Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
ТЕМ-изображение кластера полиовируса . Вирус полиомиелита имеет диаметр 30 нм . [1]
Принцип работы просвечивающего электронного микроскопа

Просвечивающая электронная микроскопия ( ПЭМ ) - это метод микроскопии , при котором пучок электронов проходит через образец для формирования изображения. Чаще всего образец представляет собой ультратонкий срез толщиной менее 100 нм или суспензию на сетке. Изображение формируется в результате взаимодействия электронов с образцом, когда луч проходит через образец. Затем изображение увеличивается и фокусируется на устройстве формирования изображения, таком как флуоресцентный экран, слой фотопленки или датчик, такой как сцинтиллятор, прикрепленный к устройству с зарядовой связью .

Просвечивающие электронные микроскопы способны отображать изображения со значительно более высоким разрешением, чем световые микроскопы , из-за меньшей длины волны де Бройля электронов. Это позволяет прибору улавливать мелкие детали - даже такие маленькие, как один столбец атомов, который в тысячи раз меньше, чем разрешаемый объект, видимый в световом микроскопе. Просвечивающая электронная микроскопия - один из основных аналитических методов в физических, химических и биологических науках. ТЕА находят применение в исследованиях рака , вирусологии и материаловедении, а также в исследованиях загрязнения окружающей среды , нанотехнологиях и полупроводниках.исследования, но также и в других областях, таких как палеонтология и палинология .

Приборы ПЭМ могут похвастаться огромным набором рабочих режимов, включая обычную визуализацию, сканирующую визуализацию ПЭМ (STEM), дифракцию, спектроскопию и их комбинации. Даже в рамках обычного формирования изображений существует множество принципиально различных способов создания контраста, называемых «механизмами контраста изображения». Контраст может возникать из-за межпозиционных различий в толщине или плотности («контраст массы-толщины»), атомном номере («Z-контраст», относящемся к общепринятой аббревиатуре Z для атомного номера), кристаллической структуре или ориентации («кристаллографический контраст »или« дифракционный контраст »), небольшие квантово-механические фазовые сдвиги, которые отдельные атомы производят в электронах, которые проходят через них (« фазовый контраст »),энергия, теряемая электронами при прохождении через образец («отображение спектра») и многое другое. Каждый механизм сообщает пользователю различную информацию, зависящую не только от механизма контраста, но и от того, как используется микроскоп - от настроек линз, диафрагм и детекторов. Это означает, что ПЭМ способен возвращать необычайное разнообразие информации с нанометровым и атомарным разрешением, в идеальных случаях показывая не только местонахождение всех атомов, но и то, что это за атомы и как они связаны друг с другом. По этой причине ПЭМ считается важным инструментом нанонауки как в области биологии, так и материаловедения.зависит не только от механизма контраста, но и от того, как используется микроскоп - от настроек линз, диафрагмы и детекторов. Это означает, что ПЭМ способен возвращать необычайное разнообразие информации с нанометровым и атомарным разрешением, в идеальных случаях показывая не только местонахождение всех атомов, но и то, что это за атомы и как они связаны друг с другом. По этой причине ПЭМ считается важным инструментом нанонауки как в области биологии, так и материаловедения.зависит не только от механизма контраста, но и от того, как используется микроскоп - от настроек линз, диафрагмы и детекторов. Это означает, что ПЭМ способен возвращать необычайное разнообразие информации с нанометровым и атомарным разрешением, в идеальных случаях показывая не только местонахождение всех атомов, но и то, что это за атомы и как они связаны друг с другом. По этой причине ПЭМ считается важным инструментом нанонауки как в области биологии, так и материаловедения.По этой причине ПЭМ считается важным инструментом нанонауки как в области биологии, так и материаловедения.По этой причине ПЭМ считается важным инструментом нанонауки как в области биологии, так и материаловедения.

Первый ПЭМ был продемонстрирован Максом Кноллем и Эрнстом Руска в 1931 году, при этом эта группа разработала первый ПЭМ с разрешением выше разрешения света в 1933 году и первый коммерческий ПЭМ в 1939 году. В 1986 году Руска была удостоена Нобелевской премии по физике за развитие просвечивающей электронной микроскопии. [2]

История [ править ]

Начальная разработка [ править ]

Первый практический ТЕА, первоначально установленный в IG Farben-Werke, а теперь демонстрирующийся в Немецком музее в Мюнхене, Германия.
Просвечивающий электронный микроскоп (1976 г.).

В 1873 году Эрнст Аббе предположил, что способность различать детали в объекте ограничивается приблизительно длиной волны света, используемого при формировании изображений, или несколькими сотнями нанометров для микроскопов видимого света. Разработки ультрафиолетовых (УФ) микроскопов под руководством Келера и Рора увеличили разрешающую способность в два раза. [3] Однако для этого потребовалась дорогая кварцевая оптика из-за поглощения УФ стеклом. Считалось, что получение изображения с субмикронной информацией невозможно из-за этого ограничения длины волны. [4]

В 1858 году Плюккер наблюдал отклонение «катодных лучей» ( электронов ) магнитными полями. [5] Этот эффект был использован Фердинандом Брауном в 1897 году для создания простых измерительных устройств электронно-лучевого осциллографа (CRO). [6] В 1891 году Рике заметил, что катодные лучи могут фокусироваться магнитными полями, что позволяет создавать простые конструкции электромагнитных линз. В 1926 году Ганс Буш опубликовал работу, расширяющую эту теорию, и показал, что уравнение производителя линз может быть применено к электронам при соответствующих допущениях. [2]

В 1928 году в Техническом университете Берлина Адольф Матиас, профессор технологии высокого напряжения и электроустановок, назначил Макса Нолля руководителем группы исследователей для продвижения дизайна CRO. Команда состояла из нескольких аспирантов, включая Эрнста Руска и Бодо фон Борриса . Исследовательская группа работала над дизайном линз и размещением столбцов CRO, чтобы оптимизировать параметры для построения лучших CRO и создать электронно-оптические компоненты для создания изображений с низким увеличением (почти 1: 1). В 1931 году группа успешно создала увеличенные изображения сеток, размещенных над анодным отверстием. В устройстве использовались две магнитные линзы для достижения большего увеличения, что, возможно, и стало первым электронным микроскопом.. В том же году Рейнхольд Руденберг , научный директор компании Siemens , запатентовал электронный микроскоп с электростатической линзой . [4] [7]

Улучшение разрешения [ править ]

В то время электроны считались заряженными частицами материи; Волновая природа электронов не была полностью осознана до публикации гипотезы Де Бройля в 1927 году. [8] Исследовательская группа Кнолля не знала об этой публикации до 1932 года, когда они быстро поняли, что длина волны де Бройля электронов составляет много порядков величины. меньше, чем для света, что теоретически позволяет получать изображения в атомных масштабах. (Даже для электронов с кинетической энергией всего в 1 вольт длина волны уже всего 1,23  нм .) В апреле 1932 года Руска предложил конструкцию нового электронного микроскопа для прямого изображения образцов, вставленных в микроскоп, а не простой сетки. сетки или изображения отверстий. С этим устройством успешнобыла достигнута дифракция и нормальное изображение алюминиевого листа. Однако достижимое увеличение было ниже, чем при световой микроскопии. В сентябре 1933 года были получены более высокие увеличения, чем те, которые доступны с помощью светового микроскопа, с помощью изображений хлопковых волокон, которые были быстро получены до того, как они были повреждены электронным лучом. [4]

В это время возрос интерес к электронному микроскопу с участием других групп, таких как Пол Андерсон и Кеннет Фитцсиммонс из Университета штата Вашингтон [9], а также Альберта Пребуса и Джеймса Хиллиера из Университета Торонто , которые построили первые ТЕА в Северной Америке в 1935 и 1938 годах соответственно [10] постоянно совершенствовали конструкцию ТЕА.

В 1936 году в компании « Сименс» продолжались исследования электронного микроскопа , целью которых было развитие и улучшение свойств изображения с помощью ПЭМ, особенно в отношении биологических образцов. В то время для определенных групп производились электронные микроскопы, такие как устройство «EM1», используемое в Национальной физической лаборатории Великобритании. [11] В 1939 году первый коммерческий электронный микроскоп, изображенный на фотографии, был установлен в физическом отделе IG Farben- Werke. Дальнейшая работа над электронным микроскопом была затруднена из-за разрушения новой лаборатории, построенной в Сименсе, в результате авианалета , а также гибели двух исследователей, Хайнца Мюллера и Фридрика Краузе во время Второй мировой войны .[12]

Дальнейшие исследования [ править ]

После Второй мировой войны Руска возобновил работу в Siemens, где продолжил разработку электронного микроскопа, выпустив первый микроскоп с увеличением 100k. [12] Фундаментальная конструкция микроскопа с многоступенчатой ​​оптикой для подготовки луча до сих пор используется в современных микроскопах. Мировое сообщество электронной микроскопии продвинулось вперед с появлением электронных микроскопов, производимых в Манчестере, Великобритания, США (RCA), Германии (Siemens) и Японии (JEOL). Первая международная конференция по электронной микроскопии прошла в Дельфте в 1949 году, и на ней присутствовало более ста человек. [11] Более поздние конференции включали «Первую» международную конференцию в Париже в 1950 году, а затем в Лондоне в 1954 году.

С развитием ТЕМ, связанный с ним метод сканирующей просвечивающей электронной микроскопии (STEM) были повторно исследованы и оставалась неразвитой до 1970 - х годов, с Albert Кру в Университете Чикаго развития пушки с полевой эмиссией [13] и добавление высокой цели качества линза для создания современного STEM. Используя эту конструкцию, Крю продемонстрировал способность отображать атомы с помощью кольцевых изображений в темном поле . Крю и его коллеги из Чикагского университета разработали источник эмиссии электронов холодным полем и создали STEM, способный визуализировать отдельные тяжелые атомы на тонких углеродных подложках. [14]В 2008 году Янник Мейер и др. описал прямую визуализацию легких атомов, таких как углерод и даже водород, с помощью ПЭМ и чистой однослойной графеновой подложки. [15]

Фон [ править ]

Электроны [ править ]

Теоретически максимальное разрешение d , которое можно получить с помощью светового микроскопа, ограничено длиной волны фотонов (λ), которые используются для зондирования образца, и числовой апертурой NA системы. [16]

где n - показатель преломления среды, в которой работает линза, а α - максимальный полуугол светового конуса, который может попасть в линзу (см. числовую апертуру ). [17] В начале двадцатого века ученые предложили способы обойти ограничения относительно большой длины волны видимого света (длины волн 400–700 нанометров ) с помощью электронов. Как и вся материя, электроны обладают как волновыми, так и частичными свойствами (согласно теории Луи-Виктора де Бройля.), а их волнообразные свойства означают, что пучок электронов может фокусироваться и дифрагировать так же, как и свет. Длина волны электронов связана с их кинетической энергией через уравнение де Бройля, согласно которому длина волны обратно пропорциональна импульсу. Принимая во внимание релятивистские эффекты (поскольку в ПЭМ скорость электрона составляет значительную часть скорости света  c [18] ), длина волны равна

где h - постоянная Планка , m 0 - масса покоя электрона, а E - кинетическая энергия ускоренного электрона. Электроны обычно генерируются в электронном микроскопе с помощью процесса, известного как термоэлектронная эмиссия из нити накала, обычно из вольфрама, таким же образом, как электрическая лампочка , или, альтернативно, за счет полевой электронной эмиссии . [19] Затем электроны ускоряются электрическим потенциалом (измеряется в вольтах.) и фокусируется на образец электростатическими и электромагнитными линзами. Переданный луч содержит информацию о плотности, фазе и периодичности электронов ; этот луч используется для формирования изображения.

Источник электронов [ править ]

Расположение оптических компонентов в базовом ПЭМ
Вольфрамовая нить в виде шпильки
Монокристаллическая нить LaB 6

Сверху вниз ПЭМ состоит из источника излучения или катода, который может быть вольфрамовой нитью или иглой, или монокристаллическим источником гексаборида лантана ( LaB 6 ) . [20] Пушка подключена к источнику высокого напряжения (обычно ~ 100–300 кВ), и при достаточном токе пушка начнет испускать электроны термоэлектронной или полевой эмиссией электронов в вакуум. В случае термоэмиссионного источника источник электронов обычно устанавливается в цилиндре Венельта.для обеспечения предварительной фокусировки испускаемых электронов в пучок, а также стабилизации тока с помощью цепи пассивной обратной связи. В источнике автоэлектронной эмиссии вместо этого используются электростатические электроды, называемые экстрактором, глушителем и линзой пистолета, с различным напряжением на каждом, для управления формой и напряженностью электрического поля возле острого наконечника. Комбинацию катода и этих первых электростатических линз часто называют «электронной пушкой». После того, как он покидает пистолет, луч обычно ускоряется рядом электростатических пластин до тех пор, пока он не достигает своего конечного напряжения и не попадает в следующую часть микроскопа: систему конденсаторных линз. Эти верхние линзы просвечивающего электронного микроскопа затем дополнительно фокусируют электронный луч до нужного размера и местоположения на образце. [21]

Манипуляция электронным пучком осуществляется с помощью двух физических эффектов. Взаимодействие электронов с магнитным полем заставит электроны двигаться в соответствии с правилом левой руки , что позволит электромагнитам управлять электронным пучком. Использование магнитных полей позволяет формировать магнитную линзу с переменной фокусирующей способностью, причем форма линзы обусловлена ​​распределением магнитного потока. Кроме того, электростатические поля могут вызывать отклонение электронов на постоянный угол. Сочетание двух отклонений в противоположных направлениях с небольшим промежуточным зазором позволяет сформировать сдвиг на пути луча, что позволяет сдвиг луча в ПЭМ, что важно для STEM.. Благодаря этим двум эффектам, а также использованию системы электронного изображения, можно в достаточной степени управлять траекторией луча для работы ПЭМ. Оптическая конфигурация ПЭМ может быть быстро изменена, в отличие от оптического микроскопа, поскольку линзы на пути луча могут быть включены, их сила изменена или полностью отключена с помощью быстрого электрического переключения, скорость которого ограничена такие эффекты, как магнитный гистерезис линз.

Оптика [ править ]

Объективы ПЭМ - это то, что придает ему гибкость в режимах работы и способность фокусировать лучи до атомного масштаба и увеличивать их, чтобы получить изображение на камере. Линза обычно состоит из соленоидной катушки, почти окруженной ферромагнитными материалами, предназначенными для преобразования магнитного поля катушки в точную, ограниченную форму. Когда электрон входит в это магнитное поле и выходит из него, он вращается по спирали вокруг изогнутых силовых линий магнитного поля, действуя во многом так же, как обычная стеклянная линза для света - это собирающая линза. Но, в отличие от стеклянной линзы, магнитная линза может очень легко изменить силу фокусировки, просто регулируя ток, проходящий через катушки. Это обеспечивает гибкость работы, которая еще больше увеличивается, когда линзы собираются в стопки независимых линз, каждая из которых может фокусироваться,расфокусировать, увеличить и / или коллимировать луч, исходящий от предыдущей линзы. Это позволяет системе с одной линзой между источником и образцом (система «конденсаторных линз») производить параллельный луч диаметром более 1 миллиметра, точно сфокусированный луч размером меньше атома или что-то среднее. Дополнительный стек линз, система линз "промежуточный / проектор", находится после образца. Его можно настроить для получения сфокусированной дифракционной картины или изображения образца с увеличением, изменяющимся в огромном диапазоне. Многие одиночные микроскопы могут охватывать диапазон увеличения от примерно 100X до более чем 1000000X.система) для получения параллельного луча диаметром более 1 миллиметра, плотно сфокусированного луча размером меньше атома или чего-либо промежуточного. Дополнительный стек линз, система линз "промежуточный / проектор", находится после образца. Его можно настроить для получения сфокусированной дифракционной картины или изображения образца с увеличением, изменяющимся в огромном диапазоне. Многие одиночные микроскопы могут охватывать диапазон увеличения от примерно 100X до более чем 1000000X.система) для получения параллельного луча диаметром более 1 миллиметра, плотно сфокусированного луча размером меньше атома или чего-либо промежуточного. Дополнительный стек линз, система линз "промежуточный / проектор", находится после образца. Его можно настроить для получения сфокусированной дифракционной картины или изображения образца с увеличением, изменяющимся в огромном диапазоне. Многие одиночные микроскопы могут охватывать диапазон увеличения от примерно 100X до более чем 1000000X.Многие одиночные микроскопы могут охватывать диапазон увеличения от примерно 100X до более чем 1000000X.Многие одиночные микроскопы могут охватывать диапазон увеличения от примерно 100X до более чем 1000000X.

Не менее важны для линз и диафрагмы. Это круглые отверстия в тонких полосах тяжелого металла, размещенные в хорошо выбранных точках колонны линз. Некоторые из них имеют фиксированный размер и положение и играют важную роль в ограничении генерации рентгеновских лучей и улучшении характеристик вакуума. Они также предотвращают прохождение электронов через внешние части магнитных линз, которые из-за больших аберраций линз крайне плохо фокусируют электронные пучки. Другие можно свободно переключать между несколькими разными размерами и регулировать их положение. Эти «переменные апертуры» используются для определения тока луча, достигающего образца, а также для улучшения способности фокусировать луч.Переменные апертуры после положения образца дополнительно позволяют пользователю выбирать диапазон пространственных положений или углов рассеяния электронов, которые будут использоваться при формировании изображения или дифракционной картины. При умелом использовании эти отверстия позволяют чрезвычайно точно и детально изучать дефекты кристаллов.

Электронно-оптическая система также включает дефлекторы и стигматоры, обычно сделанные из небольших электромагнитов. В отличие от линз, магнитные поля, создаваемые дефлекторами, ориентированы в первую очередь для отклонения луча, а не для его фокусировки. Дефлекторы позволяют независимо контролировать положение и угол луча в позиции образца (что важно для STEM), а также гарантируют, что лучи остаются рядом с центрами с низкой аберрацией каждой линзы в пакетах линз. Стигматоры обеспечивают вспомогательную тонкую фокусировку, компенсируя небольшие дефекты и аберрации, вызывающие астигматизм - линзы имеют разную силу фокусировки в разных направлениях.

Обычно ПЭМ состоит из трех этапов линзирования. Ступени - это линзы конденсатора, линзы объектива и линзы проектора. Линзы конденсатора отвечают за формирование первичного луча, в то время как линзы объектива фокусируют луч, который проходит через сам образец (в режиме сканирования STEM над образцом также есть линзы объектива, чтобы падающий электронный пучок сходился). Линзы проектора используются для распространения луча на люминофорный экран или другое устройство формирования изображения, такое как пленка. Увеличение ПЭМ связано с соотношением расстояний между образцом и плоскостью изображения линзы объектива. [22] Дополнительные стигматоры позволяют корректировать асимметричные искажения луча, известные как астигматизм.. Следует отметить, что оптические конфигурации ПЭМ значительно различаются в зависимости от реализации, при этом производители используют индивидуальные конфигурации линз, такие как приборы с коррекцией сферической аберрации [21], или ПЭМ, использующие энергетическую фильтрацию для коррекции электронной хроматической аберрации .

Взаимность [ править ]

Теорема оптической взаимности, или принцип взаимности Гельмгольца , обычно верна для упруго рассеянных электронов в поглощающей среде, как это часто бывает в стандартных рабочих условиях ПЭМ. [23] [24] Теорема утверждает, что амплитуда волны в некоторой точке B в результате точечного источника электронов A будет такой же, как амплитуда в точке A из-за эквивалентного точечного источника, размещенного в точке B. [24] Проще говоря, волновая функция для электронов, сфокусированных через любую серию оптических компонентов, которая включает только скалярные (т. е. не магнитные) поля, будет точно эквивалентна, если поменять местами источник электронов и точку наблюдения.

Было показано, что в ПЭМ электромагнитные линзы не оказывают заметного влияния на наблюдения взаимности [23] при условии, что в образце преобладают процессы упругого рассеяния и образец не является сильным магнитным. Тщательное применение теоремы взаимности в тех случаях, когда она верна, дает пользователю ПЭМ значительную гибкость в получении и интерпретации изображений и электронограмм. Взаимность также может использоваться для понимания сканирующей просвечивающей электронной микроскопии (STEM) в знакомом контексте TEM, а также для получения и интерпретации изображений с помощью STEM.

Дисплей и детекторы [ править ]

Ключевыми факторами при рассмотрении обнаружения электронов являются детективная квантовая эффективность (DQE) , функция рассеяния точки (PSF) , функция передачи модуляции (MTF) , размер пикселя и размер массива, шум, скорость считывания данных и радиационная стойкость. [25]

Системы формирования изображения в ПЭМ состоят из люминофорного экрана , который может быть изготовлен из мелких (10–100 мкм) частиц сульфида цинка , для прямого наблюдения оператором, и, необязательно, системы записи изображений, такой как фотопленка , [26] легированные YAG- матрицы ПЗС с экраном [27] или другой цифровой детектор. [25] Обычно эти устройства могут быть удалены или вставлены на пути луча оператором по мере необходимости. Хотя фотопленка может записывать информацию с высоким разрешением, ее непросто автоматизировать, и результаты нельзя просматривать в режиме реального времени. Первое сообщение об использовании детектора с зарядовой связью (ПЗС) для ПЭМ было сделано в 1982 г. [28]но эта технология не нашла широкого применения до конца 1990-х - начала 2000-х годов. [29] Монолитные датчики с активными пикселями (MAPS) также использовались в ПЭМ. [30] КМОП- детекторы, которые быстрее и более устойчивы к радиационным повреждениям, чем ПЗС-матрицы, использовались для ПЭМ с 2005 года. [31] [32] В начале 2010-х годов дальнейшее развитие КМОП-технологии позволило обнаруживать единичные электронные отсчеты. («режим счета»). [33] [34] Эти прямые электронные детекторы доступны от Gatan , FEI и Direct Electron . [30]

Компоненты [ править ]

Источник электронов ПЭМ находится вверху, где система линз (4, 7 и 8) фокусирует луч на образце, а затем проецирует его на экран просмотра (10). Регулировка луча - справа (13 и 14).

ПЭМ состоит из нескольких компонентов, в том числе вакуумной системы, в которой движутся электроны, источника эмиссии электронов для генерации электронного потока, ряда электромагнитных линз, а также электростатических пластин. Последние два позволяют оператору направлять луч и манипулировать им по мере необходимости. Также требуется устройство, позволяющее вводить, перемещать и удалять образцы с пути луча. Затем устройства формирования изображения используются для создания изображения из электронов, выходящих из системы.

Вакуумная система [ править ]

Чтобы увеличить длину свободного пробега при взаимодействии электронного газа, стандартный ПЭМ откачивается до низкого давления, обычно порядка 10 -4 Па . [35] В этом есть двоякая потребность: во-первых, учет разницы напряжений между катодом и землей без возникновения дуги, а во-вторых, снижение частоты столкновений электронов с атомами газа до незначительного уровня - этот эффект характеризуется тем, что средний свободный пробег . Компоненты ТЕА, такие как держатели образцов и картриджи с пленкой, должны регулярно вставляться или заменяться, что требует наличия системы с возможностью повторного вакуумирования на регулярной основе. Таким образом, ТЭМ оснащены несколькими насосными системами и воздушными шлюзами и не имеют постоянной вакуумной герметичности.

Вакуумная система откачки ТЭМ до рабочего уровня давления состоит из нескольких ступеней. Первоначально низкий или грубый вакуум достигается с помощью роторно-пластинчатого насоса или диафрагменных насосов, устанавливающих достаточно низкое давление, чтобы обеспечить работу турбомолекулярного или диффузионного насоса, устанавливающего высокий уровень вакуума, необходимый для работы. Чтобы насос низкого вакуума не требовал непрерывной работы при непрерывной работе турбомолекулярных насосов, вакуумная сторона насоса низкого давления может быть соединена с камерами, которые вмещают выхлопные газы турбомолекулярного насоса. [36]Секции ПЭМ могут быть изолированы с помощью отверстий, ограничивающих давление, чтобы обеспечить различные уровни вакуума в определенных областях, таких как более высокий вакуум от 10 -4 до 10 -7 Па или выше в электронной пушке в высоком разрешении или в полевых условиях. -выбросы ТЕА.

Высоковольтные ТЭМ требуют сверхвысокого вакуума в диапазоне от 10 -7 до 10 -9 Па, чтобы предотвратить образование электрической дуги, особенно на катоде ТЭМ. [37] Таким образом, для ПЭМ с более высоким напряжением может работать третья вакуумная система, при этом пушка изолирована от основной камеры либо задвижками, либо дифференциальной апертурой откачки - маленьким отверстием, которое предотвращает диффузию молекул газа в область пушки с более высоким вакуумом. быстрее, чем их можно откачать. Для этих очень низких давлений используется либо ионный насос, либо геттерный материал.

Плохой вакуум в ПЭМ может вызвать несколько проблем, начиная от осаждения газа внутри ПЭМ на образец, наблюдаемого в процессе, известном как осаждение, индуцированное электронным пучком, до более серьезных повреждений катода, вызванных электрическим разрядом. [37] Использование холодной ловушки для адсорбции сублимированных газов в непосредственной близости от образца в значительной степени устраняет проблемы с вакуумом, вызванные сублимацией образца . [36]

Стадия образца [ править ]

Опорная сетка для образцов ПЭМ «сетка» с ультрамикротомическими срезами

Конструкции столика для образцов ТЭМ включают воздушные шлюзы.чтобы позволить ввести держатель образца в вакуум с минимальной потерей вакуума в других областях микроскопа. Держатели образцов вмещают стандартный размер решетки для образцов или самонесущий образец. Стандартные размеры сетки ПЭМ составляют 3,05 мм в диаметре, с толщиной и размером ячеек от нескольких до 100 мкм. Образец помещают на сетку диаметром примерно 2,5 мм. Обычные материалы сетки - медь, молибден, золото или платина. Эта сетка помещается в держатель образца, который соединен с предметным столиком. В зависимости от типа проводимого эксперимента существует большое разнообразие конструкций столиков и держателей. Помимо сеток 3,05 мм, иногда, если и редко, используются сетки 2,3 мм.Эти сетки особенно использовались в минеральных науках, где может потребоваться большая степень наклона и где материал образца может быть чрезвычайно редким. Электронно-прозрачные образцы обычно имеют толщину менее 100 нм, но эта величина зависит от ускоряющего напряжения.

После того, как образец вставлен в ПЭМ, необходимо манипулировать образцом, чтобы определить местонахождение интересующей области для луча, например, в виде одного зернадифракция в определенной ориентации. Чтобы приспособиться к этому, столик ТЕМ позволяет перемещать образец в плоскости XY, регулировать высоту по Z и, как правило, в одном направлении наклона, параллельном оси держателей с боковым входом. Вращение образца может быть доступно на специализированных дифракционных держателях и столиках. Некоторые современные ПЭМ обеспечивают возможность движения с двумя ортогональными углами наклона с помощью специальных конструкций держателей, называемых держателями образцов с двойным наклоном. Некоторые конструкции сцены, такие как ступени с вводом сверху или вертикальной вставкой, которые когда-то были обычными для исследований ПЭМ высокого разрешения, могут просто иметь доступный только XY-перевод. Критерии проектирования этапов ПЭМ являются сложными из-за одновременных требований механических и электронно-оптических ограничений, и для различных методов доступны специальные модели.

Ступень ПЭМ требуется, чтобы иметь возможность удерживать образец и манипулировать им, чтобы вывести интересующую область на путь электронного луча. Поскольку ПЭМ может работать в широком диапазоне увеличений, предметный столик должен одновременно обладать высокой устойчивостью к механическому дрейфу, с требованиями дрейфа всего несколько нм / мин, при этом он должен иметь возможность перемещаться несколько мкм / мин, с точностью изменения положения порядка порядка нанометров. [38] В более ранних проектах ТЕМ это было реализовано с помощью сложного набора механических понижающих устройств, позволяющих оператору точно управлять движением сцены с помощью нескольких вращающихся стержней. В современных устройствах могут использоваться электрические сценические конструкции с использованием винтовой передачи совместно с шаговыми двигателями , что обеспечивает оператору компьютерный вход сценического механизма, такой какджойстик или трекбол .

Существуют две основные конструкции ступеней ТЕА: версия с боковым входом и версия с верхним входом. [27] Каждая конструкция должна иметь соответствующий держатель, чтобы можно было вставить образец, не повреждая хрупкую оптику ТЕМ или не допуская попадания газа в системы ТЕА в вакууме.

Схема держателя образца с одноосным наклоном для вставки в гониометр ТЕМ. Наклон держателя достигается вращением всего гониометра.

Наиболее распространенным является держатель с боковым вводом, когда образец помещается рядом с концом длинного металлического (латунного или нержавеющего) стержня, при этом образец помещается плашмя в небольшое отверстие. Вдоль стержня расположено несколько полимерных вакуумных колец, позволяющих сформировать вакуумное уплотнение достаточного качества при установке в ступень. Таким образом, столик предназначен для размещения стержня, помещая образец либо между линзой объектива, либо рядом с ней, в зависимости от конструкции объектива. Когда он вставлен в столик, конец держателя с боковым входом находится внутри вакуума ТЕА, а основание оказывается в атмосфере, воздушная пробка образована вакуумными кольцами.

Процедуры вставки держателей ТЕМ с боковым входом обычно включают вращение образца для срабатывания микровыключателей, которые инициируют откачку воздуха из шлюза перед тем, как образец вставляется в колонку ТЕА.

Вторая конструкция - держатель с верхним входом, состоит из патрона длиной несколько сантиметров с отверстием, просверленным по оси патрона. Образец загружается в отверстие, возможно, с помощью небольшого винтового кольца, чтобы удерживать образец на месте. Этот патрон вставляется в шлюз с отверстием, перпендикулярным оптической оси ТЭМ. В герметизированном состоянии воздушным затвором манипулируют, чтобы протолкнуть картридж так, чтобы картридж упал на место, где отверстие совпадает с осью балки, так что балка проходит вниз по каналу картриджа и в образец. Такие конструкции обычно невозможно наклонить, не блокируя путь луча или не мешая линзе объектива. [27]

Электронная пушка [ править ]

Схема поперечного сечения сборки электронной пушки, иллюстрирующая извлечение электронов

Электронная пушка состоит из нескольких компонентов: нити накала, цепи смещения, колпачка Венельта и экстракционного анода. Подключив нить накала к источнику питания отрицательного компонента, электроны могут «перекачиваться» из электронной пушки на анодную пластину и колонку ТЕМ, замыкая цепь. Пушка предназначена для создания пучка электронов, выходящих из сборки под некоторым заданным углом, известным как полуугол расходимости пушки α. Путем построения цилиндра Венельта так, что он имеет более высокий отрицательный заряд, чем сама нить, электроны, выходящие из нити расходящимся образом, при правильной работе вынуждены образовывать сходящуюся структуру, минимальный размер которой равен диаметру кроссовера пушки.

Плотность тока термоэлектронной эмиссии, J , может быть связана с работой выхода излучающего материала через закон Ричардсона

где A - постоянная Ричардсона , Φ - работа выхода, а T - температура материала. [27]

Это уравнение показывает, что для достижения достаточной плотности тока необходимо нагреть эмиттер, стараясь не повредить его из-за чрезмерного нагрева. По этой причине для нити накала ружья требуются материалы с высокой температурой плавления, такие как вольфрам, или материалы с низкой работой выхода (LaB 6 ). [39] Кроме того, для достижения термоэлектронной эмиссии необходимо нагревать как гексаборид лантана, так и термоэмиссионные источники вольфрама, что может быть достигнуто за счет использования небольшой резистивной полоски. Для предотвращения теплового удара часто применяется задержка при приложении тока к наконечнику, чтобы предотвратить повреждение нити тепловыми градиентами, задержка обычно составляет несколько секунд для LaB 6 и значительно ниже для вольфрама.[ необходима цитата ] .

Электронная линза [ править ]

Схема линзы с разъемным полюсным наконечником ТЕА

Электронные линзы сконструированы таким образом, чтобы имитировать действие оптических линз, фокусируя параллельные электроны на некотором постоянном фокусном расстоянии. Электронные линзы могут действовать электростатически или магнитно. В большинстве электронных линз для ПЭМ используются электромагнитные катушки для создания выпуклой линзы . Поле, создаваемое линзой, должно быть радиально-симметричным, поскольку отклонение от радиальной симметрии магнитной линзы вызывает аберрации, такие как астигматизм , и ухудшает сферическую и хроматическую аберрации . Электронные линзы изготавливаются из железа, сплавов железо-кобальт или никель-кобальт [40], таких как пермаллой.. Они выбраны из-за их магнитных свойств, таких как магнитное насыщение , гистерезис и проницаемость .

Компоненты включают ярмо, магнитную катушку, полюса, полюсный наконечник и схему внешнего управления. Полюсный наконечник должен быть изготовлен очень симметрично, поскольку это обеспечивает граничные условия для магнитного поля, формирующего линзу. Несовершенство изготовления полюсного наконечника может вызвать серьезные искажения симметрии магнитного поля, которые вызывают искажения, которые в конечном итоге ограничивают способность линз воспроизводить плоскость объекта. Точные размеры зазора, внутренний диаметр и конусность полюсного наконечника, а также общая конструкция линзы часто определяется методом конечных элементов магнитного поля с учетом тепловых и электрических ограничений конструкции. [40]

Катушки, создающие магнитное поле, расположены внутри ярма линзы. Катушки могут содержать переменный ток, но обычно используют высокое напряжение и, следовательно, требуют значительной изоляции для предотвращения короткого замыкания компонентов линзы. Тепловые распределители размещены для обеспечения отвода тепла, выделяемого энергией, теряемой в сопротивлении обмоток катушки. Обмотки могут охлаждаться водой с использованием источника охлажденной воды, чтобы облегчить устранение высоких тепловых нагрузок.

Апертуры [ править ]

Отверстия представляют собой кольцевые металлические пластины, через которые могут быть исключены электроны, находящиеся дальше фиксированного расстояния от оптической оси . Они состоят из небольшого металлического диска, который достаточно толстый, чтобы предотвратить прохождение электронов через диск, но при этом пропускает осевые электроны. Это разрешение центральных электронов в ПЭМ вызывает одновременно два эффекта: во-первых, апертуры уменьшают интенсивность пучка, поскольку электроны фильтруются из пучка, что может быть желательно в случае образцов, чувствительных к пучку. Во-вторых, эта фильтрация удаляет электроны, которые рассеиваются под большими углами, что может быть связано с нежелательными процессами, такими как сферическая или хроматическая аберрация, или из-за дифракции от взаимодействия внутри образца. [41]

Апертуры представляют собой либо фиксированную апертуру внутри колонны, например, на линзе конденсатора, либо подвижную апертуру, которую можно вставлять или снимать с пути луча или перемещать в плоскости, перпендикулярной пути луча. Узлы диафрагмы представляют собой механические устройства, которые позволяют выбирать различные размеры диафрагмы, которые могут использоваться оператором для достижения компромисса между интенсивностью и фильтрующим эффектом апертуры. Узлы диафрагмы часто снабжены микрометрами для перемещения апертуры, необходимой во время оптической калибровки.

Методы визуализации [ править ]

Методы визуализации в ПЭМ используют информацию, содержащуюся в электронных волнах, выходящих из образца, для формирования изображения. Линзы проектора позволяют правильно разместить это распределение электронных волн на системе просмотра. Наблюдаемая интенсивность I изображения при достаточно высоком качестве устройства формирования изображения может быть аппроксимирована как пропорциональная усредненному по времени квадрату абсолютного значения амплитуды электронных волновых функций, где волна, формирующая выходной луч, обозначается как Ψ. [42]

Поэтому различные методы визуализации пытаются изменить электронные волны, выходящие из образца, таким образом, чтобы получить информацию об образце или самом луче. Из предыдущего уравнения можно сделать вывод, что наблюдаемое изображение зависит не только от амплитуды луча, но и от фазы электронов [ требуется пояснение ]хотя фазовые эффекты часто можно игнорировать при меньших увеличениях. Для получения изображений с более высоким разрешением требуются более тонкие образцы и более высокая энергия падающих электронов, а это означает, что образец больше не может считаться поглощающим электроны (т. Е. С помощью эффекта закона Бера). Вместо этого образец можно смоделировать как объект, который не изменяет амплитуду волновой функции входящего электрона, а вместо этого изменяет фазу входящей волны; в этой модели образец известен как чисто фазовый объект. Для достаточно тонких образцов на изображении преобладают фазовые эффекты, что затрудняет анализ наблюдаемых интенсивностей. [42] Чтобы улучшить контраст изображения, ПЭМ может работать с небольшой расфокусировкой для увеличения контраста из-за свертки с помощью функции передачи контраста.ПЭМ [43], который обычно уменьшал бы контраст, если бы образец не был слабым фазовым объектом.

Схематическое изображение режимов визуализации и дифракции в ПЭМ.

На рисунке справа показаны два основных режима работы ПЭМ - режим визуализации и дифракционный режим. В обоих случаях образец освещается параллельным лучом, сформированным путем формирования электронного луча с помощью системы линз конденсатора и апертуры конденсатора. После взаимодействия с образцом на выходной поверхности образца существуют два типа электронов - нерассеянные (которые будут соответствовать яркому центральному пучку на дифракционной картине) и рассеянные электроны (которые меняют свои траектории из-за взаимодействия с материалом).

В режиме визуализации апертура объектива вставляется в заднюю фокальную плоскость (BFP) линзы объектива (где образуются дифракционные пятна). Если использовать апертуру объектива для выбора только центрального луча, прошедшие электроны проходят через апертуру, в то время как все остальные блокируются, и получается изображение в ярком поле (изображение BF). Если мы разрешаем сигнал от дифрагированного луча, получается изображение темного поля (изображение DF). Выбранный сигнал увеличивается и проецируется на экран (или камеру) с помощью линз Intermediate и Projector. Таким образом получается изображение образца.

В режиме дифракции можно использовать апертуру выбранной области для более точного определения области образца, из которой будет отображаться сигнал. Изменяя силу тока к промежуточной линзе, дифракционная картина проецируется на экран. Дифракция - очень мощный инструмент для реконструкции ячеек и определения ориентации кристаллов.

Формирование контраста [ править ]

Контраст между двумя соседними областями на изображении ПЭМ можно определить как разницу в плотности электронов в плоскости изображения. Из-за рассеяния падающего луча на образце амплитуда и фаза электронной волны изменяются, что приводит к контрасту амплитуды и фазовому контрасту , соответственно. Большинство изображений имеют оба контрастных компонента.

Амплитудно-контрастность достигается за счет удаления части электронов перед плоскостью изображения. Во время взаимодействия с образцом часть электронов будет потеряна из-за поглощения или из-за рассеяния на очень большие углы, превышающие физические ограничения микроскопа, или заблокированы апертурой объектива. Хотя первые две потери связаны с конструкцией образца и микроскопа, апертура объектива может использоваться оператором для увеличения контраста.

Демонстрация контраста BF и DF. ПЭМ изображение поликристаллической пленки Pt

На рисунке справа показаны ПЭМ-изображение (а) и соответствующая дифракционная картина (b) поликристаллической пленки Pt, снятые без апертуры объектива. Чтобы повысить контрастность изображения ПЭМ, необходимо уменьшить количество рассеянных лучей, видимых на дифракционной картине. Это можно сделать, выбрав определенную область в задней фокальной плоскости, такую ​​как только центральный луч или определенный дифрагированный луч (угол), или комбинации таких лучей. Умышленно выбрав апертуру объектива, которая позволяет только недифрагированному лучу выходить за пределы задней фокальной плоскости (и на плоскость изображения): создается изображение в светлом поле (BF) (c), тогда как если центральный, не дифрагированный луч дифрагированный луч блокируется: можно получить изображения темного поля (DF), такие как показанные на (de).Изображения DF (de) были получены путем отбора дифрагированных лучей, обозначенных на дифракционной картине кружками (b), с использованием апертуры в задней фокальной плоскости. Зерна, от которых электроны рассеиваются в этих дифракционных пятнах, выглядят ярче. Более подробная информация о формировании дифракционного контраста приводится ниже.

Есть два типа амплитудного контраста - масса – толщина и дифракционный контраст. Во-первых, давайте рассмотрим контраст массы и толщины . Когда луч освещает две соседние области с малой массой (или толщиной) и большой массой (или толщиной), более тяжелая область рассеивает электроны под большими углами. Эти сильно рассеянные электроны блокируются в режиме BF TEM апертурой объектива. В результате более тяжелые области кажутся более темными на BF-изображениях (имеют низкую интенсивность). Контраст массы и толщины наиболее важен для некристаллических аморфных материалов.

Дифракционный контраст возникает из-за определенной кристаллографической ориентации зерна. В таком случае кристалл находится в так называемом состоянии Брэгга, при котором атомные плоскости ориентированы таким образом, что существует высокая вероятность рассеяния. Таким образом, дифракционный контраст дает информацию об ориентации кристаллов в поликристаллическом образце. Обратите внимание, что в случае наличия дифракционного контраста, контраст не может быть интерпретирован как результат изменения массы или толщины.

Дифракционный контраст [ править ]

Электронная микрофотография дислокаций в стали, являющихся дефектами структуры кристаллической решетки на атомном уровне.

Образцы могут демонстрировать дифракционный контраст, в результате чего электронный луч подвергается брэгговскому рассеянию , которое в случае кристаллического образца рассеивает электроны в дискретных местах в задней фокальной плоскости . Путем размещения апертур в задней фокальной плоскости, то есть апертуры объектива, можно выбрать (или исключить) желаемые брэгговские отражения, таким образом, только те части образца, которые вызывают рассеяние электронов на выбранные отражения, в конечном итоге будут проецироваться на аппарат для визуализации.

Если выбранные отражения не включают нерассеянный луч (который появится в фокусе линзы), то изображение будет темным везде, где отсутствует рассеяние образца до выбранного пика, как такая область без образца будет казаться темным. Это изображение называется темным полем.

Современные ПЭМ часто оснащены держателями образцов, которые позволяют пользователю наклонять образец под разными углами для получения определенных условий дифракции, а отверстия, расположенные над образцом, позволяют пользователю выбирать электроны, которые в противном случае дифрагировали бы в определенном направлении. от попадания в образец.

Применения этого метода включают идентификацию дефектов решетки в кристаллах. Тщательно подобрав ориентацию образца, можно не только определить положение дефектов, но и определить тип имеющегося дефекта. Если образец ориентирован так, что одна конкретная плоскость лишь немного наклонена от самого сильного угла дифрагирования (известного как угол Брэгга ), любое искажение плоскости кристалла, которое локально наклоняет плоскость к углу Брэгга, приведет к особенно сильным вариациям контраста. Однако дефекты, которые вызывают только смещение атомов, которые не наклоняют кристалл до угла Брэгга (т. Е. Смещения, параллельные плоскости кристалла), не будут давать сильного контраста. [44]

Фазовый контраст [ править ]

Кристаллическую структуру также можно исследовать с помощью просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения (HRTEM), также известной как фазовый контраст . При использовании автоэмиссионного источника и образца однородной толщины изображения формируются из-за различий в фазах электронных волн, вызванного взаимодействием образцов. [43] Формирование изображения определяется комплексным модулем входящих электронных лучей. Таким образом, изображение зависит не только от количества электронов, попадающих на экран, что усложняет прямую интерпретацию фазово-контрастных изображений. Однако этот эффект можно использовать с пользой, так как им можно манипулировать, чтобы предоставить больше информации об образце, например, в сложных методах поиска фазы .

Дифракция [ править ]

Кристаллическая дифракционная картина от двойникового зерна аустенитной стали FCC

Как указывалось ранее, путем регулировки магнитных линз таким образом, чтобы на устройстве формирования изображения располагалась задняя фокальная плоскость линзы, а не плоскость формирования изображения, можно создать дифракционную картину . Для тонких кристаллических образцов это дает изображение, состоящее из рисунка из точек в случае монокристалла или ряда колец в случае поликристаллического или аморфного твердого материала. Для случая монокристалла дифракционная картина зависит от ориентации образца и структуры образца, освещаемого электронным лучом. Это изображение предоставляет следователю информацию о космической группе.симметрии в кристалле и ориентации кристалла на пути луча. Обычно это делается без использования какой-либо информации, кроме положения, в котором появляются дифракционные пятна, и наблюдаемой симметрии изображения.

Дифрактограммы могут иметь большой динамический диапазон, а для кристаллических образцов они могут иметь большую интенсивность, чем записываемые с помощью ПЗС-матрицы. Таким образом, ПЭМ могут быть оснащены картриджами с пленкой для получения этих изображений, поскольку пленка является детектором одноразового использования.

Линии Кикучи сходящегося пучка из кремния вблизи оси зоны [100]

Анализ дифракционных картин за пределами точки может быть сложным, поскольку изображение чувствительно к ряду факторов, таких как толщина и ориентация образца, расфокусировка линзы объектива, а также сферическая и хроматическая аберрация. Хотя количественная интерпретация контраста, показанного на изображениях решетки, возможна, она по своей сути сложна и может потребовать обширного компьютерного моделирования и анализа, такого как электронный мультисрезовой анализ. [45]

Также возможно более сложное поведение в плоскости дифракции с такими явлениями, как линии Кикучи, возникающие в результате множественной дифракции внутри кристаллической решетки. При дифракции электронов сходящимся пучком (CBED), где непараллельный, т. Е. Сходящийся, электронный волновой фронт создается путем концентрации электронного пучка в тонком зонде на поверхности образца, взаимодействие сходящегося пучка может предоставить информацию, выходящую за рамки структурных данных, таких как образец толщина.

Спектроскопия потерь энергии электронов (EELS) [ править ]

Используя передовую технику спектроскопии потерь энергии электронов (EELS), для TEM, оборудованных соответствующим образом, электроны могут быть разделены на спектр в зависимости от их скорости (которая тесно связана с их кинетической энергией и, следовательно, с потерей энергии из энергии пучка), используя магнитный секторна базе устройств, известных как спектрометры EEL. Эти устройства позволяют выбирать определенные значения энергии, которые могут быть связаны с тем, как электрон взаимодействует с образцом. Например, разные элементы в образце приводят к разной энергии электронов в пучке после образца. Обычно это приводит к хроматической аберрации, однако этот эффект можно, например, использовать для создания изображения, которое предоставляет информацию об элементном составе на основе атомного перехода во время электрон-электронного взаимодействия. [46]

Спектрометры EELS часто могут работать как в спектроскопическом режиме, так и в режиме визуализации, что позволяет изолировать или отклонять упруго рассеянные лучи. Поскольку для многих изображений неупругое рассеяние будет включать информацию, которая может не представлять интереса для исследователя, тем самым уменьшая наблюдаемые представляющие интерес сигналы, визуализация EELS может использоваться для увеличения контрастности наблюдаемых изображений, включая как яркое поле, так и дифракцию, путем отбрасывания нежелательных компонентов.

Трехмерное изображение [ править ]

Воспроизвести медиа
Трехмерное ПЭМ-изображение парапоксвируса [47]

Поскольку держатели образцов для ПЭМ обычно допускают поворот образца на желаемый угол, можно получить несколько изображений одного и того же образца, поворачивая угол образца вдоль оси, перпендикулярной лучу. Путем получения нескольких изображений одного образца ПЭМ под разными углами, обычно с шагом в 1 °, можно собрать набор изображений, известный как «серия наклона». Эта методология была предложена в 1970-х годах Уолтером Хоппе . В условиях чисто абсорбционного контраста этот набор изображений можно использовать для построения трехмерного представления образца. [48]

Реконструкция выполняется в два этапа: первые изображения выравниваются с учетом ошибок позиционирования образца; такие ошибки могут возникать из-за вибрации или механического дрейфа. [49] В методах совмещения для исправления этих ошибок используются алгоритмы совмещения изображений , например методы автокорреляции . Во-вторых, с помощью алгоритма реконструкции, такого как обратная проекция с фильтром , выровненные срезы изображения могут быть преобразованы из набора двумерных изображений I j ( xy ) в одно трехмерное изображение I ' j ( xуz). Это трехмерное изображение представляет особый интерес, когда требуется морфологическая информация, дальнейшее изучение может быть предпринято с использованием компьютерных алгоритмов, таких как изоповерхности и срезы данных для анализа данных.

Поскольку образцы ПЭМ обычно не могут быть просмотрены при полном повороте на 180 °, наблюдаемые изображения обычно страдают от «недостающего клина» данных, что при использовании методов обратной проекции на основе Фурье уменьшает диапазон разрешаемых частот в трехмерной реконструкции. [48] Механические усовершенствования, такие как многоосевой наклон (две серии наклона одного и того же образца, сделанные в ортогональных направлениях) и коническая томография (где образец сначала наклоняется на заданный фиксированный угол, а затем изображение отображается с равными угловыми приращениями вращения через один полное вращение в плоскости сетки образца) может использоваться для ограничения влияния отсутствующих данных на наблюдаемую морфологию образца. Используя измельчение сфокусированным ионным пучком , была предложена новая техника.[50], в котором используется образец в форме столба и специальный держатель для осевой томографии для поворота образца на 180 ° внутри полюсного наконечника линзы объектива в ПЭМ. Используя такие устройства, возможна количественная электронная томография без недостающего клина. [51] Кроме того, существуют численные методы, которые могут улучшить собранные данные.

Все вышеупомянутые методы включают регистрацию серии наклона заданного поля образца. Это неизбежно приводит к суммированию высокой дозы реактивных электронов через образец и сопутствующему разрушению мелких деталей во время записи. Поэтому для смягчения этого эффекта регулярно применяется метод визуализации с низкой дозой (минимальная доза). Визуализация с низкой дозой выполняется путем одновременного отклонения областей освещения и формирования изображения от оптической оси для изображения области, прилегающей к области, которая должна быть записана (область высокой дозы). Эта область поддерживается в центре во время наклона и перефокусируется перед записью. Во время записи отклонения устраняются, так что интересующая область подвергается воздействию электронного луча только в течение времени, необходимого для получения изображения.Усовершенствованием этого метода (для объектов, лежащих на наклонной пленке-подложке) является наличие двух симметричных внеосевых областей для фокусировки с последующей установкой фокуса на среднее из двух значений фокусировки с высокой дозой перед записью интересующей области с низкой дозой. .

Нетомографические варианты этого метода, называемые анализом отдельных частиц , используют изображения нескольких (надеюсь) идентичных объектов в разных ориентациях для получения данных изображения, необходимых для трехмерной реконструкции. Если объекты не имеют значительных предпочтительных ориентаций, этот метод не страдает от отсутствующего клина (или конуса) данных, который сопровождает томографические методы, и не требует чрезмерной дозы излучения, однако он предполагает, что различные отображаемые объекты можно рассматривать, как если бы Сгенерированные на их основе трехмерные данные возникли из единого устойчивого объекта.

Подготовка образца [ править ]

Образец клеток (черный), окрашенных тетроксидом осмия и уранилацетатом, залитый эпоксидной смолой (янтарный), готовый для разделения.

Подготовка проб в ПЭМ может быть сложной процедурой. [52] Образцы ПЭМ должны быть менее 100 нанометров для обычного ПЭМ. В отличие от нейтронного или рентгеновского излучения электроны в пучке легко взаимодействуют с образцом, и этот эффект увеличивается примерно с квадратом атомного номера (Z 2 ). [16] Высококачественные образцы будут иметь толщину, сравнимую со средней длиной свободного пробега электронов, проходящих через образцы, которая может составлять всего несколько десятков нанометров. Подготовка образцов для ПЭМ зависит от анализируемого материала и типа информации, которая должна быть получена от образца.

Материалы, которые имеют достаточно малые размеры, чтобы быть прозрачными для электронов, такие как порошкообразные вещества, мелкие организмы, вирусы или нанотрубки, могут быть быстро приготовлены путем осаждения разбавленного образца, содержащего образец, на пленки на опорных решетках. Биологические образцы могут быть залиты смолой, чтобы выдерживать высокий вакуум в камере для образцов и позволить разрезать ткань на тонкие срезы, прозрачные для электронов. Биологический образец может быть окрашен либо с использованием отрицательного окрашивающего материала, такого как уранилацетат для бактерий и вирусов, либо, в случае залитых срезов, образец может быть окрашен тяжелыми металлами, включая четырехокись осмия. В качестве альтернативы образцы могут храниться при температуре жидкого азота после погружения в стекловидный лед.[53] В материаловедении и металлургии образцы обычно могут выдерживать высокий вакуум, но все же должны быть приготовлены в виде тонкой фольги или протравлены, чтобы часть образца была достаточно тонкой для проникновения луча. Ограничения на толщину материала могут быть ограничены поперечным сечением рассеяния атомов, из которых состоит материал.

Разделение тканей [ править ]

Лезвие алмазного ножа, используемое для резки ультратонких срезов (обычно от 70 до 350 нм) для просвечивающей электронной микроскопии.

Биологическая ткань часто заделывается в блок из смолы, а затем истончается до менее 100 нм на ультрамикротоме . Блок смолы ломается, когда проходит по кромке стеклянного или алмазного ножа. [54] Этот метод используется для получения тонких, минимально деформированных образцов, которые позволяют наблюдать ультраструктуру тканей. Неорганические образцы, такие как алюминий, также могут быть погружены в смолы и ультратонкие срезы таким образом с использованием либо стеклянных, сапфировых, либо алмазных ножей с большим углом наклона. [55] Чтобы предотвратить накопление заряда на поверхности образца при просмотре в ПЭМ, образцы ткани должны быть покрыты тонким слоем проводящего материала, например углерода.

Окрашивание образца [ править ]

Срез клетки Bacillus subtilis , полученный с помощью ТЕМ Tecnai T-12. Масштабная линейка составляет 200 нм.

Образцы биологических тканей для ПЭМ нуждаются в окрашивании с высоким атомным номером для усиления контраста. Пятно поглощает электроны пучка или рассеивает часть электронного пучка, который в противном случае проецируется на систему визуализации. Соединения тяжелых металлов, таких как осмий , свинец , уран или золото (в маркировке иммунным золотом ), можно использовать до наблюдения с помощью ПЭМ для селективного осаждения электронно-плотных атомов в образце или на нем в желаемой клеточной или белковой области. Этот процесс требует понимания того, как тяжелые металлы связываются с конкретными биологическими тканями и клеточными структурами. [56]

Механическое фрезерование [ править ]

Механическая полировка также используется для подготовки образцов для визуализации на ПЭМ. Полировку необходимо выполнять с высоким качеством, чтобы гарантировать постоянную толщину образца в интересующей области. На заключительных этапах полировки можно использовать алмазный полировальный состав или состав из кубического нитрида бора для удаления любых царапин, которые могут вызвать колебания контраста из-за различной толщины образца. Даже после тщательного механического фрезерования могут потребоваться дополнительные тонкие методы, такие как ионное травление, для выполнения окончательного утонения.

Химическое травление [ править ]

Некоторые образцы могут быть приготовлены химическим травлением, особенно металлические образцы. Эти образцы разбавляют с использованием химического травителя, такого как кислота, чтобы подготовить образец для наблюдения с помощью ПЭМ. Устройства для управления процессом утонения могут позволить оператору управлять либо напряжением, либо током, проходящим через образец, и могут включать системы для определения того, когда образец был разбавлен до достаточного уровня оптической прозрачности.

Ионное травление [ править ]

Ионное травление - это процесс распыления, при котором удаляются очень мелкие количества материала. Используется для финишной полировки образцов, отполированных другими способами. Ионное травление использует инертный газ, пропускаемый через электрическое поле, для создания потока плазмы , направляемого к поверхности образца. Энергия ускорения для газов, таких как аргон, обычно составляет несколько киловольт. Образец можно вращать для обеспечения равномерного полирования поверхности образца. Скорость распыления таких методов составляет порядка десятков микрометров в час, что ограничивает метод только чрезвычайно тонкой полировкой.

Недавно было показано, что ионное травление газообразным аргоном может спиливать структуры пакета MTJ до определенного слоя, который затем подвергается атомарному разрешению. Изображения ПЭМ, сделанные в виде сверху, а не в поперечном сечении, показывают, что слой MgO внутри MTJ содержит большое количество границ зерен, которые могут ухудшать свойства устройств. [57]

Ионное измельчение [ править ]

Изображение на растровом электронном микроскопе тонкого образца ПЭМ, размолотого методом FIB . Показанная здесь тонкая мембрана подходит для исследования ПЭМ; однако при толщине ~ 300 нм он не подходит для ПЭМ высокого разрешения без дальнейшего фрезерования.

В последнее время для приготовления образцов использовались методы сфокусированного ионного пучка . FIB - это относительно новый метод подготовки тонких образцов для исследования с помощью ПЭМ из более крупных образцов. Поскольку FIB можно использовать для очень точной микромашиностроения образцов, можно фрезеровать очень тонкие мембраны из определенной интересующей области в образце, такой как полупроводник или металл. В отличие от распыления ионами инертного газа, FIB использует значительно более энергичные ионы галлия и может изменять состав или структуру материала посредством имплантации галлия. [58]

Репликация [ править ]

Реплика платинового стафилококка, сделанная на просвечивающем электронном микроскопе с увеличением 50,000x.

Образцы также могут быть воспроизведены с использованием пленки из ацетата целлюлозы , после чего пленка покрывается тяжелым металлом, таким как платина, исходная пленка растворяется, а копия отображается на ПЭМ. Варианты метода реплик используются как для материалов, так и для биологических образцов. В материаловедении обычно используется для исследования свежей поверхности излома металлических сплавов.

Модификации [ править ]

Возможности ПЭМ могут быть дополнительно расширены за счет дополнительных столиков и детекторов, иногда встраиваемых в тот же микроскоп.

Сканирование ТЕА [ править ]

ПЭМ может быть преобразован в сканирующий просвечивающий электронный микроскоп (STEM) путем добавления системы, которая растрирует сходящийся луч по образцу для формирования изображения в сочетании с подходящими детекторами. Сканирующие катушки используются для отклонения луча, например, за счет электростатического сдвига луча, при этом луч затем собирается с помощью детектора тока, такого как чаша Фарадея , которая действует как прямой счетчик электронов. Сопоставляя счетчик электронов с положением сканирующего луча (известного как «зонд»), можно измерить переданный компонент луча. Непереданные компоненты могут быть получены либо путем наклона луча, либо с помощью кольцевых детекторов темного поля .

Схематическая диаграмма, иллюстрирующая оптическую взаимность между ПЭМ (слева) и STEM (справа). Угол сходимости в ПОМ, становится углом коллекции в STEM, . Изображение вдохновлено Hren et al. [59]

По сути, TEM и STEM связаны взаимностью Гельмгольца . STEM - это TEM, в котором источник электронов и точка наблюдения переключены относительно направления движения электронного луча. Смотрите лучевые диаграммы на рисунке справа. Инструмент STEM эффективно использует ту же оптическую схему, что и TEM, но работает, меняя направление движения электронов (или реверсируя время) во время работы TEM. Вместо использования апертуры для управления обнаруженными электронами, как в ПЭМ, в ПЭМ используются различные детекторы с углами сбора, которые можно регулировать в зависимости от того, какие электроны пользователь хочет улавливать.

Низковольтный электронный микроскоп [ править ]

Низкого напряжения электронного микроскопа (LVEM) работает при относительно низком электрона ускоряющего напряжения между 5-25 кВ. Некоторые из них могут быть комбинацией SEM, TEM и STEM в одном компактном приборе. Низкое напряжение увеличивает контраст изображения, что особенно важно для биологических образцов. Это увеличение контрастности значительно снижает или даже устраняет необходимость окрашивания. Разрешение в несколько нанометров возможно в режимах ПЭМ, СЭМ и СТЭМ. Низкая энергия электронного луча означает, что постоянные магниты можно использовать в качестве линз и, таким образом, можно использовать миниатюрную колонну, не требующую охлаждения. [60] [61]

Крио-ТЕМ [ править ]

Основная статья: Просвечивающая электронная криомикроскопия

В криогенной просвечивающей электронной микроскопии (Cryo-TEM) используется ПЭМ с держателем образца, способным поддерживать образец при температурах жидкого азота или жидкого гелия . Это позволяет визуализировать образцы, приготовленные в стекловидном льду , что является предпочтительным методом подготовки для визуализации отдельных молекул или макромолекулярных сборок , [62] визуализировать границы раздела между стекловидным твердым телом и электролизером, [63] и визуализировать материалы, летучие в высоком вакууме при комнатной температуре, например как сера. [64]

ПЭМ для окружающей среды / на месте [ править ]

Эксперименты на месте также можно проводить в ПЭМ с использованием камер для образцов с дифференциальной накачкой или специальных держателей. [65] Виды экспериментов в месте , включают исследование наноматериалов, [66] биологические образцы, и химические реакции с использованием жидкой фазой электронной микроскопии , [67] [68] и испытания материалов деформации. [69]

ТЕА с исправленными аберрациями [ править ]

Современные исследовательские ПЭМ могут включать в себя корректоры аберраций [21], чтобы уменьшить количество искажений в изображении. Также можно использовать монохроматоры падающего пучка, которые уменьшают разброс по энергии падающего электронного пучка до менее 0,15  эВ . [21] Основные производители ТЕМ с исправленными аберрациями включают JEOL , Hitachi High-technologies, FEI Company и NION.

Сверхбыстрый и динамичный ТЕМ [ править ]

Можно достичь временного разрешения, намного превышающего скорость считывания электронных детекторов с использованием импульсных электронов. Импульсы могут быть получены либо путем модификации источника электронов для включения фотоэмиссии, запускаемой лазером [70], либо путем установки сверхбыстрого глушителя луча. [71] Этот подход называется сверхбыстрой просвечивающей электронной микроскопией, когда стробоскопический насос-зондИспользуется освещение: изображение формируется путем накопления множества электронных импульсов с фиксированной временной задержкой между приходом электронного импульса и возбуждением образца. С другой стороны, использование одного или короткой последовательности электронных импульсов с достаточным количеством электронов для формирования изображения каждого импульса называется динамической просвечивающей электронной микроскопией. Временное разрешение до сотен фемтосекунд и пространственное разрешение, сравнимое с разрешением источника полевой эмиссии Шоттки, возможно в сверхбыстром ПЭМ [72], но этот метод может отображать только обратимые процессы, которые могут воспроизводиться миллионы раз. Динамический ПЭМ может разрешить необратимые процессы с точностью до десятков наносекунд и десятков нанометров. [73]

Ограничения [ править ]

Метод ПЭМ имеет ряд недостатков. Многие материалы требуют тщательной подготовки образца для получения образца, достаточно тонкого, чтобы быть прозрачным для электронов, что делает анализ ПЭМ относительно трудоемким процессом с низкой производительностью образцов. Структура образца также может быть изменена в процессе приготовления. Кроме того, поле зрения относительно невелико, что повышает вероятность того, что анализируемая область может не быть характерной для всего образца. Существует вероятность того, что образец может быть поврежден электронным лучом, особенно в случае биологических материалов.

Пределы разрешения [ править ]

Эволюция пространственного разрешения, достигнутая с помощью оптических, просвечивающих (ПЭМ) и электронных микроскопов с коррекцией аберраций (ACTEM). [74]

Предел разрешающей способности, достигаемый в ПЭМ, можно описать несколькими способами, и обычно его называют пределом информации микроскопа. Одно из часто используемых значений [ необходима ссылка ] - это пороговое значение функции передачи контраста, функции , которая обычно указывается в частотной области для определения воспроизведения пространственных частот объектов в плоскости объекта с помощью оптики микроскопа. Частота отсечки q max для передаточной функции может быть аппроксимирована следующим уравнением, где C s - коэффициент сферической аберрации, а λ - длина волны электронов: [41]

Для микроскопа на 200 кВ с частично скорректированными сферическими аберрациями («до третьего порядка») и значением C s 1 мкм [75] теоретическое значение отсечки может составлять 1 / q max = 42  пм . [41] Тот же микроскоп без корректора имел бы C s = 0,5 мм и, следовательно, границу границы 200 мкм. [75] Сферические аберрации подавляются до третьего или пятого порядка в микроскопах с « коррекцией аберраций ». Однако их разрешение ограничено геометрией источника электронов, яркостью и хроматическими аберрациями в системе линз объектива. [21] [76]

Представление в частотной области передаточной функции контраста часто может иметь колебательный характер [77], который можно настроить, регулируя значение фокусировки линзы объектива. Этот колебательный характер подразумевает, что некоторые пространственные частоты точно отображаются микроскопом, а другие подавляются. Комбинируя несколько изображений с разными пространственными частотами, можно использовать такие методы, как реконструкция фокальной серии, для улучшения разрешения ПЭМ ограниченным образом. [41] Функция передачи контраста может быть до некоторой степени экспериментально аппроксимирована с помощью таких методов, как преобразование Фурье изображений аморфного материала, такого как аморфный углерод .

Совсем недавно успехи в конструкции корректора аберраций позволили уменьшить сферические аберрации [78] и достичь разрешения менее 0,5 Ангстремов (50 мкм) [76] при увеличениях более 50 миллионов раз. [79] Повышенное разрешение позволяет получать изображения более легких атомов, которые менее эффективно рассеивают электроны, таких как атомы лития в материалах литиевых батарей. [80] Возможность определять положение атомов в материалах сделала HRTEM незаменимым инструментом для исследований и разработок в области нанотехнологий во многих областях, включая гетерогенный катализ и разработку полупроводниковых устройств для электроники и фотоники. [81]

См. Также [ править ]

  • Криоэлектронная микроскопия
  • Электронная дифракция
  • Спектроскопия потерь энергии электронов (EELS)
  • Просвечивающая электронная микроскопия с энергетическим фильтром (EFTEM)
  • Просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения (HRTEM)
  • Низковольтная электронная микроскопия (LVEM)
  • Прецессионная дифракция электронов
  • Сканирующая конфокальная электронная микроскопия

Ссылки [ править ]

  1. ^ «Вирусы» . users.rcn.com .
  2. ^ a b «Нобелевская премия по физике 1986 года, перспективы - жизнь через призму» . nobelprize.org.
  3. ^ ультрафиолетовый микроскоп. (2010). В Британской энциклопедии. Получено 20 ноября 2010 г. из Encyclopædia Britannica Online.
  4. ^ a b c Эрнст Руска; перевод Т. Малви (январь 1980 г.). Раннее развитие электронных линз и электронной микроскопии . Прикладная оптика . 25 . п. 820. Bibcode : 1986ApOpt..25..820R . ISBN 978-3-7776-0364-3.
  5. ^ Плюккерово, J. (1858). "Uber die Einwirkung des Magneten auf die elektrischen Entladungen in verdünnten Gasen" [О влиянии магнита на электрический разряд в разреженных газах]. Poggendorffs Annalen der Physik und Chemie . 103 (1): 88–106. Bibcode : 1858AnP ... 179 ... 88P . DOI : 10.1002 / andp.18581790106 .
  6. ^ «Фердинанд Браун, Нобелевская премия по физике 1909 года, биография» . nobelprize.org.
  7. ^ Rudenberg, Reinhold (30 мая 1931). «Конфигурация для увеличенного изображения объектов электронными лучами» . Патент DE906737 .
  8. Перейти ↑ Broglie, L. (1928). "Новая динамика квантов". «Электроны и фотоны: сообщения и обсуждения на Cinquième Conseil de Physique». Solvay .
  9. ^ "Краткая история Общества микроскопии Америки" . microscopy.org.
  10. ^ "Доктор Джеймс Хиллер, биография" . comdir.bfree.on.ca .
  11. ^ a b Хоукс, П. (Ред.) (1985). Истоки электронной микроскопии . Академическая пресса. ISBN 978-0120145782.CS1 maint: extra text: authors list (link)
  12. ^ a b "Эрнст Руска, Лекция о Нобелевской премии" . nobelprize.org.
  13. ^ Крю, Альберт V; Isaacson, M. и Johnson, D .; Джонсон, Д. (1969). «Простой сканирующий электронный микроскоп» . Rev. Sci. Instrum . 40 (2): 241–246. Bibcode : 1969RScI ... 40..241C . DOI : 10.1063 / 1.1683910 .CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  14. ^ Крю, Альберт V; Уолл, Дж. И Лэнгмор, Дж., Дж; Лэнгмор, Дж (1970). «Видимость отдельного атома». Наука . 168 (3937): 1338–1340. Bibcode : 1970Sci ... 168.1338C . DOI : 10.1126 / science.168.3937.1338 . PMID 17731040 . S2CID 31952480 .  CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  15. ^ Мейер, Янник С .; Гирит, Колорадо; Кромми, MF; Зеттл, А. (2008). «Визуализация и динамика легких атомов и молекул на графене» (PDF) . Природа . 454 (7202): 319–22. arXiv : 0805.3857 . Bibcode : 2008Natur.454..319M . DOI : 10,1038 / природа07094 . PMID 18633414 . S2CID 205213936 . Проверено 3 июня 2012 года .   
  16. ^ a b Фульц, B & Howe, J (2007). Просвечивающая электронная микроскопия и дифрактометрия материалов . Springer. ISBN 978-3-540-73885-5.
  17. ^ Мерфи, Дуглас Б. (2002). Основы световой микроскопии и электронной визуализации . Нью-Йорк: Джон Вили и сыновья. ISBN 9780471234296.
  18. ^ Champness, ПЭ (2001). Электронная дифракция в просвечивающем электронном микроскопе . Наука о гирляндах. ISBN 978-1859961476.
  19. Перейти ↑ Hubbard, A (1995). Справочник по построению изображений и визуализации поверхностей . CRC Press. ISBN 978-0-8493-8911-5.
  20. Перейти ↑ Egerton, R (2005). Физические основы электронной микроскопии . Springer. ISBN 978-0-387-25800-3.
  21. ^ а б в г д Роуз, HH (2008). «Оптика высокопроизводительных электронных микроскопов» . Наука и технология перспективных материалов . 9 (1): 014107. Bibcode : 2008STAdM ... 9a4107R . DOI : 10.1088 / 0031-8949 / 9/1/014107 . PMC 5099802 . PMID 27877933 .  
  22. ^ "Объектив ТЕМ, сердце электронного микроскопа" . rodenburg.org.
  23. ^ а б Поганы А.П .; Тернер, П.С. (1968-01-23). «Взаимодействие в электронной дифракции и микроскопии» . Acta Crystallographica Раздел A . 24 (1): 103–109. Bibcode : 1968AcCrA..24..103P . DOI : 10.1107 / S0567739468000136 . ISSN 1600-5724 . 
  24. ^ а б Хрен, Джон Дж; Гольдштейн, Иосиф I; Джой, Дэвид С., ред. (1979). Введение в аналитическую электронную микроскопию | SpringerLink (PDF) . DOI : 10.1007 / 978-1-4757-5581-7 . ISBN  978-1-4757-5583-1.
  25. ^ а б Фаруки, А. Р; Хендерсон, Р. (2007-10-01). «Электронные детекторы для электронной микроскопии» . Текущее мнение в структурной биологии . Углеводы и гликоконъюгаты / Биофизические методы. 17 (5): 549–555. DOI : 10.1016 / j.sbi.2007.08.014 . ISSN 0959-440X . PMID 17913494 .  
  26. ^ Хендерсон, R .; Cattermole, D .; McMullan, G .; Скотчер, С .; Fordham, M .; Амос, ВБ; Фаруки, АР (01.02.2007). «Оцифровка пленок электронного микроскопа: шесть полезных тестов, примененных к трем пленочным сканерам» . Ультрамикроскопия . 107 (2): 73–80. DOI : 10.1016 / j.ultramic.2006.05.003 . ISSN 0304-3991 . PMID 16872749 .  
  27. ^ а б в г Уильямс, Д. и Картер, CB (1996). Просвечивающая электронная микроскопия . 1 – Основы. Пленум Пресс. ISBN 978-0-306-45324-3.
  28. ^ Робертс, PTE; Чепмен, Дж. Н.; МакЛауд, AM (1 января 1982 г.). «Система записи изображений на основе ПЗС для CTEM». Ультрамикроскопия . 8 (4): 385–396. DOI : 10.1016 / 0304-3991 (82) 90061-4 . ISSN 0304-3991 . 
  29. ^ Fan, GY; Эллисман, MH (24 декабря 2001 г.). «Цифровая визуализация в просвечивающей электронной микроскопии». Журнал микроскопии . 200 (1): 1–13. DOI : 10.1046 / j.1365-2818.2000.00737.x . ISSN 0022-2720 . PMID 11012823 .  
  30. ^ a b McMullan, G .; Faruqi, AR; Хендерсон, Р. (2016), «Прямые электронные детекторы», Методы в энзимологии , Elsevierdoi = 10.1016 / bs.mie.2016.05.056, 579 : 1–17, doi : 10.1016 / bs.mie.2016.05.056 , ISBN 978-0-12-805382-9, PMID  27572721
  31. ^ Фаруки, АР; Хендерсон, Р .; Pryddetch, M .; Allport, P .; Эванс, А. (октябрь 2006 г.). «Исправление к:« Прямое обнаружение одиночных электронов с помощью CMOS-детектора для электронной микроскопии » ». Ядерные инструменты и методы в физических исследованиях Секция A: Ускорители, спектрометры, детекторы и связанное с ними оборудование . 566 (2): 770. DOI : 10.1016 / j.nima.2006.07.013 . ISSN 0168-9002 . 
  32. ^ Эрциус, П; Caswell, T; Тейт, штат МВт; Эркан, А; Gruner, SM; Мюллер, Д. (сентябрь 2005 г.). "Детектор матрицы пикселей для сканирующей просвечивающей электронной микроскопии". Микроскопия и микроанализ . 14 (S2): 806–807. DOI : 10.1017 / s1431927608085711 . ISSN 1431-9276 . 
  33. ^ McMullan, G .; Faruqi, AR; Хендерсон, Р .; Guerrini, N .; Turchetta, R .; Джейкобс, А .; ван Хофтен, Г. (18 мая 2009 г.). «Экспериментальное наблюдение улучшения MTF от обратного утончения прямого электронного детектора CMOS» . Ультрамикроскопия . 109 (9): 1144–1147. DOI : 10.1016 / j.ultramic.2009.05.005 . PMC 2937214 . PMID 19541421 .  
  34. ^ Раскин, Рэйчел С .; Юй Чжихэн; Григорьев, Николаус (1 ноября 2013 г.). «Количественная характеристика электронных детекторов для просвечивающей электронной микроскопии» . Журнал структурной биологии . 184 (3): 385–393. DOI : 10.1016 / j.jsb.2013.10.016 . PMC 3876735 . PMID 24189638 .  
  35. ^ Роденбург, Дж. М. "Вакуумная система" . rodenburg.org.
  36. ^ а б Росс, Л. Э, Дикстра, М. (2003). Биологическая электронная микроскопия: теория, методы и устранение неисправностей . Springer. ISBN 978-0306477492.
  37. ^ а б Чепмен, СК (1986). Обслуживание и мониторинг просвечивающего электронного микроскопа . Справочники по микроскопии Королевского микроскопического общества. 08 . Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-856407-2.
  38. ^ Пулокас, Джеймс; Грин, Кармен; Киссеберт, Ник; Поттер, Клинтон С .; Каррагер, Бриджит (1999). «Повышение точности позиционирования гониометра на ПЭМ Philips серии CM». Журнал структурной биологии . 128 (3): 250–256. DOI : 10,1006 / jsbi.1999.4181 . PMID 10633064 . 
  39. Перейти ↑ Buckingham, J (1965). «Термоэмиссионные свойства гексаборида лантана / катода рения». Британский журнал прикладной физики . 16 (12): 1821. Bibcode : 1965BJAP ... 16.1821B . DOI : 10.1088 / 0508-3443 / 16/12/306 .
  40. ^ а б Орлов, J, изд. (1997). Справочник по электронной оптике . CRC-пресс. ISBN 978-0-8493-2513-7.
  41. ^ a b c d Реймер, Л. и Коль, Х. (2008). Просвечивающая электронная микроскопия: физика формирования изображения . Springer. ISBN 978-0-387-34758-5.CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  42. ^ а б Коули, Дж. М. (1995). Дифракционная физика . ISBN Elsevier Science BV 978-0-444-82218-5.
  43. ^ a b Киркланд, E (1998). Расширенные вычисления в электронной микроскопии . Springer. ISBN 978-0-306-45936-8.
  44. Перейти ↑ Hull, D. & Bacon, J (2001). Введение в дислокации (4-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн. ISBN 978-0-7506-4681-9.
  45. ^ Каули, JM; Муди, AF (1957). "Рассеяние электронов атомами и кристаллами. I. Новый теоретический подход" (PDF) . Acta Crystallographica . 199 (3): 609–619. DOI : 10.1107 / S0365110X57002194 .
  46. Перейти ↑ Egerton, RF (1996). Спектроскопия потерь энергии электронов в электронном микроскопе . Springer. ISBN 978-0-306-45223-9.
  47. Mast, Янв; Демеэстер, Льен (2009). «Электронная томография отрицательно окрашенных сложных вирусов: применение в их диагностике» . Диагностическая патология . 4 : 5. DOI : 10,1186 / 1746-1596-4-5 . PMC 2649040 . PMID 19208223 .  
  48. ^ а б Фрэнк, J, изд. (2006). Электронная томография: методы трехмерной визуализации структур в клетке . Springer. ISBN 978-0-387-31234-7.
  49. ^ Левин, BDA; и другие. (2016). «Наборы данных о наноматериалах для продвижения томографии в сканирующей просвечивающей электронной микроскопии» . Научные данные . 3 : 160041. arXiv : 1606.02938 . Bibcode : 2016NatSD ... 360041L . DOI : 10.1038 / sdata.2016.41 . PMC 4896123 . PMID 27272459 .  
  50. ^ Кавасэ, Нобору; Като, Мицуро; Джиннаи, Хироши; Джиннаи, H (2007). «Просвечивающая электронная микротомография без« недостающего клина »для количественного структурного анализа». Ультрамикроскопия . 107 (1): 8–15. DOI : 10.1016 / j.ultramic.2006.04.007 . PMID 16730409 . 
  51. ^ Хейдари, Хамед; Ван ден Брук, Воутер; Балс, Сара (2013). «Количественная электронная томография: эффект трехмерной функции рассеяния точки». Ультрамикроскопия . 135 : 1–5. DOI : 10.1016 / j.ultramic.2013.06.005 . ЛВП : 10067/1113970151162165141 . PMID 23872036 . 
  52. ^ Cheville, NF; Стасько Дж (2014). «Методы электронной микроскопии тканей животных» . Ветеринарная патология . 51 (1): 28–41. DOI : 10.1177 / 0300985813505114 . PMID 24114311 . 
  53. ^ Амзаллаг, Арно; Вайан, Седрик; Джейкоб, Мэтьюз; Unser, Майкл; Беднар, Ян; Кан, Джейсон Д .; Дюбоше, Жак; Стасяк, Анджей; Мэддокс, Джон Х. (2006). «Трехмерная реконструкция и сравнение форм миниатюрных кругов ДНК, наблюдаемых с помощью криоэлектронной микроскопии» . Исследования нуклеиновых кислот . 34 (18): e125. DOI : 10.1093 / NAR / gkl675 . PMC 1635295 . PMID 17012274 .  
  54. Перейти ↑ Porter, K & Blum, J (1953). «Исследование микротомии для электронной микроскопии». Анатомическая запись . 117 (4): 685–710. DOI : 10.1002 / ar.1091170403 . PMID 13124776 . 
  55. ^ Филлипс (1961). «Алмазный нож для ультрамикротомии металлов и строение микротомированных срезов». Британский журнал прикладной физики . 12 (10): 554. Полномочный код : 1961BJAP ... 12..554P . DOI : 10.1088 / 0508-3443 / 12/10/308 .
  56. ^ Альбертс, Брюс (2008). Молекулярная биология клетки (5-е изд.). Нью-Йорк: Наука о гирляндах. ISBN 978-0815341116.
  57. ^ Бин, JJ, Сайто, М., Фуками, С., Сато, Х., Икеда, С., Оно, Х.,… Маккенна, КП (2017). Атомная структура и электронные свойства границ зерен MgO в туннельных магниторезистивных устройствах. Издательская группа "Природа". https://doi.org/10.1038/srep45594
  58. ^ Baram, М. & Каплан WD (2008). «Количественный анализ HRTEM образцов, подготовленных FIB». Журнал микроскопии . 232 (3): 395–05. DOI : 10.1111 / j.1365-2818.2008.02134.x . PMID 19094016 . 
  59. ^ Хрен, Джон Дж; Гольдштейн, Иосиф I; Джой, Дэвид С., ред. (1979). Введение в аналитическую электронную микроскопию | SpringerLink (PDF) . DOI : 10.1007 / 978-1-4757-5581-7 . ISBN  978-1-4757-5583-1.
  60. ^ Nebesářová1, Яна; Ванкова, Мари (2007). «Как наблюдать небольшие биологические объекты в низковольтном электронном микроскопе» . Микроскопия и микроанализ . 13 (3): 248–249 . Проверено 8 августа +2016 .
  61. ^ Драмми, Лоуренс, Ф .; Ян, Джуньян; Мартин, Дэвид С. (2004). «Низковольтная электронная микроскопия тонких пленок полимеров и органических молекул». Ультрамикроскопия . 99 (4): 247–256. DOI : 10.1016 / j.ultramic.2004.01.011 . PMID 15149719 . 
  62. ^ Ли, Z; Бейкер, М.Л .; Цзян, Вт; Estes, MK; Прасад, Б.В. (2009). «Ротавирусная архитектура в субнанометровом разрешении» . Журнал вирусологии . 83 (4): 1754–1766. DOI : 10,1128 / JVI.01855-08 . PMC 2643745 . PMID 19036817 .  
  63. ^ MJ Zachman; и другие. (2016). «Специальная подготовка неповрежденных границ раздела твердое тело – жидкость с помощью локализации на месте без этикеток и криофокусированного вывода ионного пучка» . Микроскопия и микроанализ . 22 (6): 1338–1349. Bibcode : 2016MiMic..22.1338Z . DOI : 10.1017 / S1431927616011892 . PMID 27869059 . 
  64. ^ Левин, BDA; и другие. (2017). "Определение характеристик серных и наноструктурированных серных аккумуляторных катодов в электронной микроскопии без артефактов сублимации" . Микроскопия и микроанализ . 23 (1): 155–162. Bibcode : 2017MiMic..23..155L . DOI : 10.1017 / S1431927617000058 . PMID 28228169 . 
  65. ^ PA Крозье и TW Hansen (2014). «Просвечивающая электронная микроскопия in situ и operando каталитических материалов» . Бюллетень МИССИС . 40 : 38–45. DOI : 10.1557 / mrs.2014.304 . hdl : 2286 / RI35693 .
  66. ^ Kosasih, Феликс Утама; Ducati, Катерина (май 2018 г.). «Характеристика деградации перовскитных солнечных элементов с помощью in-situ и электронной микроскопии» . Нано Энергия . 47 : 243–256. DOI : 10.1016 / j.nanoen.2018.02.055 .
  67. ^ de Jonge, N .; Росс, FM (2011). «Электронная микроскопия образцов в жидкости». Природа Нанотехнологии . 6 (8): 695–704. Bibcode : 2003NatMa ... 2..532W . DOI : 10.1038 / nmat944 . PMID 12872162 . S2CID 21379512 .  
  68. Перейти ↑ FM Ross (2015). «Возможности и проблемы электронной микроскопии жидких клеток» . Наука . 350 (6267): 1490–1501. DOI : 10.1126 / science.aaa9886 . PMID 26680204 . 
  69. ^ Хак, MA & Саиф, MTA (2001). «Испытание на растяжение на месте образцов в наномасштабе в SEM и TEM». Экспериментальная механика . 42 : 123. DOI : 10.1007 / BF02411059 . S2CID 136678366 . 
  70. ^ Dömer, H .; Бостанджогло, О. (25 сентября 2003 г.). «Высокоскоростной просвечивающий электронный микроскоп». Обзор научных инструментов . 74 (10): 4369–4372. Bibcode : 2003RScI ... 74.4369D . DOI : 10.1063 / 1.1611612 . ISSN 0034-6748 . 
  71. Oldfield, LC (июнь 1976 г.). «Осесимметричный прерыватель электронного луча для пикосекундных импульсов». Журнал физики E: научные инструменты . 9 (6): 455–463. Bibcode : 1976JPhE .... 9..455O . DOI : 10.1088 / 0022-3735 / 9/6/011 . ISSN 0022-3735 . 
  72. ^ Файст, Армин; Бах, Нора; Рубиано да Силва, Нара; Данц, Томас; Мёллер, Марсель; Priebe, Katharina E .; Домрезе, Тилль; Гатцманн, Дж. Грегор; Рост, Стефан; Шаусс, Якоб; Штраух, Стефани; Борман, Райнер; Сивис, Мурат; Шефер, Саша; Роперс, Клаус (2017-05-01). «Сверхбыстрая просвечивающая электронная микроскопия с использованием лазерного полевого эмиттера: фемтосекундное разрешение с высококогерентным электронным пучком». Ультрамикроскопия . 70-летие Роберта Синклера и 65-летие Нестора Залузека PICO 2017 - Четвертая конференция по границам электронной микроскопии с коррекцией аберраций. 176 : 63–73. arXiv : 1611.05022 . DOI : 10.1016 / j.ultramic.2016.12.005 . PMID 28139341 . S2CID  31779409 .
  73. ^ Кэмпбелл, Джеффри Х .; Маккеун, Джозеф Т .; Сантала, Мелисса К. (03.11.2014). «Электронная микроскопия с временным разрешением для экспериментов на месте». Обзоры прикладной физики . 1 (4): 041101. Bibcode : 2014ApPRv ... 1d1101C . DOI : 10.1063 / 1.4900509 . ОСТИ 1186765 . 
  74. ^ Pennycook, SJ; Варела, М .; Hetherington, CJD; Киркланд, AI (2011). "Развитие материалов с помощью электронной микроскопии с коррекцией аберрации" (PDF) . Бюллетень МИССИС . 31 : 36–43. DOI : 10.1557 / mrs2006.4 .
  75. ^ a b Фуруя, Кадзуо (2008). «Нанофабрикация с помощью передовой электронной микроскопии с использованием интенсивного сфокусированного луча» . Наука и технология перспективных материалов . 9 (1): 014110. Bibcode : 2008STAdM ... 9a4110F . DOI : 10.1088 / 1468-6996 / 9/1/014110 . PMC 5099805 . PMID 27877936 .  
  76. ^ а б Эрни, Рольф; Росселл, доктор медицины; Киселёвский, C; Дахмен, У (2009). "Получение изображений с атомным разрешением с помощью электронного зонда менее 50 мкм" . Письма с физическим обзором . 102 (9): 096101. Bibcode : 2009PhRvL.102i6101E . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.102.096101 . PMID 19392535 . 
  77. Рианна Штальберг, Хеннинг (6 сентября 2012 г.). «Функции передачи контраста» . 2dx.unibas.ch .
  78. Перейти ↑ Tanaka, Nobuo (2008). «Текущее состояние и будущие перспективы TEM / STEM с коррекцией сферической аберрации для исследования наноматериалов» . Sci. Technol. Adv. Матер . 9 (1): 014111. Bibcode : 2008STAdM ... 9a4111T . DOI : 10.1088 / 1468-6996 / 9/1/014111 . PMC 5099806 . PMID 27877937 .  
  79. ^ Диаграмма шкалы вещей . Наука .energy.gov
  80. О'Киф, Майкл А. и Шао-Хорн, Ян (2004). «Визуализация атомов лития с разрешением ниже Ангстрема» . Cite journal requires |journal= (help)CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  81. О'Киф, Майкл А. и Аллард, Лоуренс Ф. (18 января 2004 г.). «Электронная микроскопия Суб-Ангстрема для нано-метрологии Суб-Ангстрема» (PDF) . Семинар Национальной нанотехнологической инициативы по приборостроению и метрологии для нанотехнологий, Гейтерсбург, Мэриленд (2004) . osti.gov. CS1 maint: multiple names: authors list (link)

Внешние ссылки [ править ]

  • Национальный центр электронной микроскопии, Беркли, Калифорния, США
  • Национальный центр макромолекулярной визуализации, Хьюстон, Техас, США
  • Национальный ресурс по автоматизированной молекулярной микроскопии, Нью-Йорк, США
  • Учебные курсы по просвечивающей электронной микроскопии
  • Пакет преподавания и обучения Кембриджского университета по ТЕА
  • Онлайн-курс по просвечивающей электронной микроскопии и кристаллическим дефектам Эрик Стах (2008).
  • Тренажер просвечивающего электронного микроскопа (Учебное пособие).
  • анимации и пояснения к различным типам микроскопов, включая электронные микроскопы (Université Paris Sud)