Ưu điểm của Kính hiển vi điện tử so với Kính hiển vi ánh sáng
Điểm giống và khác nhau của kính hiển vi điện tử Kính hiển vi quang học
Kính hiển vi điện tử là một thiết bị thay thế chùm tia sáng và thấu kính quang học bằng chùm tia điện tử và thấu kính điện tử theo nguyên lý quang học điện tử, để có thể chụp ảnh cấu trúc mịn của vật chất dưới độ phóng đại rất cao.
Khả năng phân giải của kính hiển vi điện tử được thể hiện bằng khoảng cách nhỏ giữa hai điểm liền kề mà nó có thể phân giải. Vào những năm0197{1}}, kính hiển vi điện tử truyền qua có độ phân giải khoảng 0.3 nanomet (mắt người có khả năng phân giải khoảng 0,1 milimét). Hiện nay, độ phóng đại tối đa của kính hiển vi điện tử là hơn 3 triệu lần và độ phóng đại tối đa của kính hiển vi quang học là khoảng 2000 lần, do đó có thể quan sát trực tiếp các nguyên tử của một số kim loại nặng và mạng nguyên tử sắp xếp gọn gàng trong tinh thể qua kính hiển vi điện tử.
Năm 1931, Knorr-Bremse và Ruska ở Đức đã sửa đổi máy hiện sóng điện áp cao với nguồn điện tử phóng điện cực âm lạnh và ba thấu kính điện tử, và thu được hình ảnh phóng đại hơn mười lần, điều này khẳng định khả năng chụp ảnh phóng đại bằng kính hiển vi điện tử . . Năm 1932, sau sự cải tiến của Ruska, độ phân giải của kính hiển vi điện tử đạt 50 nanomet, gấp khoảng mười lần độ phân giải của kính hiển vi quang học lúc bấy giờ, vì vậy kính hiển vi điện tử bắt đầu thu hút sự chú ý của mọi người.
Vào những năm 1940, Hill ở Hoa Kỳ đã bù đắp cho sự bất đối xứng quay của thấu kính điện tử bằng kính loạn thị, điều này đã tạo ra một bước đột phá mới về khả năng phân giải của kính hiển vi điện tử và dần dần đạt đến trình độ hiện đại. Ở Trung Quốc, kính hiển vi điện tử truyền qua có độ phân giải 3 nanomet đã được phát triển thành công vào năm 1958 và kính hiển vi điện tử quy mô lớn với độ phân giải 0,3 nanomet được chế tạo vào năm 1979.
Mặc dù khả năng phân giải của kính hiển vi điện tử tốt hơn nhiều so với kính hiển vi quang học, nhưng rất khó quan sát các sinh vật sống vì kính hiển vi điện tử cần phải hoạt động trong điều kiện chân không và sự chiếu xạ của chùm tia điện tử cũng sẽ gây ra sự phá hủy bức xạ đối với các mẫu sinh vật. Các vấn đề khác, chẳng hạn như cải thiện độ sáng của súng điện tử và chất lượng của thấu kính điện tử, cũng cần được nghiên cứu thêm.
Công suất phân giải là một chỉ số quan trọng của kính hiển vi điện tử, có liên quan đến góc hình nón tới và bước sóng của chùm tia điện tử đi qua mẫu. Bước sóng của ánh sáng khả kiến là khoảng 300 đến 700 nanomet, trong khi bước sóng của chùm tia điện tử có liên quan đến điện áp gia tốc. Khi hiệu điện thế gia tốc là 50-100kV thì bước sóng của chùm tia điện tử vào khoảng 0.0053-0.0037 nm. Do bước sóng của chùm tia điện tử nhỏ hơn nhiều so với bước sóng của ánh sáng khả kiến, ngay cả khi góc nón của chùm tia điện tử chỉ bằng 1% so với góc của kính hiển vi quang học, khả năng phân giải của kính hiển vi điện tử vẫn vượt trội hơn nhiều so với bước sóng đó. của kính hiển vi quang học.
Kính hiển vi điện tử bao gồm ba phần: ống kính, hệ thống chân không và tủ cung cấp năng lượng. Nòng kính chủ yếu bao gồm súng điện tử, thấu kính điện tử, giá đỡ mẫu, màn hình huỳnh quang và cơ chế máy ảnh, thường được lắp ráp thành một hình trụ từ trên xuống dưới; hệ thống chân không bao gồm bơm chân không cơ học, bơm khuếch tán và van chân không, v.v. Đường ống dẫn khí được nối với ống kính; tủ cung cấp điện bao gồm một máy phát điện áp cao, bộ ổn định dòng điện kích thích và các bộ phận điều chỉnh và điều khiển khác nhau.
Thấu kính điện tử là một bộ phận quan trọng của thùng kính hiển vi điện tử. Nó sử dụng một điện trường không gian hoặc từ trường đối xứng với trục của thùng để bẻ cong quỹ đạo của electron đối với trục để tạo thành tiêu điểm. Chức năng của nó tương tự như chức năng của một thấu kính lồi thủy tinh để hội tụ chùm tia, vì vậy nó được gọi là thấu kính điện tử. . Hầu hết các kính hiển vi điện tử hiện đại đều sử dụng thấu kính điện từ, tập trung các electron bằng từ trường mạnh được tạo ra bởi dòng điện kích thích một chiều rất ổn định thông qua một cuộn dây có đế giày.
Súng điện tử là một bộ phận bao gồm cực âm nóng bằng dây tóc vonfram, lưới và cực âm. Nó có thể phát ra và tạo thành chùm tia điện tử với tốc độ đồng đều, do đó độ ổn định của điện áp gia tốc không nhỏ hơn 1/10,000.
Kính hiển vi điện tử có thể được chia thành kính hiển vi điện tử truyền qua, kính hiển vi điện tử quét, kính hiển vi điện tử phản xạ và kính hiển vi điện tử phát xạ theo cấu trúc và công dụng của chúng. Kính hiển vi điện tử truyền qua thường được sử dụng để quan sát những cấu trúc vật chất mịn mà kính hiển vi thông thường không thể phân biệt được; kính hiển vi điện tử quét chủ yếu được sử dụng để quan sát hình thái của bề mặt rắn, và cũng có thể được kết hợp với máy đo nhiễu xạ tia X hoặc máy quang phổ năng lượng điện tử để tạo thành điện tử. Microprobes để phân tích thành phần vật chất; Kính hiển vi điện tử phát xạ để nghiên cứu các bề mặt điện tử tự phát xạ.
Kính hiển vi điện tử chiếu được đặt tên sau khi chùm tia điện tử xuyên qua mẫu và sau đó sử dụng thấu kính điện tử để tạo ảnh và phóng đại. Đường quang học của nó tương tự như đường đi của kính hiển vi quang học. Trong kính hiển vi điện tử này, độ tương phản của các chi tiết hình ảnh được tạo ra do sự tán xạ của chùm tia điện tử bởi các nguyên tử của mẫu. Các phần mỏng hơn hoặc ít đặc hơn của mẫu, chùm điện tử tán xạ ít hơn, do đó, nhiều điện tử đi qua khẩu độ vật kính, tham gia vào hình ảnh và xuất hiện sáng hơn trong hình ảnh. Ngược lại, các phần dày hơn hoặc đặc hơn của mẫu sẽ xuất hiện tối hơn trong ảnh. Nếu mẫu quá dày hoặc quá đặc, độ tương phản của hình ảnh sẽ xấu đi hoặc thậm chí bị hỏng hoặc bị phá hủy do hấp thụ năng lượng của chùm tia điện tử.
Phần trên cùng của ống kính hiển vi điện tử truyền qua là súng điện tử, các điện tử được phát ra từ cực âm nóng của dây tóc vonfram, đi qua tia laser và hai thấu kính ngưng tụ thứ hai tập trung chùm điện tử. Sau khi đi qua mẫu, chùm tia điện tử được vật kính chụp trên gương trung gian, sau đó được phóng to từng bước qua gương trung gian và gương chiếu, sau đó được chụp trên màn hình huỳnh quang hoặc tấm ảnh khô.
Gương trung gian chủ yếu điều chỉnh dòng kích thích và độ phóng đại có thể thay đổi liên tục từ hàng chục lần đến hàng trăm nghìn lần; bằng cách thay đổi tiêu cự của gương trung gian, có thể thu được ảnh kính hiển vi điện tử và ảnh nhiễu xạ điện tử trên các phần cực nhỏ của cùng một mẫu. . Để nghiên cứu các mẫu lát kim loại dày hơn, Phòng thí nghiệm Quang học Điện tử Dulos của Pháp đã phát triển một kính hiển vi điện tử điện áp cực cao với điện áp gia tốc 3500 kV. Sơ đồ cấu trúc kính hiển vi điện tử quét
Chùm điện tử của kính hiển vi điện tử quét không đi qua mẫu mà chỉ quét qua bề mặt của mẫu để kích thích các điện tử thứ cấp. Một tinh thể nhấp nháy được đặt bên cạnh mẫu sẽ nhận các điện tử thứ cấp này và điều chỉnh cường độ chùm tia điện tử của ống hình ảnh sau khi khuếch đại, do đó làm thay đổi độ sáng trên màn hình của ống hình ảnh. Ách lệch của ống hình ảnh tiếp tục quét đồng bộ với chùm tia điện tử trên bề mặt mẫu, do đó màn hình huỳnh quang của ống hình ảnh hiển thị hình ảnh địa hình của bề mặt mẫu, tương tự như nguyên lý hoạt động của truyền hình công nghiệp.
Độ phân giải của kính hiển vi điện tử quét chủ yếu được xác định bởi đường kính của chùm tia điện tử trên bề mặt mẫu. Độ phóng đại là tỷ lệ giữa biên độ quét trên ống hình ảnh với biên độ quét trên mẫu, có thể thay đổi liên tục từ hàng chục lần đến hàng trăm nghìn lần. Kính hiển vi điện tử quét không yêu cầu mẫu quá mỏng; hình ảnh có hiệu ứng ba chiều mạnh mẽ; nó có thể phân tích thành phần của vật chất bằng cách sử dụng thông tin như các electron thứ cấp, các electron bị hấp thụ và tia X được tạo ra do sự tương tác của các chùm electron với vật chất.
Súng điện tử và tụ điện của kính hiển vi điện tử quét gần giống như của kính hiển vi điện tử truyền qua, nhưng để làm cho chùm tia điện tử mỏng hơn, một vật kính và kính loạn thị được thêm vào dưới tụ điện và hai bộ điện tử quét. vuông góc với nhau được lắp bên trong vật kính. xôn xao. Buồng mẫu bên dưới vật kính chứa bệ mẫu có thể di chuyển, xoay và nghiêng.
