Растровая и просвечивающая электронная микроскопия.

Де Бройль предположил, что элементарные частицы с импульсом p представляют собой волну, длина которой l определяется формулой:

l = h/p, (2)

где h – постоянная Планка. Как следствие, возможно создание микроскопов нового типа. Если электроны высокой энергии удастся фокусировать подобно лучам света, то предел разрешения согласно критерию Рэлея будет равен их длине дебройлеровской волны. В электронных микроскопах траекторией электронов управляют с помощью электростатического и магнитного полей. Электроны фокусируются так же, как стеклянные линзы фокусируют свет в оптических микроскопах (рис. 39 и рис. 40). Взаимодействие электронов с образцом (который обычно помещают в вакуумной камере для предотвращения рассеяния электронов молекулами воздуха) позволяет получать разрешение порядка атомного масштаба.

Существуют электронные микроскопы двух типов: растровый электронный микроскоп (РЭМ) и просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ).

Современный электронный микроскоп – это дорогостоящее устройство, требующее создания вакуума в рабочей камере. Исключением являются РЭМ, работающие в условиях окружающей среды. Кроме того, образец должен обладать проводимостью, и поэтому, например, на поверхность биологического объекта необходимо нанести слой золота. При использовании просвечивающего электронного микроскопа образец должен иметь очень малую толщину, а контраст изображения обусловлен пространственными вариациями интенсивности пучка электронов, прошедшего через него. В РЭМ изображение можно получить разными способами – начиная от сигнала вторичных электронов, вылетающих из образца, вплоть до рентгеновского излучения, вызываемого неупругими столкновениями первичного пучка со связанными электронами.

Идея построения электронного микроскопа состоит в том, что подобно преломлению и фокусировке света оптической линзой, электронный пучок можно отклонять и фокусировать магнитным или электрическим полем. Схематическое изображение конфигурации ПЭМ приводится на рис. 40, b и рис. 40, c. Электроны вылетают из нагреваемого катода, ускоряются по направлению к положительно заряженной решётке, пролетают сквозь электростатическую или магнитную линзу и направляются на объект. Для уменьшения рассеяния электронов при прохождении сквозь образец его изготавливают в виде тончайшей плёнки. Пучок ослабляется в зависимости от толщины и состава объекта в конкретной точке. Затем он проходит через две линзы и проецируется на флуоресцентный экран, фотопластинку или ПЗС-матрицу.

В ПЭМ высокого (нанометрического) разрешения используют сверхтонкие микротомированные образцы толщиной 40-60 нм. При этом можно обнаружить особенности структуры размером менее одного нанометра. Надо иметь в виду, что длина волны электронов зависит от их энергии, которая определяется ускоряющим напряжением. Потенциально электронная микроскопия имеет самую высокую разрешающую способность по сравнению с другими микроскопическими методами. Разрешающая способность РЭМ близка к атомно-силовому микроскопу (АСМ).

На рис. 41 схематически показаны электроны и электромагнитное излучение, возникающее при ударе электронного пучка высокой энергии по образцу. Большинство электронных микроскопов имеет дополнительные устройства, позволяющие анализировать рентгеновское излучение или энергетические спектры вторичных электронов. Эти устройства являются мощным орудием изучения химического состава поверхности.