bélyegkép|jobbra|250px|Pásztázó transzmissziós elektronmikroszkóp (200 kV Jeol prototípus), 3. fokozatú gömb alakú aberrációs korrektorral A pásztázó elektronmikroszkóp () olyan elektronoptikai eszköz, amely a vizsgált tárgy felszínének meghatározott területét irányított vékony elektronnyalábbal pontos minta szerint végigpásztázza, az elektronsugár és a tárgy kölcsönhatásából származó jeleket erre alkalmas detektorokkal érzékeli, és ezeket megfelelően feldolgozva, az elektronsugár mozgásával szinkronizálva képileg (esetleg más formátumban, például spektrum) kijelzi. Mivel az elektronsugár és a tárgy kölcsönhatásaként számos, az anyag adott felületére jellemző típusú jel keletkezik, lehetővé válik a minta különböző tulajdonságainak képszerű megjelenítése, vagy a vizsgált anyag tulajdonságainak, a vizsgálati terület helyének – képileg is azonosítható – meghatározása. Ilyen módon a vizsgált anyag alaki (morfológiai) sajátosságain túlmenően, a készülék felszereltségétől függően számos más tulajdonság is vizsgálható lehet (például a kémiai összetétel). Mindezek ellenére a pásztázó elektronmikroszkóp legáltalánosabban használt sajátossága az, hogy a vizsgált anyagok felszínének alaki tulajdonságairól nagy felbontású és nagyítású, ugyanakkor nagy mélységélességű képet tud alkotni.
bélyegkép|jobbra|250px|Ez a PEM-felvétel bemutatja a kép jellegzetes térhatását és mélységélességét (a tárgy: ecetmuslica összetett szeme) bélyegkép|jobbra|250px|A PEM nyitott mintakamrája bélyegkép|250px|jobbra|Pásztázó elektronmikroszkóp bélyegkép|jobbra|250px|JEOL JSM-6340F pásztázó elektronmikroszkóp (csak az oszlop és kiegészítő részei, valamint a tárgyasztalt mozgató kezelőcsavarok láthatók)
Története
Az első, pásztázó elektronmikroszkóppal felvett képet Max Knoll: Max Knoll – életrajzi adatok. készítette 1935-ben, egy nagy szilíciumtartalmú acél felületéről. A pásztázó elektronmikroszkóp gyakorlati elveinek kidolgozásában és a minta–elektronsugár kölcsönhatás vizsgálatában további úttörő munkát végzett Manfred von Ardenne 1937-ben, aki egy brit szabadalmat is alkotott, ám soha nem készített működő berendezést.
Von Ardenne 1938-ban egy transzmissziós elektronmikroszkópba pásztázó tekercseket épített, így létrehozta az első pásztázó transzmissziós elektronmikroszkópot (STEM). Az első, STEM által készített kép egy ZnO-kristály képe volt, az üzemi feszültség 23 kV, a nagyítás 8000 volt, a térbeli felbontás 50 és 100 nm közé esett. A kép 400×400 pásztázott vonalból állt össze, felvétele 20 percig tartott, mivel a filmet a sugárral szinkronban kellett mozgatni.
Az első PEM, amivel szilárd minta felületét vizsgálták, az Egyesült Államokban, az RCA Laboratories-nél működött 1942-ben, Vladimir K. Zworykin: Zvorikin orosz feltaláló életrajza és társai irányítása alatt. A műszer elektronoptikája három elektrosztatikus lencséből épült fel, a pásztázó tekercseket a második és a harmadik lencse közé helyezték. Az elektronágyút alulra tették, így a mintakamra a kezelő számára kényelmes magasságban helyezkedett el. Ezzel az első pásztázó elektronmikroszkóppal 50 nm-es felbontást értek el. Az akkoriban gyorsan fejlődő transzmissziós technika mellett a kutatók számára ez az érték nem volt különösebben érdekes, ezért a további fejlesztések abbamaradtak.
A pásztázó elektronmikroszkópot Sir Charles Oatley: életrajzi adatok és posztgraduális tanulmányokat folytató tanítványai fejlesztették tovább. Az 1940-es évek vége felé Oatley a Cambridge-i Egyetem Műszaki Intézetében (Engineering Department of Cambridge University), az egyetem Fizikai Intézetében, a transzmissziós elektronmikroszkópokkal folyó munkák kiegészítéseképpen a pásztázó elektronmikroszkópok felé fordult. A munkákat tanítványával, Ken Sanderrel együttműködve kezdte, majd 1948-ban Dennis McMullannel együtt megépítette első pásztázó elektronmikroszkópját. Ezzel a műszerrel 1952-re már elérték az 50 nm-es felbontást, de legfőbb eredményük a napjaink PEM-technológiáját is jellemző háromdimenziós képalkotás volt. Denis McMullant 1952-ben Ken Smith váltotta, aki számos fejlesztést végzett az elektronoptikai rendszeren. A kutatók ekkoriban gyakorlatilag nem mutattak érdeklődést a berendezés iránt, ezért Oatley olyan alkalmazásokat keresett, amelyekkel reklámozni tudták volna a PEM-et. 1955-ben jelent meg első publikációjuk, melyben egyértelműen meghatározták a PEM lehetséges alkalmazási területeit.
Fontos lépés volt Oatley negyedik kutató tanítványa, Thomas Eugen Everhart: életrajzi adatok fejlesztése, aki 1955-ben kezdett Oatleynél dolgozni. Everhart továbbfejlesztette a másodlagos elektrondetektort, megoldása szerint egy szcintillátor alakította át az elektronokat fotonokká, melyeket egy fényvezetőn keresztül közvetlenül a fotosokszorozókba juttatott. Ezt a módszert követte 1957-től Thornley, áttörő jellegű munkájukat a Wide-band detector for micro-microampere low-energy electron currents (Everhart and Thornley, 1960) című munkájukban publikálták. – Everhart-Thornley detektor Az elektronsokszorozó helyettesítése az új szcintillátor/fotosokszorozó kombinációval megnövelte a gyűjtött jel mennyiségét és javította a jel-zaj arányt.
Új alkalmazási területeket nyitott meg Gary Stewart, aki egy ionágyút illesztett a PEM mintakamrájához, így lehetővé vált a minta ionokkal történő bombázása. Kutatásainak befejezése után Stewart a Cambridge Instrument Company munkatársa lett, ahol részt vett az első kereskedelmi forgalomba kerülő pásztázó elektronmikroszkóp kifejlesztésében. A berendezésnek a Stereoscope nevet adták. A munkát 1961-ben Alec Broers: életéről és munkásságáról röviden folytatta, aki továbbfejlesztette a műszer ionsugár-optikáját, és a felbontás növelése érdekében egy mágneses objektívlencsét adott a rendszerhez.
A Cambridge-i Egyetem Műszaki Intézetében 1960-ban sikerült először elérni a 10 nm-es felbontást Fabian Pease: Fabian Pease fizikus életrajza berendezésével, ami egy teljes mértékben mágneses lencsékből álló berendezés volt.
Az elektronsugárzás és az elektronoptika bélyegkép|jobbra|250px|Elektronágyú Az elektronmikroszkópok megalkotását az tette lehetővé, hogy felismerték: egy elektronforrásként szolgáló katódból kilépő elektronok – a katód és a vele szemben elhelyezett anód között – Az elektronok gyorsítása nagy stabilitással beállított viszonylag nagy (10–100 kV) feszültségkülönbséggel – erősen légritkított térben (vákuumban) felgyorsíthatók. Az így létrehozott elektronsugárzás monokromatikus, hullámhossza a gyorsítófeszültség függvénye, és mivel töltött részecskék képezik, elektromos és mágneses terekkel kitéríthető, illetve ha ezek a terek megfelelő görbületű axiális szimmetriával bírnak, lencseként viselkednek, így a sugárzás fókuszálható. A De Broglie-képlet – DeBroglie-egyenlet alapján minél magasabb a gyorsítófeszültség, annál alacsonyabb hullámhossz érhető el. (Louis de Broglie – Louis de Broglie élete és munkássága). Az alacsonyabb hullámhossz az Abbe-egyenlet alapján nagyobb felbontóképességet tesz lehetővé. Végül is ez volt az elektronmikroszkópok megalkotásának célja, mivel a fénysugárzás tartományában az alacsonyabb hullámhossz az ultraibolya sugárzással véget ér, és az UV-mikroszkópok is különleges (kvarc) optikát igényelnek, és nem is annyira a felbontóképesség növelésére, mint speciális célokra (fluoreszcenciamikroszkópok) használhatóak. Sajnos az így elért nagyobb felbontóképességnek is nagy „ára” volt, akár az elektronmikroszkópok műszaki paramétereit, előállításuk és működtetésük költségességét, akár az anyagok vizsgálatra való előkészítésének technológiai bonyolultságát, műszer- és munkaigényességét véve figyelembe. Biológiai anyagoknál különösen nagy az anyagokat az előkészítés során érő torzító hatások jelentősége, hiszen vákuumban vizsgálható, és még egyéb sajátos vizsgálati körülményeknek megfelelő, erősen korlátozott méretű mintákat lehet csak vizsgálni. Nehézségeik és technológiai korlátaik ellenére az elektronmikroszkópos vizsgálatok (beleértve a pásztázó elektronmikroszkópos vizsgálatokat is) igen hasznosnak bizonyultak mind az anyag-, mind a biológiai tudományokban, és eddigi eredményeik felhasználása, valamint jelenlegi rutinszerű használatuk nélkül e tudományterületek eredményes művelése mára már elképzelhetetlen lenne.(Fejlesztési irányok:lantán-hexaborid katód, téremissziós elektronágyú.)
Vákuumrendszer
Az elektronsugárzás csak erősen légritkított térben – vákuumban – terjed zavartalanul megfelelő távolságokra. Az elektronmikroszkópokban ezért megfelelő vákuumot kell biztosítani. Ezt kétlépcsős rendszer biztosítja. Ennek első tagjait a rotációs vákuumszivattyúk jelentik. Ezek hozzák létre a légritkitás azon szintjét, amikor már a vákuum további fokozására alkalmas olajdiffúziós szivattyúk – Diffúziós szivattyú is működőképessé válnak. Utóbbiak hatásfokának növelésére cseppfolyósnitrogén-hűtés szolgál. (Továbbfejlesztés: turbómolekuláris szivattyú). A tárgyak behelyezése a vákuumtérbe zsiliprendszeren keresztül történik.
Egyidejű képalkotási eljárások
A transzmissziós elektronmikroszkópban (TEM) a kondenzorrendszer a tárgynak viszonylag nagy területét világítja meg, és a vizsgált tárgy rétegvastagsága olyan, hogy a sugárzás jelentős részét átereszti. Az elektronok egy része azonban a tárgy atomjaival ütközve visszaverődik, illetve irányt változtat. Ennek mértéke – egy adott energiájú elektronsugárzás mellett – tárgypontonként a tömegsűrűség függvényében változik. Az eltérített – rugalmasan szórt – elektronokat egy igen kis nyílású fémrekesz kiszűri a leképző rendszerből, így a nagyobb tömegsűrűségű tárgypontoknak kisebb sugárintenzitású, a fluoreszcens ernyőn sötétebb képpontok felelnek meg. A TEM lényegében csak ezt a jelenséget tudja hasznosítani a vizsgálati tárgy leképzésében, sőt az összes többi anyag-elektronsugár kölcsönhatásból származó effektusnak inkább zavaró jellege van. Az anyag–elektronsugár kölcsönhatásból származó összes további jelnek – egyéb természetüktől függetlenül – van egy gyakorlati szempontból közös vonása: leképzésük lencserendszerekkel nem oldható meg. Ugyanakkor a morfológiai kutatásokban használt módszerek túlnyomó többségében általában képi információkat igyekszünk nyerni a vizsgálati tárgyról. A képek a tárgy bizonyos fizikokémiai tulajdonságainak térbeli eloszlását jelenítik meg sík vetületben. A képek előállíthatók kibocsátott, visszavert, vagy a tárgyon áthaladás közben módosult sugárzások egy síkra vagy felületre történő leképezésével. Ezen az elven, lencserendszerek felhasználásával működnek a különböző optikai eszközök és műszerek: a távcső, a fényképezőgép, a fénymikroszkóp (FM), a transzmissziós elektronmikroszkóp (TEM). A nem fókuszálható sugárzások (pl. a röntgen- és a gamma-sugárzás) esetén az árnyékhatást használják fel a képalkotásra. Ezekkel a módszerekkel a vizsgált sajátosságok leképezése az egész objektum területéről egyidejűleg történik. Mivel az emberi szem optikája is ilyen jellegű információkon keresztül közvetíti a külvilág jelenségeit, a képeknek igen nagy az egyszerű, közvetlen vizuális megfigyelés alapján értelmezhető információs értéke. (Ugyanakkor például az esetleg sokkal több információt tartalmazó, de nem „visszaállított” hologramok egyszerű megtekintés alapján teljesen értelmezhetetlenek.) bélyegkép|jobbra|300px|A mikroszkópok típusai
A tárgy és az elektronsugár kölcsönhatása