С начала 21 века стало возможным изучать, проектировать и синтезировать структуры с точностью до одной миллиардной доли метра (нанометра) с помощью электронного микроскопа. Принцип электронного микроскопа использует электронные лучи вместо видимого света.
Принцип оптического микроскопа не позволяет увидеть наноразмерные структуры и вот почему:
Принцип оптического микроскопа
Оптические (световые) микроскопы фокусируют видимый свет через “линзы” для получения увеличенного изображения.
По сути, они работают как увеличительное стекло. Но даже с самым точным, самым совершенным оптическим микроскопом остается одна проблема — световые волны “большие”, по крайней мере в масштабе наноструктуры. Поскольку разрешающая способность этих приборов ограничена примерно половиной длины волны света, они могут выявлять объекты только с длиной волны ~ 250 нм.
Когда мы говорим о наблюдении небольших структур, важно проводить различие между “разрешением” и “увеличением”. Мы можем “раздуть” (увеличить) изображение (например, картинку) настолько, насколько захотим — сделать его размером с плакат на стене, — но это не сделает изображение более четким и не увеличит нашу способность различать мелкие детали.
Не будет видно структуры – то есть острые края и различать отдельно близко расположенные объекты.
Увеличение изображения слишком сильно просто дает размытую большую картинку; это называется “пустым увеличением”, и от этого мало пользы. Что важно, так это способность четко видеть структуры, расположенные близко друг к другу. Последнее называется разрешающей способностью и является наиболее важным свойством любого микроскопа.
Оптические микроскопы дают нам вид поверхности сверху вниз, плоский вид.
Трудно многое узнать о трехмерных объектах с помощью мощного оптического микроскопа, поскольку они имеют очень низкую глубину резкости — то есть в фокусе будут находиться только объекты на определенной, очень узкой глубине. Для оптического микроскопа с большим увеличением эта «глубина резкости» может составлять менее 1 микрометра — все, что выше 1 микрометра, не в фокусе и размыто.
С помощью оптического микроскопа сверхвысокого качества мы видим только структуры с разрешением больше чем 250 нм.
Что все еще остается много такого, чего мы не можем видеть. Для этого нам нужен электронный микроскоп!
Принцип электронного микроскопа
Электронные микроскопы используют электронные лучи вместо видимого света, что позволяет получать изображения с разрешением до нескольких нанометров. Существует несколько различных типов электронных микроскопов, включая сканирующую электронную микроскопию и просвечивающую электронную микроскопию.
Электронные микроскопы используют пучок электронов высокой энергии для исследования образца. Электроны не имеют таких ограничений разрешения, как свет, поэтому мы можем “видеть” объекты размером всего 0,1 нм. Это размер отдельного атома. Для создания изображения используется электронная обработка сигнала о том, как выглядел бы образец, если бы мы могли его увидеть. Хотя электронная микроскопия обеспечивает более высокое разрешение объектов, чем оптическая микроскопия, для поддержания сфокусированного электронного пучка требуются вакуумные условия. Это делает электронную микроскопию неудобной для исследования многих биологических образцов, которые сначала должны быть законсервированы и покрыты слоями атомов металла.
Еще одним преимуществом электронных микроскопов является то, что они обладают как большим увеличением, так и большой глубиной резкости. Мы можем видеть объекты как бы в кажущихся трех измерениях. Это опять-таки связано с короткой «длиной волны» электронов. Возможно, видели некоторые действительно «чудовищные» фотографии насекомых, которые подчеркивают возможности получения изображений с помощью сканирующего электронного микроскопа. Высококачественные электронные микроскопы могут стоить от 250 000 до 1 000 000 долларов! Они являются одним из самых полезных инструментов в лабораториях по работе с наноструктурами.
Сканирующие электронные микроскопы
Сканирующие зондовые микроскопы (СЗМ) различных типов отслеживают особенности поверхности путем перемещения по поверхности очень тонкого заостренного наконечника (зонда), установленного на гибком кронштейне.
Сканирующие зондовые микроскопы обеспечивает разрешение объектов до ~1 нм позволяющие получать изображения отдельных атомов в идеальных условиях.
Сканирующие туннельные микроскопы измеряют ток (т.е. поток электронов) между наконечником зонда и образцом, по сути действуя как крошечный вольтметр. Этот метод требует, чтобы образец был электропроводящим.
Атомно-силовые микроскопы (АСМ – иногда их называют сканирующими силовыми микроскопами) измеряют силы взаимодействия между наконечником зонда и образцом, предоставляя информацию о механических свойствах поверхностей. Они могут измерять силы в 10-9 Ньютонов. (Для сравнения, усилие, прилагаемое яблоком, составляет ~ 1 Н.) АСМ широко используются для измерения рельефа поверхности многих типов образцов и не требуют специальных условий, таких как проводящие поверхности или вакуум.
Сканирующие зондовые микроскопы позволяют видеть предметы как бы на ощупь. Представьте, что ваша правая рука находится в темной коробке с таинственным предметом, и вы пытаетесь выяснить, что это за предмет, без возможности взглянуть на него. Одним из систематических способов сделать это было бы коснуться каждой точки на сетке, скажем, шириной 30 точек и длиной 30 точек глубиной, покрывающие весь пол коробки. Представьте, что левой рукой вы записываете “высоту” (или любое другое физическое свойство) в каждой точке сетки на листе миллиметровки. Затем вы могли бы создать трехмерную графическую поверхность или двумерный график с цветами, указывающими высоту. После прикосновения и записи 900 точек у вас будет “картинка” объекта. Это именно то, что делает атомно-силовой микроскоп, за исключением того, что АСМ использует очень тонкую точку вместо пальца и построен на механизме, который может воспроизводимо перемещать наконечник менее чем на 0,1 нм между точками. Сканирующие зондовые микроскопы действительно могут ‘чувствовать” неровности, обусловленные отдельными атомами и молекулами!
Просвечивающая электронная микроскопия
Принцип просвечивающей электронной микроскопии: электронный пучок просвечивает образец. Прошедший электронный поток создает двумерную картину исследуемого объекта.
Таким образом, основной принцип электронного микроскопа состоит в использовании сфокусированного электронного пучка вместо видимого света.
