Microscopie Electronică de Baleaj

Microscopia electronică

Cercetătorii au creat din aproape în aproape ştiinţa fizicii, plecând de la legile geometrice ale reflexiei şi refracţiei, au fost inventate numeroase instrumente pentru a mări capacitatea de vedere a ochiului liber, cu alte cuvinte, pentru a-l ajuta să vadă ceea ce este prea mic sau prea departe. Această ştiinţă a evoluat mult şi continuă să se dezvolte, dar scopul ei, vast şi ambiţios, rămâne acelaţi: studierea fenomenelor naturale şi definirea legilor care le guvernează.

Microscopia electronică a apărut din necesitatea depăşirii limitelor din microscopia optică, fiind cunoscut faptul că puterea de separaţie a microscoapelor este invers proporţională cu lungimea de undă a radiaţiei utilizate. Conceptul care stă la baza microscopului electronic este ipoteza fizicianului francez Louis de Broglie care afirmă că orice particulă în mişcare are şi o comportare ondulatorie, fiind stabilită şi legătura dintre lungimea de undă asociată şi impulsul al particulei unde reprezintă lungimea de undă a undei asociate particulei în mişcare, desemnează constanta lui Planck, iar impulsul particulei.

Microscopia electronică poate fi împărţită în două mari categorii: de transmisie, în cazul specimenelor aproape bidimensionale (cu grosimi mai mici sau comparabile cu drumul liber mediu al electronilor acceleraţi - zeci de nm), de investigare a suprafeţei în cazul celor tridimensionale (când dimensiunile depăşesc drumul liber mediu pe toate axele).

În prima categorie se încadrează microscopul electronic cu transmisie şi microscopul electronic cu transmisie de înaltă rezoluţie.

Fig 1.1 Microscopul electronic cu transmisie

În cea de-a doua categorie se încadrează microscopul electronic de baleaj, microscopul electronic cu refexie, microscopul cu electroni de energie joasă şi microscopul electronic de energie joasă cu polarizare a spinului.

În figura 1.2 se prezintă microscopul electronic de baleiaj Tescan Vega II LMU, caracteristicile tehnice esenţiale ale acestui SEM sunt următoarele :

- Rezoluţia: - 3 nm la 30 kV în modul de lucru HV (vid înaintat)

- 5 nm la 30 kV în modul de lucru LV (vid scăzut)

- Nivel de vid: - Pa în modul HV

- 3-500 Pa în modul LV

- Moduri de lucru: - Fish

- Câmp extins

- Profunzime de câmp

- Rezoluţie

- Mărire: - 13 - 1000000 în modul rezoluţie

- 4 în modul Fish eye

- Tensiune de accelerare a electronilor: 200V – 30 kV

- Curentul de fascicol: 1pA - 2 A

- Viteza de scanare: 200ns-10ms per pixel

- Dimesiunea imaginii până la 4096 4096 pixeli

- Control în retea de calculatoare: via TCP/IP

- Detectori: - pentru electroni secundari – detector Everhart Thornley

- pentru electroni retroîmprăştiaţi – scintilator retractabil

- LVSTD – detector de electroni secundari pentru modul de lucru LV

Fig 1.2 Microscopul electronic de baleiaj Tescan Vega II LMU

2. Microscopul electronic de baleiaj

O secţiune transversală printr-un microscop electronic modern relevă următoarele elemente constructive: coloana electrono-optică, sistemul de vidare, sistemele de detecţie, prelucrare, procesare şi redare a informaţiei şi blocul de alimentare cu energie a tuturor componentelor.

Coloana electrono-optică se compune din tunul de electroni, lentilele condensoare şi lentila obiectiv.

Condensorul are rolul de a focaliza fasciculul de electroni pe probă, asigurând un paralelism cât mai bun al radiaţiilor cu axa optică. Obiectivul formează imaginea primară, mărită, a obiectului; aceasta este preluată de lentila proiector care o măreşte mai mult, pentru observarea pe ecranul instrumentului.

Tunul de electroni are rolul de a genera fasciculul de electroni. În interiorul tunului de electroni un câmp electrostatic dirijează electronii emişi de o porţiune foarte mică a suprafeţei unui filament, printr-o apertură foarte îngustă. După aceea, tunul accelerează electronii prin coloană spre probă, cu energii cuprinse între căteva zeci şi zeci de mii de electronvolţi.

Fasciculul de electroni, emis de tunul electronic, care bombardează suprafaţa probei, este compus din electroni monocinetici şi poartă numele de fascicul incident sau primar. El poate fi supus unei tensiuni de accelerare de la 100V până la 40.000V, în funcţie de tipul de microscop folosit.

Fig 2.1 Reprezentarea schematică a microscopului electronic de baleiaj

În momentul de faţă sunt utilizate căteva tipuri de tunuri de electroni: cu wolfram, cu hexaborură de lantan şi cu emisie de câmp. Constructiv, sunt utilizate materiale şi principii fizice diferite pentru obţinerea tunurilor de electroni, dar au ca scop comun generarea unui fascicul de electroni direcţionat, având curent stabil şi diametru cât mai mic posibil. Electronii parcurg tunul ca un fascicul divergent. O serie de lentile electromagnetice şi de diafragme din coloană reconverg şi focalizează fasciculul într-o imagine micşorată. Aproape de zona de jos a coloanei există câteva bobine de scanare în rastere, care deflectează fasciculul de electroni într-o grilă de baleiere pe suprafaţa probei. Lentila finală focalizează fasciculul într-o arie cu o dimensiune cât mai mică pe suprafaţa probei.