Просвечивающая электронная микроскопия. Электронная микроскопия. Энергодисперсионный детектор рентгеновского излучения X-Max

Лабораторная работа №3

Электронная микроскопия

Цель работы: ознакомление с основами метода электронной просвечивающей и сканирующей (растровой) микроскопии; количественный анализ микроструктуры образцов по электронно-микроскопическим снимкам.

Материалы и оборудование: напылительная установка, электронный просвечивающий и сканирующий микроскоп, образцы неорганических веществ и материалов, электронно-микроскопические снимки.

Общие сведения

Электронно-микроскопическое исследование неорганических веществ и материалов применяется для изучения особенностей их структуры и фазового со­става. Современные просвечивающие электронные микроскопы высокого разрешения позволяют получать увеличение до 150000 раз, наблюдать распределение атомов в кристаллических решетках.

В электронном микроскопе используется электронный луч, длина волны кото­рого в 100 000 раз короче длин волн видимого света. Это обеспечивает возможность получения большего увеличения. Длина волны l (нм) электронного луча определяется из уравнения

где V- напряжение ускоряющего поля, В.

Если изображение формируется в результате прохождения электронного пучка через прозрачный для электронов образец, имеет место так называемая просвечивающая электронная микроскопия – ПЭМ. Резкое расширение возможностей обработки сигналов позволило развить целый комплекс методов, основанных на использовании принципов ПЭМ и объединенных под общим названием просвечивающей растровой электронной микроскопии – ПРЭМ: энергетический дисперсионный анализ рентгеновского излучения, спектроскопия вторичных электронов, анализ энергетических потерь проходящих электронов и др.

В результате взаимодействия пучка первичных электронов с поверхностью образца может возникнуть вторичная электронная или электромагнитная эмиссия (в рентгеновской или оптической области спектра). В этом случае для получения информации об исследуемых объектах используется сканирующая (растровая) электронная микроскопия – СЭМ (или РЭМ), позволяющая получать изображения объектов в результате регистрации потока вторичных электронов, а также рентгеноспектральный микроанализ, регистрирующий эмитируемый образцом рентгеновский сигнал, что позволяет проводить качественный и количественный фазовый анализ исследуемых объектов.

Основное различие принципов работы просвечивающего и растрового электронных микроскопом связано со способом сбора данных и формированием изображения. Как и в оптическом микроскопе, в просвечивающем электронном микроскопе информацию собирают непрерывно со всей изучаемой области, а увеличенное изображение фокусируют при помощи линз. Другими словами, информация со всех точек изображения собирается одновременно. В растровом электронном микроскопе информация собирается последовательнодля каждой точки по мере движения первичного пучка электронов. На это требуется время, необходимое для получения статистически значимого сигнала от каждой точки.

Просвечивающая электронная микроскопия.

Для проведения исследований методом ПЭМ используют просвечивающие электронные микроскопы, представляющие собой высоковакуумные высоковольтные устройства.

Как видно из рис. 1, изображение формируется в результате прохождения пучка электронов через анализируемый образец.

Рис.1 – Принципиальная схема просвечивающего электронного микроскопа

При этом используются быстрые электроны, для получения которых в современных моделях микроскопов применяют ускоряющее напряжение порядка 100–200 кВ.

В просвечивающем электронном микроскопе применяют два основных вида съемки: светлопольное изображение, отображающее морфологию исследуемого объекта и формируемое центральным пучком прошедших электронов и темнопольное изображение.

Для получения информации о структуре исследуемых образцов на уровне атомного разрешения используют просвечивающую электронную микроскопию высокого разрешения – ВРПЭМ (High Resolution Transmission Electron Microscopy – HRTEM). Данный метод получил широкое распространение только в последние 10–15 лет и является весьма эффективным для определения строения наночастиц.

На рис. 2 представлен снимок аналитического электронного микроскопа.

Источником электронов является нагретая вольфрамовая нить, создающая пучок электронов с плотностью тока до 5x10 4 А/м 2 . Кристаллы гексаборида лантана (LaB 6) позволяют повышать плотность тока до 10 6 А/м 2 .

Электроны испускаются электронной пушкой, установленной в верхней части колонны просвечивающего электронного микроскопа. Внутри колонны путем откачки воздуха поддерживается высокий вакуум. Испускаемые пушкой электроны ускоряются в трубке ускорителя и затем проходят через линзы осветителя, после чего попадают на образец.

После прохождения через образец электронов в объективной линзовой системе формируется изображение. Затем проекционная линза создает увеличенное изображение. Получающееся в итоге изображение, формируемое на флюоресцентном экране, можно наблюдать через окошко камеры наблюдения. Оно может быть записано на фотопленку в фоторегистрирующей камере, либо выведено на экран монитора компьютера.

Приготовление образцов для просвечивающей микроскопии. Для проведения исследований в просвечивающем электронном микроскопе необходимо иметь образцы толщиной не более 0,2 мкм, так как электроны легко поглощаются веществом. Это создает определенные трудности при приготовлении образцов. В этом случае прибегают к способам получения тонких пленок или ультратонких срезов: механической обработке, электрохимическому травлению, ионному травлению, напылению покрытия. Однако при использовании таких методов возможно нарушение первоначальной структуры материала.

Более реальным является метод реплик – косвенный метод исследования, заключающийся в получении отпечатка (реплики) с исследуемой поверхности, с высокой точностью воспроизводящего ее топографию. Схема приготовления реплики показана на рис. 3.

Реплику обычно получают методом напыления. Для этого используют опытный образец объемом не менее 1 см 3 . На свежий скол исследуемого образца наносят в вакууме при испарении углерод, который образует удерживающий слой в виде тонкой сплошной пленки. Угольная пленка не дает собственной структуры. Затем для по­вышения контрастности углеродную пленку оттеняют, напыляя под острым углом к поверхности слой тяжелого металла (платина, хром).

Косое напыление тяжелого металла под углом 20–45° обеспечивает более интенсивное оседание его на соответствующих сторонах выступов и менее интенсивное на впадинах и противоположных сторонах выступов.

Неодинаковая толщина такой пленки металла вызывает разное поглощение проходящих электронов, что влияет на яркость изображения и создает контраст.

Полученную пленку отделяют от образца с помощью 10%-ного раствора желатина. При сушке желатин образует прозрачную пленку, которая отделяется от образца вместе с репликой. Затем пленку помещают в воду. При растворении желатина на поверхности воды остается угольно-платиновая пленка–реплика, которую помещают на несущую сеточку и переносят в объектодержатель электронного микроскопа.

Для более четкого выявления структуры материала свежий скол предварительно (до нанесения реплики) подвергают травлению химическими реагентами. Из-за разной скорости растворения различных компонентов структуры формируется рельеф поверхности образцов. После травления скол тщательно промывают и высушивают. Метод реплик дает удовлетворительные результаты при величине структурных элементов не менее 10 нм. Рассматривая изображение поверхности образца на электронном микроскопе, выбирают наиболее характерные участки структуры.

Основная трудность при использовании ПЭМ состоит в изготовлении образцов. Толщина образца должна составлять не более микрона. Обычно такие образцы изготавливаются с помощью фотолитографии и химического травления. Используют также струйное и ионное травление. Варианты конфигураций образцов для ПЭМ представлены на рис.6.

Часто при определении морфологии БИС используют специальные тестовые кристаллы, содержащие компоненты, предназначенные для исследования в ПЭМ. Пример электронно-микроскопического изображения тестового кристалла приведен на рис.7.

Между поликремниевыми слоями в слое тонкого окисла образовались "усы", которые способны вызвать уменьшение напряжения пробоя окисла и привести к отказу схемы. Обнаружить подобные "слабые" места схемы другим методом крайне трудно.

Для исследования рельефа поверхности массивных образцов изготавливают реплики (отпечатки) с поверхности с помощью нанесения специальных пластиков (или графита). Затем реплики отделяют от образца и наносят тонкий слой металла для усиления контраста. При изучении поверхности с помощью реплик разрешение составляет (5 - 10) нм, объект при этом не подвергается разрушению.

Энергия первичных электронов в методе ПЭМ равна (0,6 - 3,5)·10 5 эВ. При исследовании тонких пленок методом ПЭМ при ускоряющем напряжении (1 - 2)·10 5 В толщина пленки должна быть не более (0,2 - 0,3) мкм, при увеличении напряжения до 10 6 В можно изучать образцы до (1 - 3) мкм.

Разрешение ПЭМ ограничено сферической аберрацией и составляет (0,1 – 1.0) нм. В режиме наблюдения изображения увеличение микроскопа достигает значений (2 - 5)·10 5 .

Основные характеристики ПЭМ

Растровая электронная микроскопия

Растровая электронная микроскопия (РЭМ) предназначена для изучения топографии поверхности, определения состава, обнаружения дефектов кристаллической решетки. Метод незаменим при исследовании причин отказов ИС, определении электрического потенциала на поверхности.

На рис.8 представлена схема растрового электронного микроскопа. Источником электронов является электронная пушка с термокатодом, нить накала которого изготавливается из вольфрама или LaB 6 . Электроны ускоряются электрическим полем до энергий E 0 = (0,2 - 4)·10 4 эВ, то есть меньших, чем в ПЭМ. Формирование электронного пучка и управление им осуществляется с помощью магнитных линз и отклоняющих катушек, которые позволяют получить луч малого диаметра (2 - 10 нм) и развернуть его в растр на поверхности образца.

РЭМ с термокатодом предназначены для исследования массивных объектов с разрешением от 70 до 200 A°. Ускоряющее напряжение в РЭМ можно регулировать в пределах от 1 кВ до 30 – 50 кВ.

Устройство такого РЭМ показано на рис.9. При помощи 2 или 3 магнитных электронных линз (ЭЛ) на поверхность образца фокусируется узкий электронный зонд. Магнитные отклоняющие катушки развёртывают зонд по заданной площади на объекте. При взаимодействии электронов зонда с объектом возникает несколько видов излучений (рис.10) – вторичные и отражённые электроны; электроны, прошедшие сквозь объект (если он тонкий); рентгеновское тормозное излучение и характеристическое излучение; световое излучение и т. д.

Любое из этих излучений может регистрироваться соответствующим коллектором, содержащим датчик, преобразующий излучение в электрические сигналы, которые после усиления подаются на электроннолучевую трубку (ЭЛТ) и модулируют её пучок. Развёртка пучка ЭЛТ производится синхронно с развёрткой электронного зонда в РЭМ, и на экране ЭЛТ наблюдается увеличенное изображение объекта. Увеличение равно отношению высоты кадра на экране ЭЛТ к ширине сканируемой поверхности объекта. Фотографируют изображение непосредственно с экрана ЭЛТ. Основным достоинством РЭМ является высокая информативность прибора, обусловленная возможностью наблюдать изображение, используя сигналы различных датчиков. С помощью РЭМ можно исследовать микрорельеф, распределение химического состава по объекту, р-n-переходы, производить рентгеноструктурный анализ и многое другое. Образец обычно исследуется без предварительной подготовки. РЭМ находит применение и в технологических процессах (контроль дефектов микросхем и пр.).

Рис.9. Блок-схема РЭМ

1 – изолятор электронной пушки;

2 – накаливаемый V-образный катод;

3 – фокусирующий электрод;

5 – блок двух конденсорных линз;

6 – диафрагма;

7 – двухъярусная отклоняющая система;

8 – объектив;

9 – диафрагма;

10 – объект;

11 – детектор вторичных электронов;

12 – кристаллический спектрометр;

13 – пропорциональный счётчик;

14 – предварительный усилитель;

15 – блок усиления:

16, 17 – аппаратура для регистрации рентгеновского излучения;

18 – блок усиления;

19 – блок регулировки увеличения;

20, 21 – блоки горизонтальной и вертикальной развёрток;

22, 23 – электроннолучевые трубки.

Высокая для РЭМ PC реализуется при формировании изображения с использованием вторичных электронов. Она определяется диаметром зоны, из которой эти электроны эмиттируются. Размер зоны в свою очередь зависит от диаметра зонда, свойств объекта, скорости электронов первичного пучка и т. д. При большой глубине проникновения первичных электронов вторичные процессы, развивающиеся во всех направлениях, увеличивают диаметр зоны и PC падает. Детектор вторичных электронов состоит из ФЭУ и электронно-фотонного преобразователя, основным элементом которого является сцинтиллятор с двумя электродами – вытягивающим в виде сетки, находящейся под положительным потенциалом (до нескольких сотен вольт), и ускоряющим; последний сообщает захваченным вторичным электронам энергию, необходимую для возбуждения сцинтиллятора. К ускоряющему электроду приложено напряжение около 10 кВ; обычно он представляет собой алюминиевое покрытие на поверхности сцинтиллятора. Число вспышек сцинтиллятора пропорционально числу вторичных электронов, выбитых в данной точке объекта. После усиления в ФЭУ и в видеоусилителе сигнал модулирует пучок ЭЛТ. Величина сигнала зависит от топографии образца, наличия локальных электрических и магнитных микрополей, величины коэффициента вторичной электронной эмиссии, который в свою очередь зависит от химического состава образца в данной точке. Отражённые электроны регистрируются полупроводниковым (кремниевым) детектором. Контраст изображения обусловлен зависимостью коэффициента отражения от угла падения первичного пучка и атомного номера вещества. Разрешение изображения, получаемого «в отражённых электронах», ниже, чем получаемого с помощью вторичных электронов (иногда на порядок величины). Из-за прямолинейности полёта электронов к коллектору информация об отдельных участках, от которых нет прямого пути к коллектору, теряется (возникают тени).

Характеристическое рентгеновское излучение выделяется или рентгеновским кристаллическим спектрометром или энергодисперсным датчиком – полупроводниковым детектором (обычно из чистого кремния, легированного литием). В первом случае рентгеновские кванты после отражения кристаллом спектрометра регистрируются газовым пропорциональным счётчиком, а во втором – сигнал, снимаемый с полупроводникового детектора, усиливается малошумящим усилителем (который для снижения шума охлаждается жидким азотом) и последующей системой усиления. Сигнал от кристаллического спектрометра модулирует пучок ЭЛТ, и на экране возникает картина распределения того или иного химического элемента по поверхности объекта. На РЭМ производят также РМА. Энергодисперсный детектор регистрирует все элементы от Na до U при высокой чувствительности. Кристаллический спектрометр с помощью набора кристаллов с различными межплоскостными расстояниями перекрывает диапазон от Be до U. Существенный недостаток РЭМ –большая длительность процесса «снятия» информации при исследовании объектов. Сравнительно высокую PC можно получить, используя электронный зонд достаточно малого диаметра. Но при этом уменьшается сила тока зонда, вследствие чего резко возрастает влияние дробового эффекта, снижающего отношение полезного сигнала к шуму. Чтобы отношение «сигнал/шум» не падало ниже заданного уровня, необходимо замедлить скорость сканирования для накопления в каждой точке объекта достаточно большого числа первичных электронов (и соответствующего количества вторичных). В результате высокая PC реализуется лишь при малых скоростях развёртки. Иногда один кадр формируется в течение 10 – 15 мин.

РЭМ с автоэмиссионной пушкой обладают высокой для РЭМ PC (до 30 Å). В автоэмиссионной пушке (как и в электронном проекторе) используется катод в форме острия, у вершины которого возникает сильное электрическое поле, вырывающее электроны из катода. Электронная яркость пушки с автоэмиссионным катодом в 10 3 – 10 4 раз выше, чем пушки с накалённым катодом. Соответственно увеличивается ток электронного зонда. Поэтому в РЭМ с автоэмиссионной пушкой осуществляют быстрые развёртки, а диаметр зонда уменьшают для повышения PC. Однако автоэмиссионный катод работает устойчиво лишь при сверхвысоком вакууме (1·10 -9 – 1·10 -11 мм рт. ст.), и это усложняет конструкцию таких РЭМ и работу на них.

Просвечивающие растровые электронные микроскопы (ПРЭМ) обладают столь же высокой PC, как и ПЭМ. В этих приборах применяются автоэмиссионные пушки, обеспечивающие достаточно большой ток в зонде диаметром до 2 – 3 Å. На рис.11 приведено схематическое изображение ПРЭМ. Две магнитные линзы уменьшают диаметр зонда. Ниже объекта расположены детекторы - центральный и кольцевой. На первый попадают не рассеянные электроны, и после преобразования и усиления соответствующих сигналов на экране ЭЛТ появляется так называемые светлопольное изображение. На кольцевом детекторе собираются рассеянные электроны, создающие так называемое темнопольное изображение. В ПРЭМ можно исследовать более толстые объекты, чем в ПЭМ, так как возрастание числа не упруго рассеянных электронов с толщиной не влияет на разрешение (после объекта оптика в ПРЭМ отсутствует). С помощью анализатора энергии электроны, прошедшие сквозь объект, разделяются на упруго и не упруго рассеянные пучки. Каждый пучок попадает на свой детектор, и на ЭЛТ наблюдается соответствующее изображение, содержащее дополнительную информацию о рассеивающих свойствах объекта. Высокое разрешение в ПРЭМ достигается при медленных развёртках, т. к. в зонде диаметром всего 2 – 3 Å ток получается слишком малым.

Рис.11. Принципиальная схема просвечивающего растрового электронного микроскопа (ПРЭМ).

1 – автоэмиссионный катод;

2 – промежуточный анод;

4 – отклоняющая система для юстировки пучка;

5 – диафрагма «осветителя»;

6, 8 – отклоняющие системы для развертки электронного зонда;

7 – магнитная длиннофокусная линза;

9 – апертурная диафрагма;

10 – магнитный объектив;

11 – объект;

12, 14 – отклоняющие системы;

13 – кольцевой коллектор рассеянных электронов;

15 – коллектор не рассеянных электронов (убирается при работе со спектрометром);

16 – магнитный спектрометр, в котором электронные пучки поворачиваются магнитным полем на 90°;

17 – отклоняющая система для отбора электронов с различными потерями энергии;

18 – щель спектрометра;

19 – коллектор ВЭ – вторичных электронов;

h – рентгеновское излучение.

Электронные микроскопы смешанного типа. Сочетание в одном приборепринципов формирования изображения с неподвижным пучком (как в ПЭМ) и сканирования тонкого зонда по объекту позволило реализовать в таком электронном микроскопе преимущества ПЭМ, РЭМ и ПРЭМ. В настоящее время во всех ПЭМ предусмотрена возможность наблюдения объектов в растровом режиме (с помощью конденсорных линз и объектива, создающих уменьшенное изображение источника электронов, которое сканируется по объекту отклоняющими системами). Кроме изображения, сформированного неподвижным пучком, получают растровые изображения на экранах ЭЛТ с использованием прошедших и вторичных электронов, характеристические рентгеновские спектры и т. д. Оптическая система такого ПЭМ, расположенная после объекта, даёт возможность работать в режимах, неосуществимых в других приборах. Например, можно одновременно наблюдать электронограмму на экране ЭЛТ и изображение того же объекта на экране прибора.

Эмиссионные электронные микроскопы создают изображение объекта в электронах, которые эмиттирует сам объект при нагревании, бомбардировке первичным пучком электронов, освещении и при наложении сильного электрического поля, вырывающего электроны из объекта. Эти приборы обычно имеют узкое целевое назначение.

Зеркальные электронные микроскопы служат главным образом для визуализации электростатического «потенциального рельефа» и магнитных микрополей на поверхности объекта. Основным оптическим элементом прибора является электронное зеркало, причём одним из электродов служит сам объект, который находится под небольшим отрицательным потенциалом относительно катода пушки. Электронный пучок направляется в зеркало и отражается полем в непосредственной близости от поверхности объекта. Зеркало формирует на экране изображение «в отражённых пучках». Микрополя возле поверхности объекта перераспределяют электроны отражённых пучков, создавая контраст на изображении, визуализирующий эти микрополя.

П

Рис.12. Контуры областей проникновения первичных электронов вблизи поверхности образца в зависимости от их энергии E 0

Глубина проникновения R зависит от энергии электронов E 0 и плотности вещества ρ. Эксперименты показали, что произведение R ρ практически постоянно, и зависимость от энергии E 0 описывается следующей эмпирической формулой

, (2)

где А - атомный вес; Z - атомный номер. Для Si значения R меняются в пределах (0,02 - 10) мкм при изменении E 0 от 1 до 100 кэВ.

Вторичные электроны делятся на две группы. Электроны, испытавшие упругие соударения с ядрами, имеют энергию, близкую энергии электронов в первичном пучке E 0 . Это отраженные электроны. Доля отраженных электронов невелика, она составляет примерно (1 - 2)% от количества вторичных и возрастает с увеличением атомного номера Z .

Неупругие столкновения с атомами вызывают ионизацию атомов и образование истинно вторичных электронов с энергией, меньшей 50 эВ, и максимумом распределения вблизи 5 эВ (рис.13).

Спад выхода вторичных электронов в области больших энергий E 0 обусловлен ростом глубины проникновения R с увеличением энергии. Доля вторичных электронов, рожденных в объеме образца и способных выйти на поверхность, при этом уменьшается. Металлы и полупроводники имеют коэффициенты вторичной эмиссии порядка единицы, для диэлектриков это величины в диапазоне (1,5 - 23). У металлов средняя длина свободного пробега вторичных электронов ~ 1 нм и максимальная глубина выхода ~ 5 нм, у диэлектриков - 5 и 50 нм соответственно, что объясняется взаимодействием вторичных электронов со свободными носителями в металлах. Потери энергии в диэлектриках обусловлены лишь рассеянием на фононах. Вторичные электроны могут возникать и за счет отраженных электронов, их доля составляет (20 - 70)% от общего числа вторичных электронов. Количество вторичных электронов существенно зависит от работы выхода из материала, влияние величины Z выражено в меньшей степени, чем для отраженных электронов. Так, выход вторичных электронов из SiO 2 больше, чем из Si (внутренняя работа выхода для SiO 2 - 0,9 эВ, а для Si - 4,15 эВ).

Изображение на экране микроскопа формируется за счет вторичных и отраженных электронов. Сигнал поступает на детектор и после усиления - на электронно-лучевую трубку (ЭЛТ). Развертка луча в ЭЛТ синхронизирована с разверткой первичного электронного луча РЭМ. Интенсивность электронного пучка в ЭЛТ модулируется сигналом, поступающим с образца. Поэтому изображение поверхности зависит от интенсивности отраженного электронного луча. Развертка луча электронов позволяет наблюдать на экране ЭЛТ определенную площадь образца.

Контраст определяется химическим составом образца и морфологией поверхности. При увеличении атомного номера элемента увеличивается коэффициент отражения электронов, поэтому области, содержащие элементы с большим Z , дают больший сигнал. Так, выход отраженных электронов для Au в 10 раз выше, чем для углерода. Контраст изображения вкраплений Al в Si составляет около 7%, т.е. такие включения вполне различимы. Области металлизации, окисла и Si легко различимы и на изображениях, сформированных вторичными электронами.

Для исследований на РЭМ используют вторичные электроны разных энергий (медленные и быстрые отраженные). Получаемые при этом изображения несут различную информацию и различаются по контрасту и разрешению. Механизм формирования контраста во вторичных и отраженных электронах, обусловленного морфологией поверхности, поясняет рис.14.

Для обеспечения необходимого контраста изображения К ток должен быть не меньше, чем

,

где ε - эффективность детектирования сигнала; t f - время сканирования пучком исследуемого участка. При низком контрасте изображения приходится использовать пучок большего диаметра, чтобы обеспечить ток I min .

Пространственное разрешение изображения зависит от состава, ориентации поверхности, размеров участка поверхности и характеристик самого РЭМ. Диаметр пучка можно уменьшить уменьшением тока пучка и повышением его энергии. Диаметр электронного пучка при энергии 10 – 30 кэВ и токе I =1·10 –11 А составляет (4 – 13) нм.

Главное ограничение на пространственное разрешение связано с необходимостью обеспечить достаточный ток электронного пучка. Пространственное разрешение РЭМ меньше 10 нм, а глубина резкости (2 – 4) мкм при увеличении x 10 4 и (0.2 – 0.4) мм при увеличении x 10 2 .

Линейное разрешение изображений, формируемых вторичными электронами, равно сумме диаметров первичного электронного пучка и области размытия в плоскости на глубине, равной длине свободного пробега электронов. Вторичные электроны могут быть возбуждены и отраженными электронами, что ухудшает разрешение.

Просвечивающая электронная микроскопия является чрезвычайно тонким и в то же время необходимым методом надежной оценки структуры, позволяющим прогнозировать свойства материалов. Освоение современным научным и технических сообществом наноразмерных объектов еще в большей степени обозначило важность применения электронной микроскопии, в частности, просвечивающей и растровой.

Просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ) имеет много сходных черт со световым микроскопом и является типичным прибором составляющие части которого (источник электронов, диафрагмы (или щели), система управления пучком и юстировки, вакуумная система и т.д.) входят в состав подобных приборов.

В качестве источника электронов используется катод электронной пушки в виде нити V-образной формы (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Схема просвечивающего электронного микроскопа. а) режим дифракции; б) режим изображения.

Материалом катода чаще всего является вольфрам. Электроны ускоряются высоким напряжением в электрическом поле электронной пушки. Для исследования металлических материалов наиболее широко применяются микроскопы с рабочим напряжением до 200 кВ. Решающее значение приобретает стабильность напряжения, от чего зависит монохроматичность изучения и, как следствие, наличие хроматической аберрации.

Для юстировки микроскопа большое значение имеет отклоняющая система, с помощью которой производится совмещение ЭП с оптической осью прибора. Наклон и смещение ЭП осуществляется магнитным полем, создаваемым электромагнитными катушками.

Образец, на который направляется ЭП, может представлять собой, например, нанопорошок закрепленный в прозрачной для электронов матрице или нанопленку, нанесенную на прозрачную для электронов основу.

Как уже отмечалось, при взаимодействии с кристаллом проявляется волновая природа электрона и происходит дифракция электронных волн на кристаллической решетке. В результате вылетевшие из нижней поверхности образца электроны будут формировать не только один проходящий не отклоненный ЭП, но и дифрагированные ЭП, отклоненные в соответствии с условием В-Б. Если ПЭМ используется в режиме дифракции, то все пучки проходят объективную линзу, в задней фокальной плоскости которой возникает дифракционная картина.

Следующий этап состоит в увеличении размеров картины проекционными линзами и в фокусировании на люминесцентный экран (рис. 2.6, а).

Если ЭМ используется в режиме изображения (см. рис. 2.6, б), то ниже объективной линзы вводится апертурная диафрагма (диаметром 0.5-20 мкм}, или пропускающая только неотклоненный ЭП в случае светлопольного изображения, или один из дифрагированных- для темнопольного изображения. Для получения высококачественных изображений требуется тщательная юстировка микроскопа.

Увеличение ЭМ составляет сотни тысяч, но это может оказаться бесполезным, если в силу каких-либо причин (плохая юстировка, аберрации, механическая и электрическая нестабильности и т. д.) низка разрешающая способность прибора.

Линзы современных ЭМ представляют собой электромагниты (рис. 2.7), в которые для более эффектного использования магнитного поля вставлены сердечники из магнитомягкого материала с полюсами. Фокусное расстояние в линзах изменяется при изменении тока.

Рис. 2.7. Характерная конструкция электронной линзы

Существенную роль для получения высококачественного изображения играют диафрагмы, изготавливаемые из тугоплавких материалов, например, тантала. Световая или конденсорная диафрагма образует тонкий пучок параллельных электронов, апертурная или объектная служит для выделения отдельных пучков, формирующих изображение, и, наконец, селекторная диафрагма необходима для выделения участков на образце, дифракция от которых интересует исследователя.

В колонне и пушке ПЭМ поддерживается высокий вакуум, кроме этого обеспечивается высокая механическая стабильность прибора и его защита от различных полей. Для создания необходимых дифракционных условий существует проблема точного и плавного наклонения и вращения образца, решаемая специальным механическим устройством - гониометром.

К достоинствам ПЭМ относятся:

Высокая разрешающая способность, возможная из-за очень малой длины волн электронов, ускоренных высоким напряжением. С помощью ПЭМ можно различать точки, отстоящие друг от друга на расстоянии долей нанометра.

Возможность анализа физической природы и количественных оценок дефектов кристаллов и других структурных элементов в силу дифракционной природы контраста на электронно-микроскопических изображениях;

Уникальная возможность исследовать одновременно изображение (морфологию) и кристаллографические характеристики структуры;

Высокая интенсивность электронного излучения, прошедшего через образец, позволяющая достаточно хорошо наблюдать и быстро регистрировать полученные изображения;

Большая глубина резкости, т. е. возможность одновременного изображения элементов структуры, находящейся в o6paзце на различной глубине. Это достоинство позволяет также широко использовать электронную микроскопию для исследования шероховатых поверхностей на отражение и с помощью реплик (слепков) на просвет.

Вся информация об объекте, освещаемом ЭП, заложена в тех изменениях, которые претерпевает ЭП при взаимодействии с веществом. Малая, даже по сравнению с межатомным расстоянием, длина волны электрона (10 -3 нм) дает основание считать, что в ЭП, рассеянном на кристалле, содержится информация о:

Расположении атомов в решетке,

Принадлежности атомов тому или иному элементу,

Несовершенствах кристаллического строения на атомном и более грубом уровнях,

Имеющиеся измерительные возможности позволяют, как правило, воспользоваться только частью этой информации, и для расшифровки изображения необходимо иметь представление о принципах его построения и о том, какая часть информации теряется.

Всякий просвечиваемый объект, тем более кристаллический, можно представить в виде периодической решетки, на которую падает параллельный когерентный пучок излучения (рис. 2.8). Для получения максимальной информации об объекте необходимо все прошедшее через него излучение без потерь предъявить наблюдателю.

Рис. 2.8. Условная схема возникновения изображения периодической решетки

Для этого используется объективная линза, располагаемая под объектом. Объектив собирает в своей задней фокальной плоскости все параллельные лучи, вышедшие из разных точек объекта, т.е. лучи, дифрагированные под одинаковыми углами. Полученные дифракционные максимумы образуют дифракционную картину, называемую первичным изображением объекта (по Аббе). Ниже фокальной плоскости лучи расходятся, и в другой плоскости - плоскости изображения сходятся уже лучи, выпущенные из одних и тех же точек объекта. Эти лучи интерферируют, образуя вторичное (действительное) изображение объекта. Чем больше дифрагированных пучков проходит объективную линзу (без искажений), тем больше соответствие изображения объекту. Для использования двух пучков, прямого и ближайшего дифрагированного удалось увидеть изображение периодических полос, соответствующих расположению атомных плоскостей решетки; использование большого количества ЭП позволило наблюдать систему пятен, соответствующих расположению атомов. Таким обрезом, чем больше ЭП участвует в изображении, тем больше деталей структуры можно выявить. Однако для привлечения многих ЭП (создания многолучевого изображения) необходимо выполнить следующие условия:

Дифрагированные пучки должны пройти сквозь отверстие малой апертурной диафрагмы. Размер диафрагмы должен быть малым в силу большой сферической аберрации магнитных линз, из-за чего участие в формировании изображения периферийных зон объективной линзы приведет к понижению разрешающей способности. Это может свести на нет преимущества многопучкового изображения и сделать невозможным рассмотрение отдельных атомных плоскостей, отстоящих на расстояния порядка долей нанометра. Поэтому для использования многих дифрагированных пучков необходимо уменьшать углы дифракции ЭП, что удается с помощью высоковольтной электронной микроскопии (U> 500 кВ);

Разрешение, которое требуется для наблюдения отдельных плоскостей или атомов, выполнимо только при высокой электрической и механической стабильности узлов прибора и требует больших усилий по выявлению и регистрации изображения.

Однако следует напомнить, что для формирования электронно-микроскопического изображения чаще всего используется только один пучок, легко выделяемый апертурной диафрагмой. При этом, естественно, не наблюдается структура кристаллической решетки, но, тем не менее, есть возможность получить информацию о более крупных структурных элементах, изменяющих условия отражения и организующих контраст (отличие деталей изображения от фона).

В приведенной модели периодической решетки эти структурные элементы можно представить как большие, по сравнению с размером атома, искажения.

Рис. 2.9. Схема формирования изображения от идеального кристалла в проходящем пучке

При наблюдении электронно-микроскопического изображения идеального кристалла нанообъекта в светлом поле (рис. 2.9) в проходящем (нулевом) ЭП можно увидеть в основном следующее:

а) поле зрения на экране в пределах кристалла светлое, это свидетельствует о том, то кристалл прозрачен для электронов;

б) поле зрения темное - кристалл для электронов непрозрачен.

То обстоятельство, что один и тот же кристалл может быть прозрачен или непрозрачен, легко объясняется условием В-Б, но при этом даже когда идеальный кристалл прозрачен, внутри кристалла не видно никаких особенностей, т.е. отсутствует контраст. Единственное, что можно заметить в данном случае, - это границы кристалла, а значит, определить только его форму и размеры.

Контраст на электронно-микроскопическом изображении в проходящем ЭП появляется в случае локального изменения дифракционных условий в кристаллической решетке и называется дифракционным контрастом. Толкование электронно-микроскопических изображений основывается на объяснении происхождения дифракционного контраста. Источником локальных изменений условий дифракции являются различные несовершенства кристаллической решетки. Остановимся на некоторых из них.

Дислокации. Присутствие дислокаций приводит к местному изгибу плоскостей решетки (матрицы) вдоль линии дислокации (рис. 2.10).

Рис. 2.10. Образование контраста от краевой дислокации а) в светлом поле б) в темном поле

При этом изогнутые участки можно поставить в отражающее положение, тогда как вся матрица будет прозрачна для прямо проходящих электронов. Это выразится в появлении на экране темной полосы, соответствующей положению проекции линии дислокации в кристалле на плоскость экрана. Дифрагированный пучок отсекается апертурной диафрагмой, причем если диафрагмой выделить именно дифрагированный пучок, а отсечь проходящий, то в поле зрения будет светлая линия дислокации на темном поле кристалла, т.е. формируется темнопольное изображение элементов структуры. Разрешение в темнопольном изображении может быть лучше, чем в светлопольном. Так как локальное изменение условий дифракции возможно при отражении ЭП только от изогнутых участков плоскостей, то, если электроны вблизи дислокации падают на решетку таким образом, что в отражающем положении находятся неискаженные плоскости, контраста на изображении не возникает и дислокация может оказаться невидимой. Отсюда вытекает правило невидимости дислокаций:

g·b = 0

где g - вектор отражения дифрагированного ЭП; b – вектор Бюргерса, показывающий направление искажения решетки, которое для краевой дислокации имеет вид

g·b x U = 0

где U вектор касательной к линии дислокации. В данной случае учитывается возникновение контраста при отрешении от плоскости скольжения, которая будет несколько изогнута дислокацией.

2. Плавные и дискретные изгибы участков кристалла, вызывающие разориентацию кристаллической решетки (рис. 2.11).

Рис. 2.11. Образование дифракционного контраста от плавно изогнутого кристалла (без учета действия объективной линзы).

При этом на экране появятся темные и светлые полосы, если изгиб плавный, то при наклоне объекта полосы будут плавно перемещаться, В случае дискретного изгиба будет наблюдаться неподвижная граница между разориентированными участками, при этом условия дифракции, а значит и контраста, будут меняться более или менее резко (дискретно).

3. Выделения и предвыделения вторичных фаз. При зарождении вторичной фазы, как правило, происходит; упругое искажение матрицы, что изменяет местные условия дифракции (рис. 2.12).

Рис. 2.12. Схема образования изображения от образца с включением; а) светлое поле, б) темное поле

Возникающие границы раздела и иные чем в матрице межплоскостные расстояния в новой фазе делают ее контрастной.

4. Вакансионные и примесные скопления. При достаточно большом скоплении вакансий или примесных атомов матрица искажается на достаточно большом протяжении, что делает заметным это скопление на изображении. Скопление вакансий может образовывать вакансионный диск. Если диаметр диска достигает достаточно большого размера, то диск "схлопывается". "Схлопывание" вакансионного диска приводит к образованию дислокационной петли, наблюдаемой в электронном микроскопе.

Другие вида контраста в рамках первичного знакомства сложны для восприятия без привлечения теории и поэтому здесь не рассматриваются.

Разрешающая способность ПЭМ как минимальное расстояние между двумя точками объекта, которое еще можно различить на изображении, зависит от следующих основных факторов:

Длины волны электронов;

Величины сферической аберрации;

Величины хроматической аберрации;

Астигматизма,

Механической стабильности и состояния прибора (вакуум, чистота и т.д.).

Малая длина волны электронов, ускоренных высоким напряжением, является, как известно, основным условием уникальной разрешающей способности электронного микроскопа, так как чем меньше длина волны, тем меньше элементы структуры объекта, на которых может происходить дифракция волн, т.е. тем ниже оптическая однородность среды для волн данной длины.

Длина волны электрона l определяется, исходя из известных соотношений:

U·e = 1/2m·v 2

где e - заряд электрона; m . - масса движущегося электрона; U - ускоряющее напряжение; v - скорость электрона.

С другой стороны, по формуле Де-Бройля.

h = m·v ·l

Отсюда можно получить

l =h/(2m·U·e ) -2

Подставляя численные значения, получим простое выражение:

l =1,226/(U) -2 (нм)

Величина сферической аберрации оптической системы определяется сферической аберрацией объективной линзы. Неизбежная неоднородность радиальной составляющей магнитном поля в линзе (рис. 2.7) (на периферии напряженность больше, чем у оси). Это приводит к неравенству фокусных расстояний линзы для приосевых и периферийных электронов (рис. 2.13).

Рис. 2.13. Схема сферической аберрации

Поэтому для построения изображения используются, как правило, только приосевые электроны, остальные отсекаются апертурной диафрагмой. Однако величину диафрагмы нельзя сделать сколь угодно малой, так как при уменьшении отверстия диафрагмы уменьшается доля информации, которая переносится ЭП на экран. В частности, если пройдет только один неотклоненный или только дифрагированный пучок, то пропадет информация о самых малых объектах, которые может различить микроскоп - атомах. Таким образом, с одной стороны, разрешение ограничено самим прибором и нужно уменьшать отверстие апертурной диафрагмы, с другой стороны, разрешение ограничено необходимостью для различения самых малых объектов пропустит через диафрагму не менее двух пучков. Значит, для демонстрации предельного разрешения существует оптимальный размер диафрагмы. Здесь следует отметить, что ПЭМ часто используется именно для получения изображения только в одном пучке, когда контраст создается расчет удаления части интенсивности электронных волн в местах, где несовершенства структуры объекта меняют дифракционные условия. Такой контраст называется амплитудным. При этом не требуется, как правило, наивысшей разрешающей способности.

Может иметь значение также, так называемая дифракционная ошибка, заключающаяся в том, что пучок, падающий на объект, не может быть строго параллелен, а расходящийся пучок при дифракции даст также расходящийся дифрагированный ЭП. При этом точка на объекте превратится в пятно на экране, а два близко расположенных пятна сольются в одно, т.е. будут неразрешимы отдельно друг от друга.

Изображении в двух и более пучках возникает в условиях так называемого фазового контраста, когда в плоскости изображения интерферируют пучки, прошедшие в отверстие апертурной диафрагмы (рис. 2.8).

Но тогда отверстие диафрагмы должно быть достаточно большим и появляется проблема сферической аберрации объективной линзы.

Большое, влияние на качество изображения оказывает также хроматическая аберрация, обусловленная тем, что электроны в ЭП имеют некоторый разброс по скоростям. Вследствие этого они по-разному преломляются в объективной линзе и дают размытость на изображении. Борьба с этим видом искажений заключается в повышении стабильности ускоряющего напряжения и тока в линзах микроскопа, но некоторой влияние на скорость электронов может оказать и сам образец, с чем, естественно, бороться невозможно.

Астигматизм изображения выражается в том, что такой объект, как круглое отверстие в образце, на экране будет выглядеть эллипсом. Это особенно проявляется при не осевом освещении объекта; возникновение этого дефекта связано в неоднородностью магнитного поля линз из-за несовершенства геометрической формы наконечников, с неоднородностью магнитных свойств материала наконечников, а также с возможным загрязнением. Астигматизм в некоторой степени устраняется стигматорами - специальными устройствами, накладывающими на основное поле линз слабое эллиптическое поле, амплитуда и направление которого регулируются, компенсируя астигматизм.

Появление высоковольтных ПЭМ с напряжением 1-3 мВ позволило существенно увеличить толщину просвечиваемой фольги, максимально приблизить ее структуру к структуре массивного образца, а кроме того удалось наблюдать процессы изменения структуры, фазовых превращений, упорядочения и т.д. непосредственно в колонне микроскопа в условиях, аналогичных массивному образцу. Использование высокого напряжения позволяет получить многолучевые (до 100 ЭП) изображения с разрешением отдельных атомов кристаллической решетки и даже отличить атомы различных элементов, в таких объектах, как тонкие пленки химических соединений.

Если ЭП направить на фольгу с таким расчетом, чтобы прошедший и дифрагированный пучок составляли с оптической осью микроскопа один и тот жe угол (рис. 2.14), то при прохождении этих двух пучков через апертурную диафрагму и объектив на экране возникает интетерференционная картина от их взаимодействия.

Рис. 2.14. Получение двухлучевого изображения наклоноэлектронного пучка

При использовании больших увеличений (около 500000) можно увидеть периодическую структуру, расшифровка которой дает определенные сведения о расположении атомных плоскостей в кристаллической решетке образца. Если в формировании изображения участвуют не два, а несколько ЭП, то можно рассмотреть отдельные атомы в кристаллической решетке и даже отличить атомы, принадлежащие разным элементам. Созданию многолучевых изображений способствует повышение ускоряющего напряжения. Наличие дефектов отражается на контрасте изображения, например, так были впервые увидены обрывающиеся атомные плоскости и тем самым доказано существование дислокаций. Этот метод применяется также для определения предельной разрешающей способности данного электронного микроскопа.

Методика слабого пучка. Так называется способ получения темнопольных электронно-микроскопических изображений при действии отражения, значительно отклоненного от точного В-Б отражающего положения и, следовательно, обладающего малой интенсивностью. Основное достоинство методики состоит в том, что при таких дифракционных условиях формирования изображения существенно снижается ширина контраста от дислокаций и других очагов локальных искажений кристаллической решетки. Кроме того, удается приблизить изображение дефектов на электронно-микроскопическом снимке к их истинному положению в кристалле, а также существенно упростить контраст от наблюдаемого дефекта вследствие уменьшения динамических эффектов рассеивания. Эти обстоятельства делает методику слабого пучка одним из наиболее эффективных для электронно-микроскопического анализа реальной структуры нанообъектов, особенно с высокой плотностью всевозможных дефектов.

Методика эффективна при разрешении отдельных близко расположенных дефектов. Такая ситуация может сложиться, когда в нанообъектах возникает высокая плотность дефектов, в частности, в результате мартенситного превращения, пластической деформации значительных степеней или, когда линейные дефекты соединены другим высокоэнергетическим пленарным дефектом, например, частичные дислокации, соединенные, дефектом упаковки, или сверхструктурные дислокации, в которых единичные дислокации соединены полоской антифазной границей.