Introduksjon til elektronmikroskopet

Firefly Productions / Getty Images

Fordelene med å bruke et elektronmikroskop fremfor et optisk mikroskop er mye høyere forstørrelse og oppløsningsevne. Ulempene inkluderer kostnadene og størrelsen på utstyret, kravet om spesiell opplæring for å forberede prøver for mikroskopi og bruke mikroskopet, og behovet for å se prøvene i et vakuum (selv om noen hydratiserte prøver kan brukes).

Den enkleste måten å forstå hvordan et elektronmikroskop fungerer på er å sammenligne det med et vanlig lysmikroskop. I et optisk mikroskop ser du gjennom et okular og en linse for å se et forstørret bilde av en prøve. Det optiske mikroskopoppsettet består av en prøve, linser, en lyskilde og et bilde du kan se.

I et elektronmikroskop tar en elektronstråle plassen til lysstrålen. Prøven må forberedes spesielt slik at elektronene kan samhandle med den. Luften inne i prøvekammeret pumpes ut for å danne et vakuum fordi elektroner ikke beveger seg langt i en gass. I stedet for linser fokuserer elektromagnetiske spoler elektronstrålen. Elektromagnetene bøyer elektronstrålen på omtrent samme måte som linser bøyer lys. Bildet er produsert av elektroner , så det ses enten ved å ta et fotografi (et elektronmikrofotografi) eller ved å se på prøven gjennom en monitor.

Det er tre hovedtyper av elektronmikroskopi, som varierer etter hvordan bildet er dannet, hvordan prøven er forberedt og oppløsningen til bildet. Disse er transmisjonselektronmikroskopi (TEM), skanningelektronmikroskopi (SEM) og skanningstunnelmikroskopi (STM).

Transmisjonselektronmikroskop (TEM)

avid_creative / Getty Images

Ved skanningselektronmikroskopi skannes elektronstrålen over overflaten av en prøve i et rastermønster. Bildet er dannet av sekundære elektroner som sendes ut fra overflaten når de eksiteres av elektronstrålen. Detektoren kartlegger elektronsignalene, og danner et bilde som viser dybdeskarpheten i tillegg til overflatestrukturen. Mens oppløsningen er lavere enn for TEM, tilbyr SEM to store fordeler. For det første danner det et tredimensjonalt bilde av en prøve. For det andre kan den brukes på tykkere prøver, siden bare overflaten skannes.

I både TEM og SEM er det viktig å innse at bildet ikke nødvendigvis er en nøyaktig representasjon av prøven. Prøven kan oppleve endringer på grunn av dens forberedelse for mikroskop , fra eksponering for vakuum, eller fra eksponering for elektronstrålen.

Skannetunnelmikroskop (STM)

Museum of the History of Science of the City of Geneva / Wikimedia Commons / CC BY 3.0

Et skanningstunnelmikroskop (STM) avbilder overflater på atomnivå. Det er den eneste typen elektronmikroskopi som kan avbilde individer atomer . Oppløsningen er omtrent 0,1 nanometer, med en dybde på omtrent 0,01 nanometer. STM kan brukes ikke bare i vakuum, men også i luft, vann og andre gasser og væsker. Den kan brukes over et bredt temperaturområde, fra nesten absolutt null til over 1000 grader C.

STM er basert på kvantetunnelering. En elektrisk ledende spiss bringes nær overflaten av prøven. Når en spenningsforskjell påføres, kan elektroner tunnelere mellom spissen og prøven. Endringen i strømmen til spissen måles mens den skannes over prøven for å danne et bilde. I motsetning til andre typer elektronmikroskopi, er instrumentet rimelig og enkelt å lage. STM krever imidlertid ekstremt rene prøver, og det kan være vanskelig å få det til å fungere.

Utvikling av skanningstunnelmikroskopet ga Gerd Binnig og Heinrich Rohrer Nobelprisen i fysikk i 1986.