STRUKTURNA ISTRAŽIVANJA, PART II:

ELEKTRONSKA MIKROSKOPIJA

Friday, March 8, 13

Ernst Ruska i Max Knoll - konstrukcija prvog elektronskog mikroskopa 1931

(Ruska dobio NN 1986)

T4 Bacteriophage

Elektronska mikroskopija premošćuje razmak između XRD i optičke mikroskopije

Friday, March 8, 13

‘Oruđa zanata’

Atomic Force Microscope

Scanning Electron Microscope

High Resolution Transmission Electron Microscope

Friday, March 8, 13

Dimenzije

Rezolucija ljudskog oka: 0.2 mmRezolucija optickog mikroskopa 200 nm (povećanje 1000x)

Friday, March 8, 13

Povijest

• 1920-tih otkriveno da se ubrzavajući elektorni u vakuumu ponašaju kao svjetlost

• kreću se pravolinijski i posjeduju valna svojstva, valna duljina oko 10 000 puta manja nego svjetlosti

• električno i magnetsko polje mogu utjecati na kretanje elektrona, kao što i staklene leće skreću i fokusiraju svjetlost

• prvi elektronski mikroskop koristio je dvije magnetske leće, a tri godine nakon je stavljena i treća čime je postignuta rezolucija od 100 nm (dvostruko veća od tadašnjeg optičkog mikroskopa)

• danas, elektronski mikroskopi postižu rezoluciju veću od 0.05 nm, 4 000 puta veću od svjetlosnog i 4 000 000 puta veću od ljudskog oka

Friday, March 8, 13

Usporedba optičkog i elektronskog mikroskopa

• elektronski mikroskop koristi zraku nabijenih čestica umjesto svjetlosti, i elektromagnetske ili elektrostatske leće za fokusiranje čestica

• unutar elektronskog mikroskopa uvijek mora postojati vakuum prilikom snimanja budući da je prosječni slobodni put elektrona u zraku malen

• elektronski mikroskopi posjeduju mnogo veću rezoluciju - moguće je razlučivanje atoma

• u kemiji je moguće razlučivanje veza duljine 1 nm

• postoji mogućnost oštećivanja uzoraka (većinom kod bioloških, ali i ostalih uzoraka)

Friday, March 8, 13

Usporedba svjetlosnog i transmisijskog el. mikroskopa

Friday, March 8, 13

Usporedba skenirajućeg i fokusirajućeg ionskog el. mikroskopa

Friday, March 8, 13

TEM - ukratko

• TEM se može usporediti s dijaprojektorom:- svjetlost iz izvora svjetlosti pretvara se u snop paralelnih zraka pomoću kondenzorskih leća- zrake zatim prolaze kroz dijapozitiv (objekt) i zatim se fokusiraju kao uvećana slika na ekran pomoću objektnih leća

• U elektronskom mikroskopu, izvor svjetlosti zamijenjen je izvorom elektrona, staklene leće zamijenjene su magnetskim, i projekcijski ekran zamijenjen flouroscentnim ekranom, koji emitira svjetlost kad elektroni udaraju u njega, ili CCD kamerama• Cijela trajektorija od od izvora do ekrana je u vakuumu i uzorak mora biti jako tanak da bi elektroni prošli kroz njega

Friday, March 8, 13

SEM i FIB - ukratkoZamislite da se nalazite u nepoznatoj mracnoj sobi i sa sobom imate jedino svjetiljku s tankim snopom svjet lost i . Najpametni je je sobu prelazit i skeniranjem svjetiljke lijevo-desno, polaganim spuštanjem prema dolje (rasteriranje) tako da možete složiti sliku predmeta u sobi i pohraniti u memoriju.SEM radi istu stvar, samo koristi zraku elektrona umjesto svjetiljke.

STEM - kombinacija TEM-a i SEM-a

FIB slican SEM-u ali umjesto zrake elektrona postoji zraka iona - najcesće pozitivno nabijen galij (Ga+)FIB omogućava visoku rezoluciju (nekoliko nm) i budući da su ioni mnogo masivniji od elektrona omogućava vrlo precizno uklanjanje (sputtering) materijala s uzorka.

Friday, March 8, 13

TEM - detaljno

4 glavne komponente:- elektronska opticka kolona- vakuumski sustav- elektronika (leće za fokusiranje i otklon zrake i generator visokog napona)- software za upravljanje

Jakost (fokalna duljina) magnetskih leća mijenja se promjenom struje kroz zavojnice leće

Debljina uzorka 0.5 μm ili manja

Nakon prolaska kroz uzorak, objektivna leća sakuplja i fokusira transmitirane elektrone i zatim se realna slika uzorka projicira pomoću projekcijskih leća.

Friday, March 8, 13

Što se dešava s elektronima u uzorku?

Friday, March 8, 13

Unutrašnjost transmisijskog elektronskog mikroskopa

katodakatoda

kondenzatorskaaperturakondenzatorskaapertura

objektnaaperturaobjektnaapertura

'selected area'apertura'selected area'apertura

Visokonaponskikabel (100-200 kV)Visokonaponskikabel (100-200 kV)

UbrzivačUbrzivač

KondenzatorskelećeKondenzatorskeleće

Ovdje sjediuzorakOvdje sjediuzorak

Komora zagledanjeKomora zagledanje

Friday, March 8, 13

Elektronska leća

Poprečni presjek elektronske leće. Uzorak se nalazi na S. Objektne aperture stavljaju se preko šipke E, i podešavaju pomoću dugmeta F. G su kanali za vodeno hlađenje. XX je optička os leće.

Friday, March 8, 13

Elektronska leća

Usporedba optičke i elektronske leće. Obje leće stvaraju sliku I predmeta koji se nalazi u O, tako da je geometrijski način stvaranja slike identičan. No, elektroni rotiraju u spiralnoj trajektoriji oko osi leće kako prolaze kroz magnetsko polje koje se stvara između polova P1 i P2.

Friday, March 8, 13

-Upadni snop elektrona prvo nailazi na kondenzorske leće koje kontroliraju veličinu i kutnu raspršenost elektronskog snopa. -Ispod druge kondenzorke leće smještene je kondenzorska apertura koja kontrolira broj elektrona koji se propušta u snop i tako određuje intenzitet osvijetljenja.

Kondenzorske leće

Unutrašnjost transmisijskog elektronskog mikroskopa

Friday, March 8, 13

Objektivska leća -Uzorak se nalazi unutar polova objektivske leće. -Leća je fokusirana na uzorak i daje prvu sliku uzorka a na stražnjoj fokalnoj ravnini sliku elektronske difrakcije

Objektivska apertura -Omogućava odabir elektrona koji će doprinositi slici. - Propuštaju se samo transmitirani elektroni direktnog snopa dobiva se slika svijetlog polja -Odvajanjem direktnog snopa a propuštanjem jednog ili više difraktiranih snopova dobiva slika tamnog polja.

Friday, March 8, 13

Međuleća

Između objektivske leće i zaslona nalaze se međuleće i projektorska leća. Prva međuleća može biti fokusiranana dva načina:

-Fokusirana na ravninu dobivanja slike objektivske leće: realna slika -Fokusirana na stražnju fokalnu ravninu objektivske leće:

difrakcijska slika

Friday, March 8, 13

Promjenom(jakos,(struje(kroz(zavojnice(leće,(mijenja(se(elektromagnetsko(polje(i(samim(,me(jakost(leće

Aberacije(leće:( 1.(sferna(aberacija((jakost(u(središtu(leće(razlikuje(se(od(jakos,(na(rubu)( 2.(kromatska(aberacija(((jakost(leće(ovisi(o(energiji(elektrona(u(zraci)( 3.(as,gma,zam((krug(u(uzorku(postaje(elipsa(u(slici)Osnovni(problem(predstavlja(sferna(aberacija((koja(ovisi(o(dizajnu(i(proizvođaču(leće)Kondenzorske(leće(fokusiraju(zraku(elektrona(na(uzorakObjek,vne(leće(stvaraju(sliku(uzorka(koja(se(za,m(uvećava(daljnjim(lećamaUkoliko(je(uzorak(kristaliničan,(difrakcijska(slika(će(se(stvori,(u(točki(ispod(objek,vne(leće((stražnja(fokalna(ravnina)

Nakon(objek,vne(leće(nalazi(se(nekoliko(projekcijskih(leća(koje(služe(za(fokusiranje,(uvećavanje(i(projekciju(slike(uzorka(ili(difrakcijske(slike

Na(putu(od(izvora(do(monitora((CCD(kamere(ili(filma)(snop(elektrona(prolazi(kroz(niz(apertura(različitog(promjera(koje(služe(za(zaustavljanje(nepotrebnih(elektrona((npr.(Raspršenih(elektrona)

Elektronska leća

Friday, March 8, 13

P(Bez(korekcija,(rezolucija(TEMPa(ograničena(je(prvenstveno(sfernom(aberacijom(koja(izaziva(razmazanost(informacije(iz(točke(u(uzorku(na(područje(na(slici(–(slika(je(mutna(i(delokalizirana

7

3

2 4e x p i e x p 2 i2 4

SCu u

.

Ovo   je   kontrastna   transfer   funkcija   leće   uzrokovana   sfernom   aberacijom   i   defokusiranjem,  koja   ima  odlučujuću  ulogu  u   transmisijskoj  mikroskopiji   visokog   razlučivanja. Uočavaju   se  različite   potencije u u  dva   člana   u   eksponentu.   To   znači   da  možemo,   do   određene granice, kompenzirati fazni pomak uzrokovan sfernom aberacijom (koja uvijek postoji i izvan je kontrole  mikroskopista)  mijenjanjem  fokusa  (koji  se  može  kontrolirati)  i  u  isto  vrijeme  uvesti  fazni  kontrast  na  slici,  kao  što  ćemo pokazati poslije. U nastavku koristimo u za  označavanje

2 3 412

π π Su u C u Intenzitet u ravnini slike Kao  što  smo  već  spomenuli,  valna  funkcija  ravnog  vala  koji  je  prošao  kroz  fazni  objekt  je

exp ix q x x , gdje je (x)   projicirani   potencijal   objekta.  Raspodjela   amplituda   u   recipročnom  prostoru   (u  stražnjoj  fokalnoj  ravnini  leće  objektiva)  je:

exp i .Q u Q u

Ovdje je ,Q u F q x Fourierov transformat od q(x).

(x)  možemo  pisati u obliku 0+1(x), gdje nam 0 predstavlja usrednjeni potencijal objekta, koji ne ovisi o x, i 1(x) koji predstavlja odstupanje od ovog prosjeka. Uz pretpostavku (koja je  općenito  ispunjena)  da  je   1 x x i  ispuštanje  člana  neovisnog o x, dolazimo do

1 1exp i 1 iq x x x .

Relacija je, jasno, ispunjena ukoliko vrijedi 1 1 .x U  recipročnom  prostoru:

11 i iQ u F q x F x u u .

u je Diracova delta funkcija, Fourierov transformat od 1, koji   je   različit   od   0   (i  beskonačno  velik!)  jedino  za  u =  0,  a  jednak  je  0  za  sve  ostale  vrijednosti.  U  našem  slučaju  on  predstavlja   primarnu   zraku.   Ako   sad   primijenimo   fazni   pomak   koji   nam   nameću   sferna  aberacija i defokus dobivamo

i co s i s inQ u u u u u , odnosno,  nakon  skraćivanja

s in i co sQ u u u u u u . Ako se vratimo u realni prostor:

1 1

1 1 11 s in i co sq x x F x x F u . Intenzitet u ravnini slike je

2 1

1 11 2 s inI x q x x F u , uz  uvjet  da  su  svi  članovi  <<1  tako  da  su  kvadratni  članovi  maleni. Sada, pretpostavimo da je

s in 1u i,  tada  će  se  relacija  svesti  na

fazni pomak(kontrastna transfer funkcija)

Friday, March 8, 13

Opažanje(i(snimanje(uzorkaP(izvorno,(flourescentni(ekran(koji(emitra(svjetlo(prilikom(udara(elektrona,(te(kamera(s(filmom

P(danas,(solidPstate(urađaji,(kao(što(je(CCD(kamera((također(s(flourescentnim(ekranom)P(najnovije,(„direct(electron(detector”(–(bez(scini,lijskog(materijala((uvodi(šum)(povećanje(rezolucije(i(korisnos,(detektora(do(tri(puta

VakuumP(elektroni(se(ponašaju(kao(valovi(samo(u(vakuumu((nema(sudara(s(čes,cama(zraka)P(najjači(vakuum(mora(bi,(oko(uzorka(i(izvora(elektrona,(najmanji(u(komori(kamere(sve(do(10P8(Pa

ElektronikaP(napon(ubrzanja(i(struja(kroz(leće(moraju(bi,(ekstremno(stabilniP(veliki(broj(izvora(napona(čiji(izlazni(napon(ne(smije(varira,(više(od(1/10(000(000(dijela(odabrane(vrijednos,

Orijentacija(i(manipulacija(uzorkomP(uzorak(se(mora(transla,ra,(u(x,(y(i(z(smjeru(ali(i(ro,ra,(oko(osi((goniometar)P(dodaci(za(hlađenje,(grijanje(i(mehanička(naprezanja

Priprema(uzorkaP(pločica(promjera(cca.(3(mm(i(debljine(max(20(nm((bioPistraživanja,(300P500(nm)P(eventualno(polikristal((prah),(promatranje(ruba(zrna

Friday, March 8, 13

Dobivanje(3PD(slikeP(sve(bitnije(danas:(poluvodička(industrija,(biološke(znanos,P(elektronska(tomografija,(sličnost(s(CAT(skenovima(i(MRIP(skup(projekcijskih(slika(iz(različi,h(perspek,vaP(uzorak(se(inkrementno(ro,ra(oko(osi(okomite(na(smjer(gledanjaP(računalo(spaja(slike(u(3PD(sliku

P(tomografija(s(dualnom(osi((međusobno(okomite)(za(poboljšanje(rezultata

Friday, March 8, 13

Skenirajući(elektronski(mikroskopP(SEM(se(sastoji(((kao(i(TEM)(od(elektronske(op,čke(kolone,(vakuumskog(sustava,(elektronike(i(soawarea

P(kolona(je(znatno(kraća(jer(su(potrebne(jedino(leće(iznad(uzorka((fokusiranje(elektrona(na(točku(na(površini(uzorka)

P(veličina(točke((spota)(je(polumjera(1(nmP(snop(elektrona(skenira(pravokutnu(površinu(uzorka(i(bilježe(se(intenzite,(raznih(signala(koji(dolaze(od(interakcija(između(elektrona(snopa(i(uzorka

P(,(intenzite,(se(za,m(mapriraju(kao(varijacije(u(svjetlos,((brightness)(ekranaP(najčešće(se(koris,(signal(sekundarnih(elektronaP(sličnost(s(fotografijama(iz(zraka:(rubovi(su(svijetli,(udubine(tamne

Razlike(u(odnosu(na(TEM:P(zraka(nije(sta,čna(nego(fokusirana(na(točku(i(skenira(liniju(po(liniju

P(napon(ubrzanja(je(mnogo(niži((50P30(000(V)P(uzorak(ne(mora(bi,(tanak

Friday, March 8, 13

SEM(se(koris,(uvijek(kada(je(potrebna(informacija(o(površini(uzorka!

P(različi,(signali(dolaze(iz(raznih(područja

Friday, March 8, 13

Sustavi(s(fokusiranom(zrakom(iona((FIB)

P(umjesto(snopa(elektrona(koris,(se(snop(iona(((također(se(mogu(fokusira,(i(ubrza,(električnim(i(magnetskim(poljem)

P(najlakši(ion(je(gotovo(2000(puta(teži(od(elektrona,(najteži(su(250(x(teži

P(sustav(gotovo(iden,čan(SEMPu

P(izravno(se(modificira(ili(„melje”(površina

P(kontrola(na(nanometarskoj(razini((pomoću(variranja(energije(i(intenziteta(snopa)

P(također(se(može(koris,,(za(depoziciju(materijala((zraka(izaziva(raspad(plina(prekursora)

Friday, March 8, 13

Dodatne(tehnike(vezane(uz(mikroskop1.(EDX((energy(dispersive(XPray(spectrometer)( P(elementni(sastav(materijala( P(prebrojavanje(i(sor,ranje(karakteris,čnog(rentgenskog(zračenja(prema(energiji( P(rezultantni(energijski(spektar(sadrži(maksimume(koji(odgovaraju(elemen,ma(( prisutnim(u(uzorku,(a(intenzitet(je(proprocinalan(udjelu

( P(skala(na(razini(10P20(nm( P(detekcija(do(,sućinke(pikograma((10P12(g)

ubaci&'sliku!'

2.(EELS((electron(energy(loss(spectrometry)

( P(analiza(transmi,ranih(elektrona

( P(određivanje(gubitka(energije(pri(interakciji(s(uzorkom

( P(pruža(informacije(o(interagirajućim(atomima;(elementna(iden,fikacija,(kemijske(veze,(valencije(i(svojstva(vodljive(elektronske(vrpce

Friday, March 8, 13

A(crystal(structure(determined(with(0.02(Å(accuracy(by(electron(microscopy,(T.(Weirich,(R.(Ramlau,(A.(Simon,(S.(Hovmoller,(X.(Zou,(Nature(328((1992)

Istraživan(je(sustav(TiPSe,(unutar(istraživanja(priređeni(su(i(strukturno karakterizirani(su:(Ti9Se2,(Ti8Se3(i(Ti2Se.(

Priređen(je(i(spoj(za(kojeg(se(vjerovalo(da(je(Ti11Se4(no(nije(se(mogao(dobi,(dovoljno(veliki(kristal(da(bi(se(struktura(riješila(metodom(monkristala,(pokušaji(rješavanja(strukture(iz(praha(također(nisu(uspjeli(pa(se(pristupilo(rješavanju(strukture(elektronskom(mikroskopijom.

Parametri(jedinične(ćelije(određeni(su(elektronskom(difrakcijom(i(iznose:a=(25.516(11),(b=3.4481(14)(c=19.201(6)(i(γ=117.84(3)º.

Friday, March 8, 13

A(crystal(structure(determined(with(0.02(Å(accuracy(by(electron(microscopy,(T.(Weirich,(R.(Ramlau,(A.(Simon,(S.(Hovmoller,(X.(Zou,(Nature(328((1992)

Mape(raspodjele(potencijalne(energije(,jekom(različi,h(faza(kristalografskog(procesiranja:((

Atomske(koordinate(određene(su(direktno(iz(iz(konačne(mape(raspodjele(kristalnog(potencijala.(

44(parametra(za(atomske(položaja((x(i(z(koordinate(za(23(neovisna(atoma,(dok(je(jedan(Ti(atom(smješen(u(specijalni(položaj)(i(23(isotropna(parametra(utočnjavani(su(prema(intenzite,ma(SAED.(Za(utočnjavanje(korišen(je(program(SHELXL93.(Utočnjavanje(je(konvergiralo(i(dalo(konačni(R(factor(od(Rwp=14.1%

Friday, March 8, 13

HRTEM slika slitine Al-35at%Zn

Friday, March 8, 13

Filtrirana(slika(HRTEM(slike(sli,na(AlP(35(at%(Zndobivene(određenim(difrakcijskim(točkama

Friday, March 8, 13