V prvním dílu článku jste se dozvěděli něco o historii elektronové mikroskopie. Na elektronovou mikroskopii se dá nahlížet svým způsobem jako na jednu z praktických aplikací kvantové fyziky. Musím říct, že kvantová fyzika mě vždy fascinovala, protože se v ní svět projevuje dost odlišně, než na co jsme zvyklí v rámci klasické fyziky. Nebudu tu zbytečně zacházet do detailů, to by těch dílů o elektronové mikroskopii muselo být několik, a cílem určitě není zahltit čtenáře teorií. Co je ale dobré vědět, je to, že mezi stěžejní pilíře kvantové fyziky patří tzv. dualita částice a vlnění, čili že částice lze popsat (chovají se) současně i jako vlny. Tuto hypotézu vyslovil roku 1924 Louis de Broglie, který každému pohybujícímu se tělesu přiřadil i určitou vlnovou délku de Broglieho vlny. K dalším základním principům patří to, že u částic nelze současně změřit jejich polohu a hybnost či že pozorování má vždy vliv na pozorovaný systém. Zároveň se zde pracuje s tzv. Elektronová mikroskopie je metoda založená právě na vlnových vlastnostech elektronů. Z vlnové povahy svazku elektronů vyplývá schopnost elektronových mikroskopů rozlišit detaily řádově v jednotkách až desetinách nanometrů. Podle fyzikální tvorby obrazu dělíme elektronovou mikroskopii na transmisní elektronovou mikroskopii (TEM) a skenovací elektronovou mikroskopii (SEM), kterou využíváme na brněnské pobočce ČHMÚ a na kterou se tedy zaměříme.
Základní princip SEM
Popišme si její základní princip: mikrostruktura vzorku je studována ve vakuu (aby se mimo jiné zabránilo interakci elektronů s jinými částicemi vzduchu) pomocí elektronového svazku, který vzniká emisí elektronů z tzv. elektronové trysky neboli zdroje. Elektrony mohou být emitovány z termoemisního zdroje (např. žhavené wolframové vlákno) či z autoemisního-studeného zdroje (FEG, Schottkyho autoemisní tryska - na rozdíl od termoemisního zdroje má vyšší životnost). Elektrony ze zdroje jsou dále urychlovány napětím až 30 kV ke kladně nabité anodě. Poté elektrony vstupují do elektronové optiky. Elektronová optika musí být konstruována tak, aby byl přenášený elektrický proud maximální, aby všechny elektrony svazku měly stejnou energii a současně aby elektrony byly fokusovány na minimální plochu vzorku. Na základě interakce primárních elektronů (emitovaných ze zdroje) s atomy vzorku vznikají různé typy signálů, které jsou dále analyzovány řídícím počítačem a na základě kterých je vykreslován obraz analyzovaného vzorku na počítači.
Při dopadu elektronů na vzorek dochází: 1) k emisi sekundárních elektronů (jsou to elektrony „vyražené“ z vnějších elektronových slupek atomů vzorku, poskytují informaci převážně o topografii, snímá je tzv. SE detektor, přičemž signál pochází z hloubek jen několika nm), 2) část elektronů je absorbována vzorkem (ty se zde analyticky nevyužívají), 3) část elektronů se odrazí (tzv. pružné elektronové srážky, tyto elektrony nesou informaci o materiálovém kontrastu (fázovém složení) a snímá je tzv. BSE detektor, přičemž počet zpětně odražených elektronů je závislý na protonovém čísle prvku-čím je vyšší, tím více elektronů odráží a na obrazovce se to projeví jako světlejší místa) a 4) dochází i k emisi Augerových elektronů, fotonů či emisi rentgenového záření. My využíváme na našem pracovišti detekci rentgenového záření, a to pomocí EDS detektoru.
Výhody a použití SEM
Mezi výhody SEM patří ve srovnání s TEM mnohem menší požadavky na vzorek, respektive jeho tloušťku (U TEM musí mít jen několik desítek nm). Nevodiový vzorek ovšem musí být pokoven, aby se „nenabíjel“ - my zde používáme metodu iontového naprašování (založena na usměrněném výboji v argonové atmosféře účinkem elektrického napětí). Za nevýhody SEM lze považovat např. Skenovací elektronový mikroskop MIRA3 firmy Tescan s.r.o. My se na úseku kvality ovzduší snažíme na SEM pohlížet jako na pomocnou metodu při určování zdrojů znečištění ovzduší. Studujeme morfologii a chemické složení prachových částic zachycených na filtrech. Právě znalost morfologie částic je mnohdy velmi užitečnou pomůckou - jinak vypadají částice pocházející např. Le Bellac, M. (2011). Quantum physics. NĚMEČEK, J. (2018). Metody skenovací elektronové mikroskopie SEM a analytické techniky. Mikromechanika a popis mikrostruktury materiálů [online].
Elektronový mikroskop prach v praxi ČHMÚ
Na brněnské pobočce ČHMÚ se SEM využívá jako pomůcka při určování zdrojů znečištění ovzduší. Skenovací elektronová mikroskopie umožňuje studovat morfologii a chemické složení částic zachycených na filtrech, což napomáhá interpretaci jejich původu. Díky tomu lze odlišit částice typicky vznikající z průmyslových procesů, dopravy či dalších zdrojů a získat informace o tom, jaké prvky dominují v určitých vzorcích.
Viditelné souvislosti mezi kvantovou fyzikou a prachem
Je zřejmé, že elektronová mikroskopie spoléhá na vlnové vlastnosti elektronů a na principy kvantové fyziky jako jsou interakce s materiálem na atomární úrovni a vzájemný vliv pozorovatele na systém. Těmito principy se řídí způsob, jakým se data z detekce rentgenového záření a sekundárních elektronů interpretují do obrazu a chemických profilů. Z praktického hlediska to znamená, že můžeme získat informace o topografii, materiálovém složení i elektronových stavech vzorků a tím lépe porozumět původu prachu ve vzorcích ze filtrů.
\nV návaznosti na uvedené zdroje a literaturu bychom mohli doplnit tabulku s klíčovými parametry SEM: vzorek - tloušťka, typ detekce - SE/BSE/EDS, typ zdroje - termoemisní vs. autoemisní, urychlovací napětí, detekovaný fyzikální signál.
tags: #elektronovy #mikroskop #prach