Методы электронной микроскопии

1. МЕТОДЫ ЭЛЕКТРОННОЙ МИКРОСКОПИИ

Доцент кафедры месторождений полезных
ископаемых Шарова Татьяна Викторовна
Преподаватель кафедры месторождений полезных
ископаемых Рыбин Илья Валерьевич

2.

Электронная микроскопия - совокупность методов исследования с помощью
электронных микроскопов микроструктур тел (вплоть до атомномолекулярного уровня), их локального состава и локализованных на
поверхностях или в микрообъёмах тел электрических и магнитных полей
(«микрополей»).
Электронный микроскоп это прибор, позволяющий получать изображение
объектов с максимальным увеличением до 106 раз. Схемы хода лучей в
световом и электронном микроскопе аналогичны, только в электронном
приборе в качестве линз выступают магнитные устройства, а вместо
источника света используется электронная пушка. Сходство схем хода лучей
светового и электронного микроскопа, однако, не определяет аналогии
изображения. В электронном микроскопе изображение формируется за счет
рассеяния электронов в результате дифракции или поглощения при
прохождении пучка через участки объекта, отличающиеся по толщине или
плотности. Использование для «освещения» объекта пучка электронов
значительно повышает разрешающую способность микроскопа. Разрешение минимальное расстояние между двумя точками, когда их можно видеть
раздельно.
Основными направлениями в современной электронной микроскопии
являются просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ), растровая
микроскопия (РЭМ) и сканирующая микроскопия. Главным отличием этих
направлений является способ получения изображения исследуемого объекта.
При просвечивающей электронной микроскопии – изображение получается
за счет электронов, прошедших сквозь объект (микродифракция) - отсюда
использование как можно более тонких срезов или частиц исследуемого
объекта для приготовления препаратов.

3.

• В основу работы растровой электронной микроскопии (РЭМ)
положен телевизионный принцип развертки тонкого пучка
электронов или ионов по поверхности образца. Каждая точка
образца последовательно облучается сфокусированным
электронным пучком, который перемещается по исследуемой
поверхности, в результате возникают ответные сигналы
различной физической природы (отраженные и вторичные
электроны, рентгеновское излучение, свет, поглощенный ток и
пр.), которые используются для синхронного построения
изображения на экране монитора. Растровая электронная
микроскопия обладает разрешением порядка- 6 нм, что на
порядок больше возможностей лучших световых микроскопов.
Это позволяет изучать любые массивные образцы без
предварительной подготовки в диапазоне увеличений до 150
000 крат. С помощью РЭМ можно наблюдать структуру и
топографию поверхности объекта (рис. 1) при послойном
стравливании; определять химический состав в локальных
участках образца; рассматривать распределение химических
элементов по поверхности объекта при послойном анализе;
наблюдать кинетику роста и растворения микрокристаллов;
исследовать флюидные и другие включения, имеющиеся
вблизи поверхности, проводить их количественную
стереометрию и морфометрию.

4.

Рис. 1. Электронные изображения двойниковых сростков кристаллов рутила

5.

Просвечивающая электронная микроскопия предъявляет определенные
требования к приготовлению препаратов для исследований. Различают прямые и
косвенные методы изучения минерального вещества.
При прямых методах исследования вещество помещают в колонку микроскопа,
поэтому прямые методы предусматривают приготовление ультратонких
препаратов. Этого можно добиться дезагрегацией с помощью ультразвукового
диспергатора минералов, которые имеют идеальную спайностью, так получают
препараты толщиной до 10 нм. Если исследуемые образцы не имеют идеальной
спайности, то препараты из них приготавливают методом ультратонких срезов с
последующим удалением деформированных слоев ионным пучком.
При косвенных методах в колонку микроскопа помещают не само исследуемое
вещество, а слепок с него или, как принято называть, реплику. Реплика позволяет
получать быструю и надежную информацию о ряде особенностей изучаемых
объектов: о характере микрорельефа, дефектах поверхности и границах зерен,
форме, величине и взаимном расположении индивидов, слагающих минеральные
агрегаты, о степени однородности минерала и явлениях замещения его другими
минералами.
Для растровой электронной микроскопии размер образца не должен превышать
размер камеры электронного микроскопа. Образцы должны быть
электропроводящими. Для обеспечения их хорошего электрического контакта с
предметным столиком и для фиксации образцов при наклоне стола используют
специальные токопроводящие клеи. При исследовании непроводящих ток
материалов - диэлектриков на их поверхность наносится напылением тонкая
пленка электропроводников - золото, графит и т.д. При работе с органическими
материалами нужно учитывать, что при длительном контакте зонда с образцом,
возможно, его термическое разрушение.

6.

Перед испытанием образцы должны быть тщательно очищены, чтобы не
образовывались газообразные продукты, затрудняющие получение
требуемого вакуума при откачке микроскопа и загрязняющие его колонну.
Рекомендуется проводить очистку образцов в различных растворителях с
использованием ультразвука. При проведении топографических
исследований нельзя допускать окисления поверхностей излома.
Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) - является современным методом
исследования морфологии и локальных свойств поверхности твердого тела с
высоким пространственным разрешением.
Развитие сканирующей зондовой микроскопии послужило также основой для
развития новых методов в нанотехнологии – технологии создания структур с
нанометровыми масштабами. Этот вид микроскопии позволяет обнаружить
все элементы периодической системы в объеме 0,1-2 мкм3 в пределах 0,0051% их массового содержания. Объектами исследования могут шлифы,
аншлифы, сплавы, минералы, шлаки, органические и неорганические
соединения.
Работа сканирующего зондового микроскопа основана на взаимодействии
поверхности образца с зондом в виде иглы. Рабочая часть таких зондов
(острие) имеет размеры порядка десяти нанометров. Характерное расстояние
между зондом и поверхностью образцов в зондовых микроскопах по порядку
величин составляет 0,1 – 10 нм. В основе работы зондовых микроскопов
лежат различные типы взаимодействия зонда с поверхностью.
Наряду с исследованием рельефа поверхности, зондовые микроскопы
позволяют изучать различные свойства поверхности: механические,
электрические, магнитные, оптические и многие другие.

7.

Методы сканирующей зондовой микроскопии:
Сканирующая туннельная микроскопия основана на явлении
туннелирования электронов через узкий потенциальный барьер между
металлическим зондом и проводящим образцом во внешнем электрическом
поле.
Атомно-силовая микроскопия — основана на ван-дер-ваальсовских
взаимодействиях зонда с поверхностью образца. Принцип действия атомного
силового микроскопа (АСМ) основан на использовании сил атомных связей,
действующих между атомами вещества. На малых расстояниях между двумя
атомами действуют силы отталкивания, а на больших – силы притяжения.
Совершенно аналогичные силы действуют и между любыми сближающимися
телами. В сканирующем атомном силовом микроскопе такими телами служат
исследуемая поверхность и скользящее над нею острие. Обычно в приборе в
качестве зонда используется игла с площадью острия в один или несколько
атомов. Разрешающая способность данного метода составляет примерно 0,11 нм по горизонтали и 0,01 нм по вертикали.
Ближнепольная оптическая микроскопия (БОМ) — оптическая микроскопия,
обеспечивающая разрешение лучшее, чем у обычного оптического
микроскопа.
В техническом смысле БОМ сочетает элементы обычной оптики и
сканирующей зондовой микроскопии. Отличительным элементом
ближнепольных приборов является оптический зонд, обычно
представляющий собой заостренное оптическое волокно, наружная
поверхность которого, за исключением вершины конуса, покрыта
непрозрачным слоем металла

8.

В электростатическом силовом микроскопе для получения информации о
свойствах поверхности используется электрическое взаимодействие между
зондом и образцом.
Магнитно-силовая микроскопия применяется для исследования локальных
магнитных свойств образцов. Магнитно-силовой микроскоп представляет
собой атомно-силовой микроскоп, у которого зонд покрыт слоем
ферромагнитного материала с удельной намагниченностью.
Сканирующая зондовая микроскопия имеет ряд преимуществ в сравнении с
растровой электронной микроскопией. Так, в отличие от растровой
электронной микроскопии, которая даёт псевдо трёхмерное изображение
поверхности образца, сканирующая зондовая микроскопия позволяет
получить истинно трёхмерный рельеф поверхности. Сканирующий зондовый
микроскоп позволяет получать изображение как проводящей, так и
непроводящей поверхности, тогда как для изучения непроводящих объектов с
помощью РЭМ необходимо металлизировать поверхность. Для работы с РЭМ
необходим вакуум, в то время как большая часть режимов СЗМ
предназначена для исследований на воздухе, вакууме и жидкости. СЗМ
способна дать более высокое разрешение, чем РЭМ.
К недостатку СЗМ при его сравнении с РЭМ также следует отнести небольшой
размер поля сканирования. РЭМ в состоянии просканировать область
поверхности размером в несколько миллиметров в плоскости с перепадом
высот в несколько миллиметров в вертикальной плоскости. У СЗМ
максимальный перепад высот составляет несколько микрометров (не более
25 мкм), а максимальное поле сканирования в лучшем случае порядка
150×150 микрометров.

9.

К тому же качество изображения определяется радиусом кривизны кончика зонда, что при
неправильном выборе зонда или его повреждении приводит к появлению артефактов
на получаемом изображении. При этом подготовка образцов для СЗМ занимает
меньше времени, чем для РЭМ. Для получения СЗМ - изображения требуется от
нескольких минут до нескольких часов, в то время как РЭМ после откачки способен
работать практически в реальном масштабе времени хотя и с относительно невысоким
качеством.
Электронная микроскопия позволяет проводить следующие исследования в геологии:
Петрологическое описание (размеров и формы зёрен, слагающих тонкодисперсные руды и
минералы, кристаллографической огранки зёрен, степени их совершенства) и
классификации пород;
Обнаружение наличия субмикроскопических двойников и ламелей распада твёрдых
растворов;
Выявление микротрещин и систем микродислокаций в деформированных породах и
минералах;
Обнаружение треков – следов повреждений, образовавшихся в процессе радиоактивного
распада при движении заряженных элементарных частиц в минералах (по длине и
плотности треков можно оценивать возраст минералов);
Определение состава фаз в породах, для оценки температуры и давления, при которых они
сформировались;
Высокая поперечная локальность метода позволяет детально изучать зональности в
минеральных зернах;
С помощью электронного зонда можно исследовать экспериментальные диффузионные
профили в петрографических системах, его высокая поперечная локальность в этом
случае является решающим фактором в этой области приложения.

10.

Благодарю за внимание!