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

Mikroskopie

R liš í h t lid kéh k 0 25Rozlišovací schopnost lidského oka cca 0,25mm

Vlnová délka světla je cca 0,4 µm => rozlišovací schopnost cca. 0,2 µm1000 x víc než oko

Vlnová délka příslušející urychlenému elektronu (60kV) je přibližně 0,005nm => rozlišovací schopnost 0,0025 nmp ,

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 bodůrozlišitelných bodů.

V případě optického mikroskopu ji lze teoreticky odvodit spojením R l i h k ité i t ií dif k k h é tRayleighova kritéria s teorií difrakce na kruhovém otvoru:

Xmin = 0,61 . λ / n sin θ

kde

λ je vlnová délka světla ve vakuun index lomu prostředí před objektivemθ je polovina vrcholového úhlu kužele paprsků vstupujících doθ 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 ář í

3

záření.

4

historie:komplexní vynález 20. století – kombinace mnoha výsledku bádání v různých oblastechý ýpol. 19 století–studium elektrických výbojů1897 objev elektronu1897 – objev elektronu1925 – rychle letící částice mají vlnový charakter –vlnová povaha elektronůvlnová povaha elektronů1927 – práce studující vychylování elektronů pomocí

ti ký h lí l idůmagnetických polí solenoidů1932 – Max Knola, Ernst Ruska (Berlín) – první TEM1939 – komerční výroba TEM (fy Siemens) – rozlišovací schopnost 10 nm

51986 – E. Ruska dostává Nobelovu cenu

Transmisní elektronová mikroskopie (TEM)

V podstatě analogie optického mikroskopu, ale místo světelného paprsku se používá paprsek elektronový a místo skleněných čoček čočky

Jak TEM pracuje?

elektronový, a místo skleněných čoček, čočky magnetické.

• Proud elektronů prochází tzv elektronovou• Proud elektronů prochází tzv. elektronovou čočkou, kterou tvoří elektrické pole zvláštního kondenzátoru nebo magnetické pole cívky. Tato elektronová čočka soustřeďuje elektrony naelektronová čočka soustřeďuje elektrony na pozorovaný předmět (preparát).

• Proud elektronů pak prochází další p pelektronovou 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 kV100100 000 x kV100

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

1

generování elektronového svazku

2 ‐ tubus – elektronová 

2

542  tubus  elektronová 

optika, fokusace svazku

3 – komora vzorku

3

4 – detektory

5 – zobrazovací systém

6 – chladící systém

7 – vakuový systém (rotační vývěva, dif í / b l k lá ídifuzní / turbomolekulární vývěva)

1. Elektronová tryskay

1. wolframová katoda2 lanthanum hexaboride2. lanthanum hexaboride

(LaB6)3. autoemisní tryska - field3. autoemisní tryska field

emission

EmissionThermionic Field Emission

W LaB6 FEW LaB6 FE

Size (nm) 1 x 105 2 x 104 0.2( )

Brightness104 - 105 105 - 106 107 - 109

(A/cm2.steradian)10 - 10 10 - 10 10 - 10

E S d ( V) 1 5 0 5 3 0 0 2 0 3Energy Spread (eV) 1 - 5 0.5 – 3.0 0.2 – 0.3

Operating LifetimeOperating Lifetime(hrs)

>50 >500 >5000

11Vacuum (torr) 10-4 – 10-5 10-6 – 10-7 10-9-10 – 10

W katoda

T cca 2400°C

ů ě h 200průměr hrotu 200 µm

životnost 50 – 400 hodin

LaB6 katoda

T cca 2125°C

ů ě h 20průměr hrotu 20 µm

životnost nad 500 hodin

5x vyšší jas oproti W katodě

Autoemisní zdroj – FE j

T cca 25°C

průměr hrotu 0,1 µm

životnost nad 1 rokživotnost nad 1 rok

100x vyšší jas oproti W katoděkatodě

Autoemisní elektronová mikroskopie

Autoemisní katoda

Schottkyho emisníSchottkyho emisní zdroje vynikají jasem a životností - 100 x jasnější,

Mód vysokého vakua < 1x10-6 Pa

2. Tubus – elektronový svazek je fokusován pomocí l kt ti ký h č č kelektromagnetických čoček

• kondenzorové čočkykondenzorové čočky• objektivové čočky• rastrovací cívky

magnetické pole: působení magnetického pole na dráhumagnetické 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 p pelektrického proudu vzniká magnetické pole

17

magnetické pole solenoidu ovlivňuje dráhy elektronů, g p j y ,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 středuje, že zvětšení v krajích obrazuje jiné než v jeho středu

19

chromatická vada – vzniká v důsledku rozdílných energií elektronů ve svazkusvazku

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 r chlo acího napětí mikroskopurychlovacího napětí mikroskopu

osový astigmatismus – způsobený nesymetrií magnetického pole

většinou díky nečistotám, lze uměle korigovat

20

aberace

tři t b í• 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 preparátuinterakce mezi primárními elektrony a atomy preparátu můžeme rozdělit do dvou skupin:

elastické kolize při kterých vznikají zpětně odražené elektronyelastické kolize, při kterých vznikají zpětně odražené elektrony

neelastické, při kterých dochází k předávání energie primárních elektronů atomům vzorku a následně k uvolnění sekundárníchelektronů atomům vzorku a následně k uvolnění sekundárních a Augerových elektronů, rtg. záření a katodoluminiscenci

23

24

SEM

25

Sekundární elektrony (SE) ‐

zobrazují povrch preparátu

vzhledem k nízké energii sekundárních elektronů se z vyvýšenin na povrchuvzhledem k nízké energii sekundárních elektronů se z vyvýšenin na povrchupreparátu dostane do detektoru více sekundárních elektronů a výsledkem je vyšší intenzita signálu a světlejší bod na obrazovce, z prohlubenin je tomu

k í í ká f ký k k ý žň b hnaopak – tím je získán topografický kontrast, který umožňuje zobrazit povrchvzorku

energie sekundárních elektronů je pod 50eVenergie sekundárních elektronů je pod 50eV

27

28

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 j y ý yprvky,

naopak, oblasti tvořené lehkými prvky se budou jevit jako tmavá místa –ž ř bl ž é k é lýmožnost přibližné prvkové analýzy 

energie sekundárních elektronů je vyšší než  50eV

29

30

31

technologie FIB (iontová mikroskopie)g ( p )

• FIB = Focused Ion Beam technology• Hlavní rozdíly od SEMy

• elektrony nahrazují ionty• ionty jsou větší než elektrony• nedochází k průniku do materiálu (žádná vnitřní ionizace)• ionty jsou těžší než elektrony

• vyrážení“ atomů a jejich náhrada ( řezání“ / depozice)• „vyrážení atomů a jejich náhrada („řezání / depozice)• ionty jsou pozitivně nabité (elektrony negativně) – nedochází k nabíjení

32

33

34

iontový mikroskop - FIB

35

Ga+ ionty jsou používány ve většině aplikací –G i t l ř t“ ětši t iálůs Ga+ ionty lze „řezat“ většinu materiálů

Ga+ ionty umožňují:Ga+ ionty umožňují:• „odstraňování“ materiálu• „přidávání“ materiálup• používání zobrazení v sekundárních iontech• preparování vzorků in situ• provádění iontové mikroanalýzy

36

komora FIBelektronový svazek

i t ý k

elektronový svazek

iontový svazek

detektory

injektory (GIS)(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

katodová luminiscence - instrumentace

katodová luminiscence - instrumentace

katodová luminiscence - instrumentace

CL spektrum dvou zelených skel, vykazujících identický index lomuy j ý

CL spektrum dvou druhů tmavých b l ý h k l k jí í hobalových skel, vykazujících

identický index lomu

Děkuji Vám za pozornost

45