Просвечивающая электронная микроскопия вчера и сегодня: расширяя границы познаваемого
Представлен краткий обзор основных этапов развития электронной микроскопии. Главное внимание уделено передовым достижениям в технике просвечивающей электронной микроскопии и описанию современных микроскопов с коррекцией аберраций 5-го порядка, позволяющих получать изображения с субангстремным прост...
Збережено в:
| Дата: | 2012 |
|---|---|
| Автори: | , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2012
|
| Назва видання: | Наука та інновації |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/116088 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Просвечивающая электронная микроскопия вчера и сегодня: расширяя границы познаваемого / А.Г. Держипольский, Д.А. Меленевский // Наука та інновації. — 2012. — Т. 8, № 2. — С. 39-42. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-116088 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1160882017-04-21T03:02:36Z Просвечивающая электронная микроскопия вчера и сегодня: расширяя границы познаваемого Держипольский, А.Г. Меленевский, Д.А. Світ інновацій Представлен краткий обзор основных этапов развития электронной микроскопии. Главное внимание уделено передовым достижениям в технике просвечивающей электронной микроскопии и описанию современных микроскопов с коррекцией аберраций 5-го порядка, позволяющих получать изображения с субангстремным пространственным разрешением. Подано короткий огляд основних етапів розвитку електронної мікроскопії. Головну увагу приділено передовим досягнення в техніці просвітлюючої електронної мікроскопії та опису сучасних мікроскопів з корекцією аберацій 5-го порядку, що дозволяють отримувати зображення із субангстремним розділенням. The paper gives a brief review of the principal milestones of development of electron microscopy. Main attention is paid to the most advanced achievements in technique of transmission electron microscopy. Described are the stateof-the-art microscopes with 5th order aberration correction giving images with sub-angstrom spatial resolution. 2012 Article Просвечивающая электронная микроскопия вчера и сегодня: расширяя границы познаваемого / А.Г. Держипольский, Д.А. Меленевский // Наука та інновації. — 2012. — Т. 8, № 2. — С. 39-42. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. 1815-2066 DOI: doi.org/10.15407/scin8.02.039 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/116088 ru Наука та інновації Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Світ інновацій Світ інновацій |
| spellingShingle |
Світ інновацій Світ інновацій Держипольский, А.Г. Меленевский, Д.А. Просвечивающая электронная микроскопия вчера и сегодня: расширяя границы познаваемого Наука та інновації |
| description |
Представлен краткий обзор основных этапов развития электронной микроскопии. Главное внимание уделено
передовым достижениям в технике просвечивающей электронной микроскопии и описанию современных микроскопов с коррекцией аберраций 5-го порядка, позволяющих получать изображения с субангстремным пространственным разрешением. |
| format |
Article |
| author |
Держипольский, А.Г. Меленевский, Д.А. |
| author_facet |
Держипольский, А.Г. Меленевский, Д.А. |
| author_sort |
Держипольский, А.Г. |
| title |
Просвечивающая электронная микроскопия вчера и сегодня: расширяя границы познаваемого |
| title_short |
Просвечивающая электронная микроскопия вчера и сегодня: расширяя границы познаваемого |
| title_full |
Просвечивающая электронная микроскопия вчера и сегодня: расширяя границы познаваемого |
| title_fullStr |
Просвечивающая электронная микроскопия вчера и сегодня: расширяя границы познаваемого |
| title_full_unstemmed |
Просвечивающая электронная микроскопия вчера и сегодня: расширяя границы познаваемого |
| title_sort |
просвечивающая электронная микроскопия вчера и сегодня: расширяя границы познаваемого |
| publisher |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| publishDate |
2012 |
| topic_facet |
Світ інновацій |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/116088 |
| citation_txt |
Просвечивающая электронная микроскопия вчера и сегодня: расширяя границы познаваемого / А.Г. Держипольский, Д.А. Меленевский // Наука та інновації. — 2012. — Т. 8, № 2. — С. 39-42. — Бібліогр.: 10 назв. — рос. |
| series |
Наука та інновації |
| work_keys_str_mv |
AT deržipolʹskijag prosvečivaûŝaâélektronnaâmikroskopiâvčeraisegodnârasširââgranicypoznavaemogo AT melenevskijda prosvečivaûŝaâélektronnaâmikroskopiâvčeraisegodnârasširââgranicypoznavaemogo |
| first_indexed |
2025-07-08T09:50:43Z |
| last_indexed |
2025-07-08T09:50:43Z |
| _version_ |
1837071852993773568 |
| fulltext |
39
© А.Г. ДЕРЖИПОЛЬСКИЙ, Д.А. МЕЛЕНЕВСКИЙ, 2012
Наука та інновації. 2012. Т. 8. № 2. С. 39—42.
А.Г. Держипольский 1, Д.А. Меленевский 1, 2
1 ООО «НОВАЦИИ», Киев
2 Институт физики НАН Украины, Киев
ПРОСВЕЧИВАЮЩАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ МИКРОСКОПИЯ ВЧЕРА
И СЕГОДНЯ: РАСШИРЯЯ ГРАНИЦЫ ПОЗНАВАЕМОГО
Представлен краткий обзор основных этапов развития электронной микроскопии. Главное внимание уделено
передовым достижениям в технике просвечивающей электронной микроскопии и описанию современных микро-
скопов с коррекцией аберраций 5-го порядка, позволяющих получать изображения с субангстремным пространс-
твенным разрешением.
К л ю ч е в ы е с л о в а: просвечивающая электронная микроскопия, коррекция аберраций, атомное разрешение,
идентификация отдельных атомов.
Познавая окружающий мир, человек то и
дело сталкивается с границами познаваемого.
И каждый раз, желая преодолеть или хоть не-
много расширить эти границы, человек воору-
жается новым инструментом. Причем каждая
новая граница требует все более сложного и
изощренного инструмента. Так, первым инст-
ру ментом в познании микромира — того, что
было недоступно для невооруженного глаза, —
стал оптический микроскоп. Развиваясь и ус-
ложняясь с течением времени, оптическая мик-
роскопия достигла своей границы — дифрак-
ционного предела. Оказалось, что сколь бы
совершенным ни был микроскоп, невозможно
создать изображение объектов, размеры кото-
рых меньше длины волны оптического излу-
чения. Так появился новый инструмент позна-
ния микромира — электронный микроскоп.
Заменив оптическое излучение пучком уско-
ренных электронов, удалось отодвинуть диф-
ракционный предел на несколько порядков
вниз по шкале размеров. Более того, увеличи-
вая ускоряющее напряжение, можно было все
дальше и дальше отодвигать дифракционный
предел, ведь при этом уменьшается длина вол-
ны ускоренных электронов. Таким образом, о
дифракционном пределе можно было временно
забыть. Следующим ограничением стал сам ис-
следуемый образец. Дело в том, что размер об-
ласти исследуемого материала, с которой взаи-
модействует зондирующий электронный пучок,
растет с ростом ускоряющего напряжения, и
после некоторого значения уже становиться го-
раздо больше размера зонда. Чтобы использо-
вать преимущества высокого ускоряющего на-
пряжения, пришлось уменьшить толщину об-
разца настолько, чтобы ускоренные электроны
могли прошить его напролет, ограничив тем са-
мым размер области взаимодействия. Так поя-
вилась просвечивающая электронная микроско-
пия. К этому моменту граница познания микро-
мира приблизилась к размерам атомов.
И вот теперь настала пора снова вспомнить
о дифракционном пределе. Но не потому, что
его снова нужно было отодвинуть, а потому,
что он еще не был достигнут. А значит, у про-
40 ISSN 1815-2066. Science and Innovation. T. 8, № 2, 2012
Світ інновацій
свечивающей электронной микроскопии ос-
тался еще неиспользованный потенциал. Элект-
ронная оптика, как оказалось, далеко не совер-
шенна. Если сравнить электронную оптику с
обычной, то, как отмечено в [1], при таком же
качестве оптики в обычном микроскопе мы
видели бы с ним не намного лучше, чем без
него. То есть, электронная оптика, конечно,
способна сфокусировать пучок ускоренных
электронов в очень маленькое пятно, но все
еще существенно больше того, каким оно мо-
жет быть с точки зрения дифракционного пре-
дела. Такие погрешности линз в оптике назы-
ваются аберрациями. Они подробно описаны
и классифицированы. В обычных оптических
системах аберрации давно уже умеют исправ-
лять или даже сразу изготавливать оптические
элементы, лишенные аберраций. Что же каса-
ется электронной оптики, то здесь дело обстоит
совсем иначе. Первые упоминания о необходи-
мости коррекции аберраций в просвечивающих
электронных микроскопах встречаются еще в
1930—1940-х гг. Однако тогда считалось, что
практически коррекция аберраций электрон-
ной оптики представляется настолько слож-
ной, что ее невозможно реализовать. И только в
начале 1990-х О. Криванеку (Ondrej Krivanek)
и Н. Деллби (Niklas Dellby) удалось обосновать
возможность практической реализации кор-
рек ции аберраций, а к 1997 году и сконструи-
ровать прототип корректора сферических абе р-
раций первого поколения [2].
После создания прототипа корректора абер-
раций его авторами была основана компания
Nion (Nion Co., Washington, USA, www.nion.com),
специализирующаяся на исследованиях, разра-
ботке и конструировании различных устройств
электронной оптики. Первым проектом ком-
пании была разработка корректора абер раций
второго поколения для просвечивающего элект-
ронного микроскопа VG. Работа продолжалась,
и в 2002 г. были опубликованы научные резу-
льтаты, полученные уже с серийной моделью
корректора второго поколения, установленно-
го на электронном микроскопе VG. Эти резу-
Рис. 1. Просвечивающий электронный микроскоп Nion
UltraSTEM 200, установленный в центре CNRS Orsay,
Франция
Рис. 2. Обложка журнала Nature с опубликованной ста-
тьей об исследовании монослоев нитрида бора с иденти-
фикацией каждого атома. Фото на обложке: полностью
расшифрованное изображение монослоя BN с цветовым
обозначением атомов. Кроме регулярной структуры BN
видны включения атомов C и O
41ISSN 1815-2066. Наука та інновації. T. 8, № 2, 2012
Світ інновацій
ль таты впервые в истории электронной мик-
роскопии продемонстрировали непосредст-
вен но интерпретируемое субангстремное прост-
ран ст венное разрешение [3].
Естественным ходом развития событий ста-
ла разработка компанией Nion собственной мо-
дели электронного микроскопа. При этом был
учтен весь громаднейший опыт разработки ус-
тройств электронной оптики, все преимущест-
ва и недостатки других просвечивающих элек-
тронных микроскопов, собственные идеи и раз-
работки. Поскольку разработка велась с «нуля»
и только на протяжении последних 10 лет, то
новый микроскоп оказался не отягощен «ис-
торическим багажом», свойственным другим
про изводителям. Результатом этой работы стал
мик роскоп беспрецедентного качества и воз-
можностей с очень гибкой, полностью модуль-
ной конструкцией электронной оптики, высоко-
эффективной детектирующей системой и высо-
коточным 5-осным предметным столиком.
Сегодня компания Nion предлагает две мо-
дели микроскопов — Nion UltraSTEM 100 и
Nion UltraSTEM 200 — с ускоряющим напря-
жением соответственно 100 и 200 кВ и про-
странственным разрешением соответственно
<1 Å и <0,8 Å. Обе модели могут также рабо-
тать при пониженных ускоряющих напряжени-
ях (60 и 100 кВ) для исследования образцов из
легких элементов. В этих микроскопах испо-
ль зуется специально разработанный коррек-
тор аберраций С3/С5 третьего поколения, ко-
торый полностью исправляет аберрации вплоть
до 5 порядка [4, 5] и позволяет работать с боль-
шими углами сходимости и большими токами
освещающего электронного пучка. В состав
корректора входит 16 квадрупольных и 3 ком-
бинированных квадрупольно-октупольных лин-
зы, что почти в два раза больше элементов, чем
в корректоре второго поколения.
Базовый аналитический арсенал микроско-
пов Nion составляют: детектор светлого поля
(BF — Bright Field), кольцевой детектор тем-
ного поля (HAADF — High Angle Annular Dark
Field) и высокоэффективный спектрометр не-
упруго рассеяных электронов (EELS — Elec t-
ron Energy Loss Spectrometer). При необходи-
мости микроскопы могут быть дооборудованы
и другими типами детекторов, например энер-
годисперсионным рентгеновским спектромет-
ром (EDX — Energy-Dispersive X-ray).
Весь внутренний объем микроскопа посто-
янно поддерживается под высоким вакуумом
(10–10—10–9 Торр) и разделен на секции, каж-
дая из которых откачивается собственным ио-
низационным насосом и надежно отделена (по
вакууму) от остальных секций. Это, с одной
стороны, предохраняет образцы от загрязне-
ния во время анализа, а с другой — обеспечи-
вает нормальное функционирование микро-
скопа даже при не очень глубоком вакууме в
камере образца (10–5 Торр). Предметный сто-
лик, обеспечивающий точность позициониро-
вания менее 0,5 нм в диапазоне ±1,5 мм, сопря-
жен с автоматизированным хранилищем об-
раз цов, которое также поддерживается под ва-
куумом. Все операции с микроскопом, в том
числе и смена образца, могут производиться
удаленно, без присутствия оператора.
Перечисленные свойства и характеристики
микроскопов Nion — далеко не исчерпывающее
описание. Полное описание можно найти в ра-
боте [6]. Мы лишь отметим, что функциональ-
ность и характеристики микроскопов Nion поз-
воляют решать интереснейшие исследователь-
ские задачи, такие, как построение элементных
карт образцов с атомным разрешением [7],
Рис. 3. Наблюдение за движением атомов эрбия, заклю-
ченных в углеродные наноподы С82 внутри одностеноч-
ных углеродных нанотрубок. Серия изображений, полу-
ченных в темном поле с интервалом 5 мин плюс одно
изображение в светлом поле
42 ISSN 1815-2066. Science and Innovation. T. 8, № 2, 2012
Світ інновацій
идентификация каждого атома в образце [8],
отслеживание отдельных атомов и наблюде-
ние за ними [9], непосредственное наблюдение
структуры молекул и кристаллов, идентифи-
кация единичного атома вещества [10] и мно-
гое другое. Без преувеличения можно сказать,
что просвечивающие электронные микроско-
пы Nion с коррекцией аберраций являются
обо рудованием третьего тысячелетия и знаме-
нуют новую эру в электронной микроскопии.
ЛИТЕРАТУРА
1. Aberration correction past and present // Phil. Trans. R.
Soc. A .— 2009. — vol. 367. —№ 1903. — Р. 3637—3664.
2. Krivanek O.L., Dellby N., Spence A.J. et all. Aberration
correction in the STEM // In: Inst. Phys. Conf. Ser. 153
(Proceedings 1997 EMAG meeting) Ed. Rodenburg JM,
35. — University of Cambridge, 2—5 September. — 1997.
3. Batson P.E., Dellby N. and Krivanek O.L. Sub-ångstrom
resolution using aberration corrected electron optics //
Nature. — 2002. — № 418. — Р. 617.
4. N. Dellby et al. Optimized quadrupole-octupole C3/C5 cor-
rector for STEM // CPO7 proceedings. — 2006. — P. 97.
5. Krivanek O.L. et al. Aberration Correction in STEM
(Chapter in Handbook of Charged Particle Optics, Jon
Orloff, ed., CRC Press). — 2008.
6. Krivanek O.L. at al. An electron microscope for the abe-
r ra tion-corrected era // Ultramicroscopy Volume 108,
Is sue 3, February 2008. — P. 179—195.
7. Muller D.A., Fitting Kourkoutis L., Murfitt M. et all. Ato-
mic-Scale Chemical Imaging of Composition and Bon-
ding by Aberration-Corrected Microscopy // Science
319. — 2008. — Р. 1073.
8. Krivanek O.L., Chisholm M.F., Nicolosi V. et all. Atom-by-
atom structural and chemical analysis by annular dark
field electron microscopy // Nature. — 2010. — 464. —
Р. 571—574.
9. Krivanek O.L., Dellby N., Murfitt M.F. et all. Gentle STEM:
ADF imaging and EELS at low primary energies // Ul t-
ra microscopy. — 110. — Р. 935—945.
10. Varela M., Findlay S.D., Lupini A.R et all. (2004) Spec t ro-
scopic Imaging of Single Atoms Within a Bulk Solid //
Phys. Rev. Lett. — 92. — Р. 095502.
А.Г. Держипольский, Д.А. Меленевський
ПРОСВІЧУЮЧА ЕЛЕКТРОННА
МІКРОСКОПІЯ ВЧОРА І СЬОГОДНІ:
РОЗШИРЮЮЧИ ГРАНИЦІ ПІЗНАВАНОГО
Подано короткий огляд основних етапів розвитку
електронної мікроскопії. Головну увагу приділено пере-
довим досягнення в техніці просвітлюючої електронної
мікроскопії та опису сучасних мікроскопів з корекцією
аберацій 5-го порядку, що дозволяють отримувати зобра-
ження із субангстремним розділенням.
Ключові слова: просвітлююча електронна мікроско-
пія, корекція аберацій, атомне розділення, ідентифікація
окремих атомів.
A. Derzhypolskyi, D. Melenevskyi
TRANSMISSION ELECTRON
MICROSCOPY PAST AND PRESENT: PUSHING
THE LIMITS OF COGNITION
The paper gives a brief review of the principal milestones
of development of electron microscopy. Main attention is
paid to the most advanced achievements in technique of
transmission electron microscopy. Described are the state-
of-the-art microscopes with 5th order aberration correction
giving images with sub-angstrom spatial resolution.
Key words: transmission electron microscopy, aberration
correction, atomic resolution, single atom identification.
Стаття надійшла до редакції 04.01.12.
|