Skaneeriv transmissioonelektronmikroskoop

Skaneeriv transmissioonelektronmikroskoop (STEM) on transmissioonelektronmikroskoobi (TEM) alaliik. Sarnaselt TEM-iga moodustub kujutis proovi läbivate elektronide detekteerimise teel. Erinevalt TEM-ist on aga STEM-is elektronkiir fokuseeritud ühte punkti (tüüpilise punkti suurusega 0,05–0,2 nm) millega liigutakse rastersüsteemi põhjal üle terve proovi pinna nii, et elektronkiir oleks skaneerimise ajal perfektselt risti proovi pinnaga. Taoline pinna skaneerimise meetod muudab STEM-i sobivaks ka teiste tehnikate jaoks, nagu näiteks energiadispersiivset röntgenspektroskoopia (EDX/EDS) või elektronide energiakadude spektroskoopia (EELS, inglise k electron energy loss spectroscopy), mille signaali on võimalik mõõta samaaegselt, mistõttu on võimalik üks-ühele võrrelda kujutisi ning spektroskoopilisi andmeid.

STEM-i ülevaatlik skeem

Kõrgvaakum-STEM varustatud kolmanda järgu sfäärilise aberratsiooni korrektoriga

Aberratsioonikorrektori sisemus

Tihti baseerub STEM tavalisel TEM-il, millele on lisatud skaneerivad mähised, detektorid ja muu vajalik, mis võimaldab ühe seadmega läbi viia nii TEM- kui ka STEM-analüüse, ehkki toodetakse ka STEM-e, millel taoline võimalus puudub.

Nagu kõik transmissioonelektronmikroskoobi alaliigid vajab ka STEM väga stabiilset ruumikeskkonda. Saavutamaks aatomlahutust on vajalik minimeerida vibratsioone, temperatuurikõikumisi, elektromagnet- ja helilaineid ruumis kus mikroskoop asub.^[1]

Ajalugu

Tänapäevase elektronmikroskoopia alguseks võib pidada 1925. aastat, kui Louis de Broglie avaldas esimesena teooria elektronide laineomaduste kohta, mille lainepikkus on tunduvalt väiksem kui optilisel valgusel.^[2] See oli esimene samm kasutamaks elektrone loomaks kujutisi objektidest, mis on tunduvalt väiksemad kui need, mida on võimalik vaadelda nähtava valguse abil. Esimese STEM-i valmistas 1938. aastal parun Manfred von Ardenne kes töötas sel ajal Berliinis Siemensis. ^[3][4] Von Ardenne'i valmistatud mikroskoop jäi omadustelt aga tunduvalt alla teistele TEM-idele, mistõttu loobus ta pärast kahte aastat selle edasiarendamisest. Mikroskoop hävis 1944. aastal õhurünnakus.^[5]

Järgmine samm STEM-i arenguloos astuti alles 1970. aastatel, kui Albert Crewe, Chicago Ülikoolis arendas välja uudse välja-elektronkahuri ja lisas kvaliteetsema elektromagnetläätse, luues tänapäevase STEM-i. Enda ehitatud seadmega suutis Crewe saavutada aatomlahutuse kasutades rõngas-tumevälja detektorit.^{[6] [7]}

1980. aastate lõpuks oldi STEM-i arendamisega jõutud nii kaugele, et parimate mikroskoopide resolutsioon oli 2 Å, mille tulemusena osutus juba võimalikuks mõningate materjalide aatomstruktuuri uurimine.^[8]

Aberratsioonid

Elektronkiire fokuseerimiseks kasutatavad magnetläätsed jäävad kvaliteedilt ja püsivuselt oluliselt alla optilistes mikroskoopides kasutatavatele klaasläätsedele. Sellest tulenevalt on STEM-i teoreetiliste piirideni jõudmise üheks peamiseks piiravaks teguriks suurte aberratsioonide teke. Just arengud aberratsioonide korrigeerimise tehnoloogiates võimaldab moodsas STEM-is koondada elektronkiirt vähem kui ongströmi suurusele alale, võimaldades saavutada kujutisi mille resolutsioon on alla ongströmi. Aberratsioon-korrigeeritud STEM-i, mille lahutusvõime oli 1,9 Å, demonstreeriti esmakordselt 1997. aastal^[9]. Juba aasta hiljem oli jõutud 1,36 Å-ni.^[10] Tänapäevaks on jõutud STEM-ideni, mille lahutusvõime on alla 50 pm.^[11]

Kasutusvaldkonnad

STEMe kasutatakse karakteriseerimaks proove nanoskaalal, aatomtasandil, mis võimaldab paremini mõista eri materjalide ja struktuuride koostist ja käitumist. Peamisteks kasutusvaldkondadeks on materjaliteadus ja bioloogia.

Materjaliteadus

Materjaliteaduses kasutatakse STEM-i karakteriseerimaks väga paljude eri materjalide struktuuri vaadeldes õhukeste kilede sadestumist, materjalide kristallstruktuuri, pinnastruktuuri eripärasid ja dislokatsioonide liikumisi. Näiteks kasutatakse seda arendamaks ja karakteriseerimaks uudseid mälumaterjale, päikesepaneele^[12], pooljuhtseadmeid,^[13] akusid,^[14] kütuseelemente^[15] ja 2D-materjale^[16].

Bioloogia

Esimest korda demonstreeriti STEM-i võimekust kujutada bioloogilisi molekule 1971. aastal.^[17] Tänu tumevälja detektori abil saadud kujutiste heale kontrastsusele on STEM-i abil võimalik uurida bioloogilisi proove ilma täiendava värvinguta. STEM-i on laialdaselt kasutatud just molekulaarbioloogias.^[18][19][20]

STEM-i detektorid ja kasutusrežiimid

Suure nurgaga rõngjas tumevälja detektor (HAADF, inglise k high-angle annular dark field)

Aatomlahutusega kujutis strontsium titanaadi (SrTiO₃) võest. Vasakul on tumevälja detektori kujutis, paremal helevälja detektori kujutis

HAADF detektorid kasutades moodustub kujutis hajunud kiirguse toimel. Otse langevate elektronide hajutamata kiir blokeeritakse apertuuriga, kuid hajunud kiire elektronid liiguvad läbi apertuuriava rõngja detektorini. Kasutades HAADF detektorit on võimalik saavutada aatomlahutusega kujutisi mille kontrastsus on vahetult seotud vaadeldavate elementide aatomnumbriga, mis võimaldab proovis hõlpsasti eristada eri ühendeid. Kujutiste tõlgendamise lihtsus on üheks eeliseks võrreldes näiteks kõrglahutusega transmissioonmikroskoobi (HRTEM) ees, kus kujutiste interpreteerimiseks tuleb tihti abiks kasutada täiendavaid simulatsioone.^[21]

Helevälja detektor

STEM-is asetatakse helevälja detektor objektiivläätse fokaaltasandi keskele, ühele teljele elektronkiirega. Seda kasutatakse tihti koos tumevälja detektoriga.^[22][23]

STEM ja spektroskoopia

Elektronide energiakadude spektroskoopia (EELS, inglise k Electron energy loss spectroscopy)

Proovi läbides interakteeruvad mõningad elektronid elektronkiirest proovis olevate elektronidega ning toimub mitteelastne hajumine, mille tulemusena elektronide energia väheneb. EELS-i puhul mõõdetakse elektronide energia kadu prooviga interakteerumise tagajärjel elektronspektromeetri abil. Sel moel saavutatav lahutusvõime on piisav selleks, et analüüsida proovide keemilist ja elemendilist koostist (eelistatult kergeid elemente) aatomlahutuse tasandil.^{[24] [25] [26]}

Energiadispersiivne röntgenspektroskoopia (EDS või EDX, inglise k Energy-dispersive X-ray spectroscopy)

Energiadispersiivses röntgenspektroskoopias kasutatakse röntgenspektromeetrit selleks, et detekteerida karakteristlikke röntgenikiiri, mis emiteeruvad aatomitest kui neid elektronkiire mõjul ioniseeritakse. STEM-is kasutatakse EDS-i eelkõige proovide elementkoostise kaardistamiseks.^[27] Veel hiljuti olid röntgenikiirguse detektorid elektronmikroskoopides võrdlemisi ebaefektiivsed, kuid seoses laianurksete detektorite laialdasema levikuga on ka EDS muutunud piisavalt efektiivseks meetodiks, et saavutada elementide aatomlahutust^{[28] [29]}

Muud STEM-tehnikad

STEM-ide tarvis on arendatud mitmeid spetsiaalseid proovihoidjaid ja lisaseadmeid, mis võimaldavad STEM-iga teha ka väga spetsiifilisi uuringuid.

STEM-tomograafia

STEM-tomograafia võimaldab proovidest luua 3D-mudelid, milles kajastub nii nende sise- kui ka välisstruktuur. Selleks tehakse proovist suur hulk 2D-kujutisi eri nurkade all, kasutades spetsiaalseid proovihoidjaid, mis võimaldavad proovi kallutada. Saadud kujutised liidetakse kokku ühtseks 3D-mudeliks.^[30]STEM-tomograafia toetub eelkõige HAADF detektoritele, kuna nende kujutiste intensiivsus sõltub eelkõige proovi elementkoostisest ja paksusest. See võimaldab eri nurkade all tehtud kujutisi koondada ühtseteks ja võrdlemisi lihtsasti tõlgendatavateks 3D-mudeliteks.^[31]

Krüo-STEM

Krüo-STEM võimaldab hoida uuritavaid proove vedela lämmastiku või vedela heeliumi temperatuuril. Seda kasutatakse eelkõige uurimaks proove, mis sisaldavad selliseid elemente või ühendeid, mis kõrgematel temperatuuridel on lenduvad ning seetõttu sobimatud vaatluseks toatemperatuuril. Samuti on see kasulik mõningate bioloogiliste proovide uurimisel.^{[32] [33] [34]}

Madalpinge-STEM

Madalpinge-STEM (MP-STEM) on mõeldud kasutamiseks võrdlemisi madalatel elektronide kiirenduspingel, vahemikus 0,5–30 kV. Mõningaid MP-STEM-e on võimalik kasutada nii SEM, TEM- kui ka STEM-režiimis. MP-STEM-id leiavad eelkõige kasutust bioloogiliste proovide uurimiseks, kuna madalamal pingel muutub kujutis kontrastsemaks, mistõttu puudub vajadus värvingute kasutamiseks proovides. MP-STEM võimaldab saavutada mõnenanomeetrist lahutust ning tulenevalt madalatest pingetest on elektronkiire fokuseerimiseks võimalik kasutada ka püsimagneteid, mis ei vaja pidevat jahutust.^[35][36]

Vaata ka

• Transmissioonelektronmikroskoop (TEM)
• Skaneeriv elektronmikroskoop (SEM)
• Aatomijõumikroskoopia (AFM)