Микроскопия

     Рис. 4. Схема поточного ультрамікроскопа-аналізатора: 1 - лазерний освітлювач; 2 - конденсор; 3 - коліматор; 4 - об'єктив, 5 - проточна кювета; 6-наблюдатеся. мікроскоп; 7 - світловод, 8 - фотоелектронний помножувач; 9-підсилювач-формувач імпульсів; 10 - комп'ютерний аналізатор; 11-графич. дисплей, 12 – пристрій друку; 13 - Графобудівник.

Електронна мікроскопія

     Електронні  мікроскопи, сукупність електронно-зондових методів дослідження мікроструктури твердих тіл, їх локального складу і мікрополів (електричних, магнітних і ін) за допомогою електронних мікроскопів (ЕМ) - приладів, в яких для отримання збільшення зображень використовують електронний пучок. Електронна мікроскопія включає також методики підготовки досліджуваних об'єктів, обробки та аналізу результуючої інформації. Розрізняють два головні напрями електронної мікроскопії: трансмісійну (просвічує) і растрову (скануючу), заснованих на використанні відповідних типів електронних мікроскопів. Вони дають якісно різну інформацію про об'єкт дослідження і часто застосовуються спільно. Відомі також відбивна, емісійна, оже-електронна, лоренцова та інші види електронної мікроскопії, що реалізуються, як правило, за допомогою приставок до трансмісійних та растрових ЕМ.

     Електронний промінь-направлений пучок прискорених  електронів, що застосовується для  просвічування зразків або збудження  в них вторинних випромінювань (напр., рентгенівського). Роздільна здатність найменша відстань між двома елементами мікроструктури, видимими на зображенні роздільно (залежить від характеристик ЕМ, режиму роботи та зразків).

     Хроматична  аберація - зниження швидкості електронів після просвічування об'єкта, що приводить до погіршення розширення; посилюється зі збільшенням товщини об'єкту і зменшенням напруги. Контрастування (хімічне і фізичне) - обробка досліджуваних зразків для підвищення загального контрасту зображення і (або) виявлення окремих елементів їх структури. Негативне контрастування-обробка мікрочастинок або макромолекул на плівці-підкладці розчинами важких металів (U та ін), в результаті чого частинки будуть видні як світлі плями на темному тлі (на відміну від позитивного контрастування, що робить темними самі частинки). Репліка-тонка, прозора для електронів плівка з полімерного матеріалу або аморфного вуглецю, що повторює мікрорельєф масивного об'єкта або його відколу. Растр - система ліній сканування на поверхні зразка і на екрані ЕПТ.

     Трансмісійна  мікроскопія

     Трансмісійна  мікроскопія реалізується за допомогою трансмісійних (просвічують) електронних мікроскопів (ТЕМ; рис. 5), в яких тонкоплівковий об'єкт просвічується пучком прискорених електронів з енергією 50-200 кВ. Електрони потрапляють в систему магнітних лінз, які формують на люмінесцентному екрані (і на фотоплівці) світлопольні зображення внутрішньої структури. При цьому вдається досягти розширення порядку 0,1 нм, що відповідає збільшенням до 1,5 х 106 разів.

     Розширення  та інформативність ТЕМ-зображень багато в чому визначаються характеристиками об'єкта та у способом його підготовки. При дослідженні тонких плівок і зрізів полімерних матеріалів і біол. тканин контраст зростає пропорційно їх товщині, але одночасно знижується розширення. Тому застосовують дуже тонкі (не більше 0,01 мкм) плівки і зрізи, підвищуючи їх контраст обробкою важких металів (Os, U, Pb тощо), які вибірково взаємодіють. з компонентами мікроструктури. Ультратонкі зрізи полімерних матеріалів (10-100 нм) отримують за допомогою ультрамікротомів, а пористі і волокнисті матеріали попередньо просочують і заливають в епоксидні компаунди. Метали досліджують ультратонкої фольги. Для вивчення форми і розмірів мікрочастинок (мікрокристали, аерозолі, віруси, макромолекули) їх наносять у вигляді суспензій або аерозолів на плівки-підкладки з формвара (полівінілформаль) або аморфного С, проникні для електронного променя, і контрастують методом відтінення або негативного контрастування.

     Рис. 5. Схема пристрою трансмісійного електронного мікроскопа: 1 - електронна гармата; 2 - конденсор; 3-зразок; 4, 5 - об'єктив і його діафрагма; 6, 7 - проміжна і проекційна лінзи; 8-оглядове вікно; 9 - люмінесцентний екран; 10 - фотокамера з затвором; 11 - вакуумна система.

     Структура гелів, суспензій, емульсій і біол. тканин з великим вмістом води досліджується методами кріореплікаціі: зразки піддають надшвидкому заморожуванню і поміщають у вакуумну установку, де відбувається розколювання об'єкта і осадження на поверхню свіжого відколу плівки. Отримана репліка, що повторює мікрорельєф поверхні відколу, аналізується в ТЕМ. Розроблені також методи, що дозволяють робити ультратонкі зрізи заморожених об'єктів і переносити їх, не розморожуючи, в ТЕМ на кріостолік, який зберігає температуру об'єкта в ході спостереження на рівні -150 °.

     Растрова  мікроскопія.

     У растрових електронних мікроскопах (РЕМ; рис. 6) електронний промінь, стиснений магн. лінзами в тонкий (1-10 нм) зонд, сканує поверхню зразка, формуючи на ній растр з декількох тисяч паралельних ліній. Що виникає при електронній бомбардуванні поверхні вторинні випромінювання реєструються детекторами і перетворюються в відеосигнали, які моделюють електронний промінь у ЕЛТ. Розгорнення променів в колоні РЕМ і в ЕПТ синхронні, тому на екрані ЕПТ з'являється зображення, яке представляє собою картину розподілу інтенсивності одного з вторинних випромінювань по площі об'єкту. Збільшення РЕМ визначається як М = L / l, де L і l - довжини ліній сканування на екрані ЕЛТ і на поверхні зразка.

     Рис. 6. Схема пристрою растрового електронного мікроскопа: 1 - електронна гармата; 2 - конденсор; 3 - відхиляє; 4 - кінцева лінза з коректором астигматизму, 5 - об'єктний столик, 6 - зразок; 7 - вакуумна система, 8 - генератор розгорток; 9 - блок управління збільшенням; 10-селектор сигналів (для вибору реєстрованого вторинного випромінювання); 11-видеоусилитель; 12,13 - ЕЛТ і її відхиляє; BІ1-BІ3 - потоки вторинних випромінювань; C1 - C3 - електричні. сигнали; Д1-Д3 - детектори; ЕЛ1, ЕЛ2 - електронні промені; X, Y - напрямки сканування (рядкова і кадрова розгортки).

     Вибір реєстрованого вторинного випромінювання обумовлене завданням дослідження. Основний режим роботи РЕМ - реєстрація вторинних електронів (ВЕ). Оскільки інтенсивність емісії ВЕ сильно залежить від кута падіння електронного променя на поверхню, одержуване зображення дуже близька до звичайного макроскопічного зображення рельєфу об'єкту, що освітлюється з усіх боків розсіяним світлом, інакше кажучи, формується топографічний контраст. Емісія ВЕ відрізняється наиб. інтенсивністю в порівнянні з вторинними випромінюваннями. Крім того, в цьому режимі досягається максимальне розширення.

     У технологічних дослідженнях використовується також реєстрація поглинених електронів в поєднанні з додатком робочих напруг до досліджуваного транзистору або інтегральною схемою. Це дозволяє отримувати зображення, що відповідає розподілу елект. потенціалів. При цьому можна переривати первинний електронний промінь з високою частотою і візуалізувати проходження по схемі високочастотних сигналів.

     За  допомогою відповідних детекторних  систем і спектрометрів в РЕМ  можна реєструвати електромагніт. Випромінювання. Отримані при цьому зображення і спектри дають кількісну, інформацію про локальний склад поверхневих шарів зразка та широко застосовуються в матеріалознавстві.

     Для вивчення структури поверхні за допомогою РЕМ до зразка пред'являється ряд вимог. Перш за все, його поверхня повинна бути електропровідного, щоб виключити перешкоди за рахунок накопичення поверхневого заряду при скануванні. Крім того, потрібно всіляко підвищувати відношення сигнал / шум. Тому перед дослідженням на діелектричну поверхню шляхом вакуумного випаровування або іонного розпилення наносять тонку (15-20 нм) однорідну плівку металу з високим коефіцієнтом вторинної електронної емісії (Au, Au-Pd, Pt-Pd). Біол. об'єкти, що містять, як правило, велика кількість води, перед нанесенням покриття необхідно зафіксувати спец. хім. обробкою і висушити, зберігши природний мікрорельєф поверхне.

     Скануюча тунельна мікроскопія

     Скануючий тунельний мікроскоп (СТМ, англ. STM - scanning tunneling microscope) - варіант скануючого зондового мікроскопа, призначений  для вимірювання рельєфу провідних поверхонь з високим просторовим розширенням. В СТМ гостра металева голка підводиться до зразка на відстань кількох ангстрем. При подачі на голку невеликого потенціалу виникає тунельний струм. Величина цього струму експоненціально залежить від відстані зразок-голка. Типові значення 1-1000 пА при відстанях близько 1 Å. Скануючий тунельний мікроскоп перший з класу скануючих зондових мікроскопів.

     У процесі сканування голка рухається  уздовж поверхні зразка, тунельний  струм підтримується стабільним за рахунок дії зворотного зв'язку, і система змінюється в залежності від топографії поверхні. Такі зміни фіксуються, і на їх основі будується карта висот. Інша методика передбачає рух голки на фіксованій висоті над поверхнею зразка. У цьому випадку фіксується зміна величини тунельного струму і на основі цієї інформації йде побудова топографії поверхні.

     Таким чином скануючий тунельний мікроскоп (СТМ) включає такі елементи:

     зонд (голку),

     систему переміщення зонда щодо зразка по 2-м (XY) або 3-м (XYZ) координатах,

     реєструючу  систему.

     Реєструюча  система фіксує значення функції, що залежить від величини струму між  голкою і зразком, або переміщення  голки по осі Z. Зазвичай реєстроване  значення обробляється системою негативного  зворотного зв'язку, яка керує положенням зразка або зонда по одній з координат (Z). В якості системи зворотного зв'язку найчастіше використовується ПІД-регулятор. Обмеження на використання методу накладаються, по-перше, умовою провідності зразка, по-друге, умовою «глибина канавки повинна бути менше її ширини», тому що в іншому випадку може спостерігатися тунелювання з бічних поверхонь. Але це тільки основні обмеження. Насправді їх набагато більше. Наприклад, технологія заточування голки не може гарантувати одного вістря на кінці голки, а це може призводити до паралельного сканування двох різновисотних ділянок. Технологія грубого зближення також має колосальний вплив на дійсність отриманих результатів.

     Атомно-силова мікроскопія

     Атомно-силовий  мікроскоп був винайдений в 1986 році Герхардом Бінніг, Калвіном Куейтом  і Крістофером Гербером на основі ідей, закладених Герхардом Бінніг і Хайнріхом Рорером (Нобелівська премія з фізики, 1986 рік). За допомогою атомно-силового мікроскопа можна одержувати зображення як фізичних об'єктів (поверхні твердих тіл, рис.7), так і біологічних і хімічних об'єктів (вірусів і бактерій, атомів і молекул). Розширення таких мікроскопів досягає частки нанометрів, що дозволяє спостерігати атоми. Отриманням зображень не обмежуються можливості цього приладу. За допомогою атомно-силового мікроскопа можна вивчати взаємодію двох об'єктів: вимірювати сили тертя, пружності, адгезії, а також переміщати окремі атоми, осаджувати і видаляти їх з будь-якої поверхні.

     Рис.7 Атомна структура поверхні високоорієнтивані пиролитического графіту. Розмір зображення 17х17х2 Å3

     Атомно-силова мікроскопія - вид зондової мікроскопії, в основі якого лежить силове взаємодія атомів (строго кажучи обмінна взаємодія атомів зонда і досліджуваного зразка).

     Розглянемо  докладніше, які сили діють між  зондом і досліджуваною поверхнею. Для початку звернемося до взаємодії двох атомів (молекул).

     На  невеликих відстанях всі атоми  і молекули притягуються. Це тяжіння  має чисто квантову природу. Воно пов'язане з корельованим, тобто  узгодженими коливаннями електронів в обох атомах. Енергія пари атомів, де електрони зміщені (поляризовані) однаковим чином, - трохи менше, ніж енергія пари неполяризованих атомів. І енергія ця спадає з відстанню між атомами як 1/r6.

     Силу  взаємодії зонда із зразком можна  отримати, якщо підсумувати всі такі елементарні взаємодії для кожного  атома зонда. Для зонда, що характеризується деяким радіусом кривизни R (R>> z, де z - відстань від зонда до поверхні, рис.8) і абсолютно плоского зразка, в наближенні механіки суцільних середовищ сила тяжіння буде пропорційно R/z2 (формула Гамакера), відштовхування - приблизно 1/z8.

     Рис. 8 Зонд і зразок

     Для того, щоб "відчути" дану взаємодія атома з атомом, необхідно, щоб зонд був атомних розмірів. Реальні зонди мають розміри від десятка нанометрів до розміру одного атома. Їх довжина становить 1-2 мкм.