Microscopul Electronic

1. Consideratii teoretice

Primul microscop electronic a fost construit in 1931 de catre inginerii germani Ruska si Max Knall Acesta era bazat pe ideile si descoperirile fizicianului francez Louis de Broglie. Desi primitiv si nepotrivit utilizarilor practice, instrumentul era capabil sa mareasca obiectele de patru sute de ori. Reinhold Rudenberg, directorul de cercetari al companiei Siemens, a patentat microscopul electronic in 1937, desi Siemens nu facea cercetari in domeniul microscoapelor electronice la acea vreme. In 1937 Siemens a inceput sa-i finanteze pe Ruska si pe Boda von Borries pentru dezvoltarea unui microscop electronic. Siemens l-a angajat si pe fratele lui Ruska, Helmut sa lucreze la aplicatii, in particular, cu specimene biologice.

In acelasi deceniu, Manfred von Ardene a inventat microscopul electronic cu scanare si un microscop electronic universal. Siemens a inceput productia comerciala a microscopului electronic cu transmisie in 1939 dar pana atunci primul microscop cu utilizare practica fusese construit la Universitatea Toronto in 1938, de catre Eli Franklin Burton si studenti Cecil Hall, James Hillier si Albert Prebus.

Desi microscoapele electronice moderne pot mari obiectele de pana la doua milioane de ori, toate se bazeaza pe prototipul lui Ruska. Microscopul electronic este nelipsit din multe laboratoare. Cercetatorii il folosesc pentru a examina material biologic, diferite molecule mari, probe de biopsie medicala, metale si structuri cristaline si caracteristicile diferitelor suprafete.

Cel mai puternic microscop din lume a fost anuntat la inceputul lui 2008, Transmission electron aberration – corrected microscope, prescurtat “TEAM” atinge rezolutia de 0.5 Ångstrom, de un milion de ori mai mic decat diametrul unui fir de par.

Forma originala a microscopiei electronice, microscopia electronica cu transmisie implica o raza de electroni la o tensiune inalta emisa de un catod, de regula filament de tungsten si focalizata de lentile electrostatice si electromagnetice. Raza de electroni care a fost transmisa printr-un specimen partial transparent pentru electroni, transporta informatie despre structura interna a specimenului in raza care ajunge la sistemul de formare a imagini. Variatia spatiala a acestei informatii este apoi marita de o serie de lentile electromagnetice pana cand este inregistrata la coliziunea cu un ecran fluorescent, placa fotografica, sau senzor de lumina cum ar fi un senzor CCD. Imaginea detectata de CCD poate fi afisata in timp real pe un monitor sau transmisa unui calculator.

Rezolutia unui microscop electronic cu transmisie este limitata in principal de aberatia de specificitate, dar o noua generatie de sisteme de corectie a aberatiilor a avut ca efect depasirea partiala a aberatiilor sferice si cresterea rezolutiilor. Corectiile din software ale aberatiei de sfericitate pentru microscoapele electronice cu transmisie de inalta rezolutie a permis producerea unor imagini cu rezolutie suficient de buna pentru a evidentia atomi de C in diamante, aflati la distante de doar 0,89Å unii de altii si atomi de silicon la distante de 0,79Å marind de 50 milioane de ori. Prin utilizarea grafenului ca purtator de specimen, rezolutia acestui tip de microscop a putut fi marita recent (2008) in mod foarte eficient.

Fig.1. Microscop cu scanare cu electroni

Schema de functionare a microscopului cu scanare de electroni (SEM), prezentat in fig.1. se bazeaza pe aceleasi ca si microscopul optic, cu singura deosebire ca „ sursa de lumina” este in acest caz un fascicul de electroni, iar lentilele nu sunt optice ci electromagnetice.

Lungimile de unda mult mai mici asociate electronilor din fascicul permit formarea unor imagini cu o rezolutie de 1000 de ori mai mare decat in cazul microscopului optic. Astfel SEM-ul permite studiul in profunzime al probei de analizat si poate produce o imagine care sa fie o buna reprezentare 3D a probei.

Fasciculul electronic, care are o energie cuprinsa intre cateva sute de eV si 50 KeV, are o traiectorie verticala prin coloana principala a microscopului. El trece prin sistemul de lentile care-l focalizeaza si concentreaza pe suprafata probei pana la sectiuni de ordinul 1-5 nm in diametru.