Kính hiển vi quang học:• Kính hiển vi quang học: sử dụng ánh sáng khả kiến để quan sát hình ảnh các vật thể nhỏ được phóng đại nhờ một hệ thống các thấu kính thủy tinh dựa trên hện tượn
Trang 1I Từ kính hiển vi quang học
đến kính hiển vi điện tử
• 167 TCN - Người Trung Quốc sử dụng kính hiển vi đơn giản được làm bằng ống kính và một ống đầy nước để hình dung cái không nhìn thấy [1]
• Thế kỷ 17, Antonie van Leeuwenhoek [2] – nhà khoa học Hà Lan, đã có đóng góp quan trọng trong việc phát triển kính hiển vi để tìm
ra tế bào hồng cầu và tinh trùng
• Ông đã có bước đột phá, ghép hai thấu kính lại thành chiếc kính hiển vi đầu tiên, giúp khám phá ra vi trùng
Nguồn: [2]
• [1] History & Culture: History of microscopes, ThoughtCo, Mary Bellis - May 31, 2017.
• [2] A.v.Leeuwenhoek: How Antoni van Leeuwenhoek discovered the sperm cell and a rare hiccuping disease, Telegraph Reporters, 8-2016
Trang 3A replica of van Leeuwenhoek's microscope Nguồn: [2]
• [2] A.v.Leeuwenhoek: How Antoni van Leeuwenhoek discovered the sperm cell and a rare hiccuping disease, Telegraph Reporters,
8-2016
Trang 4Kính hiển vi quang học:
• Kính hiển vi quang học: sử dụng ánh sáng khả kiến
để quan sát hình ảnh các vật thể nhỏ được phóng đại
nhờ một hệ thống các thấu kính thủy tinh (dựa trên hện
tượng khúc xạ ánh sáng)
• Độ phân giải:
• Độ phân giải: của kính hiển vi quang học bị giới hạn
bởi bước sóng ánh sáng khả kiến và chỉ số khẩu độ
( ngoài ra, còn bị ảnh hưởng bởi hiện tượng nhiễu xạ
ánh sáng )
Nguồn: [3]
• [3] Microscopes: E.encyclopedia Science, FACT MONSTER, 2007
https://www.factmonster.com/dk/encyclopedia/science/microscopes
Trang 5Optical path in a typical microscope
• [4] Projection Microscope: Demonstration Equipment , Marschal A Fazio, 2007.
https://sites.google.com/site/sed695b4/projects/demonstration-equipment/demonstration-marschal-a-fazio
Nguồn: [4]
Trang 6• Sau gần 100 năm cải tiến, kính hiển vi quang học trước đây phóng đại 100 lần nay đã lên trên 1000 lần, và theo lí thuyết thì chỉ có thể phóng đại tới mức 200 nm ( kính hiển vi dùng ánh sáng bước sóng λ không thể thấy được những chi tiết nhỏ hơn λ/2, kính hiển vi quang học chỉ cho ảnh 2 chiều )
• Để đạt được độ phân giải cao hơn, cần đổi mới ở kính hiển vi: phóng đại theo kiểu mới, tạo ảnh theo kiểu mới, xử lí ảnh theo kiểu mới
• Từ đó, dẫn đến sự ra đời của kính hiển vi điện tử (electron microscopes), gồm 4 loại phổ biến:
Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
Kính hiển vi điện tử quét (SEM)
Kính hiển vi điện tử tunel (STM)
Kính hiển vi lực nguyên tử (AFM)
Trang 7II/ Kính hiển vi điện tử truyền qua (Tranmission Electron Microscopy - TEM)
• Năm 1924 trong luận án tiến sĩ của mình, Louis De Broglie [6] đưa ra giả thuyết: Các hạt vi mô điều có tính chất sóng, hạt có động lượng: P=mv; ứng với sóng có
bước sóng: λ=h/p=h/mv.h/p=h/p=h/mv.h/mv.
• Năm 1927, thí nghiệm về nhiễu xạ điện tử cho thấy đúng
là điện tử (electron) có tính chất sóng,và bước sóng giống như công thức của de Broglie.
• Với
• Mà
• Suy ra: [6]
•
Nguồn: [5]
• [5] Louis de Broglie: Nobel Lectures, Physics 1922-1941, Elsevier Publishing Company, Amsterdam, 1965.
https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1929/broglie-bio.html
Trang 8• Tính toán ra, dùng điện trường tăng tốc điện tử thì khi U=50kV bước sóng của điện tử là λ=0,005nm, còn khi U=100kV thì bước sóng điện tử là λ=0,0037nm
• Vậy thay cho ánh sáng, dùng tia điện tử để làm kính hiển vi, năng suất phân giải sẽ không bị hạn chế do bước sóng dài như ở kính hiển vi quang học nữa
• Năm 1926, H.Busch đã chứng minh có thể dùng điện từ trường để điều khiển chùm tia điện
tử đang chuyển động Tác dụng điều khiển của điện từ trường đối với chùm điện tử đang chuyển động giống tác dụng của thấu kính thuỷ tinh với ánh sáng khả kiến
• Dựa vào cơ sở trên, năm 1931, lần đầu tiên Ernst August Friedrich Ruska cùng với một kỹ
sư điện là Max Knoll lần đầu tiên dựng nên mô hình kính hiển vi điện tử truyền qua sơ khai,
sử dụng các thấu kính từ để tạo ảnh của các sóng điện tử Thiết bị thực sự đầu tiên được xây dựng vào năm 1938 bởi Albert Presbus và James Hillier (1915-2007) ở Đại học Toronto
(Canada) là một thiết bị hoàn chỉnh thực sự
Trang 9Cấu tạo và nguyên lý làm việc của kính hiển vi điện tử truyền
qua
• Khác với kính hiển vi quang học, tia điện tử cần điện thế cao để tăng tốc, nếu trên đường đi của điện tử có các phân tử không khí thì điện tử sẽ va chạm và bị tán
xạ rất mạnh Do đó, ở kính hiển vi điện tử truyền qua,
từ nơi điện tử phát ra, qua các thấu kính, cho đến nơi tạo ảnh cuối cùng, điều phải bảo đảm là chân không cao, cỡ 10-5torr
• Khi làm việc, thân máy phải được hút chân không nhờ các hệ bơm chân không (bơm turbo, bơm iôn )
• Năng suất phân giải của kính hiển vi điện tử truyền qua với loại trung bình có năng suất phân giải là 1nm, loại tốt năng suất phân giải có thể hơn 0,1nm
Nguồn: [6]
• [6] Transmission Electron Microscopy: Phòng thí nghiệm Kính hiển vi điện tử truyền qua TEM TECNAI G2-20, Khoa Địa chất, Trường
Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học quốc gia Hà Nội, Wikipedia, 2015.
https://vi.m.wikipedia.org/wiki/K%C3%ADnh_hi%E1%BB%83n_vi_%C4%91i%E1%BB%87n_t%E1%BB%AD_truy%E1%BB%81n_qua
Trang 10Nguồn: [7] Nguồn: [8]
• [7] Electron microscope constructed by Ernst Ruska in 1933: Electron Microscope Deutsches Museum, J Brew, 2008.
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ernst_Ruska_Electron_Microscope_-_Deutsches_Museum_-_Munich.jpg
• [8] Electron microscope : JEOL 2100Plus - 200kV Transmission Electron Microscope – EMBL , EMBL, 2016
https://www.embl.de/services/core_facilities/em/equipment/jeol2100_/
Trang 12Thấu kính và lăng kính từ
• Kính hiển vi điện tử có các hệ thống ống
kính quang điện tử tương tự như kính
hiển vi ánh sáng của kính hiển vi quang
học
• Thay cho vật kính và thị kính bằng thuỷ
tinh, ở đây vật kính và thị kính điều là
thấu kính điện từ Đó là các cuộn dây
điện có lỗi rỗng bằng sắt non, hình dạng
đặc biệt Dòng điện chạy trong cuộn dây
lớn hay nhỏ sẽ làm cho lỗi sắt non bị từ
hoá nhiều hay ít và chùm tia điện tử sẽ
hội tụ gần hay xa nói cách khác, tiêu cự
của thấu kính điện từ có thể thay đổi
được bằng cách thay đổi dòng điện qua
thấu kính.
Nguồn: [6]
Trang 13Súng phóng điện tử
• Trong TEM, điện tử (electron) được phát ra từ
súng phóng điện tử Có hai cách để tạo ra chùm
điện tử:
Sử dụng nguồn phát xạ nhiệt điện tử: Điện tử
được phát ra từ một catốt được đốt nóng
Sử dụng súng phát xạ trường (Field Emission
Gun- FEG TEM): Điện tử phát ra từ catốt nhờ
một điện thế lớn đặt vào vì thế nguồn phát điện tử
có tuổi thọ rất cao, cường độ chùm điện tử lớn và
độ đơn sắc rất cao
Nguồn: [6]
Trang 14Sự tạo ảnh trong TEM
• Ảnh của TEM được tạo theo các cơ chế quang
học, nhưng tính chất ảnh tùy thuộc vào từng chế
độ ghi ảnh Điểm khác cơ bản của TEM là độ
tương phản
• Nếu như ảnh trong kính hiển vi quang học có
độ tương phản chủ yếu đem lại do hiệu ứng hấp
thụ ánh sáng thì độ tương phản của ảnh TEM lại
chủ yếu xuất phát từ khả năng tán xạ điện tử
Các chế độ tương phản trong TEM:
Tương phản biên độ
Tương phản pha
Tương phản nhiễu xạ
• Bộ phận ghi nhận và quan sát ảnh:
Màn huỳnh quang và phim quang học
Camera điện tử
Ảnh hiển vi điện tử độ phân giải cao chụp lớp phân cách Si/SiO2,
có thể thấy các lớp nguyên tử Si
Nguồn: [6]
Trang 15Ưu điểm, hạn chế và ứng dụng
• Ưu điểm:
o Tạo ảnh với độ tương phản, độ phân giải cao
o Có thể thực hiện phương pháp nhiễu xạ điện tử, với chùm electron là chùm sóng đơn sắc còn mẫu tinh thể là cách tử không gian 3 chiều, từ đó kết hợp với ảnh hiển vi cho biết nhiều hơn thông tin
về cấu trúc vật chất
• Hạn chế
o Yêu cầu khắt khe trong quá trình hoạt động và bảo dưỡng, trình độ vận hành cao
o Chi phí cao
o Đòi hỏi xử lý mẫu vật phức tạp (cần phải phá hủy mẫu), mẫu nghiên cứu của TEM có độ dày rất nhỏ (cỡ hàng chục nm)
o Còn khiếm khuyết trong việc cho thông tin về độ sâu của ảnh
• Ứng dụng:
siêu vi trùng gây ra dịch bệnh, các nhà khoa học vật liệu thấy được những loại sai hỏng trong cách sắp xếp các nguyên tử tạo thành tinh thể
chùm sóng đơn sắc còn mẫu tinh thể là cách tử không gian 3 chiều cho biết rất nhiều thông tin về cấu trúc vật chất