MICROSCOPE ÉLECTRONIQUE
un appareil qui permet d'obtenir des images très agrandies d'objets en utilisant des électrons pour les éclairer. Un microscope électronique (EM) vous permet de voir des détails trop petits pour être résolus par un microscope optique (optique). L'EM est l'un des instruments les plus importants pour la recherche scientifique fondamentale sur la structure de la matière, en particulier dans des domaines scientifiques tels que la biologie et la physique. solide. Il existe trois principaux types d’EM. Dans les années 1930, le microscope électronique à transmission conventionnel (CTEM) a été inventé, dans les années 1950, le microscope électronique raster (à balayage) (SEM) et dans les années 1980, le microscope à effet tunnel (RTM). Ces trois types de microscopes se complètent pour étudier des structures et des matériaux de différents types.
MICROSCOPE ÉLECTRONIQUE À TRANSMISSION CONVENTIONNEL
L'OPEM ressemble à bien des égards à un microscope optique (voir MICROSCOPE), mais il utilise un faisceau d'électrons plutôt que de la lumière pour éclairer les échantillons. Il contient un projecteur électronique (voir ci-dessous), une série de lentilles à condensateur, un objectif et un système de projection qui correspond à l'oculaire mais projette l'image réelle sur un écran fluorescent ou une plaque photographique. La source d'électrons est généralement une cathode d'hexaborure de tungstène ou de lanthane chauffée. La cathode est électriquement isolée du reste du dispositif et les électrons sont accélérés par un fort champ électrique. Pour créer un tel champ, la cathode est maintenue à un potentiel d'environ -100 000 V par rapport aux autres électrodes, qui concentrent les électrons dans un faisceau étroit. Cette partie de l'appareil est appelée projecteur à électrons (voir ELECTRON GUN). Puisque les électrons sont fortement diffusés par la matière, il doit y avoir un vide dans la colonne du microscope où se déplacent les électrons. Ici, la pression est maintenue ne dépassant pas un milliardième de la pression atmosphérique.
Optique électronique. Une image électronique est formée par des champs électriques et magnétiques de la même manière qu’une image lumineuse est formée par des lentilles optiques.

Le principe de fonctionnement d'une lentille magnétique est illustré par le schéma (Fig. 1). Le champ magnétique créé par les spires de la bobine transportant le courant agit comme une lentille convergente dont la distance focale peut être modifiée en modifiant le courant. Puisque la puissance optique d'un tel objectif, c'est-à-dire la capacité à focaliser les électrons dépend de l'intensité du champ magnétique à proximité de l'axe ; pour l'augmenter, il est souhaitable de concentrer le champ magnétique dans le volume minimum possible. En pratique, ceci est obtenu grâce au fait que la bobine est presque entièrement recouverte d'une « armure » magnétique constituée d'un alliage spécial nickel-cobalt, ne laissant qu'un espace étroit dans sa partie interne. Le champ magnétique ainsi créé peut être 10 à 100 000 fois plus puissant que le champ magnétique terrestre à la surface de la Terre.

Le diagramme OPEM est présenté sur la Fig. 2. Une série de lentilles condensatrices (seule la dernière est illustrée) focalise le faisceau électronique sur l’échantillon. Généralement, le premier crée une image non agrandie de la source d'électrons, tandis que le second contrôle la taille de la zone éclairée sur l'échantillon. L'ouverture de la dernière lentille condensatrice détermine la largeur du faisceau dans le plan objet. L'échantillon est placé dans le champ magnétique d'un objectif à haute puissance optique - l'objectif le plus important de l'OPEM, qui détermine la résolution maximale possible de l'appareil. Les aberrations dans un objectif sont limitées par son ouverture, tout comme elles le sont dans un appareil photo ou un microscope optique. Un objectif produit une image agrandie d'un objet (généralement un grossissement d'environ 100) ; le grossissement supplémentaire introduit par les lentilles intermédiaires et de projection va d'un peu moins de 10 à un peu plus de 1 000. Ainsi, le grossissement qui peut être obtenu dans les OPEM modernes va de moins de 1 000 à 1 000 000 MICROSCOPE ÉLECTRONIQUE (à un grossissement d'un million de fois en pamplemousse. grandit jusqu'à la taille de la Terre.) L'objet étudié est généralement placé sur un maillage très fin placé dans un support spécial. Le support peut être déplacé mécaniquement ou électriquement en douceur de haut en bas et de gauche à droite. Le contraste dans OPEM est dû à la diffusion des électrons lorsque le faisceau d’électrons traverse l’échantillon. Si l’échantillon est suffisamment fin, la fraction d’électrons diffusés est faible. Lorsque des électrons traversent un échantillon, certains d'entre eux sont dispersés en raison de collisions avec les noyaux des atomes de l'échantillon, d'autres sont dispersés en raison de collisions avec les électrons des atomes et d'autres encore traversent sans subir de diffusion. Le degré de diffusion dans n'importe quelle région de l'échantillon dépend de l'épaisseur de l'échantillon dans cette région, de sa densité et de la masse atomique moyenne (nombre de protons) en un point donné. Les électrons quittant le diaphragme avec une déviation angulaire dépassant une certaine limite ne peuvent plus revenir au faisceau portant l'image, et donc des zones hautement diffusantes de densité accrue, d'épaisseur accrue et des emplacements d'atomes lourds apparaissent dans l'image sous forme de zones sombres sur une lumière. arrière-plan. Une telle image est appelée champ clair car le champ environnant est plus lumineux que l’objet. Mais il est possible de s'assurer que le système de déviation électrique ne laisse passer qu'une partie des électrons diffusés dans le diaphragme de l'objectif. L’échantillon apparaît alors clair sur un fond sombre. Il est souvent plus pratique de visualiser un objet faiblement diffusant en mode fond noir. L'image électronique agrandie finale est convertie en image visible par un écran fluorescent qui brille sous le bombardement électronique. Cette image, généralement peu contrastée, est généralement visualisée au microscope optique binoculaire. À luminosité égale, un tel microscope avec un grossissement de 10 peut créer sur la rétine une image 10 fois plus grande que celle observée à l'œil nu. Parfois, pour augmenter la luminosité d'une image faible, un écran phosphorescent avec un convertisseur électron-optique est utilisé. Dans ce cas, l'image finale peut être affichée sur un écran de télévision ordinaire, ce qui permet de l'enregistrer sur bande vidéo. L'enregistrement vidéo est utilisé pour enregistrer des images qui changent dans le temps, par exemple en raison de l'apparition d'une réaction chimique. Le plus souvent, l'image finale est enregistrée sur un film photographique ou une plaque photographique. Une plaque photographique produit généralement une image plus claire que celle vue à l’œil nu ou enregistrée sur bande vidéo, car les matériaux photographiques, en général, enregistrent les électrons plus efficacement. De plus, 100 fois plus de signaux peuvent être enregistrés par unité de surface de film photographique que par unité de surface de bande vidéo. Grâce à cela, l'image enregistrée sur un film photographique peut être agrandie environ 10 fois sans perte de clarté.
Image. Les faisceaux d'électrons ont des propriétés similaires à celles des faisceaux lumineux. En particulier, chaque électron est caractérisé par une longueur d’onde spécifique. La résolution d'un EM est déterminée par la longueur d'onde effective des électrons. La longueur d'onde dépend de la vitesse des électrons, et donc de la tension accélératrice ; plus la tension accélératrice est élevée, plus plus de vitesseélectrons et plus la longueur d’onde est courte, ce qui signifie que plus la résolution est élevée. Un avantage aussi significatif de l'EM en termes de résolution s'explique par le fait que la longueur d'onde des électrons est beaucoup plus courte que la longueur d'onde de la lumière. Mais comme les lentilles électroniques ne se concentrent pas aussi bien que les lentilles optiques (l'ouverture numérique d'une bonne lentille électronique n'est que de 0,09, alors que pour une bonne lentille optique, cette valeur atteint 0,95), la résolution de l'EM est égale à 50-100 longueurs d'onde électroniques. Même avec des lentilles aussi faibles, un microscope électronique peut atteindre une limite de résolution d'env. 0,17 nm, ce qui permet de distinguer les atomes individuels dans les cristaux. Pour obtenir une résolution de cet ordre, il faut un réglage très minutieux de l'instrument ; en particulier, des alimentations très stables sont nécessaires, ainsi que l'appareil lui-même (qui peut mesurer environ 2,5 m de haut et peser plusieurs tonnes) et son équipement supplémentaire nécessitent une installation qui élimine les vibrations.
MICROSCOPE ÉLECTRONIQUE RASTER
Le SEM, devenu un instrument incontournable de la recherche scientifique, constitue un bon complément à l'OPEM. Les SEM utilisent des lentilles électroniques pour focaliser un faisceau d'électrons sur un très petit point. Il est possible d'ajuster le SEM pour que le diamètre de la tache ne dépasse pas 0,2 nm, mais, en règle générale, il est de quelques ou dizaines de nanomètres. Ce point parcourt en permanence une certaine zone de l'échantillon, semblable à un faisceau parcourant l'écran d'un tube de télévision. Le signal électrique généré lorsqu'un objet est bombardé par un faisceau d'électrons est utilisé pour former une image sur l'écran d'un kinéscope de télévision ou d'un tube cathodique (CRT), dont le balayage est synchronisé avec le système de déviation du faisceau d'électrons (Fig. 3) . Le grossissement dans ce cas s'entend comme le rapport entre la taille de l'image sur l'écran et la taille de la zone couverte par le faisceau sur l'échantillon. Cette augmentation se situe entre 10 et 10 millions.

L'interaction des électrons du faisceau focalisé avec les atomes de l'échantillon peut conduire non seulement à leur diffusion, qui est utilisée pour obtenir des images en OPEM, mais aussi à l'excitation de rayons X, à l'émission de lumière visible et à l'émission d'électrons secondaires. De plus, comme le MEB ne dispose que de lentilles de focalisation devant l'échantillon, il permet l'examen d'échantillons « épais ».
SEM réfléchissant. Le SEM réfléchissant est conçu pour étudier des échantillons massifs. Étant donné que le contraste qui apparaît lors de l'enregistrement est réfléchi, c'est-à-dire Les électrons rétrodiffusés et secondaires sont principalement liés à l'angle d'incidence des électrons sur l'échantillon, la structure de la surface est révélée dans l'image. (L'intensité de la rétrodiffusion et la profondeur à laquelle elle se produit dépendent de l'énergie des électrons dans le faisceau incident. L'émission d'électrons secondaires est principalement déterminée par la composition de la surface et la conductivité électrique de l'échantillon.) Ces deux signaux contiennent des informations. sur les caractéristiques générales de l’échantillon. Grâce à la faible convergence du faisceau électronique, il est possible d'effectuer des observations avec une profondeur de champ beaucoup plus grande qu'en travaillant au microscope optique, et d'obtenir d'excellentes micrographies volumétriques de surfaces au relief très développé. En enregistrant le rayonnement X émis par un échantillon, en plus des données sur le relief, il est possible d'obtenir des informations sur la composition chimique de l'échantillon dans une couche superficielle d'une profondeur de 0,001 mm MICROSCOPE ÉLECTRONIQUE. La composition du matériau à la surface peut également être jugée par l'énergie mesurée avec laquelle certains électrons sont émis. Toutes les difficultés liées au travail avec SEM sont principalement dues à ses systèmes d'enregistrement et de visualisation électronique. L'appareil doté d'une gamme complète de détecteurs, ainsi que de toutes les fonctions SEM, assure le mode de fonctionnement d'un microanalyseur à sonde électronique.
Microscope électronique à transmission à balayage. Un microscope électronique à transmission et à balayage (RTEM) est un type spécial de SEM. Il est conçu pour des échantillons minces, les mêmes que ceux étudiés en OPEM. Le diagramme RPEM diffère du diagramme de la Fig. 3 uniquement en ce sens qu'il ne comporte pas de détecteurs situés au-dessus de l'échantillon. Étant donné que l’image est formée par un faisceau progressif (plutôt que par un faisceau illuminant toute la zone échantillon étudiée), une source d’électrons de haute intensité est nécessaire pour que l’image puisse être enregistrée dans un temps raisonnable. Les RTEM haute résolution utilisent des émetteurs de champ à haute luminosité. Dans une telle source d'électrons, un champ électrique très puissant (environ V/cm) est créé à proximité de la surface d'un fil de tungstène de très petit diamètre aiguisé par gravure. Ce champ extrait littéralement des milliards d’électrons du fil sans aucune chaleur. La luminosité d'une telle source est presque 10 000 fois supérieure à celle d'une source à fil de tungstène chauffé (voir ci-dessus), et les électrons émis par celle-ci peuvent être focalisés dans un faisceau d'un diamètre inférieur à 1 nm. Des faisceaux d'un diamètre proche de 0,2 nm ont même été obtenus. Les sources électroniques de terrain ne peuvent fonctionner que dans des conditions d’ultra-vide (à des pressions inférieures à Pa), dans lesquelles les contaminants tels que les vapeurs d’hydrocarbures et l’eau sont totalement absents, et où l’imagerie haute résolution devient possible. Grâce à de telles conditions ultrapures, il est possible d’étudier des processus et des phénomènes inaccessibles à l’EM avec les systèmes de vide conventionnels. Les études RPEM sont réalisées sur des échantillons ultra-minces. Les électrons traversent ces échantillons presque sans se disperser. Les électrons diffusés selon des angles de plus de quelques degrés sans ralentissement sont enregistrés lorsqu'ils heurtent une électrode annulaire située sous l'échantillon (Fig. 3). Le signal collecté par cette électrode dépend fortement du numéro atomique des atomes dans la région traversée par les électrons : les atomes plus lourds dispersent plus d'électrons vers le détecteur que les atomes plus légers. Si le faisceau d’électrons est focalisé sur un point de moins de 0,5 nm de diamètre, des atomes individuels peuvent être visualisés. En fait, il est possible de distinguer des atomes individuels ayant la masse atomique du fer (c'est-à-dire 26 ou plus) dans l'image obtenue dans le RTEM. Les électrons qui n'ont pas subi de diffusion dans l'échantillon, ainsi que les électrons qui ont ralenti suite à l'interaction avec l'échantillon, passent dans le trou du détecteur annulaire. Un analyseur d'énergie situé sous ce détecteur permet de séparer les premiers des seconds. En mesurant l'énergie perdue par les électrons lors de la diffusion, des informations importantes sur l'échantillon peuvent être obtenues. Les pertes d'énergie liées à l'excitation du rayonnement X ou à l'élimination des électrons secondaires de l'échantillon permettent de juger propriétés chimiques substances dans la région traversée par le faisceau d’électrons.
MICROSCOPE TUNNEL RASTER
Les EM évoqués ci-dessus utilisent des lentilles magnétiques pour focaliser les électrons. Cette section est consacrée à l'EM sans lentilles. Mais avant de passer au microscope à effet tunnel (RTM), il sera utile d’examiner brièvement deux anciens types de microscopes sans lentille qui produisent une image d’ombre projetée.
Projecteurs auto-électroniques et auto-ioniques. La source électronique de terrain utilisée dans le RPEM est utilisée dans les projecteurs d'ombres depuis le début des années 1950. Dans un projecteur à émission de champ, les électrons émis par émission de champ depuis une pointe de très petit diamètre sont accélérés vers un écran fluorescent situé à quelques centimètres de la pointe. De ce fait, une image projetée de la surface de la pointe et des particules situées sur cette surface apparaît sur l'écran avec une augmentation égale au rapport du rayon de l'écran sur le rayon de la pointe (ordre). Une résolution plus élevée est obtenue dans un projecteur d'ions de champ, dans lequel l'image est projetée à l'aide d'ions d'hélium (ou d'autres éléments), dont la longueur d'onde effective est plus courte que celle des électrons. Cela produit des images qui montrent la véritable disposition des atomes dans le réseau cristallin du matériau de la pointe. Ainsi, les projecteurs d'ions de champ sont notamment utilisés pour étudier la structure cristalline et ses défauts dans les matériaux à partir desquels de telles pointes peuvent être réalisées.
Microscope à tunnel à balayage (RTM). Ce microscope utilise également une pointe métallique de petit diamètre pour fournir des électrons. Un champ électrique est créé dans l'espace entre la pointe et la surface de l'échantillon. Le nombre d'électrons attirés par le champ de la pointe par unité de temps (courant tunnel) dépend de la distance entre la pointe et la surface de l'échantillon (en pratique, cette distance est inférieure à 1 nm). Au fur et à mesure que la pointe se déplace le long de la surface, le courant est modulé. Cela permet d'obtenir une image liée à la topographie de la surface de l'échantillon. Si la pointe se termine par un seul atome, alors une image de la surface peut être formée en passant atome par atome. Le RTM ne peut fonctionner qu'à condition que la distance entre la pointe et la surface soit constante et que la pointe puisse être déplacée avec une précision de tailles atomiques. Les vibrations sont supprimées grâce à la conception rigide et à la petite taille du microscope (pas plus gros qu'un poing), ainsi qu'à l'utilisation d'amortisseurs en caoutchouc multicouches. La haute précision est assurée par les matériaux piézoélectriques, qui s'allongent et se contractent sous l'influence d'un champ électrique externe. En appliquant une tension de l'ordre de 10-5 V, il est possible de modifier les dimensions de tels matériaux de 0,1 nm ou moins. Ceci permet, en attachant la pointe à un élément en matériau piézoélectrique, de la déplacer dans trois directions perpendiculaires entre elles avec une précision de l'ordre de la taille atomique.
TECHNIQUE DE MICROSCOPIE ÉLECTRONIQUE
Il n'existe pratiquement aucun secteur de recherche dans le domaine de la biologie et de la science des matériaux qui n'utilise pas la microscopie électronique à transmission (MET) ; ceci est assuré par les progrès des techniques de préparation des échantillons. Toutes les techniques utilisées en microscopie électronique visent à obtenir un échantillon extrêmement fin et à offrir un contraste maximal entre celui-ci et le substrat dont il a besoin comme support. La technique de base est conçue pour des échantillons d'une épaisseur de 2 à 200 nm, soutenus par de minces films de plastique ou de carbone, qui sont placés sur une grille d'un maillage d'environ 100 mm. 0,05 mm. (Un échantillon approprié, quelle que soit la manière dont il est obtenu, est traité de manière à augmenter l'intensité de la diffusion électronique sur l'objet étudié.) Si le contraste est suffisamment élevé, alors l'œil de l'observateur peut facilement distinguer les détails situés à une distance de 0,1-0,2 mm les uns des autres. Par conséquent, pour que les détails séparés d'une distance de 1 nm sur l'échantillon puissent être distingués dans l'image créée par un microscope électronique, un grossissement total de l'ordre de 100 à 200 000 est nécessaire. Les meilleurs microscopes peuvent créer une image de. un échantillon sur une plaque photographique avec un tel grossissement, mais en même temps la zone affichée est trop petite. Généralement, une micrographie est prise à un grossissement inférieur, puis agrandie photographiquement. La plaque photographique mesure environ 10 cm de long. 10 000 lignes. Si chaque ligne de l'échantillon correspond à une certaine structure d'une longueur de 0,5 nm, alors pour enregistrer une telle structure, un grossissement d'au moins 20 000 est nécessaire, alors qu'avec l'aide du SEM et du RPEM, dans lesquels l'image est enregistrée par un système électronique et affiché sur un écran de télévision, seulement OK. 1000 lignes. Ainsi, lors de l'utilisation d'un écran de télévision, le grossissement minimum requis est environ 10 fois supérieur à celui d'une photographie.
Médicaments biologiques. La microscopie électronique est largement utilisée dans la recherche biologique et médicale. Des méthodes de fixation, d'intégration et d'obtention de fines coupes de tissus pour la recherche en OPEM et RPEM, ainsi que des techniques de fixation pour l'étude d'échantillons volumétriques en SEM ont été développées. Ces techniques permettent d'étudier l'organisation cellulaire au niveau macromoléculaire. La microscopie électronique a révélé les composants de la cellule et les détails structurels des membranes, des mitochondries, du réticulum endoplasmique, des ribosomes et de nombreux autres organites qui composent la cellule. L'échantillon est d'abord fixé avec du glutaraldéhyde ou d'autres fixateurs, puis déshydraté et incorporé dans du plastique. Les méthodes de cryofixation (fixation à très basse température - cryogénique -) permettent de préserver la structure et la composition sans utiliser de substances chimiques fixatrices. De plus, les méthodes cryogéniques permettent l’imagerie d’échantillons biologiques congelés sans déshydratation. À l'aide d'ultramicrotomes dotés de lames en diamant poli ou en verre ébréché, des coupes de tissus d'une épaisseur de 30 à 40 nm peuvent être réalisées. Les préparations histologiques montées peuvent être colorées avec des composés de métaux lourds (plomb, osmium, or, tungstène, uranium) pour améliorer le contraste des composants ou structures individuels.

La recherche biologique a été étendue aux micro-organismes, en particulier aux virus, qui ne sont pas détectés au microscope optique. La TEM a permis de révéler, par exemple, les structures des bactériophages et la localisation des sous-unités dans les coques protéiques des virus. De plus, en utilisant des méthodes de coloration positives et négatives, il a été possible d'identifier la structure avec des sous-unités dans un certain nombre d'autres microstructures biologiques importantes. Les techniques d'amélioration du contraste des acides nucléiques ont permis d'observer l'ADN simple et double brin. Ces molécules longues et linéaires sont réparties dans une couche de protéine basique et appliquées sur un film mince. Une très fine couche de métal lourd est ensuite évaporée sous vide sur l’échantillon. Cette couche de métal lourd « ombrage » l'échantillon, grâce à quoi celui-ci, lorsqu'il est observé dans OPEM ou RPEM, apparaît comme éclairé du côté à partir duquel le métal a été déposé. Si vous faites pivoter l’échantillon pendant le dépôt, le métal s’accumule uniformément autour des particules de tous les côtés (comme une boule de neige).
Matériaux non biologiques. La TEM est utilisée dans la recherche sur les matériaux pour étudier les cristaux minces et les limites entre différents matériaux. Pour obtenir une image haute résolution de l’interface, l’échantillon est rempli de plastique, l’échantillon est coupé perpendiculairement à l’interface, puis aminci de manière à ce que l’interface soit visible sur un bord net. Le réseau cristallin diffuse fortement les électrons dans certaines directions, produisant un diagramme de diffraction. L'image d'un échantillon cristallin est largement déterminée par ce motif ; le contraste dépend fortement de l'orientation, de l'épaisseur et de la perfection du réseau cristallin. Les changements de contraste dans l'image permettent d'étudier le réseau cristallin et ses imperfections à l'échelle atomique. Les informations obtenues dans ce cas complètent celles fournies par l'analyse aux rayons X d'échantillons globaux, puisque l'EM permet de voir directement les dislocations, les défauts d'empilement et les joints de grains dans tous les détails. De plus, des diagrammes de diffraction électronique peuvent être obtenus à l’aide de l’EM et des diagrammes de diffraction provenant de zones sélectionnées de l’échantillon peuvent être observés. Si le diaphragme de l'objectif est réglé de manière à ce qu'un seul faisceau central diffracté et non diffusé le traverse, il est alors possible d'obtenir une image d'un certain système de plans cristallins qui produit ce faisceau diffracté. Les instruments modernes permettent de résoudre des périodes de réseau de 0,1 nm. Les cristaux peuvent également être étudiés par imagerie en fond noir, dans laquelle le faisceau central est bloqué afin que l'image soit formée par un ou plusieurs faisceaux diffractés. Toutes ces méthodes ont fourni des informations importantes sur la structure de nombreux matériaux et ont considérablement clarifié la physique des cristaux et leurs propriétés. Par exemple, l'analyse d'images TEM du réseau cristallin de quasi-cristaux minces de petite taille en combinaison avec l'analyse de leurs diagrammes de diffraction électronique a permis en 1985 de découvrir des matériaux présentant une symétrie du cinquième ordre.
Microscopie haute tension. Actuellement, l'industrie produit des versions haute tension d'OPEM et de RPEM avec une tension d'accélération de 300 à 400 kV. De tels microscopes ont un pouvoir de pénétration plus élevé que les appareils basse tension et sont presque aussi performants à cet égard que les microscopes d'un million de volts construits dans le passé. Les microscopes haute tension modernes sont assez compacts et peuvent être installés dans une salle de laboratoire ordinaire. Leur pouvoir pénétrant accru s’avère être une propriété très précieuse lors de l’étude des défauts de cristaux plus épais, notamment ceux à partir desquels il est impossible de réaliser des échantillons minces. En biologie, leur fort pouvoir pénétrant permet d’étudier des cellules entières sans les couper. De plus, à l'aide de tels microscopes, il est possible d'obtenir des images tridimensionnelles d'objets épais.
Microscopie basse tension. Des SEM avec des tensions accélératrices de quelques centaines de volts seulement sont également disponibles. Même à des tensions aussi basses, la longueur d’onde des électrons est inférieure à 0,1 nm, de sorte que la résolution spatiale est également limitée par les aberrations des lentilles magnétiques. Cependant, comme les électrons de faible énergie pénètrent peu sous la surface de l’échantillon, presque tous les électrons impliqués dans la formation de l’image proviennent d’une région située très près de la surface, augmentant ainsi la résolution du relief de la surface. À l'aide de SEM basse tension, des images ont été obtenues sur surfaces dures objets inférieurs à 1 nm.
Dommages causés par les radiations. Puisque les électrons sont des rayonnements ionisants, l’échantillon dans l’EM y est constamment exposé. (Cette exposition produit des électrons secondaires utilisés dans le SEM.) Par conséquent, les échantillons sont toujours soumis à des dommages causés par les radiations. La dose typique de rayonnement absorbée par un échantillon mince lors de l'enregistrement d'une microphotographie dans un OPEM correspond approximativement à l'énergie qui serait suffisante pour une évaporation complète eau froide issu d'un étang de 4 m de profondeur d'une superficie de 1 ha. Pour réduire les dommages causés par les radiations à un échantillon, il est nécessaire d'utiliser diverses méthodes de préparation de l'échantillon : coloration, enrobage, congélation. De plus, il est possible d'enregistrer une image à des doses d'électrons 100 à 1 000 fois inférieures à celles de la technique standard, puis de l'améliorer à l'aide de méthodes de traitement d'images informatiques.
CONTEXTE HISTORIQUE
Histoire de la création microscope électronique - merveilleux exemple comment le faire soi-même zones en développement la science et la technologie peuvent, en échangeant les informations reçues et en unissant leurs forces, créer un nouvel outil puissant pour la recherche scientifique. Le summum de la physique classique était la théorie du champ électromagnétique, qui expliquait la propagation de la lumière, l'émergence de champs électriques et magnétiques et le mouvement des particules chargées dans ces champs par la propagation des ondes électromagnétiques. L'optique ondulatoire a mis en évidence le phénomène de diffraction, le mécanisme de formation de l'image et le jeu des facteurs qui déterminent la résolution au microscope optique. Nous devons les progrès dans le domaine de la physique théorique et expérimentale à la découverte de l’électron et de ses propriétés spécifiques. Ces voies de développement distinctes et apparemment indépendantes ont conduit aux fondements de l’optique électronique, dont l’une des applications les plus importantes a été l’invention de l’EM dans les années 1930. Un indice direct de cette possibilité peut être considéré comme l'hypothèse sur la nature ondulatoire de l'électron, avancée en 1924 par Louis de Broglie et confirmée expérimentalement en 1927 par K. Davisson et L. Germer aux États-Unis et J. Thomson en Angleterre. Cela suggérait une analogie qui permettait de construire un EM selon les lois de l'optique ondulatoire. H. Bush a découvert qu'en utilisant des champs électriques et magnétiques, il est possible de former des images électroniques. Dans les deux premières décennies du 20e siècle. les conditions techniques nécessaires ont également été créées. Les laboratoires industriels travaillant sur l'oscilloscope à faisceau électronique ont produit une technologie du vide, des sources stables de haute tension et de courant et de bons émetteurs d'électrons. En 1931, R. Rudenberg déposa une demande de brevet pour un microscope électronique à transmission, et en 1932, M. Knoll et E. Ruska construisirent le premier microscope de ce type, utilisant des lentilles magnétiques pour focaliser les électrons. Cet appareil était le prédécesseur de l'OPEM moderne. (Ruska a été récompensé pour ses efforts en remportant le prix Nobel de physique en 1986.) En 1938, Ruska et B. von Borries ont construit un prototype d'OPEM industriel pour Siemens-Halske en Allemagne ; cet instrument a finalement permis d'atteindre une résolution de 100 nm. Quelques années plus tard, A. Prebus et J. Hiller construisent le premier OPEM haute résolution à l'Université de Toronto (Canada). Les vastes possibilités de l'OPEM sont devenues presque immédiatement évidentes. Son fabrication industrielle a été lancée simultanément par Siemens-Halske en Allemagne et par RCA Corporation aux États-Unis. À la fin des années 40, d’autres sociétés ont commencé à produire de tels appareils. Le SEM dans sa forme actuelle a été inventé en 1952 par Charles Otley. Certes, des versions préliminaires d'un tel appareil ont été construites par Knoll en Allemagne dans les années 1930 et par Zworykin et ses collègues de la RCA Corporation dans les années 1940, mais seul l'appareil d'Otley a pu servir de base à un certain nombre d'améliorations techniques, culminant dans l'introduction d'une version industrielle du SEM en production au milieu des années 1960. La gamme de consommateurs d'un appareil aussi simple à utiliser avec une image tridimensionnelle et un signal de sortie électronique s'est élargie de façon exponentielle. Il existe actuellement une douzaine de fabricants industriels de SEM sur trois continents et des dizaines de milliers d'appareils de ce type sont utilisés dans les laboratoires du monde entier. Dans les années 1960, des microscopes à ultra haute tension ont été développés pour étudier des échantillons plus épais. Le développement a été réalisé par G. Dupuy en France, où en 1970 un dispositif avec une tension accélératrice de 3,5 millions de volts a été introduit. Le RTM a été inventé par G. Binnig et G. Rohrer en 1979 à Zurich. Cet appareil, de conception très simple, fournit des capacités atomiques. résolution des surfaces sur la création de RTM, Binnig et Rohrer (simultanément avec Ruska) ont reçu. Prix ​​Nobel en physique.
Voir aussi

Pour étudier les nanoobjets, la résolution des microscopes optiques ( même en utilisant l'ultraviolet) n'est clairement pas suffisant. À cet égard, dans les années 1930. l'idée est née d'utiliser des électrons à la place de la lumière, dont la longueur d'onde, comme nous le savons grâce à physique quantique, des centaines de fois inférieure à celle des photons.

Comme vous le savez, notre vision repose sur la formation d'une image d'un objet sur la rétine de l'œil par les ondes lumineuses réfléchies par cet objet. Si la lumière traverse un système optique avant d’entrer dans l’œil microscope, nous voyons une image agrandie. Dans ce cas, le trajet des rayons lumineux est habilement contrôlé par les lentilles qui composent la lentille et l'oculaire de l'appareil.

Mais comment obtenir une image d’un objet, et avec une résolution bien plus élevée, en utilisant non pas un rayonnement lumineux, mais un flux d’électrons ? En d’autres termes, comment est-il possible de voir des objets à l’aide de particules plutôt que d’ondes ?

La réponse est très simple. On sait que la trajectoire et la vitesse des électrons sont fortement influencées par les champs électromagnétiques externes, à l'aide desquels le mouvement des électrons peut être contrôlé efficacement.

La science du mouvement des électrons dans les champs électromagnétiques et du calcul des dispositifs qui forment les champs nécessaires s'appelle optique électronique.

Une image électronique est formée par des champs électriques et magnétiques de la même manière qu’une image lumineuse est formée par des lentilles optiques. Par conséquent, dans un microscope électronique, les dispositifs de focalisation et de diffusion d'un faisceau d'électrons sont appelés « lentilles électroniques”.

Objectif électronique. Les bobines de fils transportant le courant focalisent le faisceau électronique de la même manière qu'une lentille en verre focalise un faisceau lumineux.

Le champ magnétique de la bobine agit comme une lentille convergente ou divergente. Pour concentrer le champ magnétique, la bobine est recouverte d'un "magnétique" armure» fabriqué à partir d'un alliage spécial nickel-cobalt, ne laissant qu'un espace étroit dans la partie intérieure. Le champ magnétique ainsi créé peut être 10 à 100 000 fois plus puissant que le champ magnétique terrestre !

Malheureusement, nos yeux ne peuvent pas percevoir directement les faisceaux d’électrons. Ils sont donc utilisés pour « dessin" images sur des écrans fluorescents (qui brillent lorsqu'ils sont touchés par des électrons). À propos, le même principe sous-tend le fonctionnement des moniteurs et des oscilloscopes.

Il existe un grand nombre de différents types de microscopes électroniques, parmi lesquels le plus populaire est le microscope électronique à balayage (MEB). Nous obtiendrons son schéma simplifié si nous plaçons l'objet étudié à l'intérieur du tube cathodique d'un téléviseur ordinaire entre l'écran et la source d'électrons.

Dans ce microscope un mince faisceau d'électrons (diamètre du faisceau d'environ 10 nm) parcourt (comme s'il balayait) l'échantillon le long de lignes horizontales, point par point, et transmet de manière synchrone le signal au kinéscope. L'ensemble du processus est similaire au fonctionnement d'un téléviseur pendant le processus de numérisation. La source d'électrons est un métal (généralement du tungstène), à ​​partir duquel des électrons sont émis lorsqu'ils sont chauffés par émission thermoionique.

Schéma de fonctionnement d'un microscope électronique à balayage

Émission thermoionique– libération d'électrons de la surface des conducteurs. Le nombre d’électrons libérés est faible à T=300K et augmente de façon exponentielle avec l’augmentation de la température.

Lorsque des électrons traversent un échantillon, certains d'entre eux sont dispersés en raison de collisions avec les noyaux des atomes de l'échantillon, d'autres sont dispersés en raison de collisions avec les électrons des atomes et d'autres encore le traversent. Dans certains cas, des électrons secondaires sont émis, des rayons X sont induits, etc. Tous ces processus sont enregistrés par des détecteurs et sous une forme convertie sont affichés sur l'écran, créant une image agrandie de l'objet étudié.

Le grossissement dans ce cas s'entend comme le rapport entre la taille de l'image sur l'écran et la taille de la zone couverte par le faisceau sur l'échantillon. Étant donné que la longueur d’onde d’un électron est plusieurs fois inférieure à celle d’un photon, dans les SEM modernes, ce grossissement peut atteindre 10 millions15, ce qui correspond à une résolution de quelques nanomètres, ce qui permet de visualiser des atomes individuels.

Principal inconvénient microscopie électronique– la nécessité de travailler sous vide complet, car la présence de tout gaz à l'intérieur de la chambre du microscope peut conduire à l'ionisation de ses atomes et fausser considérablement les résultats. De plus, les électrons ont un effet destructeur sur les objets biologiques, ce qui les rend inapplicables à la recherche dans de nombreux domaines de la biotechnologie.

Histoire de la création microscope électronique est un exemple remarquable de réalisation basée sur une approche interdisciplinaire, lorsque des domaines scientifiques et technologiques en développement indépendant se sont réunis pour créer un nouvel outil puissant pour la recherche scientifique.

Le summum de la physique classique était la théorie du champ électromagnétique, qui expliquait la propagation de la lumière, de l’électricité et du magnétisme par la propagation des ondes électromagnétiques. L'optique ondulatoire a expliqué le phénomène de diffraction, le mécanisme de formation de l'image et le jeu des facteurs qui déterminent la résolution dans un microscope optique. Succès physique quantique c'est à nous que l'on doit la découverte de l'électron avec ses propriétés spécifiques d'onde particulaire. Ces voies de développement distinctes et apparemment indépendantes ont conduit à la création de l’optique électronique, dont l’une des inventions les plus importantes fut le microscope électronique dans les années 1930.

Mais les scientifiques ne se sont pas reposés là-dessus non plus. La longueur d'onde d'un électron accéléré par un champ électrique est de plusieurs nanomètres. Ce n’est pas mal si l’on veut voir une molécule ou même un réseau atomique. Mais comment regarder à l’intérieur d’un atome ? À quoi ressemble une liaison chimique ? À quoi ressemble le processus d’une seule réaction chimique ? Pour cela aujourd'hui à différents pays les scientifiques développent des microscopes à neutrons.

Les neutrons font généralement partie des noyaux atomiques avec les protons et ont une masse près de 2 000 fois supérieure à celle d’un électron. Ceux qui n’ont pas oublié la formule de de Broglie du chapitre quantique se rendront immédiatement compte que la longueur d’onde d’un neutron est d’autant plus courte, c’est-à-dire qu’elle est de picomètres, de millièmes de nanomètre ! L’atome apparaîtra alors aux chercheurs non pas comme un point flou, mais dans toute sa splendeur.

Neutron microscope présente de nombreux avantages - en particulier, les neutrons cartographient bien les atomes d'hydrogène et pénètrent facilement dans d'épaisses couches d'échantillons. Cependant, sa construction est très difficile : les neutrons n'ont pas charge électrique, ils ignorent donc calmement les champs magnétiques et électriques et s’efforcent d’échapper aux capteurs. De plus, il n’est pas si facile d’expulser des neutrons gros et maladroits des atomes. Aujourd’hui, les premiers prototypes de microscope à neutrons sont donc encore très loin d’être parfaits.

un dispositif d'observation et de photographie d'images multipliées (jusqu'à 10 6 fois) d'objets, dans lequel, au lieu de rayons lumineux, sont utilisés des faisceaux accélérés à des énergies élevées (30-100 keV ou plus) dans des conditions de vide profond. Base physique du faisceau corpusculaire instruments optiques ont été fondées en 1834 (presque cent ans avant l'apparition du microscope électronique) par U. R., qui a établi des analogies entre les rayons lumineux dans des milieux optiquement inhomogènes et les trajectoires des particules dans des champs de force. La faisabilité de la création d'un microscope électronique est devenue évidente après son avancement en 1924, et les conditions techniques préalables ont été créées par le physicien allemand H. Busch, qui a étudié la focalisation des champs axisymétriques et a développé une lentille électronique magnétique (1926). En 1928, les scientifiques allemands M. Knoll et E. Ruska ont commencé à créer le premier microscope électronique à transmission magnétique (TEM) et ont obtenu trois ans plus tard une image d'un objet formé par des faisceaux. Au cours des années suivantes (M. von Ardenne, 1938; V.K., 1942), les premiers microscopes électroniques à trame (MEB) furent construits, fonctionnant sur le principe du balayage (balayage), c'est-à-dire le mouvement séquentiel d'un mince faisceau d'électrons d'un point à un autre ( sonde) par objet. Au milieu des années 1960. Les SEM ont atteint une haute perfection technique et, à partir de ce moment, ils ont commencé à être utilisés dans recherche scientifique. Les TEM ont le plus haut (PC), dépassant de plusieurs milliers de fois les microscopes optiques dans ce paramètre. T.n. La limite de résolution, qui caractérise l'appareil pour afficher séparément les plus petits détails possibles d'un objet, est de 2-3 pour TEM. Dans des conditions favorables, des atomes lourds individuels peuvent être photographiés. Lors de la photographie de structures périodiques, telles que des réseaux cristallins atomiques, il est possible d'atteindre une résolution inférieure à 1 . De telles résolutions élevées sont obtenues grâce à la longueur extrêmement courte (voir). Ouverture optimale [voir. en optique électronique (et ionique)] peut être réduit (affectant le microscope électronique PC) avec une erreur de diffraction suffisamment petite. Aucune méthode de correction efficace n'a été trouvée au microscope électronique (voir). Par conséquent, dans les TEM, les magnétiques (EL), qui ont des valeurs plus petites, ont complètement remplacé les EL électrostatiques. Les PEM sont produits à diverses fins. Ils peuvent être divisés en 3 groupes : microscope électronique à haute résolution, TEM simplifié et microscope électronique à haute accélération.

MET haute résolution(2-3 Å) - comme des appareils polyvalents. À l'aide d'appareils et d'accessoires supplémentaires, vous pouvez incliner un objet selon différents grands angles par rapport à l'axe optique, le chauffer, le refroidir, le déformer, effectuer des méthodes de recherche, etc. L'accélération des électrons atteint 100-125 kV, est réglable par étapes et est très stable : en 1 à 3 minutes, il ne change pas de plus de 1 à 2 ppm par rapport à l'original. Une image d'un TEM typique du type décrit est présentée dans riz. 1. Un vide est créé dans son système optique (colonne) à l'aide d'un système de vide spécial (jusqu'à 10 -6 mm Hg). Le schéma du système optique TEM est présenté dans riz. 2. Le faisceau, qui sert de cathode chauffée, (est formé puis focalisé deux fois par les premier et deuxième condenseurs, créant un petit « point » électronique sur l'objet (lors du réglage du spot, il peut varier de 1 à 20 microns) Ensuite, la pièce est diffusée à travers l'objet et retardée par le diaphragme. Les électrons non diffusés traversent le diaphragme et sont focalisés dans la lentille intermédiaire de l'objet. Ici, la première image agrandie est formée par la deuxième, la troisième, etc. Images. La dernière lentille de projection forme une image sur un écran fluorescent, qui brille sous l'influence des électrons. Grossissement du microscope électronique. Le degré et la nature de la diffusion des électrons ne sont pas les mêmes en différents points. l'objet, puisque l'épaisseur et la composition chimique de l'objet changent d'un point à l'autre. Le nombre d'électrons retenus par le diaphragme d'ouverture après son passage change en conséquence. divers points objet, et donc la densité de courant dans l'image, qui est convertie en sur l'écran. Sous l'écran se trouve un magazine avec des planches photographiques. Lors de la photographie, l'écran est retiré et les électrons agissent sur la couche d'émulsion. L'image est focalisée par un changement progressif du courant excitant l'objectif. Les courants des autres lentilles sont ajustés pour changer le grossissement Microscope électronique

Riz. 3. Microscope électronique à ultra haute tension (UHEM) : 1 - réservoir dans lequel du gaz isolant électrique (SF6) est pompé jusqu'à une pression de 3 à 5 atm ; 2 - canon à électrons ; 3 - tube accélérateur ; 4 - condensateurs de source haute tension ; 5 - bloc de lentilles à condenseur ; 6 - lentille; 7, 8, 9 - lentilles de projection ; 10 - microscope optique ; 11 - panneau de commande.

Microscope électronique à balayage (MEB)à cathode incandescente sont conçus pour étudier des objets massifs avec une résolution de 70 à 200 Å. L'accélérateur du SEM peut être réglé dans la plage de 1 à 30-50 kV.

Le dispositif d'un microscope électronique à balayage est illustré dans riz. 4. À l’aide de 2 ou 3 EL, une sonde électronique étroite est focalisée sur l’échantillon. Des déflecteurs magnétiques déploient la sonde sur une zone donnée de l'objet. Lorsqu'une sonde interagit avec un objet, plusieurs types apparaissent ( riz. 5) - électrons secondaires et réfléchis ; les électrons traversant l'objet (s'il est mince) ; Radiographie et caractéristiques ; rayonnement, etc.

Riz. 5. Schéma d'enregistrement des informations sur un objet reçu dans le SEM. 1 - faisceau d'électrons primaires ; 2 - détecteur d'électrons secondaires ; 3 - Détecteur de rayons X ; 4 - détecteur d'électrons réfléchis ; 5 - détecteur de rayonnement lumineux ; 6 - détecteur d'électrons transmis ; 7 - un dispositif de mesure du potentiel électrique induit sur un objet ; 8 - un dispositif de mesure du courant d'électrons traversant un objet ; 9 - un appareil pour mesurer le courant d'électrons absorbés dans un objet.

Chacun de ces rayonnements peut être enregistré par un collecteur correspondant contenant un capteur qui se convertit en rayonnement électrique qui, après amplification, est transmis au (CRT) et module son faisceau. Le balayage du faisceau CRT est effectué avec balayage de la sonde électronique dans le SEM, et une image agrandie de l'objet est observée sur l'écran CRT. Le grossissement est égal au rapport entre la hauteur du cadre sur l'écran CRT et la largeur de l'objet numérisé. L'image est photographiée directement depuis l'écran CRT. Le principal avantage du SEM est le contenu informatif élevé de l'appareil, dû à la possibilité d'observer l'image à l'aide de divers capteurs. Avec l'aide du SEM, il est possible d'étudier, composition chimique par objet, jonctions p-n, produits et bien plus encore. L'échantillon est généralement examiné sans préparation préalable. SEM est également utilisé dans processus technologiques(défauts de copeaux, etc.). Un niveau élevé pour SEM PC est réalisé lors de la formation d'images à l'aide de secondaires. Elle est déterminée par le diamètre de la zone à partir de laquelle ces électrons sont émis. La taille de la zone, à son tour, dépend du diamètre de la sonde, des propriétés de l'objet, des électrons du faisceau primaire, etc. À une grande profondeur de pénétration des électrons primaires, les processus secondaires se développant dans toutes les directions augmentent le diamètre de la zone et le PC diminue. Le détecteur d'électrons secondaire est constitué d'un photomultiplicateur et d'un convertisseur électron-photon dont l'élément principal est au nombre de deux - un extracteur en forme de grille sous un potentiel positif (jusqu'à plusieurs centaines de V), et un accélérateur ; ce dernier fournit aux électrons secondaires capturés l'énergie nécessaire à leur réalisation. Environ 10 kV sont appliqués à l'électrode accélératrice ; Il s'agit généralement d'un revêtement d'aluminium sur le scintillateur. Le nombre d'éclairs du scintillateur est proportionnel au nombre d'éclairs secondaires émis en un point donné de l'objet. Après amplification, le PMT et le signal sont modulés par le faisceau CRT. L'ampleur du signal dépend de l'échantillon, de la présence de microchamps électriques et magnétiques locaux, de la valeur de , qui à son tour dépend de la composition chimique de l'échantillon en un point donné. Les électrons réfléchis sont enregistrés par un dispositif à semi-conducteur (silicium). Le contraste de l'image est déterminé par la dépendance de l'angle d'incidence du faisceau primaire et du numéro atomique. La résolution de l'image obtenue « en électrons réfléchis » est inférieure à celle obtenue en utilisant des électrons secondaires (parfois d'un ordre de grandeur). En raison de la rectitude du vol des électrons vers le collecteur, les informations sur les zones individuelles à partir desquelles il n'y a pas de chemin direct vers le collecteur sont perdues (des ombres apparaissent). La caractéristique est isolée soit par un capteur cristallin à rayons X, soit par un capteur à dispersion d'énergie - un détecteur à semi-conducteur (généralement constitué de silicium pur dopé au lithium). Dans le premier cas, les quanta de rayons X, après réflexion par le cristal du spectromètre, sont enregistrés par un spectromètre à gaz, et dans le second, le signal extrait d'un semi-conducteur est amplifié par un signal à faible bruit (qui est refroidi à l'azote liquide pour réduire le bruit) et un système d'amplification ultérieur. Le signal du cristal module le faisceau CRT et une image de l'un ou l'autre apparaît sur l'écran. élément chimique par objet. Les SEM produisent également des rayons X locaux. Le détecteur à dispersion d'énergie enregistre tous les éléments de Na à U avec une sensibilité élevée. Un spectromètre à cristaux, utilisant un ensemble de cristaux avec différentes valeurs interplanaires (voir), couvre de Be à U. Un inconvénient important du SEM est la longue durée du processus de « suppression » des informations lors de l'étude des objets. Un PC relativement élevé peut être obtenu en utilisant une sonde électronique d'un diamètre suffisamment petit. Mais en même temps, la sonde diminue, ce qui entraîne une forte augmentation de l'influence, réduisant ainsi le rapport signal/bruit utile. Pour s'assurer que le rapport signal sur bruit ne descende pas en dessous d'un niveau donné, il est nécessaire de ralentir les balayages pour accumuler un nombre suffisamment important de primaires (et secondaires correspondants) en chaque point de l'objet. En conséquence, le PC n’est implémenté qu’à de faibles taux de numérisation. Parfois, une image se forme en 10 à 15 minutes.

Riz. 6. Schéma de principe d'un microscope électronique à balayage à transmission (STEM) : 1 - cathode à émission de champ ; 2 - anode intermédiaire ; 3 - anodes ; 4 - système de déflexion pour le réglage du faisceau ; 5 - diaphragme « illuminateur » ; 6, 8 - systèmes de déviation pour scanner la sonde électronique ; 7 - objectif magnétique à longue focale ; 9 - diaphragme d'ouverture; 10 - lentille magnétique ; 11 - objet ; 12, 14 - systèmes de déflexion ; 13 - collecteur annulaire d'électrons diffusés ; 15 - collecteur d'électrons non diffusés (retiré lors du travail avec le spectromètre) ; 16 - spectromètre magnétique dans lequel les faisceaux d'électrons sont tournés de 90° par un champ magnétique ; 17 - système de déviation pour sélectionner des électrons avec diverses pertes d'énergie ; 18 - fente du spectromètre ; 19 - collectionneur; SE - flux d'électrons secondaires hn - rayonnement X.

SEM avec pistolet à émission de champ avoir un PC élevé pour SEM (jusqu'à 30 Å). Dans un canon à émission de champ (comme dans) une cathode en forme de pointe est utilisée, au sommet de laquelle une forte onde apparaît, arrachant les électrons de la cathode (voir). La luminosité électronique d'un canon à cathode à émission de champ est 10 3 à 10 4 fois supérieure à celle d'un canon à cathode chaude. En conséquence, le courant de la sonde électronique augmente. Par conséquent, dans un SEM doté d'un canon à émission de champ, des balayages rapides sont effectués et la sonde est réduite pour augmenter le PC. Cependant, la cathode à émission de champ ne fonctionne de manière stable que sous ultra-vide (10 -9 -10 -11 mm Hg), ce qui complique la conception de tels SEM et leur fonctionnement.

Microscope électronique à balayage à transmission (STEM) avoir le même PC élevé que PEM. Ces appareils utilisent des canons à émission de champ, qui en fournissent suffisamment dans une sonde d'un diamètre allant jusqu'à 2-3 Å. Sur riz. 6 Une représentation schématique d'un PREM est présentée. Deux réduisent le diamètre de la sonde. Sous l'objet se trouvent le centre et l'anneau. Les électrons non diffusés tombent sur le premier et, après amplification des signaux correspondants, ce qu'on appelle image en champ clair. Les électrons dispersés sont collectés sur un détecteur en anneau, créant ce qu'on appelle. image en champ sombre. Dans le STEM, il est possible d'étudier des objets plus épais que dans le TEM, car l'augmentation du nombre d'objets dispersés de manière inélastique avec une épaisseur n'affecte pas la résolution (après l'objet, il n'y a pas d'optique dans le STEM). Grâce à l'énergie, les électrons traversant un objet sont séparés en faisceaux diffusés de manière élastique et inélastique. Chaque faisceau frappe son propre détecteur et une image correspondante contenant Informations Complémentairesà propos d'un objet diffusant. La haute résolution dans un STEM est obtenue avec des balayages lents, car dans une sonde d'un diamètre de seulement 2 à 3 Å, le courant est trop faible.

Microscope électronique de type mixte. La combinaison dans un seul appareil des principes de formation d'images avec un faisceau stationnaire (comme en TEM) et de balayage d'une fine sonde sur un objet a permis de réaliser les avantages du TEM, SEM et STEM dans un tel microscope électronique. Actuellement, tous les TEM offrent la possibilité d'observer des objets en mode raster (en utilisant des lentilles condensatrices et en créant une image réduite qui est balayée sur l'objet par des systèmes de déflexion). En plus de l'image formée par un faisceau stationnaire, des images raster sont obtenues sur des écrans CRT utilisant des électrons transmis et secondaires, des images caractéristiques, etc. Le système optique d'un tel TEM, situé après l'objet, permet de fonctionner dans des modes qui ne sont pas réalisables dans d’autres appareils. Par exemple, vous pouvez observer simultanément sur l'écran CRT et une image du même objet sur l'écran de l'appareil.

Émission E. m. créer une image d'un objet en électrons, qui sont émis par l'objet lui-même lorsqu'il est chauffé, par un faisceau primaire et lorsqu'un champ électrique puissant est appliqué, qui extrait les électrons de l'objet. Ces appareils ont généralement un objectif précis.

Microscope électronique à miroir servent principalement à visualiser le « relief potentiel » électrostatique et les microchamps magnétiques sur un objet. Le principal élément optique de l'appareil est, et l'un d'eux est l'objet lui-même, qui est soumis à un léger potentiel négatif par rapport à la cathode du pistolet. Le faisceau d'électrons est dirigé dans le miroir et réfléchi par le champ situé à proximité immédiate de l'objet. Le miroir forme une image sur l'écran « en faisceaux réfléchis ». Les microchamps proches de la surface de l'objet redistribuent les électrons des faisceaux réfléchis, créant une image qui visualise ces microchamps.

Perspectives de développement Microscope électronique L'augmentation du PC dans les images d'objets non périodiques à 1 Å ou plus permettra d'enregistrer non seulement des atomes lourds mais aussi légers et de les visualiser au niveau atomique. Pour créer un microscope électronique avec une résolution similaire, la vitesse d’accélération est augmentée. Ser. Physique", vol. 34, 1970; Hawks P., et, trad. de l'anglais, M., 1974 ; Derkach V.P., Kiyashko G.F., Kukharchuk M.S., Electronoprobe devices, K., 1974 ; Stoyanova I. G., Anaskin I. F., Fondements physiques des méthodes de microscopie électronique à transmission, M., 1972 ; Oatley S. W., Le microscope électronique à balayage, Camb., 1972 ; Grivet P., Optique électronique, 2 éd., Oxf., 1972.

La microscopie électronique est une méthode d'étude des structures hors de vue microscope optique et ayant des dimensions inférieures à un micron (de 1 micron à 1-5 Å).

Le fonctionnement d'un microscope électronique (Fig.) repose sur l'utilisation d'un flux dirigé, qui agit comme un faisceau lumineux dans un microscope optique, et le rôle de lentilles est joué par des aimants (lentilles magnétiques).

Étant donné que différentes zones de l'objet étudié retiennent les électrons de différentes manières, l'écran du microscope électronique produit une image en noir et blanc de l'objet étudié, agrandie des dizaines et des centaines de milliers de fois. Les microscopes électroniques à transmission sont principalement utilisés en biologie et en médecine.

La microscopie électronique est apparue dans les années 1930, lorsque les premières images de certains virus (virus de la mosaïque du tabac et bactériophages) ont été obtenues. Actuellement, la microscopie électronique a trouvé l'application la plus large en virologie et en virologie, conduisant à la création de nouvelles branches scientifiques. En microscopie électronique d'objets biologiques, des méthodes de préparation spéciales sont utilisées. Ceci est nécessaire pour identifier les composants individuels des objets étudiés (cellules, bactéries, virus, etc.), ainsi que pour préserver leur structure dans des conditions de vide poussé sous un faisceau d'électrons. En microscopie électronique, la forme externe d'un objet et l'organisation moléculaire de sa surface sont étudiées ; par la méthode des coupes ultrafines, la structure interne de l'objet est étudiée.

La microscopie électronique en combinaison avec des méthodes de recherche biochimiques, cytochimiques, l'immunofluorescence ainsi que l'analyse par diffraction des rayons X permettent de juger de la composition et de la fonction des éléments structurels des cellules et des virus.

Microscope électronique des années 1970

La microscopie électronique est l'étude d'objets microscopiques à l'aide d'un microscope électronique.

Un microscope électronique est un instrument d'optique électronique qui a une résolution de plusieurs angströms et permet d'étudier visuellement la structure fine des structures microscopiques et même de certaines molécules.

Un canon à trois électrodes, composé d'une cathode, d'une électrode de commande et d'une anode, sert de source d'électrons pour créer un faisceau d'électrons qui remplace un faisceau lumineux (Fig. 1).

Riz. 1. Pistolet à trois électrodes : 1 - cathode ; 2 - électrode de contrôle ; 3 - faisceau d'électrons; 4 - anodes.

Les lentilles électromagnétiques, utilisées dans les microscopes électroniques au lieu des optiques, sont des solénoïdes multicouches enfermés dans des coques en matériau magnétique doux, qui ont à l'intérieur espace non magnétique (Fig. 2).

Riz. 2. Lentille électromagnétique : 1 - pièce polaire ; 2 - anneau en laiton ; 3 - enroulement ; 4 - coquille.

Les champs électriques et magnétiques créés dans un microscope électronique sont axialement symétriques. Grâce à l'action de ces champs, les particules chargées (électrons) émanant d'un point de l'objet selon un petit angle sont réassemblées dans le plan image. L'ensemble du système électro-optique est contenu dans la colonne du microscope électronique (Fig. 3).

Riz. 3. Système électro-optique : 1 - électrode de commande ; 2 - diaphragme du premier condensateur ; 3 - diaphragme du deuxième condensateur ; 4 - stigmatiseur du deuxième condensateur ; 5 - objet ; 6 - objectif ; 7 - stigmatiseur d'objectif ; 8 - stigmatiseur de lentille intermédiaire ; 9 - ouverture de l'objectif de projection ; 10 - cathode; 11 - anodes ; 12 - premier condensateur ; 13 - deuxième condensateur ; 14 - correcteur de mise au point ; 15 - table porte-objets ; 16 - ouverture de l'objectif ; 17 - diaphragme sélecteur ; 18 - lentille intermédiaire ; 19 - objectif de projection ; 20 - écran.

Le faisceau d'électrons créé par le canon à électrons est dirigé dans le champ d'action des lentilles condensatrices, qui permettent de faire varier dans une large plage la densité, le diamètre et l'ouverture du faisceau incident sur l'objet étudié. Une table est installée dans la chambre de l'objet, dont la conception assure le mouvement de l'objet dans des directions mutuellement perpendiculaires. Dans ce cas, vous pouvez inspecter séquentiellement une surface égale à 4 mm 2 et sélectionner les zones les plus intéressantes.

Derrière l'appareil photo du sujet se trouve un objectif qui permet d'obtenir une image nette du sujet. Il donne également la première image agrandie de l'objet et, à l'aide d'objectifs ultérieurs, intermédiaires et de projection, le grossissement global peut être augmenté au maximum. L'image de l'objet apparaît sur un écran qui luminescent sous l'influence des électrons. Derrière l'écran se trouvent des plaques photo. La stabilité du canon à électrons, ainsi que la clarté de l'image, ainsi que d'autres facteurs (constance de la haute tension, etc.) dépendent en grande partie de la profondeur du vide dans la colonne du microscope électronique, donc de la qualité de l'appareil. est largement déterminé par le système de vide (pompes, canaux de pompage, robinets, vannes, joints) (Fig. 4). Le vide requis à l’intérieur de la colonne est obtenu grâce au haut rendement des pompes à vide.

Une pompe à vide préalable mécanique crée un vide préliminaire dans l'ensemble du système de vide, puis la pompe à diffusion d'huile entre en service ; les deux pompes sont connectées en série et fournissent un vide poussé dans la colonne du microscope. L'introduction d'une pompe de surpression d'huile dans le système de microscope électronique a permis de longue duréeéteignez la pompe primaire.

Riz. 4. Circuit à vide d'un microscope électronique : 1 - piège refroidi à l'azote liquide (conduite de refroidissement) ; 2 - vanne à vide poussé ; 3 - pompe à diffusion ; 4 - vanne de dérivation ; 5 - petit cylindre tampon ; 6 - pompe de surpression ; 7 - pompe à vide préalable mécanique de vide préliminaire ; 8 - vanne à quatre voies ; 9 - grand cylindre tampon ; 10 - colonne de microscope électronique ; 11 - vanne d'entrée d'air dans la colonne du microscope.

Le circuit électrique du microscope comprend des sources haute tension, un chauffage cathodique, une alimentation pour lentilles électromagnétiques, ainsi qu'un système qui fournit une tension secteur alternative au moteur électrique de la pompe à vide préalable, au four de la pompe à diffusion et à l'éclairage du panneau de commande. Les exigences imposées au dispositif d'alimentation électrique sont très exigences élevées: par exemple, pour un microscope électronique à haute résolution, le degré d'instabilité de la haute tension ne doit pas dépasser 5·10 -6 en 30 secondes.

Un faisceau d’électrons intense est formé à la suite d’une émission thermique. La source de filament pour la cathode, qui est un filament de tungstène en forme de V, est un générateur haute fréquence. La tension générée avec une fréquence d'oscillation de 100 à 200 kHz fournit un faisceau d'électrons monochromatique. Les lentilles du microscope électronique sont alimentées par un courant constant et hautement stabilisé.

Riz. 5. Microscope électronique UEMV-100B pour étudier les micro-organismes vivants.

Les appareils sont produits (Fig. 5) avec une résolution garantie de 4,5 Å ; Sur des photographies individuelles uniques, une résolution de 1,27 Å a été obtenue, se rapprochant de la taille d'un atome. L'augmentation utile dans ce cas est de 200 000.

Un microscope électronique est un instrument de précision qui nécessite des méthodes de préparation particulières. Les objets biologiques ont un faible contraste, il est donc nécessaire d'augmenter artificiellement le contraste du médicament. Il existe plusieurs façons d'augmenter le contraste des préparations. En ombrant la préparation selon un angle avec du platine, du tungstène, du carbone, etc., il devient possible de déterminer les dimensions le long des trois axes du système de coordonnées spatiales sur des images au microscope électronique. Avec un contraste positif, le médicament se combine avec des sels de métaux lourds solubles dans l'eau (acétate d'uranyle, monoxyde de plomb, permanganate de potassium, etc.). En contraste négatif, la préparation est entourée d'une fine couche d'une substance amorphe de haute densité, impénétrable aux électrons (molybdate d'ammonium, acétate d'uranyle, acide phosphotungstique, etc.).

La microscopie électronique des virus (viroscopie) a conduit à des progrès significatifs dans l'étude de la structure ultrafine et submoléculaire des virus (voir). Parallèlement aux méthodes de recherche physiques, biochimiques et génétiques, l'utilisation de la microscopie électronique a également contribué à l'émergence et au développement de la biologie moléculaire. Le sujet d'étude de cette nouvelle branche de la biologie est l'organisation et le fonctionnement submicroscopiques des cellules humaines, animales, végétales, bactériennes et mycoplasmiques, ainsi que l'organisation des rickettsies et des virus (Fig. 6). Les virus, les grosses molécules de protéines et d'acides nucléiques (ARN, ADN), les fragments cellulaires individuels (par exemple la structure moléculaire de la membrane cellulaire bactérienne) peuvent être examinés au microscope électronique après un traitement spécial : nuance métallique, contraste positif ou négatif avec l'acétate d'uranyle ou l'acide phosphotungstique, ainsi que d'autres composés (Fig. 7).

Riz. 6. Cellule de culture de tissus cardiaques de singe Cynomolgus infectée par le virus variolique (X 12 000) : 1 - noyau ; 2 - mitochondries ; 3 - cytoplasme ; 4 - virus.
Riz. 7. Virus de la grippe (contraste négatif (X450 000) : 1 - enveloppe ; 2 - ribonucléoprotéine.

Grâce à la méthode du contraste négatif, des groupes régulièrement disposés de molécules protéiques – les capsomères – ont été découverts à la surface de nombreux virus (Fig. 8).

Riz. 8. Fragment de la surface de la capside du virus de l'herpès. Les capsomères individuels sont visibles (X500 000) : 1 - vue latérale ; 2 - vue de dessus.
Riz. 9. Coupe ultrafine de la bactérie Salmonella typhimurium (X80 000) : 1 - noyau ; 2 - coquille; 3 - cytoplasme.

La structure interne des bactéries et des virus, ainsi que d'autres objets biologiques plus grands, ne peut être étudiée qu'après les avoir disséqués à l'aide d'un ultratome et préparé les coupes les plus fines d'une épaisseur de 100 à 300 Å. (Fig. 9). Grâce à des méthodes améliorées de fixation, d'enrobage et de polymérisation d'objets biologiques, à l'utilisation de couteaux en diamant et en verre lors de l'ultratomisation, ainsi qu'à l'utilisation de composés à contraste élevé pour la coloration de coupes en série, il a été possible d'obtenir des coupes ultrafines non seulement de grande taille. , mais aussi les plus petits virus humains, animaux, végétaux et bactéries.

Table des matières du thème "Microscopie électronique. Membrane.":

Microscopes électroniques est apparu dans les années 1930 et s’est largement répandu dans les années 1950.

La photo montre une transmission moderne (transparente) microscope électronique, et la figure montre le trajet du faisceau d'électrons dans ce microscope. Dans un microscope électronique à transmission, les électrons traversent l’échantillon avant la formation d’une image. Un tel microscope électronique fut le premier à être construit.

Microscope électronique renversé par rapport à un microscope optique. Le rayonnement est appliqué à l'échantillon par le haut et une image est formée en bas. Le principe de fonctionnement d'un microscope électronique est essentiellement le même que celui d'un microscope optique. Le faisceau électronique est dirigé par des lentilles condensatrices sur l’échantillon, et l’image résultante est ensuite agrandie à l’aide d’autres lentilles.

Le tableau résume certaines des similitudes et des différences entre la lumière et microscopes électroniques. Au sommet de la colonne du microscope électronique se trouve une source d'électrons : un filament de tungstène, semblable à celui que l'on trouve dans une ampoule ordinaire. Une haute tension (par exemple 50 000 V) lui est appliquée et le filament émet un flux d'électrons. Les électroaimants focalisent le faisceau d'électrons.

Un vide profond est créé à l’intérieur de la colonne. Ceci est nécessaire afin de minimiser la dispersion électrons en raison de leur collision avec des particules d'air. Seules des coupes ou des particules très fines peuvent être utilisées pour l'examen au microscope électronique, car le faisceau électronique est presque entièrement absorbé par des objets plus gros. Les parties de l’objet relativement plus denses absorbent les électrons et apparaissent donc plus sombres dans l’image résultante. Des métaux lourds tels que le plomb et l'uranium sont utilisés pour colorer l'échantillon afin d'augmenter le contraste.

Électrons invisibles à l'œil humain, ils sont donc dirigés vers une image fluorescente, qui reproduit une image visible (noir et blanc). Pour prendre une photo, l'écran est retiré et les électrons sont dirigés directement sur le film. Une photographie prise au microscope électronique est appelée micrographie électronique.

Avantage du microscope électronique:
1) haute résolution (0,5 nm en pratique)

Inconvénients du microscope électronique:
1) le matériel préparé pour la recherche doit être mort, car pendant le processus d'observation, il se trouve sous vide ;
2) il est difficile d'être sûr que l'objet reproduit cellule vivante dans tous ses détails, puisque la fixation et la coloration du matériau étudié peuvent modifier ou endommager sa structure ;
3) le microscope électronique lui-même et son entretien sont coûteux ;
4) préparer le matériel pour travailler avec un microscope prend du temps et nécessite un personnel hautement qualifié ;
5) les échantillons étudiés sont progressivement détruits sous l'action d'un faisceau d'électrons. Par conséquent, si une étude détaillée d’un échantillon est nécessaire, il est nécessaire de le photographier.