Aktuální číslo:

2017/12

Téma měsíce:

Kontakty

Kam směřuje elektronová mikroskopie?

Rekapitulace a výhledy
 |  15. 3. 2004
 |  Vesmír 83, 2, 2004/3

Odpovídat by samozřejmě znamenalo vstoupit na pole science fiction. Pokusme se však vyjmenovat hlavní přístrojové trendy v elektronové mikroskopii a naznačit jejich pravděpodobné další směřování. Elektronová mikroskopie má již po desetiletí v české vědě a průmyslu zvláštní postavení. V málokterém oboru jsme trvale na tak dobré úrovni a máme takovou mezinárodní prestiž ve všech polohách – od fyzikální teorie přes metodologický a přístrojový výzkum až po vlastní výrobu. A co je hlavní, z Brna se i nadále expedují mikroskopy do celého světa.

Kromě univerzálních rastrovacích a přímo zobrazujících mikroskopů a jejich hybridních kombinací můžeme mezi přístroje elektronové mikroskopie zařadit i testery integrovaných obvodů, mikrosondy s elektronovým svazkem, popřípadě elektronové litografy, svářečky a mikroobráběcí stroje, obvykle doplněné zobrazovacím režimem, a konečně netradiční konstrukce s permanentními magnety, miniaturizované elektronově optické tubusy mnohasvazkových systémů a další novinky posledních let.

Moderní prozařovací (transmisní) elektronové mikroskopy (TEM) překonaly magickou hranici rozlišení jednoho angströmu (0,1 nm) a zobrazují jednotlivé atomy nebo alespoň detaily o rozměrech a vzájemných vzdálenostech atomů. Obvykle ovšem jde o periodicky se opakující maxima intenzity v interferenčním poli procházejících a rozptýlených elektronových vln po výstupu z tenké vrstvy vzorku a průchodu zobrazující částí mikroskopu. Schopnost přenést vysoké prostorové frekvence na úrovni vzdálenosti atomů již postačuje pro počítačové zpracování obrazu, jež skutečné polohy atomů ukáže. Úkolem je „obrátit“ procesy rozptylu elektronů a zobrazení za přítomnosti fázových efektů. 1)

Pokročilý systém zpracování obrazu již tvoří nedílnou součást mikroskopu a na jeho další vývoj se asi soustředí pokrok v oblasti TEM. Do programů pro simulaci elektronového rozptylu totiž mohou být zahrnuty kmity krystalové mříže, povrchové amorfní nebo rekonstruované vrstvy, náklon atomových sloupců ad. Toto zpracování obrazových dat je ve své podstatě dvojrozměrné a tím se omezuje na krystalická uspořádání. O krok dále je TEM tomografie (viz příspěvek P. Hozáka a J. Nebesářové), která třetí rozměr postihuje, avšak prozatím pouze s rozlišením v jednotkách nanometrů. Dalším možným „rozměrem“ pořizovaných dat je energie elektronů. Energiovou analýzu pod rovinou konečného obrazu již nahradily filtry uvnitř projekčního systému, tvořené sestavou disperzních a množstvím korekčních prvků. Dnes již lze udržet subangströmové rozlišení i v obraze filtrovaném na 0,1 až 0,2 eV.

Simulace obrazu známé atomové struktury v TEM je zvládnuta a budoucím úkolem je simulovat obraz libovolné struktury včetně zahrnutí rušivých jevů a redukovat Stobbsův faktor vyjadřující rozdíl mezi kontrasty sejmutých a simulovaných obrazů. Tento faktor má reálný podklad (např. v nepružném rozptylu), ale současně je fantomem připomínajícím nedostatečné pochopení přírody. „Konečný cíl“ – identifikaci každého atomu s jeho atomovým číslem a přesnou polohou v preparátu o tloušťce stovek atomových rovin – si již umíme představit a ve zjednodušených případech se k němu přibližujeme.

Horkým tématem je korekce optických vad. 2) Po desetiletí víme, že optické vady „normálních“ rotačně symetrických elektromagnetických čoček nelze korigovat žádnou jejich kombinací. Vzdáme-li se však některých z předpokladů (časové neproměnnosti polí, zanedbatelnosti vlivu prostorového náboje nebo spojitosti potenciálu a jeho první derivace), máme šanci obrátit znaménko koeficientu vady a kombinací se standardním prvkem vadu kompenzovat. 3) Obvykle je opouštěna rotační symetrie a nastupují multipólová elektrická i magnetická pole generující vady obou znamének. Mnohé návrhy multipólových korektorů již byly na laboratorní úrovni realizovány a ověřeny. První komerční korektor pro STEM umožnil dosáhnout rozlišení kolem 0,1 nm, byť byl napájen 43 nezávislými zdroji. Pokrok směřuje k systémům korigujícím otvorovou i chromatickou („barevnou“) vadu a k čistě elektrostatickým, snadněji a přesněji realizovatelným systémům. 4) Korektory vad asi záhy dosáhnou ustálené podoby a bez zásahu obsluhy budou korigovat obě hlavní vady. Rozlišení TEM a STEM posunou pod 0,1 nm, což je úroveň, jejíž další snižování se dnes nezdá být účelné.

Českým příspěvkem je nízkonapěťový TEM s miniaturizovaným elektronově optickým tubusem na bázi permanentních magnetů a elektrostatických prvků, který vytváří obraz na stínítku pozorovaném optickým mikroskopem. Elektrony o energii pouhých několika keV projdou jen velmi tenkými preparáty, avšak přenášejí vysoký obrazový kontrast. Pronikne-li tento přístroj ve větší míře na trh, bude to znamenat nejen úspěch české vědy a průmyslu, ale i výrazné obohacení experimentálních metod, zejména o pozorování málo kontrastních preparátů v původním stavu.

Trendem v konstrukci přístrojů SEM jsou nízké energie elektronů, přinášející snížené nabíjení preparátu, zvýšený signál a menší rozptyl ve vzorku. Korektory by měly redukovat fatální pokles rozlišení se snižující se energií. Za „normálních“ okolností se rovnováha mezi otvorovou, chromatickou a difrakční vadou s klesající energií posouvá 5) - jestliže se energie sníží o čtyři řády, rozlišení poklesne o tři (velikostní) řády. Korektor by však mohl i v konvenčním přístroji umožnit rozlišení pod 1 nm při 1 keV. Poblíž této hranice překvapivě končí snahy snižovat energii elektronů, ačkoliv přístroje s velmi pomalými elektrony poskytují nanejvýš atraktivní výsledky.

Mikroskop s pomalými elektrony (Low Energy Electron Microscope, LEEM) byl navržen již na počátku šedesátých let 20. století, ale solidní realizace se dočkal až v polovině let osmdesátých. Šlo o typ emisního mikroskopu přímo zobrazujícího celý emitující povrch preparátu podobně jako TEM. „Moderní“ je fotoemisní mikroskop s excitací úzkým svazkem rentgenového záření ze synchrotronu. V LEEM na vzorek dopadá rovinná koherentní vlna elektronů o energii pouhých jednotek až desítek eV, která se z velké části odráží. Poněvadž vlnová délka těchto elektronů je blízká meziatomovým vzdálenostem, dochází k interferenci mezi vlnami rozptýlenými jednotlivými atomy (elektronové difrakci) a výběrem vhodného paprsku lze zviditelnit lokální krystalickou strukturu vzorku a jejím prostřednictvím množství fyzikálních jevů probíhajících na čistém povrchu.

Rozsáhlý projekt LEEM probíhal s českou účastí, která byla zásadní při vývoji rastrovací verze přístroje. I ve standardním SEM lze elektrony zpomalit brzdným polem těsně nad povrchem vzorku v „katodové čočce“ a signální elektrony, sekundární i zpětně odražené, pak urychlit opačným směrem. Silné elektrické pole (o jednotkách kV/mm) potlačí pokles rozlišení se snižující se energií, takže upravený přístroj má všechny výhody nízkých energií, a navíc zobrazuje kontrasty v SEM jinak nedostupné 6) . Pod energií cca 50 eV se střední volná dráha elektronů ve vzorku opět prodlužuje, elektrony pronikají hlouběji a klesá citlivost experimentu k vakuovým podmínkám, samozřejmě nikoliv u jevů, jež nastávají jen na atomově čistých površích. Technika brzdění primárních elektronů v blízkosti vzorku se zřejmě záhy objeví v komerčních přístrojích a rozšíří arzenál pro studium povrchů.

Pokrok ve výpočetní technice umožnil počítat prostorové rozložení elektromagnetických polí, trajektorie elektronů, zobrazovací vady a profily elektronových svazků. Výsledkem byla optimalizace elektronově optických prvků a systémů a návrhy jejich nových typů. Žhavou záležitostí jsou detekční systémy navrhované podle počítačové simulace drah signálních elektronů ve složitě trojrozměrně tvarovaných elektromagnetických polích 7) . Mladšího data jsou také procedury dálkové obsluhy přístrojů pomocí počítačové sítě, které dnes dovedou přijmout základní pokyny týkající se režimu přístroje a sejmout obraz a v budoucnosti jistě pokročí k rychlé obousměrné komunikaci obsluhy s přístrojem.

V rastrovacích mikroskopech se setkáváme s jedním nebo více jednokanálovými detektory produkujícími po jedné hodnotě signálu pro každý obrazový bod. Pro budoucnost zůstává rozšíření na dvourozměrné mnohakanálové detektory, které umožní v bodě obrazu sejmout úhlové rozdělení emise a zachytit tak nejen všechny difrakční jevy, ale i záznam nekoherentního signálu povýšit na vyšší informační úroveň. Fantazií zatím zůstává dvourozměrná mnohakanálová polovodičová detekční struktura, v níž bude každý kanál vybaven integrovanou elektronikou se schopností rozpoznat energii dopadajícího elektronu podle počtu vygenerovaných párů elektron-díra, podobně jako je tomu u energiově disperzivních detektorů rentgenového záření. Při pořizování těchto „pětirozměrných“ experimentálních dat by šlo o snímání velmi slabých signálů, a proto by se musely čítat jednotlivé elektrony.

Během sedmdesáti let vývoje elektronové mikroskopie nastaly chvíle, kdy mnozí měli pocit, že všechno již bylo objeveno a není kam pokračovat. Jedním z těchto momentů byl vznik sondové mikroskopie (rastrovací tunelové mikroskopie, mikroskopie atomárních sil a dalších variant využití ostrého hrotu pohybujícího se v nejtěsnější blízkosti preparátu, viz např. Vesmír 77, 381, 1998/7). Tato očekávání se však nepotvrdila. Zkoumat hmotu pomocí elektronů, které tvoří jeden z jejích základních stavebních kamenů, je totiž přirozené a normální, a proto má elektronová mikroskopie před sebou nezpochybněnou budoucnost.

Literatura

Výzmamnější články Vesmíru, které se mikroskopii věnovaly v posledních letech:

  • Josef Chalupský: Svět pod mikroskopem. Vzpomínka na profesora Jiřího Fialu (Vesmír 71, 695, 1992/12)

  • Josef Reischig: Konfokální fluorescenční mikroskopie (Vesmír 74, 482, 1995/9)

  • Jaromír Plášek: Konfokální mikroskop (Vesmír 74, 508, 1995/9)

  • Jaromír Plášek, Josef Reischig: Kontrast v optické mikroskopii (Vesmír 74, 638, 1995/11)

  • Mojmír Petráň, Milan Hadravský, Alan Boyde, Jiří Beneš: Optické mikroskopy s velmi vysokým rozlišením (Vesmír 76, 616, 1997/11)

  • Pavel Janda, Jan Weber: Mikroskopie rastrovací sondou (Vesmír 77, 381, 1998/7)

  • Jaromír Plášek: Prostorové zobrazení preparátů (Vesmír 79, 137, 2000/3)

  • Eduarda Dráberová: Cytoskelet – dynamická síť (Vesmír 79, 438, 2000/8)


Poznámky

1) Invertovat zobrazovací proces znamená z konečného obrazu rekonstruovat vlnu vystupující z preparátu. K tomu potřebujeme fokusační sérii (řadu snímků sejmutých s malými rozdíly v zaostření), kterou zpracujeme algoritmem využívajícím závislosti mezi funkcí přenosu kontrastu a zaostřením objektivu. Kromě intenzitní informace, tvořící zpracovávané snímky, tak získáme také informaci fázovou. Alternativou je mimoosová holografie, pro niž musí být do tubusu zařazen elektrostatický dvojhranol. Ten přeloží aberacemi zkreslenou obrazovou vlnu přes nerozptýlenou referenční vlnu a vyvolá mezi nimi interferenci. Fázová informace je pak přístupnější, ale přesto je stále výhodnější snímat fokusační série hologramů. Střední pás hologramu poskytne informace, které jsou ekvivalentní datům z konvenční fokusační série (směs signálů pružně a nepružně rozptýlených elektronů), zatímco z postranních pásů rekonstruujeme kontrast pružného rozptylu. Samotný proces nelineárního dynamického rozptylu elektronů ve vzorku lze přibližně popsat, a tedy i invertovat použitím teorie „kanálování“ mezi sloupci atomů orientovanými ve směru elektronové vlny. K výsledku lze dospět několika iteracemi, v nichž se střídá přibližný výpočet struktury preparátu z obrazových dat se simulací obrazu odhadnuté struktury.
2) Úsilí se vyplatí tam, kde jsou optické vady pro rozlišení obrazu rozhodující. TEM zobrazuje vlnu vystupující ze vzorku a věrně ji zobrazí jen při vyloučení vad. U rastrovacích systémů se informace lokalizuje podle nominální výchylky primárního paprsku a rozptyl elektronů ve vzorku je součástí přenosové funkce. V rastrovacím prozařovacím mikroskopu (STEM) vzniká v tenkém vzorku jen nepatrný rozptyl a přístroj se tedy ke korekci hodí. V běžném rastrovacím mikroskopu (SEM) je tomu naopak a pokusů o korigování se objevuje méně.
3) Nejnověji se úsilí zaměřilo na časově proměnné pole. Do krátkých pulzů přerušovaný tok elektronů prochází průletovým prostorem, na jehož konci se postupně zesiluje pole urychlující stále pomalejší přicházející částice. Výsledkem je konstantní energie vstupu elektronů do čočky určující rozlišení obrazu.
4) Zvláštní odnoží jsou monochromátory svazku zužující jeho energiový rozptyl pod 0,1 eV.
5) V důsledku prodlužování vlnové délky elektronů a růstu relativní velikosti energiového rozptylu ve svazku.
6) Jde například o difrakční kontrast zobrazující povrchovou krystalickou strukturu, elektronický kontrast úměrný lokální hustotě elektronových stavů, interferenční kontrast zviditelňující povrchové atomové stupně, popř. proužky stejné tloušťky na velmi tenkých povrchových vrstvách.
7) V prostoru nad preparátem, mezi pólovými nástavci objektivu a nad nimi, se umísťují elektrody, jejichž tvar a předpětí zajišťují cílený transport částic k detektoru nad objektivem stranou optické osy. Lze přitom do jisté míry vybírat energiový interval detekovaných elektronů a ovládat i podíl sekundárních a zpětně odražených elektronů v konečném obraze. Na sběru signálu se projeví i úhel emise. Zatím je výsledkem těchto snah široký rejstřík detekčních uspořádání, poskytujících z téhož preparátu navzájem výrazně odlišné obrazy.
OBORY A KLÍČOVÁ SLOVA: Mikroskopie

O autorovi

Luděk Frank

RNDr. Luděk Frank, DrSc., (*1946) vystudoval fyziku pevných látek na brněnské univerzitě. V Ústavu přístrojové techniky Akademie věd ČR, v. v. i., se zabývá elektronovou mikroskopií a spektroskopií, především po metodologické stránce, a fyzikou povrchů. Od roku 2001 je ředitelem ústavu.

Doporučujeme

Tajemná „Boží země“ Punt

Tajemná „Boží země“ Punt uzamčeno

Břetislav Vachala  |  4. 12. 2017
Mnoho vzácného zboží starověkého Egypta pocházelo z tajemného Puntu, kam Egypťané pořádali časté obchodní výpravy. Odkud jejich expedice...
Hmyz jako dokonalý létací stroj

Hmyz jako dokonalý létací stroj

Rudolf Dvořák  |  4. 12. 2017
Hmyz patří k nejdokonalejším a nejstarším letcům naší planety. Jeho letové schopnosti se vyvíjely přes 300 milionů let a předčí dovednosti všech...
Hranice svobody

Hranice svobody uzamčeno

Stefan Segi  |  4. 12. 2017
Podle listiny základních práv a svobod, která je integrovaná i v Ústavě ČR, jsou „svoboda projevu a právo na informace zaručeny“ a „cenzura je...

Předplatným pomůžete zajistit budoucnost Vesmíru

Tištěná i elektronická
verze časopisu
Digitální archiv
od roku 1994
Speciální nabídka
pro školy a studenty

 

Objednat předplatné