросс-секции); б) типичная кросс-секция, поверхность кросс-секции и поверхность образца составляют угол 90 градусов
Если к СЭМ добавляется ионная колонна, то такой микроскоп называется двулучевым сканирующим электронно-ионным микроскопом FIB-SEM. Схема работы FIB-SEM представлена на рисунке 18а: ионная колонна создаёт сфокусированный пучок высокоэнергетических ионов (чаще всего ионов галлия), который сканирует поверхность образца схожим образом, как это делает и электронный пучок. Но у ионного пучка по сравнению с электронным гораздо более разрушительное воздействие на образец. Ионный пучок, ударяясь в образец, вытравливает материал образца. Программное обеспечение микроскопа FIB-SEM направляет ионный пучок так, чтобы из образца сформировалась задуманная фигура, чаще всего это локальный микрошлиф, который называют кросс-секцией (рисунок 18б). Микрошлиф ориентирован таким образом, чтобы он сразу после приготовления был доступен для наблюдений с помощью электронной колонны, без необходимости как-либо вращать или наклонять столик образцов. Преимущества FIB-микрошлифов по сравнению с традиционными механическими методами пробоподготовки:
Чем отличаются сканирующие электронные микроскопы друг от друга?
На рынке предлагаются сканирующие электронные микроскопы, стоимости которых отличаются в разы и десятки раз. По каким признакам различаются СЭМ, что так влияет на их стоимость и, соответственно, функционал?
Таким образом, линейку TESCAN в каталоге «Оборудование» на данном сайте можно кратко описать так:
Как работает электронный микроскоп? Разбор
Давайте начнем с маленькой загадки — как вы думаете, что это такое?
Ну а пока представьте, что вы хотите рассмотреть что-то очень маленькое, то что невозможно увидеть просто “присмотревшись повнимательнее”? Или вы хотите увидеть самые мелкие детали чего-то? Что вы используете?
Первое, что приходит в голову — использовать лупу или сразу взяться за микроскоп!
Но что делать, если вы хотите рассмотреть саму структуру чего-то, например, увидеть транзистор в процессоре?
Что вы сделаете? Просто переключитесь в микроскопе на линзу с большим увеличением? Сработает ли это?
Сегодня мы с вами покроем множество очень интересных тем:
Все как вы любите! Подробно и понятно…
Ну и еще сразу вам тут затравочку — сегодня мы посмотрим на Droider в настоящий электронный микроскоп! И нет — это не кликбейт!
Наверняка кто-то из вас в детстве по примеру Шерлока Холмса с помощью обычной линзы разглядывал все вокруг! Ведь это так круто видеть что-то в увеличении — создается ощущение, что открывается абсолютно новый, неизведанный маленький мир.
Так вот, если говорить простыми словами, то по принципу обычной увеличительной линзы и работает обычный оптический микроскоп!
Конечно, его устройство сильно сложнее — микроскоп это комбинация линз с заранее подобранными оптическими параметрами, которые собраны в правильной комбинации. Однако, сам принцип работы остается тем же.
Свет в видимом диапазоне длин волн либо проходит сквозь объект, либо отражается от поверхности, и, проходя, через систему увеличивающих и фокусирующих линз попадает сначала в окуляр и потом к нам в глаз.
Современные оптические микроскопы — это действительно массивные и сложные устройства, состоящие из десятков различных линз и зеркал, которые собраны в особом порядке, чтобы дать человеку возможность смотреть на объекты разного типа и с разным увеличением!
И линзы бывают разные. От линз с 2-3 кратным увеличением до довольно массивных линз со способностью увеличивать объекты в 100 раз. Только посмотрите на разрез линзы от компании Цайз с 50кратным увеличением! А комбинацией с правильным окуляром можно добиться увеличения даже в две тысячи раз.
Проблема
И тут мы можем задать вопрос — в чем же тогда проблема вообще? Ведь можно просто до безумия искривлять линзы и создавать сложные системы, которые будут увеличивать даже в десятки тысяч раз. Таким образом мы и сможем посмотреть на самые крошечные детали чего угодно! Но все как обычно очень непросто и связано это с физическими ограничениями видимого света!
Ведь видимый свет это волна с определенной длинной. Оптический микроскоп использует его оптический спектр, то есть примерно от 800 до 400 нанометров.
А физика, бессердечная такая сволочь, к сожалению не позволяет нам, различать объекты, которые меньше примерно половины длины волны. То есть с помощью обычного оптического микроскопа, мы не сможем различить ничего что мельче примерно 200 нанометров.
Это ограничение получило название в честь Немецкого ученого Эрнста Аббе, которое так и называется — Дифракционный предел Аббе. И он позволяет получить значение минимального разрешения не только для видимого света, но и для любой другой электромагнитной волны. Вы ведь помните что свет — это тоже электромагнитная волна?
Внимательный наш читатель вспомнит, что эту же формулу мы показывали вам в ролике про экстремальную ультрафиолетовую литографию, когда говорили об ограничении разрешения для глубокого ультрафиолета. Так вот тут тоже самое.
Современные микроскопы со специальными линзами, конечно, умеют смотреть на маленькие объекты и позволяет, например, увидеть живые клетки или даже бактерии, но этого все равно не хватает, например, чтобы увидеть вирусы — тот же самый SARS-COV-2.
Решение проблемы
И как же обойти эту проблему? Да и вообще возможно ли ее обойти? Оказалось? что да. В целом есть два пути.
STED микроскопия
Первый путь, о котором мы вам тут расскажем — это изобретение за которое совсем недавно, в 2014 году, была вручена Нобелевская премия по химии.
Это так называемая STED или микроскопия на основе подавления спонтанного испускания. Именно она позволяет преодолеть дифракционный предел оптического микроскопа.
Правда у технологии есть ограничение — совсем не все материалы можно рассмотреть в такой микроскоп. Но она позволила видеть различные сложные белковые, да и другие органические соединения!
Это связано с тем, что необходимо смотреть на материалы, которые могут переходить в особое состояние под воздействием лазерного излучения. То есть в состояние, когда они сами начинают испускать свет!
Как же это работает?
Тут используется два лазера, один из которых называется возбуждающий лазер, и второй, специально подобранный по параметрам длины волны. Он называется охлаждающим лазером.
Этот охлаждающий лазер компенсирует по периметру возбуждение от первого лазера и в результате сочетания этих волн создается очень маленькая область, которая начинает светиться. Появилась возможность различать объекты величиной уже около 30 нм, что уже позволяет видеть вирусы, например! А это почти в 7 раз меньше, чем у обычного микроскопа! Все равно, что с Земли рассмотреть футбольный мяч на Луне! Вот такой вот элегантный метод обмануть физику!
Электронный микроскоп
Ну хорошо. Теперь мы разобрались с тем, как можно преодолеть физический барьер в оптической микроскопии. Какой же второй путь обхода барьера? Да и что делать, если мы хотим увидеть неорганические вещества или вообще что-то меньше 30 нанометров?
И тут мы опять возвращаемся к нашей формуле, которая говорит нам о том, что максимальное разрешение — это половина длины электромагнитной волны. И ученые подумали — а зачем использовать видимый спектр, когда можно взять что-то с очень короткой длиной волны и пошли смотреть, что же там есть в коротковолновом спектре!
В общем, они решили не мелочиться и использовать сразу пучок электронов. Ведь длина волны электронов, ускоренных в электрическом поле равна примерно 0,4 Ангстрем. Или 0.04 нанометра! Это в 10 тысяч раз меньше, чем у видимого света! Кстати, если вы не знали, то размер атома водорода как раз около 1 Ангстрема. Итак, давайте разберемся что же такого крутого в электронных микроскопах!
Источник электронов и линзы
Сам концепт и первый прототип такого микроскопа был представлен, вы не поверите, еще в 1932 году, в Германии, и выглядел он вот так!
В целом, принцип работы с тех пор остался почти неизменный, хотя конечно его использование стало намного более User Friendly.
Но как же он работает?
Если вы смотрели наше крутое видео о магии создания процессора или читали материал, то там мы рассказывали, что для испарения некоторых материалов используется сфокусированный луч электронов и источником этих электронов служит вольфрамовая нить. В электронном микроскопе все примерно также. Зачастую вольфрам служит источником электронов. Тонкая нить нагревается до высоких температур и начинает испускать электроны в большом количестве.
А дальше начинается самое интересное. Эти электроны надо ускорить и сфокусировать. Да — сфокусировать именно так, как вы фиксируете свет в вашем объективе или обычном оптическом микроскопе. Только в этом случае воспользоваться стеклянными линзами просто не получится — весь электронный пучок полностью поглотится на самой первой линзе. В итоге для этого надо использовать электростатические линзы. Фактически, это такие электроды специальной формы, которые создает определенное электромагнитное поле. Это и позволяет фокусировать луч электронов, а также ускорять их до больших энергий!
Так же как и свет, падающий на поверхность материала в оптическом микрокопе, электронный луч дает нам информацию и позволяет фактически увидеть образец.
Тут стоит сказать, что в целом существует два основных типа электронных микроскопов, которые очень сильно отличаются.
Первый — это так называемый сканирующий электронный микроскоп, или просто СЭМ.
В нем сфокусированный пучок электронов попадает на поверхность образца практически любого размера, и происходит магия физики, из-за которой одни электроны выбивают другие электроны из атомов материала, на который мы смотрим.
Эти новые электроны называются вторичными и обладают относительно маленькими энергиями, что и позволяет специальному детектору их легко улавливать. Появление этих вторичных электронов происходит очень локально и это позволяет повысить точность получение изображения.
Дальше сфокусированный пучок начинает сканировать поверхность материала и в зависимости от рельефа поверхности на детектор попадает разное количество вторичных электронов. Вот так и получается картинка.
Именно поэтому все изображения с электронного микроскопа черно-белые. То есть фактически — это просто разная интенсивность в разных участках снимка. А любые цветные изображения с электронного микроскопа — это просто раскрашенные картинки.
СЭМы — самые часто используемые микроскопы на производствах процессоров, так как они позволяют быстро посмотреть на качество поверхности, да и вообще их используют для контроля на каждом этапе изготовления.
И перед тем, как мы посмотрим на Droider в микроскоп, надо рассказать про еще один незаменимый инструмент в руках ученых и инженеров!
Это просвечивающий электронный микроскоп или ПЭМ! Это огромная труба, занимающая одну, а то и две комнаты. А стоит он около миллиона долларов. Но на самом деле интересно не то сколько он стоит, тут понятно что такая техника очень дорогая.
Интересно то, что для его работы строят специальные комнаты, с огромными бетонными подушками, уходящими на много метров под землю. Они нужны чтобы гасить любые вибрации и возмущения — вот настолько чувствительно это оборудование. Если бы не такие подушки, то любое изображение было бы смазанным из-за того, что кто-то хлопнул дверью в другом конце здания.
Его отличие от СЭМа в том, что он имеет гораздо большее разрешение! И связано это с особенностями самого образца и пучка электронов.
Если в СЭМе мы регистрировали новые электроны, которые вылетели из нашего образца под воздействием электронного пучка, то в ПЭМе мы смотрим на то как меняется наш исходный пучок электронов, который пролетел сквозь образец.
Суть в том, что пролетая через образец и взаимодействуя с атомами материала электроны меняются, а дальше попадают в детектор, который уже и говорит нам о том, как именно поменялся сам исходный пучок электронов.
Если вы внимательно слушали наше объяснение, то вы можете спросить, как же так — ведь электроны просто рассеются в образце и мы ничего не увидим.
И вы будете абсолютно правы! Ведь для ПЭМа нужно специально подготавливать образцы — они должны быть очень тонкими. До 100 нанометров, а вообще чем тоньше, тем лучше. В идеале всего десять-двадцать нанометров.
Для этого используются сложные методы подготовки образцов, например специальный луч ионов, который как тонкий лазер вырезает маленький кусок образца, который потом исследуют уже в микроскопе. Это и позволяет с помощью ПЭМа ученым видеть даже отдельные атомы!
Вот посмотрите: каждая точка это атом Палладия, видно даже то насколько ровная кристаллическая решетка у материала! Обратите внимание на шкалу в левом нижнем углу, всего один нанометр. И мы уже сейчас можем такое видеть, потрясающе!
Droider в электронном микроскопе
Теперь когда мы с вами разобрались с тем, как работает электронный микроскоп — настало время посмотреть на надпись Droider в настоящий электронный микроскоп, а точнее в СЭМ. Она была вырезана лазером на тонком листе нержавеющей стали. Более того были сделаны много надписей от большой, до надписи размером несколько микрометров.
Тут вы видите загрузку этой пластины в микроскоп!
А вот сама пластина в микроскопе уже. Кстати на всех этих картинках обращайте внимание на шкалу масштаба и на цифры в у параметра Mag, то есть увеличение! Вот уже можно рассмотреть надпись Droider с увеличением в 55 раз.
Так едем вниз к надписи поменьше.
Интересно, а какой толщины буква i в этой надписи — давайте глянем. Всего 100 микрометров, чуть толще человеческого волоса.
Так? но есть надпись и еще меньше — едем еще ниже и смотрим внимательнее.
Тут уже видно что увеличение 200 раз, но сама надпись уже плохо различима. Но это проблема не микроскопа, а лазера которым вырезалась надпись. Он просто не может такую мелкую надпись сделать! Ведь тут буква i уже 40 микрометров.
Но раз мы уткнулись в ограничения лазера, то давайте вернемся обратно, к самой большой надписи и посмотрим на структуру самой стали. Итак вот самая большая i. Пол миллиметра в толщине. Приближаем к нижнему краю.
Так увеличение уже почти полторы тысячи раз. Самое время посмотреть на то какой толщины след от лазера. Всего 40 микрометров.
Едем еще ближе и вот увеличение уже 6300 раз. Вот и ответ на наш вопрос из начала видео — это структура обработанной и необработанной стали!
Давайте посмотрим еще ближе теперь увеличение уже 40 тысяч раз. Мы уже в наномире! Смотрите какая красота — это сталь, по которой прошелся лазерный луч, когда вырезал букву i в слове Droider!
Но еще интересно глянуть, как выглядела сталь до обработки — что ж давайте глянем с таким же увеличением. Разница огромная!
Ну и наконец, давайте глянем на обработанную сталь с огромным увеличением в 300 тысяч раз. Ширина этого канала от лазера всего 300 нанометров!
Выводы
Электронный микроскоп — незаменимый инструмент в руках ученых и инженеров. Он не просто позволяет посмотреть на что-то маленькое — он позволяет увидеть саму структуру материалов, вплоть до атомов! Кроме того эти микроскопы позволяют смотреть не только на структуру, но и определять химический состав материала!
Это все очень полезно, когда например инженеры на производстве микропроцессоров или экранов пытаются понять, где и какой материал они осадили, как выглядят их транзисторы, много ли дефектов, да и вообще выявить брак.
Конечно, мы тут почти не сказали о том, как подготавливаются образцы для изучения, и например о том, что все такие микроскопы работают в глубоком вакууме, для получения которого используют специальные насосы, которые вращаются со скоростью в 50 тысяч оборотов в минуту. В общем, нам есть, что обсудить и рассказать…
