3.3. Просвечивающая электронная микроскопия.

Краткий конспект

Обычный просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ) во многом подобен

оптическому (световому) микроскопу, но только для освещения образцов в нем

используется не свет, а пучок электронов. В нем имеются источник электронов (аналог

источника света), ряд конденсорных линз, объективная линза и проекционная система,

которая соответствует окуляру, но проецирует действительное изображение на

люминесцентный экран или фотографическую пластинку. Схема ПЭМ представлена на

рис. 3.6. В верхней части ПЭМ располагается источник электронов (им обычно служит

нагреваемый катод из вольфрама). Катод электрически изолирован от остальной части

прибора, и электроны ускоряются сильным электрическим полем. Для создания такого

поля катод поддерживают под потенциалом порядка 100 кВ относительно других

электродов, фокусирующих электроны в узкий пучок. Эмиссия электронов

контролируется накалом нити W, ее обычная рабочая температура 2200ºС. Между

катодом и анодом ускоряющее напряжение до 100 кВ, анод находится под потенциалом

земли. Поскольку электроны сильно рассеиваются веществом, в колонне микроскопа, где

движутся электроны, должен быть вакуум порядка 10-6 Торр.

Электронное изображение формируется электрическими и магнитными полями

примерно так же, как световое – оптическими линзами (рис.3.6.) Пучок электронов,

источником которых служит накалённый катод, формируется в электронной пушке 1 ÷ 3 и

затем дважды фокусируется первым и вторым конденсорами (4), создающими на объекте

электронное «пятно» малых размеров (при регулировке диаметр пятна может меняться от

1 до 20 мкм). Обычно первая из конденсорных линз создает неувеличенное изображение

источника электронов, а вторая контролирует размер освещаемого участка на образце.

Образец (5) помещается в магнитном поле объективной линзы (7) с большой оптической

силой – самой важной линзы ПЭМ, которой определяется предельное возможное

разрешение прибора. После прохождения сквозь объект часть электронов рассеивается и

задерживается апертурной диафрагмой (6). Нерассеянные электроны проходят через

отверстие диафрагмы и фокусируются объективом в предметной плоскости проекционной

линзы (иногда используют несколько проекционных линз). Последняя проекционная

линза формирует изображение на люминесцентном экране, который светится под

воздействием электронов. Увеличение ПЭМ равно произведению увеличений всех линз

Таким образом, увеличение, которое можно получить в современных ПЭМ составляет от

103 до ~106. Исследуемый объект обычно помещают на очень мелкую сетку,

вкладываемую в специальный держатель.

Контраст в ПЭМ обусловлен рассеянием электронов при прохождении

электронного пучка через образец. Если образец достаточно тонок, то доля рассеянных

электронов невелика. При прохождении электронов через образец одни из них

рассеиваются из-за столкновений с ядрами атомов образца, другие – из-за столкновений с

электронами атомов, а третьи проходят, не претерпевая рассеяния. Степень рассеяния в

какой-либо области образца зависит от толщины образца в этой области, его плотности и

средней атомной массы (числа протонов) в данной точке. Электроны, выходящие из

диафрагмы с угловым отклонением, превышающим некоторый предел, уже не могут

вернуться в пучок, несущий изображение, а поэтому сильно рассеивающие участки

повышенной плотности, увеличенной толщины, места расположения тяжелых атомов

выглядят на изображении как темные зоны на светлом фоне. Такое изображение

называется светлопольным, поскольку на нем окружающее поле светлее объекта. Но

можно сделать так, чтобы электрическая отклоняющая система пропускала в диафрагму

объектива только те или иные из рассеянных электронов. Тогда образец выглядит светлым

на темном поле. Слабо рассеивающий объект часто бывает удобнее рассматривать в

режиме темного поля.

Окончательное увеличенное электронное изображение преобразуется в видимое

посредством люминесцентного экрана 9, который светится под действием электронной

бомбардировки. Это изображение, обычно слабоконтрастное, как правило, рассматривают

через бинокулярный световой микроскоп. При той же яркости такой микроскоп с

увеличением 10 может создавать на сетчатке глаза изображение, в 10 раз более крупное,

чем при наблюдении невооруженным глазом. В настоящее время для повышения яркости

слабого изображения все чаще применяется люминофорные экраны с электронно-

оптическим преобразователем. В этом случае окончательное изображение может быть

выведено на обычный телевизионный экран или монитор компьютера. Обработка

изображения с помощью компьютера позволяет повысить контрастность и четкость

изображения.

Как уже упоминалось, разрешающая способность ПЭМ определяется эффективной

длиной волны электронов. Длина волны зависит от скорости электронов, а следовательно,

от ускоряющего напряжения: чем больше ускоряющее напряжение, тем больше скорость

электронов и тем меньше длина волны, а значит, выше разрешение. Но поскольку

электронные линзы не так хорошо фокусируют, как оптические (числовая апертура

хорошей электронной линзы составляет всего лишь 0,09, тогда как для хорошего

оптического объектива эта величина достигает 0,95), разрешение ПЭМ равно 50÷100

длинам волн электронов. Даже со столь слабыми линзами в электронном микроскопе

можно получить предел разрешения в 0.15÷0.3 нм, что позволяет различать отдельные

атомы в кристаллах.

Добиться такого разрешения можно несколькими способами. Один из самых

очевидных – увеличение ускоряющего напряжения до 200 кВ. Такие ПЭМ предназначены

для исследования более толстых объектов (в 2÷3 раза толще), чем обычные ПЭМ. Их

разрешающая способность достигает 3÷5 Å. Эти приборы отличаются конструкцией

электронной пушки: в ней для обеспечения электрической прочности и стабильности

имеются два анода, на один из которых подаётся промежуточный потенциал,

составляющий половину ускоряющего напряжения. Еще больше повысить разрешающую

способность ПЭМ (до 0.13 нм) можно увеличив напряжение, ускоряющее электроны до

1÷3.5МВ (при этом высота сверхвысоковольтного ПЭМ составляет 5÷15 м). Такие ПЭМ

предназначены для исследования объектов толщиной до 1÷10 мкм. Так как энергия

электронов в сверхвысоковольтном ПЭМ больше, то длина их волны меньше, чем в

обычном ПЭМ. Это позволяет получать изображения с атомарным разрешением (правда

несколько искаженные за счет аберраций, характерными для линзы ПЭМ также как и

ОМ).

Особое место среди электронных микроскопов занимает растровый

просвечивающий электронный микроскоп (РПЭМ). Схема РПЭМ отличается от схемы

РЭМ, только тем, что в ней нет детекторов, расположенных выше образца. Поскольку

изображение формируется бегущим пучком (а не пучком, освещающим весь исследуемый

участок образца как в обычном ПЭМ), требуется высокоинтенсивный источник

электронов, чтобы изображение можно было зарегистрировать за приемлемое время. В

РПЭМ высокого разрешения используются автоэлектронные эмиттеры высокой яркости.

В таком источнике электронов создается очень сильное электрическое поле (~108 В/см)

вблизи поверхности заостренной травлением вольфрамовой проволочки очень малого

диаметра. В присутствии такого поля электроны легко покидают металл. Интенсивность

свечения (яркость) такого источника почти в 10 000 раз больше, чем источника с

нагреваемой вольфрамовой проволокой, а испускаемые им электроны могут быть

сфокусированы в пучок диаметром менее 1 нм (были даже получены пучки, диаметр

которых близок к 0.2 нм).

Исследования в РПЭМ проводятся на сверхтонких образцах. Электроны проходят

сквозь такие образцы почти без рассеяния. Электроны, рассеянные на углы более

нескольких градусов без замедления, регистрируются, попадая на кольцевой электрод,

расположенный под образцом. Сигнал, снимаемый с этого электрода, сильно зависит от

атомного номера атомов в той области, через которую проходят электроны, – более

тяжелые атомы рассеивают больше электронов в направлении детектора, чем легкие. Если

электронный пучок сфокусирован в точку диаметром менее 0.5 нм, то можно получить

изображение отдельных атомов. Электроны, не претерпевшие рассеяния в образце, а

также электроны, замедлившиеся в результате взаимодействия с образцом, проходят в

отверстие кольцевого детектора. Энергетический анализатор, расположенный под этим

детектором, позволяет отделить первые от вторых. Измеряя энергию, потерянную

электронами при рассеянии, можно получить важную информацию об образце. Потери

энергии, связанные с возбуждением рентгеновского излучения или выбиванием

вторичных электронов из образца, позволяют судить о химических свойствах вещества в

области, через которую проходит электронный пучок.

Пример изображений полученных с помощью просвечивающий электронных

микроскопов с атомарным разрешением приведен на рис.3.8.

Одной из особенностей электронной микроскопии является подготовка образцов

для измерений. На РЭМ могут исследоваться как шлифы, так и поверхности объектов без

предварительной подготовки. Изготовление шлифов к исследованию в РЭМ в общем

осуществляется так же как и для оптической микроскопии. Однако есть и некоторые

особенности. Большая глубина резкости изображения в РЭМ позволяет получать

дополнительную информацию, проводя глубокое травление шлифов. В то же время при

получении изображений в отраженных электронах шлифы травлению не подвергаются.

Размеры образцов для РЭМ определяются габаритами камеры микроскопа. Образцы

должны быть электропроводящими. Для обеспечения их хорошего электрического

контакта с предметным столиком и для фиксации образцов при наклоне стола используют

специальные токопроводящие клеи. При исследовании непроводящих ток материалов -

диэлектриков на их поверхность наносится напылением тонкая пленка

электропроводников - золото, графит и т.д. При работе с органическими материалами

нужно учитывать, что при длительном воздействии сфокусированного электронного

пучка с образцом возможно его термическое разрушение. Еще одной проблемой

электронной микроскопии (кроме нагрева образца) является радиационное повреждение

образцов потоком высокоэнергетичных электронов. Чтобы уменьшить радиационное

повреждение образца, необходимо использовать различные методы его подготовки:

окрашивание, заливку, замораживание. Кроме того, можно регистрировать изображение

при дозах электронов, в 100–1000 раз меньших, нежели по стандартной методике, а затем

улучшать его методами компьютерной обработки изображений.

Перед измерениями образцы должны быть тщательно очищены, чтобы не

образовывались газообразные продукты, затрудняющие получение требуемого вакуума

при откачке микроскопа и загрязняющие его колонну. Рекомендуется проводить очистку

образцов в различных растворителях с использованием ультразвука. При проведении

топографических исследований нельзя допускать окисления поверхностей излома.

Чтобы избежать неупругого рассеивания пучка, толщина образцов для ПЭМ и

РПЭМ не должна превышать 100 нм. Для получения таких тонких образцов используют

механические, химические и электрохимические методы утонения. На заключительном

этапе применяют ионное травление, когда атомы с поверхности удаляют пучком ионов

инертного газа. Чтобы избежать зарядки поверхности непроводящих материалов в ПЭМ

на образец наносят проводящее покрытие. Иногда морфологию поверхности изучают

путем создания реплики (отпечатка поверхности образца) []. ПЭМ применяется в

исследованиях материалов для изучения тонких кристаллов и границ между разными

материалами. Чтобы получить изображение границы раздела с большим разрешением

(режим cross-section), образец заливают пластмассой, делают срез образца,

перпендикулярный границе, а затем утоньшают его так, чтобы граница была видна на

заостренной кромке.

Рис.3.6. Схема просвечивающего электронного микроскопа. 1 – катод, 2- фокусирующий цилиндр, 3 анод, 4 - первая и вторая конденсорные линзы, 5 –образец, 6 – апертурная диафрагма 7-линза –объектив (объективная линза), 8 – проекционная линза, 9 катодолюминесентный экран.

Рис.3.7. Схема просвечивающего растрового электронного микроскопа (ПРЭМ)

1 – источник электронов; 2 – ускоряющая система; 3 – магнитная линза; 4 – отклоняющие катушки; 5 – образец; 7 – кольцевой детектор; 8 – анализатор энергии электронов

Рис.3.8. Просвечивающая электронная микроскопия сверхвысокого разрешения. а –нанокристаллы CdS треугольной формы, б – атомарная структура отдельного нанокристалла CdS, [NANOSCALE MATERIALS IN CHEMISTRY] в – атомарная структура поверхности наночастицы Au (в режиме регистрации поперечного сечения) [ Phys.Rev.Lett. 1984. v.52.p. 656]