Transcript Оптическая микроскопия - Компьютерные голографические

Микроскопия
Создание новой техники, наукоемких технологий и новых
материалов, сдерживается недостаточным уровнем измерительной
техники.
Большинство средств измерений длины в нанометровом диапазоне,
обеспечивающих достижение предельных возможностей измерений,
основано на следующих физических принципах:
Оптические:
•
оптическая микроскопия,
•
низкокогерентные системы измерения,
•
сканирующая микроскопия ближнего поля,
•
лазерная интерферометрия.
Измерения на других физических принципах:
•
растровая электронная микроскопия,
•
сканирующая зондовая микроскопия.
• Основным инструментом для наблюдения и измерений (качественной
и количественной оценки) сверхмалых объектов являются
микроскопы, использующие различные физические принципы и
средства воздействия на объект: световые потоки, электронные и
ионные пучки, акустоэлектронные взаимодействия, рентгеновские
лучи, туннельные потоки носителей заряда, силовые поля на
сверхмалых расстояниях и т.п.
Микроскопия
прошла
сложный
путь
развития,
и
каждое
ее
достижение
сопровождалось прежде всего увеличением
разрешающей
способности,
а
также
существенным ослаблением воздействия на
объект в процессе измерений
•
Оптическая микроскопия. Человеческий глаз представляет собой оптическую систему,
характеризующуюся определённым разрешением, т.е. наименьшим расстоянием между
элементами наблюдаемого объекта (воспринимаемыми как точки или линии), при
котором они ещё могут быть отличены один от другого. Для нормального глаза при
удалении от объекта на т.н. расстояние наилучшего видения (D = 250мм),
среднестатистическое нормальное разрешения составляет 0,076 мм.
•
Размеры микроорганизмов, большинства растительных и животных клеток, мелких
кристаллов, деталей микроструктуры металлов и сплавов и т.п. значительно меньше этой
величины. Для наблюдения и изучения подобных объектов и предназначены микроскопы
различных типов. С помощью микроскопов определяют форму, размеры, строение и
многие другие характеристики микрообъектов.
•
Оптический, или световой микроскоп использует видимый свет, проходящий через
прозрачные объекты, или отражённый от непрозрачных. Оптическая система из
нескольких линз позволяет получить увеличенное изображение образца. Полученное
изображение можно наблюдать глазом (или обеими глазами, в бинокуляре), либо
фотографировать или передавать на видеокамеру для оцифровки. В состав современного
микроскопа обычно входит система подсветки, столик для перемещения объекта
(препарата), наборы специальных объективов и окуляров.
•
До 1950-х годов работали преимущественно в диапазоне видимого спектра света. Глаз
работает в оптическом диапазоне длин волн. Оптические микроскопы не могли давать
разрешающей способности менее полупериода волны опорного излучения (для видимого
диапазона длина волн 0,2—0,7 мкм, или 200—700 нм). Предельное увеличение
оптического микроскопа — до 1000 раз.
•
Если мы захотим увидеть более тонкие детали, необходимо уменьшить длину волны,
которая освещает объект исследования. Для этого можно использовать не видимый свет, а,
например, электроны, длина волны которых намного меньше.
•
Электронные и ренгеновские микроскопы — результат воплощения этой идеи.
•
Электронная микроскопия - совокупность электронно-зондовых методов исследования
микроструктуры твердых тел, их локального состава и микрополей (электрических,
магнитных и др.) с помощью электронных микроскопов - приборов, в которых для
получения увеличения изображений используют электронный пучок. Электронная
микроскопия включает также методики подготовки изучаемых объектов, обработки и
анализа результирующей информации. Различают два главных направления электронной
микроскопии: просвечивающую и растровую (сканирующую), основанных на
использовании соответствующих типов.
•
Рентгеновская микроскопия — совокупность методов исследования микроскопического
строения вещества с помощью рентгеновского излучения.
•
Разрешающая способность достигает 100 нм, что в 2 раза выше, чем у оптических
микроскопов (200 нм). Теоретически рентгеновская микроскопия позволяет достичь на 2
порядка лучшего разрешения, чем оптическая (поскольку длина волны рентгеновского
излучения меньше на 2 порядка).
•
Таким образом, существуют различные виды микроскопии с разной разрешающей
способностью.
Вид
Пространственное
разрешение (x,y)
Разрешение по zкоординате
Размер поля
Увеличение
Оптическая микроскопия
200 нм
-
0,4 -0,2 мм
1.5-1000х
Конфокальный микроскоп
200 нм
1 нм
Интерферометрия в белом свете
200 нм
0,1 нм
0.05 до 8.24
1.5-100x
Голографическая микроскопия
200 нм
0,1 нм
0.05 до 8.24
1.5-100x
Просвечивающий электронный
микроскоп
0,2 нм
-
Растровый электронный
микроскоп (РЭМ)
0,4 нм
0,1 нм
0,1-500 мкм
по z - ~1-10 мм
Сканирующие зондовые
микроскопы
0,1 нм
0,05 нм
~150 х 150 мкм
по z - < 25 мкм
до 1 000 000
до 10 000 000х
Оптическая микроскопия
Основным инструментом для наблюдения и измерений
(качественной и количественной оценки) сверхмалых объектов
являются оптические микроскопы.
История создания оптических микроскопов
•
Невозможно точно определить, кто изобрёл микроскоп. Простые увеличительные линзы
уже производились с 1500-х годов, а увеличительные свойства наполненных водой
стеклянных сосудов упоминались ещё древними римлянами (Сенека)
•
Самые ранние сведения о микроскопе относят к 1590 году и городу Мидделбург
(Голландия), и связывают с именами Иоанна Липперсгея (который также разработал
первый простой телескоп) и Ганса Янсена, которые занимались изготовлением очков
•
Другим претендентом на звание изобретателя микроскопа был Галилео Галилей. Он
разработал «occhiolino» («оккиолино» - маленький глаз, итал.), или составной микроскоп с
выпуклой и вогнутой линзами в 1624 г. Годом спустя его друг по Академии Джованни
Фабер предложил для нового изобретения термин "микроскоп". Изображение трёх пчел
Франческо Стеллути было частью печати Папы Урбана VIII и считается первым
опубликованным микроскопическим символом.
•
Десятью годами позже Галилея Корнелиус Дреббель изобретает новый тип микроскопа, с
двумя выпуклыми линзами. Кристиан Гюйгенс, другой голландец, изобрел простую
двулинзовую систему окуляров в конце 1600-х, которая ахроматически регулировалась и,
следовательно, стала огромным шагом вперед в истории развития микроскопов. Окуляры
Гюйгенса производятся и по сей день, но им не хватает широты поля обзора, а
расположение окуляров неудобно для глаз по сравнению с современными
широкообзорными окулярами.
•
В 1665 году англичанин Роберт Гук сконструировал собственный
микроскоп. В результате его исследований появилось название
«клетки».
•
•
•
•
Антон Ван Левенгук (1632—1723)
считается первым,
кто сумел
привлечь к микроскопу внимание
биологов.
Изготовленные
вручную,
микроскопы
Ван
Левенгука
представляли
собой
очень
небольшие изделия с одной очень
сильной линзой.
Они
были
неудобны
в
использовании, однако позволяли
очень
детально
рассматривать
изображения лишь из-за того, что
не
перенимали
недостатков
составного микроскопа (несколько
линз такого микроскопа удваивали
дефекты изображения).
Понадобилось около 150 лет развития оптики, чтобы составной микроскоп смог давать такое же качество
изображения, как простые микроскопы Левенгука. Так что, хотя Антон Ван Левенгук был великим мастером
микроскопа, он не был его изобретателем вопреки широко распространённому мнению.
•
Оптическая система микроскопа состоит из двух основных элементов — объектива и
окуляра. Они закреплены в подвижном тубусе, расположенном на металлическом
основании, на котором имеется предметный столик.
•
В современном микроскопе практически всегда есть осветительная система (в частности,
конденсор), макро- и микро- винты для настройки резкости, система управления
положением конденсора.
Устройство
микроскопа:
оптического
A — окуляр;
B — объектив;
C — объект;
D — конденсор;
E — предметный столик;
F — зеркало.
Оптические микроскопы. Слева — микроскоп фирмы
Carl Zeiss 1906 года, справа — современный
исследовательский микроскоп той же фирмы с двумя
видеокамерами на основе ПЗС-матриц сверху.
•
Когда говорят о разрешающей способности того или иного оптического прибора,
оперируют двумя понятиями. Одно из них — угловое разрешение, а второе — линейное
разрешение. Эти понятия взаимосвязаны. К примеру, для человеческого глаза угловое
разрешение составляет приблизительно 1 угловую минуту. При этом глаз может различить
два точечных объекта, удаленных от него на 25–30 см, только тогда, когда расстояние
между этими объектами больше чем 0,075 мм. Это вполне сравнимо с разрешением
обычного компьютерного сканера. В самом деле, разрешение 600 точек на дюйм означает,
что сканер может различить точки, расположенные на расстоянии 0,042 мм друг от друга.
•
Для того чтобы можно было различать объекты, расположенные на еще меньших
расстояниях друг от друга, используется оптический микроскоп. Оптический микроскоп
позволил отодвинуть предел разрешения до долей микрона. Уже 100 лет назад оптическая
микроскопия сделала возможным изучать объекты микронных размеров. Однако тогда же
стало ясно, что простым увеличением количества линз и улучшением их качества добиться
дальнейшего увеличения разрешающей способности невозможно. Разрешение оптического
микроскопа оказалось ограничено свойствами самого света, а именно его волновой
природой.
•
Разрешение микроскопа определяется минимальным расстоянием между двумя точками,
которые могут быть наблюдаться отдельно.
•
В оптическом микроскопе пространственное разрешение R по осям x,y определяется тремя
параметрами: λ - длиной волны освещающего света, числовой апертурой (NA) объектива
(NAobj) а также конденсора (NAcond):
R=1.22 λ / (NAobj+NAcond).
Когда апертура конденсора скорректирована с апертурой объектива выражение
упрощается
R=0.61 λ / NAobj.
Числовая апертура объектива микроскопа является мерой его способности собирать
свет и таким образом разрешать мелкие детали образца на определенном расстоянии.
Числовая апертура для микрообъективов вычисляется по следующей формуле:
NA = n * (sin μ ) ,
•
•
•
•
n - индекс преломления среды между передней линзой объектива и
стекла покрывающего образец. (n = 1 для воздуха и 1.51 для масла).
μ - половина угловой апертуры
•
•
Для линзы этот угол определяется диаметром D и фокальным расстоянием F: sin μ = D/2F
Чем больше μ тем больше числовая апертура.
•
В выражение для числовой апертуры NA = n * (sin μ ) , входит показатель преломления n
среды, находящейся между объектом и объективом. Показатель преломления вакуума
равен единице. У воздуха этот показатель очень близок к единице, у воды он составляет
1,33303, а у специальных жидкостей, используемых в микроскопии для получения
максимального разрешения, n доходит до 1,78.
•
Каким бы ни был угол μ, величина sin μ не может быть больше единицы. Поэтому при
работе в воздухе теоретически максимальное значение числовой апертуры NA = 1 ( μ = 90o).
На практике NA не превышает 0.95.
•
Для достижения более высоких значений NA должна использоваться иммерсионная среда
между передней линзой и образцом. Для этой цели используется масло или вода. Объектив
должен быть специально разработан для этой цели и это упоминается при маркировке
(например, UPlanFLN 60x/1.25 Oil Iris).
Применяются следующие иммерсионные жидкости:
•
Кедровое или минеральное масло (показатель преломления 1,515)
•
Водный раствор глицерина (1,434)
•
Физиологический раствор (1,3346)
•
Вода (1,3329)
•
Монобромнафталин (1,656)
•
Вазелиновое масло (1,503)
•
Йодистый метилен (1,741)
•
60x - увеличение
•
1.42 числовая апертура
•
oil - необходима иммерсионная
жидкость
•
∞ - оптика скорректирована на
бесконечность
•
0.17 - коррекция поверхностного
скольжения (необходимая толщина
слоя 0.17мм)
•
FN 26.5 - коэффициент,
определяющий размер поля (26.5/60
= 0.44 мм - диаметр поля зрения в мм)
•
Размер поля зрения определяется числом (field number - FM), которое определяет размер
диагонали поля зрения (через окуляр и трубу). Например, FN=22, увеличение 10x, тогда
размер диагонали поля зрения 22/10 = 2.2 mm. Чем меньше увеличение, тем больше поле
зрения, но при это разрешение падает.
•
Для достижения хорошего разрешения иногда используют компьютерные системы для
сшивки изображений. Изображения с большим увеличением снимают по частям с
хорошим разрешением, а затем программа распознает края изображений и пытается
скомпоновать одно целое изображение.
•
Для достижения высокого разрешения объекта контроля в оптических микроскопах
используются объективы с высокой числовой апертурой.
•
Однако при этом глубина резкости уменьшается обратно пропорционально квадрату
значения апертуры, что формально приводит к “планаризации” контролируемого объекта с
малыми размерами, ширина которого реально сравнима с его толщиной.
•
Чем лучше пространственное разрешение, тем меньше глубина резкости.
•
Сегодня стандартные световые микроскопы позволяют рассматривать объекты с
увеличением 1000х. Глубина резкости при этом составляет 1 мкм. Небольшая глубина
резкости приводит к необходимости автоматизированного перемещения объектива или
объекта для наблюдения серии изображений.
Полное четкое изображение собирается
из 25 кадров, в которых резкость
имеется только в небольших слоях.
Разрешение оптического микроскопа не превышает долей длины волны света.
Обычно считается, что разрешение составляет половину длины волны.
•
До 1950-х годов работали преимущественно в диапазоне видимого спектра света.
Оптические микроскопы не могли давать разрешающей способности менее полупериода
волны опорного излучения (для видимого диапазона длина волн 0,2—0,7 мкм, или 200—
700 нм). Предельное увеличение оптического микроскопа — до 1000 раз.
•
Если мы захотим увидеть более тонкие детали, необходимо уменьшить длину волны,
которая освещает объект исследования. Для этого можно использовать не видимый свет, а,
например, электроны, длина волны которых намного меньше.
•
Электронные и ренгеновские микроскопы — результат воплощения этой идеи.
•
Электронная микроскопия - совокупность электронно-зондовых методов исследования
микроструктуры твердых тел, их локального состава и микрополей (электрических,
магнитных и др.) с помощью электронных микроскопов - приборов, в которых для
получения увеличения изображений используют электронный пучок. Электронная
микроскопия включает также методики подготовки изучаемых объектов, обработки и
анализа результирующей информации. Различают два главных направления электронной
микроскопии: просвечивающую и растровую (сканирующую), основанных на
использовании соответствующих типов.
Электронный микроскоп
Электронный микроскоп — прибор, позволяющий получать
изображение объектов с максимальным увеличением до 106 раз,
благодаря использованию вместо светового потока пучка
электронов. Разрешающая способность электронного микроскопа в
1000÷10000 раз превосходит разрешение светового микроскопа и
для лучших современных приборов может составлять несколько
ангстрем (10-7 м).
•
•
•
•
•
Появление электронного микроскопа стало возможным после ряда физических
открытий конца XIX — начала XX века. Это открытие в 1897 году электрона
(Дж.Томсон) и экспериментальное обнаружение в 1926 году волновых свойств
электрона (К.Дэвиссон, Л.Гермер), подтверждающее выдвинутую в 1924 году де
Бройлем гипотезу о корпускулярно-волновом дуализме всех видов материи. В 1926
году немецкий физик X.Буш создал магнитную линзу, позволяющую фокусировать
электронные лучи, что послужило предпосылкой для создания в 1930-х годах
первого электронного микроскопа.
В 1931 году Р.Руденберг получил патент на просвечивающий электронный
микроскоп, а в 1932 году М.Кнолль и Э.Руска построили первый прототип
современного прибора. Эта работа Э.Руски в 1986 году была отмечена Нобелевской
премией по физике, которую присудили ему и изобретателям сканирующего
зондового микроскопа Герду Карлу Биннигу и Генриху Рореру.
В 1938 Руска и Б. фон Боррис построили прототип промышленного
просвечивающего электронного микроскопа для фирмы «Сименс-Хальске» в
Германии; этот прибор в конце концов позволил достичь разрешения 100 нм.
Несколькими годами позднее А.Пребус и Дж.Хиллер построили первый ОПЭМ
высокого разрешения в Торонтском университете (Канада).
В конце 1930-х — начале 1940-х годов появились первые растровые электронные
микроскопы (РЭМ), формирующие изображение объекта при последовательном
перемещении электронного зонда малого сечения по объекту. Массовое
применение этих приборов в научных исследованиях началось в 1960-ых годах,
когда они достигли значительного технического совершенства.
РЭМ в его нынешней форме был изобретен в 1952 Чарльзом Отли. Правда,
предварительные варианты такого устройства были построены Кноллем в
Германии в 1930-х годах и Зворыкиным с сотрудниками в корпорации RCA в 1940х годах, но лишь прибор Отли смог послужить основой для ряда технических
усовершенствований, завершившихся внедрением в производство промышленного
варианта РЭМ в середине 1960-х годов.
Существуют два основных вида электронных микроскопов.
•
•
В 1930-х годах был изобретен обычный просвечивающий электронный микроскоп (ОПЭМ),
в 1950-х годах – растровый (сканирующий) электронный микроскоп (РЭМ)
Просвечивающий электронный микроскоп
•
Просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ) — это установка, в которой изображение
от ультратонкого объекта (толщиной порядка 0,1 мкм) формируется в результате
взаимодействия пучка электронов с веществом образца с последующим увеличением
магнитными линзами (объектив) и регистрацией на флуоресцентном экране.
•
Просвечивающий электронный микроскоп во многом подобен световому микроскопу, но
только для освещения образцов в нем используется не свет, а пучок электронов. В нем
имеются электронный прожектор, ряд конденсорных линз, объективная линза и
проекционная система, которая соответствует окуляру, но проецирует действительное
изображение на люминесцентный экран или фотографическую пластинку.
•
Источником электронов обычно служит нагреваемый катод из вольфрама или гексаборида
лантана. Катод электрически изолирован от остальной части прибора, и электроны
ускоряются сильным электрическим полем. Для создания такого поля катод поддерживают
под потенциалом порядка - 100 000 В относительно других электродов, фокусирующих
электроны в узкий пучок. Эта часть прибора называется электронным прожектором.
•
Поскольку электроны сильно рассеиваются веществом, в колонне микроскопа, где движутся
электроны, должен быть вакуум. Здесь поддерживается давление, не превышающее одной
миллиардной атмосферного.
•
Электронное изображение формируется электрическими и магнитными полями примерно
так же, как световое – оптическими линзами. Принцип действия магнитной линзы
поясняется следующей схемой.
Витки провода, по которым проходит
ток, фокусируют пучок электронов так
же, как стеклянная линза фокусирует
световой пучок.
•
Магнитное поле, создаваемое витками катушки, по которой проходит ток, действует как
собирающая линза, фокусное расстояние которой можно изменять, изменяя ток.
ОБЫЧНЫЙ
ПРОСВЕЧИВАЮЩИЙ
ЭЛЕКТРОННЫЙ
МИКРОСКОП (ОПЭМ). 1 –
источник электронов; 2 –
ускоряющая система; 3 –
диафрагма; 4 –конденсорная
линза; 5 – образец; 6 –
объективная
линза;
7
–
диафрагма; 8 – проекционная
линза; 9 – экран или пленка;
10
–
увеличенное
изображение.
•
Электроны ускоряются, а затем фокусируются магнитными линзами.
Увеличенное изображение, создаваемое электронами, которые проходят
через диафрагму объектива, преобразуется люминесцентным экраном в
видимое или регистрируется на фотопластинке.
•
Ряд конденсорных линз (показана лишь последняя) фокусирует
электронный пучок на образце. Обычно первая из них создает
неувеличенное изображение источника электронов, а последняя
контролирует размер освещаемого участка на образце. Диафрагмой
последней конденсорной линзы определяется ширина пучка в плоскости
объекта.
•
Образец помещается в магнитном поле объектной линзы с большой
оптической силой – самой важной линзы ОПЭМ, которой определяется
предельное возможное разрешение прибора. Аберрации объективной
линзы ограничиваются ее диафрагмой так же, как это происходит в
фотоаппарате или световом микроскопе. Объектная линза дает увеличенное
изображение объекта (обычно с увеличением порядка 100); дополнительное
увеличение, вносимое промежуточными и проекционной линзами, лежит в
пределах величин от несколько меньшей 10 до несколько большей 1000.
•
Таким образом, увеличение, которое можно получить в современных
ОПЭМ, составляет от менее 1000 до ~1 000 000. (При увеличении в
миллион раз грейпфрут вырастает до размеров Земли).
•
Исследуемый объект обычно помещают на очень мелкую сетку,
вкладываемую в специальный держатель. Держатель можно механическим
или электрическим способом плавно перемещать вверх-вниз и вправовлево.
•
Окончательное увеличенное электронное изображение преобразуется в видимое посредством
люминесцентного экрана, который светится под действием электронной бомбардировки. Это изображение,
обычно слабоконтрастное, как правило, рассматривают через бинокулярный световой микроскоп. При той
же яркости такой микроскоп с увеличением 10 может создавать на сетчатке глаза изображение, в 10 раз
более крупное, чем при наблюдении невооруженным глазом. Иногда для повышения яркости слабого
изображения применяется люминофорный экран с электронно-оптическим преобразователем. В этом
случае окончательное изображение может быть выведено на обычный телевизионный экран.
Фотопластинка обычно позволяет получить более четкое изображение, чем наблюдаемое простым глазом
или записанное на видеоленте, так как фотоматериалы, вообще говоря, более эффективно регистрируют
электроны.
•
Разрешение. Электронные пучки имеют свойства, аналогичные свойствам световых пучков. В частности,
каждый электрон характеризуется определенной длиной волны. Разрешающая способность ЭМ
определяется эффективной длиной волны электронов. Длина волны зависит от скорости электронов, а
следовательно, от ускоряющего напряжения; чем больше ускоряющее напряжение, тем больше скорость
электронов и тем меньше длина волны, а значит, выше разрешение. Столь значительное преимуществ о ЭМ
в разрешающей способности объясняется тем, что длина волны электронов намного меньше длины волны
света. Но поскольку электронные линзы не так хорошо фокусируют, как оптические (числовая апертура
хорошей электронной линзы составляет всего лишь 0,09, тогда как для хорошего оптического объектива эта
величина достигает 0,95), разрешение ЭМ равно 50–100 длинам волн электронов.
•
Даже со столь слабыми линзами в электронном микроскопе можно получить предел разрешения ~0,17 нм,
что позволяет различать отдельные атомы в кристаллах. Для достижения разрешения такого порядка
необходима очень тщательная настройка прибора; в частности, требуются высокостабильные источники
питания, а сам прибор (который может быть высотой ~2,5 м и иметь массу в несколько тонн) и его
дополнительное оборудование требуют монтажа, исключающего вибрацию.
•
В ОПЭМ можно получить увеличение до 1 млн. Предел пространственного (по x, y) разрешения - ~0,17 нм.
Растровая электронная микроскопия
•
Растровый электронный микроскоп (РЭМ, англ. Scanning Electron Microscope, SEM) — прибор, основанный
на принципе взаимодействия электронного пучка с веществом, предназначенный для получения
изображения поверхности объекта с высоким пространственным разрешением (несколько нанометров), а
также о составе, строении и некоторых других свойствах приповерхностных слоёв.
•
Пространственное разрешение сканирующего электронного микроскопа зависит от поперечного
размера электронного пучка, который, в свою очередь зависит от электронно-оптической системы,
фокусирующей пучок.
В настоящее время современные модели РЭМ выпускаются рядом
фирм мира, среди которых можно назвать:
•
•
•
•
•
•
Carl Zeiss NTS GmbH — Германия
FEI Company — США (слилась с Philips Electron Optics)
FOCUS GmbH — Германия
Hitachi — Япония
JEOL — Япония (Japan Electron Optics Laboratory)
Tescan — Чехия
•
•
•
•
1 – источник электронов; 2 –
ускоряющая система; 3 –
магнитная
линза;
4
–
отклоняющие катушки; 5 –
образец;
6
–
детектор
отраженных электронов; 7 –
кольцевой детектор; 8 –
анализатор
В РЭМ применяются электронные линзы для фокусировки электронного
пучка (электронного зонда) в пятно очень малых размеров. Можно
отрегулировать РЭМ так, чтобы диаметр пятна в нем не превышал 0,2 нм,
но, как правило, он составляет единицы или десятки нанометров.
Это пятно непрерывно обегает некоторый участок образца аналогично лучу,
обегающему экран телевизионной трубки. Электрический сигнал,
возникающий
при
бомбардировке
объекта
электронами
пучка,
используется для формирования изображения на экране телевизионного
кинескопа или электронно-лучевой трубки (ЭЛТ), развертка которой
синхронизирована с системой отклонения электронного пучка (рис.).
Увеличение в данном случае понимается как отношение размера
изображения на экране к размеру области, обегаемой пучком на образце.
Это увеличение составляет от 10 до 10 млн.
Электронные линзы (обычно сферические магнитные) и отклоняющие
катушки образуют систему, называемую электронной колонной.
Однако РЭМ-метод характеризуется рядом ограничений и недостатков,
которые особенно сильно проявляются в субмикронном и нанометровом
диапазонах измерений:
•
недостаточно высокое пространственное разрешение;
•
сложность получения трехмерных изображений поверхности, обусловленная в первую
очередь тем, что высота рельефа в РЭМ определяется по эффективности упругого и
неупругого рассеяния электронов и зависит от глубины проникновения первичных
электронов в поверхностный слой;
•
необходимость нанесения дополнительного токосъемного слоя на плохопроводящие
поверхности для предотвращения эффектов, связанных с накоплением заряда;
•
проведение измерений только в условиях вакуума;
•
возможность
повреждения
изучаемой
сфокусированным пучком электронов.
поверхности
высокоэнергетичным
Из-за очень узкого электронного луча РЭМ обладают очень большой глубиной резкости (0.6-0.8 мм), что на два
порядка выше, чем у оптического микроскопа и позволяет получать четкие микрофотографии с характерным
трехмерным эффектом для объектов со сложным рельефом.
Это свойство РЭМ крайне полезно для понимания поверхностной структуры образца.
Микрофотография пыльцы демонстрирует возможности РЭМ.
Сканирующие зондовые микроскопы
•
Сканирующие зондовые микроскопы (СЗМ, англ. SPM — Scanning Probe Microscope) — класс
микроскопов для измерения характеристик объекта с помощью различных типов зондов.
Процесс построения изображения основан на сканировании поверхности зондом.
•
В общем случае СЗМ позволяют получить трёхмерное изображение поверхности
(топографию) с высоким разрешением.
Основные типы сканирующих зондовых микроскопов:
▫
▫
▫
Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ, англ. STM — scanning tunneling microscope) или
растровый тунельный микроскоп (РТМ) - для получения изображения используется туннельный ток
между зондом и образцом, что позволяет получить информацию о топографии и электрических
свойствах образца.
Сканирующий атомно-силовой микроскоп (АСМ) - регистрирует различные силы между зондом и
образцом. Позволяет получить топографию поверхности и её механические свойства.
Сканирующий ближнепольный оптический микроскоп (СБОМ) - для получения изображения
используется эффект ближнего поля.
Отличительной СЗМ особенностью является наличие:
▫
▫
▫
зонда,
системы перемещения зонда относительно образца по 2-м (X-Y) или 3-м (X-Y-Z) координатам,
регистрирующей системы.
Работа сканирующего зондового микроскопа
основана на взаимодействии поверхности
образца с зондом (кантилевер - англ. балка,
игла или оптический зонд). Кантилеверы
разделяются на жёсткие и мягкие, - по длине
балки, а характеризуется это резонансной
частотой колебаний кантилевера. Процесс
сканирования
микрозондом
поверхности
может происходить как в атмосфере или
заранее заданном газе, так и в вакууме, и даже
сквозь плёнку жидкости.
Кантилевер в сканирующем электронном
микроскопе (увеличение 1000X) координатам,
•
При малом расстоянии между поверхностью и образцом действие сил взаимодействия
(отталкивания, притяжения,и других сил) и проявление различных эффектов (например,
туннелирование электронов) можно зафиксировать с помощью современных средств
регистрации.
•
Для регистрации используют различные типы сенсоров, чувствительность которых
позволяет зафиксировать малые по величине возмущения.
•
Регистрирующая система фиксирует значение функции, зависящей от расстояния зондобразец.
•
Для получения полноценного растрового изображения используют различные устройства
развертки по осям X и Y (например, пьезотрубки, плоскопараллельные сканеры).
Сканирование поверхности может происходить двумя способами, - сканирование
кантилевером и сканировение подложкой. Если в первом случае движения вдоль
исследуемой поверхности совершает кантилевер, то во втором относительно неподвижного
кантилевера движется сама подложка.
•
Для сохранения режима сканирования, - кантилевер должен находиться вблизи
поверхности, - в зависимости от режима, - будь то режим постоянной силы, или постоянной
высоты, существует система, которая могла бы сохранять такой режим во время процесса
сканирования. Для этого в электронную схему микроскопа входит специальная система
обратной связи, которая связана с системой отклонения кантилевера от первоначального
положения.
•
Основные технические сложности при создании сканирующего зондового микроскопа:
▫
▫
▫
▫
▫
Конец зонда должен иметь размеры сопоставимые с исследуемыми объектами.
Обеспечение механической (в том числе тепловой и вибрационной) стабильности на уровне лучше 0,1
ангстрема.
Детекторы должны надежно фиксировать малые по величине возмущения регистрируемого параметра.
Создание прецизионной системы развёртки.
Обеспечение плавного сближения зонда с поверхностью.
Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ, англ. STM —
scanning tunneling microscope) или растровый тунельный
микроскоп (РТМ)
•
Сканирующий тунельный микроскоп в современном виде изобретен (принципы этого класса
приборов были заложены ранее другими исследователями) Гердом Карлом Биннигом и
Генрихом Рорером в 1981 году. За это изобретение они были удостоены Нобелевской премии
по физике за 1986 год, которая была разделена между ними и изобретателем
просвечивающего электронного микроскопа Э. Руска.
•
В СТМ острая металлическая игла подводится к образцу на расстояние нескольких ангстрем.
При подаче на иглу относительно образца небольшого потенциала возникает туннельный
ток. Величина этого тока экспоненциально зависит от расстояния образец-игла. Типичные
значения 1—1000 пА при расстояниях около 1 A.
•
В этом микроскопе используется металлическое острие малого диаметра, являющееся
источником электронов. В зазоре между острием и поверхностью образца создается
электрическое поле. Число электронов, вытягиваемых полем из острия в единицу времени
(ток туннелирования), зависит от расстояния между острием и поверхностью образца (на
практике это расстояние меньше 1 нм). При перемещении острия вдоль поверхности ток
модулируется. Это позволяет получить изображение, связанное с рельефом поверхности
образца. Если острие заканчивается одиночным атомом, то можно сформировать
изображение поверхности, проходя атом за атомом.
•
РТМ может работать только при условии, что расстояние от острия до поверхности
постоянно, а острие можно перемещать с точностью до атомных размеров.
Высокое разрешение СТМ вдоль нормали
к
поверхности
(~0,01
нм)
и
в
горизонтальном направлении (~0,1 нм),
которое реализуется как в вакууме, так и с
диэлектрическими средами в туннельном
промежутке,
открывает
широкие
перспективы
повышения
точности
измерений
линейных
размеров
в
нанометровом диапазоне.
Платиново
иридиумная
игла
сканирующего туннельного микроскопа
крупным планом.
Сканирующий атомно-силовой микроскоп (АСМ)
•
•
•
Атомно-силовая микроскопия поверхности (АСМ), предложенная в 1986 г., основана на эффекте силового
взаимодействия между близко расположенными твердыми телами.
В отличие от СТМ метод АСМ пригоден для проведения измерений как на проводящих, так и на
непроводящих поверхностях не только в вакууме, но и на воздухе и в жидкой среде.
Важнейшим элементом АСМ является микрозонд (кантилевер), на конце которого располагается
диэлектрическое острие с радиусом кривизны R, к которому с помощью трехкоординатного манипулятора
подводится поверхность исследуемого образца на расстояние d≈0,1÷10 нм. Острие кантилевера обычно
закрепляют на пружине, изготовленной в виде кронштейна с малой механической жесткостью. В результате
межатомного (межмолекулярного) взаимодействия между образцом и острием кантилевера кронштейн
отклоняется.
•
Разрешение АСМ вдоль нормали к поверхности сравнимо с соответствующим разрешением СТМ, а
разрешение в горизонтальном направлении (продольное разрешение) зависит от расстояния d и радиуса
кривизны острия R. Числовой расчет показывает, что при R=0,5 нм и d=0,4 нм продольное разрешение
составляет ~1 нм.
•
Необходимо подчеркнуть, что зондом АСМ является острие иглы, которое позволяет снимать информацию
о профиле элемента рельефа поверхности, имеющего нанометровые размеры, но высота (глубина) такого
элемента не должна превышать 100 нм, а соседний элемент должен быть расположен не ближе, чем на
расстоянии 100 нм. При выполнении некоторых специфических для АСМ условий возможно
восстановление профиля элемента без потери информации. Однако эти условия практически невозможно
осуществить в эксперименте.
Сканирующий ближнепольный оптический микроскоп (СБОМ)
•
Сканирующая микроскопия ближнего поля (NSOM - Near-Field Scanning Optical Microscopy) –
ближнепольное изображение получается при размещении оптического зонда (световода) субмикронного
размера на чрезвычайно близком расстоянии от изучаемого объекта, а свет пропускается через небольшую
диафрагму на конце зонда.
•
Под ближним полем понимается зона над поверхностью изучаемого объекта размером меньше длины
волны падающего света.
•
Основное достоинство сканирующей микроскопии ближнего поля – высокая разрешающая способность.
Наименьший размер элемента, полученного с помощью этого метода, составляет 20 нм при длине волны
света 0,486 нм. В изображении контролируемого элемента отсутствуют дифракционные или
интерференционные эффекты, затрудняющие определение его границ. Отсутствуют затруднения и в
контроле относительно толстых элементов – они преодолеваются чисто техническим методом – послойным
сканированием образца.
•
Как видно, по принципу действия сканирующий микроскоп ближнего поля подобен
туннельному или атомно-силовому микроскопу.
•
Сканирование
объекта
оптическим
зондом
осуществляется на расстоянии меньше длины волны от
объекта (в ближнем поле).
•
Роль светового зонда выполняют светоизлучающие
острия с выходными отверстиями, радиус которых в 1020 раз меньше длины волны света
Подобная идея была предложена еще в 1928 году Сингхом (Ирландия) (E.H. Syngh), она намного опередила технические возможности
своего времени и осталась практически не замеченной. Ее первое подтверждение было получено Эшем (E.A. Ash) в опытах с
микроволнами в 1972 году. В начале 80-х годов группа исследователей из Цюрихской лаборатории фирмы IBM во главе с Дитером
Полем (сотрудник лаборатории IBM в Цюрихе) (D.W.Pohl) продемонстрировала разрешение λ/20 на приборе, работающем в видимом
оптическом диапазоне и получившем название ближнепольного сканирующего оптического микроскопа (NSOM).
•
Основной характеристикой NSOM является пространственное разрешение, которое в сильной степени
зависит от условий освещения или в более общем случае - от наблюдения образца, структуры его
поверхности и микрогеометрии зонда.
Ближнепольный оптический микроскоп
Отсутствие физических ограничений размера вершины зонда в безапертурных NSOM позволяет реализовать в
них разрешение лучше 1 нм.
Вид
Пространственное
разрешение (x,y)
Разрешение по zкоординате
Размер поля
Увеличение
Оптическая микроскопия
200 нм
-
0,4 -0,2 мм
1.5-1000х
Конфокальный микроскоп
200 нм
1 нм
Интерферометрия в белом свете
200 нм
0,1 нм
0.05 до 8.24
1.5-100x
Голографическая микроскопия
200 нм
0,1 нм
0.05 до 8.24
1.5-100x
Просвечивающий электронный
микроскоп
0,2 нм
-
Растровый электронный микроскоп
(РЭМ)
0,4 нм
0,1 нм
0,1-500 мкм
по z - ~1-10 мм
Сканирующие зондовые
микроскопы
0,1 нм
0,05 нм
~150 х 150 мкм
по z - < 25 мкм
до 1 000 000
до 10 000 000х