| |||
|
Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. | |||
|
Transmisní elektronová mikroskopie kapalin
Miroslav Horký
|
Elektronový mikroskop – mikroskop, který k zobrazení předmětů využívá vlnových vlastností svazku elektronů. Elektron se chová podobně jako světlo, jeho vlnová délka je ale výrazně kratší a tak je možné sledovat menší předměty než za pomoci světla. Elektronový mikroskop byl vynalezen v roce 1931 Ernstem Ruskou. TEM – transmisní elektronová mikroskopie, vytváření obrazu tenkého předmětu (cca do 100 nm tloušťky) průchodem energetických elektronů. Obraz tvořený prošlými elektrony je následně zvětšen a zaostřen elektronovou optikou a na stínítku převeden na viditelné záření, které je většinou dále zaznamenáváno CCD kamerou. Pokud je vzorek touto technikou skenován, hovoříme o skenovací transmisní elektronové mikroskopii (STEM). Jinou technikou je SEM, při které se obraz vytváří z odražených elektronů. SEM – Skenovací Elektronová Mikroskopie, vytváření obrazu předmětu elektronovým mikroskopem z odražených elektronů. Energetický svazek elektronů skenuje povrch vzorku. Obraz tvořený odraženými elektrony je následně zvětšen a zaostřen elektronovou optikou a na stínítku převeden na viditelné záření, které je většinou dále zaznamenáváno CCD kamerou. Slouží zejména k metalografickým analýzám kovových či pokovených materiálů a chemické analýze jejich složení na základě spektrometrie charakteristického rentgenového záření buzeného dopadajícím elektronovým svazkem. Jinou technikou je TEM, při které se obraz vytváří z prošlých elektronů. |
Lehký úvod o transmisní elektronové mikroskopii
Elektronový mikroskop je přístroj, který lidé používají všude tam, kde je potřeba pozorovat struktury, které leží pod rozlišovací schopností světelného mikroskopu. Zobrazovací princip je obdobný světelnému mikroskopu. Zatímco ve světelném mikroskopu využíváme elektromagnetické vlny (z viditelného spektra) prošlé, či odražené od vzorku a detekujeme je vlastním okem (popřípadě optickým snímačem), v elektronové mikroskopii využíváme vln elektronůElektron – první objevená elementární částice. Je stabilní. Hmotnost má 9,1×10−31 kg a elektrický náboj 1,6×10−19 C. Elektron objevil sir Joseph John Thomson v roce 1897. Existenci antičástice k elektronu (pozitron) teoreticky předpověděl Paul Dirac v roce 1928 a objevil Carl Anderson v roce 1932. (z kvantové teorie známá vlastnost, že částice se chová zároveň jako vlna), které se opět odrazí nebo projdou vzorkem a vytvoří optický obraz na fluorescenčním stínítku, popřípadě jsou zachycené detektorem a obraz je vyhodnocen elektronicky. Tím, že elektronová vlna má vlnovou délku v řádu pikometrů (konkrétní hodnota závisí na urychlovacím napětí elektronů), mají elektronové mikroskopy daleko lepší rozlišovací schopnost než světelné a můžeme se jimi tedy podívat na struktury pod rozlišovací schopností světelných mikroskopů. Elektronové mikroskopy dělíme do dvou základních kategorií, které se liší principem zobrazení vzorku. První kategorii tvoří skenovací elektronové mikroskopy (SEM), druhou transmisní elektronové mikroskopy (TEM). Ve skenovacích elektronových mikroskopech detekujeme elektrony odražené od vzorku, proto může mít vzorek tloušťku v řádu milimetrů až centimetrů a pomocí SEM zobrazujeme struktury a detaily na povrchu vzorku. U transmisních mikroskopů detekujeme elektrony prošlé vzorkem a zobrazujeme tedy jeho vnitřní strukturu, proto musí mít tloušťku v řádu desítek nanometrů.
Obr. 1: Schéma a řez transmisním elektronovým mikroskopem (obdélníky
s křížky představují vychylovací cívky elektronové optiky). Zdroj [1].
Stejně jako používáme v optickém mikroskopu čočky k ostření a směrování světelného paprsku, musíme použít elektronovou optiku k tomu samému účelu u elektronového mikroskopu. Elektronová optika je soustava cívek, jimiž je vytvářeno vhodné magnetické pole, které mění dráhu elektronů podle Lorentzovy pohybové rovnice. Schéma elektronové optiky je dobře patrné na Obr. 1. Z tohoto principu plyne ale jedno omezení – tím je pozorování feromagnetickýchFeromagnetikum – materiál, ve kterém je energeticky výhodné, aby sousední magnetické momenty měly shodný směr. Tyto látky, například železo, jsou schopné značné magnetizace ve vnějším magnetickém poli. Po odstranění magnetického pole si ponechávají permanentní magnetizaci, tj. zůstávají zmagnetizované i bez vnějšího magnetického pole. Typickým příkladem je krystalické železo, kobalt či oxid chromičitý CrO2. látek, které samy mění dráhu elektronů, a proto jejich pozorování vyžaduje speciální postupy v nastavení mikroskopu, samotném pozorování a následně i jeho vyhodnocení.
Elektronový svazek procházející vzorkem interaguje Coulombovsky s elektronovým obalem atomů ve vzorku a dochází k jeho rozptylu, tj. odražení, u transmisních mikroskopů převážně dopřednému. Vlny rozptýlených elektronů spolu následně interferují a zobrazují se na fluorescenčnímFluorescence – jev, při kterém je v důsledku absorpce světla látkou vyzářeno světlo na jiné, zpravidla delší vlnové délce. Pohlcené fotony excitují elektrony v atomárních obalech a ty poté při přechodu na nižší hladinu vyzáří opět světlo. Při pohlcení dvou fotonů naráz může být vyzářeno i světlo kratší vlnové délky. Jev poprvé pojmenoval v roce 1852 George Gabriel Stokes. stínítku. Kromě obrazu lze na stínítku také zobrazit přímo difraktovanéDifrakce – ohyb. Skládání mnoha vln do maxim a minim charakteristické vlnové délky. Zdrojem skládaných vln může být okraj malého otvoru, hrana překážky nebo periodická struktura (například krystalová mřížka). svazky, díky nimž se dá určit například orientace krystalové mříže (u krystalických materiálů). Ukázky zobrazení difraktovaných svazků a poruch krystalové mříže jsou na obrázcích 2 a 3.
Obr. 2: Ukázka difrakčních obrazců – zobrazení difraktovaných svazků. Zdroj [3].
Obr. 3: Ukázka zobrazení dislokací v transmisním elektronovém mikroskopu. Zdroj [4].
TEM kapalin
Pro správnou funkci elektronového mikroskopu je potřeba vytvořit co nejlepší vakuum, aby elektrony dolétly bez srážky od zdroje ke vzorku a poté od vzorku ke stínítku. V současnosti se v elektronových mikroskopech pracuje s tlaky řádově 10−5 Pa, takže při pozorování vzorků obsahujících kapaliny je musíme kvůli okamžitému odpaření upravit. Biologické vzorky se například dehydratují, nicméně občas je potřeba mít jako součást vzorku přímo kapalinu (například při pozorování růstu nanokrystalů v určitém roztoku).
Nejběžnější metodou při pozorování růstu nanokrystalů bylo donedávna uzavření roztoku do kapsle z nitridu křemíku (Si3N4), která měla tloušťku stěny cca 100 nm. Vzhledem k výše popsanému principu transmisního elektronového mikroskopu je jasné, že rozlišení takového pozorování bylo špatné. Vědcům z univerzity v Berkeley se však podařilo vytvořit na udržení kapaliny v mikroskopu kapsle z grafenuGrafen – jedna z mnoha forem uhlíku. Jde o atomární monovrstvu či dvojvrstvu složenou z pravidelných šestiúhelníků, která má mimořádnou pevnost a vysokou elektrickou i tepelnou vodivost. Má revoluční využití v elektrotechnice a jiných oborech. Grafen poprvé připravili v roce 2004 Andrej Geim a Konstantin Novoselov. Za svůj objev získali Nobelovu cenu za fyziku pro rok 2010., jež mají o dva řády menší tloušťku stěny.
Obr. 4: A) Nákres grafenové kapsle; B) Pozorování růstu dvou nanokrystalů v roztoku uzavřené v kapsli z nitridu křemíku; C) Situace obdobná předchozí, ale pozorovaná za použití grafenové kapsle. Zdroj [2]
Díky velmi malé tloušťce grafenové vrstvy a zároveň i menší velikosti atomů uhlíku oproti křemíku se zmenšil rozptyl elektronů v pouzdře kapsle (kapsle se stala průhlednější), a tím se zlepšila pozorovatelnost nanokrystalů platiny v roztoku (viz Obr. 4). Za objevení grafenu byla před dvěma lety udělena Nobelova cena za fyziku. Předpokládalo se tehdy, že tato forma uhlíku bude mít unikátní využití v polovodičích a výzkum se ubíral hlavně směrem k aplikacím v elektronice. Jak se ale ukazuje, grafen nachází využití i v jiných oborech.
Odkazy
- Miroslav Karlík: Úvod do transmisní elektronové mikroskopie; 1. Vydání, Česká technika, Praha 2011
- Christian Colliex: Watching Solution Growth of Nanoparticles in Graphene Cells; Science 336 (2012) 44
- F. Pailloux: Optical and digital processing of H.R.T.E.M. images of Si thin films deposited by R.T.C.V.D.; Thin Solid Films Volume 319, Issues 1–2, 29 April 1998, Pages 177–181
- Elodie Amiguet, Patrick Cordier, Paul Raterron: Deformation of diopside single crystals at mantle pressure. TEM characterization of dislocation microstructures; Eur. J. Mineral 22/2 (2010) 181-187
