Принцип работы просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ)

Электрон, ускоренный в поле высокого напряжения, может рас­сматриваться в качестве волны (длина которой, как уже отмечалось, намного меньше длины волны видимого света) и её можно легко фокусировать, используя симметричные по осям электрические или магнитные поля. На этом принципе и основано действие просвечиваю­щего электронного микроскопа (ПЭМ), конструкция которого по­хожа на схему обычного оптического микроскопа, где вместо лучей света используются электроны (т.е. соответствующие им волны). Первое устройство такого типа было создано в 1932 году немецкими учеными М. Кноллом и Е. Руска.

В таком микроскопе источник света заменён так называемой электронной пушкой (источником электронов). Испускаемые пушкой электроны проходят через электронную линзу-конденсор (регулирующую интенсивность потока излучения и освещаемую площадь поверхности исследуемого образца), а затем через линзу-объектив проектируются на люминесцентный экран, под которым располагается фотокамера, позволяющая переводить получаемую на экране картину в привычное фотографическое изображение. Еще раз отметим, что по всей траектории прохождения электронов в установке должен поддерживаться высокий вакуум, поскольку поток электронов энергично взаимодействует практически со всеми веществами.

Люминесценция - излучение света телами, избыточное над тепловым при той же температуре и имеющее длительность более 10^-10 с. Это излучение может быть вызвано бомбардировкой вещества электронами и другими заряженными частицами, пропусканием через вещество электрического тока (не тепловое действие), освещением вещества видимым светом, рентгеновскими и гамма-лучами, а также некоторыми химическими реакциями в веществе.

Люминесценция, которая сразу прекращается после окончания действия возбудителя, называется флуоресценцией. Люминесценция, которая сохраняется длительное время после окончания действия возбудителя свечения, называется фосфоресценцией. Люминесценция под действием света называется фотолюминесценцией, под действием бомбардировки электронами – катодолюминесценцией, под действием электрического тока и поля – электролюминесценцией. Люминесцирующие вещества называются люминофорами.

Существует много конструкций источников высокоэнергетических электронов, наиболее простой и надёжной из которых является раскаленная вольфрамовая проволока. В сложных электронных микроскопах с высоким разрешением излучение создаётся потоком электронов, испускаемых поверхностью кремниевого чипа (кристалла) под воздействием сильного электрического поля (так называемая эмиссия под воздействием поля, field emission). Исследуемые в ПЭМ образцы должны быть очень тонкими, поскольку именно их толщина определяет размер деталей на изображении. Требуемые сверхтонкие пластины вырезают по довольно сложным методикам, либо изготовляют другими, специальными методиками (например, «ионное фрезерование» и т.п.).

Электронный луч, «просвечивая» тонкий слой вещества, позволяет получать прямое изображение дефектов или неоднородностей кристаллической структуры во внутренней части образца. Анализ дифракционных картин даёт возможность установить периодичность атомных структур, а также ориентацию кристаллов. Разрешающая способность новейших ПЭМ уже составляет около 0,2 нм, что подводит к получению фотографий отдельных атомов и молекул.

На рисунке приведено ПЭМ-изображение структуры вещества сверхтонкой пластинки из наностекла, образованного кристаллическими зёрнами окиси кобальта. На изображении можно выделить и разглядеть морфологические особенности с размерами менее 50 нм.