ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΑ

Transcript

1 ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΑ ΔΡ. ΒΑΣΙΛΕΙΟΣ ΜΠΙΝΑΣ Τμήμα Φυσικής, Πανεπιστήμιο Κρήτης Thl Crete Center for Quantum Complexity and Nanotechnology Department of Physics, University of Crete Transparent Conductive Materials Institute of Electronic Structure & Laser IESL Foundation for Research and Technology - FORTH

2 Τι είναι η ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΑ; Τι μέγεθος έχει το μικρότερο αντικείμενο που μπορούμε να δούμε; Τι πληροφορίες μπορούμε να αποκομίσουμε και με τι ευκρίνεια; Πως δημιουργήθηκε η ανάγκη υλοποίησης για το πιο σύνθετο, πολύπλοκο και ακριβό Ηλεκτρονικό Μικροσκόπιο;

3 Εύρος Φάσματος Η/Μ

4 Εύρος Η/Μ Φάσματος Αύξηση Δ.Ι. Ελάττωση λ

5 Εύρος Η/Μ Φάσματος Διαπερνούν την ύλη Ελάχιστη απορρόφηση ή διάθλαση

6 Εύρος Η/Μ Φάσματος

7 Εύρος Η/Μ Φάσματος λ<300nm Δύσκαμπτες ακτίνες

8 Εξέλιξη Μικροσκόπίου Μικροσκόπιο Ακτίνων Χ ή Προβολικό Μικροσκόπιο Σημείου Ιδανική Λύση δεν είναι γνωστή καμία ουσία η οποία μπορεί να κάμπτει ή να ανακλά τις ακτίνες Χ, σε τέτοιο βαθμό να μπορεί να σχηματισθεί είδωλο. Προβολικό Μικροσκόπιο Σημείου Απλή γεωμετρική αρχή: ένα αντικείμενο που φωτίζεται από μία σημειακή πηγή φωτός ή πηγή ακτίνων Χ σχηματίζει σκιά σε μία οθόνη.

9 Εξέλιξη Μικροσκόπίου Μικροσκόπιο Ακτίνων Χ ή Προβολικό Μικροσκόπιο Σημείου Προβολικό Μικροσκόπιο Σημείου

10 Εξέλιξη Μικροσκοπίου Μικροσκόπιο Ακτίνων Χ ή Προβολικό Μικροσκόπιο Σημείου Πλεονεκτήματα Δεν υπάρχουν φακοί Οι ακτίνες Χ διαπερνούν την ύλη, με αποτέλεσμα την εμφάνιση λεπτομερειών που δεν ανιχνεύει το φώς (ανίχνευση αδιάφανων λεπτών υμενίων) Μειονεκτήματα Η διακριτική ικανότητα της συγκεκριμένης μεθόδου, περιορίζεται από το μέγεθος και τις διαστάσεις της σημειακής πηγής Οι πηγές ακτίνων Χ είναι πολύ πιο έντονες και ισχυρές σε σχέση με αυτές του φωτός Δ.Ι. ~0.1 μm Διάμετρος δέσμης 1nm Φθορίζουσα οθόνη

11 Εξέλιξη Μικροσκοπίου Modern X-ray Microscopy

12 Εξέλιξη Μικροσκοπίου Modern X-ray Microscopy Sub,micron XCT

13 Εξέλιξη Μικροσκοπίου Modern X-ray Microscopy

14 Εξέλιξη Μικροσκοπίου Modern X-ray Microscopy

15 Εξέλιξη Μικροσκοπίου Modern X-ray Microscopy

16 Εξέλιξη Μικροσκοπίου Modern X-ray Microscopy Fresnel zone plates FZP

17 Εξέλιξη Μικροσκοπίου 1 st Transmission X-ray Microscope Modern X-ray Microscopy Scanning Transmission X-ray Microscope

18 Εξέλιξη Μικροσκοπίου μικροσκοπίου σάρωσης ακτίνων-χ (STXM) Modern X-ray Microscopy

19 Εξέλιξη Μικροσκοπίου Modern X-ray Microscopy

20 Εξέλιξη Μικροσκοπίου Modern X-ray Microscopy

21 Εξέλιξη Μικροσκοπίου Modern X-ray Microscopy

22 Εξέλιξη Μικροσκοπίου Modern X-ray Microscopy

23 Αbbe: η εξέλιξη του μικροσκοπίου σύντομα θα τελματωθεί λόγω της έλλειψης ακτινοβολίας με κατάλληλο μικρό μήκος κύματος Ανάπτυξη βασικών χαρακτηριστικών του Η.Μ. (Ηλεκτρικές εκκενώσεις, μέσα σε σωλήνες χαμηλής πίεσης, μεταξύ καθόδου και ανόδου χρησιμοποιώντας υψηλές ηλεκτροστατικές τάσεις) Κατασκευάσθηκαν οι καθοδικοί σωλήνες και μελετήθηκε ένα είδος άγνωστων τότε, ακτίνων που ο Goldstein ονόμασε καθοδικές ακτίνες Παρατήρησαν ότι κινούνται ευθύγραμμα αλλά μπορούν να εκτραπούν από ηλεκτροστατικά και μαγνητικά πεδία, καθώς φαίνεται να φέρνουν αρνητικό φορτίο. Εξέλιξη Μικροσκοπίου Καθοδικοί Σωλήνες / Ακτίνες

24 Εξέλιξη Μικροσκοπίου Καθοδικοί Σωλήνες / Ακτίνες 1899, Weichert παρατήρησε ότι μπορούσε να τις συγκεντρώσει και να τις εστιάσει τοποθετώντας ένα ομοαξονικό πηνίο γύρω από τον καθοδικό σωλήνα. Σωλήνες Braun

25 Εξέλιξη Μικροσκοπίου Όλα τα απαραίτητα εξαρτήματα του Η/Μ ήταν ήδη γνωστά: Πηγή Εστίαση Προβολή σε φθορίζουσα πλάκα

26 Εξέλιξη Μικροσκοπίου Κύματα Ηλεκτρονίων

27 Εξέλιξη Μικροσκοπίου H. Busch, 1926 Δημοσίευση εργασίας με θέμα την κίνηση των ηλεκτρονίων υπο την επίδραση εξωτερικού μαγνητικού πεδίου ΙΔΕΑ: Χρήση μαγνητικού πεδίου ως φακού για την εστίαση ηλεκτρονίων!!!! Max Knoll και Ernst Ruska, 1932 in High Voltage Laboratory at West Berlin (Nobel Prize in Physics 1089) Κατασκευή πρώτου ΤΕΜ Σύλληψη της Ιδέας

28 Εξέλιξη Μικροσκοπίου Μαγνητικοί Φακοί Στους καθοδικούς σωλήνες η τοποθέτηση ενός πηνίου εξωτερικά του σωλήνα εστιάζει την δέσμη ηλεκτρονίων σπαταλάτε μεγάλη ποσότητα μαγνητικού πεδίου, μια και οι δυνάμεις δεν είναι συγκεντρωμένες και αρκετά πυκνές εκεί που χρειάζονται στον άξονα του πηνίου Χρήση ενός πυρήνα από μαλακό σίδηρο, με την βοήθεια του οποίου παρατηρήθηκε μεγάλη βελτίωση στην ένταση και την ευθυγράμμιση των δυναμικών γραμμών του πεδίου κατά μήκος του άξονα πεδίου

29 ΠΡΟΒΛΗΜΑ Καταστροφή και αλλοίωση δειγμάτων

30 1940 Siemens, AEG, ΖEISS χρηματοδότησαν έρευνα για την βελτίωση του Η.Μ (Θερμαντικό νήμα για κάθοδο ένα συγκεντρωτικό φακό δύο προβολικούς, Δ.Ι. = 100Ǻ) 1950, Siemens UM Siemens Elmiskop I με 2 συγκεντρωτικούς και 3 προβολικούς φακούς Δ.Ι. = 10Ǻ 1961 Siemens Elmiskop IA με Δ.Ι. = 4Ǻ

31 οριζοντίου- δυο σταδίων ηλεκτρονικού μικροσκοπίου ( Knoll Ruska 1932) Είχε παρατηρήσει το πρώτο του είδωλο διέλευσης ( με μεγέθυνση Χ 17) ενός μεταλλικού πλέγματος, χρησιμοποιώντας μικροσκόπιο δυο φακών

32 Το πρώτο ΤΕΜ από τη Siemens με τρεις μαγνητικούς φακούς και υδρόψυξη με μπαταρίες. Ο αντικειμενικός φακός είχε εστιακό μηκος 2,8 nm στα 80 kv με διακριτική ικανότητα 10nm

33 . JEOL μικροσκόπια διέλευσης : (α) μοντέλο 100Β (β) μοντέλο 2010

34 3 MV HVEM κατασκευασμένο από την C.N.R.S. laboratories στην Τουλούζη και σε χρήση από το Η εστίαση των ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας απαιτούσε μεγάλης διαμέτρου φακούς η κολώνα του ΤΕΜ έγινε τόσο ψηλή που να απαιτούνται μακριά ραβδιά ελέγχου αναμεσά στον χειριστή και τα κινούμενα μέρη του μικροσκοπίου

35 Ηλεκτρονικό Μικροσκόπιο Σάρωσης SEM στα εργαστήρια RCA (Zwyorkin 1942) κάνουν χρήση ηλεκτροστατικών φακών και τεχνολογία λυχνίας κενού (όπως ο ενισχυτής στα αριστερά ). Ένα είδωλο παράχθηκε στο πανομοιότυπο μηχάνημα που φαίνεται στα δεξιά της εικόνας.

36 Hitachi S5200 εκπομπής πεδίου ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης. Αυτό το όργανο μπορεί να λειτουργήσει σε κατάσταση SEM ή STEM και παρέχει διακριτική ικανότητα ειδώλου 1nm.

37 Φωτογραφία του STEM του Σικάγο. Κάτω αριστερά φαίνονται άτομα υδράργυρου σε μια λεπτή μεμβράνη άνθρακα.

38