Nguyên lý, vai trò và ứng dụng của kính hiển vi điện tử

VIỆN VẬT LIỆU XÂY DỰNG

Nguyên lý, vai trò và ứng dụng của
kính hiển vi điện tử
TS. Trần Quang Huy
Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương
Phó Tổng Biên tậpTạp chí Y học dự phòng
Email: /
/>

Hà Nội, 14/7/2016


NỘI DUNG TRÌNH BÀY
1) Sơ lược về kính hiển vi
2) Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
3) Kính hiển vi điện tử quét (SEM)


SƠ LƯỢC VỀ KÍNH HIỂN VI
Kính hiển vi là một dụng cụ sử dụng một thấu kính hay dải thấu kính để
phóng đại một vật.

~420 năm

Kính hiển vi đầu tiên (1595)

Kính hiển vi hiện đại
(JEOL JEM-ARM300F, R = 63 pm)

 Phát triển: Hơn 4 thế kỷ

 Cải tiến: hệ quang học – camera - hệ laze (điện tử) - bộ lọc – máy tính…
 Chất lượng: Độ phân giải (~63 pm) và độ phóng đại (~ x triệu lần)


Quá trình phát triển của kính hiển vi
Thế kỷ 14

Sự phát triển của nghề mài kính thủy tinh, kính mắt ở
Italy

Zacharias Jansen (1580 - 1638)

~9 x

~1590s

- Quốc tịch: Hà Lan
- Thợ mài kính -> nhà hiển vi, quang học
- Tạo ra kính hiển vi quang học đầu tiên

Anton van Leeuwenhoek (1632-1723)

~300 x

1668

- Quốc tịch: Hà Lan
- Cha đẻ của khoa học hiển vi;
- Nhà vi sinh vật học đầu tiên
- Quan sát: vi khuẩn, cơ, tinh trùng, hồng cầu…

Robert Hooke (1635 - 1703)
1670

- Quốc tịch: Anh
- Nhà vật lý (F=-kx), hình học, kiến trúc, nhà
hiển vi, sinh học…
- “Cha đẻ của khoa học hiển vi người Anh”
/>

Quá trình phát triển của kính hiển vi

Charles A. Spencer (1813 – 1881)

1838

- Quốc tịch: Mỹ
- Chế tạo và kinh doanh kính hiển vi
- Là người Mỹ đầu tiên chế tạo ra kính hiển vi.

Ernst Abbe (1840 – 1905)

1872
Carl Zeiss

- Quốc tịch: Đức
- Nhà toán học, vật lý
- R=λ/(2n*sin(α)); n*sin(α) = NA
(R: độ phân giải; n: chiết suất; NA: khẩu độ số)

Richard Zsigmondy (1865 – 1929)

1903

- Quốc tịch: Áo - Hung
- Chế tạo ra siêu kính hiển vi
- Quan sát được vật nhỏ hơn bước sóng ánh
sáng
- Giải Nobel hóa học năm 1925


Quá trình phát triển của kính hiển vi

1932

1931- 1933

1960s

Frits Zernike (1888 – 1966)

- Quốc tịch: Hà Lan
- Phát minh ra kính phản pha
-Giải Nobel vật lý năm 1953

Ernst Ruska (1906 – 1988)

- Quốc tịch: Đức
- Người đầu tiên phát minh ra kính hiển vi điện tử
- Giải Nobel vật lý năm 1986 (1/2)

Johan Sebastiaan Ploem (1927 – )

- Quốc tịch: Hà Lan
- Người phát minh ra hình hộp chiếu sáng cho
kính hiển vi huỳnh quang


Quá trình phát triển của kính hiển vi
1957-1961

Marvin Minsky (1927 – )
- Quốc tịch: Mỹ

- Phát minh ra kính hiển vi đồng tụ

Gerd Binnig (1947- )

Quốc tịch: Đức
-Đồng tác giả phát minh ra kính chui hầm
- Giải Nobel vật lý năm 1986 (1/4)

1981
Heinrich Rohrer (1933- )

Quốc tịch: Thụy Sĩ
-Đồng tác giả phát minh ra kính chui hầm
- Giải Nobel vật lý năm 1986 (1/4)

1980s-

Shinya
Inoué (1921 - )
Quốc tịch: Mỹ

Nina Allen
Quốc tịch: Mỹ


Kính hiển vi điện tử đầu tiên

Max Knoll và Ernst Ruska năm 1931 tại Berlin
Giải Nobel năm 1986


Một số khái niệm cơ bản về hiển vi
- Hiển vi (Microscopy): sử dụng một dụng cụ bổ trợ cho mắt để quan sát những vật
nhỏ bé mà mắt thường không nhìn thấy được.
- Độ phóng đại (Magnifcation): khả năng phóng đại một vật (mẫu)
M= dA’B’/dAB
(M: độ phóng đại; dA’B’: độ lớn ảnh của vật; dAB: độ lớn mẫu ban đầu)

- Độ phân giải (Resolution): Khoảng cách nhỏ nhất để phân biệt được hai điểm:
Công thức Abbe: R = 0,6λ/nsinα
(R: độ phân giải; λ: bước sóng ; n: chiết suất môi trường; α: bán góc mở)

- Bước sóng (wavelength): là khoảng cách giữa hai đỉnh sóng.
Ánh sáng khả kiến: 400 nm -700 nm
Điện tử: ~pm

Phân loại kính hiển vi
-3 loại kính hiển vi chính: quang học, điện tử và quét đầu dò
Hiển vi
quang học

~200 nm

Hiển vi điện tử

≥2 A0

≥ 1 nm

Hiển vi quét đầu dò

~ 1 A0
/>

Phân loại kính hiển vi

Kính hiển vi quang học

Kính hiển điện tử

Kính hiển quét đầu dò

- Kính hiển vi soi nổi

- Kính hiển điện tử

- Kính hiển lực nguyên tử (AFM)

- Kính hiển vi ánh sáng truyền qua

truyền qua (TEM)

- Kính hiển vi chui hầm (SPM)

- Kính hiển vi huỳnh quang

- Kình hiển vi điện tử

- Kính hiển vi quang học quét

- Kính hiển vi phân cực

quét (SEM)

trường gân (SNOM)

- Kính hiển vi đồng tụ
- Kính hiển vi tương phản pha

- Độ phân giải kính hiển vi quang học và hiển vi điện tử phụ thuộc vào bước sóng của
chùm bức xạ sử dụng để tạo ảnh. Chùm tia có bước sóng ngắn hơn sẽ cho ảnh có độ
phân giải cao hơn.
- Kính hiển vi quét đầu dò không sử dụng chùm bức xạ để tạo ảnh, mà tạo ảnh thông qua
tương tác giữa đầu dò và bề mặt của mẫu vật. Do đó, độ phân giải của kính hiển vi đầu dò
chỉ bị giới hạn bởi kích thước của đầu dò.

Đối tượng quan sát của kính hiển vi
Côn
trùng

Amiăng

Vi khuẩn

1 µm

1 mm

0,2 mm

Mắt
thường

Vật liệu cấu trúc
nano

1 nm

0,2 µm

Hiển vi
quang học

Phân tử

nhỏ

0,2 nm

Hiển vi
điện tử

Hiển vi quét
đầu dò


KÍNH HIỂN VI ĐIỆN TỬ TRUYỀN QUA
(Transmission Electron Microscope – TEM)
Nguyên lý hoạt động: chùm điện tử đi xuyên qua mẫu và nhờ hệ thấu kính điện từ
để khuyếch đại lên vài chục tới vài triệu lần.
Tạo ảnh: chùm điện tử truyền qua mẫu; tạo ảnh phía dưới bề mặt mẫu; màu kiểu
đen trắng, 2 chiều. Quan sát trên màn huỳnh quang, chụp phim hoặc màn hình
Ứng dụng:
Quan sát hình thái, kích thước và cấu trúc
mẫu vật


Cấu tạo của TEM
*Hệ thống chiếu sáng

* Hệ thống điều khiển mẫu

* Hệ thống tạo ảnh

* Hệ thống chân không

Mặt cắt dọc của TEM


Hệ thống chiếu sáng
Các loại filament cho súng điện tử

Thế gia tốc và bước sóng của chùm điện tử
Thế gia tốc
(kV)

Bước sóng
(nm)

Vận tốc (x108
m/s

100

0,00370

1,644

120

0,00335

1,759

200

0,00273

2,086

300

0,00223

2,330

400

0,00193

2,484

1000

0,00122

2,823


Hệ thống điều khiển mẫu
Thanh đặt mẫu

Lưới đồng, đk: 3,05 mm

Buồng mẫu


Hệ thống tạo ảnh
Tạo ảnh qua loạt thấu kính điện từ


Chế độ tạo ảnh TEM?
- Chế độ tạo ảnh trường sáng

- Chế độ tạo ảnh trường tối

- Chế độ tạo ảnh nhiễu xạ


Tạo ảnh trường sáng

Nơi nào có mật độ vật liệu đậm đặc hơn thì
ảnh nhận được sẽ tối hơn


Hệ chân không
- Nguồn phát xạ: chùm điện tử có bước sóng ngắn => chân không cao.
Kết hợp giữa bơm sơ cấp và các
loại bơm thứ cấp khác
>10-4 Torr

Bơm sơ cấp

10-4 – 10-10 Torr 10-4 – 0.6 10-10 Torr 10-4 – 10-11 Torr

Bơm khuếch Bơm turbo
tán
phân tử

Bơm ion


Một số ảnh TEM
AgNPs

MWCNTs
Niels De Greef

Si/SiO2 core shell
Thuc et al. 2016

Matsumoto et al. 2015


KÍNH HIỂN VI ĐIỆN TỬ QUÉT
(Scanning Electron Microscope – SEM)
Nguyên lý hoạt động: dùng chùm điện tử chiếu lên bề mặt mẫu tạo ra các chùm điện
tử thứ cấp và tán xạ ngược, nhờ các đầu dò thu lại tín hiệu này và tái tạo lại hình ảnh
bề mặt mẫu.
Tạo ảnh: điện tử thứ cấp và tán xạ ngược; bề mặt mẫu, màu đen trắng;
quan sát ảnh trên màn hình
Ứng dụng:
+ Nghiên cứu bề mặt vật liệu, kiểm tra
hình dạng và các khuyết tật trên bề mặt

hoặc mặt cắt.


Cấu tạo và nguyên lý hoạt động


Tương tác giữa chùm tia điện tử và mẫu

Nguồn: wikipedia