В настоящее время электронные микроскопы находят огромное применение во всех областях науки и техники. В связи с этим важно дать представления студентам о принципах работы, возможностях применения электронных микроскопов для анализа материальных объектов при изучении дисциплины «физика».
Целью настоящего доклада является отбор материала, его систематизация и выработка предложений для использования информации об электронных микроскопах в курсе общей физики технических вузов.
Электронная микроскопия обладает широчайшими возможностями. Во-первых, это возможность проведения исследований при низких (до – 150оС) и высоких (до 1200оС) температурах, наблюдения деформации непосредственно в микроскопе, исследования рентгеновских спектров микроучастков (до 1 мкм и менее) объектов, получения изображений электронограмм и др. Во-вторых, существенное повышение (до 1 А и менее) разрешающей способности электронных микроскопов, позволяет параллельно с микроскопическими исследованиями детально изучать дифракционные картины вплоть до наблюдения таких тонких деталей, как диффузионное рассеяние электронов.
Обычно используются четыре типа источников электронов: вольфрамовые V-образные катоды, вольфрамовые точечные (острийные) катоды, источники из гексаборида лантана и автоэлектронные источники.
В 1928 немецкие ученые М.Кнолль и Э.Руска приступили к созданию первого магнитного просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ) и спустя три года получили изображение объекта, сформированное пучками электронов. ОПЭМ во многом подобен световому микроскопу, но только для освещения образцов в нем используется не свет, а пучок электронов. В нем имеются электронный прожектор (источник электронов), ряд конденсатных линз, объективная линза и проекционная система, которая соответствует окуляру, но проецирует действительное изображение на люминесцентный экран или фотографическую пластинку. В настоящее время промышленность выпускает высоковольтные варианты ОПЭМ с ускоряющим напряжением от 300 до 400 кВ. Их повышенная проникающая способность оказывается очень ценным свойством при исследовании дефектов в более толстых кристаллах, особенно таких, из которых невозможно сделать тонкие образцы. В биологии их высокая проникающая способность дает возможность исследовать целые клетки, не разрезая их.
В последующие годы в США были построены первые растровые электронные микроскопы (РЭМ). В РЭМ применяются электронные линзы для фокусировки электронного пучка в пятно очень малых размеров. Можно отрегулировать РЭМ так, чтобы диаметр пятна в нем не превышал 0,2 нм, но, как правило, он составляет единицы или десятки нанометров. Это пятно непрерывно обегает некоторый участок образца аналогично лучу, обегающему экран телевизионной трубки. Электронная микроскопия высокого разрешения – находит широкое применение для исследования микроструктуры очень маленьких кристаллов, от которых нельзя получить картину рентгеновской дифракции. В последние годы этот метод широко применяется для исследования минералов и керамических материалов.
Растровый туннельный микроскоп (РТМ) был изобретен в 1979 году. В этом микроскопе используется металлическое острие малого диаметра, являющееся источником электронов. Этот весьма простой по устройству прибор обеспечивает атомное разрешение поверхностей. РТМ может работать только при условии, что расстояние от острия до поверхности постоянно, а острие можно перемещать с точностью до атомных размеров. Растровые микроскопы применяются как исследовательский инструмент в физике, электронике, биологии, фармацевтике, медицине, материаловедении, нанотехнологии и т.д. Их главная функция – получение увеличенного изображения исследуемого образца и изображений образца в различных регистрируемых сигналах. Сопоставление изображений, полученных в разных сигналах, позволяют делать вывод о морфологии и составе поверхности.
Все три вида микроскопов (ПЭМ, РЭМ, РТМ) дополняют друг друга в исследованиях структур и материалов разных типов. Наибольшее применение они получили в областях науки, затрагивающих такие вопросы как редактирование полупроводниковых схем, метрология 3D, анализ дефектов и неисправностей, создание нанопрототипов, тестирование и снятие характеристик различных устройств, исследование микроструктуры металлов, снятие микрохарактеристик 2D и 3D, получение микрообразцов для нанометрической метрологии, обнаружение и снятие параметров частиц, эксперименты с динамическими материалами. В биологии и биологических науках с помощью электронных микроскопов проводятся исследования в областях криобиологии, локализации белков, электронной томографии, клеточной томографии, токсикологии, биологическом производстве и мониторинге загрузки вирусов, анализе частиц, 3D изображений тканей, вирусологии.
Таким образом, преподаватель может использовать при чтении лекций собранный и обобщенный материал об электронных микроскопах для расширения кругозора и более осознанного формирования физической картины мира у студентов инженерных специальностей.
Библиографический список
- Кнолль М., Руска Э. Основы электронной микроскопии. — М.: Мир, 1957. — 320 с.
- Хокс П., Каспи Э. Растровая электронная микроскопия и рентгеновский микроанализ. — СПб.: Техносфера, 2018. — 480 с.
- Рейли Дж., Сэвидж Н. Сканирующая зондовая микроскопия для нанотехнологий. — М.: Бином, 2020. — 256 с.
- Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. — М.: Физматлит, 2019. — 416 с.
- Головин Ю.И.* Введение в нанотехнологии. — М.: Машиностроение, 2021. — 304 с.
- Эггертон Р., Бэкон Д. Дифракция электронов в просвечивающей микроскопии. — Новосибирск: Наука, 2017. — 200 с.
- Зайцев Д.Д. Методы исследования материалов в электронных микроскопах. — М.: Металлургия, 2018. — 180 с.
- Кларк А.Р., Эберхардт К. Микроскопические методы в биологии. — М.: Медицина, 2020. — 352 с.
- Патент США № 2058914 (1936) — “Электронный микроскоп” (М. Кнолль, Э. Руска).
- Binnig G., Rohrer H. Scanning Tunneling Microscopy // IBM Journal of Research and Development. — 1986. — Vol. 30. — P. 355–369.