Transmissionselektronmikroskop

Transmission (transmission) elektronmikroskop (TEM, engelsk, TEM - Transmission elektronmikroskopi) - en enhed til at opnå et billede ved hjælp af en elektronstråle, der passerer gennem en prøve .

Det adskiller sig fra andre typer elektronmikroskoper ved, at elektronstrålen skinner gennem prøven, den inhomogene absorption af elektroner af forskellige dele af prøven giver et todimensionelt billede af fordelingen af ​​tætheden af ​​den transmitterede elektronflux. Strømmen, der passerer gennem prøven, fokuseres derefter på registreringsoverfladen af ​​magnetiske elektronlinser ( elektronoptik ) i en forstørret størrelse. Som en optageoverflade anvendes fluorescerende skærme belagt med et fosforlag , fotografisk film eller fotografisk plade eller ladningskoblede enheder (på en CCD-matrix ). For eksempel dannes et lysende synligt billede på phosphorlaget.

Da elektronfluxen er stærkt absorberet af stoffet, bør prøverne, der undersøges, have en meget lille tykkelse, de såkaldte ultratynde prøver. En ultratynd prøve anses for at være mindre end 0,1 µm tyk .

Historie

Den første TEM blev skabt af de tyske elektronikingeniører Max Knoll og Ernst Ruska den 9. marts 1931 .

Den første brugbare TEM blev bygget af Albert Prebus og J. Hillier ved University of Toronto ( Canada ) i 1938 baseret på de principper, som tidligere blev foreslået af Knoll og Ruska.

I 1986 blev Ernst Ruske tildelt Nobelprisen for oprettelsen af ​​TEM .

Teoretisk grundlag

Teoretisk set er den maksimalt mulige opløsning i et optisk mikroskop begrænset af:

• bølgelængden brugt til at belyse prøven;
• vinkelåbning af det optiske system - den såkaldte Abbe-grænse , som udtrykkes:

Det følger af formlen, at der i et optisk mikroskop i princippet ikke kan opnås en opløsning mindre end lidt mindre end bølgelængden af ​​det lysende lys, da brydningsindekset i praksis ikke kan være særlig stort i nedsænkningsmikroskopiske linser , ca. 1,5, og vinklens sinus er altid mindre end 1.

I begyndelsen af ​​det 20. århundrede diskuterede videnskabsmænd spørgsmålet om at overvinde begrænsningerne af en relativt stor bølgelængde af synligt lys ( bølgelængder på 400-700 nanometer ) ved at bruge en elektronstråle, da de Broglie - bølgelængden af ​​en elektron, selv ved ikke for høje energier, er mange størrelsesordener mindre end den synlige bølgelængde Sveta.

Strømmen af ​​elektroner i et elektronmikroskop skabes ved hjælp af termion- eller feltemission . I det første tilfælde udsendes elektroner af en varm wolframtråd ( se glødetråd ) eller en varm enkeltkrystal af lanthanhexaborid .

De udsendte elektroner accelereres af en høj potentialforskel og "belyser" prøven. Strømmen, der passerer gennem prøven, moduleres rumligt af elektronstrømtætheden, afhængigt af "gennemsigtigheden" af prøveområderne for elektroner, og derefter fokuseres den på optageoverfladen af ​​elektromagnetiske (eller i lavopløsningsmikroskoper, elektrostatiske) linser i en multipliceret forstørret størrelse.

Enhed

PEM omfatter følgende komponenter:

• vakuumsystem til fjernelse af luft og forøgelse af den gennemsnitlige frie vej af elektroner;
• objektbord : prøveholder, mekanismer til ændring af holderens position under drift og vakuumlåse ;
• elektronkilde : et elektronisk søgelys (elektronpistol) til at skabe en lysende strøm (stråle) af elektroner;
• en højspændingskilde til accelererende elektroner;
• åbninger  - membraner, der begrænser divergensen af ​​elektronstrålen;
• et system af elektromagnetiske linser (og nogle gange elektrostatiske linser) til at kontrollere og fokusere elektronstrålen;
• en fluorescerende skærm , hvorpå et forstørret elektronisk billede projiceres (gradvis udfases af digitale billeddetektorer).

Kommercielle TEM'er kan indeholde yderligere enheder, såsom en scanningsvedhæftet fil, der giver dig mulighed for at arbejde i raster TEM -tilstand ).

Vakuumsystem

Vakuumsystemet tjener til at pumpe luft til et lavt resttryk (sædvanligvis op til 10 -4 Pa [1] ) fra det område, hvor elektronstrålen forplanter sig og reducerer frekvensen af ​​kollisioner af elektroner med atomer af den resterende gas til en ubetydelig niveau - en stigning i den gennemsnitlige frie vej .

Vakuumsystemet til nedpumpning til driftstryk består af flere trin:

1. roterende eller membranpumpe - 1. trins forlinjepumper;
2. turbomolekylær eller diffusionspumpe - højvakuumpumper af 2. trin;
3. heteroionpumper til udpumpning af hulrummet i feltemissionselektronkanonen (hvis brugt).

1. trins pumpen opnår det tryk, der kræves for at drive 2. trins pumpen (lavt vakuum). 2. trins pumpen reducerer trykket til den ønskede arbejdsværdi.

Dele af PEM kan opdeles:

• en speciel gasadskillelsesåbning ( eng.  trykbegrænsende åbning ), som tillader elektronstrålen at passere igennem , men hindrer udvekslingen af ​​resterende gasser mellem dele af vakuumsystemet;
• portventiler til at adskille vakuumdelene af  mikroskopet og kan bruges til at skabe forskellige niveauer af vakuum i forskellige dele af vakuumsystemet (for eksempel kan en FEM med feltemission udstyres med et separat system til at pumpe luft fra elektronkanonen område for at skabe et ultrahøjt vakuum på 10 -4 ... 10 -7 Pa og derunder; pumpesystemet kan omfatte en heteroionisk pumpe ).

Emne tabel

Objekttabellen er designet til at holde prøven under elektronbestråling og består af følgende elementer:

• prøveholder;
• mekanismer til ændring af holderens position (rotation, vipning);
• låse , der giver dig mulighed for at komme ind i holderen med prøven ind i TEM-vakuummiljøet uden at genpumpe hele vakuumsystemet.

Prøver placeres enten på et specielt gitter eller skæres i form af en prøveholder (selvbærende prøver).

Holderen er velegnet til fastgørelse af både gitre og selvbærende prøver i standardstørrelse. Den almindelige TEM-maskediameter er 3,05  mm .

Elektronisk spotlight

Et elektronisk søgelys (elektronkanon) er designet til at producere en elektronstråle ved hjælp af termionisk (termoelektronisk kanon) eller feltemission (feltemissionskanoner).