Tvorba elektronu v elektronových mikroskopech: principy, historický vývoj a současné应用

První skenovací mikroskop byl uveden do provozu až počátkem 60. let 20. století. Elektronová mikroskopie funguje na úplně jiném principu než klasické optické mikroskopy, které využívají světlo; kvůli jeho omezené vlnové délce nemohou zobrazit příliš malé objekty. Elektrony mají mnohem kratší vlnovou délku, a proto dokážou zachytit detaily, které by v klasickém mikroskopu zůstaly neviditelné.

Princip elektronového mikroskopu spočívá v urychlení elektronů na velmi vysokou rychlost a jejich následném zacílení na zkoumaný vzorek. Elektrony se buď od vzorku odrážejí, rozptylují, nebo způsobují uvolňování dalších elektronů či vznik rentgenového záření. Všechny tyto reakce mikroskop zaznamenává a analyzuje, a výsledkem je detailní obraz zkoumaného vzorku.

Existují dva hlavní typy elektronových mikroskopů: transmisní (TEM) a rastrovací neboli skenovací (SEM). Transmisní mikroskop nechává elektrony procházet vzorkem a umožňuje dívat se do jeho vnitřní struktury, zatímco rastrovací mikroskop sleduje elektrony, které se od vzorku odrážejí, a vytváří trojrozměrný obraz jeho povrchu. Oba typy mají své výhody a dohromady tvoří silný nástroj pro odhalování nejmenších tajemství přírody.

Uplatnění elektronové mikroskopie sahá do základního i aplikovaného výzkumu: umožňuje analýzu nanomateriálů a polovodičů v počítačích, telefonech či solárních panelech; v medicínském výzkumu se studují struktury virů pro vývoj vakcín. Bez této možnosti bychom o mnoha věcech věděli jen velmi málo. Obrázek 2 ukazuje využití transmisního elektronového mikroskopu pro odhalování skrytých defektů uvnitř nanočástic.

Vpravo odvozujeme snahu o vysoké rozlišení: elektronové záření má podstatně kratší vlnovou délku než viditelné světlo, což umožňuje dosáhnout mnohem vyššího rozlišení. Obrázek 1 ilustruje detailní pohled na mikročástice a nanočástice díky milionovému zvětšení elektronovým mikroskopem. Přestože to vypadá jednoduše, skutečný provoz elektronového mikroskopu vyžaduje precizní přípravu vzorku a práci ve vakuu, aby se minimalizovala interakce s molekulami vzduchu a aby zůstala ostrost obrazu zachována.

Historie vývoje elektronové mikroskopie zahrnuje mnoho klíčových osobností. Armin Delong položil základy pro rozvoj elektronové mikroskopie v Československu a jeho odkaz dodnes žije v brněnských laboratořích a ve výrobě moderních přístrojů. Brno je dnes domovem některých z nejpokročilejších elektronových mikroskopů na světě a Delongův odkaz je připomínán při 100. výročí narození fyzika. Až příště navštívíte iQLANDII, můžete na místě spatřit nejen maketu, ale potenciálně i nový plně funkční přístroj.

Vysoká spolehlivost kvalifikované obsluhy a nákladnost provozu limitují dostupnost elektronové mikroskopie. Faktory jako vakuum, příprava vzorku a konstrukční zapotřebí elektromagnetických čoček vyžadují pečlivé řízení experimentů. První elektronový mikroskop s electromagnetickými čočkami vznikl v 30. letech a od té doby se vyvíjel směrem k ještě vyšším rozlišením. Obrázek 3 a Obrázek 4 ukazují schematická řešení optických soustav a historické snímky Ernest Ruského a dalších průkopníků.

Hlavními částmi elektronových mikroskopů jsou elektronové trysky, která obsahuje wolframové vlákno, fokusaci a anodové pole. Elektrony jsou urychlovány na napětí v řádu desítek až stovek kilovoltů a fokusovány na úzký svazek s malým úhlem. Když elektronový svazek dopadne na vzorek, dochází k rozptylu, absorbci a tvorbě sekundárních elektronů či rentgenového záření, a to vše se zaznamenává v detektoru pro generování obrazu a chemických informací.

1. Transmisní elektronový mikroskop (TEM) se užívá pro studium vnitřní struktury vzorků, a to i při vysokém zvětšení a s rozlišením až 0,1 nm; biologické objekty bývají zobrazovány s nižším rozlišením kvůli vzorkování.
2. Rastrovací elektronový mikroskop (SEM) se používá pro povrchovou analýzu vzorků jakékoliv velikosti, pokud je k dispozici vakuová komora pro umístění vzorku.

Další techniky v rámci SEM zahrnují dvousvazkový SEM-FIB (kombinace elektronového a iontového svazku) a pokročilé ukázky nanostruktur, jako jsou nanodráty s délkou až několik tisícin milimetru a průměrem 10-100 nm, připravené PECVD metodou. Obrázky ukazují příklady vzorků, jako je diamantová vrstva, Al2O3 nanopoory a zlata na uhlíkové podložce. Tyto vzorky demonstrují široké využití SEM v materiálovém výzkumu a technologickém vývoji.

Ve vědeckém světě se nyní i rozvíjí nová éra zobrazování na attosekundové škále pomocí attomikroskopie, která umožňuje sledovat pohyb elektronů v materiálech na extrémně krátkých časových škálách. Tým vedený profesorem Mohammedem Hassanem vyvinul transmisní elektronový mikroskop, který generuje pulzy elektronů trvající méně než jednu femtosekundu, využívající optické hradlování pro přesné časové ovládání elektronového svazku. Demonstrace na grafenu ukazuje, že elektrony vykazují složitý a rychlý tanec, ovlivněný směrem a intenzitou budícího laserového pole.

Budoucnost kvantového zobrazování je slibná: umožní studium elektronové dynamiky v kvantových systémech a otevírá možnosti pro novou generaci elektronických součástek pracujících na petahertzových frekvencích, studium chemických reakcí a sledování energetického přenosu v biologických procesech na úrovni molekul. Nicméně technologie attomikroskopie zůstává náročná a vyžaduje další vývoj a zdroje, a současné experimenty zůstávají náročné na realizaci.

tags: #tvorba #elektronu #v #elektronovych #mikroskopech