Vlnová délka světla je cca 0,4 µm => rozlišovací schopnost cca. 0,2 µm 1000 x víc než oko

VŠCHT - Forenzní analýza, 2012 RNDr. M. Kotrlý, KUP

Mikroskopie Rozlišovací schopnost lidského oka cca 025 0,25mm Vlnová délka světla je cca 0,4 µm => rozlišovací schopnost cca. 0,2 µm 1000 x víc než oko Vlnová délka příslušející urychlenému elektronu (60kV) je přibližně 0,005nm => rozlišovací schopnost 0,0025 nm 100 000 000 x víc než oko Prakticky 350 000 500 000 x víc než oko Špičkové přístroje až 800 000 1 000 000 x

Rozlišovací schopnost je dána minimální vzdáleností dvou ještě rozlišitelných bodů. V případě optického mikroskopu ji lze teoreticky odvodit spojením Rayleighova kritéria i s teorií difrakce na kruhovém otvoru: kde Xmin = 0,61. λ / n sin θ λ je vlnová délka světla ve vakuu n index lomu prostředí před objektivem θ je polovina vrcholového úhlu kužele paprsků vstupujících do objektivu. U optického mikroskopu je hranice nejmenších pozorovatelných detailů jednoznačně určena jako polovina vlnové délky použitého světelného záření. 3

historie: komplexní vynález 20. století kombinace mnoha výsledku bádání v různých oblastech pol. 19 století studium elektrických výbojů 1897 objev elektronu 1925 rychle letící částice mají vlnový charakter vlnová povaha elektronů 1927 práce studující vychylování elektronů pomocí magnetických polí solenoidů 1932 Max Knola, Ernst Ruska (Berlín) první TEM 1939 komerční výroba TEM (fy Siemens) rozlišovací schopnost 10 nm 1986 E. Ruska dostává Nobelovu cenu 5

Transmisní elektronová mikroskopie (TEM) Jak TEM pracuje? V podstatě analogie optického mikroskopu, ale místo světelného paprsku se používá paprsek elektronový, a místo skleněných čoček, čočky magnetické. Proud elektronů prochází tzv. elektronovou čočkou, kterou tvoří elektrické pole zvláštního kondenzátoru nebo magnetické pole cívky. Tato elektronová čočka soustřeďuje elektrony na pozorovaný předmět (preparát). Proud elektronů pak prochází další elektronovou čočkou objektivem a vytvoří první elektronový obraz. Část tohoto obrazu se elektronovou čočkou projektivem znovu zvětší a vzniká výsledný obrazec. Vrstva preparátu musí být velmi tenká, cca do 100 nm, aby nepohlcovala elektrony.

Transmisní elektronová mikroskopie (TEM) Srovnání fotografie téhož vzorku TEM a SEM TEM 100 000 x kv

SEM - historie: 1938 popis rastrování u TEM po II. svět. válce - vynález fotonásobiče 1965 SEM Cambridge Scientific C.W.Oatley 8

Hlavní komponenty SEM 1 elektronová tryska generování elektronového svazku 1 2 2 tubus elektronová optika, fokusace svazku 4 3 5 3 komora vzorku 4 detektory 5 zobrazovací systém 6 chladící systém 7 vakuový systém (rotační vývěva, difuzní / turbomolekulární lá vývěva)

1. Elektronová tryska 1. wolframová katoda 2. lanthanum hexaboride (LaB 6 ) 3. autoemisní tryska - field emission

Emission Thermionic W LaB6 FE Field Emission Size (nm) 1 x 10 5 2 x 10 4 0.2 Brightness (A/cm2.steradian) 10 4-10 5 10 5-10 6 10 7-10 9 Energy Spread d(v) (ev) 1-5 05 0.5 30 3.0 02 0.2 03 0.3 Operating Lifetime (hrs) >50 >500 >5000 Vacuum (torr) 10-4 10-5 10-6 10-7 10-9 -10 10 11

W katoda T cca 2400 C průměr hrotu 200 µm životnost 50 400 hodin

LaB 6 katoda T cca 2125 C průměr hrotu 20 µm životnost nad 500 hodin 5x vyšší jas oproti W katodě

Autoemisní zdroj FE T cca 25 C průměr hrotu 0,1 µm životnost nad 1 rok 100x vyšší jas oproti W katodě

Autoemisní elektronová mikroskopie Autoemisní katoda Schottkyho emisní zdroje vynikají jasem a životností - 100 x jasnější, Mód vysokého vakua < 1x10-6 Pa

2. Tubus elektronový svazek je fokusován pomocí elektromagnetických ti ký čoček č k kondenzorové čočky kondenzorové čočky objektivové čočky rastrovací cívky

magnetické pole: působení magnetického pole na dráhu letícího elektronu lze využít k sestrojení elektromagnetické čočky funguje přibližně stejně jako skleněná čočka v případě světla nejjednodušší elektromagnetickou čočkou je solenoid kruhová cívka ve které a okolo které při průchodu elektrického proudu vzniká magnetické pole 17

magnetické pole solenoidu ovlivňuje dráhy elektronů, které vycházejí z bodového zdroje A a které po zakřivení jejich drah v magnetickém poli cívky, opět protínají její osu v bodě B 18

vady elektromagnetických čoček stejně jako skleněné čočky i elektromagnetické čočky vykazují stejné vady důvod, proč se v praxi nedosahuje teoretické rozlišovací schopnosti sférická vada - je neschopnost čočky zaostřovat všechny paprsky vycházející z bodového zdroje opět do jednoho bodu důsledkem této vady je, že zvětšení v krajích obrazuje jiné než v jeho středu 19

chromatická vada vzniká v důsledku rozdílných energií elektronů ve svazku pomalejší elektrony s větší vlnovou délkou jsou v magnetickém poli cívek vychylovány jinak a protínají osu cívky v jiném bodě, než elektrony s vyšší rychlostí snížení chromatické vady je možné docílit maximální stabilizací urychlovacího napětí mikroskopu osový astigmatismus způsobený nesymetrií magnetického pole většinou díky nečistotám, lze uměle korigovat 20

aberace tři typy aberací: sférická (velikost clonky) chromatická (různé energie elektronu) astigmatická (defekt čoček, špína) 21

4. Komora vzorku

tvorba obrazu založena na interakci primárního svazku elektronů s povrchem objektu každý produkt této interakce přináší informaci o fyzikálních a chemických vlastnostech zkoumaného objektu, které lze využít, pokud je mikroskop vybaven vhodným detektorem, který dokáže selektivně tento signál zachytit interakce mezi primárními elektrony a atomy preparátu můžeme rozdělit do dvou skupin: elastické kolize, při kterých vznikají zpětně odražené elektrony neelastické, při kterých dochází k předávání energie primárních elektronů atomům vzorku a následně k uvolnění sekundárních a Augerových elektronů, rtg. záření a katodoluminiscenci 23

SEM 25

Sekundární elektrony (SE) zobrazují povrch preparátu vzhledem k nízké energii sekundárních elektronů se z vyvýšenin na povrchu preparátu dostane do detektoru více sekundárních elektronů a výsledkem je vyšší intenzita signálu a světlejší bod na obrazovce, z prohlubenin je tomu naopak tímje získán íká topografický kýkontrast, který umožňuje zobrazit povrch vzorku energie sekundárních elektronů je pod 50eV

Zpětně odražené elektrony (BSE) produkce BSE závisí na atomovém čísle materiálu vzorku jako světlé oblasti se budou jevit místa s vyšším středním atomovým číslem, tedy tvořená těžšími prvky, naopak, oblasti tvořené lehkými prvky se budou jevit jako tmavá místa možnost přibližné ř prvkové analýzy energie sekundárních elektronů je vyšší než 50eV 29

technologie FIB (iontová mikroskopie) FIB = Focused Ion Beam technology Hlavní rozdíly od SEM elektrony nahrazují ionty ionty jsou větší než elektrony nedochází k průniku do materiálu (žádná vnitřní ionizace) ionty jsou těžší než elektrony vyrážení vyrážení atomů a jejich náhrada ( řezání řezání / depozice) ionty jsou pozitivně nabité (elektrony negativně) nedochází k nabíjení 32

iontový mikroskop - FIB 35

Ga+ ionty jsou používány ve většině aplikací s Ga+ ionty lze řezat většinu materiálů Ga+ ionty umožňují: odstraňování materiálu přidávání materiálu používání zobrazení v sekundárních iontech preparování vzorků in situ provádění iontové mikroanalýzy 36

komora FIB elektronový svazek iontový svazek detektory injektory (GIS) eucentrický bod

Ve forenzní oblasti lze využít zejména : odstraňování materiálu (tj. řezání materiálu na molekulární úrovni), zobrazení v sekundárních iontech provádění iontové mikroanalýzy. 38

katodová luminiscence - instrumentace

CL spektrum dvou zelených skel, vykazujících identický index lomu CL spektrum dvou druhů tmavých obalových skel, vykazujících identický index lomu

Děkuji Vám za pozornost 45