Il microscopio elettronico a scansione - LE SCIENZE
←
→
Trascrizione del contenuto della pagina
Se il tuo browser non visualizza correttamente la pagina, ti preghiamo di leggere il contenuto della pagina quaggiù
numero 44 LE SCIENZE aprile 1972 SCIENTIFIC anno v volume viti AMERICAN Il microscopio elettronico a scansione L'esplorazione di un campione con un sottile fascio di elettroni sincronizzato col fascio elettronico di uno schermo a raggi catodici consente di ottenere eccezionali immagini a tre dimensioni di Thomas E. Everhart e Thomas L. Hayes e immagini ottenute col microsco- preferenza con campioni sottili visti in Caratteristiche del microscopio pio elettronico a scansione han- trasparenza o con campioni piatti vi- TA no avuto negli ultimi anni una sti in luce riflessa. Questo tipo di mi- Il microscopio elettronico a scansio- grande diffusione nelle pubblicazioni croscopio è utilizzabile per mostrare ne è in grado di fornire immagini tri- scientifiche, come pure in periodici ad la forma di un campione in profondità dimensionali di oggetti perché, nel mo- alta tiratura. La caratteristica premi- solo con piccoli ingrandimenti (grosso do normale di funzionamento, non re- nente di queste immagini è la loro ec- modo al di sotto di 200 diametri). gistra gli elettroni che attraversano il cezionale tridimensionalità: esse offro- Il microscopio elettronico a trasmis- campione, bensí quelli secondari che no un senso di realtà che per solito sione richiede campioni ancora piú sot- ne vengono emessi a seguito dell'urto manca nelle microfotografie eseguite tili del microscopio ottico poiché solo del fascio di elettroni contro di esso. con altri metodi, sia che si tratti del- gli elettroni che emergono dal campio- Il campione può quindi avere qualsiasi l'occhio di una mosca o di un globulo ne col medesimo livello di energia pos- grandezza e spessore purché sia com- rosso o di un primo piano di un fram- sono essere focalizzati dal campo ma- patibile con le dimensioni della came- mento di pelle umana. gnetico dell'obiettivo su un solo piano ra a vuoto dello strumento. Non è ne- Le microfotografie normali ottenute immagine. Nella maggior parte dei ca- cessario che gli elettroni secondari ven- con un microscopio di tipo ottico o di si, quindi, vengono utilizzati per la for- gano focalizzati essendo sufficiente rac- tipo elettronico convenzionale (spesso mazione dell'immagine gli elettroni che coglierli; inoltre, poiché l'inviluppo del chiamato anche microscopio elettroni- sono stati deflessi, ma che non hanno raggio incidente ha la forma di un sot- co a trasmissione) sono immagini a subito variazioni nel livello energetico. tile ago, lo strumento possiede una due dimensioni. Ciò che vi si scorge è Se gli elettroni emergessero con un grande profondità di campo. Anche il un disegno formato da aree chiare e ampio spettro di livelli energetici, su- microscopio elettronico a trasmissione scure prodotte dal passaggio della luce birebbero deflessioni differenti nel pas- presenta tale caratteristica, ma la sua o degli elettroni attraverso un sottile saggio attraverso le lenti magnetiche e profondità di campo effettiva è forte- strato del campione. Il microscopio ot- l'immagine risulterebbe confusa. mente limitata dalla sottigliezza del tico presenta un'immagine a due di- Se una discreta frazione degli elet- campione. mensioni perché possiede una profon- troni deve emergere mantenendo inal- Col microscopio elettronico a scan- dità di campo estremamente limitata, il terata la propria energia è necessario sione si può ottenere un'ampia gamma che vuol dire che esso può essere mes- che il campione sia molto sottile an- 'di ingrandimenti: da quelli ottenibili so a fuoco con precisione solo su un che quando si usano fasci di elettroni con un normale microscopio ottico o piano. Se il campione è sufficiente- con energie dell'ordine di 50 000 o con una comune lente di ingrandimen- mente trasparente è possibile metterne 100 000 elettronvolt. I campioni per i to, fino ai più spinti ingrandimenti di a fuoco strati situati a varie profondi- microscopi elettronici a trasmissione un microscopio elettronico a trasmis- tà; poiché però il materiale al tdi sopra hanno quindi uno spessore che di nor- siDne. Il microscopio ottico possiede un e al di sotto del piano focale iiduce la ma non supera i 500 angstrom, ovvero potere risolutivo massimo compreso fra luminosità rendendo confusa l'imma- circa un millesimo del diametro di una 2000 e 3000 angstrom, cioè non è in gine, al microscopio ottico si lavora di cellula vivente. grado di distinguere due punti la cui 13
distanza relativa è inferiore a 2000 o due e cinque angstrom: il loro mas- giungere un potere risolutivo molto vi- di campione e dalla risoluzione deside- VF VA 3000 angstrom (pari a mezza lunghez- simo ingrandimento effettivo supera cino a 100 angstrom. rata. Il rivestimento può essere para- za d'onda della luce blu o arancione). quindi il milione di diametri. Il micro- L'ampia gamma di ingrandimenti del gonato a uno strato di neve che copre GENERATORE L'ingrandimento massimo effettivo del scopio elettronico a scansione può es- microscopio elettronico a scansione, DI SCANSIONE il terreno: uno strato sottile nasconde CATODO microscopio ottico è di circa 1000 dia- sere usato con ingrandimenti compre- unita con la facilità di passare da un solo i sassi di piccole dimensioni, uno metri e anche se è possibile ottenere si fra 15 e circa 100 000 diametri, seb- valore di ingrandimento a un altro, più spesso ricopre le pietre, e uno spes- ingrandimenti più forti, l'immagine di- bene l'immagine inizi a sfocarsi al di rende facile « zoomare » da un'imma- sore molto forte può, in montagna, viene indistinta e non fornisce maggio- sopra di 20 000 diametri. La maggior gine di insieme a un'immagine che mo- seppellire perfino la case. È possibile GRIGLIA ri informazioni. parte dei costruttori garantisce un po- stra i dettagli più particolareggiati. Al che uno strato sia troppo sottile, come I migliori microscopi a trasmissione tere risolutivo di 200 angstrom, ma contrario però degli obiettivi « zoom » per esempio quando non riesce a co- hanno una risoluzione compresa fra con certi tipi di campione si può rag- che hanno la lunghezza focale e quin- prire zone leggermente protette (ana- di la profondità di campo variabile loghe al terreno sotto gli alberi) che FASCIO TUBO A RAGGI CATODICI (come si può constatare nelle riprese possono però essere ugualmente espo- SORGENTE DI ELETTRONI SORGENTE DI ELETTRONI televisive delle partite di calcio), l'o- ste al raggio incidente di elettroni. Lo biettivo del microscopio elettronico a spessore dello strato di rivestimento LENTE scansione mantiene invariate lunghez- MAGNETICA necessario è compreso fra circa 50 ang- LENTI MAGNETICHE za focale e profondità di campo duran- strom, per osservazioni con i maggiori te la transfocalizzazione. Gli oggetti os- poteri risolutivi, e poche centinaia di servati al microscopio elettronico a angstrom, per osservazioni con ingran- scansione con un ingrandimento di 15 dimenti minori. diametri assomigliano molto a come I tessuti biologici richiedono una appaiono se visti attraverso una forte preparazione particolare. Il tessuto de- lente di ingrandimento o un microsco- ve anzitutto essere fissato, per mante- pio a debole ingrandimento. Tuttavia, nere le cellule e le altre parti in posi- BOBINA DI DEFLESSIONE nel microscopio ottico la profondità di zione durante le fasi successive della campo diminuisce costantemente con preparazione, deve poi essere disidra- I cD \In l'aumentare dell'ingrandimento e, NN tato ed essiccato, montato su un sup- /// quando questo raggiunge circa 1000 porto e rivestito di metallo. A que- diametri, cessa l'aumento del potere sto punto è pronto per l'esame al risolutivo dei dettagli. Nel microsco- microscopio. APERTURA pio elettronico a scansione l'aumento dell'ingrandimento non è accompagna- Come si forma l'immagine to dalla diminuzione della profondità di campo e l'aumento della risoluzione dei dettagli cessa quando l'ingrandi- I primi microscopi elettronici a scan- sione vennero costruiti a metà degli LENTE MAGNETICA - /// BOBINE DI mento raggiunge i 20 000 diametri cir- anni '30 in Germania da M. Knoll e SCANSIONE ca. Per ingrandimenti più forti il se- poco più tardi da Manfred von Arden- gnale proveniente da una certa area ne. All'inizio degli anni '40 Vladimir del campione ha un livello statistica- Zworykin e i suoi collaboratori della mente superiore, anche se di poco, al RCA ne costruirono una versione mi- « rumore » proveniente dalla stessa gliorata. Questi strumenti non erano AMPLIFICATORE area: si possono raggiungere cosí nor- VIDEO APERTURA in grado di rappresentare le immagini malmente ingrandimenti utili fino a in tre dimensioni, caratteristica degli CAMPIONE 100 000 diametri. attuali microscopi elettronici a scansio- Per il microscopio elettronico a scan- ne, poiché la rivelazione del segnale e sione la preparazione dei campioni elet- i processi di amplificazione non erano CAMPIONE tricamente conduttori, non essendo ne- stati sufficientemente ben compresi. COLLETTORI cessario che siano in strati sottili, è di COLLETTORE DEGLI ELETTRONI Alla fine degli anni '40 Dennis solito assai più semplice che per il mi- McMullan, con la supervisione di C. croscopio ottico o per quello elettroni- W. Oatley, costruí all'Università di co a trasmissione. Il campione condut- Cambridge una versione assai perfezio- tore può essere semplicemente incolla- nata del microscopio elettronico a to al portaoggetto (spesso con una ver- Il microscopio elettronico a scansione è sostanzialmente un sistema televisivo a circui. scansione. Egli dotò il sistema collet- nice conduttrice a essiccazione rapida) to chiuso di una certa complessità nel quale il campione viene illuminato da un punto tore di un moltiplicatore amovibile de- e piazzato all'interno del microscopio. mobile di elettroni. Il fascio di elettroni viene prodotto da un catodo in tungsteno ri. gli elettroni secondari e lo situò in una scaldato dalla corrente JF e tenuto a un potenziale fortemente negativo. Gli elettroni Occorre una breve attesa di circa due emessi dal catodo sono accelerati da una griglia e da un anodo che è tenuto a massa. SCHERMO TUBO A RAGGI CATODICI posizione più efficace di quella scelta minuti per aspirare i gas contenuti nel- Questo sistema di elettrodi viene chiamato cannone elettronico. Un sistema di lenti ma. nel dispositivo della RCA. Il progetto la camera. gnetiche rimpicciolisce il fascio elettronico (si veda l'illustrazione in alto nella pagina Negli schemi qui riportati vengono messi a confronto i due tipi di microscopio elettro- di McMullan venne ulteriormente per- seguente). Facendo passare una corrente variabile 'CD nella bobina di deflessione si ot- nico. Il microscopio elettronico a trasmissione (a sinistra) assomiglia assai da vicino a I campioni non conduttori d'elettri- fezionato in seguito da altri ricercato- tiene il movimento del fascio sul campione come in uno schermo televisivo. Il rappor- un microscopio ottico convenzionale. Il campione è illuminato con continuità su tutta cità richiedono invece una preparazio- to fra la corrente ho e la corrente ID nella bobina di deflessione del tubo a raggi cato- l'area da un fascio collimato di elettroni, che viene diffuso passando attraverso il cam- ri. Il primo microscopio elettronico a ne alquanto più complessa. Sul cam- dici determina l'ingrandimento del microscopio. Negli strumenti commerciali l'ingran- pione e poi focalizzato da una lente magnetica per produrre un'immagine del campione scansione di tipo commerciale fu svi- pione, dopo il montaggio, viene fatto dimento può di solito variare con continuità all'incirca fra 15 e 100 000 diametri. Quan- stesso su uno schermo fluorescente. Nel microscopio elettronico a scansione la sorgente luppato sulla base dei progetti di Cam- do il fascio primario di elettroni colpisce il campione, genera degli elettroni secondari è riflessa sul campione da una lente magnetica; il piccolo pennello di elettroni formato evaporare un sottile strato di metallo bridge e il suo prototipo venne presen- il cui numero dipende dalla geometria e da altre proprietà del campione stesso. Gli in questa maniera viene deflesso da bobine di scansione per illuminare il campione (di solito oro) che ha il compito di elettroni secondari, raccolti da un collettore (a), sono di norma impiegati per produr- punto per punto in tempi successivi (Ti , T2, T3 ). Gli elettroni secondari che si gene- tato nel 1963. mantenere la superficie a potenziale Il microscopio elettronico a trasmis- re una microfotografia elettronica a scansione. Tuttavia anche gli elettroni diffusi al- rano nel punto ove il fascio primario colpisce il campione, vengono raccolti da un l'indietro e i fotoni emessi dal campione sotto il bombardamento elettronico possono collettore per produrre un segnale elettrico. Questo a sua volta modula l'intensità di un elettrico costante. Lo spessore del ri- sione è del tutto analogo al normale fascio elettronico su uno schermo televisivo percorso in sincronia col fascio primario. vestimento metallico dipende dal tipo essere usati a loro volta per produrre un'immagine. Altri tipi di immagine possono microscopio ottico, ma raggiunge un però essere prodotti da elettroni trasmessi (b) e da correnti indotte nel campione (c). 14 15 C)
potere risolutivo di gran lunga maggio- smissione, come nel microscopio otti- di elettroni; l'immagine risultante vie- o re perché gli elettroni accelerati da un co, il campione è illuminato contempo- ne formata con una tecnica a divisio- potenziale di 100 000 volt hanno una raneamente in ogni suo punto. Il pe- ne di tempo analoga a quella impiega- lunghezza d'onda assai più breve (0,4 riodo di tempo durante il quale il cam- ta nella televisione commerciale. Vi angstrom) della luce visibile (4000 ang- pione può essere esaminato è limitato sono però due differenze sostanziali: strom). Un principio ben noto in mi- dal danno che gli può essere arrecato in primo luogo l'immagine televisiva croscopia è che quanto più breve è la e dalla variazione delle prestazioni del- standard è costruita da 625 linee oriz- lunghezza d'onda impiegata, tanto più lo strumento: l'immagine può però es- zontali, mentre quella prodotta dal mi- BOBINA BOBINA alto è il potere risolutivo. Quest'ultimo sere vista nella sua completezza in croscopio elettronico a scansione può DELLA LENTE DELLA LENTE può anche essere limitato da aberra- qualsiasi istante. Essa viene presentata contenere un numero di linee variabi- zioni delle lenti e da altri effetti che su uno schermo fluorescente o inviata le da 100 a oltre 1000. L'esplorazione consentono di raggiungere nei migliori direttamente su una lastra fotografica più dettagliata è usata per le microfo- ESPANSIONE ESPANSIONE microscopi elettronici a trasmissione per ottenerne una microfotografia. tografie. In secondo luogo la velocità POLARE POLARE I I un potere risolutivo compreso fra due Nel microscopio elettronico a scan- di scansione è spesso molto inferiore I ri I I e cinque angstrom. sione il campione viene esplorato se- a quella della televisione; il motivo è Nel microscopio elettronico a tra- quenzialmente da un fascio focalizzato da ricercare nel fatto che è difficile fo- I I calizzare un gran numero di elettroni I I I I in un'area del diametro di appena 100 I I I I angstrom. Il pennello di elettroni deve I I quindi soffermarsi su ciascuno dei pun- I I ti del campione (circa un milione) per un tempo sufficiente a formare un se. gnale di elettroni secondari tanto for- A te da generare un'immagine effettiva- mente esente da rumore. Pertanto ciò che si fotografa sullo schermo del mi- \ ESPANSIONE POLARE croscopio per ottenere una microfoto- CAMPIONE SORGENTE IMMAGINE 1 IMMAGINE 2 grafia è un'immagine prodotta da un DELLA DELLA fascio di elettroni che si muove a bas- La lente finale (simmetrica intorno all'asse che incorpora il segno a destra mostra come il fascio viene focalizzato sull'og- SORGENTE SORGENTE sistema di deflessione) è il cuore dell'ottica elettronica di un getto (linee tratteggiate) e poi deflesso e focalizzato contempo. sa velocità e che rende possibile, in microscopio a scansione. Il fascio di elettroni che passa attra- raneamente (linee continue). Poiché l'angolo cz. di convergenza Nel microscopio elettronico a scansione è necessario usare un'ottica elettronica atte- corrispondenza di ogni punto, una de- verso la lente finale (a sinistra) viene allontanato dall'asse da del fascio è generalmente inferiore a mezzo grado, il diametro nuante per ridurre la dimensione della sorgente di elettroni da un diametro compre- terminazione statisticamente significa- una bobina di deflessione (Y) e poi piegato nuovamente verso del fascio non aumenta apprezzabilmente poco avanti o poco so fra 25 e 50 micron (da 250 000 a 500 000 angstrom) al diametro di 100 angstrom del tiva del segnale generato. Quantunque l'asse da una seconda bobina (Y') in modo da incrociare l'asse dietro il piano di migliore focalizzazione. Ciò assicura al siste- fascio. L'attenuazione viene ottenuta con l'ausilio di due o più lenti magnetiche in se- stesso in corrispondenza dell'apertura finale (A) con un ango- ma una profondità di campo tanto grande che le varie parti rie, ciascuna in grado di ridurre il fascio di un fattore compreso fra 20 e 100. Il risulta- sia possibile aumentare per i controlli lo O. Lo stigmatore (S) corregge le asimmetrie residue. Il di. di un oggetto appaiono tutte pressoché ugualmente a fuoco. to è analogo a quello che si ottiene guardando in un cannocchiale dalla parte sbagliata. visivi la velocità di scansione fino ai Una gran parte delle radiazioni focalizzate da una lente non riesce a passare attraver- valori usati in televisione, occorre un so la lente successiva, riducendo cosi il numero di elettroni che raggiunge il campione. tempo di esposizione di parecchi mi- nuti per ottenere microfotografie ad al- ELETTRONI SECONDARI ta risoluzione e della migliore qualità. Anatomia del microscopio COLLETTORE ASSE DEL FASCIO FOTOELETTRONE ESPANSIONE POLARE Il microscopio elettronico a scansio- ,SCINTILLATORE DELLA LENTE FINALE ne è costituito da quattro parti princi- ELETTRONI SECONDARI pali: un sistema ottico-elettronico che produce il pennello di elettroni che ser- FOTONI ve all'esplorazione; un campione nel quale l'azione reciproca fra il materia- AL TUBO A \ COLLETTORE DEGLI ELETTRONI DIFFUSI ALL'INDIETRO ELETTRONI DIFFUSI le di cui è costituito e il fascio di elet- RAGGI CATODICI ALL'INDIETRO troni produce l'informazione; un siste- ma rivelatore che raccoglie gli elettro- ..., , `... -..... ni portatori di informazioni emessi dal ...., -.., , .., '... ---. campione e amplifica il segnale elettri- ..., `,.. ••••• CONDOTTO DELLA LUCE AMPLIFICATORE ..., ...... co risultante, e infine il sistema di pre- ELETTRONICO CAMPIONE sentazione che colloca sequenzialmen- te l'informazione all'« indirizzo)> cor- ELETTRONI SECONDARI retto nell'immagine (si veda l'illustra- zione nella pagina precedente). /// /// AAA Il fascio di elettroni di un microsco- COLLETTORE DEGLI pio elettronico a scansione viene di so- ELETTRONI SECONDARI lito generato da un catodo di tungste- Nei microscopi elettronici a scansione si adoperano due tipi di collettori, uno per gli no a riscaldamento diretto, mantenu- // elettroni diffusi all'indietro e l'altro per gli elettroni secondari. Gli elettroni diffusi al- to a un potenziale negativo il cui va- FOTOMOLTIPLICATORE l'indietro sono elettroni ad alto livello energetico appartenenti al fascio primario, ma lore normale è di 20 000 volt sotto il deviati dalla loro traiettoria all'interno del campione. Gli elettroni secondari, prodotti Il sistema di rivelazione e di amplificazione di un microscopio celerati fino a circa 10 000 voli prima di colpire lo scintillatore, in prossimità della superficie del campione per l'urto del fascio primario e degli potenziale di massa. Il fascio viene ac- elettronico a scansione è a bassissimo rumore. L'intensità di dove ogni elettrone produce molti fotoni; questi sono portati elettroni diffusi all'indietro, hanno un minor contenuto energetico e sono facil. celerato e focalizzato da campi elettri- corrente associata col flusso degli elettroni secondari può esse- a un fotomoltiplicatore in cui vengono emessi dei fotoelettroni. mente attratti dal collettore mantenuto a un potenziale positivo di circa 200 voli. ci e magnetici di forma molto ben de- re di appena 10 ampere. Gli elettroni secondari vengono ac- Ogni fotoelettrone eccita da 100 000 a 50 milioni di elettroni. 16
-1111Iik finita. Esso deve anche essere ridotto di FASCIO PRIMARIO DI ELETTRONI diametro: senza tale operazione infat- ti il fascio, all'uscita del cannone elet- SUPERFICIE DEL CAMPIONE tronico, avrebbe un diametro compre- so fra 250 000 e 500 000 angstrom. La riduzione a 100 angstrom circa viene ottenuta con delle lenti elettroniche (ossia con dei campi magnetici) dispo- ste in modo da riprodurre l'effetto che si osserva guardando in un cannocchia- le dalla parte sbagliata (si veda l'illu- strazione in alto a pagina 16): con- CURVE DI UGUALE seguenza inevitabile di questa riduzio- DISSIPAZIONE DI ENERGIA ne è che una gran parte degli elet- troni che escono dal cannone elettro- nico non raggiunge il campione, ma è intercettata da aperture necessarie per 7 6 minimizzare le aberrazioni delle lenti. il SUPERFICIE DEL CAMPIONE La corrente del fascio elettronico è —5-50 ANGSTROM quindi ridotta da circa 10- 4 ampere al- l'uscita del cannone elettronico, a 10-1° 1,2,3.4 o 10- 12 ampere sul campione (un fascio dell'intensità di 10- 4 ampere fornisce Le traiettorie degli elettroni all'interno del campione sono statistiche e possono essere all'incirca 1015 elettroni al secondo, quindi previste solo nel loro andamento medio. Nel disegno in alto alcune tipiche traiettorie sono contrassegnate da 1 a 5. Le varie curve di livello indicano le profondi. mentre con intensità di 10- 12 ampere tà alle quali gli elettroni diffusi perdono uguale quantità di energia. La linea di livel. ne fornisce appena 6 X 106 al secondo). lo piú esterna, nota come livello di Bohr-Bethe (R B ) indica la massima distanza che Altre limitazioni fondamentali del- può essere coperta da un elettrone primario all'interno del campione. La traiettoria 5 rappresenta un elettrone diffuso all'indietro. La probabilità di diffusione all'indietro l'ottica elettronica e dell'emissione elet- aumenta col numero atomico del materiale di cui è costituito il campione. Gli elettroni tronica determinano le principali pre- secondari possono essere generati in qualsiasi punto lungo il percorso di un elettrone stazioni del sistema di formazione del- primario: però solo gli elettroni secondari generati in prossimità della superficie del Queste microfotografie ottenute con un microscopio elettronico sociando una tinta a ogni particolare intensità di segnale. Il co. campione hanno energia sufficiente per sfuggire (6 e 7 nel disegno in basso) e contri- a scansione rappresentano l'occhio del tenebrione della farina, lore aiuta a individuare le aree in cui il segnale ha la medesi. la sonda. Per esempio, le lenti elettro- buire cosi alla costruzione dell'immagine ottenuta in un microscopio elettronico a scan- Tribolium confusum, con un ingrandimento di circa 4500 dia. ma intensità: in questo modo le ripetute piccole variazioni nel- niche simmetriche intorno all'asse so- sione. Gli elettroni secondari prodotti da elettroni diffusi all'indietro (7) possono emer- metri. Le strutture arrotondate sono le singole lenti dell'occhio le scaglie che circondano l'occhio dell'insetto sono piú evidenti no associate con aberrazioni intrinse- gere a una distanza che può anche raggiungere uno o due micron dal punto di ingres- dell'insetto. Il microscopio usa un sistema di scansione analogo a colori che in bianco e nero. Queste due microfotografie elet- so del fascio primario: essi tendono quindi a degradare la risoluzione dell'immagine. a quello della televisione per produrre delle immagini sullo troniche a scansione e quelle riportate nell'articolo sono state che, le principali delle quali sono schermo di un tubo a raggi catodici. Nell'immagine superiore eseguite dagli autori all'Università della California a Berkeley. l'aberrazione sferica e quella cromati- le variazioni dell'intensità del segnale sono rappresentate da to- Il tenebrione della farina è uno dei pochi insetti che può esse- ca, che impongono al progettista di nalità di grigio, mentre in basso è stato introdotto il colore as- re osservato vivente col microscopio elettronico a scansione. ELETTRONI FASCIO PRIMARIO DI ELETTRONI stabilire un angolo di convergenza del DIFFUSI ALL'INDIETRO fascio non troppo ampio (si veda l'il- lustrazione in alto a pagina 17). Au- FOTONI mentando l'angolo di convergenza, au- menta la corrente della sonda; questa caratteristica è desiderabile per miglio- rare il rapporto segnale-disturbo, ma ELETTRONI SECONDARI indesiderabile poiché, contemporanea- mente, aumenta la dimensione del pun- CONTATTO METALLICO to esplorante e diminuisce la profondi- tà di campo. D'altra parte diminuendo STRATO DI OSSIDO l'angolo di convergenza diminuisce an- che la corrente del fascio; inoltre se l'angolo di convergenza è abbastanza n- piccolo il potere risolutivo viene limi- tato da effetti di diffrazione. AMPEROMETRI Il valore ottimale dell'angolo di con- GIUNZIONE p-n vergenza del fascio è compreso fra 0,005 e 0,01 radianti, il che vuol dire CONNESSIONE CON LA REGIONE p che il rapporto fra la lunghezza focale e il diametro di apertura del sistema di ottica elettronica è compreso fra 100 e 50. Nelle normali macchine fotogra- Se il campione è un dispositivo elettronico che comprende un semiconduttore o un iso. fiche questo rapporto, indicato con f, lante possono essere generati segnali che contengono informazioni addizionali. Il dise- gno mostra il tipo di segnale che può essere misurato se il campione è un transistore è per lo più compreso fra 1,4 e 22. Co- contenente una giunzione p-n. Come altri campioni, produrrà elettroni secondari, elet- me sa la maggior parte dei fotografi, troni diffusi all'indietro e fotoni a varie frequenze (raggi X, radiazioni ultraviolette, quanto più f è alto, tanto maggiore è luce visibile, radiazioni infrarosse). Oltre a questo i semiconduttori e gli isolanti su- la profondità di campo. biscono una netta variazione di conducibilità quando vengono colpiti da elettroni. Nel silicio ogni elettrone incidente può produrre 5000 o più portatori di carica sot- La quantità di corrente che può es- to forma di coppie elettrone-buca. Lo strumento superiore indica la corrente indot- sere focalizzata nel punto mobile fina- ta nella giunzione p-n; quello inferiore la corrente fra il dispositivo e la massa. 19
FASCIO PRIMARIO DI ELETTRONI A ISTANTI SUCCESSIVI le è direttamente proporzionale alla « diffusi all'indietro » è possibile otte- densità di corrente disponibile al cato- nere informazioni sui tipi di atomi con- do, i cui valori normali sono compresi tenuti nel campione. Tuttavia, in linea fra 1 e 10 ampere al centimetro qua- di principio, qualsiasi segnale generato drato. Allo scopo di realizzare elevati quando il raggio colpisce un determi- rapporti segnale-disturbo con la mag- nato punto dell'oggetto, indipendente- gior risoluzione possibile, sono state mente dalla sua forma, può essere usa- sviluppate delle speciali sorgenti ad al- to per produrre un'immagine. ta efficienza per aumentare la densità L'immagine che si adopera normal- di corrente disponibile al cannone elet- mente è quella prodotta dagli elettroni tronico. Alec N. Broers ha sviluppato, secondari, cioè dagli elettroni eccitati presso il Centro di ricerche Thomas J. all'interno del campione dagli elettro- UPERFICIC PRINCIPALE Watson della IBM, un catodo in esa- ni ad alta energia contenuti nel raggio DEL CAmpioNe boruro di lantanio che risulta circa 100 primario. La probabilità che gli elet- volte migliore del normale catodo di troni secondari possano uscire dal cam- tungsteno. Il suo catodo è stato adot- pione diminuisce esponenzialmente con Nell'interpretazione delle immagini prodotte da un microscopio elettronico a scansione tato in diversi microscopi elettronici a occorre rendersi conto che gli elettroni secondari possono essere generati in regioni a l'aumentare della distanza del loro una certa distanza dall'area direttamente colpita dal fascio primario di elettroni. Il di- scansione di tipo commerciale. punto di origine dalla superficie. Di segno mostra ciò che accade quando il fascio colpisce fibre di dimensioni diverse: una All'Università di Chicago, Albert V. conseguenza, quelli che emergono pro- molto più piccola della penetrazione media M, una il cui diametro è pari al 60 per cen- Crewe e i suoi collaboratori, hanno in- to circa di questo valore (2) e una molto più grande. Nel primo caso gli elettroni pri- vengono da uno strato superficiale di mari penetrano con facilità nella fibra e vengono diffusi, generando in tal modo elet- corporato in un microscopio elettroni- spessore compreso fra cinque e cin- troni secondari (in colore) su tre superfici: quelle superiore e inferiore della fibra e co a scansione una sorgente a emissio- quanta angstrom per i metalli e qual- quella del campione. La fibra appare quindi più brillante di quanto sarebbe se gli elet- ne di campo con una corrente di emis- troni secondari venissero generati solo in corrispondenza della superficie superiore. La cosa di più per gli isolanti. Si può pen- sione anche più elevata. Sebbene que- sare a questi elettroni secondari come seconda fibra assorbe la maggior parte degli elettroni incidenti, tuttavia gli elettroni secondari escono da tutta la sua superficie, rendendo anche questa fibra più luminosa sto tipo di catodo richieda, per un fun- se scaturissero dalla superficie in varie di quanto non ci si potrebbe aspettare. La terza fibra è tanto grande da fermare tutti zionamento stabile, un ambiente a vuo- direzioni; il livello energetico a essi as- gli elettroni che la colpiscono al centro; quelli che invece la colpiscono alla periferia to ultra spinto, col microscopio di Cre- tendono a rimbalzare verso un'area di notevoli proporzioni sulla superficie del campio- sociato è di pochi elettronvolt. ne. Questo effetto rende spesso i bordi di una grossa fibra particolarmente brillanti. we è possibile una risoluzione di cir- Gli elettroni secondari vengono atti- /, ca cinque angstrom, lavorando come rati da un collettore mantenuto a un quando si opera secondo la scansione- potenziale positivo rispetto a massa di -trasmissione su campioni ultrasottili. circa 200 volt (si veda l'illustrazione in Con questo strumento sono stati rive- basso a pagina 17). Non è necessario 1 2 3 4 6 7 8 9 10 TEMPO —› lati singoli atomi di uranio in preparati focalizzare gli elettroni secondari per- speciali (si veda l'articolo Un micro- ché tutti quelli raccolti a un dato istan- Tc, scopio elettronico a scansione ad alta te provengono dalle immediate vici- risoluzione di Albert V. Crewe in « Le nanze del punto in cui la sonda è pe- Scienze », n. 35, luglio 1971). netrata nel campione. Per i poteri ri- 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 TEMPO—a' In un microscopio elettronico a solutivi più alti solo gli elettroni ecci- scansione, sebbene la sonda che esplo- tati dal raggio primario penetrato nel ra il campione debba essere focalizza- campione forniscono un segnale utile: s 1-1F - 1 2 11- 3 11– 4 -In 5 TE 6 7 TEMPO --> ta con precisione, non altrettanto è necessario per gli elettroni secondari quelli eccitati da elettroni diffusi al- 8 9 10 l'indietro producono un rumore di fon- che producono l'immagine effettiva. do che degrada la qualità dell'imma- X —> X —> Questo paradosso apparente scompare gine. L'intensità del segnale prodotto se si ricorda che l'immagine è compo- al sollettore è proporzionale al numero 2 Enir.21 sta da una serie di elementi disposti in successione. I punti dell'oggetto e del- di elettroni secondari che Io raggiun- 4 EIL AMI l'immagine corrispondono fra loro per- gono. Il segnale viene inviato a un tu- bo a raggi catodici ove modula il fa- MEM Y–kS ché vengono colpiti allo stesso istante dal fascio elettronico del microscopio e scio di elettroni del tubo stesso che si 6 ~W Mali da quello del tubo a raggi catodici. muove sullo schermo in sincronia con la sonda elettronica sulla superficie del i/W Ak Mia La raccolta degli elettroni secondari campione. Si produce cosí l'immagine del microscopio elettronico a scansio- 8 AZIM Quando gli elettroni della sonda col- ne; la fotografia dell'immagine che si presenta sullo schermo del tubo è una 1 0 gawd~amai piscono un campione di un certo spes- microfotografia elettronica a scansione. sore possono succedere diverse cose (si Lo schema di scansione adoperato nel microscopio elettronico a scansione è del tutto veda l'illustrazione in alto nella pagina Informazione e immagine analogo a quello della televisione; tuttavia in una microfotografia il quadro contiene precedente). Quando gli elettroni pene- circa 1000 linee, mentre nella televisione commerciale sono 625. Nell'illustrazione le coordinate del quadro sono indicate con X e Y, mentre il segnale è indicato con S. La trano nel campione, perdono energia e quesiti da porre, e che richiedono configurazione del segnale S in ogni intervallo di tempo rappresenta la spaziatura dei rallentano, possono essere diffusi ad una risposta nella microscopia elettro- livelli del bianco occorrenti per produrre una delle dieci linee per la rappresentazione di ampio angolo e alcuni infine possono nica a scansione, sono fra gli altri i se- una grande X in carattere stampatello (in basso a sinistra). La X apparirebbe natural- anche fuoriuscire dalla superficie supe- mente continua se fossero usate 1000 linee. La figura a sinistra è una presentazione a guenti: quanto è grande la regione da Questo è l'aspetto del sangue umano fatto coagulare in aria umida, poi fissato in for- modulazione di intensità. È anche passibile deflettere il fascio di elettroni dalla normale riore, viaggiando in una direzione più cui proviene l'informazione quando il maldeide e osservato al microscopio elettronico a scansione. Le immagini, dall'alto posizione di scansione Y di una quantità proporzionale al livello del segnale (Y –kS), o meno opposta a quella del raggio in- verso il basso, sono state ottenute con ingrandimenti rispettivamente di 1500, 5000 e fascio colpisce il campione? Con qua- 15 000 diametri. I dischi sono globuli rossi trattenuti da un reticolato di fibrina. I glo- dando luogo a una presentazione a modulazione di deflessione (in basso a destra). cidente. Raccogliendo questi elettroni le velocità è possibile generare l'infor- buli appaiono leggermente disseccati. Le immagini sono state riprese da L. McDonald. 20 21
Zoomata » su una Drosophila melanogaster eseguita col mi- sere osservata vivente al microscopio: non sono quindi neces- sinistra a destra le tre microfotografie sono state eseguite con prima microfotografia rappresenta l'intera testa della mosca; croscopio elettronico a scansione. La mosca della frutta può es- sari né rivestimenti metallici né altre preparazioni tecniche. Da ingrandimenti rispettivamente di 180, 450 e 4500 diametri. La le due successive il solo occhio via via in maggior dettaglio. mazione e con quale rendimento? Qua- si sa che tali elettroni hanno nei soli- 20 angstrom il diametro della sonda grande, il cui diametro, per i normali renderebbero confusa l'immagine quan- materiale di cui è costituito il campio- li proprietà geometriche, fisiche, chimi- di un cammino libero medio assai bre- elettronica che li ha generati. livelli di energia del fascio, è compre- do la sonda si muove verso il punto ne e dell'angolo che il fascio primario che o di altra natura del campione de- ve: circa 10 angstrom nei metalli e cir- Altri elettroni secondari, prodotti da so fra uno e cinque micron. Gli elet- successivo da esplorare. Per ogni dieci forma con la superficie colpita. I raggi terminano l'informazione? ca 50 angstrom negli isolanti. Molti elettroni diffusi all'indietro che escono troni secondari sono generati in meno elettroni primari che colpiscono un X, che possono essere raccolti anch'es- Se l'immagine è fornita da elettroni elettroni secondari emergono da un dal campione, emergono da altri punti di 10- 1° secondi; non vi sono quindi in campione vengono generati da uno a si per produrre un'immagine, sono ge- secondari, come normalmente avviene, cerchio il cui diametro non supera di situati all'interno di un cerchio piú pratica elettroni emessi in ritardo che venti elettroni secondari, a seconda del nerati con un rendimento molto più Il microscopio elettronico a scansione con un ingrandimento di dri mentre i coni si presentano affusolati. Con un microscopio Si ritiene che i nodi lungo le cellule nervose della lepre di ingrandimento di 11 000 diametri fornisce da solo piú infor- 2500 diametri rivela l'architettura dei recettori degli stimoli lu- convenzionale la struttura completa di queste cellule è diffi- mare (Aplysia) siano associati con le giunzioni sinaptiche, ove mazioni su certi aspetti del tessuto nervoso di quanto si potreb- minosi di una salamandra: i bastoncelli appaiono come cilin- cilmente osservabile in quanto è impossibile vederle intatte. gli impulsi nervosi passano da una cellula all'altra. Questo be raccogliere da centinaia di sezioni dello stesso campione. 22 23
basso: occorrono da 1000 a 100 000 perpendicolare alla superficie nel pun- pione su un vetrino da inserire in en- dare un'interpretazione errata all'im- elettroni primari per dare origine a un to di incidenza. In altre parole il fa- trambi gli strumenti. Con l'uso atten- magine leggendo in essa caratteristi- solo fotone di raggi X, il numero esat- scio genera un maggior numero di elet- to di tecniche di sezionamento è pos- che basate su esperienze visive prece- to dipendendo anche qui dal materiale troni secondari quando colpisce una sibile esporre strati profondi di cam- denti e non pertinenti. di cui è costituito il campione. I raggi superficie inclinata o un margine che pioni spessi per studiarne la topologia Tenendo presenti questi concetti, X forniscono però un segnale la cui piega bruscamente anziché una super- col microscopio elettronico a scan- confrontiamo le informazioni ottenibi- utilità consiste nella possibilità di rive- ficie piatta. Vi sono anche altri effetti sione. È anche possibile esaminare li dal microscopio ottico, dal micro- lare gli elementi contenuti nel campio- più complessi che dipendono dal mo- campioni sezionati secondo i metodi scopio elettronico a trasmissione e dal ne: per questa ragione nella microsco- do in cui le strutture che si trovano al della normale microscopia ottica o microscopio elettronico a scansione. I pia elettronica a scansione stanno tro- di sotto della superficie principale as- elettronica. primi due strumenti forniscono, me- vando vasta applicazione i rivelatori di sorbono o deflettono gli elettroni del Può sembrare sorprendente che esi- diante una serie di lenti, immagini ot- raggi X ad alta sensibilità. fascio primario. Una piccola fibra, per stano perfino alcuni organismi, per lo tenute tramite radiazioni passanti at- Se il campione è un seniconduttore esempio, può apparire più luminosa di più insetti, che possono essere osserva- traverso l'oggetto (o da questo riflesse). o un isolante, il bombardamento col quanto ci si potrebbe attendere tenen- ti viventi al microscopio elettronico a Il contrasto nell'immagine è provoca- raggio di elettroni determinerà un net- do conto delle sue sole dimensioni (si scansione. Uno di tali organismi è il to dalla dispersione o dall'assorbimen- to aumento della conducibilità elettri- veda l'illustrazione in alto a pagina 20). tenebrione della farina (Tribolium con- ca. 11 microscopio elettronico a scan- fusum) (si vedano le figure a pagina to di fotoni o elettroni, oppure, per le Questi effetti danno all'osservatore risoluzioni più alte, da variazioni di fa- sione è pertanto utilissimo nell'esame l'impressione di una struttura tridimen- 18). Questo insetto in tutti gli stadi dei circuiti integrati, che comprendo- sionale pur trattandosi di una micro- del suo ciclo vitale (uovo, larva, pupa se delle funzioni d'onda che rappresen- no spesso migliaia di transistori o di al- fotografia bidimensionale. Per stabili- e adulto) è in grado di trattenere per tano i fotoni o gli elettroni. Il fotone All~r•••n••n••••••n•••• "••• tri elementi circuitali nello spazio di re se la deduzione è esatta o meno, si un'ora tanta acqua da riuscire a so- associato con la luce ha un livello mal poco più di mezzo centimetro quadra- possono creare con facilità coppie di pravvivere all'alto vuoto della camera energetico di pochi elettronvolt e può iinPallen111~1~ 411~10~111~ •1111~1~r 7 nn • to. Per esempio un raggio incidente di immagini stereoscopiche riprendendo del microscopio. Poiché i campioni vi- quindi reagire con i legami chimici del 4 • MENEM 18 000 elettronvolt produce nel silicio due microfotografie nelle quali l'ango- venti, sotto il bombardamento di elet- campione, che possiedono livelli ener- A• circa 5000 elettroni e 5000 « buche ». lo fra il campione e il raggio incidente troni a bassa intensità di corrente si getici dello stesso ordine. Queste rea- Questi portatori di carica sono prodot- differisca di parecchi gradi. L'osserva- comportano come conduttori, non è zioni forniscono l'informazione croma- ti a coppie e se vengono rivelati da una zione delle due microfotografie con un necessario rivestirli con metallo o trat- tica, preziosa per il biologo e il patolo- alan - 1n • ••n••nn 11•111.. •n• • giunzione p-n nel circuito integrato, la visore stereoscopico fornisce una vera tarli in alcun altro modo. go, che possono cosí codificare gli ele- •n• r 1•n• , 14k corrente del segnale può essere molto immagine tridimensionale. La qualità più notevole delle imma- menti costitutivi della cellula coloran- alliptmari A•11•11111~,~ kal! lorrle n•n••• più intensa della corrente del raggio doli in varie maniere. Nella microsco- nimi~ I campioni biologici, che costituisco- gini presentate dal microscopio elettro- MIMI/ .• incidente. Il progettista del circuito no una grande percentuale degli ogget- nico a scansione è la facilità di inter- pia elettronica a trasmissione si pos- , • awassior 1,7:1~ .:••• può sapere da tali segnali se il disposi- ti esaminati al microscopio elettronico pretazione. Un insetto, per esempio, sono codificare parti selezionate del ~." www. rima 1.11~ n11111..7•111.!.. 11,111. • • IniEn.,111•11n•n MIMM1111.- tivo funziona come è stato progettato, a scansione, possono essere preparati appare come tale; crediamo quindi ai campione con colori costituiti da me- mimo ' 91, .. • ~I se i singoli elementi sono stati disposti in diverse maniere. Un tipo di campio- nostri occhi vedendo l'insetto come ci talli pesanti i cui pesanti nuclei disper- ~O 111~110‹ i entro le tolleranze previste, e cosí via. ne è costituito da un organismo o da viene presentato dal microscopio elet- dono gli elettroni incidenti molto più Può anche controllare l'aspetto super- un tessuto biologico completo e non tronico a scansione. Quando sono gli fortemente dei leggeri nuclei presenti ficiale del circuito per vedere se i con- sezionato; l'acqua deve essere accura- eiettroni secondari a fornire l'immagi- nella maggior parte dei campioni bio- duttori metallici hanno la purezza e la tamente asportata poiché il campione ne questa fiducia è solitamente giusti- logici. qualità desiderata (si veda l'illustrazio- deve essere piazzato nella camera sot- ficata per un gran numero di oggetti. Il microscopio elettronico a scansio- ne nella pagina a fronte). to vuoto dello strumento. Le tecniche Se però due parti del campione si tro- ne si differenzia da entrambi gli stru- Col microscopio elettronico a scan- che vengono più spesso impiegate per vano a potenziali differenti, gli elettro- menti precedenti in quanto la forma- sione si può naturalmente raggiungere togliere l'acqua senza provocare seri ni secondari vengono raccolti in modo zione dell'immagine non è limitata dal- una risoluzione molto più elevata che danneggiamenti sono la essiccazione al- diverso per le due parti, producendo la radiazione incidente; non è nemme- col microscopio ottico, che serviva in lo stato congelato e l'essiccazione al nell'immagine contrasti poco abituali. no necessario alcun sistema di focaliz- passato come strumento standard di punto critico. Se il campione è resi- È necessario familiarizzarsi con queste zazione dopo l'urto del fascio di elet- controllo. Per la nuova generazione di stente alla deformazione o se si desi- variazioni e forzare coscientemente il troni sul campione. I punti corrispon- apparecchi elettronici il raggio del mi- dera il collasso della superficie per met- proprio sistema visivo per interpretare denti del campione e dell'immagine so- croscopio elettronico a scansione vie- tere in evidenza le strutture sottostan- l'immagine in modo nuovo. Se il se- no messi in correlazione nel tempo, ne usato per realizzare i modelli dei di- ti si può anche impiegare la semplice gnale usato per produrre l'immagine consentendo cosí a qualsiasi segnale spositivi stessi. Le dimensioni di questi essiccazione all'aria. Nella preparazio- non è generato da elettroni secondari, generato dal fascio primario di essere modelli sono molto più piccole di quel- ne dei campioni si adoperano talvolta ma da raggi X o da correnti prodotte utilizzato come sorgente potenziale del- le dei loro predecessori, ottenuti con anche la fissazione, la coloritura, il la- dal fascio primario di elettroni, può l'immagine. I segnali possono inoltre metodi ottico-luminosi. vaggio, l'essiccazione e il rivestimento. mancare nell'immagine risultante qual- essere facilmente memorizzati su na- Come si spiega la distribuzione di Poiché spesso l'informazione desiderata siasi rapporto topografico con l'origi- stri o dischi magnetici per presentazio- zone chiare e di zone scure che danno è costituita dalle relazioni topologiche nale e occorre imparare di nuovo l'in- ni differite o per essere elaborati da un l'impressione, in una tipica microfoto- fra le parti che costituiscono un mi- terpretazione di informazioni non fa- calcolatore. L'elaborazione mediante grafia elettronica a scansione, di una crosistema anziché dalle dimensioni miliari. calcolatore delle immagini ottenute col La microfotografia di un transistore ottenuta con gli elettroni secondari in un microsco- pio elettronico a scansione mostra (in alto) che un terminale in oro si è spezzato e superficie tridimensionale? In primo precise di una determinata parte, si Il segnale può inoltre essere codifi- microscopio elettronico a scansione è che si è formata una lega oro-alluminio fra il terminale e l'alluminio depositato sulla luogo il campione di solito non è tenu- possono tollerare artifici come per cato artificialmente attribuendo per ancora nella fase di sviluppo: si pre- superficie del transistore per formare il contatto. La lega è visibile come una zona bril- to perpendicolare al fascio esplorato- esempio la contrazione, soprattutto esempio ai vari livelli di intensità colo- senta però assai promettente. Poiché i lante adiacente al terminale d'oro. Anche se il terminale è spezzato la corrente può es- re, ma inclinato di un angolo compre- quando sono disponibili metodi micro- vari tipi di microscopio forniscono in- sere ugualmente iniettata sul catodo mediante il fascio del microscopio elettronico. ri differenti. Poiché l'occhio è più sen- La corrente iniettata provoca un flusso di corrente fra l'emettitore e il collettore del so fra 30 e 60 gradi. Ciò spesso non è scopici sostitutivi per stabilire le di- sibile alle differenze cromatiche che al- formazioni di genere diverso, essi si transistore, che può essere presentato come una traccia di deflessione. Molte tracce di necessario per i campioni biologici con mensioni effettive. le leggere variazioni delle tonalità di integrano a vicenda anziché farsi con- deflessione di questo tipo possono concorrere alla composizione di un'immagine modu- contorni fortemente marcati. La pro- Volendo confrontare le immagini grigio, un'immagine codificata a colori correnza. Ciascuno ha caratteristiche lata per deflessione. Per un'analisi quantitativa delle prestazioni di un transistore è pre- singolari che forniscono informazioni feribile impiegare un'immagine che contenga solo poche tracce (al centro). Un'imma- babilità che vengano generati elettroni fornite da un microscopio ottico e da può rivelare importanti informazioni gine con molte tracce (in basso) simula una superficie complessa la cui altezza è secondari aumenta con l'aumentare un microscopio elettronico a scansio- che altrimenti sfuggirebbero. Allo stes- sulla microstruttura del mondo in cui proporzionale al flusso di corrente fra emettitore e collettore. Immagini di questo dell'angolo fra il raggio incidente e la ne, si può montare facilmente il cam- so tempo occorre fare attenzione a non viviamo. tipo consentono di studiare la relazione fra la corrente indotta e la struttura fisica. 24 25
Puoi anche leggere