Электронды микроскопия

Жұмыс түрі: Реферат
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 15 бет
Таңдаулыға:

Жоспары:

1.
Жалпы түсінік
2
2.
Электронды микроскопия
3
3.
Электронды сәуле сипаттамасы
4
4.
Тарихы, түрлері, жұмыс принциптері, ажырату мүмкіншіліктері
7
5.
Трансмиссионды электрондық микроскоп
8
6.
Жарықтандырушы электрондық микроскоп
9
7.
Атомды-күш микроскопының құрылысымен жұмысының принципі
11
8.
Туннельдік микроскоп
12
9.
Сканерлейтін зонд микроскопы, жұмысының принципі, түрлері
14
10.
Қолданылған әдебиеттер
15

Жалпы түсінік.
Қазіргі электронды микроскоптың көрсеткіштік қабілеттілігі 0,1-0,3 нм-ге дейін жетеді. Электрондық микроскоптың құрылыс принципі жарық микроскопына ұқсас, сәулелерінің рөлін электр тоғымен қыздырылған вакуумда орналасқан V пішінді фольфрам жібі электрондар тасқынының қызметін атқарады, әйнек линзалардың орнында электромагниттік линзалар орналасқан. Жарық микроскопының объективі мен окулярының орнына электрондық микроскоптың магниттік катушкалары сәйкес келеді. Электронды микроскопта міндетті түрде вакуум болуы қажет, себебі ауада электрондар алысқа кете алмайды, оттегі, азот немесе көмір қышқыл газы молекулалармен кездессе, олар бөгеліп өз жолын өзгертіп шашырай кетеді. Электрондар тасқынының бағытын қажетіне қарай қуатты электр өрісі немесе магнит өрісімен өзгертуге болады. Электрондардың жылдамдығы үдесе, электрондық микроскоптың шешуші кабілеті артады.
Электронды микроскоптың экраны мен фотопластинкада 50 000 есе үлкейтуге, фотошығаруда одан да көп есе үлкейтуге (10) болады. Қазіргі уақытта флуоресценцияланатын экраннан электронды-микроскопиялық суреттерді сандық телекамерамен компьютерге беріледі. Принтерді пайдалана отырып, суреттерді шығара алады. Электронды микроскоптың көмегімен металл мен кристалды торларда зерттеуге қолданады.
Электронды микроскоптарда жарықтың орнына электрон сәулелері қолданылады, осыған байланысты қолданылатын қуаттың күші 50 -- 100 кВ-қа дейін барады, ал толқын ұзындығы 0,056-0,035 А°-ге жетеді. Толқын ұзындығы неғұрлым қысқа болса, микроскоптың көрсеткіштік қабілеттілігі сорғұрлым артатынын физика курсынан жақсы білеміз. Осыған байланысты электронды микроскоптардың көрсеткіштік қабілеттілігі − 1-7 А°- ға, ал үлкейткіштік қабілеттілігі 600 000-ға дейін жетеді. Электронды микроскоптың көмегімен қарайтын заттың қалыңдығы 400−600А° препаратты көруге болады, өйткені қалың препараттан электрондар өте алмайды, олардың өткізгіштік қасиеті нашар. Электронды микроскопқа препарат дайындайтын приборды ультрамикротом деп атайды. Осы прибордың көмегімен жұқа кесінді жасап, оны объекті торына бекітіп, арнайы бояулармен бояп, электронды микроскоппен қарайды. Электрон сәулелері препарат арқылы өткенде объектінің үлкейтілген көлеңкесі экранға түседі.

Электронды микроскопия

Электронды микроскопия талдаулар ішіндегі негізгілерінің бірі болып табылады. Себебі бұл әдіс заманауи болып табылады. Электронды микроскопияның шыққанына енді 15 жыл болды. Өзінің осындай жас әсдіс екендігіне қарамастан, қазіргі күндерде өте көптеп қолданылуда. Оның себебі зерттеуші ғалымдар заттардың жанама көрсеткіштеріне қарап оны әңгіме етуден, сол заттың структурасын 1 рет көргеніміз дұрыс деп санайды. Бұл жаңа құрылғылар осыдан 5-10 жыл бұрынғыға қарағанда жинақы әрі, арзанырақ. Қуатты компьютерлер және программалық жабдықтамалар экспериментті электронды микроскоппен жүргізуді әжептәуір оңай етті. Электронды микроскопияның негізгі құралдары мыналар болып табылады: жарықтандырғыш типтегі электронды микроскоп, атомдық деңгейдегі электронды микроскопия, сканерлеуші тунельді микроскоп және атомды - кушті микроскоп. Зерттеушілердің алдына көп тура келетін жағдай, оптикалық микроскоптың шешуші күші зерттелуші заттың структурасын сәулелендіруге жеткіліксіз. 1 мкм аумақты зерттейтін оптикалық микроскопты қолдану бізге қанағаттанарлық нәтижелер бермейді. электронды микроскоптың жоғарғы шешушілік қабілеті және өте дәлдікпен жақындатуы бізге материалдық структураның характерлік ерекшеліктерін, модификатор мен нуклеатор кристаллизациясының әсерлесуін бақылауға, кристаллдық фазаның идентифицировать етуге, кристалл және бөлшектердің размерлерін анықтауға, құрамын анықтауға және аморфты және крислаллды фазаның сандық қатынасын анықтауға мүмкіндік береді. Бұл жердегі сруктура сөзінің негізінде, зерттелетін заттың геометриялық сипаттамалары жатыр. Мысалы: кристаллды немесе базқа бөлшектің формасы немесе размері, және олардың өзіндік реттілікпен орналасуы, орентациясы, т.б
Электронды микроскоп деген, әртүрлі объекттерді зерттеп суретін өте үлкен масштабта үлкейтетін, және сол кезде қолданылатын жарық орнына жылдам электрондар сәулесін пайдаланатын құрылғы. Электронды микроскопта линзаның орнына белгілі конфигурациядағы магнитті және электрлік өріс алынады.
Электронды микроскоптың шешушілік күшін бағалау үшін оның электронының толқындық құрамын ескеру керек. Толқын ұзындығын анықтау үшін бізде де Бройль қатынасы қолданылады.
Электронды микроскоптың электрлік және магниттік өрісі аксиальді - симметриялы болып келеді. Бұлардың негізгі қасиеттерінің бірі, зарядталған бөлшектер үлкен емес бір бұрыштың қандай да бір нүктесінен шығып , өріс қозғалысымен барынша суретке түсіріп алуға тырысады.
Электронды микроскоп арқылы алынған үлкейтілген суреттер электрондардың вакуумдағы еркін қозғалысынан алынады. Электронды микроскоптың негізіне бөлшектің құрамының мынадай қасиеттері жатады: бөлшектердің вакуумде қозғалуы және заттың жұқа қабатынан өту мүмкіншілігі.
Электронды сәуле - үлгілерді қоздыруға жәнеде жарықтандыруға қолданылатын жылдам электронды сәуле.
Жылдамдатқыш кернеу - электронды сәуленің кинетикалық энергиясын анықтайтын, электронды пушканың электродтарының арасындағы кернеу.
Ажыратымдылығы - микростуктураның екі элементтерінің арасындағы азды көпті арақашықтық.
Жарықтандырылған сурет - микроструктураның үлкейтілген суреті, электрондармен қалыптасқан, энергетикалық аз шығынмен өтетін объект.
Қарағылатылған сурет - шашыраңқы электрондармен қалыптасады және өте шашыраңқы объекттерді сәулелендіруге қолданылады. Жарықтандырылған суретпен салыстырғанда негативті көрінеді.
Хроматты аберрация - объектті жарықтандырғаннан кейінгі электронның жылдамдығының төмендеуі.
Ультрамикротом (ультратом) - шыны немесе алмаз пышақтар көмегімен ультра жұқа (0,01-0,1мкм) кеінді (турама) объектілерін алуда қолданылатын қондырғы.
Реплика - электрондарға қабат ретінде пайдаланылатын жұқа, түссіз полимерлі материал.

Электронды сәуле сипаттамасы.

Электронды сәуленің негізгі сипаттамаларына мыналар жатады: интенсивтілігі, жарықтығы, когеренттілігі және тұрақтылығы. Интенсивтілік пен жарықтықты адастырып алуға болмайды.
Қайнар көз(источник) интенсивтілігі - бұл бірлік уақыт аралығындағы жіберілген электрондар саны, және оны бірлік аумақтың бетін сәулелендіруге тасымалдау. Яғни эмимтирленген токтың тығыздығы.
Жарықтығы - бірлік қатты бұрыштағы токтың тығыздығы.
Когеренттілігі - бәріне белгілі, ақ түс когерентті емес, әртүрлі ұзындықтағы толқын қоспасы болып табылатындықтан. Когерентті электронды сәуле алу үшін, сондай бір сәуле жасау керек, ол бірдей толқын ұзындығындағы электрондарды беретіндей, яғни, монохроматты сәуле.
Тұрақтылығы - сәле тұрақтылығы жоғарғы кернеу тұрақтылығымен жәнеде электронды қайнар көздің тұрақтылығымен анықталынады. Вакуумның үлкейуімен тұрақтылық та жақсарады.
Сканерлеуші электронды микроскоп (scanning electron microscope - SEM) - трансмиссиялы электрондық микроскопқа қарағанда басқаша, жәнеде басқа әдістермен жұыс жасайды. Сканерлеуші электронды микроскопта диаметрі 1мкм шамасындағы электронды сәуле, зерттелетін заттың барлық бетін мұқият сканерлейді. Беттің тофограпиясының кішігірім өзгерістері, қуат ағынына жойқын әсер етеді. SEM - нің басқаша атауы - растрлық электрондық микроскоп.
Интегра Прима (атомды-күшті және туннелді микроскоп) зондты зерттеу нанозертханасы
Көру мүмкіндігі - атомдық, механикалық жергілікті, пьезоэлектрлікті, адгезионды және трибологиялық сипатамасын, магнитті материалдарды, доменді құрылымын, жартылай өткізгіштерді, төсеніштің морфологиясын, қоспаның таралуын, гетерошекаралар мен p-n ауысу шекарасын, фазаралық шекараны, жұқа органикалық пленкалардың беткі қабаттың морфологиясын анықтайды. Бұл микроскоптар көмегімен үлгінің үш өлшемді беткі кескінін бір нанометрге дейін алуға болады. Сенсор ретінде вольфрамды зонд қолданылады, туннелді, атомды-күшті моде ретінде өлшеулер жүргізіледі және электрохимиялық ерітіндімен өңдеу арқылы бастапқы қалпына келтіруге болады.
Микросхеманың қолданылатын элементтерінің сызықтық өлшемдерін кішірейту микроэлектрониканың ең негізгі мəселелерінің бірі болып табылады. Өлшемдері бірнеше немесе ондаған нанометр болып келетін схемалардың элементтерін құрастыру электрониканы сапалы түрде өзгертеді жəне оны наноэлектроника деп аталатын жаңа ғылыми сала зерттейді. Сонымен қатар элементтер жұмысының физикасы да өзгеретін болады. Олар негізінен кванттық механика принциптерінде жұмыс істейтін болады . Интегралды наноэлектронды кванттық схемаларды құрастыру нанотехнологияның түпкі мақсаты болып табылады. Нанотехнологияны зерттелетін үлгі бетінде наноөлшемдерге ие болатын, сонымен қатар жекелеген атомдар мен молекулалардан тұратын функционалды элементтерді құрастыру əдістері менамалдарының қосындысы ретінде анықтауға болады. Жартылай өткізгіш пластинаның бетіне маска жасауды қосатын жəне кейіннен микролитографияны, соның ішінде рентгендік, электрондық жəне иондық литографияны қолданатын дəстүрлі əдістерді қолдану болашақта наноөлшемді көлденең өлшемдері бар қатарларды қалыптастыруға мүмкіндік береді. Алайда жеке молекулалар мен атомдар негізіндегі элементтерді дəстүрлі жолдармен құрастыру мүмкін емес. 1980 жылы ІВМ фирмасының Швейцариядағы бөлімшесінің қызметкерлерімен бірге Г. Биннинг жəне Г. Рорермен құрастырған сканерлеуші туннельдік микроскоп (СТМ) өлшемдері 0,01 нм болатын металдық жəне жартылай өткізгіш төсеніштер зақымданбмай бақылауға жəне анализдеуге мүмкіндік берді.
СТМ көмегімен атомдық ажырату қабілеті арқылы өткізгіш Туннельдік-зондтық нанотехнологияның физикалық негіздері материалдар болатын келетін əртүрлі монокристалдық жəне поликристалдық материалдардың бет бедерінің бейнелері алынған болатын, қатты денелердің бет бедерлерін зерттеудің жаңа əдістері ойлап табылды СТМ жұмыс істеу принципі қарапайым: сканерлеуші туннельдік зонд үш координаталы пьезоқұрал ішіне орнатылған жəне зерттелетін үлгі бетіне перпендикуляр орнатылатын металдық ине тəріздес электрод ретінде келеді. Пьезоқұрал арқылы зонд туннельдік ток пайда болғанға дейін үлгінің бетіне қарай жылжитын болады. Бұл туннельдік ток зонд пен үлгі бетінің арасындағы саңылау жəне электродтар арасындағы кернеумен анықталатын болады. Егер де туннельдік ток жəне кернеу тұрақты болса, онда зонд арқылы сканерлеген кезде зерттеліп отырған үлгінің бет бедері туралы əртүрлі ақпарат алуға болады. СТМ зерттелетін материалдардың бет бедерінің физикасынатомдық деңгейде зерттеудегі таптырмайтын құрал болып келеді.Туннельдік микроскопия əртүрлі процестерді, соның ішінде химиялық немесе иондық өңдеу процестері кезіндегі материалдар бет бедерлері құрылымының өзгеруін, сонымен қатар пленкаларды алудағы əртүрлі процестерді зерттеуге мүмкіндік берді.Туннельдік микроскопты ойлап тапқан ғалымдар бірінші болып оны туннельдік зондтан материалдың булануы арқылы өткізгіш төсенішін алуға болатыны туралы жария еткен . Кейінгі зерттеу жұмыстары СТМ негізінде зондтық нанотехнология сияқты жаңа технологияны дамытуға болатынын көрсетті. Бұл технологияның негізінде туннельдік зондты əртүрлі үлгілер бетіне кейбір объектілерді өрнектеу, сонымен қатар ол объектілерді нанометрлік аймақтарда қалыптастыру үшін қолдануға болады. Зонд əртүрлі материалдардың бет бедерлерін зерттеу үшін айтарлықтай жетістіктерге қол жеткізуге мүмкіндік берді. Зонд айтарлықтай сезімтал арқалыққа (зонды бар арқалық жəне оның ұстағышы кантилевер деп аталады) бекітілетін сканерлеуші атомдық-күштік микроскоптар (АКМ) құрастырылған болатын. Атомдық-күштік микроскоптар диэлектрлік үлгілердің бет бедерін атомдық ажырату қабілетімен зерттеуге мүмкіндік береді.
Туннельдік-зондтық нанотехнология (ТЗН) екі негізгі бағыт бойынша дами бастады: ультражоғары вакуумды нанотехнология жəне атмосфералық қысымдағы газдар мен сұйықтардағы нанотехнология, себебі жоғары вакуумда да, атмосфералық жағдайларда да жұмыс істейтін СТМ құрастырылған болатын. Жоғары вакуумды ТЗН негізгі артықшылықтары ретінде жекелеген молекулалар мен атомдардың орын ауыстыруына байланысты əрекеттер жасауға мүмкіндік беретін таза көлемдегі таза үлгілермен жұмыс істеу мүмкіндігін айтып кетуге болады. Алайда ине тəріздес электрод пен үлгі арасындағы массалық тасымал, молекулалар мен атомдардың үлгі бетінде жинақталуы, олардың электродтар аралық саңылаудан алыстауы жəне қоспалардың вакуумдық көлемнен келіп түсуі үлгінің бет бедері мен көлем ішіндегі жағдайларға əсер етуі мүмкін. Газдар мен сұйықтардағы ТЗН концепциясы бойынша белгілі бір талаптарғасай етіп таңдалып алынған ультражоғары жиілікті технологиялық тасымалдағыштар арқылы терең вакууммен байланысқан нанотехнологиядан кейбір параметрлер бойынша кем түспейді. Бұл жағдайдағы əсер ету объектілері ретінде жекелеген атомдар мен молекулалар емес, өлшемдері 10-30 нм болатынобъектілер болып келетін, мысалы, кластерлер .Жоғары вакуумдымен салыстырғанда газдар мен сұйықтардағы ТЗН өнеркəсіп пен технологияда айтарлықтай ерекшеліктерге ие болады. Маскалар мен шаблондарды қолданатын жоғары деңгейлі ажырату қабілеті бар дəстүрлі литография микротехнологиядан субмикротехнологияға əкеледі, ал болашақта нанотехнологияға əкелуі мүмкін. Зондтық микроскоптар олардың негізінде туннельдік-зондтық нанотехнологияны жүзеге асыру үшін қажетті құралдар жасауға мүмкіндік береді. Нанотехнологияға өтудің осындай жолы ТЗН процесін бір уақытта бақылауға жəне жүзеге асыруға мүмкіндік беретінін атап айту керек.
Вакуумдық жəне атмосфералық нанотехнологиялар жекелеген функционалды элементтер түрінде келетін наноэлектрониканың дискретті құралдарын, сонымен қатар ақпараттарды жоғары тығыздықпен жазылатын жады құралдарын қалыптастыруға алып келуі керек, кейіннен элементтері нанометрлік өлшемде болатын интегралды кванттық схемалар жасауға алып келеді. Туннельдік-зондтық нанотехнологияның физикалық негіздері. Мұндай жағдайларда молекулалық электроника туралы идея жүзеге асырылуы мүмкін. Элементті база ретінде жекелеген молекулаларды қолдану жəне модификациялау ойластырылуда. Электрониканың ең қарапайым əрі дөрекі элементті база ретінде органикалық жəне бейорганикалық қосылыстардың лигандаларымен жалатылған металдық жəне жартылай өткізгіш кластерлер болуы мүмкін. Сипаттамалы өлшемдері 30 нм жететін бұл элементтер ерекше қасиеттерге ие. Лигандалық жабындылар оларды тұрақты күйге ауыстырады. Өз кезегінде лигандалық кластерлер, мысалы, негіздері арасында металдық байланыстары бар металдық тізбектер құрауы мүмкін. Лигандалық кластерлер негізіндегі элементті база дискретті бір электронды туннельдеу эффектісі негізінде жұмыс істейтін интегралды схемаларды, сонымен қатар кристалда үлкен өнімділігіне жəне сыйымдылығына ие болатын ОЕҚ-ны жасауға мүмкіндік береді.

Тарихы, түрлері, жұмыс принциптері, ажырату мүмкіншіліктері.
Қазіргі күнгі электронды микроскоптардың конструкциялары Алғашқы микроскопты XVII ғасырда ағылшын физигі Роберт Гук (1635-1703ж.) жасаған. Ол микроскоппен 1662 жылдан бастап зерттелетін заттың тек жүз есе үлкейтілген бейнесін ғана көруге мүмкіншілік берді. Электрондық микроскоптың ашылу тарихы. Электрондық микроскоп XIX ғасырдың соңы - XX ғ. Басындағы бірқатар физикалық ашылулардан кейін пайда бола бастады. 1897 ж. электронның ашылуы (Дж. Томсон),1926 ж. электрондардың толқындық қасиеттерінің анықталуы (К.Дэвиссон, Л.Бермер) және неміс ғалымы Х.Буштың электрондық сәулелерді фокустауға қабілетті магниттік линзаларды ойлап табуы 1930 ж. алғашқы электрондық микроскопты құрастырудың негізін қалады.
1931 ж. Р.Руденберг трансмиссиондық электрондық микроскопқа патент алды, ал 1932 ж. М.Кнолль мен Э.Руско қазіргі күні қолданылып жатқан электрондық микроскоптың прототипін құрастырды. 1986 ж. Э.Руско осы жұмысы үшін Нобель сыйлығын алды. 1930ж.-1940ж. Сканерлік электрондық микроскоптар ойлап табылды. 1952 ж. Ч.Отли сканерлік электрондық микроскоптың қазіргі түрін құрастырды. 1930 жылдан бастап электрондық микроскоптар ғылыми зерттеулерде қолданыла бастады. Электрондық микроскоп зерттелетін нысанның өте үлкен өлшемін көруге мүмкіншілік беретін, фундаментальды ғылыми зерттеулер маңызды құрылғылардың бірі.
Электрондық микроскоп жарық микроскопына қарағанда зерттелетін нысанды 100000 есе үлкейтіп көрсетеді. Қазіргі электрондық микроскоптардың көрсеткіштік қабілеттілігі 0,1-0,3 нм-ге дейін жетеді. Электрондық микроскоптың құрылысы жарық микроскопына ұқсас. Электондық микроскопта жарық беруші рольді электр тогымен қыздырылған вакуумда орналасқан вольфрам жібінен тарайтын электрондар ағыны атқарады. Электрондық микроскоптың бірнеше түрі бар:
1. Трансмиссионды немесе сәулеленушіэлектрондық микроскоп;
2. Сканерлік немесе растрлық электрондық микроскоп;
3. Трансмиссионды сканерлік электрондық микроскоп;
4. Растрлық туннельді электрондық микроскоп

Трансмиссионды электрондық микроскоп
Трансмиссионды электрондық микроскоп жарық микроскопына ұқсас келеді, бірақ үлгіні көруге жарық емес, электрондар шоғы пайдаланылады.
Бұл микроскопта электрондық прожектор, конденсорлық линзалардың түрлері және проекционды жүйе болады. Электрондардың көзінің қызметін вольфрамнан жасалған қыздырылған катод атқарады. Электрондар күшті электрлік аймақта жылдам қозғалады. Мұндай аймақты көру үшін катодты 10000 В астында ұстайды. Құрылғының бұл бөлігі электрондық прожектор деп аталады. Электрондық микроскопта міндетті түрде вакуум болуы қажет. Себебі, электрондар алысқа кете алмайды, оттегі, азот, көмірқышқыл газы молекулаларымен кездессе, олар бөгеліп, өз жолын өзгертіп шашырап кетеді.
Электрондық микроскопта электрондар ағыны электрондық пушканың вольфрамдық катодында пайда болып, жоғарғы және төменгі электромагниттік линзаларда фокусталады. Электрондар сақиналық тесік және сканерлік катушка арқылы өтіп, зерттелетін үлгі проекторлық линзада фокусталады. Барлық процесс вакуумда жүреді. Ауа насос арқылы шығып отырады. Электр сәулесінің нысан бойынша өтуін бағыттайтын сканерлеуші катушканың жұмысын компьютер басқарады. Зерттелетін үлгі ауа камерасына қажет жағдайда орналастырылады. Зерттелетін нысанның суреті электрондардың фиксациясы нәтижесінде көрінеді.
Электрондардың жылжымалы ауысып қозғалуы нысанның беткі формасымен реттеліп отырады. Электрондар детектордың флуоросцентті нысанына барып соғылады. Алынған сурет ... жалғасы

Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.