SKANINGOWY MIKROSKOP ELEKTRONOWY

SKANINGOWY

MIKROSKOP

ELEKTRONOWY

Katarzyna Borowska gr. 1

MIKROSKOP

–

urządzenie służące do obserwacji

małych obiektów, zwykle niewidocznych gołym
okiem.

Pierwszy

mikroskop elektronowy

został

skonstruowany w 1931 roku przez Ernsta Ruska
i Maksa Knolla w Berlinie.
Pierwszy

skaningowy mikroskop elektronowy

skonstruował Manfred von Ardenne w 1938 roku.

SKANINGOWY MIKROSKOP ELEKTRONOWY

(SEM – Scanning Electron Microscope)

Przyrząd elektronooptyczny, rodzaj mikroskopu elektronowego,
w którym obraz uzyskiwany jest przez omiatanie próbki wiązką
fali elektronowej (wiązka elektronów skupiona jest w postaci
małej plamki, która omiata obserwowany obszar linia po linii).

SEM (otwarta komora)

Budowa mikroskopu elektronowego jest bardzo
podobna do mikroskopu optycznego, tyle że w
miejsce promieni świetlnych używa się

wiązki

elektronów

, które rozpędzone w polu

elektrycznym poruszają się po linii prostej.
Natomiast soczewki optyczne zastąpiono
odpowiednio ukształtowanym

polem

magnetycznym

, zmieniającym bieg elektronów.

Obraz jest tworzony przez te elektrony na ekranie
luminescencyjnym lub kliszy światłoczułej.

Zdolność rozdzielcza mikroskopu optycznego jest znacznie
mniejsza niż mikroskopu elektronowego, gdyż jest ona
ograniczona przez zjawisko dyfrakcji promieni tworzących obraz.
W momencie, gdy odległości pomiędzy obserwowanymi obiektami
stają się bliskie długości fali świetlnej, obrazy tych obiektów
zaczynają się ze sobą zlewać. Zatem zmniejszając długość fali
padającej i odbijającej się od obserwowanych obiektów, możemy
dostrzec więcej jego szczegółów.

Na uzyskanie takiego zjawiska pozwala zwiększenie
prędkości elektronów, których

długość fali

, zgodnie z ich

dualną naturą,

maleje wraz ze wzrostem prędkości

To znaczy, że mikroskop elektronowy umożliwia
obserwowanie znacznie mniejszych obiektów, gdyż
elektron jako fala materii, ma dużo mniejszą długość fali
niż światło.

Granica rozdzielczości mikroskopu elektronowego wynosi
mniej niż

0,1 nm

, czyli 10ˉ¹º metra (średnica 1 atomu), a

mikroskopu optycznego ok. 0,2 µm.

Przygotowanie

preparatu

Warunkiem wykonania pomiaru w skaningowym
mikroskopie elektronowym jest umieszczenie próbki

w próżni

oraz

przewodnictwo elektryczne

próbki.

Dlatego badaną próbkę napyla się w tzw. napylarce
próżniowej cienką warstwą metalu (najlepiej złotem).
Zaletą tak uzyskanych próbek jest ich trwałość i

możliwość

powtarzania obrazowania. W SEM preparat nie musi

być

bardzo cienki, tak jak jest to wymagane w zwykłym
mikroskopie elektronowym.

Zasada działania SEM

Wiązka elektronów
kierowana na badaną
próbkę nie jest
statyczna. Specjalne

cewki odchylające

sprawiają, że w sposób
regularny omiata dany
obszar preparatu. W
momencie, gdy wiązka
elektronów pada na
powierzchnię część z
nich jest rozpraszana,
część wnika do wnętrza
próbki powodując
emisję wtórnych
elektronów, promieni
rentgenowskich oraz
światła widzialnego.

W pobliżu oświetlanej
elektronami próbki
ustawione są specjalne

detektory

, które

wykrywają elektrony
rozproszone, wtórne lub
któryś z rodzajów
promieniowania
przetwarzając
rejestrowane sygnały na
sygnały cyfrowe. Sygnały
cyfrowe są następnie
przetwarzane na obraz
wyświetlany na
monitorze.

Rodzajem SEM jest

skaningowy mikroskop
tunelowy

( STM ), który

został skonstruowany
przez Gerda Binninga i
Heinricha Rohrera w
1986 roku.

Uzyskanie obrazu
powierzchni jest możliwe
dzięki wykorzystaniu

zjawiska tunelowego

Zasada działania STM

Nad powierzchnią próbki umieszczona jest

sonda

(igła), którą można

poruszać w sposób kontrolowany. Ramię trzymające igłę mocowane jest
do aparatury poprzez odpowiednio skonstruowany

układ piezoelektryczny

(tzw. skaner piezoelektryczny),

który pod wpływem napięcia
elektrycznego zmienia w
niewielkim stopniu swe
wymiary, a tym samym
zmienia położenie igły
umożliwiając jej
przesuwanie się nad próbką.
Skanowanie kolejnych linii i
punktów obrazu próbki
odbywa się według z góry
zadanego programu,
natomiast ustalanie
odległości igła-próbka jest
przeprowadzane przez
odpowiednio szybki układ
ujemnego sprzężenia
zwrotnego zapewniające np.
przepływ stałego prądu
tunelowego.

Sonda

(drut wolframowy lub Pt/Ir o średnicy 0.2 mm - 0.5 mm) zawiera

na końcu kryształ ustawiony wierzchołkiem w stronę ostrza - dzięki
temu zakończeniem sondy jest dokładnie jeden atom. Odległość sondy
od powierzchni próbki jest rzędu kilku angstremów (do 1nm).
Przyłożone napięcie pomiędzy sondą a próbką -od ułamków do kilku
woltów. Tak małe napięcie nie jest wystarczające do tego, by elektron
pokonał przyciąganie jonów metalu i oderwał się od ostrza igły, ale
dzięki temu, że próbka jest w niewielkiej odległości od ostrza igły
elektron przeskakuje przez zabroniony obszar (barierę potencjału) do
badanej próbki w wyniku emisji polowej, istnienie której tłumaczy się

kwantowym zjawiskiem tunelowym

, dlatego też nazywany jest prądem

tunelowym.

Elektrony tunelują z ostrza przez powietrze (lub
próżnię) do próbki lub odwrotnie w zależności od
kierunku przyłożonego napięcia. Wartość prądu
tunelowego zależy silnie (wykładniczo) od
szerokości bariery potencjału, w tym przypadku
jest to odległość ostrza od najbliższych atomów ( a
nawet powłok atomowych) próbki. Typowe wartości
prądu są rzędu 0.1 - 10 nA.

Komputer analizuje i zapamiętuje mapę prądów
tunelowych dla każdego punktu próbki i na tej
podstawie tworzony jest później obraz próbki.

Zastosowanie

•

zbadanie i poznanie wielu organizmów, wniknięcie do komórki

i poznanie licznych jej funkcji, również tych
najmniejszych organizmów jakimi są bakterie i wirusy,

• badanie produktów spożywczych,
• badanie struktury krystalicznej i jej defektów,
• w przemyśle elektronicznym i innych gałęziach przemysłu
nowoczesnego,

• w laboratoriach fizycznych i chemicznych,
• w archeologii i badaniach historycznych,
• w kryminalistyce i innych dziedzinach, gdzie wymagana jest
precyzja i dokładne sprawdzenie wytworzonych materiałów,

• w nanotechnologii (mikroskop tunelowy) – obróbka materiału
na poziomie atomowym (Jeżeli do igły przyłoży się większe
napięcie niż przy skanowaniu, to może ona oderwać pojedynczy
atom z powierzchni próbki i przełożyć go w inne miejsce).