Просмотр кода страницы Просвечивающий электронный микроскоп

[[Файл:Bacillus subtilis.jpg|thumb|right|Поперечный срез клетки [[Bacillus subtilis|бактерии сенной палочки]], снятый при помощи аппарата «Tecnai T-12». Масштаб шкалы — {{nobr|200 [[Нанометр|нм]]}}]]
'''Просве́чивающий (трансмиссио́нный) электро́нный микроско́п''' (ПЭМ, англ, TEM — transmission electron microscope) — устройство для получения изображения с помощью проходящего через образец [[электронный пучок|пучка электронов]].

Отличается от других типов электронных микроскопов тем, что электронный пучок просвечивает образец, неоднородное поглощение электронов разными участками образца дает двумерную картину распределения плотности прошедшего электронного потока. Прошедший через образец поток затем фокусируется на регистрирующей поверхности магнитными электронными линзами ([[Электронная оптика|электронной оптикой]]) в увеличенном размере. В качестве регистрирующей поверхности применяют [[Флуоресценция|флуоресцентные]] экраны, покрытые слоем [[люминофор]]а, фотоплёнку или фотопластинку, или приборы с зарядовой связью (на [[ПЗС-матрица|ПЗС-матрице]]). Например, на слое люминофора образуется светящееся видимое изображение.

Так как поток электронов сильно поглощается веществом, изучаемые образцы должны иметь очень маленькую толщину, так называемые ультратонкие образцы. Ультратонким считается образец толщиной менее {{nobr|0,1 [[Микрометр|мкм]]}}.

== История ==
[[Файл:Ernst Ruska Electron Microscope - Deutsches Museum - Munich.jpg|thumb|150px|Первый практический ПЭМ; экспозиция в музее [[Мюнхен]]а ([[Германия]])]]
Первый ПЭМ создан немецкими инженерами-электронщиками [[Кнолл, Макс|Максом Кноллем]] и [[Руска, Эрнст Август|Эрнстом Руской]] [[9 марта]] [[1931 год]]а.

Первый пригодный для использования ПЭМ был построен [[Пребус, Альберт|Альбертом Пребусом]] и [[Хиллиер, Дж.|Дж. Хиллиером]] в университете [[Торонто]] ([[Канада]]) в [[1938 год]]у на основе принципов, предложенных ранее Кноллем и Руской.

В [[1986 год]]у Эрнсту Руске за создание ПЭМ была присуждена [[Нобелевская премия по физике|Нобелевская премия]].

== Теоретические основы ==
Теоретически максимально возможное разрешение в оптическом микроскопе ограничено:
* [[Длина волны|длиной волны]], используемых для освещения образца;
* [[Апертура (оптика)|угловой апертурой]] оптической системы — так называемым [[Дифракционный предел|пределом Аббе]], который выражается:

: <math> d=\frac{\lambda}{2n \sin\alpha} \approx \frac{\lambda}{2\ N_A},</math>
: <math>N_A = n \sin\alpha</math> — числовая апертура.

: где <math>n</math> — [[показатель преломления]] среды, в которой ведется наблюдение;
: <math>\alpha</math> — угловая апертура.

Из формулы следует, что в оптическом микроскопе принципиально не может быть получено разрешение чем немного менее длины волны освещающего света, так как показатель преломления не может быть очень большим, практически, в [[Иммерсия (микроскопия)|иммерсионных микроскопических объективах]] около 1,5, а синус угла всегда меньше 1.

В начале XX века ученые обсуждали вопрос преодоления ограничений относительно большой длины волны [[Видимый спектр|видимого света]] ([[Длина волны|длины волн]] {{nobr|400—700 [[нанометр]]ов}}) путём использования пучка электронов, так как [[Волна де Бройля|де-бройлевская]] длина волны электрона даже при не слишком больших его энергиях на много порядков меньше длины волны видимого света.

Поток электронов в электронном микроскопе создаётся посредством [[Термоэлектронная эмиссия|термоэлектронной]] или [[Полевая эмиссия|автоэлектронной]] эмиссии. В первом случае электроны испускаются раскалённой проволокой из [[вольфрам]]а (см. [[нить накаливания]]) или раскалённым монокристаллом [[Гексаборид лантана|гексаборида лантана]].

Испущенные электроны ускоряются высокой [[Электрическое напряжение|разностью потенциалов]] и «освещает» образец. Прошедший через образец поток пространственно модулирован по плотности электронного тока, в зависимости от «прозрачности» участков образца для электронов и далее фокусируется на регистрирующей поверхности электромагнитными (или в микроскопах с низким разрешением — электростатическими) линзами в многократно увеличенном размере.

== Устройство ==
В состав ПЭМ входят следующие компоненты:
* '''вакуумная система''' для удаления воздуха и увеличения [[Длина свободного пробега|длины свободного пробега]] электронов;
* '''предметный столик''': держатель образца, механизмы для изменения положения держателя в процессе работы и вакуумные [[Атмосферный шлюз|шлюзы]];
* '''источник электронов''': электронный прожектор (электронная пушка) для создания освещающего потока (пучка) электронов;
* '''источник''' высокого '''напряжения''' для ускорения электронов;
* '''апертуры''' — диафрагмы, ограничивающие расходимость электронного пучка;
* '''система''' электромагнитных '''линз''' (и иногда электростатических линз) для управления и фокусировки электронного луча;
* '''флуоресцирующий экран''', на который проецируется увеличенное электронное изображение (постепенно вытесняется из употребления детекторами цифрового изображения).

Коммерческие ПЭМ могут содержать дополнительные устройства, например, сканирующую приставку, позволяющую работать в режиме [[растровый электронный микроскоп|растрового ПЭМ]]).

=== Вакуумная система ===
Вакуумная система служит для откачки воздуха до низкого остаточного давления (обычно до {{nobr|10<sup>-4</sup> [[Паскаль (единица измерения)|Па]]}}<ref name="rodenburg_org">{{cite web|url=http://www.rodenburg.org/guide/t1400.html|title=The Vacuum System Of a TEM|archiveurl=https://www.webcitation.org/6E8NmNkpK?url=http://www.rodenburg.org/guide/t1400.html|archivedate=2013-02-02|accessdate=2013-01-24|deadlink=no}}</ref>) из области, в которой распространяется пучок электронов и обеспечивает уменьшение частоты столкновений электронов с атомами остаточного газа до незначительного уровня — увеличение [[Длина свободного пробега|длины свободного пробега]].

Вакуумная система откачки до рабочего давления состоит из нескольких ступеней:
# [[Пластинчатая гидромашина|роторный]] или [[Мембранный насос|мембранный]] насос — форвакуумные насосы 1-й ступени;
# [[Турбомолекулярный насос|турбомолекулярный]] или {{не переведено|Диффузионный насос|диффузионный|en|Diffusion pump}} насос — высоковакуумные насосы 2-й ступени;
# [[гетероионный насос|гетероионные насосы]] для откачки полости электронной пушки автоэлектронной эмиссии (если используется).
С помощью насоса 1-й ступени достигается давление, требуемое для работы насоса 2-й ступени (низкий вакуум). Насос 2-й ступени снижает давление до необходимой рабочей величины.

Части ПЭМ могут быть разделены:
* специальной газовой разделяющей апертурой ({{lang-en|pressure-limiting aperture}}), пропускающей [[электронный пучок]], но затрудняющей обмен остаточными газами между частями вакуумной системы;
* [[Задвижка|запорными клапанами]] ({{lang-en|gate valve}}) для разделения вакуумных частей микроскопа и может использоваться для создания в разных частях вакуумной системы различного уровня вакуума (например, ПЭМ с автоэмиссией может оснащаться отдельной системой откачки воздуха из области электронной пушки для создания сверхвысокого вакуума {{nobr|10<sup>-4</sup>…10<sup>-7</sup> [[Паскаль (единица измерения)|Па]]}} и ниже; система откачки может включать [[гетероионный насос]]).

=== Предметный столик ===
[[Файл:Retino ME con sezioni.jpg|thumb|175px|right|Сетка для поддержки образцов ПЭМ со срезом, полученным с помощью ультра[[микротом]]а]]
Предметный столик предназначен для удерживания образца во время облучения электронами и состоит из следующих элементов:
* держатель образца;
* механизмы для изменения положения держателя (поворот, наклон);
* [[Атмосферный шлюз|шлюзы]], позволяющие вводить держатель с образцом в вакуумную среду ПЭМ без повторной откачки всей вакуумной системы.

Образцы либо помещаются на специальную сетку, либо вырезаются в форме держателя образца (самоподдерживающиеся образцы).

Держатель пригоден для фиксации как сеток, так и самоподдерживаемых образцов стандартного размера. Распространённый диаметр сетки ПЭМ — {{nobr|3,05 [[Миллиметр|мм]]}}.

=== Электронный прожектор ===
{{главная|электронный прожектор}}
[[Электронный прожектор]] (электронная пушка) предназначена для получения пучка электронов с помощью [[Термоэлектронная эмиссия|термоэлектронной]] (термоэлектронные пушки) или [[Полевая эмиссия|полевой]] (автоэмиссионные пушки) эмиссии.

==== Термоэлектронный катод ====
[[Файл:Lab6-ru.svg|left|upright|thumb|Катод из [[монокристалл]]а [[Гексаборид лантана|LaB<sub>6</sub> (гексаборид лантана)]]]]
[[Файл:Tungsten-filament-ru.svg|left|upright|thumb|[[Вольфрам]]овый нагреваемый [[катод]] в форме изогнутой проволочной [[Шпилька|шпильки]]]]

Термоэлектронная прожектор состоит из трёх элементов:
* [[катод]] ([[нить накала]]);
* [[Цилиндр Венельта|венельт]];
* ускоряющий [[анод]].

[[Файл:Wehnelt cap-ru.svg|thumb|Принцип работы [[Цилиндр Венельта|цилиндра Венельта]]]]
При нагревании вольфрамовая нить или заострённый кристалл [[Борид лантана|гексаборида лантана]] испускают (эмитируют) [[электрон]]ы (см. [[термоэлектронная эмиссия]]). Ускоряясь под действием разности потенциалов (напряжения смещения), значительная часть электронов проходит через диафрагму в цилиндре Венельта. Изменяя напряжение смещения на цилиндре Венельта можно регулировать [[Электрический ток|ток]] электронного прожектора. Для уменьшения тока на венель подают отрицательное относительно катода напряжение. Чем больше по модулю это отрицательное напряжение смещения, тем меньше площадь участка катода, испускающего электроны и тем меньше эмиссионный ток.

Прошедшие через апертуру (отверстие) венельта траектории электронов пересекаются в точке, называемой ''кроссовером'' или точкой фокуса венельта и являющейся практически точечным источником электронов в электронно-оптической системе микроскопа.

==== Автоэмиссионная электронная пушка ====
При очень высокой напряжённости электрического поля на поверхности катода возникает автоэлектронная эмиссия электронов с холодного катода, так как в таких сильных полях эффективная работа выхода электронов из металла в вакуум снижается, этот явление называется [[Эффект Шоттки|эффектом Шоттки]].

Для создание высокого электрического поля на поверхности катода его выполняют в виде очень тонкого острия — обычно из [[вольфрам]]овой проволоки с радиусом скругления заострённого кончика менее {{nobr|100 [[Нанометр|нм]]}}.

=== Апертуры ===
Апертуры — это металлические диафрагмы с отверстиями для прохождения электронов. диаметр и толщина пластин подбирается так, чтобы сквозь отверстия проходили только электроны, отклоняющиеся от оптической оси не более, чем на выбранный угол.

== Подготовка образцов ==
Образцы для ПЭМ должны иметь толщину 20—200 нм. Наиболее удобны образцы с толщиной, сравнимой со средней длиной свободного пробега электронов в исследуемом образце, которая зависит от энергии электронов и может быть всего несколько десятков нанометров.

Образцы имеющие достаточно малые размеры прозрачны для электронов, такие, как мелкодисперстные порошки или [[Нанотрубка|нанотрубки]], могут быть быстро подготовлены для изучения в ПЭМ нанесением их на поддерживающую сетку или плёнку.

=== Образцы материалов ===
Главная задача при подготовке образцов — получить достаточно тонкие образцы с минимальными повреждениями структуры в процессе подготовки.

==== Механическая обработка ====
Для подготовки образцов может использоваться абразивная полировка. Полировка должна быть тщательной для получения постоянной толщины образца.

==== Химическое травление ====
{{Основная статья|Травление}}

==== Ионное травление ====
Как правило, применяется в качестве финальной обработки после механической или химической предварительной обработки. Производится распылением поверхности образца бомбардировкой ускоренными ионами, обычно ионами [[аргон]]а.

==== Метод реплик ====
Заключается в получении слепка изучаемой поверхности нанесением плёнки другого материала, с последующим удалением материала образца. Просвечиванию в ПЭМ подвергался полученный слепок.
Широко применялся в ранних исследованиях с помощью ПЭМ, так как относительно прост, в отличие от других методов подготовки образцов.

=== Биологические образцы ===
Биологические образцы должны быть высушены или заморожены перед помещением в ПЭМ так как жидкая вода кипит в вакууме, нарушая его и разрезаны на тонкие пластинки.

==== Традиционный метод ====
Традиционное приготовление биологических образцов для ПЭМ включает в себя процедуры, позволяющие сохранить [[Гистология|гистологию]] тканей при их подготовке для наблюдения в условиях высокого вакуума. Исходные образцы должны быть достаточно миниатюрными, чтобы обеспечить быстрое проникновение химических реактивов на всю толщину образца ткани (по крайней мере, в одном из измерений их размер не должен превышать 0,7 мм). Образцы подвергаются химической фиксации (обычно альдегидами), вторичной фиксации в [[Оксид осмия(VIII)|тетраоксиде осмия]], и затем обезвоживаются обработкой органическими растворителями ([[Этанол|спирте]] или [[ацетон]]е). Обезвоженные образцы пропитываются эпоксидными смолами с отвердителями, которые затем полимеризуются. Получающиеся твердые блоки с включёнными в них биологическими образцами режутся на [[микротом|ультрамикротомах]] с помощью алмазных (реже — стеклянных) ножей на пластинки ?срезы) толщиной 20—100 нанометров. Срезы помещаются на специальные сетки (диаметром около 3 мм) и делают [[контраст]]ными для электронного потока соединениями тяжелых металлов (урана, свинца, вольфрама и др.).

==== Криомикроскопия ====
{{main|Криоэлектронная микроскопия}}
{{Пустой раздел|дата=2016-05-31}}

== Методы визуализации и формирование контраста ==
{{В планах|дата=2016-05-31}}

==== Светлое поле ====
Базовый режим в ПЭМ — это режим светлого поля. В этом режиме контраст формируется рассеиванием и поглощением электронов образцом. Области образца с большей толщиной и большим атомным номером выглядят темнее, тогда как области без образца в пучке электронов — светлыми (поэтому режим называется светлопольным).

==== Дифракционный контраст и темное поле ====
Часть электронов, проходящих через кристаллический образец, рассеивается в определённых направлениях из-за волновой природы электронов согласно [[Условие Вульфа — Брэгга|закону Брэгга]], формируя так называемый дифракционный контраст. Дифракционный контраст особо полезен при изучении дефектов кристаллической решетки.

==== EELS ====
{{Основная статья|СХПЭЭ}}

=== Дифракция ===
[[Файл:Austenite ZADP.jpg|thumb|175px|Дифракционная картина в направлении <110> с двойникового зерна ГЦК аустенитной стали]]

=== Трехмерная визуализация ===
{{Основная статья|Электронная томография}}
Трехмерная модель реконструируется из серии изображений, полученных с одной и той же части образца под разными углами.

== См. также ==
* [[Растровый электронный микроскоп]]
* [[Сфокусированный ионный пучок]]
* [[Дифракция отражённых электронов]]
* [[Кикучи-линия|Линии Кикучи]]
* [[Электронный микроскоп]]
* [[Преобразование Фурье]]
* [[Электронная томография]]
* [[EFTEM]]
* [[EELS]]
* [[Сканирующий гелиевый ионный микроскоп]]

== Примечания ==
{{примечания}}

== Литература ==
* ''Уманский Я. С., Скаков Ю. А., Иванов А. Н., Расторгуев Л. Н.''. Кристаллография, рентгенография и электронная микроскопия. — М.: Металлургия, 1982, 632 с.
* ''СиндоД. Оикава. Т.'' Аналитическая просвечивающая электронная микроскопия. — М.: Техносфера, 2006, 256 с. [[Международный стандартный номер книги|ISBN]] 5-94836-064-4.

== Ссылки ==
* [https://web.archive.org/web/20140821132900/http://ncem.lbl.gov/ The National Center for Electron Microscopy, Berkeley California USA]
* [http://ncmi.bcm.tmc.edu The National Center for Macromolecular Imaging, Houston Texas USA]
* [http://nramm.scripps.edu/ The National Resource for Automated Molecular Microscopy, La Jolla California USA] {{Wayback|url=http://nramm.scripps.edu/ |date=20110309082311 }}
* [http://www.fei.com/ Manufacturer of TEM’s (FEI Company)]
* [http://www.lv-em.com Delong Group]
* [http://www.rodenburg.org/ Tutorial courses in Transmission Electron Microscopy]
* [http://arquivo.pt/wayback/20160517011934/http://www.msm.cam.ac.uk/doitpoms/tlplib/tem/index.php Cambridge University Teaching and Learning Package on TEM]
* [http://ckp-nano.msu.ru/structure/60 Лаборатория электронной микроскопии ЦКП МГУ им. Ломоносова]
* [http://ibiw.ru/index.php?p=ru/sub/micro&lang=ru Центр коллективного пользования электронной микроскопии ИБВВ РАН]

{{перевести|en|Transmission electron microscopy}}
{{Нанотехнология}}
{{Электронно-лучевые приборы}}

[[Категория:Дифракционные методы]]
[[Категория:Материаловедение]]
[[Категория:Металловедение]]
[[Категория:Биология]]
[[Категория:Оборудование для физических экспериментов]]
[[Категория:Электронные микроскопы]]