Prof.dr.fiz Dionezie Bojin

Aprilie, 2012

Scurt istoric al microscopiei electronice 1897 JJThomson- a obtinut primele date cantitative asupra razelor catodice

si a stabilit ca acestea sunt compuse din sarcini negative “electroni”

1899 Wieshert – demonstreaza ca un solenoid concentreaza fasciculul de

electroni

1903 Wehnelt Demonstreaza ca un camp electri concentreaza fasciculele de

electroni, inventie care este folosita si azi in microscoapele

moderne

1907 Stoermer – calculeaza traietoriile electronilor prin solenoizi

1924 Luis de Broglie introduce nottiunea de unde alle electronilor

1926 H. Bush Demonstreaza ca un camp magnetic/electric se

comporta ca o lentila pentru fascicule de electroni

1927 Gabor construieste o lentila electronica formata dintr-un solenoid

~10nm

1934 Driest&Müler rezolutia microscopului de paseste rezolutia

microscopului optic

1938 Von Borries & Ruska – construiesc la compania Siemens si Halske primul

TEM comercial ~10nm rezolutie

1926-1927 Davison si Germer – aplica lentilele electronice pentru a efectua

experimente de difractie

1928 “Berliner grup” (Gabor Matthiss, Knoll si Ruska) – construiesc o lentile

electromagnetica care a

1929 E. Ruska sustine teza de doctorat cu tema ”Lentile magnetice”

1931 Knoll si Ruska construiesc primul microscop electronic care putea mari de

400x

1932 Ruska a construit un microscop simplu cu lentile magnetice

1932 Davison si Calbrick construies lentile electrostatice

1945 ~1nm

1965 ~0,2 nm

1968 A Crewe –U. of Chicago SEM, 0,2 nm fascicul – FEG

1968 Ruska primeste Premiul Nobel pentru fizica

1999 se obtine o rezolutie <0,1nm

2009 0,005 nm (TEAM)

1934 Driest&Müler rezolutia microscopului de paseste rezolutia

microscopului optic

1938 Von Borries & Ruska – construiesc la compania Siemens si Halske

primul TEM comercial ~10nm rezolutie

Unul dintre cele mai recente microscoape electronice

S/TEMs: Titan™ G2 60-300, Titan3™ G2 60-300, Titan Krios™ and Titan™ ETEM (environmental TEM). Built around a revolutionary 60-300 kV electron column, preluat din prezentarea FEI Company, Eindhoven, Olanda; rezolutie sub 0,05nm

Prima fotografie a unui tesut biologic obtinuta cu un microscop electronic

In domeniul ME a creat fixatorul “Palade (tetraoxid de osmiu1%

intampon de veronal sodic)-1952.

Premiului Nobel pentru Medicină, pentru contribuţiile la înţelegerea

structurii şi organizării funcţionale a celulei, 1974.

In 1999 la UCSD a fost constituit “George Emil Palade Fellowship Fund”.

History of the TEM

• 1970s and 1980s – High voltage TEM (1 million

volts)

– x-ray microanalysis

– STEM (scanning transmission

electron microscope)

– Intermediate voltage TEM (300-

to 400 thousand volts)

– 0.2 nm resolution

– Electron energy loss

spectroscopy

– Better vacuum systems

Marimi ce caraterizeaza instrumentele optice 1. Puterea de marire sau marirea liniara= Raportul dintre marimea imaginii

obtinute cu ajutorul sistemului optic si marimea reala a obiectului cercetat

2.Grosismentul sau marirea unghiulara = Raportul dintre tg unghiului sub care

se vede imaginea finala si tg unghiului suub care se vede obiectul cu ochiul liber

3. Rezolutia (Limita de rezolutie) a unui sistem optic:

=Limita de separare, Distanta separatoare (d) :distanta minima dintre 2 puncte, necesara ca ele sa fie percepute separat, cu ajutorul sistemului respectiv. Este cea mai mica dimensiune observata cu claritate prin sistemul optic respectiv.

Formula Abbe: d=0,61λ/n sinα; Unde d= limita de separare, rezolutia; λ = lungimea de unda a radiatiei emisa de

sursa de iluminare; n= indicele de refractie al mediului aflat intre obiect si lentila frontala a obiectivului microscopului; α =semilargimea unghilui de dechidere a obiectivului. NA=apertura numerica = n sinα;

Rezolutia unui ochi normal=0,75-0,1 mm;

Rezolutia unui microscop optic= 0,1 μm.

Reolutia unui ME < 0,05nm.

<

Abee: Distanta minima dintre doua punte ce apartin aceleiasiimaginigi cae pot fi distinse separat folosind un sistem de lentile perfecte

Velocity

V (kV) λ (nm) nerelativist

λ (nm) relativist

Masa (*m) Viteza (*10 m/s)

100 0,00386 0,00370 1,196 1,644

200 0.00273 0,00251 1,391 2,086

400 0.00193 0,00164 1,783 2,484

1000 0.00122 0,00087 2957 2,823

Pfoprietatile electronilor in functie de tensiunea de

accelerare

Imperfectiuni (defecte,aberatii) ale lentilelor:

In mod normal, intr-un instrument optic, toate razele care pleaca dintr-un punct al unui

obiect plan ar trebui sa ajunga in acelasi punct focal din planul imaginii. In realitate,

toate lentilele au defecte.

Defectele cele mai importante sunt aberatiile sferice, aberatiile cromatice si

astigmatismul.

Aberatia sferica: asupra electronilor care se deplaseaza pe traiectoriile care sunt mai

aproape de piesa polara a electromgnetului actioneaza o forta magnetica mai

puternica si, din acesta cauza, traiectoriile lor sunt deviate mai puternic. In acest fel,

imagine punctului fizic apare ca un dic cu dimensiune finita - disc de confuzie

minima (ds). Pentru a reduce efectul aberatiei sferice se introduce in calea fsciculului

cu o diafragma metalica care are in mijloc un orificiu circular cu un diametru de ordinul

micronilor. Acest disc retine electronii a caror traiectori au un unghi mare de

divergenta fata de axa optica si, in acest fel se reduce si diametrul discului de minima

confuzie. Totusi, o diafragma cu deshidere foare mica da nastere la efecte de difractie

ceea ce influenteaza unghiul de convergenta, iar acesta, la randul sau, va afecta

coerenta.

a. Forfmarea discului

de minima confuzie .b. Reducerea dimensiunii

discului de minima convergenta

prin introducerea unei diafragme

Aberatia cromatica: Fasciculul generat de catre tunul electronic contine

electroni cu diferite energii (fascicul policromatic). Campurile

elctromagnetice vor actiona cu forte diferite asupra electronilor de diferite

energii, aflati in aceleasi locuri ale coloanei, lectronii cu energii mari vor fi

deviati mai putin decat electronii cu energii scazute. Ca şi in cazul aberaţiei

sferice, este produs un disc de confuzie minim (DC). Remediul consta in

folosirea unui monocromator

Astigmatismul: lentilele electromagnetice utilizate în TEM nu pot fi

prelucrate perfect simetrice. În cazul în care câmpurile produse de

lentilele au fost perfect simetrice, un fascicul convergent va fi circular. O

lipsa de simetrie ar putea duce la un fascicul alungit dupa o directie:

diametrul mai mic pe directia a planului de focalizare mai puternică si cu

diametrul mai mare ca pe directia planului de focalizare mai slab.Efectul

net este aceeaşi ca si incazul aberaţiilor de mai sus-un disc de confuzie

minim, mai degrabă decât un punct de focalizare bine definit.

Remediu: montarea unui carector pentru astigmatism cu 4 sau 8 poli.

HRTEM

Formarea contrastului in microscopia electronica de rezolutie inalta ,

HRTEM, poate fi explicata tinand seama de natura ondulatorie a electronilor.

In HRTEM este transmisa o unda plana virtuala ce dscrie micarea

electronilor prin probele subtiri(grosimi mai mici de 20 nm) in cele mai multe

cazuri un cristal. In timpul transmisiei unda incidenta asociata electronilor

este imprastiata ( sau difractata in cazul cristalelor) de catre potentialul

atomilor si faza undei este modificata. L aiesirea din suprafata probei este

formata o “unda a obiectului”, care poarta informatii de inalta rezolutie

caracteristice obiectului.”Unda obiect” este amplificata in ME si in timpul

acestui proces sufera o noua deplasare9modificare) datorita

imperfecxtiunilor lentilelor. In final imaginea este inredistrata pe film sau cu o

camera digitala si se obtine o imagine de interferenta care contine un

contrastde faza esential inclusiv cel determinat de aberatiile microscopului.

O singura imagine inregistratain HRTEM consta numai in reprezentarea

intehsitatii electronilor, faza undei si informatiile importante referitoare la

obiect sunt piedute. In HRTEM conventional interpretarea imagfinilor sunt

efectuate printr-un proces itareativ prin compararea imaginilor simulate

numeric cu imaginile achizitionate in ME. Imginile simulate de catre

calculator se bazeaza pe modelul structurii atomului, inclusiv toti

parametriice imaginii trebuie sa fie cat mai preciscunoscuti. Limita de

rezolutie a structurii din analiza este determinata de rezolutia punctuala care

este rezolutia optica a lentilei obiectiv. Exista diferite metode de

reconstructie a undei obiect si se utilizeaza reconstructia din o serie de

imagini cu focalizari succesive . Se achizitioneaza o serie de 10-30 de

imagini focalizate la diferite nivele din zona de interes. Pe baza intensitatii

imaginilor inregistrate se calculeaza , in prima aprximatie unda de iesire din

obiect, asa numita metoda paraboloid. Unda obiect este rafinata cu maxima

aproximatie si printr-o procedura iterativa se compara la nive de imagine a

intensitatiilor observate experimental cu cele calculate. Rezultatul final este

ca a fost recuperata imginea cae mai probabila a obiectului si a undei de

iesire

Unda de iesire poate fi reconstruita din seria de imagini focalizate si, in

comparatie cu expunerile unice, trebuie intrepretate pana la cea mai

marerezolutie ce corespunde informatia limita. Marele avantaj al undei

obiect este ca procedura de imagistica in ME este ca influenta

imperfectiunilor este eliminata si informatiile specifice de la electronii care

ies din suprafata probei sunt recuparate. Un alt avantaj consta in faptul

ca se obtin informatii in doua moduri, contrast de faza si amplitudine, iar

aceste contin mult mai putin zgomot de fond decat i9n imaginile originale

obtinute cu ME.

http://www.elmi.uni-bonn.de/en/sub/forschung/hrtem_e.html

Fig. reconstructia undei obiect

BiO

CuO

Ca

CuO

SrO

BiO

BiO

SrO

BiO

BiO

BiO

SrO

SrO

CuO

CuO

CuO

Ca

Ca

BiO

BiO

Materiale si metode

Probele au fost obtinute prin metode conventionalede - reactie in stare solida. Au

fost utilizate pulberi de inalta puritate (99,999%, Merck) de de Bi2O3, PbO,

SrCO3, BaCO3, CaCO3 si CuO. In prima etapa a fost obtinut un precursor sub

forma de pulbere Sr1.8Ba0.2Ca2Cu3Oz, expus/supus unui tratament termic in etape

successive: 924°C timp de 85h, 947°C timp de 70h si 950 °C timp de 75h cu

macinari intermediare. Pulberea obţinută a fost presata în pastile de 3 x 3 X 10

mm la 0.75 GPa. Tratamentul termic de sinterizare a fost efectuat în aer, la 848 0

C timp de 330h.

Investigatiile prin difractie de radiatii X au indicat existenta unei singure faze, si

anme faza B2223, fara nicio urma de faze secundare sau nesupraconductoare.

Masuratorile de susceptibilitate magnetica in curent alternativ, AC, au fost

efectuate prin tehnica amplificarii lock-in, la temperaturi mai mari de 77,3K.

Frecventa, , a fost fixate la 5500Hz, amplitudinea campului AC, Hac, a fost de 2

Oe, iar campul magnetic DC suprapus , Hdc, a fost intre 0 si 21.500 A/m.

http://www.youtube.com/watch?v=V1qWmrp6GAs

http://www.youtube.com/watch?NR=1&feature=endscreen&v=p9dn-Umr7VU

http://www.youtube.com/watch?v=sCYX_XQgnSA&feature=related

http://www.youtube.com/watch?v=V1qWmrp6GAs