Что такое сканирующий микроскоп
Сканирующий электронный микроскоп
Сканирующий микроскоп – это прибор, который используют в разных отраслях с целью изучения объектов под большим увеличением, где применяют энергетический электронный пучок. Сканирующий микроскоп стал известным уже с начала 1930 годов, когда началось изучение органических клеток и тканей. Основное отличие светового микроскопа от электронного заключается в оптической системе последнего, в ней применяются электромагнитные линзы и электростатические, которые направляют пучок электронного луча и фокусируют его на исследуемом объекте с целью получения увеличенного изображения и изучения его.
Устройство сканирующего микроскопа, принцип действия
Сканирующий электронный микроскоп: принцип работы основан на том, что из него исходит электронный пучок разной энергии. На исследуемом образце он фокусируется в виде пятна, размер которого не превышает 5нм. Благодаря этому пятну и происходит сканирование всей поверхности объекта. При столкновении электронного пучка с поверхностью объекта, он немного проникает в нее, при этом происходит процесс эмиссии не только электронов, но и фотонов из самого предмета, который подлежит обследованию, которые и попадают в электронно-лучевую трубку, в которой они преобразуются в изображение.
Все полученные изображения при исследовании сканирующим электронным микроскопом делятся на те, которые образуются из вторичных электронов; те, которые формируются из рассеянных электронов, а также те, которые получены за счет рентгеновского излучения.
Применение электронной микроскопии в разных отраслях не только науки, но и техники характеризуется использование разной микроскопии. Вкратце остановимся на каждой из них.
Виды, отличия
На сегодня в медицине используют два вида сканирующих микроскопов:
Преимущества и недостатки
Сканирующий электронный микроскоп имеет целый ряд преимуществ и достоинств. Среди них основное место принадлежит следующим:
Но помимо достоинств, сканирующая микроскопия имеет и определенные недостатки. Среди них на первый план выступают:
Учитывая все это, смело можно сказать, что сканирующий электронный микроскоп является прибором, который способен показать то, что при оптической микроскопии не удается увидеть.
Сканирующий зондовый микроскоп
Сканирующие зондовые микроскопы (СЗМ, англ. SPM — Scanning Probe Microscope ) — класс микроскопов для получения изображения поверхности и её локальных характеристик. Процесс построения изображения основан на сканировании поверхности зондом. В общем случае позволяет получить трёхмерное изображение поверхности (топографию) с высоким разрешением. Сканирующий зондовый микроскоп в современном виде изобретен (принципы этого класса приборов были заложены ранее другими исследователями) Гердом Карлом Биннигом и Генрихом Рорером в 1981 году. За это изобретение были удостоены Нобелевской премии по физике за 1986 год, которая была разделена между ними и изобретателем просвечивающего электронного микроскопа Э. Руска. Отличительной СЗМ особенностью является наличие:
Регистрирующая система фиксирует значение функции, зависящей от расстояния зонд-образец. Обычно регистрируемое значение обрабатывается системой отрицательной обратной связи, которая управляет положением образца или зонда по одной из координат (Z). В качестве системы обратной связи чаще всего используется ПИД-регулятор.
Основные типы сканирующих зондовых микроскопов:
Содержание
Принцип работы
Работа сканирующего зондового микроскопа основана на взаимодействии поверхности образца с зондом (кантилевер, игла или оптический зонд). При малом расстоянии между поверхностью и зондом действие сил взаимодействия (отталкивания, притяжения, и других сил) и проявление различных эффектов (например, туннелирование электронов) можно зафиксировать с помощью современных средств регистрации. Для регистрации используют различные типы сенсоров, чувствительность которых позволяет зафиксировать малые по величине возмущения. Для получения полноценного растрового изображения используют различные устройства развертки по осям X и Y (например, пьезотрубки, плоскопараллельные сканеры).
Основные технические сложности при создании сканирующего зондового микроскопа:
Особенности работы
В настоящий момент, в большинстве исследовательских лабораторий сканирующая зондовая и электронная микроскопия используются как дополняющие друг друга методы исследования в силу ряда физических и технических особенностей.
В сравнении с растровым электронным микроскопом (РЭМ) сканирующий зондовый микроскоп обладает рядом преимуществ. Так, в отличие от РЭМ, который даёт псевдо трёхмерное изображение поверхности образца, СЗМ позволяет получить истинно трёхмерный рельеф поверхности. Кроме того, в общем случае сканирующий зондовый микроскоп позволяет получать изображение как проводящей, так и непроводящей поверхности, тогда как для изучения непроводящих объектов с помощью РЭМ необходимо металлизировать поверхность. Для работы с РЭМ необходим вакуум, в то время как большая часть режимов СЗМ предназначена для исследований на воздухе, вакууме и жидкости. Благодаря этому, с помощью СЗМ возможно изучать материалы и биологические объекты в нормальных для этих объектов условиях. Например, изучение биомакромолекул и их взаимодействий, живых клеток. В принципе, СЗМ способен дать более высокое разрешение чем РЭМ. Так было показано, что СЗМ в состоянии обеспечить реальное атомное разрешение в условиях сверхвысокого вакуума при отсутствии вибраций. Сверхвысоковакуумный СЗМ по разрешению сравним с просвечивающим электронным микроскопом.
К недостатку СЗМ при его сравнении с РЭМ также следует отнести небольшой размер поля сканирования. РЭМ в состоянии просканировать область поверхности размером в несколько миллиметров в латеральной плоскости с перепадом высот в несколько миллиметров в вертикальной плоскости. У СЗМ максимальный перепад высот составляет несколько микрометров, как правило не более 25 мкм, а максимальное поле сканирования в лучшем случае порядка 150×150 микрометров. Другая проблема заключается в том, что качество изображения определяется радиусом кривизны кончика зонда, что при неправильном выборе зонда или его повреждении приводит к появлению артефактов на получаемом изображении. При этом подготовка образцов для СЗМ занимает меньше времени, чем для РЭМ.
Обычный СЗМ не в состоянии сканировать поверхность также быстро, как это делает РЭМ. Для получения СЗМ-изображения требуется от нескольких минут до нескольких часов, в то время как РЭМ после откачки способен работать практически в реальном масштабе времени хотя и с относительно невысоким качеством. Из-за низкой скорости развёртки СЗМ получаемые изображения оказываются искажёнными тепловым дрейфом, [1] [2] [3] что уменьшает точность измерения элементов сканируемого рельефа. Для увеличения быстродействия СЗМ было предложено несколько конструкций, [4] [5] среди которых можно выделить зондовый микроскоп, названный видеоАСМ. ВидеоАСМ обеспечивает получение удовлетворительного качества изображений поверхности с частотой телевизионной развёртки, что даже быстрее, чем на обычном РЭМ. Однако, применение ВидеоАСМ ограничено, так как он работает только в контактном режиме и на образцах с относительно небольшим перепадом высот. Для коррекции вносимых термодрейфом искажений было предложено несколько способов. [1] [2] [3]
Нелинейность, гистерезис [6] и ползучесть (крип) пьезокерамики сканера также являются причинами сильных искажения СЗМ-изображений. Кроме того, часть искажений возникает из-за взаимных паразитных связей, действующих между X, Y, Z-манипуляторами сканера. Для исправления искажений в реальном масштабе времени современные СЗМ используют программное обеспечение (например, особенность-ориентированное сканирование [1] [7] ) либо сканеры, снабжённые замкнутыми следящими системами, в состав которых входят линейные датчики положения. Некоторые СЗМ вместо сканера в виде пьезотрубки используют XY и Z-элементы, механически несвязанные друг с другом, что позволяет исключить часть паразитных связей. Однако в определённых случаях, например, при совмещении с электронным микроскопом или ультрамикротомами конструктивно оправдано использование именно сканеров на пьезотрубках.
Обработка полученной информации и восстановление полученных изображений
Как правило, снятое на сканирующем зондовом микроскопе изображение трудно поддается расшифровке из-за присущих данному методу искажений. Практически всегда результаты первоначального сканирования подвергаются математической обработке. Для этого используется программное обеспечение непосредственно поставляемое с СЗМ. Существует и программное обеспечение распространяемое по GNU лицензии. Например, Gwyddion [8]
Современное состояние и развитие сканирующей зондовой микроскопии
Производители СЗМ в России и СНГ в алфавитном порядке
АНО «Институт нанотехнологий МФК»
ООО «АИСТ-НТ»
ООО «АИСТ-НТ» — российская компания, созданная в Зеленограде в 2007 году группой разработчиков, вышедших из ЗАО «Нанотехнология МДТ». Занимается производством сканирующих зондовых микроскопов. [20] В настоящее время компания производит 2 уникальных [источник не указан 1019 дней] прибора, а также аксессуары и расходные материалы для СЗМ.
ООО «Нано Скан Технология»
ООО «Нано Скан Технология» — компания, основанная в Долгопрудном в 2007 году. Специализируется на разработке и производстве сканирующих зондовых микроскопов и комплексов на их основе для научных исследований и образования. [21] В настоящее время компания разработала и производит 2 модели сканирующих зондовых микроскопов исследовательского класса и 4 научно-исследовательских комплекса на основе СЗМ. Научно-исследовательские комплексы, производимой этой компанией, включают в себя СЗМ, оптическое и спектральное оборудование для комплексных исследований свойств объектов изучения.
«Микротестмашины», Беларусь
Компания, производящая оборудование для научных исследований, в том числе одну модель сканирующего зондового микроскопа. [22]
ЗАО «Нанотехнология МДТ»
ЗАО «Нанотехнология МДТ» — российская компания, созданная в Зеленограде в 1989 году. Занимается производством сканирующих зондовых микроскопов для образования, научных исследований и мелкосерийного производства. [23] В настоящее время компания производит 4 модельных ряда, а также широкий ассортимент аксессуаров и расходных материалов: кантилеверы, калибровочные решетки, тестовые образцы.
«Технологический институт сверхтвёрдых и новых углеродных материалов» (ФГБНУ ТИСНУМ), Россия
ООО НПП «Центр перспективных технологий»
ООО НПП «Центр перспективных технологий» — российское предприятие, работающее в области нанотехнологий. Создано в 1990 г. Специализируется на производстве сканирующих зондовых микроскопов «ФемтоСкан», атомных весов и аксессуаров, а также на разработке программного обеспечения. [24] Является первой компанией, предложившей комплекс программного обеспечения для управления сканирующим зондовым микроскопом через Интернет.
Примечания
Литература
Ссылки
См. также
Электросиловой · Электрохимический сканирующий туннельный · Метод Кельвина · Магнитно-силовой · Магниторезонансный силовой · Ближнепольный оптический · Фототермальная микроспектроскопия · Сканирующий емкостной · Scanning gate · Сканирование датчиком Холла · Ионной проводимости · Спиновой поляризационный сканирующий туннельный · Сканирующая микроскопия напряжения · Нанолитография · Особенность-ориентированное сканирование
Устройство и преимущество сканирующего электронного микроскопа
Электронные микроскопы — это научные приборы, которые исследуют объекты в очень большом масштабе с применением энергетического электронного пучка.
Эти приборы были разработаны еще в начале 1930-х годов, в связи с возникшим научным желанием исследовать мельчайшие детали строения органических клеток, которые требуют более чем 10000-х увеличения.
Ограничения оптических микроскопов стимулируют изобретение электронных микроскопов.
Электронный микроскоп отличается от оптического тем, что использует электростатические и электромагнитные линзы для направления электронного луча и фокусировки его для освещения образца с целью формирования изображения.
Хотя принцип действия электронно-оптических линз кажется схожим со стеклянными линзами с изобретением светового оптического микроскопа, но концепция и форма изображения с электронным совершенно различны.
Прежде всего, возникает два вопроса: Что такое электронный микроскоп? Чем электронный микроскоп отличается от оптического?
Типы электронных микроскопов
Существует два типа электронных микроскопов:
Они имеют общие черты, но есть и различия между ними.
Все виды микроскопов широко используются для диагностики в медицине и ветеринарии, медицинских исследованиях, исследованиях и разработках материалов и новых материалов для промышленности, а также в других науках, таких как археология, металлургия, ботаника, зоология.
Принцип работы
Сканирующий электронный микроскоп (СЭМ) — это тип электронного микроскопа, который изображает образец, сканируя его сфокусированным пучком заряженных электронов в растровом сканирующем узоре (прямоугольном узоре захвата и реконструкции изображения). Различные сигналы, которые могут быть обнаружены, когда электроны взаимодействуют с атомами в образце, где сигналы могут быть интерпретированы в информацию о свойствах поверхности образца. Затем положение луча комбинируется с обнаруженным сигналом для получения изображения. СЭМ может достигать разрешения лучше, чем 1 нанометр. 
Образцы можно наблюдать в высоком вакууме, в низком вакууме, во влажных условиях, в окружающей среде, а также в широком диапазоне криогенных или повышенных температур.
Наиболее распространенным режимом СЭМ является обнаружение вторичных электронов, испускаемых атомами, возбужденными электронным пучком. Количество вторичных электронов зависит от угла, под которым пучок встречается с поверхностью образца. При сканировании образца и сборе вторичных электронов с помощью специального детектора создается изображение, отображающее топографию поверхности.
Как следует из названия, СЭМ использует электронную пушку, которая испускает сфокусированный пучок электронов высокой энергии, заменяющий источник света, используемый в оптическом микроскопе.
Достоинства
Недостатки
Таким образом, эти факты ограничивают использование при исследованиях и промышленном применении.
Основные компоненты и устройство
Работа сканирующего электронного микроскопа во многом похожа на работу видеокамеры.
Внутренняя часть прибора представляет собой вакуум, чтобы электронные лучи не врезались в молекулы воздуха.
Основные компоненты включают:
Электронная пушка
В верхней части расположена электронная пушка, испускающая электроны. Как правило, нагретые вольфрамовые нити используются для испускания электронов.
Анод притягивает эти электроны и позволяет им проскользнуть через отверстие в нем. Этот луч отклоняется отклоняющими катушками и сканируется над образцом по оси x и y, что очень похоже на то, что мы используем в электронно-лучевой трубке, используемой в старых больших телевизорах.
Линзы: электроны имеют форму пучка, который должен быть сфокусирован на маленьком пятне размером около одной миллиардной метра, прежде чем они достигнут образца. Эта фокусировка осуществляется с помощью электромагнитных линз, которые используют свойство изгиба электрона из-за магнитного поля.
Камера
Исследуемый образец находится в нижней части камеры, которую можно перемещать вдоль направлений x, y и z, а также поворачивать под определенными углами. Она также изолирует СЭМ от вибраций. СЭМ обладает высокой чувствительностью к вибрации, так как она вызывает искажение снимаемого им изображения. Прежде чем образец попадет в камеру, необходимо убедиться, что он свободен от пыли. Чаще всего для шлифования образца используется тонкое покрытие из металла.
Детекторы сигналов
Когда электронный пучок попадает на поверхность образца, генерируется целый ряд сигналов.
Каждый сигнал обнаруживается отдельными детекторами. Вторичные электроны, генерируемые этим электронным пучком, обнаруживаются с помощью сцинтиллятора/фотоумножителя, который является интересным устройством, используемым для обнаружения слабых уровней света. С помощью этого детектора вторичных электронов выявляется поверхностная структура и топологический контраст. Обратное рассеяние электронов регистрируется с помощью твердотельных диодов, и это дает информацию о топологии, атомном номере и кристаллографии образца. Образец также испускает рентгеновские лучи, видимый свет, УФ-и ИК-излучение, которые обнаруживаются другими специфическими детекторами.
Вакуумная камера
Вакуум является важным критерием правильного функционирования.
Как и без вакуума, электроны, генерируемые электронной пушкой, могут подвергаться постоянным помехам, вызванным частицами воздуха, присутствующими внутри камеры. Воздушная частица не только блокирует электроны, испускаемые электронной пушкой, но и может выбивать электроны из образца, тем самым повреждая исследуемый образец. Большая часть сканирующих электронных микроскопов работает при давлении 0,0001 торр, что составляет около 1,315/10000000 атмосферного давления по сравнению с атмосферным давлением уровня моря.
Пульт управления
Пульт управления отвечает за регулировку излучений от электронной пушки, фокусировку электромагнитных линз, потенциал ускорения пучка, размер и скорость сканирования. Электроны, улавливаемые этими детекторами, поступают в монитор, который создает изображение. Увеличение регулируется за счет уменьшения размера сканирования. Высококачественные фотографии можно сделать снизив скорость сканирования.
Что такое СЭМ?
Рисунок 1. Внешний вид типичного сканирующего электронного микроскопа.
Сканирующий электронный микроскоп (СЭМ) — это многофункциональное оборудование, которое далеко выходит за рамки устройства для получения увеличенных изображений. На рис. 1 фото типичного сканирующего электронного микроскопа, который состоит из электронно-оптической колонны, блока электроники и управляющего компьютера (иногда колонна и блок электроники объединены). У всех современных СЭМ изображения формируются сразу в цифровом формате, окуляров нет.
Сравнение СЭМ с другими распространёнными микроскопическими техниками условно можно представить себе следующим образом, рис. 2: а) оптическая микроскопия — цветные снимки при малых и средних увеличениях; б) сканирующая электронная микроскопия — чёрно-белые снимки при малых, средних и больших увеличениях, объекты на снимках выглядят объёмными; в) просвечивающая электронная микроскопия — чёрно-белые снимки при больших и очень больших увеличениях, объекты на снимках выглядят плоскими.
В колонне СЭМ есть, сверху вниз: электронная пушка, где формируется пучок электронов; набор электромагнитных катушек, которые этот пучок фокусируют; камера образцов, где размещаются образцы. В наименовании СЭМ есть слово «сканирующий», потому что при построении СЭМ-изображений тонко сфокусированный пучок электронов сканирует поверхность образца, т.е. закрашивает образец точку за точкой. СЭМ-изображение формируется вслед за движением электронного пучка последовательно во времени, пиксель за пикселем. Для сравнения, фотографирование на фотоплёнку — это параллельный способ формирования изображения, потому что все зёрна фотоплёнки засвечиваются одновременно. Чем меньше диаметр электронного пучка, тем лучшего пространственного разрешения СЭМ можно добиться. Типичный диаметр электронного пучка
Самые распространённые детекторы сканирующего электронного микроскопа
Теперь пусть СЭМ-детекторы перестанут быть безликими, пусть они из абстрактных детекторов «1», «2», «3» … превратятся в детекторы с конкретными наименованиями и соответствующим перечнем регистрируемых свойств образца. Три самых распространённых СЭМ-детектора, которые вы встретите в подавляющем большинстве сканирующих электронных микроскопов — это:
Приставки SE, BSE и EDS — это далеко не полный перечень детекторов, которые могут быть установлены на колонну сканирующего электронного микроскопа. См. здесь подробное описание остальных СЭМ-детекторов производства компании TESCAN (того же производителя, что и изготовитель электронно-оптической колонны). Здесь описание детекторов и аксессуаров для сканирующего электронного микроскопа, которые выпускаются сторонними производителями, но которые при этом совместимы с микроскопами марки TESCAN. Часть детекторов можно купить при приобретении СЭМ, а другую часть докупить позже, постепенно превращая сканирующий электронный микроскоп в многофункциональное устройство для исследований свойств материалов.
Какими должны быть образцы, подготовленные для исследований в сканирующем электронном микроскопе
В камере СЭМ исследование образцов происходит в вакууме, так как иначе пучок электронов рассеивался бы на молекулах атмосферы и не долетал бы до образца. Для замены образцов в камере микроскопа временно создаётся атмосферное давление, но после камера снова откачивается. У микроскопов TESCAN длительность откачки камеры образцов от атмосферы до рабочего вакуума составляет менее 3 минут, поэтому менять образцы много раз в течение дня — это обычная практика. Исходя из конструктивных особенностей СЭМ, подытожим основные требования к образцам, предназначенным для исследований в сканирующем электронном микроскопе:
Сравнение сканирующей электронной микроскопии с оптической микроскопией
Сравним сканирующую электронную микроскопию с повсеместно распространённой оптической микроскопией. Основные отличия СЭМ от оптического микроскопа:
Рисунок 9. Сравнение глубины резкости сканирующего электронного микроскопа и оптического стереомикроскопа
Рисунок 10. Челюсть крота, снимок получен за один проход сканирования, без использования панорамной сшивки кадров. Данное СЭМ-изображение демонстрирует и широкое поле обзора СЭМ, и большую глубину резкости СЭМ
Рисунок 12. Пример корреляционной микроскопии: а) локализация бактерий helicobacter pylori на образце биологической ткани. Зелёные маркеры, указывающие на местоположение колоний helicobacter pylori, хорошо видны во флуоресцентном микроскопе, но не в СЭМ; б) после того, как благодаря корреляционной микроскопии колония helicobacter pylori найдена, можно фотографировать в СЭМ индивидуальные бактерии при гораздо большем увеличении, чем это было бы доступно с оптическим микроскопом
Краткий обзор специальных приложений СЭМ
Зачастую использование СЭМ ограничивается лишь получением SE- и BSE-изображений и точечным анализом составов с помощью детектора ЭДС. Следующий уровень освоения сканирующего электронного микроскопа — это применение специальных методик, расширяющих функционал СЭМ:
Рисунок 16. Пример реконструкции трёхмерной поверхности, выполненной с помощью программы Alicona Mex на основе стереопары изображений одного и того же участка: а) один из двух СЭМ-снимков стереопары; б) результат реконструкции; в) профиль перепеда высот, откуда следует, что глубина наблюдаемого кратера 200 мкм
Рисунок 17. Полированный образец песчаника. Один и тот же участок наблюдается с помощью трёх СЭМ-детекторов: а) детектор обратно отражённых электронов BSE, б) панхроматический катодолюминесцентный детектор, в) цветной катодолюминесцентный детектор. В то время как на BSE-изображении зёрна песчаника выглядят одинаковыми, CL-детекторы показывают вариации оттенков
Многие из перечисленных выше методик требуют приобретения дополнительных детекторов или дополнительного программного обеспечения, что может быть сделано как на этапе покупки микроскопа, так и позже в виде upgrade. На других страницах нашего сайта более подробно освещаются некоторые из приложений, затронутых выше.
Зачем нужна ионная колонна?
Сканирующий электронный микроскоп позволяет наблюдать поверхность образцов. А что скрыто под поверхностью? Обычно для ответа на этот вопрос из образца готовится поперечное сечение или скол. И то, и другое означает разрушение образца. С помощью ионной колонны можно обойтись микроразрушениями, не ломая образец целиком.
Рисунок 18. а) схема совместной работы ионной и электронной колонн двулучевого сканирующего электронно-ионного микроскопа FIB-SEM. Создание локального микрошлифа (кросс-секции); б) типичная кросс-секция, поверхность кросс-секции и поверхность образца составляют угол 90 градусов
Если к СЭМ добавляется ионная колонна, то такой микроскоп называется двулучевым сканирующим электронно-ионным микроскопом FIB-SEM. Схема работы FIB-SEM представлена на рисунке 18а: ионная колонна создаёт сфокусированный пучок высокоэнергетических ионов (чаще всего ионов галлия), который сканирует поверхность образца схожим образом, как это делает и электронный пучок. Но у ионного пучка по сравнению с электронным гораздо более разрушительное воздействие на образец. Ионный пучок, ударяясь в образец, вытравливает материал образца. Программное обеспечение микроскопа FIB-SEM направляет ионный пучок так, чтобы из образца сформировалась задуманная фигура, чаще всего это локальный микрошлиф, который называют кросс-секцией (рисунок 18б). Микрошлиф ориентирован таким образом, чтобы он сразу после приготовления был доступен для наблюдений с помощью электронной колонны, без необходимости как-либо вращать или наклонять столик образцов. Преимущества FIB-микрошлифов по сравнению с традиционными механическими методами пробоподготовки:
Чем отличаются сканирующие электронные микроскопы друг от друга?
На рынке предлагаются сканирующие электронные микроскопы, стоимости которых отличаются в разы и десятки раз. По каким признакам различаются СЭМ, что так влияет на их стоимость и, соответственно, функционал?
Таким образом, линейку TESCAN в каталоге «Оборудование» на данном сайте можно кратко описать так: