Самые мощные электронные микроскопы в мире

Электронные микроскопы сыграли ключевую роль в развитии нанотехнологий, поскольку их высокое пространственное разрешение позволяет визуализировать мельчайшие структуры. Теперь электронная микроскопия стала надежным рабочим инструментом в разработке материалов как для исследовательских целей, так и для контроля качества производства.

Как используют электронные микроскопы?

Существует ряд методов электронной микроскопии, таких как криоэлектронная микроскопия, которые обычно используют для визуализации биологических структур. Среди распространенных методов электронной микроскопии — растровая электронная микроскопия (РЭМ) и просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ). Как растровая, так и туннельная электронная микроскопия позволяют достигать пространственных разрешений вплоть до долей ангстрема, что делает их незаменимыми для применения в нанотехнологиях и позволяет получать изображения отдельных атомов.

Электронную микроскопию можно использовать для определения как элементного состава наноматериала, так и его структуры. Для материалов с дефектами особенно ценна элементная и пространственная информация, от небольших локализованных дефектов до общей кристаллической структуры материала.

Дефектные участки могут быть вызваны химическими примесями при обработке и загрязнении образцов, но иногда они намеренно добавляются для изменения свойств материала.

Идентификация локализованных и очень мелких дефектов — это одна из причин, по которой так важно достижение высоких пространственных разрешений в электронном микроскопе.

Однако при создании электронного микроскопа возникает проблема поиска способов управления электронным пучком. Электронный луч должен быть сфокусирован точно на образце, поскольку размер пятна луча связан с максимально достижимым пространственным разрешением. Фокусировка электронов представляет собой сложную задачу, поскольку они являются отрицательно заряженными частицами. Это означает, что уменьшение площади сечения пучка увеличивает взаимодействие между электронами, вызывая более сильное отталкивание между ними, известное как эффект пространственного заряда. Чем выше электронная плотность, тем больше усугубляется проблема.

В электронных микроскопах с высокой электронной плотностью используются конструкции линз, помогающие контролировать пространственные свойства пучка для поддержания малых размеров фокусного пятна при высокой плотности электронов. Некоторые электронные микроскопы даже способны формировать изображения с временным разрешением, при этом импульсы пучков электронов используются для получения изображений образцов и их эволюции во времени с пикосекундным и даже фемтосекундным разрешением.

Самые мощные электронные микроскопы

Электронный микроскоп состоит из источника электронов, часто называемого электронной пушкой, оптической системы управления пучком и детектора. Точная конструкция детектора зависит от того, выполняются ли измерения в режиме пропускания, когда луч проходит прямо через образец, или электроны рассеиваются с поверхности и собираются.

Система электронных линз — одна из наиболее важных частей электронного микроскопа. В то время как электронная пушка управляет количеством электронов, которые будут генерироваться в приборе, и яркостью получаемых электронных пучков, система линз в конечном счете определяет, какого разрешения можно достичь с помощью прибора и насколько возможно увеличение.

В число самых мощных электронных микроскопов в мире входят: просвечивающий электронный микроскоп Thermo Fisher ThemIS, размещенный в лабораториях Лоуренса в Беркли, микроскоп Themis-Z в Университете Сиднея и новые разработки в области анализа и приборостроения в Корнельском университете, которые недавно установили новые рекорды по уровню пространственного разрешения, достигающего 20 пикометров.

Приборы ThemIS уже были способны достигать пространственного разрешения менее половины ширины атомов водорода, хотя одной из проблем электронной микроскопии является работа с артефактами на изображениях. Недавние разработки в Корнелле особенно примечательны, поскольку они позволили корректировать аберрации, вызванные линзами, и проблемы многократного рассеяния от образца.

В просвечивающей электронной микроскопии обычно используют очень тонкие образцы не только потому, что через образец должно пройти достаточное количество электронного пучка, чтобы обеспечить приемлемый уровень сигнала на детекторе, но и потому, что наличие большего количества слоев атомов увеличивает величину рассеяния электронов. Поправка на эти факторы и аберрации электронного зонда означает, что теоретические пределы разрешения, достижимые в настоящее время многими приборами электронной микроскопии, теперь могут быть реализованы на реальных изображениях.

Еще одним преимуществом этой разработки является то, что она позволяет получать изображения более толстых образцов. Поскольку измерения с помощью электронной микроскопии необходимо проводить в вакууме, не все материалы способны выдержать условия подготовки образца и выдержки в целости и сохранности. Возможность использования более толстых образцов облегчает подготовку, поскольку их не нужно нарезать с такой точностью, и повышает вероятность того, что образец останется неповрежденным в условиях измерения.

Исследовательские инновации в электронной микроскопии

Приборы для электронной микроскопии стали более распространенным явлением в исследовательских и промышленных лабораториях, и их использование, вероятно, будет продолжать расширяться по мере того, как приборы становятся более доступными.

Одно из преимуществ электронной микроскопии перед рентгеновским анализом для структурной визуализации заключается в том, что сигналы от взаимодействия с образцом, как правило, намного сильнее. Однако, хотя более предпочтительными могут показаться приборы, позволяющие сократить время получения экспериментальных данных, остается актуальной проблема, связанная с повреждением образца из-за электронного пучка. Повреждение образца становится более проблематичным, поскольку время воздействия увеличивается, а электронные пучки становятся более интенсивными.

Одним из способов обойти проблему повреждения образца и снизить сложность измерений с помощью электронной микроскопии и последующего анализа является использование более технологичных программ автоматического сбора и анализа данных. В частности, для трехмерной визуализации в растровой электронной микроскопии, когда для полной реконструкции необходимо получить много слоев изображений, минимальное количество срезов означает меньшее время воздействия луча на образец.

Улучшения в алгоритмах автофокусировки и других средствах уменьшения аберраций также означают, что электронная микроскопия может стать более автоматизированной и пригодной для использования на партиях образцов без трудоемкой ручной перенастройки между операциями сканирования.

Для нанотехнологий визуализация на атомном уровне уже вполне реальна, а усовершенствование методов электронной микроскопии означает, что можно еще лучше понять структурно-функциональные взаимосвязи в этом масштабе. Многие области, такие как наноплазмоника, основаны на физических явлениях, которые происходят только тогда, когда масштаб длины устройства сопоставим с длиной волны используемого света, и электронная микроскопия — именно тот инструмент, который позволяет визуализировать и идентифицировать эти структуры.

Использованные и дополнительные источники информации

  1. Чжан, Н. Ф., Постер, М. Т., Ларраби, Р. Д., Владар, А. Е., Керри, У. Дж., Джонс, С. Н. 1999. Измерение резкости изображения в растровом электронном микроскопе. Часть III. Сканирование, 21(4), стр. 246–252. https://doi.org/10.1002/sca.4950210404
  2. Бай, К. Чен, Макмаллан, Г., Шерес, С. Х. У. 2015. Как криоэлектронная микроскопия меняет структурную биологию. Журнал Trends in Biochemical Sciences, 40(1), стр. 49–57. https://doi.org/10.1016/j.tibs.2014.10.005
  3. Смит, Д. Дж. 2008. Максимальное разрешение в электронном микроскопе? Журнал Materials Today, 11, стр. 30–38. https://doi.org/10.1016/S1369-7021(09)70005-7
  4. Кэмпбелл, Г. Х., Маккеун, Дж. Т., Сантала, М. К. 2014. Электронная микроскопия с временным разрешением для экспериментов на месте. Журнал Applied Physics Reviews, стр. 041101. https://doi.org/10.1063/1.4900509
  5. Чонг, Л. 2018, В городе появился новый микроскоп, https://newscenter.lbl.gov/2018/06/07/theres-a-new-microscope-in-town-themis-anyone/
  6. Брэдли, Дж. (2018), Самый мощный электронный микроскоп Австралии
  7. Чен, З., Цзян, Ю., Чжао, Ю., Хольц, М. Е., Одстрчил, Гизар-Скиайрос, М., Ханке, И., Ганшоу, С., Шлом, Д. Г., Мюллер, Д. А. 2021. Электронная птихография достигает пределов атомного разрешения, установленных колебаниями кристаллической решетки. Журнал Science, 372, стр. 826–831.
  8. Шорб, М., Хабербош, И., Хаген, У. Дж. Х., Шваб, Ю., Мастронарде, Д. Н. 2019. Программные средства для автоматизированной просвечивающей электронной микроскопии. Журнал Nature Methods, 16, стр. 471–477. https://doi.org/10.1038/s41592-019-0396-9
  9. Кэмпбелл, Г. Х., Маккеун, Дж. Т., Сантала, М. К. 2014. Электронная микроскопия с временным разрешением для экспериментов на месте. Журнал Applied Physics Reviews, стр. 041101. https://doi.org/10.1063/1.4900509

Доктор Ребекка Ингл — исследователь в области сверхбыстрой спектроскопии, специализируется на использовании рентгеновской и оптической спектроскопии для точного отслеживания процессов химических реакций, инициируемых светом.

Связаться с нами

Готово, ваша заявка успешно отправлена.
Ошибка, попробуйте обновить страницу и попробовать снова.