PROZAŘOVACÍ ELEKTRONOVÝ MIKROSKOP
Pod pojmem mikroskop si lidé nejčastěji představují optický přístroj využívající viditelného světla pro pozorování velmi malých objektů. Také prozařovací elektronový mikroskop je optický přístroj, který však místo světelného svazku používá elektrickým polem urychlené elektrony a místo skleněných čoček jsou použity elektromagnetické čočky. Dráha pohybujících se elektronů je ovlivněna magnetickým polem stejně jako světelný paprsek skleněnými čočkami.
Obraz v elektronovém mikroskopu je pozorován na luminiscenčním stínítku nebo snímán CCD kamerou. Aby nedocházelo k interakcím elektronů s atmosférou, je celý systém umístěn ve vakuu. Protože mezní rozlišovací schopnost mikroskopu je úměrná vlnové délce použitého záření, umožňuje elektronové záření s podstatně kratší vlnovou délkou než má viditelné světlo dosáhnout mnohem vyšší rozlišovací schopnosti.
Vlnová délka elektronů závisí na urychlovacím napětí mikroskopu. U komerčně vyráběných mikroskopů se používá urychlovacího napětí od 100 do 400 kV, vlnová délka elektronů je pak 3,7·10-3 nm pro 100 kV a 1,6·10-3 nm pro 400kV, zatímco vlnová délka viditelného světla je 400 - 750 nm. Rozdíl je až 5 řádů!
Dalším významným faktorem omezujícím rozlišení mikroskopu jsou vady optické soustavy . Rozlišovací schopnost současných špičkových přístrojů je 0,12 až 0,17 nm. Při tomto rozlišení je možné pozorovat jednotlivé atomové sloupce. Připomeňme zde, že průměr atomu se pohybuje v řádu 10-1 nm.
První pokusy s prozařovacím elektronovým mikroskopem, ale i jeho úspěšnou realizaci v roce 1931 uskutečnil německý vědec Ernest Ruska (na obr. 1). Za svůj objev získal v roce 1986 Nobelovu cenu za fyziku .
Obr. 1: Ernest Ruska, nositel Nobelovy ceny za objev elektronového mikroskopu
Prozařovací elektronový mikroskop může poskytnout komplexní informaci o mikrostruktuře , krystalografii , chemickém složení , ale i o dalších vlastnostech zkoumaného vzorku. Záleží na tom, jakou informaci pocházející z interakce elektronového svazku se zkoumaným vzorkem využijeme.
V tomto příspěvku se omezíme na nejdůležitější použití elektronového mikroskopu: elektronovou difrakci, zobrazení ve světlém a temném poli, vysokorozlišovací elektronovou mikroskopii a spektroskopii charakteristických ztrát elektronů. Bude zmíněna také speciální technika pro pozorování magnetických domén - Lorentzovská mikroskopie.
Obr. 2: Interakce svazku elektronů s pevnou látkou a její typické odezvy. E0 je energie primárních elektronů, D E je charakteristická ztráta, Q je Braggův úhel.
Při dopadu elektronů na vzorek dochází k různým typům interakcí (obr. 2). V prozařovací elektronové mikroskopii se využívá hlavně pružného, téměř pružného a nepružného rozptylu. Při pružném rozptylu se mění směr pohybu elektronů, ale nemění se jeho energie. Odchylky velké většiny pružně rozptýlených elektronů od původního směru jsou velké. Při téměř pružném rozptylu se mění směr pohybu i energie, změna energie je malá, několik setin eV (tzv. fononový a plazmonový rozptyl). Při nepružném rozptylu je změna energie značná, naproti tomu změna směru poměrně malá, většina jich projde clonou v objektivu.
Urychlené elektrony dopadající na krystalickou látku jsou rozptylovány jednotlivými atomy mřížky. Difrakci na krystalových rovinách studoval Bragg. Zákon, který stanovil pro rentgenové paprsky, platí i pro elektrony urychlené v elektronovém mikroskopu
n · l = 2d · sinQ
kde n je celé číslo, l je vlnová délka primárních elektronů, d je mezirovinná vzdálenost, Q je úhel rozptylu ( Braggův úhel).
V prozařovací elektronové mikroskopii se obvykle používají tenké vzorky o tloušťce 10 - 500 nm. Pro elektrony difraktující na takto tenkých vzorcích neplatí Braggův zákon zcela přesně, určuje však směr, v němž je difraktovaná intensita maximální. Braggovy úhly pro elektrony jsou malé, přibližně 1°.
Difraktovaných elektronů lze využít pro stanovení orientace vzorku známého fázového složení nebo pro stanovení struktury neznámé látky. Princip elektronové difrakce spočívá v tom, že elektrony pružně rozptýlené na krystalové rovině jsou objektivovou čočkou soustředěny do jednoho bodu v její zadní ohniskové rovině. V té vznikne obraz tvořený jednotlivými body, které odpovídají jednotlivým systémům krystalových rovin kolmých k rovině vzorku. Změnou ohniskové délky projekční čočky za objektivem promítneme tento systém bodů na stínítko. Z polohy bodů od středu difraktogramu lze určit krystalografickou orientaci a strukturu vzorku.
Nejčastěji používaná technika se nazývá zobrazení ve světlém nebo temném poli. Pro zobrazení ve světlém poli jsou pomocí clony vybrány pouze prošlé elektrony, tzn., že jsou z obrazu vyloučeny všechny pružně rozptýlené (difraktované) elektrony. Při pozorování v temném poli jsou z obrazu vyloučeny prošlé elektrony a obraz vytvářejí elektrony difraktované jedním systémem rovin. Kdybychom se dívali na naprosto dokonalý krystal všude stejně silný, viděli bychom na stínítku pouze obraz konstantní intenzity. Jsou-li na nějakém místě krystalové roviny porušeny či zakřiveny přítomností poruchy, odráží se tam elektronový svazek s odlišnou intenzitou, což způsobí lokální změnu intensity obrazu. Elektronový mikroskop tak umožňuje tyto poruchy pozorovat.
Na obr. 3a (zobrazení ve světlém poli) vidíme typický obraz dislokačních čar na hranici mezi dvěma molybdenovými zrny. Hranice zrn je vůči elektronovému svazku nakloněna a na obrázku vidíme její projekci. Dislokace vidíme jako soustavu tmavých čar.
Obr.3: Dislokace na hranici
zrn v molybdenu
a) zobrazení ve světlém poli, měřítko odpovídá 100 nm,
b) vysokorozlišovací elektronová mikroskopie, měřítko odpovídá 1 nm.
Další metodou využívající pružného rozptylu je metoda přímého zobrazení krystalové mříže - vysokorozlišovací elektronová mikroskopie . Na rozdíl od předešlé metody, kdy je využito svazku pružně rozptýleného na jednom systému rovin, využívá vysokorozlišovací elektronová mikroskopie svazků pružně rozptýlených elektronů na několika systémech krystalových rovin. Ty jsou opět vybrány clonou. Difraktované vlny při průchodu vzorkem nemají stejně dlouhé dráhy, proto dochází k jejich fázovým posunům. Výsledný kontrast - zvaný fázový - vzniká interferencí rozptýlených a nerozptýlených vln. Tato interference tak umožní přímé zobrazení krystalové mříže.
Ve vysokorozlišovací elektronové mikroskopii je nutno zvolit takovou orientaci vzorku vůči primárnímu svazku, aby zobrazované sloupce atomů měly směr paralelní s primárním svazkem. Na stínítku mikroskopu pak vidíme jejich projekci. Nutnost volby této orientace omezuje možnosti pozorování. Na obr. 3b vidíme jednu z dislokací zobrazených na obr. 3a, světlé body odpovídají atomovým sloupcům. Jsme tak schopni analyzovat detailně atomové uspořádání.
Předcházející tři metody umožňují určit mikrostrukturu a krystalografii zkoumaného materiálu. Jednou z velkých výhod elektronového mikroskopu je, že při studiu mikrostruktury lze současně využít difrakčního obrazce pro stanovení orientace vzorku známého fázového složení nebo pro stanovení struktury neznámé látky.
Další důležitou informací je chemické složení vzorku. Metoda, která se takovou analýzou zabývá, se nazývá spektroskopie charakteristických ztrát elektronů. Část primárních elektronů je nepružně rozptýlena interakcí s elektronovými slupkami atomů.
Nepružný rozptyl se řídí poměrně složitými mechanismy a pro jejich popsání je nutná hlubší znalost fyziky. Hlavním efektem nepružného rozptylu je ztráta energie primárních elektronů. Ztráta je způsobena excitací některého z elektronů v atomové slupce do energeticky vyššího stavu. Aby celková energie zůstala zachována, musí primární elektron energii ztratit. Tato ztráta je charakteristická jak pro daný prvek, tak pro jeho chemickou vazbu. Primární elektron může ztratit energii na všech diskrétních úrovních elektronového obalu. Daný prvek či sloučenina jsou pak charakterizovány přesně definovanými píky v energetickém spektru prošlých elektronů. Rozdělení prošlých elektronů v závislosti na jejich energii se provede magnetickým analyzátorem (někdy zvaným magnetický hranol), který je schematicky zobrazen na obr. 4.
Obr. 4: Schéma magnetického spektrometru
Elektrony jsou v něm zakřiveny magnetickým polem analyzátoru v závislosti na energii. Na výstupu obdržíme energetické spektrum, které je zaznamenáno pomocí CCD a zpracováno počítačovou cestou. Vyhodnocením spektra získáme informace o chemickém složení zkoumané oblasti.
Další možností je využití energetického spektra elektronů k tvorbě chemického obrazu, tzv. chemického mapování . Pomocí clony jsou vybrány elektrony určité energie a ty jsou užitím přídavného optického systému promítnuty a tvoří obraz pozorované oblasti. V místech zvýšené intenzity je přítomen prvek, jehož charakteristická energetická ztráta byla clonou vybrána.
Příklad použití této metody je uveden na obr. 5. Na levém snímku je vidět precipitát trojúhelníkového tvaru na hranici zrn v molybdenu. Technikou pozorování je dříve zmíněné zobrazení ve světlém poli. Na pravém snímku pak vidíme chemickou mapu využívající pouze elektronů, které odpovídají charakteristické ztrátě niklu. Maximum intensity je v trojúhelníkové oblasti precipitátu, kde je tedy zřejmá přítomnost niklu.
Obr. 5: a) Precipitát na hranici
zrn v molybdenu, zobrazení ve světlém poli, b) chemická mapa niklu.
Měřítko udává 20 nm.
Vznik magnetického kontrastu je možno si ukázat na případu jednoosého feromagnetika. Primární elektrony jsou odchýleny vlivem magnetického pole v magnetických doménách jak je znázorněno na obr. 6a, výsledný obraz tmavších a světlejších proužků odpovídá struktuře magnetických domén. Na obr. 6b vidíme uspořádání magnetické doménové struktury v kobaltové tenké folii.
Obr. 6: a)
Vznik magnetického kontrastu na magnetické struktuře jednoosého
feromagnetika.
b) Struktura magnetických domén v kobaltu pozorovaná lorentzovskou
spektroskopií.
Lorentzovská mikroskopie nachází použití především v oblasti vývoje a výzkumu nových magnetických záznamových zařízení.
Prozařovací elektronová mikroskopie umožňuje získat komplexní informaci o vlastnostech a chování materiálů. Lze studovat vznik, vlastnosti a vzájemné působení jednotlivých poruch. Na rozdíl od ostatních mikroskopických metod, jako je například rastrovací tunelová mikroskopie, nám poskytuje informaci z objemu zkoumaného materiálu.
Podrobné informace o zmíněných, ale i dalších metodách používaných v prozařovací elektronové mikroskopii lze nalézt v řadě monografií (např. D.B: Williams, C.B.Carter : Transmission Electron Microscopy , Plenum Press 1996) i na internetu (např. stránky Národní Laboratoře v Argonne v USA : http://www.amc.anl.gov/ ).
Jste
|
