מיקרוסקופ אלקטרונים

מיקרוסקופ אלקטרונים או מיקרוסקופ אלקטרוני (באנגלית: Electron Microscope) הוא מיקרוסקופ המסוגל להגדיל עצמים קטנים במיוחד בכושר הפרדה גבוה על ידי שימוש באלקטרונים, כתחליף למקור אור במיקרוסקופים רגילים. מיקרוסקופ אלקטרונים מסוגל להגדיל את העצם הנבחן עד לפי 10,000,000 מגודלו המקורי תוך ניצול טכנולוגיות של קרן האלקטרונים.

היסטוריה

מיקרוסקופ האלקטרונים הראשון נבנה על ידי הפיזיקאי הגרמני ארנסט רוסקה. הוא ידע שלאלקטרונים יש פן של גלים, לכן האמין שהוא יכול לנהוג בהם באופן דומה לגלי אור. השפעת שדות מגנטיים על תנועת אלקטרונים הייתה ידועה, ורוסקה שיער כי ניתן להשתמש בהשפעה זו כדי למקד קרני אלקטרונים כפי שעדשה אופטית ממקדת קרני אור. לאחר שוידא עקרונות אלו במחקר, הוא החל בתכנון מיקרוסקופ אלקטרונים. רוסקה הסיק שמיקרוסקופ אלקטרונים יהיה הרבה יותר יעיל ממיקרוסקופ אופטי רגיל ויאפשר הגדלה רחבה יותר משום שהרזולוציה גדלה באורכי גל קצרים וגלי אלקטרונים קצרים יותר מגלי האור הרגילים. בשנת 1933 רוסקה ושותפו, פיזיקאי גרמני נוסף בשם מקס נול, שרוסקה היה תלמידו, בנו אב טיפוס ראשון למיקרוסקופ האלקטרונים. אמנם המיקרוסקופ היה פרימיטיבי ולא ראוי לשימוש מעשי, אולם היה מסוגל להגדיל עצמים פי 400. רוסקה זכה בשנת 1986 בפרס נובל לפיזיקה, וכך נאמר בטקס: "על עבודתו הבסיסית באופטיקת אלקטרונים, ועל תכנון מיקרוסקופ האלקטרונים הראשון".^[1]

מיקרוסקופ האלקטרונים היעיל הראשון נבנה על ידי אלי פרנקלין ברטון ותלמידיו, ססיל הול, ג'יימס היליאר ואלברט פרבוס, באוניברסיטת טורונטו, קנדה בשנת 1938.

אף על פי שמיקרוסקופים אלקטרוניים במאה ה-21 מסוגלים להגדיל עצם פי 10 מיליון, הם עדיין מבוססים על אב הטיפוס ועל גילוי הקשר בין אורך גל לרזולוציה של רוסקה. מיקרוסקופ אלקטרונים הוא חלק אינטגרלי מהציוד הנדרש במעבדות רבות. חוקרים נעזרים בו על מנת לבחון חומרים ביולוגיים (כגון מיקרואורגניזמים ותאים), מגוון מולקולות גדולות, דגימות ביופסיה, מבנה חומרים מתכתיים, גבישיים, ננו-חומרים וכן לאפיון פני-שטח של חומרים.

סוגי מיקרוסקופ האלקטרונים

מיקרוסקופ אלקטרונים חודר (מינוח אנגלי וראשי תיבות: Transmission Electron Microscope, TEM)

ערך מורחב – מיקרוסקופ אלקטרונים חודר

הוא הגרסה המקורית של מיקרוסקופ האלקטרונים הראשון, מיקרוסקופ אלקטרונים חודר, מצריך אלומת אלקטרונים במתח גבוה הנפלטת באמצעות קתודה (תותח אלקטרונים) וממוקדת על ידי עדשות מגנטיות. אלומת האלקטרונים שהוחדרה חלקית דרך הדגימה המאוד דלילה (ולכן שקופה למחצה לאלקטרונים) נושאת מידע לגבי המבנה הפנימי של הדגימה. הסטייה המרחבית במידע זה (ה"תמונה") מוגדלת באמצעות סדרת עדשות מגנטיות עד שהיא נרשמת על ידי פגיעה במסך פלואורסצנטי, צלחת צילומית או חיישן אור כגון מצלמת CCD (ראשי תיבות של התקן צמוד מטענים, באנגלית: charge coupled device). את התמונה המזוהה על ידי ה-CCD ניתן להציג בזמן אמת על גבי מוניטור או מחשב.

רזולוציית התמונה המתקבלת באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים חודר ברזולוציה גבוהה (High Resolution TEM, HRTEM) מוגבלת בגלל סטיות כדוריות וכרומטיות; אבל דור חדש של מתקני סטיות הצליח להתגבר על אותן סטיות כדוריות^[2]. תיקונים של סטיות אלו אפשרו הפקת תמונות עם מספיק רזולוציה על מנת להציג אטומי פחמן ביהלום מופרדים ב-0.89 אנגסטרום (89 פיקומטר) ואטומי צורן ב-0.78 אנגסטרום, הגדלה של פי 50 מיליון^[3]. היכולת לקבוע מיקום אטומים בתוך חומרים הפכה את ה-HRTEM לכלי הכרחי במחקר ופיתוח ננוטכנולוגיות בתחומים רבים, כולל זירוז הטרוגני (Heterogeneous Catalysis) ופיתוח התקני הולכה למחצה לאלקטרוניקה ופוטוניקה.

מיקרוסקופ אלקטרונים חודר מספק תמונה דו-ממדית של העצם.

מיקרוסקופ אלקטרונים סורק במעבדת המכון הגיאולוגי לישראל (צולם ב-2010)

מיקרוסקופ אלקטרונים סורק (Scanning Electron Microscope, SEM)

בשונה מה-TEM, שבו נוצרת תמונה על ידי זיהוי אלקטרונים החודרים דרך הדגימה, במיקרוסקופ אלקטרונים הסורק הפקת התמונות נוצרת על ידי זיהוי אלקטרונים משניים הנפלטים מפני השטח עקב פגיעת אלומת האלקטרונים העיקרית שנורתה מתותח האלקטרונים ומורכזה על ידי העדשות. ב-SEM, אלומת האלקטרונים סורקת את כל הדגימה שורה אחר שורה (סריקת ראסטר), וגורמת לפליטת אלקטרונים משניים (Secondary electron), ואלקטרונים מוחזרים (Backscattered electrons) מפני הדגימה. האלקטרונים המשניים והמוחזרים שנפלטו מפני הדגימה נקלטים על ידי גלאי אלקטרונים המשניים הנמצאים בדרך כלל לצד הדגם; ואילו גלאי האלקטרונים המוחזרים נמצאים בדרך כלל מעל הדגם; ולעיתים ניתנים אף להוצאה (משיכה) מתא הבדיקה. התמונה הסופית נבנית ממספר האלקטרונים שנפלטים מכל נקודה על הדגימה.

עקרון הפעולה של מיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM)

באופן כללי, רזולוציית המיקרוסקופ החודר גבוהה בהרבה משל אחיו הסורק, אך, מכיוון שהדמיית המיקרוסקופ הסורק נסמכת על עיבוד פני השטח במקום חדירה לתוכו הוא מסוגל להדמות נפח ויש לו עומק ראייה גדול יותר, משום כך הוא יכול לדמות תמונות שיהיו ייצוג טוב למבנה התלת-ממדי של העצם הנבחן.

קישורים חיצוניים

גלריה של TESCAN מספר דוגמאות SEM מוצלחות, יחד עם תוצאות אנליטיות
Dennis Kunkel Microscopy, Inc. אוסף תמונות SEM. לרוב בצבע לא אמיתי
מעבדת מיקרוסקופיה ריפל גלריית תמונות SEM, מרביתן ביולוגיות מדרטמות' קולג'
אסף רונאל, איך נראה אור ממש מקרוב? ״המיקרוסקופ הקוונטי״ מתעד תופעות שטרם נראו, באתר הארץ, 3 ביוני 2020
technology/electron-microscope מיקרוסקופ אלקטרונים, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)
מיקרוסקופיה אלקטרונית, דף שער בספרייה הלאומית

הערות שוליים

^ ,Nobelprize.org All Nobel Prizes in Physics
^ An introduction to Cs-corrected S/TEM, נבדק ב-2024-02-16
^ Knut W. Urban, Juri Barthel, Lothar Houben, Chun-Lin Jia, Lei Jin, Markus Lentzen, Shao-Bo Mi, Andreas Thust, Karsten Tillmann, Progress in atomic-resolution aberration corrected conventional transmission electron microscopy (CTEM), Progress in Materials Science 133, 2023-03-01, עמ' 101037 doi: 10.1016/j.pmatsci.2022.101037

[1] ,Nobelprize.org All Nobel Prizes in Physics

[2] An introduction to Cs-corrected S/TEM, נבדק ב-2024-02-16

[3] Knut W. Urban, Juri Barthel, Lothar Houben, Chun-Lin Jia, Lei Jin, Markus Lentzen, Shao-Bo Mi, Andreas Thust, Karsten Tillmann, Progress in atomic-resolution aberration corrected conventional transmission electron microscopy (CTEM), Progress in Materials Science 133, 2023-03-01, עמ' 101037 doi: 10.1016/j.pmatsci.2022.101037

[1]

[2]

[3]