Vědci díky elektronovým mikroskopům odhalují širokou škálu oblastí, například v medicíně, výzkumu nových léčiv, archeologii, kriminalistice či leteckém průmyslu.
Historie elektronové mikroskopie v Brně se začala psát v roce 1947, kdy byly do tehdejšího Československa v rámci poválečné pomoci dodány první dva elektronové mikroskopy. Podle nich začali vědci na půdě Ústavu teoretické a experimentální elektrotechniky Vysokého učení v Brně experimentovat s elektronovými čočkami. O pár let později tým pod vedením profesora Aleše Bláhy, do kterého patřil Armin Delong, Vladimír Drahoš, Ladislav Zobač a konstruktér Jan Speciálny, sestrojil první československý komerčně dostupný elektronový mikroskop Tesla BS 241. Na úspěch prvního tým navázal stolní elektronový mikroskop Tesla BS 242, který oslnil i světovou porotu na výstavě EXPO 1958 v Bruselu. Aktuálně v Brně působí tři významní producenti elektronových mikroskopů: Thermo Fisher Scientific, Tescan a Delong Instruments, kteří ročně celkem vyrobí zhruba 700 kusů těchto přístrojů.
Optický mikroskop pro zobrazení využívá světelných paprsků. V elektronovém nahrazují světlo elektrony a místo skleněných čoček se využívají čočky elektromagnetické. A protože vlnová délka elektronů je podstatně kratší než u viditelného světla, má elektronový mikroskop také vyšší rozlišovací schopnost, díky čemuž dosahuje mnohem vyššího zvětšení než optický mikroskop. Optický mikroskop zvětšuje při obyčejném světle cca 1500 x. Oproti tomu elektronové mikroskopy dokážou zvětšit pozorovaný objekt až milionkrát. Princip fungování elektronového mikroskopu krásně shrnul Pavel Liška v jednom z dílů NEZkreslené vědy.
Elektronový mikroskop nepracuje se světlem, ale s elektrony, proto jsou všechny snímky v odstínech šedi. Existují dva základní druhy elektronových mikroskopů - prozařovací (transmisní elektronová mikroskopie - TEM) a rastrovací (skenovací elektronová mikroskopie - SEM). U prozařovacího elektronového mikroskopu elektrony procházejí skrz zkoumaný vzorek a poté jsou detekovány. Je zapotřebí používat tenké vzorky a vysoké energie, aby mohly elektrony zkoumaným předmětem projít.
Velikost elektronových mikroskopů je velmi rozmanitá. Některé jsou kompaktní a pohodlně se vejdou na stůl. Vždy záleží na konkrétním druhu přístroje. Pod pojmem mikroskop si lidé nejčastěji představují optický přístroj využívající viditelného světla pro pozorování velmi malých objektů. Elektronové mikroskopy jsou také optické přístroje, které však místo světelného svazku používají elektrony a místo skleněných čoček jsou použity čočky elektromagnetické. Aby nedošlo k interakcím elektronů s atmosférou, která ovlivňuje dráhu letících elektronů, musí být pozorovaný vzorek i svazek elektronů umístěn ve vakuu.
Jednou z hlavních charakteristik mikroskopů je mezní rozlišovací schopnost, jež je úměrná vlnové délce použitého záření. Elektronové záření s podstatně kratší vlnovou délkou (~0,01-0,001 nm), než má viditelné světlo (400-700 nm), umožňuje dosáhnout mnohem vyššího rozlišení. Obr.1 Typická velikost objektů, které lze pozorovat elektronovým mikroskopem.
Bez nadsázky lze říci, že elektronové mikroskopy patří mezi nejvšestrannější přístroje pro pohled do mikrosvěta, a to nejen v oblasti materiálového výzkumu. Mohou poskytnout komplexní informaci o mikrostruktuře, krystalografii, chemickém složení, ale i o dalších vlastnostech zkoumaného vzorku. Záleží na tom, jakou informaci pocházející z interakce elektronového svazku se zkoumaným vzorkem využijeme. Chceme-li zjistit např. chemické složení zkoumané látky, musí mít mikroskop nainstalován detektor charakteristického rentgenového záření.
Obr.2 Při dopadu elektronů na vzorek dochází k vzájemné interakci a vzniká množství různých signálů, které nesou informaci o pozorovaném vzorku. Elektronové mikroskopy se dají zjednodušeně rozdělit do dvou kategorií, pro které se vžilo označení řádkovací elektronové mikroskopy neboli SEM (scanning electron microscope) a transmisní elektronové mikroskopy označované zkratkou TEM (transmission electron microscope). Schéma jejich optické soustavy je uvedeno na obrázku 3.
Řádkovací elektronové mikroskopy se využívají pro zobrazení a analýzu povrchů téměř libovolně velkých vzorků (je-li dostatečně velká vakuová komora pro jejich umístění). Transmisní elektronové mikroskopy nacházejí využití při pozorování a analýze vnitřní struktury vzorku a pro zobrazení jednotlivých atomů. Nutnou podmínkou pro použití TEM je, že vzorek musí být dostatečně tenký (10-500 nm) aby jím svazek elektronů prošel.
První pokusy s transmisním TEM uskutečnil v roce 1931 Němec Ernest Ruska. Obr.4. I když princip zůstává stále stejný, od doby vzniku urazily technické možnosti TEM pořádný kus cesty. Pomocí TEM lze studovat vznik, vlastnosti a vzájemné působení poruch krystalové struktury vzorků. Obr.6 ukazuje mikrostrukturu hliníkové slitiny Al-3%Mg-0,2%Sc v TEM módu světlé pole.
V mikrostruktuře lze rozpoznat jednotlivé krystaly, které se nazývají „zrna“. Slitina byla připravena intenzivní plastickou deformací s následným žíháním. Mezi nejzajímavější metody TEM patří in-situ experimenty, kdy je vzorek ohříván či natahován přímo v mikroskopu a změny jsou zaznamenávány kamerou. Obrázek 7 ukazuje vzorek Fe-3hm.%Si při tahovém testu s plastickou deformací.
Vysokorozlišovací TEM (HRTEM) umožňuje zobrazení jednotlivých atomů uspořádaných v krystalové mřížce. Na stínítku mikroskopu vidíme projekci atomových sloupců. Obr.8 zobrazuje atomární obraz polykrystalického křemíku pomocí HRTEM. První usable SEM byl konstruován v roce 1942 a první komerční SEM v roce 1965. Typickému SEM brzy náleží dvousvazkový systém SEM-FIB pro pokročilé analýzy, jak ukazuje Obr.9 a Obr.10, kde jsou nanodráty a další vzorky zobrazovány.
Kromě samotného zobrazování probíhá v SEM a TEM také chemická mikroanalýza. Energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS/EDX) umožňuje zjištění chemického složení vzorku na základě charakteristického záření vznikajícího při interakci vzorku s dopadajícím elektronovým svazkem. Pro TEM vzorky je nutná tenká řeza tloušťky kolem 100 nm a k tomu slouží kryogenní přípravy pro zachování buněčné ultrastruktury. Příprava a krájení vzorků probíhá pomocí kryo-ultra mikrotomu PowerTome PCZ a dalších zařízení.
Skenovací elektronový mikroskop (SEM) je určen pro zobrazení povrchů a struktur na mikroskopické úrovni. Náš SEM JEOL JSM-IT500HR/LA využívá detektory sekundárních elektronů (SED), detektory zpětně odražených elektronů (BED) a EDS; pracuje ve vysokém i nízkém vakuu a dosahuje rozlišení ≤1,5 nm při 15 kV ve vysokém vakuu a ≤ 1,8 nm v nízkém vakuu. Mikroskop je vhodný pro pozorování vzorků až do hranic vakuové komory a umožňuje analýzu pomocí detektorů různých typů.
Mezi odvážné směry budoucnosti patří korekce optických vad v TEM a STEM, zlepšení detekčních systémů a rozvoj dvoukanálových detektorů pro komplexní korelaci signálů. Českým příspěvkem je nízkonapěťový TEM s miniaturizovaným tubusem na bázi permanentních magnetů a elektrostatických prvků, který umožňuje zobrazovat snižující se energii a stále vysoký kontrast. Trendy v SEM směřují k nízkým energiím elektronů a ke korekci vad, aby se zachovalo rozlišení při snižující se energii.
LEEM (Low Energy Electron Microscopy) a další varianty představují další rozměry a techniky v rámci elektronové mikroskopie. LEEM umožňuje zobrazování na základě nízkých energií a představuje potencionální cestu pro další rozšíření. V SEM lze elektrony zpomalit brzdným polem a signály následně urychlit opačným směrem, čímž se dosahuje výhod nízkých energií. Pokrok ve výpočetní technice umožnil simulace trajektorií elektronů a prostorového rozložení elektrických polí, což vede k lepšímu návrhu optických prvků.
V medicíně světelná mikroskopie zůstává nejběžnější metodou pro zobrazování mikrostruktury tkání a buněk, avšak její rozlišovací schopnost je omezena vlnovou délkou viditelného světla. Superrozlišovací metody zvyšují rozlišení až na několik desítek nanometrů, nicméně pro ultrastrukturu a materiály je často nutná elektronová mikroskopie. Elektronový mikroskop je obdoba světelného mikroskopu, ale s elektrony a elektromagnetickými čočkami; fotoemisní a další varianty rozšiřují možnosti. Transmisní elektrony umožňují pozorování ultrastruktur, zatímco SEM se soustředí na povrchové detaily.
Rastrovací a tunelová mikroskopie spolu s AFM a STM patří mezi skvělé metody SPM s atomárním rozlišením, které často nevyžadují náročnou přípravu vzorku a nabízejí jedinečné informace o silech na povrchu, morfologii a interakcích na atomární úrovni.
Praktické ukázky a vybrané příklady využití
Na obrázku 11 je diamantová vrstva připravená technologií MW PECVD, která díky biokompatibilitě a tepelné vodivosti nachází uplatnění při povlakování medicínských implantátů. Obr.12 ukazuje vzorek z anodizované Al2O3 s nanopóry, sloužícími k paměťovým médiím. Obr.13 zobrazuje částice zlata na uhlíkové podložce, Obr.14 ukazuje zlomenou tuhu do mikrotužky a Obr.15 pak nečistotu na monokrystalu hořčíku.
Laboratoře elektronové mikroskopie disponují detektory pro klasický Everhart-Thornley, in-lens detektorem sekundárních elektronů, EsB a AsB4 detektory pro kontrast, dále mikroanalytickými spektrometry EDS a WDS a detektorem difraktovaných zpětně odražených elektronů pro krystalografii a fázové složení. Disponujeme i vybavením pro korelativní mikroskopii a přípravou vzorků pro elektronovou i optickou mikroskopii.
Rastrovací elektronový mikroskop (SEM) umožňuje pozorování vzorků s rozlišením nanometrové úrovně a s velkým rozsahem vzorků; průmysl a biologie nacházejí uplatnění napříč obory. Transmisní elektronová mikroskopie (TEM) poskytuje detailní pohled do vnitřní struktury a atomů; pro biologické vzorky a tenké vrstvy slouží kryogenní přípravy a nízké napětí.
Ve zkratce: TEM je klíčová pro krystalografii, poruchy krystalické mřížky a atomární detaily, SEM pro povrchovou morfologii a chemickou mikroanalýzu; obě metody se doplňují a vzájemně posilují interpretaci dat.
What is an Electron Microscope? 🔬 SEM vs TEM Explained!
tags: #struktura #elektronova #mikroskopie