Электронная микроскопия основана на взаимодействии электронного пучка
с веществом, что позволяет получать изображения с высоким
пространственным разрешением, недостижимым для оптической микроскопии.
Электроны обладают волновыми свойствами, длина волны которых при
ускорении до 100–300 кВ составляет порядка 0,003–0,004 нм, что
обеспечивает возможность изучения атомной структуры твердых тел.
Основные процессы взаимодействия электронов с веществом включают
упругое рассеяние, неупругое рассеяние
и эмиссию вторичных частиц, что формирует контраст
изображения и позволяет исследовать как морфологию, так и химический
состав материала.
Типы электронных микроскопов
1. Трансмиссионный электронный микроскоп (ТЭМ) ТЭМ
использует пучок электронов, проходящих через тонкий образец. Контраст
формируется за счет различий в поглощении и рассеянии электронов атомами
различных элементов. Основные возможности ТЭМ:
- получение изображений с разрешением до 0,1 нм;
- изучение дефектов кристаллической решетки, дислокаций и
вакансий;
- использование методов рентгеновской микроанализной
спектроскопии (EDS) для определения элементного состава на
наномасштабном уровне;
- применение электронной дифракции для идентификации
кристаллических фаз и изучения локальной симметрии кристаллов.
2. Сканирующий электронный микроскоп (СЭМ) СЭМ
формирует изображение за счет сканирования поверхности образца тонким
пучком электронов и регистрации вторичных или отраженных электронов.
Особенности СЭМ:
- изучение топографии поверхности с разрешением до 1–5 нм;
- возможность получать объемные представления поверхности благодаря
детекции вторичных электронов;
- локальный химический анализ с помощью EDS и
катодолюминесценции;
- возможность комбинирования с другими методами, такими как
фокусированная ионная обработка для подготовки образцов.
3. Просвечивающий сканирующий электронный микроскоп
(STEM) STEM объединяет преимущества ТЭМ и СЭМ, позволяя
сканировать тонкий образец и регистрировать как просвеченные, так и
рассеянные электроны. STEM используется для:
- атомного картирования состава;
- исследования распределения легких и тяжелых элементов;
- визуализации интерфейсов между различными фазами.
Контраст и методы
визуализации
Контраст изображения в электронной микроскопии
формируется за счет различий в атомном номере (Z-контраст), толщине
образца, плотности и электронной структуре. Дополнительно применяются
методы:
- Темное поле (Dark Field) — выделение рассеянных
электронов для изучения дефектов;
- Фазовый контраст (Phase Contrast) — используется в
ТЭМ для визуализации тонких структур с малыми атомными различиями;
- Энергетически фильтрованная микроскопия (EFTEM) —
позволяет выделять отдельные химические элементы и оксидные фазы.
Подготовка образцов
Качество изображения напрямую зависит от подготовки образцов. В ТЭМ
образцы должны иметь толщину порядка 50–200 нм для прохождения
электронного пучка. Применяются методы:
- механическое шлифование и полирование;
- ионная проточка;
- ультратонкое микротомирование для биологических и органических
материалов. В СЭМ образцы могут быть более массивными, однако их
поверхность должна быть электропроводящей, что достигается нанесением
тонких металлических слоев (золото, углерод).
Аналитические
методы электронной микроскопии
Электронная микроскопия не ограничивается визуализацией. Современные
приборы интегрированы с аналитическими методами:
- EDS (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) —
элементный анализ с локальным разрешением;
- EELS (Electron Energy Loss Spectroscopy) —
определение химического состояния элементов и валентных состояний;
- ED (Electron Diffraction) — структурный анализ и
идентификация фаз;
- CL (Cathodoluminescence) — изучение оптических
свойств и дефектов кристаллов.
Применение в химии твёрдого
тела
Электронная микроскопия используется для:
- исследования наноструктурированных материалов, катализаторов,
слоистых соединений;
- анализа дефектов кристаллической решетки и их влияния на свойства
твердых тел;
- изучения распределения легких и тяжелых элементов в сплавах и
оксидных материалах;
- контроля синтеза и морфологии функциональных материалов, таких как
цеолиты, металлорганические каркасы и суперионные проводники.
Ограничения и перспективы
Несмотря на высокое разрешение, электронная микроскопия имеет
ограничения: образцы должны выдерживать высокие вакуумные условия и
облучение электронами, что ограничивает изучение термочувствительных и
летучих соединений. Современные направления включают развитие in
situ микроскопии, где процессы роста кристаллов, фазовые
переходы и химические реакции исследуются в реальном времени, а также
интеграцию с другими методами спектроскопии и томографии для
комплексного анализа структуры и свойств твердых тел.