Интерпретация результатов электронномикроскопического исследования
Цель работы - научиться анализировать и описывать результаты ЭМ исследования.
Общие принципы описания
Необходимо подчеркнуть, что интерпретация ЭМ данных требует от исследователя понимания механизма формирования изображений в электронном микроскопе, знаний в области химии твердого тела (в частности, представлений о протяженных и поверхностных дефектах в кристаллах, влиянии дефектов на особенности морфологии кристаллов и на характер протекания химических реакций в дефектных твердых телах), наблюдательности, аккуратности, а также четкого понимания сущности изменений, вносимых в исследуемый объект при препарировании.
Для грамотной интерпретации и исключения влияния случайных факторов особое внимание следует уделить систематическому набору данных. С этой целью необходимо изучать, возможно, большие площади образцов: по несколько сеточек с нанесенным на них образцом, различные участки исследуемой поверхности. Для фотографической записи информации необходимо выбирать наиболее типичные, повторяющиеся картины. Следует по 2‒3 раза повторять ЭМ исследование объекта, воспроизводя его получение и препарирование. Желательно препарировать двумя-тремя различными способами, сопоставляя полученные картины. Описание результатов ЭМ исследования необходимо проводить на основе анализа типичных картин, наблюдаемых как на экране, так и на снимках. [1,6,7].
Полное описание результатов ЭМ исследования складывается из качественного и количественного анализа наблюдаемых картин и их обсуждения. Качественная характеристика должна включать следующие сведения:
1) название наблюдаемой картины в целом и отдельных ее элементов (перечисляются все их типы, например, террасы, ступени, бугорки или ямки на поверхности, кристаллы, агрегаты частиц и т.д.),
2) характеристика их формы (например, игольчатые кристаллы, треугольные ямки, округлые плоские или объемные частицы),
3) описание взаимного расположения элементов (например, равномерно распределенные бугорки; лентообразные агрегаты, насчитывающие до сотни частиц, вытянутые в одном направлении овальные ямки). Далее указываютется ряд количественных характеристик: пределы размеров элементов, их средние размеры и размеры наиболее часто повторяющихся элементов, концентрация элементов разных типов (их число на единице площади поверхности). Отметим, что в случае ЭМ исследования порошков, дымов, суспензий и др. подобных мелкодисперсных объектов концентрация частиц зависит от условий нанесения микро- или наночастиц на пленку-подложку при препарировании и не отражает реальную концентрацию, определяемую числом частиц в объеме вещества.
В ряде случаев интерес представляют размеры частиц, занимающих наибольшую часть поверхности образца (иначе ‒ имеющих максимальную кроющую способность). Последняя характеристика интересна для исследования фотографических процессов. Перечисленные количественные характеристики при сопоставлении результатов исследования серии образцов удобно сводить в таблицы. Гистограммы или построенные на их основе кривые распределения элементов по размерам дают наиболее полную картину гранулометрического состава образцов.
При определении размеров частиц необходимо учитывать их форму. На практике во многих случаях форма частиц с достаточной степенью приближенности может быть принята сферической. Чем мельче частицы и меньше разрешение микроскопа, тем хуже различима сложная форма частиц и тем более округлыми они кажутся на снимках. В случае сферических частиц за их размер принимают диаметр. В случае частиц многоугольной формы их размер определяют как диаметр кругов, равновеликих по площади наблюдаемым проекциям частиц. В случае палочкообразных, игольчатых или других частиц удлиненной формы определяют длину и ширину проекций частиц. Нередко сложная неправильная форма частиц может быть обусловлена тем, что наблюдаются не индивидуальные зерна, а их агрегаты. В таких случаях индивидуальной считается частица при условии различимости более половины ее периметра. Если же отдельно различимы лишь небольшие части слипшихся зерен, то весь агрегат принимают за частицу с размером, равным размеру агрегата. Перечисленные правила лишний раз подтверждают необходимость хорошо диспергировать образцы при препарировании и сравнивать образцы, препараты которых приготовлены различными способами.
Для получения воспроизводимых и достоверных значений концентрации следует обсчитывать не менее нескольких сотен частиц, относя их затем к единице площади поверхности образца. Так, для достижения воспроизводимости 75‒80 % необходимо обсчитывать 600‒700 частиц (желательно на разных участках объекта исследования).
Построение гистограмм
При построении гистограмм все наблюдаемые частицы разделяются в зависимости от размеров по классам, определяется их число в каждом классе и полученные данные представляются графически в виде ступенчатой кривой. Высота каждой из ступенек отображает число частиц данного класса, а ширина есть мера выбранного интервала (величины) классов. Абсциссы концов каждой ступеньки показывают границы размеров элементов, принадлежащих данному классу (рисунок1, 2). Для построения гистограммы необходимо выполнить следующие действия:.
1. Выбрать обсчитываемый участок, являющийся типичным для образца и содержащий достаточное для обсчета количество частиц (несколько сотен).
2. Определить границы размеров частиц.
3. Определить величину классов и обозначить в таблице пределы размеров каждого из них (таблица). Величина класса должна быть строго постоянной для всей серии изучаемых образцов.
4. Внести в таблицу обсчитанное по снимкам число частиц, принадлежащих разным классам.
5. Построить ступенчатую кривую ‒ гистограмму и ее огибающую ‒ кривую распределения частиц по размерам.
На рис.1унке (а) представлена гистограмма, показывающая число частиц каждого класса на единице площади поверхности образца. Такой способ построения используется, когда концентрация на снимках имеет реальный физический смысл, определяется природой образца, а не манипуляциями исследователя при препарировании объекта. Физический смысл имеет, например, число зерен бромида серебра на единице поверхности фотослоя, число ямок травления при исследовании дефектной структуры монокристаллов, число частиц продукта фотолиза при определенных условиях экспонирования образца. Если же число частиц определяется не природой образца, а случайными факторами или методом препарирования (например, при изучении порошков, аэрозолей, суспензий), то используют относительный метод обсчета, рисунок (б.2). Такие гистограммы показывают частоту повторения частиц каждого класса (или их процентное содержание). При этом ординатой каждой из прямоугольных ступенек гистограммы является число частиц данного класса в расчете на 1000 (или на 100) обсчитанных частиц всех классов в сумме. При построении такой гистограммы выбирают участок любой величины, содержащий достаточно большое количество частиц. Ординату ступеньки (или частоту частиц, n′ ) каждого класса определяют по формуле:
n′ = 1000А / N, (1) 
где А ‒ число частиц данного класса на выбранном участке, а N ‒ их суммарное число. .
Площадь 
каждой ступени гистограммы показывает число (долю частиц) данного класса, а суммарная площадь, которую занимает гистограмма, свидетельствует о суммарной концентрации (доле) частиц всех классов. Все гистограммы строятся с той или иной степенью приближения к реальному распределению частиц по размерам. Точное распределение частиц во всем образце можно получить лишь при неограниченном уменьшении ширины интервала и таком же увеличении их числа. Уменьшение ширины интервалов (классов) увеличивает точность измерений, но лишь при условии достаточно большого числа обсчитываемых в каждом классе частиц, т. е. за счет увеличения трудоемкости работы исследователя.
При построении кривых следует помнить, что изменение величины класса приводит к изменению ординат кривой (или гистограммы). Например, на рисунке (а).1 пунктиром представлена кривая, получаемая при увеличении классов до 20 нм вместо прежних 10 нм. На вид кривой в области очень малых размеров частиц оказывает влияние также разрешение микроскопа. Например, на рисунке (б) крестиками обозначена кривая распределения частиц по размерам, полученная при анализе ЭМ снимков, выполненных на микроскопе с разрешением I нм вместо разрешения 2,5 нм, при котором построена кривая, обозначенная точками.
Среднеарифметический размер частиц можно определить, имея данные приведенной таблицы, I по формуле:
, (2)
где di ‒ средние размеры размеры частиц каждого из классов, ni ‒ число частиц, принадлежащих каждому из классов, N ‒ общее число частиц. Средние размеры частиц можно также определить математическим путем с помощью тех или иных функций, в частности, в предположении, что гистограмма описывается логарифмическим нормальным распределением.
Размеры наиболее часто повторяющихся частиц определяются по положению максимума на гистограмме в координатах n ‒ d. Размеры частиц с наибольшей кроющей способностью определяются по положению максимума на гистограмме, построенной, в координатах S ‒ d, где S ‒ площадь, которую занимают занимают суммарные проекции частиц каждого из классов. Такую гистограмму легко построить, пользуясь данными таблицы I и имея в приближении частицы определенной формы (например, в случае округлых частиц площадь частиц каждого класса определяется как 
; где d ‒ средний размер частиц данного класса, n ‒ их число).
Данные о размерах и концентрации (или доле) частиц разных классов
| № | Границы размеров класса, нм | Границы размеров класса, мм | Число частиц на обсчитанном участке площадью 2 мкм2 | Концентрация частиц, мкм-2 (n) | Доля частиц как функция их размеров (в расчете на 1000 частиц) (n′) |
| 0 ‒ 10 | 0 – 0.6 | ||||
| 10 ‒ 20 | 0,6 – 1,2 | ||||
| 20 ‒ 30 | 1,2 – 1,8 | ||||
| 30 ‒ 40 | 1,8 – 2,4 | ||||
| 40 ‒ 50 | 2,4 – 3,0 | ||||
| 50 ‒ 60 | 3,0 – 3,6 |
Гистограммы, показывающие распределение частиц по размерам: а ‒ концентрация частиц как функция их размеров, б – доля частиц как функция их размеров (в расчете на 1000 частиц).
Задание для работы
1. Составьте детальное качественное описание образца по предложенному ЭМ снимку.
2. Определите минимальные, максимальные, среднеарифметические размеры наблюдаемых элементов микрорельефа, размеры наиболее часто повторяющихся элементов, частиц с наибольшей кроющей способностью, концентрацию частиц.
3. Проведите полный гранулометрический анализ образца по снимку, построив гистограмму и кривую распределения частиц по размерам.