ПРОСВЕЧИВАЮЩАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ МИКРОСКОПИЯ

ЭЛЕКТРОННАЯ МИКРОСКОПИЯ

 

 

 

Взаимодействие электронов с веществом. Большое разнообразие процессов взаимодействия электронов с веществом делает возможным использовать электроны для изучения разных характеристик вещества. Основной характеристикой определяющей характер их взаимодействия с веществом, является скорость, точнее их кинетическая энергия. Когерентное (упругое) рассеяние электронов с энергией порядка сотен электрон-вольт (метод дифракции медленных электронов) позволяет исследовать атомно-кристаллическую структуру поверхности твердого тела. При большей энергии (метод дифракции быстрых электронов) возможен анализ трехмерной атомно-кристаллической структуры, в этом отношении он подобен дифракции рентгеновских лучей. Упругое рассеяние и метод дифракции быстрых электрон лежит в основе просвечивающей электронной микроскопии. Информацию о химическом составе объекта получают по спектру возбуждаемого быстрыми электронами характеристического рентгеновского излучения – рентгеноспектральный и микрорентгеноспектральный анализ, по спектру электрон внутренней конверсии или Оже-электронов (Оже-электронная спектроскопия – ОЭС), по потерям энергии на возбуждение плазменных колебаний (анализ характеристических потерь энергии – ХПЭ).

Поглощение электронов. Поглощение электронов при их взаимодействии с твердым телом сопровождается тепловыми эффектам, что влечет за собой изменение структуры, агрегатного состояния, десорбцию. Это необходимо учитывать при всех электронно-оптических исследованиях. При достаточно больших энергиях (E>0,5 МэВ) возможно возникновение радиационных повреждений.

Характеристические потери энергии. Эти потери обусловлены коллективным возбуждение электронного газа вещества объекта. Электроны проводимости можно рассматривать как особый вид плазмы, который под действием внешних бомбордирующих электронов приходит в колебательное движение. Совокупность собственных валентных электронов может принимать определенные порции энергии, соответствующие некоторому дискретному уровню возбуждения данного твердого тела. Эти порции энергии можно рассматривать как своего рода квазичастицы – плазмоны, время жизни которых не превышает 10^-16 с. Для каждого металла характерна определенная величина энергии плазмона, поэтому потери энергии электронов на возбуждение плазмонов называют характеристическими или плазменными потерями.

Энергетический спектр электронов, покидающих мишень (схема для вторичной эммисии на отражение)

Вторичная электронная эмиссия. Электронную эмиссию под действием электронной бомбардировки характеризуют отношением полного числа электронов, испускаемых поверхностью объекта в единицу времени (т.е. силу тока эмиссии, i_эм), к числу первичных электронов (т.е. к току первичного пучка, i_п): S = i_эм /i_п . За счет вторичных электрон коэффициент вторичной эмиссии как на отражении так и на просвет тонких пленок может в определенном интервале энергий первичных электронов быть больше единицы. В спектре эмитируемых электронов можно выделить три обрасти (рис.). Область III содержит пик с энергией E₀ связанный с распределением по энергиям первичных электронов, которые только в первом приближении можно считать моноэнетгетичными. Рядом с E₀ имеются пики с несколько меньшей энергией DE~10-20 эВ. Эти разности равны потерям энергии на образование плазмонов. Область II характеризует неупруго рассеянные первичные электроны, которые теряют энергию в результате ряда многократных соударений и поэтому распределяются в самой широкой области энергий. Область I представляет истинно-вторичные электроны. Их энергия составляет порядка десятков электрон-вольт. На фоне непрерывного распределения вторичных электронов наблюдаются небольшие пики при строго определенных для каждого химического элемента значениях энергии. Эти пики относят к Оже-электронам. Поскольку вторичные электроны обладают довольно низкой энергией, то эта часть спектра связана с процессами эмиссии от поверхности и от весьма тонкой приповерхностной области объекта.

Доля упругого (1) и неупругого (2) рассеяния электронов в зависимости от Z

Проникающая способность электронов. Зависит от прохождения первичных электронов через тонкую пленку вещества и характеризуется коэффициентом проницаемости, который представляет собой отношение чисто упруго и неупруго рассеянных первичных (быстрых) электронов к числу падающих электронов: D = i_р/i_п . Существует некоторая граничная энергия, зависящая от природы (плотности) и толщины пленки, при которой наблюдается прохождение электронов.

Рассеяние электронов. Рассеяние электронов без изменения энергии при прохождении через вещество лежит в основе дифракционных методов анализа кристаллической структуры и методов просвечивающей электронной микроскопии. Упругое рассеяние электронов связано с их движением в поле электрического потенциала атомов. Доля упругого рассеяния повышается с увеличением порядкового номера элемента (рис.). Важной особенностью рассеяния электронов является то, что амплитуды их рассеяния оказываются на три порядка больше амплитуд рассеяния рентгеновских лучей (а интенсивность в 10⁶ раз). С этим связана возможность получения дифракционной картины при очень малом количестве вещества (например от отдельных частиц или пленок малой толщины).

Конструкция микроскопа и принцип его работы. Просвечивающий электронный микроскоп (ПЭВ) состоит из электронной пушки и системы электромагнитных линз, заключенных в вертикально расположенную колонну, откачиваемую до остаточного давления не выше 10^-3 - 10^-4 Па. Осветительная система микроскопа состоит из электронной пушки и конденсорной линзы. Электронная пушка представляет собой трехэлектродную электростатическую линзу и состоит из катода, являющегося источником электронов, фокусирующего электрода и анода. В качестве катода используется раскаленная вольфрамовая нить или нить из гексоборида лантана (LaB6). Силовое поле между катодом и фокусирующим электродом работает как собирающая линза, а поле между электродом и анодом, как рассеивающая линза; в результате в целом пушка работает как слабо рассеивающая линза. Магнитное поле конденсорной линзы собирает электронный пучек в близи от исследуемого объекта.

Объективная линза, расположенная ниже плоскости объекта, фокусирует рассеянные образцом электроны, формируя первичное изображение с увеличением примерно 100 раз. Следующая, промежуточная, линза перебрасывает это изображение в предметную плоскость проекционной линзы с небольшим увеличением обычно до 10 раз, а та в свою очередь формирует конечное изображение объекта на флуоресцирующем экране или фотопластинке. Эта линза дает увеличение примерно в 100 раз.

Фокусировка изображения осуществляется путем изменения фокусного расстояния объективной линзы, а изменение увеличения – путем изменения фокусных расстояний промежуточной и проекционной линз. Изменение фокусных расстояний достигается изменением силы тока в обмотках линз. Общее увеличение микроскопа определяется произведением увеличений объективной, промежуточной и проекционной линз и может варьировать от нескольких тысяч до примерно 500 000 крат в микроскопах лучших конструкций.

return false">ссылка скрыта

Теоретическая разрешающая способность любого оптического прибора имеет величину порядка длины волны излучения, используемого для освещения объекта. Длина волны электронов l (в ангстремах): l = 12,236/ U , где U – ускоряющее напряжение в вольтах. Для 100кВ микроскопа l = 0,037 А. При ускоряющих напряжениях свыше 500 кВ необходимо вносить релятивистскую поправку, снижающую скорость уменьшения l с повышением U ; величина поправки может достигать 30% при напряжении около 1000 кВ. Малая длина волны электрона означает, что теоретический предел разрешения электронного микроскопа очень высок. Однако практически он не реализуется из-за дефектов электронной оптики – хроматической и сферической аберрации и астигматизма линз.

Хроматическая аберрация возникает из-за различной скорости (т.е. длины волны) электронов формирующих изображение, непостоянства во времени фокусных расстояний линз, а так же из-за потерь энергии электронами при прохождении образца. Сферическая аберрация возникает в результате того, что изображение формируется электронами, проходящими на разных угловых расстояний от оптической оси линз. Возникновение астигматизма связано с нарушением магнитной или геометрической симметрии линз. Эти причины приводят к тому, что реальная разрешающая способность на 2-3 порядка хуже теоретической. На наиболее совершенных микроскопах удалось получить разрешение ~ 0,1 нм, которое позволило прямо видеть атомы таких металлов, как медь и золото. Паспортное разрешение лучших микроскопов составляет 0,2-1,0 нм, однако рабочее разрешение несколько хуже (2-3 нм) и зависит от ряда факторов: типа объекта, наличия загрязнений, совершенства юстировки прибора и т.д.

Принципиальная оптическая схема просвечивающего электронного микроскопа

В современных микроскопах имеется приставка для уменьшения загрязнения объекта продуктами разложения углеводородов, неизбежно присутствующих в колонне микроскопа (вакуумное масло, сказка). Загрязнение на облучаемом участке возникает так быстро, что через 2-3 мин. дальнейшее наблюдение становится невозможным. Загрязнение объекта можно значительно уменьшить и при применении пористых адсорбентов-цеолитов, способных поглощать крупные молекулы углеводородов.

Формирование изображения в просвечивающем электронном микроскопе. Согласно дифракционной теории, изображение, которое дает объектив микроскопа, является результатом интерференции лучей, испытывающих дифракцию на объекте. Первичное и дифракционное изображение объекта формируется в главной фокальной плоскости объектива. Поскольку длина волны электронов меньше межплоскостных расстояний в кристаллической решетке, то возникающая дифракционная картина должна соответствовать кристаллической структуре объекта.

На рис. схематично показаны направления дифрагированных лучей для двух участков исследуемого объекта. Если участки имеют идентичную кристаллическую структуру, то их дифракционная картина также должна быть идентичной. Поэтому в главной фокальной плоскости объектива F_об изображена одна система из трех максимумов А,В,С. Очевидно, что при различии кристаллической структуры или ориентировок кристаллитов возникнут различные системы дифракционных максимумов. Интерференция лучей А,В,С дает в плоскости селекторной диафрагмы D_сел(10) промежуточное микроскопическое изображение частиц объекта. С помощью этой диафрагмы можно ограничить изображаемый участок объекта. Промежуточная линза (5) переносит изображение выбранного участка в плоскость полевой диафрагмы (11), а главная проекционная линза (7) дает сильно увеличенное изображение этого участка в плоскости экрана или фотопластинки (12).

Так формируется изображение при обычном микроскопическом исследовании. Однако изменением оптической силы промежуточной линзы можно перенести дифракционную картину объекта в плоскость полевой диафрагмы (11). Это достигается увеличением фокусного расстояния f₁ линзы (т.е. уменьшением силы тока в ее обмотках) до f₂ . Таким образом проекционная линза увеличит дифракционную картину А¢,В¢,С¢ и в плоскости экрана возникнет сильно увеличенное изображение этой картины – А²,В²,С². Из рисунка видно, что в образовании окончательной дифракционной картины принимают участие лучи, соответствующие тому участку промежуточного изображения, который ограничивается селекторной диаграммой D_сел . Меняя положение диафрагмы (10), можно получать дифракционные картины с различных участков образца. Размер участка микродифракции определяется размером селекторной диафрагмы и оптической силой объективной линзы (6).

Схема рассеяния электронов в зависимости от толщины объекта: 1- пучок электронов; 2-объект; 3-рассеянные электроны; 4-апертурная диафрагма; 5-электроны формирующие изображение.

Схема формирования дифракционного контраста: 1-перв. пучок электронов; 2-объект; 3-прошедшие электроны; 4-дифраг. электроны; 5-объективная линза; 6-апертурная диафрагма; 7-контраст в изображении.

При микроскопической работе апертура объектива ограничивается специальной апертурной диафрагмой (9), которую устанавливают возле задней главной фокальной плоскости объектива. При переходе к наблюдению дифракционной картины ее убирают в сторону, поскольку углы дифракции могут быть велики и дифрагированные лучи задерживались бы диафрагмой. Обычно апертурный угол объективной линзы равен тысячным долям радиана. Применение столь малой апертуры необходимо из-за сильного влияния аберрации линз при получении максимальной разрешающей способности. Изображение можно получать в светлом и темном поле. Обычно используется светлопольное изображение в котором видимая картинка формируется за счет прошедшего пучка электронов. Для перехода к темнопольному изображению апертурную диафрагму смещают так, чтобы через нее прошел один из дифрагированных лучей, при этом прошедший пучок задерживается диафрагмой. Предварительно получив дифракционную картину, можно выбрать определенный максимум (HKL) к отраженный лучах от которого и получают темнопольное изображение.

В общем случае контраст получаемого изображения связан с диффузным рассеянием электронов. Чем толще слой вещества, или чем больше рассеивающая способность его атомов (порядковый номер элемента Z), или его плотность, тем в большем диапазоне углов происходит рассеяние электронов. Если на пути электронов установлена диафрагма, то через нее пройдет и будет участвовать в формировании изображения различное количество электронов от различных по толщине или плотности участков (рис.). В результате изображение более толстых и плотных участков будет более темным.

Если объект имеет кристаллическое строение, то на контраст будет влиять и дифракционное рассеяние. Поскольку, в общем случае углы дифракции превышают апертурный угол объектива, кристаллические участки в светлопольном изображении при прочих равных условиях будут казаться более темными, чем аморфные. Если объект состоит из различных по структуре или различно ориентированных кристаллических участков, то в зависимости от их ориентации относительно электронного пучка яркость этих участков может очень сильно изменяться. Такие изменения контраста связаны с тем, что отдельные участки объекта попадают в отражающее положение, при этом интенсивность первичного пучка существенно уменьшается, а дифрагированные электроны задерживаются диафрагмой (рис). Может оказаться, что и в пределах одного кристаллита условия отражения электронов окажутся различными. Это может произойти, например, из-за нарушения кристаллической структуры возле линии дислокации. Тогда на изображении, в непосредственной близости от дислокации, возникнет темная полоса шириной обычно в несколько десятков ангстрем. При благоприятных условиях возможно наблюдение движения дислокаций.

Конструкция современных микроскопов дает возможность управления дифракционным контрастом изображения с помощью контролируемого наклона объекта вокруг любой заданной оси. Это осуществляется специальным гониометрическим устройством.