Электронный микроскоп

Электронный микроскоп

Двойная спираль ДНК

Электро́нный микроско́п (ЭМ) — микроскоп, позволяющий получать изображение объектов с максимальным увеличением до 10⁶ раз, благодаря использованию в качестве опорного освещения потока пучка электронов с энергиями 30÷100  кЭв вместо светового.

Электрон, обладая свойствами не только частицы, но и волны, позволяет использовать его как опорное электронное излучение в микроскопии подобно использованию света в оптических микроскопах

Длина волны электронного излучения зависит от его энергии, а энергия электрона равна E = Ve, где V — разность потенциалов, проходимая электроном, e — заряд электрона. Длины волн электронного излучения при прохождении разности потенциалов 200 000 В составляет разрешение порядка 0,1 нанометра. Электронное излучение легко фокусировать электромагнитными линзами, так как электрон — заряженная частица. Электронное изображение может быть легко переведено в видимое. Современные электронные микроскопы обеспечивают субатомное разрешение.

В отличие от оптического микроскопа, в электронном микроскопе используют потоки электронов, проходящие через магнитные или электростатические линзы.

В электронных микроскопах формирование изображения производится путём управления пучком электронов и концентрации его на отдельных участках изображения подобно тому, как оптический микроскоп использует стеклянные линзы для фокусирования света отражённого или или проходящего сквозь объект на изображении.

Однако, в 2006 году немецкие ученые Штефан Хелль (Stefan Hell) и Мариано Босси (Mariano Bossi) из Института биофизической химии разработали оптический микроскоп (наноскоп‎), позволяющий наблюдать объекты размером менее 10нанометров.

Виды электронных микроскопов

• Просвечивающий электронный микроскоп
• Растровые электронные микроскопы
  • Сканирующий электронный микроскоп
  • Сканирующий туннельный микроскоп
  • Сканирующий атомно-силовой микроскоп
• Отражательный электронный микроскоп
• Растровый просвечивающий электронный микроскоп
• Фотоэмиссионный электронный микроскоп

Первые три основных вида при использовании дополняют друг друга.

История создания электронного микроскопа

Успехам в области теоретической и экспериментальной физики обязаны открытием электрона с его свойствами. Это привело к созданию основ электронной оптики (ЭОП). Прямым намёком на такую возможность явилась гипотеза волновой природы электрона, выдвинутая в 1924 году Луи де Бройлем и экспериментально подтвержденная в 1927 году К. Дэвиссоном и Л. Джермером в США и Дж. Томсоном в Англии.

Главным приложениям ЭОП являлось изобретение и создание Электронного микроскопа (ЭМК) в 1930-х годах, построенного по аналогии, по законам волновой оптики, но с применением электрических и магнитных полей для фокусировки электронных лучей.

В 1931 году Р. Руденберг получил патент на просвечивающий электронный микроскоп, а в 1932 году М. Кнолль и Э. Руска построили первый просвечивающий микроскоп, применив магнитные линзы для фокусировки электронов. (Э. Руска за данный вклад стал лауреатом Нобелевской премии по физике за 1986 год).

Растровый электронный микроскоп (РЭМ) был изобретен в 1952 Чарльзом Отли. И лишь после ряда технических усовершенствований он был внедрен в производство в середине 1960-х годов.

Прибор с объемным изображением и электронным выходным сигналом нашел большое применение в науке и технике.

В 1979 году в Цюрихе Гердом Биннигом и Генрихом Рорером был изобретен сканирующий растровый туннельный микроскоп (РТМ). Этот простой по устройству прибор обеспечивает атомное разрешение поверхностей. За свою работу по созданию (РТМ) Бинниг и Рорер (одновременно с Руской) получили Нобелевскую премию по физике.

В связи с со сложностью управления опорным источником «осещения» — электронным лучем, его фокусировки, применения туннельного саособа сканирования + игла и др. и с другой стороны созданием более стабильных с большей разрешающей способностью микроскопов с использованием рентгеновского луча, оптических микроскопов (наноскопов), (Ближнепольного оптического микроскопа), электронные микроскопы находят всё меньшее применение.

Сферы применения электронных микроскопов

Полупроводники и хранение данных

• Редактирование схем
• Метрология 3D-дисплей
• Дефектный анализ
• Анализ неисправностей

Биология и биологические науки

• Криобиология
• Локализация белков
• Электронная томография
• Клеточная томография
• Крио-электронная микроскопия
• Токсикология
• Биологическое производство и мониторинг загрузки вирусов
• Анализ частиц
• Фармацевтический контроль качества
• 3D изображения тканей
• Вирусология
• Стеклование

Научные исследования

• Квалификация материалов
• Подготовка материалов и образцов
• Создание нанопрототипов
• Нанометрология
• Нанотехнология и нанометрология
• Тестирование и снятие характеристик устройств

Промышленность

• Создание изображений высокого разрешения
• Снятие микрохарактеристик 2D и 3D
• Макрообразцы для нанометрической метрологии
• Обнаружение и снятие параметров частиц
• Конструирование прямого пучка
• Эксперименты с динамическими материалами
• Подготовка образцов
• Судебная экспертиза
• Добыча и анализ полезных ископаемых
• Химия/Нефтехимия

Основные мировые производители электронных микроскопов

• Delong Group
• FEI Company — США (слилась с Philips Electron Optics)
• FOCUS GmbH — Германия
• Hitachi — Япония
• Nion Company — США
• JEOL — Япония (Japan Electro Optics Laboratory)
• TESCAN — Евросоюз
• Carl Zeiss NTS GmbH — Германия

См. также

• Микроскоп
• Микроскопия