Tunelový mikroskop elektronový a jeho historie, principy a využití

Historie elektronové mikroskopie začíná v inspiraci optických mikroskopů a potřebě vidět objekty mimo dosah světelné optiky. Hans Busch poukázal na podobnost chování světelných paprsků při průchodu čočkou a elektronových paprsků v magnetických polích; na jeho práci navázal F. Wolf, který vytvořil první elektronogram. Elektrony se chovají jako vlny a mají vlnovou délku srovnatelnou s rentgenovým zářením, což umožnilo dosáhnout mnohem vyššího rozlišení než u optických mikroskopů. První elektronový mikroskop s využitím elektromagnetických čoček postavili Max Knoll a Ernst Ruska v roce 1933 a brzy poté se rozvíjela technologie.

Rozlišovací schopnost elektronových mikroskopů závisí na použitém urychlovacím napětí a na konstrukci čoček. Elektrony s vysokou energií mají kratší vlnovou délku, takže mohou zobrazovat menší detaily než světlo; u TEM a SEM se dosahuje řádů až po atomární rozlišení. První komerční série elektronových mikroskopů s urychlovacím napětím kolem 80 kV byla vyráběna firmou Siemens od roku 1939; jejich rozlišovací schopnost byla kolem 1 nm. Postupně se vyvinuly další typy mikroskopů a s jejich rozvojem se otevřely nové discipliny, od zkoumání krystalické mříže po studium biologických vzorků.

V Brně se vývoj elektronové mikroskopie významně prosadil díky týmu Aleše Bláhy a Armina Delonga; v roce 1951 uvedli do sériové výroby první elektronový mikroskop Tesla BS 241 a v roce 1958 získal Tesla BS 242 na EXPO v Bruselu zlatou medaili. Zkušenosti a potenciál československých expertů zapůsobil na vznik třech hlavních světových výrobců: Tescan, Thermo Fisher Scientific a Delong Instruments, a dnes tvoří třetinu světové produkce elektronových mikroskopů.

Podstata mikroskopů spočívá v tom, že elektronový paprsek je řízen a zaměřován na vzorek v prostředí se specifickými podmínkami a zobrazuje se pomocí detektoru a zobrazovacího systému. U TEM elektrony procházejí vzorkem a vytvářejí obraz na základě průchodu; u SEM zobrazení vzniká z odražených elektronů a obraz je zvětšen na monitoru. Pro STEM kombinuje výhody TEM a SEM tím, že skenuje vzorek průběžně a posouvá se do transmisi. Základní princip tunelovacího jevu využívaného v STM spočívá v kvantovém tunelování, díky němuž proud teče mezi hrotem a vzorkem i bez fyzického kontaktu; aby byl tunelový proud konstantní, udržuje se konstantní vzdálenost hrotu od povrchu, což umožňuje získat trojrozměrné informace o povrchu.

Principy a hlavní typy elektronových mikroskopů

Optické mikroskopy jsou omezeny Abbeovou mezí rozlišení dle vlnové délky světla; elektronový paprsek má podstatně kratší vlnovou délku a umožňuje redukovat tuto mezeru na řády subnanometru. Elektrony jsou řízeny elektromagnetickými čočkami a obraz je vzniklý buď průchodem elektronů vzorkem (TEM), nebo odrazem elektronů od povrchu (REM). Ve variantách STEM a SAED lze získat detailní informace o krystalografické orientaci a struktuře.

Transmisní elektronový mikroskop (TEM) je určen pro tenké vzorky (přibližně do 100 nm) s vysokým zvětšením a rozlišovací schopností; pro biologické objekty bývá dosažitelná rozlišovací schopnost kolem 2 nm, ale TEM může dosahovat až 0,1 nm u vybraných technologií. Skenovací elektronový mikroskop (SEM) skenuje povrch svazkem elektronů a obraz vzniká z odražených elektronů; je široce využíván pro metalografické analýzy a chemickou analýzu díky EDX.

Rastrovací transmisní elektronový mikroskop (STEM) spojuje principy TEM a SEM s možností lokálního průřezu a analýzy malých oblastí krystalů. Hlavní částí každého mikroskopu je mechanický systém (tělo a pohonné mechanismy), elektronický systém pro měření vzdálenosti a zobrazovací systém; tunelovací proud je řízen elektronickým zpětnovazebním obvodem a hrot je řízen počítačem, aby skenoval povrch.

Příprava vzorků a technické detaily

U TEM i SEM je vzorek buď tenký pro průchod elektronů, nebo pokrytý tlustou vrstvou těžkého kovu pro SEM, aby se zvýšila kontrast. Pro SEM je typická příprava vzorku spočívající v nanesení tenké vrstvy kovu a následném skenování. Pro TEM je potřeba tenké řezy a vzorek bývá vystaven vysokým energiím k elektronům pro průchod skrz vzorek. V praxi mohou elektronové mikroskopy zobrazovat i krystalické dislokace, hranice zrn a jiné mikrostruktury.

Třetí významnou třídou moderní mikroskopie je AFM ( Atomic Force Microscope ), který mapuje povrch pomocí hrotu zavěšeného na pružném raménku a vychyluje jej v závislosti na silách mezi hrotem a povrchem. AFM dosahuje extrémně vysokého rozlišení a dokáže sledovat jednotlivé atomy. STM (Scanning Tunneling Microscope) je další metodou SPM a umožňuje zobrazit povrch pevné látky v atomárním rozlišení díky tunelovému jevu; hrot je na povrchu extrémně ostrý, často jen s jedním atomem na špičce.

Historie v Brně a okolí ukazuje, že vývoj nebyl jen teoretický, ale i průmyslově realizovaný s produkcí v lokálních firmách a spoluprací institucí. V Brně se díky TESLA Brno a dalším institucím podařilo vybudovat silnou tradici, která dnes pokračuje u světových hráčů jako Tescan, Thermo Fisher Scientific a Delong Instruments.

Aplikace a současné trendy

Využití elektronových mikroskopů je široké: od medicínských a farmaceutických výzkumů, archeologie, kriminalistiky až po letecký průmysl. Dnes je možné propojit elektronovou mikroskopii s počítačovou analýzou a strojovým učením pro zpracování obrazů, kde deep learning a konvoluční sítě umožňují lepší interpretaci dat a odhalování vzorů na atomární úrovni. Počítačové algoritmy dokáží zlepšit kvalitu snímků a pomoci identifikovat konkrétní molekuly nebo struktury na snímcích.

V souvislosti s rozlišením na úrovni atomů a s vývojem technologií, jako jsou nanosystémy a plazmony, se zvyšuje význam nízkoteplotních plazmat a řízené nanostrukturování pro budoucí mikro- a nanoelektroniku. Evropské projekty XFEL a další vysoce výkonné zdroje rentgenového záření doplňují elektronové mikroskopy v komplexním obrazu materiálů na atomární úrovni.

Praktická poznámka: tunelový mikroskop nepracuje s proudem mezi hrotem a vzorkem, pokud není dostatečné napětí a protékající proud; tunelový jev umožňuje vznik lokálních elektrických polí, která vedou k terénním interakcím; signál zobrazení je založen na změně výšky hrotu a na konstantním tunelovém proudu.

Vizualizace v textu vedou k pochopení, že vlnová délka elektronů je zásadní pro rozlišení, a to umožňuje posun proti klasické optické mikroskopii. Zmínka o elektronech a jejich vlnové povaze doplňuje obraz o tom, proč je rozlišení elektronových mikroskopů tak výrazně lepší.

V současnosti existují tři hlavní světové výrobci elektronových mikroskopů v Brně a okolí, kteří zajišťují přístroje pro výzkum v medicíně, archeologii, kriminalistice i průmyslu.

1. Principy rozdělují mikroskopy podle způsobu zobrazování: TEM, SEM a STEM.
2. Hlavní rozdíly spočívají v tom, zda vzorek prochází paprskem, či je povrch zobrazován odraženými elektrony.
3. Rozlišení elektronových mikroskopů je výrazně lepší než optických microskopů díky kratší vlnové délce elektronů.

Mezi klíčové fenomény, které se v elektronové mikroskopii často zkoumají, patří difrakce elektronů, SEED a SAED, které umožňují studovat krystalografickou orientaci a detaily struktury v malých vzorcích. Sníhající, monochromatický obraz z elektronového mikroskopu vyžaduje zvláštní zpracování a často postprocesing s počítačovými algoritmy.

Na závěr lze říci, že elektronová mikroskopie poskytuje hluboký pohled na vnitřní struktury materiálů, který je nedostupný optickými metodami, a to díky její vysoké rozlišovací schopnosti a programové podpoře umělé inteligence pro zpracování obrazů.

Shrnutí klíčových pojmů

• Rozlišení závisí na vlnové délce a urychlovacím napětí.
• TEM zobrazuje průchod elektronů vzorkem; SEM zobrazuje odražené elektrony; STEM kombinuje přístup TEM a SEM.
• STM využívá tunelový jev k dosažení atomárního rozlišení; AFM mapuje povrch pomocí sil působících na ostrý hrot.
• Česká republika má významný podíl na světovém vývoji elektronové mikroskopie díky Brnu a lokálním firmám.

Pro meta description a klíčová slova níže uvádím doplňkové texty.

tags: #tunelovy #mikroskop #elektronovy