ЭЛЕКТРО́ННЫЙ МИКРОСКО́П

ЭЛЕКТРО́ННЫЙ МИКРОСКО́П, при­бор для на­блю­де­ния и фо­то­гра­фи­ро­ва­ния мно­го­крат­но (до 10⁶ раз) уве­ли­чен­но­го изо­бра­же­ния объ­ек­тов, в ко­то­ром ис­поль­зу­ют­ся элек­трон­ные пуч­ки с энер­ги­ей 30–1000 кэВ. Пер­вый маг­нит­ный про­све­чи­ваю­щий Э. м. (ПЭМ) по­строи­ли нем. фи­зик М. Кнолль и Э. Рус­ка. В 1931 они по­лу­чи­ли изо­бра­же­ние объ­ек­та, сфор­ми­ро­ван­ное пуч­ка­ми элек­тро­нов. В 1938 в Гер­ма­нии и в 1942 в США бы­ли по­строе­ны пер­вые рас­тро­вые Э. м. (РЭМ), по­сле­до­ва­тель­но ска­ни­рую­щие объ­ект тон­ким элек­трон­ным пуч­ком (зон­дом).

Просвечивающие электронные микроскопы

Са­мой вы­со­кой раз­ре­шаю­щей спо­соб­но­стью, в неск. ты­сяч раз боль­шей, чем у оп­тич. мик­ро­ско­пов, об­ла­дают ПЭМ. Пре­дел раз­ре­ше­ния ПЭМ со­став­ля­ет 0,15–0,3 нм, что по­зво­ля­ет на­блю­дать атом­ную струк­ту­ру ис­сле­дуе­мых объ­ек­тов. Столь вы­со­кие раз­ре­ше­ния до­с­ти­га­ют­ся бла­го­да­ря чрез­вы­чай­но ма­лой дли­не вол­ны элек­тро­нов. При этом в ПЭМ ис­поль­зу­ют маг­нит­ные элек­трон­ные лин­зы, у ко­то­рых абер­ра­ции на по­ря­док мень­ше, чем у элек­тро­ста­ти­че­ских. Под­бо­ром диа­фраг­мы уда­ёт­ся сни­зить сфе­рич. абер­ра­цию объ­ек­ти­ва, влияю­щую на раз­ре­шаю­щую спо­соб­ность ПЭМ.

Раз­ли­ча­ют ПЭМ вы­со­ко­го раз­ре­ше­ния, уп­ро­щён­ные и с по­вы­шен­ным ус­ко­ряю­щим на­пря­же­ни­ем.

ПЭМ с вы­со­кой раз­ре­шаю­щей спо­соб­но­стью (0,15–0,3 нм) ис­поль­зу­ют­ся для на­блю­де­ния изо­бра­же­ния объ­ек­тов, изу­че­ния их струк­ту­ры элек­тро­но­гра­фич. ме­то­дом (см. Элек­тро­но­гра­фия), про­ве­де­ния ло­каль­но­го ко­ли­че­ст­вен­но­го спек­траль­но­го ана­ли­за и др.

Ус­ко­ряю­щее элек­тро­ны на­пря­же­ние в вы­со­ко­раз­ре­шаю­щих Э. м. со­став­ля­ет 100–400 кВ. От его ве­ли­чи­ны за­ви­сит тол­щи­на объ­ек­та, ко­то­рую мож­но «про­све­тить» элек­трон­ным пуч­ком. В Э. м. с на­пря­же­ни­ем 100 кВ изу­ча­ют объ­ек­ты тол­щи­ной от 1 до не­сколь­ких де­сят­ков нм.

Электронно-оптическая схема просвечивающего электронного микроскопа: 1 – катод; 2 – фокусирующий цилиндр; 3 – ускоритель; 4 – короткофокусный конденсор, создающий уменьшенное и...

Схе­ма элек­трон­но-оп­тич. сис­те­мы ПЭМ пред­став­ле­на на рисунке. Пу­чок элек­тро­нов, ис­точ­ни­ком ко­то­рых слу­жит тер­мо­ка­тод, фор­ми­ру­ет­ся в элек­трон­ной пуш­ке и вы­со­ко­вольт­ном ус­ко­ри­те­ле, за­тем два­ж­ды фо­ку­си­ру­ет­ся кон­ден­со­ра­ми, со­здаю­щи­ми на объ­ек­те элек­трон­ное «пят­но» ма­лых раз­ме­ров (диа­мет­ром 1–20 мкм). По­сле про­хо­ж­де­ния сквозь объ­ект часть элек­тро­нов рас­сеи­ва­ет­ся и за­дер­жи­ва­ет­ся апер­тур­ной диа­фраг­мой. Не­рас­се­ян­ные элек­тро­ны про­хо­дят че­рез от­вер­стие диа­фраг­мы и фо­ку­си­ру­ют­ся объ­ек­ти­вом в пред­мет­ной плос­ко­сти про­ме­жу­точ­ной элек­трон­ной лин­зы. Здесь фор­ми­ру­ет­ся пер­вое уве­ли­чен­ное изо­бра­же­ние. Сле­дую­щие лин­зы соз­да­ют вто­рое, третье и т. д. изо­бра­же­ния. По­след­няя (про­ек­ци­он­ная) лин­за фор­ми­ру­ет изо­бра­же­ние на лю­ми­нес­цент­ном эк­ра­не. Рас­сея­ние элек­тро­нов в разл. точ­ках объ­ек­та в за­ви­си­мо­сти от тол­щи­ны, плот­но­сти, струк­ту­ры и хи­мич. со­ста­ва объ­ек­та ме­ня­ет­ся от точ­ки к точ­ке. Со­от­вет­ст­вен­но из­ме­ня­ет­ся чис­ло элек­тро­нов, про­шед­ших че­рез апер­тур­ную диа­фраг­му, и плот­ность то­ка на изо­бра­же­нии. Воз­ни­ка­ет ам­пли­туд­ный кон­траст, ко­то­рый пре­об­ра­зу­ет­ся в све­то­вой кон­траст на эк­ра­не. Под эк­ра­ном Э. м. рас­по­ло­же­на фо­то­пла­стин­ка или ПЗС-ка­ме­ра, на ко­то­рую воз­дей­ст­ву­ют элек­тро­ны. Изо­бра­же­ние фо­ку­си­ру­ет­ся объ­ек­тив­ной маг­нит­ной лин­зой. Уве­ли­че­ние Э. м. ре­гу­ли­ру­ют то­ка­ми др. элек­трон­ных линз. Для ана­ли­за изо­бра­же­ния про­из­во­дят ана­ло­го­во-циф­ро­вое пре­об­ра­зо­ва­ние ин­фор­ма­ции и об­ра­бот­ку на ком­пь­ю­те­ре.

Уп­ро­щён­ные ПЭМ ис­поль­зу­ют для пред­ва­рит. про­смот­ра объ­ек­тов и в учеб­ных це­лях. Эти при­бо­ры про­сты по кон­ст­рук­ции, име­ют мень­шее (60–100 кВ) ус­ко­ряю­щее на­пря­же­ние; их раз­ре­шаю­щая спо­соб­ность 0,5–0,7 нм.

Сверх­вы­со­ко­вольт­ные Э. м. (СВЭМ) (ус­ко­ряю­щее на­пря­же­ние 1–3,5 MB) пред­став­ля­ют со­бой круп­но­га­ба­рит­ные со­ору­же­ния вы­со­той от 5 до 15 м. Для них обо­ру­ду­ют спец. по­ме­ще­ния или стро­ят отд. зда­ния. Пер­вые СВЭМ пред­на­зна­ча­лись для ис­сле­до­ва­ния объ­ек­тов боль­шой тол­щи­ны (1–10 мкм). По­сле ре­ше­ния слож­ных тех­нич. про­блем на СВЭМ дос­тиг­ну­та са­мая вы­со­кая для про­све­чи­ваю­щих Э. м. раз­ре­шаю­щая спо­соб­ность 0,13–0,17 нм, по­зво­лив­шая фо­то­гра­фи­ро­вать изо­бра­же­ния атом­ных струк­тур.

Растровые электронные микроскопы

с тер­мо­эмис­си­он­ной пуш­кой – са­мые рас­про­стра­нён­ные Э. м. Раз­ре­шаю­щая спо­соб­ность РЭМ со­став­ля­ет 5–10 нм и за­ви­сит от элек­трон­ной яр­ко­сти пуш­ки. Ус­ко­ряю­щее на­пря­же­ние ре­гу­ли­ру­ет­ся от 1 до 30–50 кВ. При по­мо­щи двух или трёх элек­трон­ных линз на по­верх­ность об­раз­ца фо­ку­си­ру­ет­ся уз­кий элек­трон­ный зонд. Маг­нит­ные от­кло­няю­щие ка­туш­ки раз­вёр­ты­ва­ют зонд по за­дан­ной пло­ща­ди на объ­ек­те. При взаи­мо­дей­ст­вии элек­тро­нов зон­да с объ­ек­том воз­ни­ка­ет неск. ви­дов из­лу­че­ний: вто­рич­ные и от­ра­жён­ные элек­тро­ны, оже-элек­тро­ны; рент­ге­нов­ское тор­моз­ное из­лу­че­ние, ха­рак­те­ри­сти­че­ское из­лу­че­ние и др. Из­лу­че­ния или то­ки элек­тро­нов ре­ги­ст­ри­ру­ют­ся со­от­вет­ст­вую­щи­ми де­тек­то­ра­ми, пре­об­ра­зую­щи­ми их в элек­трич. сиг­на­лы, ко­то­рые по­сле уси­ле­ния по­да­ют­ся на элек­трон­но-лу­че­вую труб­ку (ЭЛТ) и мо­ду­ли­ру­ют её пу­чок. На эк­ра­не ЭЛТ на­блю­да­ет­ся уве­ли­чен­ное изо­бра­же­ние объ­ек­та. Фо­то­гра­фи­ру­ют изо­бра­же­ние не­по­сред­ст­вен­но с эк­ра­на ЭЛТ. Осн. дос­то­ин­ст­во РЭМ – вы­со­кая ин­фор­ма­тив­ность, бла­го­да­ря ис­поль­зо­ва­нию не­сколь­ких де­тек­то­ров. Осо­бен­но вы­со­кая раз­ре­шаю­щая спо­соб­ность РЭМ реа­ли­зу­ет­ся при фор­ми­ро­ва­нии изо­бра­же­ния с ис­поль­зо­ва­ни­ем вто­рич­ных элек­тро­нов.

Про­све­чи­ваю­щие рас­тро­вые Э. м. об­ла­да­ют столь же вы­со­кой раз­ре­шаю­щей спо­соб­но­стью, как и ПЭМ. В этих при­бо­рах при­ме­ня­ют­ся ав­то­эмис­си­он­ные пуш­ки.

Перспективы развития

Со­вер­шен­ст­во­ва­ние Э. м. про­во­дит­ся с це­лью уве­ли­че­ния объ­ё­ма по­лу­чае­мой ин­фор­ма­ции, а так­же улуч­ше­ния па­ра­мет­ров при­бо­ров, пре­ж­де все­го по­вы­ше­ния раз­ре­шаю­щей спо­соб­но­сти. Ве­дут­ся ра­бо­ты по соз­да­нию элек­трон­но-оп­тич. сис­тем с ма­лы­ми абер­ра­ция­ми (не­осе­сим­мет­рич­ные сис­те­мы кор­рек­ции абер­ра­ций, крио­ген­ная оп­ти­ка, лин­зы с кор­рек­ти­рую­щим про­стран­ст­вен­ным за­ря­дом в при­осе­вой об­лас­ти и др.), од­на­ко они по­ка не при­ве­ли к ре­аль­но­му по­вы­ше­нию раз­ре­ше­ния Э. м. Про­дол­жа­ют­ся ра­бо­ты по соз­да­нию элек­трон­ных го­ло­гра­фич. сис­тем, в т. ч. с кор­рек­ци­ей час­тот­но-кон­тра­ст­ных ха­рак­те­ри­стик линз. Ми­ниа­тю­ри­за­ция элек­тро­ста­тич. линз и сис­тем с ис­поль­зо­ва­ни­ем дос­ти­же­ний мик­ро- и на­но­тех­но­ло­гий так­же бу­дет спо­соб­ст­во­вать ре­ше­нию про­бле­мы соз­да­ния элек­трон­ной оп­ти­ки с ма­лы­ми абер­ра­ция­ми.