Elektronmikroskoop

Elektronmikroskoop on elektronoptiline seade, mis annab väikestest objektidest suurendatud kujutisi elektronide kimbu – elektronsondi – abil. Elektronkimpe kujundavad, koondavad ja suunavad elektronmikroskoobis elektronläätsed. Kuna elektroni lainepikkus võib olla 100 000 korda väikesem nähtavast lainepikkusest, siis võrreldes valgusmikroskoobiga on elektronmikroskoobil palju suurem lahutusvõime. Elektronmikroskoobiga on võimalik saavutada kuni 10 000 000-kordne suurendus, samas kui valgusmikroskoobid on piiratud kuni 2000-kordse suurenduseni.
Elektronmikroskoope kasutatakse bioloogiliste ja anorgaaniliste proovide, näiteks mikroorganismide, rakkude, molekulide, biopsiamaterjalide ja kristallide uurimiseks. Tööstuslikult kasutatakse elektronmikroskoopi kvaliteedikontrolliks ja rikkeanalüüsiks. Kaasaegsed elektronmikroskoobid suudavad luua mikrograafe, kasutades selleks spetsiaalseid digitaalkaameraid või kaadrimuundureid.
Ajalugu.
Esimese elektronmikroskoobi prototüübi konstrueerisid 1931. aastal saksa füüsik Ernst Ruska ja elektriinsener Max Knoll . Kaks aastat hiljem, aastal 1933, ehitas Ruska elektronmikroskoobi, mis ületas valgusmikroskoobiga saavutatava võimaliku lahutuvuse. Esimese pildi skaneeriva elektronmikroskoobiga tegi 1935. aastal Max Knoll, näidates elektronide kanaliseerumist räniterase kristallis. Esimese tööstusliku transmissioonelektronmikroskoobi ehitas Siemens-Shuckert aastal 1939. Esimese tööstusliku skaneeriva elektronmikroskoobi tootis 1965. aastal Cambridge Scientific Instrument Company.
Liigid.
Transmissioonelektronmikroskoop (TEM).
Tegu on esimese elektronmikroskoobi liigiga. TEM kasutab kujutise saamiseks kõrgepingelist elektronide voogu. Antud voog tekitatakse elektronikahuriga, mille elektronide allikaks on enamasti volframniit. Elektronkiirt kiirendatakse anoodiga tüüpiliselt +100 keV juures katoodi suhtes. Seejärel fokuseeritakse see elektrostaatiliste ja elektromagnetiliste läätsede abil ning suunatakse läbi proovi, millest elektronid lähevad osaliselt läbi ja osaliselt hajuvad. Elektronide hajumine tekitab kujutise, mida fokuseeritakse ja suurendatakse ning projitseeritakse fotoplaadile, digitaalse kaamera sensorile või fluorestseeruvale ekraanile, mis on valmistatud 10–100 μm läbimõõduga tsinksulfaadi osakestest. Ekraani saab vaadata läbi spetsiaalse klaasiga kaetud akna, mille ees kasutatakse vaadeldavast täiendava suurenduse saavutamiseks veel ettelükatavat binokulaari.
Transmissioonelektronmikroskoobi resolutsioon on peamiselt piiratud sfäärilise aberratsiooni tõttu. Kõrglahutuvus transmissioonelektronmikroskoobis korrigeeritakse riistvara aberratsiooni mõju vähendamiseks, nii on võimalik saada pilte resolutsiooniga 0,5 ongströmit ja 50 miljoni kordseid suurendusi.
Elektrondifraktsioon on üks tähtsamatest TEM-i rakendusviisidest. Selle eelis röntgenkristallograafia ees on see, et uuritav proov ei pea olema üksik kristall ega polükristalliline pulber, kuid see peab olema ülipeenike – umbes 100 nanomeetrit. Bioloogilised proovid peavad olema keemiliselt fikseeritud, dehüdreeritud ja asetatud polümeervaigu sisse.
Skaneeriv elektronmikroskoop (SEM).
Sarnaselt TEM-iga loob skaneeriv elektronmikroskoop proovist kujutise elektronide vooga, kuid SEM-i kiir ei kanna endaga kaasas informatsiooni tervest kujutisest. Pildid on saadud kombates uuritavat proovi fokuseeritud elektronkiirega, mida skaneeritakse üle ristkülikukujulise ala. Elektronid interakteeruvad pinnal asuvate aatomitega, tekitades signaale, mis sisaldavad informatsiooni pinna kuju, koostise, elektrijuhtivuse ja muude omaduste kohta.
Üldiselt on SEM-i tekitatud piltide resolutsioon umbes suurusjärgu võrra halvem kui TEM-il. Skaneeriva elektronmikroskoobi pilt põhineb pinnaprotsessidel, mistõttu on see võimeline tekitama pilte proovidest, mis on mitme sentimeetri suurused ning tänu laiale teravussügavusele on tekkiv kujutis kolmemõõtmeline.
Lisaks eksisteerib skaneeriv keskkonnaelektronmikroskoop (ESEM), mis suudab mikrograafe luua proovidest, mis on märjad või asetsevad nõrgas vaakumis.
Reflektoorne elektronmikroskoop (REM).
Reflektoorne elektronmikroskoop kasutab samuti elektronkiirt, mida suunatakse uuritavale pinnale, kuid detekteeritakse peegeldunud kiirest elastselt hajunud elektrone. REM-i kasutatakse tavaliselt koos peegeldunud kõrgeenergeetilise elektronide difraktsiooniga (RHEED) ja peegeldunud kõrgeenergeetilise energiakadude spektroskoopiaga (RHELS).
Proovieksemplari valmistamine.
Elektronmikroskoobi all vaatlemiseks peab materjale eelnevalt töötlema, et luua sobivat proovi. Selleks kasutatavad meetodid erinevad sõltuvalt uuritavast proovist ja tehtavast analüüsist:
Puudused.
Elektronmikroskoopide ehitamine ja hooldus on kallis, samuti peavad kõrge suurendusvõimega mikroskoobid paiknema stabiilsetes ehitistes, mõnikord isegi maa all. Lisaks vajavad elektronmikroskoobid eriteenuseid, näiteks magnetvälja nõrgendavaid süsteeme.
Proove peab enamasti jälgima vaakumis, et õhumolekulid ei hajutaks elektrone. Ainsaks erandiks on skaneeriv keskkonnaelektronmikroskoop, mis lubab hüdreeritud proove vaadelda ka rõhkudel kuni 20 torri.
Skaneeriv elektronmikroskoop, mis töötab kõrgvaakumis, saab pilte teha vaid elektrit hästi juhtivatest proovidest. Mittejuhtivaid proove tuleb katta materjaliga, mis juhiks elektrit. Enamasti kasutatakse selleks materjaliks kulla ja pallaadiumi sulamit, süsinikku või osmiumit. Samuti on võimalik mittejuhtivaid proove jälgida tänapäevaste mikroskoopide madalpingerežiimiga. 
Hüdreeritud materjale ehk peaaegu kõiki bioloogilisi proove tuleb eelnevalt töödelda, et neid stabiliseerida, vähendada nende paksust ja suurendada optilist kontrastsust.
Rakendused.
Pooljuhid ja andmekandjad
Bioteadused
Materjaliuuringud
Tööstus