En elektronmikroskop (EM) er en type mikroskop, der anvender en stråle af elektroner til at belyse en prøve og skabe et billede stærkt forstørret. Det blev opfundet i 1931 af tyske ingeniører. Elektronmikroskoper har større opløsningskraft end optiske mikroskoper, der bruger synlig elektromagnetisk stråling . De kan opnå meget højere forstørrelser på op til 2 millioner gange, mens de bedste optiske mikroskoper er begrænset til 2000 gange forstørrelse. Disse to typer mikroskoper har en begrænset opløsning, dikteret af bølgelængden af den stråling, de bruger. Den større opløsning og forstørrelse af elektronmikroskopet skyldes, at De Broglie-bølgelængden for en elektron er meget mindre end bølgelængden af et foton med synligt lys.
Elektronmikroskopet bruger elektrostatiske og elektromagnetiske linser til at danne billedet ved at styre elektronstrålen og få den til at konvergere på et bestemt plan i forhold til prøven. Princippet svarer til det optiske mikroskop, der bruger glaslinser til at fokusere lys på eller gennem prøven for at danne et billede.
Efter de teoretiske udarbejdelser af Louis de Broglie i 1923 var det muligt at bevise i 1926, at magnetiske eller elektrostatiske felter kunne bruges som linser til elektronstråler.
Den første prototype elektronmikroskop blev bygget i 1931 af de tyske ingeniører Ernst Ruska og Max Knoll . Dette første instrument forstørrede objekter i bedste fald fire hundrede gange. To år senere byggede Russjai et elektronmikroskop, der oversteg den mulige opløsning af et optisk mikroskop. Reinhold Rudenberg , den videnskabelige direktør for Siemens , patenterede elektronmikroskopet i 1931 stimuleret af en sygdom i familien for at synliggøre poliovirussen. I 1937 begyndte Siemens at finansiere Ruska og Bodo von Borries til at udvikle et elektronmikroskop. Siemens ansatte også Helmut Ruskas bror til at arbejde på applikationer, især med biologiske prøver.
I løbet af det samme årti begyndte Manfred von Ardenne sin forskning i scanningelektronmikroskopet og dets universelle elektronmikroskop. Siemens producerede det første kommercielt tilgængelige elektronmikroskop i 1938. Det første amerikanske elektronmikroskop blev bygget ved University of Toronto i 1938 af Eli Franklin Burton (in) og studerende Cecil Hall , James Hillier og Albert Prebus . Det første transmissionselektronmikroskop blev bygget af Siemens i 1939. Realiseringen af et elektronmikroskop med høj opløsning var kun mulig efter opfindelsen af stigmatoren af Hillier i 1946 i RCA's laboratorier. Selvom moderne elektronmikroskoper kan forstørre objekter op til to millioner gange, er de stadig baseret på Ruska-prototypen. Elektronmikroskopet er en væsentlig del af udstyret i mange laboratorier. Forskere bruger dem til at undersøge biologiske materialer (såsom mikroorganismer og celler ), en bred vifte af molekyler , medicinske biopsiprøver , metaller og krystalstrukturer og egenskaber ved forskellige overflader. Elektronmikroskopet bruges også i vid udstrækning til inspektion, kvalitetssikring og fiaskoanalyse af applikationer i branchen, inklusive, men ikke begrænset til, fremstilling af halvlederanordninger .
Den oprindelige form for elektronmikroskop, transmissionselektronmikroskop (TEM) bruger wolfram som elektronkildekatode . Elektronstrålen accelereres af en anode, generelt ved 100 keV (40 til 400 keV) i forhold til katoden , koncentreret af elektrostatiske og elektromagnetiske linser og transmitteres til målet, som delvist er gennemsigtigt for elektronerne og i partiet spreder dem. Når det kommer ud af prøven, bærer elektronstrålen information om strukturen af prøven, som forstærkes af linsesystemet i mikroskopobjektivet. Den rumlige variation af denne information ("billedet") ses ved at projicere det forstørrede elektroniske billede på en scintillator , såsom zinksulfid eller fosfor . Billedet kan optages fotografisk ved at eksponere en film eller en fotografisk plade direkte på elektronstrålen, eller en fosforplade med høj opløsning kan kobles ved hjælp af et optisk system eller en optisk fiber til sensoren på et CCD -kamera ( Charge-Coupled Device ) . Billedet, der registreres af CCD'en, kan vises på en skærm eller dirigeres til en computer.
Opløsning er primært begrænset af sfærisk aberration , men en ny generation af sfæriske korrektorer øger opløsningen. Den sfæriske aberrationskorrektionssoftware til højopløsnings TEM (HRTEM) muliggjorde produktion af billeder med tilstrækkelig opløsning til at vise kulstofatomer i diamanter, adskilt af kun 0,89 ångström (89 picometer ) og siliciumatomer ved 0,78 ångström (78 picometer) ved 50 million gange forstørrelse. Evnen til at bestemme atommers position i materialer har gjort HRTEM til et vigtigt redskab til forskning og udvikling inden for nanoteknologi .
I modsætning til TEM, hvor højspændingselektronstrålen bærer billedet af prøven, kan elektronstrålen fra scanningselektronmikroskopet (SEM) ikke give et billede til enhver tid. Komplet prøve. SEM producerer billeder ved at undersøge prøven med en elektronstråle, fokuseret, analyseres på et prøve rektangulært område ( rasterscanning (in) ). På hvert punkt på prøven mister den indfaldende elektronstråle energi. Dette energitab omdannes til andre former, såsom varme, emission af sekundære elektroner med lav energi, udsendelse af lys ( katodoluminescens ) eller udsendelse af røntgenstråler . SEM-displayet repræsenterer den varierende intensitet af et af disse signaler i billedet i en position svarende til positionen af strålen på prøven, når signalet blev genereret. På billedet af myren til højre blev billedet konstrueret af signaler produceret af en sekundær elektrondetektor, den normale konventionelle billedbehandlingstilstand for de fleste SEM'er.
Typisk er billedopløsningen for en SEM ca. en størrelsesorden lavere end for en TEM. Men fordi SEM-billedet er afhængig af overfladeprocesser snarere end transmission, er det i stand til at levere billeder af genstande op til flere centimeter med en stor dybdeskarphed afhængigt af kameraets design og indstilling, og dermed kan det producere billeder, der er en god tredimensionel repræsentation af prøveens struktur.
I refleksionselektronmikroskopet , som i transmissionselektronmikroskopet, er en elektronstråle indfaldende på en overflade, men i stedet for at bruge transmission (TEM) eller sekundære elektroner (SEM) er det strålereflekterede elektroner, spredt af elasticitet, som er opdaget. Denne teknik er almindeligvis forbundet med refleksion med høj energi-elektrondiffraktion (RHEED) og høj energitabspektrumrefleksion (RHELS). En anden variation er spin-polariseret lavenergi-elektronmikroskopi (SPLEEM), som bruges til at se på mikrostrukturen i magnetiske domæner.
Scanningstransmissionselektronmikroskopet (MEBT eller STEM for scanningstransmissionselektronmikroskopi ) er en type model, hvis funktionsprincip kombinerer visse aspekter af scanningselektronmikroskopet og transmissionselektronmikroskopet. En elektronkilde fokuserer en elektronstråle, der passerer gennem prøven. Et system med magnetiske linser gør det muligt for denne stråle at feje overfladen af prøven, der skal analyseres.
Materialer, der er beregnet til at blive set under et elektronmikroskop, kan kræve behandling for at producere en passende prøve. Den krævede teknik varierer afhængigt af modellen og den nødvendige analyse:
Elektronmikroskoper er dyre at bygge og vedligeholde, men omkostningerne ved fremstilling og drift af konfokale mikroskopisystemer overstiger nu de grundlæggende elektronmikroskoper. Elektronmikroskoper er dynamiske snarere end statiske i deres drift, hvilket kræver levering af meget stabil højspænding, ekstremt stabile strømme til hver elektromagnetiske spole / linse, kontinuerligt pumpet vakuum eller ultravakuum og køling ved cirkulerende vand. Linser og pumper. Da de er meget følsomme over for vibrationer og eksterne magnetfelter, skal mikroskoper, for at muliggøre højere opløsninger, være anbragt i stabile bygninger (nogle gange under jorden) med specielle systemer såsom magnetfeltreduceringssystemer. Nogle stationære elektronmikroskoper med lav spænding har MET-kapaciteter med meget lav spænding (ca. 5kV) uden streng forsyningsspænding, kølevand eller vibrationsisolering. De er meget billigere at købe og meget lettere at installere og vedligeholde, men har ikke den samme ultrahøje opløsning (atomskala) som større instrumenter.
Prøver skal generelt undersøges i et vakuum, fordi molekylerne, der udgør luft, spreder elektroner. En undtagelse er miljømæssigt scanningselektronmikroskop, som gør det muligt at iagttage hydratiserede prøver ved lavt tryk (ned til 2,7 kPa) i et fugtigt miljø. Scanningselektronmikroskoper er normalt mere effektive til halvleder- eller ledende materialer, men ikke-ledende materialer kan behandles med miljøscannende elektronmikroskoper. En forberedelsesteknik er at belægge prøven med et lag af få nanometer ledende materiale, såsom guld, fra en forstøvningsmaskine, men denne proces kan forstyrre sarte prøver.
Små og stabile prøver som carbon-nanorør , kiselstener af kiselalger og små krystaller af mineraler ( for eksempel asbestfibre ) kræver ikke særlig behandling, før de undersøges i elektronmikroskopet. Med hensyn til prøver af hydratiserede materialer skal næsten alle biologiske prøver fremstilles på forskellige måder for at stabilisere dem, reducere deres tykkelse (ultratynde sektioner) og for at øge deres kontrast (farvning). Disse processer kan føre til artefakter , men de kan normalt identificeres ved at sammenligne de opnåede resultater ved hjælp af radikalt forskellige forberedelsesmetoder. Efter at have sammenlignet resultaterne af forskellige forberedelsesteknikker mener forskere, der arbejder i marken, generelt, at der ikke er nogen grund til, at de alle producerer lignende artefakter, og at det derfor er rimeligt at tro, at de billeder, der leveres ved elektronmikroskopi, svarer til det levende celler. Derudover er resultater med højere opløsning blevet sammenlignet direkte med resultater fra krystallografi med røntgenstråler , hvilket giver uafhængig bekræftelse af gyldigheden af denne teknik. Siden 1980'erne er analysen af frysesætede eller forglassede prøver også blevet mere og mere brugt af forskere, der bekræfter gyldigheden af denne teknik.