Просвечивающая электронная микроскопия возможности анализа структуры. Применение просвечивающего электронного микроскопа

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.

Электр о нный микроск о п (англ. - electron microscope) – этоприбор для наблюдения и фотографирования многократно (до 1·10 6 раз) увеличенного изображения объектов, в котором вместо световых лучей используются пучки электронов, ускоренных до больших энергий (30 - 100 кэВ и более) в условиях глубокого вакуума.

Просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ) обладают самой высокой разрешающей способностью, превосходя по этому параметру световые микроскопы в несколько тысяч раз. Так называемый предел разрешения, характеризующий способность прибора отобразить раздельно мелкие максимально близко расположенные детали объекта, у ПЭМ составляет 2 - 3 A°. При благоприятных условиях можно сфотографировать отдельные тяжёлые атомы. При фотографировании периодических структур, таких как атомные плоскости решёток кристаллов, удаётся реализовать разрешение менее 1 A°.

Для определения структуры твердых тел необходимо использование излучения с длиной волны λ, меньшей, чем межатомные расстояния. В электронном микроскопе с этой целью используют электронные волны.

Длина волны де Бройля λ B для электрона, движущегося со скоростью V

где p – его импульс, h - постоянная Планка, m 0 - масса покоя электрона, V – его скорость.

После простых преобразований получаем, что длина волны де Бройля для электрона, движущегося в ускоряющем однородном электрическом поле с разностью потенциалов U , равна

. (1)

В выражениях для λ Б не учитывается релятивистская поправка, существенная лишь при больших скоростях электронов V >1·10 5 В.

Величина λ Б очень мала что позволяет обеспечивать высокую разрешающую способность электронного микроскопа.

Для электронов же с энергиями от 1 эВ до 10 000 эВ длина волны де Бройля лежит в пределах от ~1 нм до 10 −2 нм, то есть в интервале длин волн рентгеновского излучения . Поэтому волновые свойства электронов должны проявляться, например, при их рассеянии на тех же кристаллах, на которых наблюдается дифракция рентгеновских лучей. [

Современные микроскопы имеют разрешающую способность в (0.1 – 1) нм при энергии электронов (1·10 4 – 1·10 5) эВ, что делает возможным наблюдение групп атомов и даже отдельных атомов, точечных дефектов, рельефа поверхности и т.д.

Просвечивающая электронная микроскопия

В электронно-оптическую систему просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ) входят: электронная пушка И и конденсор 1, предназначенные для обеспечения осветительной системы микроскопа; объективная 2, промежуточная 3 и проекционная 4 линзы, осуществляющие отображение; камера наблюдения и фотографирования Э (рис.1).

Рис.1. Ход лучей в ПЭМ в режиме наблюдения изображения

В плоскости, сопряженной с объектом, объективная линза формирует первое промежуточное изображение объекта. Все электроны, исходящие из одной точки объекта, попадают в одну точку сопряженной плоскости. Затем с помощью промежуточной и проекционной линз получают изображение на флуоресцирующем экране микроскопа или фотопластине. Это изображение передает структурные и морфологические особенности образца.

В ПЭМ используют магнитные линзы. Линза состоит из обмотки, ярма и полюсного наконечника, концентрирующего магнитное поле в малом объеме и повышающего тем самым оптическую силу линзы.

ПЭМ обладают самой высокой разрешающей способностью (PC), превосходя по этому параметру световые микроскопы в несколько тысяч раз. Так называемый предел разрешения, характеризующий способность прибора отобразить раздельно мелкие максимально близко расположенные детали объекта, у ПЭМ составляет 2 – 3 A°. При благоприятных условиях можно сфотографировать отдельные тяжёлые атомы.При фотографировании периодических структур, таких как атомные плоскости решёток кристаллов, удаётся реализовать разрешение менее 1 A°. Столь высокие разрешения достигаются благодаря чрезвычайно малой длине волны де Бройля электронов. Оптимальным диафрагмированием удаётся снизить сферическую аберрацию объектива, влияющую на PC ПЭМ, при достаточно малой дифракционной ошибке. Эффективных методов коррекции аберраций в не найдено. Поэтому в ПЭМ магнитныеэлектронные линзы(ЭЛ), обладающие меньшими аберрациями, полностью вытеснили электростатические ЭЛ. Выпускаются ПЭМ различного назначения. Их можно разделить на 3 группы:

упрощённые ПЭМ,

ПЭМ высокого разрешения,

ПЭМ с повышенным ускоряющим напряжением.

1. Упрощённые ПЭМ предназначены для исследований, в которых не требуется высокая PC. Они более просты по конструкции (включающей 1 конденсор и 2 – 3 линзы для увеличения изображения объекта), их отличают меньшее (обычно 60 – 80 кВ) ускоряющее напряжение и более низкая его стабильность. PC этих приборов – от 6 до 15. Другие применения - предварительный просмотр объектов, рутинные исследования, учебные цели. Толщина объекта, которую можно «просветить» электронным пучком, зависит от ускоряющего напряжения. В ПЭМ с ускоряющим напряжением 100 кВ изучают объекты толщиной от 10 до нескольких тыс. A°.

2. ПЭМ с высокой разрешающей способностью (2 – 3 Å) – как правило, универсальные приборы многоцелевого назначения (рис.2, а). С помощью дополнительных устройств и приставок в них можно наклонять объект в разных плоскостях на большие углы к оптической оси, нагревать, охлаждать, деформировать его, осуществлять рентгеновский структурный анализ, исследования методами электронографии и пр. Ускоряющее электроны напряжение достигает 100 – 125 кВ, регулируется ступенчато и отличается высокой стабильностью: за 1 – 3 мин оно изменяется не более чем на 1 – 2 миллионные доли от исходного значения. В его оптической системе (колонне) создаётся глубокий вакуум (давление до 1·10 -6 мм рт. ст.). Схема оптической системы ПЭМ – на рис.2, б. Пучок электронов, источником которых служит термокатод, формируется в электронной пушке и затем дважды фокусируется первым и вторым конденсорами, создающими на объекте электронное «пятно», диаметр которого пятна можно изменять от 1 до 20 мкм. После прохождения сквозь объект часть электронов рассеивается и задерживается апертурной диафрагмой. Не рассеянные электроны проходят через отверстие диафрагмы и фокусируются объективом в предметной плоскости промежуточной линзы. Здесь формируется первое увеличенное изображение. Последующие линзы создают второе, третье и т. д. изображения. Последняя линза формирует изображение на флуоресцирующем экране, который светится под воздействием электронов

Увеличение ПЭМ равно произведению увеличений всех линз. Степень и характер рассеяния электронов неодинаковы в различных точках объекта, так как толщина, плотность и химический состав объекта меняются от точки к точке. Соответственно изменяется число электронов, задержанных апертурной диафрагмой после прохождения различных точек объекта, а следовательно, и плотность тока на изображении, которая преобразуется в световой контраст на экране. Под экраном располагается магазин с фотопластинками. При фотографировании экран убирается, и электроны воздействуют на фотоэмульсионный слой. Изображение фокусируется изменением тока, возбуждающего магнитное поле объектива. Токи других линз регулируют для изменения увеличения ПЭМ.

3. ПЭМ с повышенным ускоряющим напряжением (до 200 кВ) 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. Магнитодвижущая сила линз больше, чем в ПЭМ с ускоряющим напряжением 100 кВ, а сами линзы имеют увеличенные габариты и вес.

4. Сверхвысоковольтные электронные микроскопы (СВЭМ) – крупногабаритные приборы (рис.3) высотой от 5 до 15 м, с ускоряющим напряжением 0,50 – 0,65; 1 – 1,5 и 3.5 МВ.

Для них строят специальные помещения. СВЭМ предназначены для исследования объектов толщиной от 1·до·10 мкм. Электроны ускоряются в электростатическом ускорителе (так называемом ускорителе прямого действия), расположенном в баке, заполненном электроизоляционным газом под давлением. В том же или в дополнительном баке находится высоковольтный стабилизированный источник питания. В перспективе – созданию ПЭМ с линейным ускорителем, в котором электроны ускоряются до энергий 5 – 10 МэВ. При изучении тонких объектов PC СВЭМ ниже, чем у ПЭМ. В случае толстых объектов PC СВЭМ в 10 – 20 раз превосходит PC ПЭМ с ускоряющим напряжением 100 кВ. Если же образец аморфный, то контраст электронного изображения определяется толщиной и коэффициентом поглощения материала образца, что наблюдается, например, при изучении морфологии поверхности с помощью пластиковых или углеродных реплик. В кристаллах, кроме того, имеет место дифракция электронов, что позволяет определять структуру кристалла.

В

Рис.4. Положение диафрагмы Д при светлопольном (а ) и темнопольном (б ) изображениях: П - прошедший луч; D - дифрагированный луч; Обр - образец; И - электронная пушка

изображение формируется прошедшим пучком П, дифрагированный пучок D отсекается апертурной диафрагмой Д (рис.4, а ), это - светлопольное изображение;

апертурная диафрагма Д пропускает дифрагированный D пучок, отсекая прошедший П, это - темнопольное изображение (рис.4, б );

для получения дифракционной картины задняя фокальная плоскость объективной линзы фокусируется на экране микроскопа (рис.4). Тогда на экране наблюдается дифракционная картина от просвечиваемого участка образца.

Для наблюдения изображения в задней фокальной плоскости объектива устанавливается апертурная диафрагма, в результате уменьшается апертура лучей, формирующих изображение, и повышается разрешение. Эта же диафрагма используется для выбора режима наблюдения (см. рис.2 и 5).

Рис.5. Ход лучей в ПЭМ в режиме микродифракции Д - диафрагма; И - источник электронов; Обр - образец; Э – экран; 1 - конденсорная, 2 - объективная, 3 - промежуточная, 4 -проекционная линзы

Электронный микроскоп-прибор, который позволяет получать сильно увеличенное изображение объектов, используя для их освещения электроны. Электронный микроскоп (ЭМ) дает возможность видеть детали, слишком мелкие, чтобы их мог разрешить световой (оптический) микроскоп. Электронный микроскоп - один из важнейших приборов для фундаментальных научных исследований строения вещества, особенно в таких областях науки, как биология и физика твердого тела.

Познакомимся с конструкцией современного просвечивающего электронного микроскопа.

Рисунок 1 - Разрез, показывающий основные узлы просвечивающего электронного микроскопа

1- электронная пушка;2-анод;3 -катушка для юстировки пушки;4 -клапан пушки; 5 - 1-я конденсорная линза; 6 - 2-я конденсорная линза; 7 - катушка для наклона пучка; 8 -конденсор 2 диафрагмы;9 -объективная линза;10 -блок образца;11 -дифракционная диафрагма;12 -дифракционная линза;13 -промежуточная линза;14 -1-я проекционная линза;15 -2-я проекционная линза; 16 -бинокуляр (увеличение 12); 17-вакуумный блок колонны;18 -камера для 35-миллиметровой катушечной пленки; 19 -экран для фокусировки;20 -камера для пластинок; 21 -главный экран; 22 -ионный сорбционный насос.

Принцип его построения в общем аналогичен принципу микроскопа оптического, имеются осветительная (электронная пушка), фокусирующая (линзы) и регистрирующая (экран) системы. Тем не менее он сильно отличается в деталях. Например, свет беспрепятственно распространяется в воздухе, тогда как электроны легко рассеиваются при взаимодействии с любым веществом и, следовательно, беспрепятственно могут перемещаться только в вакууме. Иными словами, микроскоп помещают в вакуумную камеру.

Рассмотрим более детально узлы микроскопа. Система из нити накала и ускоряющих электродов носит название электронной пушки (1). В сущности, пушка напоминает триодную лампу. Поток электронов испускается раскаленной вольфрамовой проволочкой (катодом), собирается в пучок и ускоряется в поле двух электродов. Первый - управляющий электрод, или так называемый "цилиндр Венельта", окружает катод, и на него подается напряжение смещения, небольшой отрицательный относительно катода потенциал в несколько сотен вольт. Благодаря наличию такого потенциала на "цилиндре Венельта" фокусируется электронный пучок, выходящий из пушки. Второй электрод - анод (2), пластинка с отверстием в центре, через которое электронный пучок попадает в колонну микроскопа. Между нитью накала (катодом) и анодом приложено ускоряющее напряжение, обычно до 100 кВ. Как правило, имеется возможность ступенчато менять напряжение от 1 до 100 кВ.

Задача пушки - создание стабильного потока электронов при малой испускающей области катода. Чем меньше площадь, испускающая электроны, тем проще получить их тонкий параллельный пучок. Для этого применяют V-образные или специально остро заточенные катоды.

Далее в колонне микроскопа размещены линзы. Большинство современных электронных микроскопов имеют от четырех до шести линз. Выходящий из пушки электронный пучок направляется через пару конденсорных линз (5,6) на объект. Конденсорная линза позволяет в широких пределах изменять условия освещения объекта. Обычно конденсорные линзы представляют собой электромагнитные катушки, в которых токонесущие обмотки окружены (за исключением узкого канала диаметром около 2 - 4 см) сердечником из мягкого железа (рис.2) .

При изменении тока, протекающего через катушки, изменяется фокусное расстояние линзы, вследствие этого пучок расширяется или сужается, увеличивается или уменьшается площадь объекта, освещаемая электронами.

Рисунок 2 - Упрощенная схема магнитной электронной линзы

Обозначены геометрические размеры полюсного наконечника; штриховой линией показан контур, фигурирующий в законе Ампера. Штриховой линией показана так же линия магнитного потока, которая качественно определяет фокусирующее действие линзы. Вр-напряженность поля в зазоре вдали от оптической оси. На практике обмотки линзы имеют водяное охлаждение, а полюсный наконечник съемный

Чтобы получить большое увеличение, необходимо облучать объект потокам большой плотности. Конденсор (линза) обычно освещает площадь объекта, много большую интересующей нас при данном увеличении. Это может привести к перегреву образца и загрязнению его продуктами разложения масляных паров. Температуру объекта можно снизить, уменьшая приблизительно до 1 мкм облучаемую область с помощью второй конденсорной линзы, которая фокусирует изображение, образуемое первой конденсорной линзой. При этом увеличивается поток электронов через исследуемую площадь образца, повышается яркость изображения, образец меньше загрязняется.

Образец (объект) обычно помещают в специальный объектодержатель на тонкой металлической сетке диаметром 2 - 3 мм. Объектодержатель перемещается системой рычагов в двух взаимоперпендикулярных направлениях, наклоняется в разные стороны, что особенно важно при исследовании среза тканей либо таких дефектов кристаллической решетки, как дислокации и включения.

Рисунок 3 - Конфигурация полюсного наконечника высокоразрешающего объектива электронного микроскопа Siemens-102 .

В этой удачной промышленной конструкции диаметр отверстия верхнего полюсного наконечника 2R1=9 мм, диаметр отверстия нижнего полюсного наконечника 2R2=3 мм и межполюсный зазор S=5 мм (R1, R2и S определены на рис.2):1 -объектодержатель,2 -столик образца,3- образец,4 -объективная диафрагма,5 -термисторы,6 -обмотка линзы,7- верхний полюсный наконечник,8 -охлаждаемый стержень,9 -нижний полюсный наконечник,10 -стигматор,11- каналы системы охлаждения,12 -охлаждаемая диафрагма

В колонне микроскопа с помощью вакуумной системы откачки создается относительно низкое давление, примерно 10-5мм рт. ст. На это уходит довольно много времени. Чтобы ускорить подготовку прибора к работе, к камере объектов присоединяется специальное устройство для быстрой смены объекта. В микроскоп при этом попадает лишь очень небольшое количество воздуха, которое удаляется вакуумными насосами. Смена образца обычно занимает 5 мин.

Изображение. При взаимодействии электронного пучка с образцом электроны, проходящие вблизи атомов вещества объекта, отклоняются в направлении, определяемом его свойствами. Этим главным образом и обусловлен видимый контраст изображения. Кроме того, электроны могут еще претерпеть неупругое рассеяние, связанное с изменением их энергии и направления, пройти через объект без взаимодействия или быть поглощенными объектом. При поглощения электронов веществом возникает световое или рентгеновское излучение либо выделяется тепло. Если образец достаточно тонок, то доля рассеянных электронов невелика. Конструкции современных микроскопов позволяют использовать для формирования изображения все эффекты, возникающие при взаимодействии электронного луча с объектом.

Электроны, прошедшие через объект, попадают в объективную линзу (9), предназначенную для получения первого увеличенного изображения. Объективная линза - одна из наиболее важных частей микроскопа, "ответственная" за разрешающую способность прибора. Эта связано с тем, что электроны входят под сравнительно большим углом наклона к оси и вследствие этого даже незначительные аберрации существенно ухудшают изображение объекта.

Рисунок 4 - Образование первого промежуточного изображения объективной линзой и эффект аберрации .

Окончательное увеличенное электронное изображение преобразуется в видимое посредством люминесцентного экрана, 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. Иногда для повышения яркости слабого изображения применяется люминофорный экран с электронно-оптическим преобразователем. В этом случае окончательное изображение может быть выведено на обычный телевизионный экран, что позволяет записать его на видеоленту. Видеозапись применяется для регистрации изображений, меняющихся во времени, например, в связи с протеканием химической реакции. Чаще всего окончательное изображение регистрируется на фотопленке или фотопластинке. Фотопластинка обычно позволяет получить более четкое изображение, чем наблюдаемое простым глазом или записанное на видеоленте, так как фотоматериалы, вообще говоря, более эффективно регистрируют электроны. Кроме того, на единице площади фотопленки может быть зарегистрировано в 100 раз больше сигналов, чем на единице площади видеоленты. Благодаря этому изображение, зарегистрированное на фотопленке, можно дополнительно увеличить примерно в 10 раз без потери четкости.

Электронные линзы, как магнитные, так и электростатические, несовершенны. Они имеют те же дефекты, что и стеклянные линзы оптического микроскопа - хроматическая, сферическая аберрация и астигматизм. Хроматическая аберрация возникает из-за непостоянства фокусного расстояния при фокусировке электронов с различными скоростями. Эти искажения уменьшают, стабилизируя ток электронного луча и ток в линзах.

Сферическая аберрация обусловлена тем, что периферийные и внутренние зоны линзы формируют изображение на разных фокусных расстояниях. Намотку катушки магнита, сердечник электромагнита и канал в катушке, через который проходят электроны, нельзя выполнить идеально. Асимметрия магнитного поля линзы приводит к значительному искривлению траектории движения электронов.

Работа в режимах микроскопии и дифракции. Затененные области отмечают ход эквивалентных пучков в обоих режимах .

Если магнитное поле несимметрично, то линза искажает изображение (астигматизм). То же самое можно отнести и к электростатическим линзам. Процесс изготовления электродов и их центровка должны быть в высокой степени точны, ибо от этого зависит качество линз.

В большинстве современных электронных микроскопов нарушения симметрии магнитных и электрических полей устраняют с помощью стигматоров. В каналы электромагнитных линз помещают небольшие электромагнитные катушки, изменяя ток, протекающий через них, они исправляют поле. Электростатические линзы дополняют электродами: подбирая потенциал, удается компенсировать асимметрию основного электростатического поля. Стигматоры весьма тонко регулируют поля, позволяют добиваться высокой их симметрии.

Рисунок 5 - Ход лучей в электронном микроскопе просвечивающего типа

В объективе есть еще два важных устройства - апертурная диафрагма и отклоняющие катушки. Если в формировании конечного изображения участвуют отклоненные (дифрагированные) лучи, то качество изображения будет плохим вследствие сферической аберрации линзы. В объективную линзу вводят апертурную диафрагму с диаметром отверстия 40 - 50 мкм, которая задерживает лучи, дифрагированные под углом более 0,5 градуса. Лучи, отклоненные на небольшой угол, создают светлопольное изображение. Если апертурной диафрагмой заблокировать проходящий луч, то изображение формируется дифрагированным лучом. Оно в этом случае получается в темном поле. Однако метод темного поля дает менее качественное изображение, чем светлопольный, поскольку изображение формируется лучами, пересекающимися под углом к оси микроскопа, сферическая аберрация и астигматизм проявляются в большей степени. Отклоняющие же катушки служат для изменения наклона электронного луча. Для получения окончательного изображения нужно увеличить первое увеличенное изображение объекта. Для этой цели применяется проекционная линза. Общее увеличение электронного микроскопа должно меняться в широких пределах, от небольшого соответствующего увеличению лупы (10,20), при котором можно исследовать не только часть объекта, но и увидеть весь объект, до максимального увеличения, позволяющего наиболее полно использовать высокую разрешающую способность электронного микроскопа (обычно до 200000). Здесь уже недостаточно двухступенчатой системы (объектив, проекционная линза). Современные электронные микроскопы, рассчитанные на предельную разрешающую способность, должны иметь по крайней мере три увеличивающие линзы - объектив, промежуточную и проекционную линзы. Такая система гарантирует изменение увеличения в широком диапазоне (от10 до 200000).

Изменение увеличения осуществляется регулировкой тока промежуточной линзы.

Еще один фактор, способствующий получению большего увеличения, - изменение оптической силы линзы. Чтобы увеличить оптическую силу линзы, в цилиндрический канал электромагнитной катушки вставляют специальные так называемые "полюсные наконечники". Они изготовляются из мягкого железа или сплавов е большой магнитной проницаемостью и позволяют сконцентрировать магнитное поле в небольшом объеме. В некоторых моделях микроскопов предусмотрена возможность смены полюсных наконечников, таким образом добиваются дополнительного увеличения изображения объекта.

На конечном экране исследователь видит увеличенное изображение объекта. Различные участки объекта по-разному рассеивают падающие на них электроны. После объективной линзы (как уже указывалось выше) будут фокусироваться только электроны, которые при прохождении объекта отклоняются на малые углы. Эти же электроны фокусируются промежуточной и проекционной линзами на экране для конечного изображения. На экране соответствующие детали объекта будут светлые. В том случае, когда электроны при прохождении участков объекта отклоняются на большие углы, они задерживаются апертурной диафрагмой, расположенной в объективной линзе, и соответствующие участки изображения будут на экране темными.

Изображение становится видимым на флюоресцентном экране (светящимся под действием падающих на него электронов). Фотографируют его либо на фотопластинку, либо на фотопленку, которые расположены на несколько сантиметров ниже экрана. Хотя пластинка помещается ниже экрана, благодаря тому что электронные линзы имеют довольно большую глубину резкости и фокуса, четкость изображения объекта на фотопластинке не ухудшается. Смена пластинки - через герметичный люк. Иногда применяют фотомагазины (от 12 до 24 пластинок), которые устанавливают также через шлюзовые камеры, что позволяет избежать разгерметизации всего микроскопа.

Разрешение. Электронные пучки имеют свойства, аналогичные свойствам световых пучков. В частности, каждый электрон характеризуется определенной длиной волны. Разрешающая способность электронного микроскопа 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. Столь значительное преимущество электронного микроскопа в разрешающей способности объясняется тем, что длина волны электронов намного меньше длины волны света. 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 электронного микроскопа равно 50 - 100 длинам волн электронов. Даже со столь слабыми линзами в электронном микроскопе можно получить предел разрешения около 0,17 нм, что позволяет различать отдельные атомы в кристаллах. Для достижения разрешения такого порядка необходима очень тщательная настройка прибора; в частности, требуются высокостабильные источники питания, а сам прибор (который может быть высотой около 2,5 м и иметь массу в несколько тонн) и его дополнительное оборудование требуют монтажа, исключающего вибрацию.

Для достижения разрешения по точкам лучше чем 0,5 нм необходимо поддерживать прибор в отличном состоянии и, кроме того, использовать микроскоп, который специально предназначен для работ, связанных с получением высокого разрешения. Нестабильность тока объективной линзы и вибрации объектного столика следует свести к минимуму. Исследователь должен быть уверен, что в полюсном наконечнике объектива отсутствуют остатки объектов, оставшихся от предыдущих исследований. Диафрагмы должны быть чистыми. Микроскоп следует устанавливать в месте, удовлетворительном с точки зрения вибраций, посторонних магнитных полей, влажности, температуры и пыли. Постоянная сферической аберрации должна быть меньше 2 мм. Однако самыми важными факторами при работе с высоким разрешением являются стабильность электрических параметров и надежность микроскопа. Скорость загрязнения объекта должна быть меньше, чем 0,1 нм/мин, и это особенно важно для работы с высоким разрешением в темном поле.

Температурный дрейф должен быть минимальным. Для того чтобы свести к минимуму загрязнение и максимально увеличить стабильность высокого напряжения, необходим вакуум причем его следует измерять в конце линии откачки. Внутренность микроскопа, в особенности объем камеры электронной пушки, должны быть скрупулезно чистыми.

Удобными объектами для проверки микроскопа являются тест-объекты с маленькими частичками частично графитизированного угля, в которых видны плоскости кристаллической решетки. Во многих лабораториях такой образец всегда держат под рукой, чтобы проверять состояние микроскопа, и каждый день, прежде чем начать работу с высоким разрешением, на этом образце получают четкие изображения системы плоскостей с межплоскостным расстоянием 0,34 нм, используя держатель образца без наклона. Такая практика проверки прибора настоятельно рекомендуется. Больших затрат времени и энергии требует поддержание микроскопа в наилучшем состоянии. Не следует планировать исследования, требующие высокого разрешения, до тех пор пока не обеспечено поддержание состояния прибора на соответствующем уровне, и, что еще более важно, до тех пор пока микроскопист не вполне уверен, что результаты, полученные с помощью изображений высокого разрешения, оправдают затраченные время и усилия.

Современные электронные микроскопы оборудуются рядом приспособлений. Весьма важна приставка для изменения наклона образца во время наблюдения (гониометрическое устройство). Так как контраст изображения получается главным образом за счет дифракции электронов, то даже малые наклоны образца могут существенно влиять на него. Гониометрическое устройство имеет две взаимно перпендикулярные оси наклона, лежащие в плоскости образца, и приспособленные для его вращения на 360°. При наклоне устройство обеспечивает неизменность положения объекта относительно оси микроскопа. Гониометрическое устройство также необходимо при получении стереоснимков для изучения рельефа поверхности излома кристаллических образцов, рельефа костных тканей, биологических молекул и т. п.

Стереоскопическая пара получается съемкой в электронном микроскопе одного и того же места объекта в двух положениях, когда он повернут на небольшие углы к оси объектива (обычно ±5°).

Интересная информация об изменении структуры объектов может быть получена при непрерывном наблюдении за нагревом объекта. С помощью приставки удается изучить поверхностное окисление, процесс разупорядочения, фазовые превращения в многокомпонентных сплавах, термические превращения некоторых биологических препаратов, провести полный цикл термической обработки (отжиг, закалка, отпуск), причем с контролируемыми высокими скоростями нагрева и охлаждения. Вначале были разработаны устройства, которые герметично присоединялись к камере объектов. Специальным механизмом объект извлекался из колонны, термообрабатывался, а затем вновь помещался в камеруобъектов. Преимущество метода - отсутствие загрязнения колонны и возможность длительной термообработки.

В современных электронных микроскопах имеются устройства для нагревания объекта непосредственно в колонне. Часть объектодержателя окружена микропечью. Нагрев вольфрамовой спирали микропечек осуществляется постоянным током от небольшого источника. Температура объекта изменяется при изменении тока нагревателя и определяется по градуировочной кривой. В устройстве сохраняется высокое разрешение при нагреве вплоть до 1100°С - порядка 30 Е.

В последнее время разработаны устройства, позволяющие нагревать объект электронным пучком самого микроскопа. Объект располагается на тонком вольфрамовом диске. Диск нагревается расфокусированным электронным лучом, небольшая часть которого проходит через отверстие в диске и создает изображение объекта. Температуру диска можно менять в широких пределах, изменяя его толщину и диаметр электронного луча.

Есть в микроскопе и столик для наблюдения объектов в процессе охлаждения до -140° С. Охлаждение - жидким азотом, который заливается в сосуд Дьюара, соединенный со столиком специальным хладопроводом. В этом устройстве удобно исследовать некоторые биологические и органические объекты, которые без охлаждения под воздействием электронного луча разрушаются.

С помощью приставки для растяжения объекта можно исследовать движение дефектов в металлах, процесс зарождения и развития трещины в объекте. Создано несколько типов подобных устройств. В одних использовано механическое нагружение перемещением захватов, в которых крепится объект, или передвижением нажимного стержня, в других - нагрев биметаллических пластин. Образец приклеивается или крепится захватами к биметаллическим пластинам, которые расходятся в стороны, когда их нагревают. Устройство позволяет деформировать образец на 20% и создавать усилие в 80 г.

Самой важной приставкой электронного микроскопа можно считать микродифракционное устройство для электронографических исследований какого-либо определенного участка объекта, представляющего особый интерес. Причем микродифракционную картину на современных микроскопах получают без переделки прибора. Дифракционная картина состоит из серии либо колец, либо пятен. Если в объекте многие плоскости ориентированы благоприятным для дифракции образом, то изображение состоит из сфокусированных пятен. Если электронный луч попадает сразу на несколько зерен беспорядочно ориентированного поликристалла, дифракция создается многочисленными плоскостями, образуется картина из дифракционных колец. По местоположению колец или пятен можно установить структуру вещества (например, нитрид или карбид), его химический состав, ориентацию кристаллографических плоскостей и расстояние между ними.

Просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ) – это электронно-оптический прибор, в котором наблюдается и регистрируется увеличенное в 50 – 10 6 раз изображение объекта. При увеличении в миллион раз грейпфрут вырастает до размеров Земли. Для этого вместо световых лучей используются пучки электронов, ускоренных до энергии 50 – 1000 кэВ в условиях высокого вакуума (10 -5 –10 -10 мм. рт. ст.). В просвечивающем электронном микроскопе проводится регистрация электронов, прошедших через ультратонкослойный образец. ПЭМ служит для получения информации о геометрических характеристиках, морфологии, кристаллографической структуре и локальном элементном составе объекта. Он позволяет изучать непосредственно тонкие объекты (толщиной до 1 мкм), островковые пленки, нанокристаллы, дефекты в кристаллических решетках с разрешением до 0,1 нм и косвенно (методом реплик) – поверхность массивных образцов с разрешением до 1 нм.

В материаловедении изучаются процессы роста и кристаллизации тонких пленок, структурные превращения в процессе термической обработки и механического воздействия. В полупроводниковой электронике электронный микроскоп используется для визуализации дефектов и тонкой структуры кристаллов и слоев. В биологии – позволяют увидеть и изучить строение отдельных молекул, коллоидов, вирусов, элементы клеток, структуру белков, нуклеиновые кислоты.

Принцип работы просвечивающего электронного микроскопа заключается в следующем (рис. 48). Расположенная в верхней части колонны электронная пушка – система, образованная катодом, анодом и нитью накала, является источником потока электронов. Нагреваемая до температуры 2200 – 2700 ºС нить из вольфрама испускает электроны, которые ускоряются сильным электрическим полем. Для создания такого поля катод 1 поддерживают под потенциалом порядка 100 кВ относительно анода 2 (находится под потенциалом земли). Поскольку электроны сильно рассеиваются молекулами воздуха в колонне микроскопа, создается высокий вакуум. Пройдя сетчатый анод, поток электронов фокусируется магнитными конденсорными линзами 3 в пучок (диаметр сечения 1 – 20 мкм) и попадает на исследуемый образец 4, установленный на мелкой сетке предметного столика. Его конструкция включает шлюзы, позволяющие ввод образца в вакуумную среду микроскопа с минимальным увеличением давления.

Первоначальное увеличение изображения осуществляется объективной линзой 5. Образец помещается в непосредственной близости от фокальной плоскости ее магнитного поля. Для получения большого увеличения и уменьшения фокусного расстояния линзы увеличивают числа витков и для катушки используют магнитопровод из ферромагнитного материала. Объективная линза дает увеличенное изображение объекта (порядка х100). Обладая большой оптической силой, она определяет предельно возможное разрешение прибора.

После прохождения сквозь образец часть электронов рассеивается и задерживается апертурной диафрагмой (толстая металлическая пластина с отверстием, которая устанавливается в задней фокальной плоскости объективной линзы – плоскости первичного дифракционного изображения). Не рассеянные электроны проходят через отверстие диафрагмы и фокусируются объективной линзой в предметной плоскости промежуточной линзы 6, которая служит для получения большего увеличения. Получение изображения объекта обеспечивается проекционной линзой 7. Последняя формирует изображение на люминесцентном экране 8, который светится под воздействием электронов и преобразует электронное изображение в видимое. Это изображение регистрируется фотокамерой 9 либо анализируется с помощью микроскопа 10.

Растровый просвечивающий электронный микроскоп (РПЭМ). Изображение формируется бегущим пучком, а не пучком, освещающим весь исследуемый участок образца. Поэтому 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 (~10 8 В/см) вблизи поверхности заостренной травлением вольфрамовой проволочки очень малого диаметра, благодаря чему 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 около 0.2 нм.

Исследования в РПЭМ проводятся на сверхтонких образцах. Электроны, испускаемые электронной пушкой 1, ускоряясь сильным электрическим полем анода 2, проходят через него и фокусируются магнитной линзой 3 на образец 5. Далее сформированный таким образом электронный пучок проходит сквозь тонкий образец почти без рассеяния. При этом с помощью отклоняющей магнитной системы 4 электронный пучок последовательно отклоняется на заданный угол от первоначального положения и сканирует поверхность образца.

Электроны, рассеянные на углы более нескольких градусов без замедления, регистрируются, попадая на кольцевой электрод 6, 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 7, расположенный под этим детектором, позволяет отделить первые от вторых. 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.

Контраст в ПЭМ обусловлен рассеянием электронов при прохождении электронного пучка через образец. Одни из прошедших через образец электронов 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.

Разрешающая способность ЭМ определяется эффективной длиной волны электронов. Чем больше ускоряющее напряжение, тем больше скорость электронов и тем меньше длина волны, а значит, выше разрешение. Значительное преимущество ЭМ в разрешающей способности объясняется тем, что длина волны электронов намного меньше длины волны света.

Для проведения локального спектрального анализа элементного состава рентгеновское характеристическое излучение из облучаемой точки образца регистрируется кристаллическим или полупроводниковым спектрометрами. Кристаллический спектрометр с помощью кристалла-анализатора разлагает с высоким спектральным разрешением рентгеновское излучение по длинам волн, перекрывая диапазон элементов от Be до U.

Курсовая

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Конструкция просвечивающего электронного микроскопа. Применение просвечивающего электронного микроскопа. Во-вторых существенное повышение до 1 Å и менее разрешающей способности электронных микроскопов что сделало их конкурентоспособными с автоионными микроскопами в получении прямых изображений кристаллической решетки. Сегодня трудно себе представить биологическую медицинскую физическую металлографическую химическую лаборатории без оптического микроскопа: исследуя капельки крови и срез ткани медики составляют заключение о состоянии...

Введение...............................................................................................................5

1. Историческая справка....................................................................................7

2. Просвечивающая электронная микроскопия..........................................11

2.1 Конструкция просвечивающего электронного микроскопа.............11

2.2 Изображение............................................................................................16

2.3 Разрешение.............................................................................................21

2.4 Источники электронов........................................................................26

2.5 Система освещения...........................................................................27

2.6 Коррекция астигматизма................................................................28

2.7 Вспомогательное оборудование для обычной просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения........................................31

3. Подготовка объектов для исследований и особые требования к ним.32

4. Применение просвечивающего электронного микроскопа..................33

4.1 Небиологические материалы..................................................................34

4.2 Биологические препараты......................................................................37

4.3 Высоковольтная микроскопия.............................................................38

4.4 Радиационное повреждение..............................................................39

5. Современные виды просвечивающей электронной микроскопии..... 39

6. Недостатки и ограничения, особенности применения просвечивающей электронной микроскопии...............................................................................43

Заключение........................................................................................................46

Список литературы...........................................................................................48

Введение

Методы электронной микроскопии завоевали такую популярность, что в настоящее время невозможно представить себе лабораторию, занимающуюся исследованием материалов, их не применяющую. Первые успехи электронной микроскопии следует отнести к 30-м годам, когда с ее помощью была выявлена структура ряда органических материалов и биологических объектов. В исследованиях неорганических материалов, в особенности металлических сплавов, позиции электронной микроскопии укрепились с появлением микроскопов с высоким напряжением (100 кВ и выше) и еще в большей мере благодаря совершенствованию техники получения объектов, позволившей работать непосредственно с материалом, а не со слепками-репликами. Прочные позиции занимает электронная микроскопия и в ряде других разделов материаловедения.

Усиление интереса к электронной микроскопии объясняется рядом обстоятельств. Это, во-первых, расширение возможностей метода благодаря появлению самых различных приставок: для исследований при низких (до – 150°С) и высоких (до 1200°С) температурах, наблюдения деформации непосредственно в микроскопе, исследования рентгеновских спектров микроучастков (до 1 мкм и менее) объектов, получения изображений в рассеянных электронах и др. Во-вторых, существенное повышение (до 1 Å и менее) разрешающей способности электронных микроскопов, что сделало их конкурентоспособными с автоионными микроскопами в получении прямых изображений кристаллической решетки. Наконец, возможность параллельно с микроскопическими исследованиями детально изучать дифракционные картины вплоть до наблюдения таких тонких деталей, как диффузионное рассеяние электронов.

Основное преимущество использования просвечивающих электронных микроскопов – их высокая разрешающая способность, которая становится возможной из-за малой длины волны электронов. При ускоряющем напряжении 200 кВ длина волны электронов равна всего 0,025 Å. В просвечивающих электронных микроскопах используется ускоряющее напряжение до 3000 кВ, при этом максимально достижимое разрешение по точкам в самых современных приборах составляет лучше 1 Å. Это позволяет проводить исследование структуры материалов на атомном уровне.

При использовании методов просвечивающей электронной микроскопии необходимую информацию получают путём анализа результатов рассеяния пучка электронов при прохождении его через объект. Возможны два основных типа рассеяния: а) упругое рассеяние – взаимодействие электронов с эффективным потенциальным полем ядер без потерь энергии; б) неупругое рассеяние – взаимодействие пучка электронов с электронами объекта, при котором имеются потери энергии, т.е. поглощение. Дифракционная картина возникает только при упругом рассеянии.

1. Историческая справка

История микроскопии – это история непрерывных поисков человека, стремившегося проникнуть в тайны природы. Микроскоп появился в XVII в., и с этих пор наука стала быстро продвигаться вперед. Многие поколения исследователей проводили за микроскопом долгие часы, изучая не видимый глазу мир. Сегодня трудно себе представить биологическую, медицинскую, физическую, металлографическую, химическую лаборатории без оптического микроскопа: исследуя капельки крови и срез ткани, медики составляют заключение о состоянии здоровья человека. Установление структуры металла и органических веществ позволило разработать целый ряд новых высокопрочных металлических и полимерных материалов.

Наше столетие часто называют электронным веком. Проникновение в тайны атома позволило сконструировать электронные приборы – лампы, электронно-лучевые трубки и др. В начале 20-х годов у физиков возникла идея использовать пучок электронов для формирования изображения предметов. Реализация этой идеи породила электронный микроскоп.

Широкие возможности получения самой разнообразной информации, в том числе и с участков объектов, соизмеримых с атомом, послужили стимулом к совершенствованию электронных микроскопов и применению их практически во всех областях науки и техники в качестве приборов для физических исследований и технического контроля.

Современный электронный микроскоп способен различать столь малые детали изображения микрообъекта, которые не в состоянии обнаружить ни один другой прибор. В еще большей степени, чем размеры и форма изображения, ученых интересует структура микрообъекта; и электронные микроскопы могут рассказать не только о структуре, но и о химическом составе, несовершенствах строения участков микрообъекта размером в доли микрометра. Благодаря этому сфера применения электронного микроскопа непрерывно расширяется и сам прибор усложняется.

Первые просвечивающие электронные микроскопы работали с напряжением, ускоряющим электроны, в 30 – 60 кВ; толщина исследуемых объектов едва достигала 1000 Å (1 Å – 10 -10 м). В настоящее время созданы электронные микроскопы с ускоряющим напряжением в 3 МВ, что позволило наблюдать объекты толщиной уже в несколько микрометров. Однако успехи электронной микроскопии не ограничились только количественным ростом ускоряющего напряжения. Этапным стало создание серийного растрового электронного микроскопа (РЭМ), который сразу же завоевал популярность у физиков, химиков, металлургов, геологов, медиков, биологов и даже у криминалистов. Наиболее существенные особенности этого прибора – большая глубина резкости изображения, которая на несколько порядков выше, чем у микроскопа оптического, и возможность исследования массивных образцов практически без какой-либо их специальной подготовки. Эволюция идей физики неразрывно связана с развитием методов исследования, позволяющих объяснить явления, происходящие в микромире. В развитии любой науки, изучающей реальные физические тела, два вопроса являются основными: как ведет себя тело в тех или иных условиях? Почему оно ведет себя определенным образом? Наиболее полный на эти вопросы ответ можно получить, если рассматривать структуру тела и его поведение комплексно, т. е. от микросвязей и микроструктуры до макроструктуры в макропроцессор. В XIX в, окончательно была сформулирована теория изображения, и физикам стало очевидно, что для улучшения разрешения микроскопа нужно уменьшать длину волны излучения, формирующего изображение. Сначала это открытие не привело к практическим результатам. Только благодаря работе Луи де Бройля (1924 г.), в которой связывалась длина волны частицы с ее массой и скоростью, из чего следовало, что и для электронов должно иметь место явление дифракции; и Буша (1926 г.), показавшего, что электрические и магнитные поля действуют почти как оптические линзы, стало возможным вести конкретный разговор об электронной оптике.

В 1927 г. американские ученые К. Девиссои и Л. Джермер наблюдали явление дифракции электронов, а английский физик Д. Томсон и советский физик П. С. Тартаковский провели первые исследования этого явления. В начале 30-х годов академик А. А. Лебедев разработал теорию дифракции в приложении к электронографу.

На основе этих основополагающих работ стало возможным создать электронно-оптический прибор, и де Бройль предложил заняться этим одному из своих учеников, Л. Сциларду. Тот в разговоре с известным физиком Д. Табором рассказал ему о предложении де Бройля, однако Габор убедил Сциларда в том, что любой предмет, находящийся на пути электронного луча, сгорит дотла и, кроме того, живые объекты в вакуум помешать нельзя.

Сцилард отказался от предложения своего учителя, но к тому времени уже не существовало трудностей в получении электронов. Физики и радиотехники успешно работали с электронными лампами, в которых электроны получали за счет термоэлектронной эмиссии, или, попросту говоря, за счет нагревания нити (катода), а направленное движение электронов к аноду (т. е. прохождение тока через лампу) формировалось приложением напряжения между анодом и катодом. В 1931 г. А. А. Лебедев предложил схему электронографа с магнитной фокусировкой пучка электронов, которая легла в основу большинства приборов, изготовленных в нашей стране и за рубежом.

В 1931 Р.Руденберг подал патентную заявку на просвечивающий электронный микроскоп, а в 1932 М.Кнолль и Э.Руска построили первый такой микроскоп, применив магнитные линзы для фокусировки электронов. Руска был вознагражден за свои труды тем, что стал лауреатом Нобелевской премии по физике за 1986.

В 1938 Руска и Б. фон Боррис построили прототип промышленного ПЭМ для фирмы "Сименс-Хальске" в Германии; этот прибор в конце концов позволил достичь разрешения 100 нм. Несколькими годами позднее А.Пребус и Дж.Хиллер построили первый ПЭМ высокого разрешения в Торонтском университете (Канада).

Широкие возможности ПЭМ почти сразу же стали очевидны. Его промышленное производство было начато одновременно фирмой "Сименс-Хальске" в Германии и корпорацией RCA в США. В конце 1940-х годов такие приборы стали выпускать и другие компании.

РЭМ в его нынешней форме был изобретен в 1952 Чарльзом Отли. Правда, предварительные варианты такого устройства были построены Кноллем в Германии в 1930-х годах и Зворыкиным с сотрудниками в корпорации RCA в 1940-х годах, но лишь прибор Отли смог послужить основой для ряда технических усовершенствований, завершившихся внедрением в производство промышленного варианта РЭМ в середине 1960-х годов. Круг потребителей такого довольно простого в обращении прибора с объемным изображением и электронным выходным сигналом расширился с быстротой взрыва. В настоящее время насчитывается добрый десяток промышленных изготовителей РЭМ"ов на трех континентах и десятки тысяч таких приборов, используемых в лабораториях всего мира. В 1960-х годах разрабатывались сверхвысоковольтные микроскопы для исследования более толстых образцов. Лидером этого направления разработок был Г.Дюпуи во Франции, где в 1970 был введен в действие прибор с ускоряющим напряжением, равным 3,5 млн. вольт. РТМ был изобретен Г.Биннигом и Г.Рорером в 1979 в Цюрихе. Этот весьма простой по устройству прибор обеспечивает атомное разрешение поверхностей. За свою работу по созданию РТМ Бинниг и Рорер (одновременно с Руской) получили Нобелевскую премию по физике.

Широкое развитие методов электронной микроскопии в нашей стране связано с именами ряда ученых: Н. Н. Буйнова, Л. М. Утевского, Ю. А. Скакова (просвечивающая микроскопия), Б. К. Вайнштейна (электронография), Г. В. Спивака (растровая микроскопия), И. Б. Боровского, Б. Н. Васичева (рентгеновская спектроскопия) и др. Благодаря им электронная микроскопия вышла, из стен научно-исследовательских институтов и находит все более широкое применение в заводских лабораториях.

2. Просвечивающая электронная микроскопия

2.1 Конструкция просвечивающего электронного микроскопа

Электронный микроскоп – прибор, который позволяет получать сильно увеличенное изображение объектов, используя для их освещения электроны. Электронный микроскоп (ЭМ) дает возможность видеть детали, слишком мелкие, чтобы их мог разрешить световой (оптический) микроскоп. Электронный микроскоп – один из важнейших приборов для фундаментальных научных исследований строения вещества, особенно в таких областях науки, как биология и физика твердого тела.

Принцип его построения в общем аналогичен принципу микроскопа оптического, имеются осветительная (электронная пушка), фокусирующая (линзы) и регистрирующая (экран) системы. Тем не менее он сильно отличается в деталях. Например, свет беспрепятственно распространяется в воздухе, тогда как электроны легко рассеиваются при взаимодействии с любым веществом и, следовательно, беспрепятственно могут перемещаться только в вакууме. Иными словами, микроскоп помещают в вакуумную камеру.

1 – высоковольтный кабель ; 2 – электронная пушка ; 3 – катод; 4 – управляющий электрод (модулятор); ; 5 – анод; 6 – первая конденсорная линза ; 7 – вторая конденсорная линза ; 8 – бмотки системы наклона и перемещения электронного луча ; 9 – камера образца ; 10 – объективная линза ; 11 – апертурная диафрагма ; 12 – стигматор ; 13 – промежуточная линза; 14 – дифракционная камера ; 15 – проекционная линза ; 16 – бинокуляр (оптический микроскоп) ; 17 – тубус (камера наблюдения) ; 18 – флуоресцентные экраны ; 19 – фотомагазин (камера с фото пластинками и сменным механизмом)

Рассмотрим более детально узлы микроскопа. Система из нити накала и ускоряющих электродов носит название электронной пушки (1). В сущности, пушка напоминает триодную лампу. Поток электронов испускается раскаленной вольфрамовой проволочкой (катодом), собирается в пучок и ускоряется в поле двух электродов. Первый – управляющий электрод, окружает катод, и на него подается напряжение смещения, небольшой отрицательный относительно катода потенциал в несколько сотен вольт. Благодаря наличию такого потенциала на управляющем электроде фокусируется электронный пучок, выходящий из пушки. Второй электрод – анод (2), пластинка с отверстием в центре, через которое электронный пучок попадает в колонну микроскопа. Между нитью накала (катодом) и анодом приложено ускоряющее напряжение, обычно до 100 кВ. Как правило, имеется возможность ступенчато менять напряжение от 1 до 100 кВ.

Задача пушки – создание стабильного потока электронов при малой испускающей области катода. Чем меньше площадь, испускающая электроны, тем проще получить их тонкий параллельный пучок. Для этого применяют V-образные или специально остро заточенные катоды.

Далее в колонне микроскопа размещены линзы. Большинство современных электронных микроскопов имеют от четырех до шести линз. Выходящий из пушки электронный пучок направляется через пару конденсорных линз (5,6) на объект. Конденсорная линза позволяет в широких пределах изменять условия освещения объекта. Обычно конденсорные линзы представляют собой электромагнитные катушки, в которых токонесущие обмотки окружены (за исключением узкого канала диаметром около 2 – 4 см) сердечником из мягкого железа (рис.2.1.2).

При изменении тока, протекающего через катушки, изменяется фокусное расстояние линзы, вследствие этого пучок расширяется или сужается, увеличивается или уменьшается площадь объекта, освещаемая электронами.

Обозначены геометрические размеры полюсного наконечника; штриховой линией показан контур, фигурирующий в законе Ампера. Штриховой линией показана так же линия магнитного потока, которая качественно определяет фокусирующее действие линзы. В р – напряженность поля в зазоре вдали от оптической оси. На практике обмотки линзы имеют водяное охлаждение, а полюсный наконечник съемный

Чтобы получить большое увеличение, необходимо облучать объект потокам большой плотности. Конденсор (линза) обычно освещает площадь объекта, много большую интересующей нас при данном увеличении. Это может привести к перегреву образца и загрязнению его продуктами разложения масляных паров. Температуру объекта можно снизить, уменьшая приблизительно до 1 мкм облучаемую область с помощью второй конденсорной линзы, которая фокусирует изображение, образуемое первой конденсорной линзой. При этом увеличивается поток электронов через исследуемую площадь образца, повышается яркость изображения, образец меньше загрязняется.

Образец (объект) обычно помещают в специальный объектодержатель на тонкой металлической сетке диаметром 2 – 3 мм. Объектодержатель перемещается системой рычагов в двух взаимоперпендикулярных направлениях, наклоняется в разные стороны, что особенно важно при исследовании среза тканей либо таких дефектов кристаллической решетки, как дислокации и включения.

В этой конструкции диаметр отверстия верхнего полюсного наконечника, диаметр отверстия нижнего полюсного наконечника и межполюсный зазор (R 1 , R 2 и S определены на рис.2.1.2): 1 – объектодержатель, 2 – столик образца, 3 – образец, 4 – объективная диафрагма, 5 – термисторы, 6 – обмотка линзы, 7 – верхний полюсный наконечник, 8 – охлаждаемый стержень, 9 – нижний полюсный наконечник, 10 – стигматор, 11 – каналы системы охлаждения, 12 – охлаждаемая диафрагма

В колонне микроскопа с помощью вакуумной системы откачки создается относительно низкое давление, примерно мм рт. ст. На это уходит довольно много времени. Чтобы ускорить подготовку прибора к работе, к камере объектов присоединяется специальное устройство для быстрой смены объекта. В микроскоп при этом попадает лишь очень небольшое количество воздуха, которое удаляется вакуумными насосами. Смена образца обычно занимает 5 мин.

2.2 Изображение

При взаимодействии электронного пучка с образцом электроны, проходящие вблизи атомов вещества объекта, отклоняются в направлении, определяемом его свойствами. Этим главным образом и обусловлен видимый контраст изображения. Кроме того, электроны могут еще претерпеть неупругое рассеяние, связанное с изменением их энергии и направления, пройти через объект без взаимодействия или быть поглощенными объектом. При поглощения электронов веществом возникает световое или рентгеновское излучение либо выделяется тепло. Если образец достаточно тонок, то доля рассеянных электронов невелика. Конструкции современных микроскопов позволяют использовать для формирования изображения все эффекты, возникающие при взаимодействии электронного луча с объектом.

Электроны, прошедшие через объект, попадают в объективную линзу (9), предназначенную для получения первого увеличенного изображения. Объективная линза – одна из наиболее важных частей микроскопа, "ответственная" за разрешающую способность прибора. Эта связано с тем, что электроны входят под сравнительно большим углом наклона к оси и вследствие этого даже незначительные аберрации существенно ухудшают изображение объекта.

Окончательное увеличенное электронное изображение преобразуется в видимое посредством люминесцентного экрана, 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. Иногда для повышения яркости слабого изображения применяется люминофорный экран с электронно-оптическим преобразователем. В этом случае окончательное изображение может быть выведено на обычный телевизионный экран, что позволяет записать его на видеоленту. Видеозапись применяется для регистрации изображений, меняющихся во времени, например, в связи с протеканием химической реакции. Чаще всего окончательное изображение регистрируется на фотопленке или фотопластинке. Фотопластинка обычно позволяет получить более четкое изображение, чем наблюдаемое простым глазом или записанное на видеоленте, так как фотоматериалы, вообще говоря, более эффективно регистрируют электроны. Кроме того, на единице площади фотопленки может быть зарегистрировано в 100 раз больше сигналов, чем на единице площади видеоленты. Благодаря этому изображение, зарегистрированное на фотопленке, можно дополнительно увеличить примерно в 10 раз без потери четкости.

Электронные линзы, как магнитные, так и электростатические, несовершенны. Они имеют те же дефекты, что и стеклянные линзы оптического микроскопа – хроматическая, сферическая аберрация и астигматизм. Хроматическая аберрация возникает из-за непостоянства фокусного расстояния при фокусировке электронов с различными скоростями. Эти искажения уменьшают, стабилизируя ток электронного луча и ток в линзах.

Сферическая аберрация обусловлена тем, что периферийные и внутренние зоны линзы формируют изображение на разных фокусных расстояниях. Намотку катушки магнита, сердечник электромагнита и канал в катушке, через который проходят электроны, нельзя выполнить идеально. Асимметрия магнитного поля линзы приводит к значительному искривлению траектории движения электронов.

Если магнитное поле несимметрично, то линза искажает изображение (астигматизм). То же самое можно отнести и к электростатическим линзам. Процесс изготовления электродов и их центровка должны быть в высокой степени точны, ибо от этого зависит качество линз.

В большинстве современных электронных микроскопов нарушения симметрии магнитных и электрических полей устраняют с помощью стигматоров. В каналы электромагнитных линз помещают небольшие электромагнитные катушки, изменяя ток, протекающий через них, они исправляют поле. Электростатические линзы дополняют электродами: подбирая потенциал, удается компенсировать асимметрию основного электростатического поля. Стигматоры весьма тонко регулируют поля, позволяют добиваться высокой их симметрии.

В объективе есть еще два важных устройства – апертурная диафрагма и отклоняющие катушки. Если в формировании конечного изображения участвуют отклоненные (дифрагированные) лучи, то качество изображения будет плохим вследствие сферической аберрации линзы. В объективную линзу вводят апертурную диафрагму с диаметром отверстия 40 – 50 мкм, которая задерживает лучи, дифрагированные под углом более 0,5 градуса. Лучи, отклоненные на небольшой угол, создают светлопольное изображение. Если апертурной диафрагмой заблокировать проходящий луч, то изображение формируется дифрагированным лучом. Оно в этом случае получается в темном поле. Однако метод темного поля дает менее качественное изображение, чем светлопольный, поскольку изображение формируется лучами, пересекающимися под углом к оси микроскопа, сферическая аберрация и астигматизм проявляются в большей степени. Отклоняющие же катушки служат для изменения наклона электронного луча.

Для получения окончательного изображения нужно увеличить первое увеличенное изображение объекта. Для этой цели применяется проекционная линза. Общее увеличение электронного микроскопа должно меняться в широких пределах, от небольшого соответствующего увеличению лупы (х 10, х 20), при котором можно исследовать не только часть объекта, но и увидеть весь объект, до максимального увеличения, позволяющего наиболее полно использовать высокую разрешающую способность электронного микроскопа (обычно до х 200000). Здесь уже недостаточно двухступенчатой системы (объектив, проекционная линза). Современные электронные микроскопы, рассчитанные на предельную разрешающую способность, должны иметь по крайней мере три увеличивающие линзы – объектив, промежуточную и проекционную линзы. Такая система гарантирует изменение увеличения в широком диапазоне (от х 10 до х 200000).

Изменение увеличения осуществляется регулировкой тока промежуточной линзы.

Еще один фактор, способствующий получению большего увеличения, изменение оптической силы линзы. Чтобы увеличить оптическую силу линзы, в цилиндрический канал электромагнитной катушки вставляют специальные так называемые "полюсные наконечники". Они изготовляются из мягкого железа или сплавов с большой магнитной проницаемостью и позволяют сконцентрировать магнитное поле в небольшом объеме. В некоторых моделях микроскопов предусмотрена возможность смены полюсных наконечников, таким образом добиваются дополнительного увеличения изображения объекта.

На конечном экране исследователь видит увеличенное изображение объекта. Различные участки объекта по-разному рассеивают падающие на них электроны. После объективной линзы (как уже указывалось выше) будут фокусироваться только электроны, которые при прохождении объекта отклоняются на малые углы. Эти же электроны фокусируются промежуточной и проекционной линзами на экране для конечного изображения. На экране соответствующие детали объекта будут светлые. В том случае, когда электроны при прохождении участков объекта отклоняются на большие углы, они задерживаются апертурной диафрагмой, расположенной в объективной линзе, и соответствующие участки изображения будут на экране темными.

Изображение становится видимым на флюоресцентном экране (светящимся под действием падающих на него электронов). Фотографируют его либо на фотопластинку, либо на фотопленку, которые расположены на несколько сантиметров ниже экрана. Хотя пластинка помещается ниже экрана, благодаря тому что электронные линзы имеют довольно большую глубину резкости и фокуса, четкость изображения объекта на фотопластинке не ухудшается. Смена пластинки – через герметичный люк. Иногда применяют фотомагазины (от 12 до 24 пластинок), которые устанавливают также через шлюзовые камеры, что позволяет избежать разгерметизации всего микроскопа.

2.3 Разрешение

Электронные пучки имеют свойства, аналогичные свойствам световых пучков. В частности, каждый электрон характеризуется определенной длиной волны. Разрешающая способность электронного микроскопа 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. Столь значительное преимущество электронного микроскопа в разрешающей способности объясняется тем, что длина волны электронов намного меньше длины волны света. 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 электронного микроскопа равно 50 – 100 длинам волн электронов. Даже со столь слабыми линзами в электронном микроскопе можно получить предел разрешения около 0,17 нм, что позволяет различать отдельные атомы в кристаллах. Для достижения разрешения такого порядка необходима очень тщательная настройка прибора; в частности, требуются высокостабильные источники питания, а сам прибор (который может быть высотой около 2,5 м и иметь массу в несколько тонн) и его дополнительное оборудование требуют монтажа, исключающего вибрацию.

Для достижения разрешения по точкам лучше чем 0,5 нм необходимо поддерживать прибор в отличном состоянии и, кроме того, использовать микроскоп, который специально предназначен для работ, связанных с получением высокого разрешения. Нестабильность тока объективной линзы и вибрации объектного столика следует свести к минимуму. Исследователь должен быть уверен, что в полюсном наконечнике объектива отсутствуют остатки объектов, оставшихся от предыдущих исследований. Диафрагмы должны быть чистыми. Микроскоп следует устанавливать в месте, удовлетворительном с точки зрения вибраций, посторонних магнитных полей, влажности, температуры и пыли. Постоянная сферической аберрации должна быть меньше 2 мм. Однако самыми важными факторами при работе с высоким разрешением являются стабильность электрических параметров и надежность микроскопа. Скорость загрязнения объекта должна быть меньше, чем 0,1 нм/мин, и это особенно важно для работы с высоким разрешением в темном поле.

Температурный дрейф должен быть минимальным. Для того чтобы свести к минимуму загрязнение и максимально увеличить стабильность высокого напряжения, необходим вакуум причем его следует измерять в конце линии откачки. Внутренность микроскопа, в особенности объем камеры электронной пушки, должны быть скрупулезно чистыми.

Удобными объектами для проверки микроскопа являются тест-объекты с маленькими частичками частично графитизированного угля, в которых видны плоскости кристаллической решетки. Во многих лабораториях такой образец всегда держат под рукой, чтобы проверять состояние микроскопа, и каждый день, прежде чем начать работу с высоким разрешением, на этом образце получают четкие изображения системы плоскостей с межплоскостным расстоянием 0,34 нм, используя держатель образца без наклона. Такая практика проверки прибора настоятельно рекомендуется. Больших затрат времени и энергии требует поддержание микроскопа в наилучшем состоянии. Не следует планировать исследования, требующие высокого разрешения, до тех пор пока не обеспечено поддержание состояния прибора на соответствующем уровне, и, что еще более важно, до тех пор пока микроскопист не вполне уверен, что результаты, полученные с помощью изображений высокого разрешения, оправдают затраченные время и усилия.

Современные электронные микроскопы оборудуются рядом приспособлений. Весьма важна приставка для изменения наклона образца во время наблюдения. Так как контраст изображения получается главным образом за счет дифракции электронов, то даже малые наклоны образца могут существенно влиять на него. Гониометрическое устройство имеет две взаимно перпендикулярные оси наклона, лежащие в плоскости образца, и приспособленные для его вращения на 360°. При наклоне устройство обеспечивает неизменность положения объекта относительно оси микроскопа. Гониометрическое устройство также необходимо при получении стереоснимков для изучения рельефа поверхности излома кристаллических образцов, рельефа костных тканей, биологических молекул и т. п.

Стереоскопическая пара получается съемкой в электронном микроскопе одного и того же места объекта в двух положениях, когда он повернут на небольшие углы к оси объектива (обычно ±5°).

Интересная информация об изменении структуры объектов может быть получена при непрерывном наблюдении за нагревом объекта. С помощью приставки удается изучить поверхностное окисление, процесс разупорядочения, фазовые превращения в многокомпонентных сплавах, термические превращения некоторых биологических препаратов, провести полный цикл термической обработки (отжиг, закалка, отпуск), причем с контролируемыми высокими скоростями нагрева и охлаждения. Вначале были разработаны устройства, которые герметично присоединялись к камере объектов. Специальным механизмом объект извлекался из колонны, термообрабатывался, а затем вновь помещался в камеру объектов. Преимущество метода – отсутствие загрязнения колонны и возможность длительной термообработки.

В современных электронных микроскопах имеются устройства для нагревания объекта непосредственно в колонне. Часть объектодержателя окружена микропечью. Нагрев вольфрамовой спирали микропечек осуществляется постоянным током от небольшого источника. Температура объекта изменяется при изменении тока нагревателя и определяется по градуировочной кривой. В устройстве сохраняется высокое разрешение при нагреве вплоть до 1100°С – порядка 30 Å.

В последнее время разработаны устройства, позволяющие нагревать объект электронным пучком самого микроскопа. Объект располагается на тонком вольфрамовом диске. Диск нагревается расфокусированным электронным лучом, небольшая часть которого проходит через отверстие в диске и создает изображение объекта. Температуру диска можно менять в широких пределах, изменяя его толщину и диаметр электронного луча.

Есть в микроскопе и столик для наблюдения объектов в процессе охлаждения до –140° С. Охлаждение – жидким азотом, который заливается в сосуд Дьюара, соединенный со столиком специальным хладопроводом. В этом устройстве удобно исследовать некоторые биологические и органические объекты, которые без охлаждения под воздействием электронного луча разрушаются.

С помощью приставки для растяжения объекта можно исследовать движение дефектов в металлах, процесс зарождения и развития трещины в объекте. Создано несколько типов подобных устройств. В одних использовано механическое нагружение перемещением захватов, в которых крепится объект, или передвижением нажимного стержня, в других – нагрев биметаллических пластин. Образец приклеивается или крепится захватами к биметаллическим пластинам, которые расходятся в стороны, когда их нагревают. Устройство позволяет деформировать образец на 20% и создавать усилие в 80 г.

Самой важной приставкой электронного микроскопа можно считать микродифракционное устройство для электронографических исследований какого-либо определенного участка объекта, представляющего особый интерес. Причем микродифракционную картину на современных микроскопах получают без переделки прибора. Дифракционная картина состоит из серии либо колец, либо пятен. Если в объекте многие плоскости ориентированы благоприятным для дифракции образом, то изображение состоит из сфокусированных пятен. Если электронный луч попадает сразу на несколько зерен беспорядочно ориентированного поликристалла, дифракция создается многочисленными плоскостями, образуется картина из дифракционных колец. По местоположению колец или пятен можно установить структуру вещества (например, нитрид или карбид), его химический состав, ориентацию кристаллографических плоскостей и расстояние между ними.

2.4 Источники электронов

Обычно используются четыре типа источников электронов: вольфрамовые V-образные катоды, вольфрамовые точечные (острийные) катоды, источники из гексаборида лантана и автоэлектронные источники. В данной главе кратко рассматриваются преимущества каждого вида источника электронов для просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения и их характеристики. К источникам электронов, используемым в электронной микроскопии высокого разрешения, предъявляются следующие основные требования:

1. Высокая яркость (плотность тока на единицу телесного угла). Выполнение этого требования существенно для экспериментов при получении изображений высокого разрешения с фазовым контрастом, когда необходимо сочетать малую апертуру освещения с достаточной величиной плотности тока, что дает возможность точно фокусировать изображение при большом увеличении.

2. Высокая эффективность использования электронов (отношение яркости к полной величине тока первичного пучка электронов), которая достигается за счет малого размера источника. Уменьшение освещаемой области образца снижает его нагревание и тепловой дрейф в процессе экспозиции.

3. Большое время жизни при имеющемся вакууме.

4. Стабильная эмиссия при длительной (до минуты) экспозиции, характерной в микроскопии высокого разрешения.

Идеальной системой освещения для обычного просвечивающего микроскопа высокого разрешения была бы система, позволяющая оператору независимо контролировать размер освещаемой области образца, интенсивность освещения и когерентность пучка. Такие возможности достигаются только при работе с автоэлектронным источником. Однако для большинства лабораторий использование вольфрамового точечного катода является наилучшим компромиссом, приемлемым как по стоимости, так и по рабочим характеристикам для просвечивающей микроскопии высокого разрешения. В настоящее время рассматривается также возможность использования источников из гексаборида лантана. Перспективным является также катод, нагреваемый лучом лазера, яркость которого, как сообщается, в 3000 раз превосходит яркость V-образного катода при эффективном диаметре источника порядка 10 нм. Эти катоды работают при умеренном вакууме (Тор).

2.5 Система освещения

Система имеет две конденсорные линзы С1 (сильная линза) и С2 (слабая линза). F – катод; W – цилиндр Вепельта; S – мнимый источник электронов, S" и S" – его изображения; СА2 – вторая конденсорная диафрагма. Расстояния, являются электронно-оптическими параметрами, тогда как расстояния, легко измеряются в колонне микроскопа.

На рис. 2.5.1 представлены две конденсорные линзы, входящие в систему освещения электронного микроскопа. Обычно можно осуществить независимое изменение фокусного расстояния этих линз (и) . Возбуждение первой конденсорной линзы изменяют с помощью регулировочной ручки, называемой иногда "размер пятна". Обычно выбирается такое возбуждение, при котором плоскости S, S" и поверхность образца являются сопряженными, т. е. чтобы сфокусированное изображение источника формировалось на образце (сфокусированное освещение).

Для V-образного катода размер источника приблизительно равен 30 мкм. Для предотвращения нежелательного нагрева и радиационного повреждения образца на нем нужно сформировать уменьшенное изображение источника. Рабочее расстояние также должно быть достаточно большим, чтобы имелась возможность перемещения объектодержателя при смене образца. При использовании одной конденсорной линзы трудно удовлетворить этим противоречивым требованиям – малое увеличение при большом расстоянии – так как для этого необходимо, чтобы расстояние было чрезмерно большим. Поэтому обычно используется сильная первая конденсорная линза, служащая для уменьшения изображения источника в 5 – 100 раз, а следующая за первой вторая слабая линза с увеличением около 3 обеспечивает большое рабочее расстояние.

2.6 Коррекция астигматизма

Регулировка стигматора объективной линзы весьма критична для обеспечения высокого разрешения. В некоторых приборах астигматизм регулируется как по направлению, так и по силе, в то время как в других предусмотрена регулировка силы астигматизма в двух фиксированных ортогональных направлениях. Прежде всего следует грубо скорректировать астигматизм с помощью стигматора до получения симметричности кольца Френеля. При работе с высоким разрешением необходимо возможно более точно скорректировать астигматизм, что можно сделать по изображению структуры тонкой аморфной угольной пленки при большом увеличении. Для тщательной корректировки астигматизма на деталях такого изображения размером 0,3 нм необходимы увеличение микроскопа по крайней мере 400 000-кратное и оптический бинокуляр х10. С помощью ручек изменения фокуса и стигматора добейтесь минимального контраста, что достигается при использовании ручек наиболее тонкой регулировки. При недофокусировке объектива в несколько десятков нанометров должна быть видна однородная зернистая структура угольной пленки без анизатропии в каком-либо преимущественном направлении. Это – трудная процедура, требующая значительных навыков. Оптическая дифрактограмма позволяет наиболее быстро проверить правильность коррекции астигматизма, и ее использование особенно важно при освоении процедуры корректировки астигматизма. Важны следующие моменты:

1. Глаза должны полностью адаптироваться к темноте. Для этого необходимо провести по крайней мере 20 мин в темноте.

2. Положение и чистота находящихся в поле линзы объективной диафрагмы и охлаждаемой диафрагмы критически влияют на требуемую установку стигматора. Никогда не трогайте ни ту, ни другую диафрагму после корректировки астигматизма до фотографирования изображения. Самое важное, что астигматизм не меняется во времени и его можно скорректировать. Небольшие загрязнения объективной диафрагмы не создают помех, которые нельзя скорректировать с помощью стигматора. Грязная диафрагма, создающая флуктуации поля, является более серьезной помехой. Проверяйте степень загрязнения диафрагмы объектива, смещая ее во время наблюдения изображения. При небольших смещениях диафрагмы не должно наблюдаться сильное ухудшение астигматизма. Чистоту отверстия охлаждаемой диафрагмы можно проверить при том увеличении, при котором она ограничивает поле зрения. Проверку производят небольшим перемещением охлаждаемой диафрагмы, если это возможно, проводя наблюдение при малом увеличении.

3. Ток коррекции астигматизма изменяется в зависимости от типа используемого объектодержателя, ускоряющего напряжения и тока возбуждения объективной линзы. Последний слегка зависит от увеличения, возможно, из-за магнитного взаимодействия линз.

4. Часто встречающейся причиной сильного астигматизма является присутствие кусочка от расколовшегося или частично испарившегося образца в полюсном наконечнике объектива.

5. Нет смысла корректировать астигматизм до тех пор, пока охлаждаемая диафрагма не достигнет температуры жидкого азота и пока резервуар охлаждаемой диафрагмы приходится периодически доливать жидким азотом (лучше с помощью насоса). Астигматизм также быстро появляется, как только жидкий азот испаряется из резервуара, приводя к перемещению диафрагмы по мере ее нагрева. На стабилизацию температуры диафрагмы может потребоваться по крайней мере полчаса с момента начала заполнения резервуара.

О чувствительности изображений высокого разрешения к астигматизму можно судить, проводя наблюдение плоскостей графитизированного углерода в светлом поле с ненаклоненным освещением и при этом регулируя стигматор. Чтобы получить изображения плоскостей решетки, расположенных во всевозможных направлениях, нужно точно скомпенсировать астигматизм по двум направлениям. Легче получить изображение плоскостей решетки одного направления, но оно не обеспечивает контроля точной коррекций астигматизма.

Наконец стоит повторить, что астигматизм нужно корректировать после каждого перемещения диафрагмы объектива.

2.7 Вспомогательное оборудование для обычной просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения

Кроме самого микроскопа имеются различные вспомогательные устройства, дополняющие микроскоп, которые упоминались ранее. В совокупности все они освещаются в этом параграфе.

1. Масс-спектрометр или манометр парциального давления являются чрезвычайно полезным дополнением к электронному микроскопу. Масс-спектрометр дает полный анализ продуктов загрязнения в микроскопе. В конструкциях некоторых приборов имеются магниты, такой прибор следует располагать с учетом возможного влияния на электронно-микроскопическое изображение.

2. Работая с высоким разрешением, полезно пользоваться балонным осушенным азотом. Микроскоп наполняется сухим азотом всякий раз, когда необходим внутренний ремонт для того, чтобы уменьшить количество водяных паров, проникающих в колонну.

3. Для калибровки увеличения прибора в условиях изменяющейся длины фокуса объективной линзы полезно использовать прибор для измерения тока объективной линзы.

4. Ввиду важности обеспечения термической стабильности при фотографировании темнопольных изображений с длительными экспозициями целесообразно иметь насос для перекачки жидкого азота.

5. Для сдувания с образца пыли или следов средств, оставшихся после чистки камеры пушки микроскопа, всегда полезно иметь резиновую грушу с соплом.

3. Подготовка объектов для исследований и особые требования к ним

Фольгу чаще всего приготовляют следующим образом. Из образца, подлежащего изучению, вырезают круглую заготовку диаметром 3 мм и толщиной 0,2-0,3 мм, которую затем утончают шлифованием до 0-1-0-15 мм. Окончательное утончение пластинки осуществляют химическим или электролитическим (наиболее частый случай) полированием в подходящем реактиве (по химическому составу, температуре). Подготовленную пластинку погружают в электролит в качестве анода. Катодами служат две металлические пластинки, расположенные по обе стороны от образца (фольги). Электрополирование, при оптимальном соотношении тока и напряжения, продолжают до появления в центральной части полируемой пластинки одного или нескольких небольших отверстий (диаметром 0,2-0,8 мм). По краям таких отверстий участки фольги получаются наиболее тонкими и могут быть использованы для просмотра в электронном микроскопе.

При рассмотрении реплик и фольг под электронным микроскопом при больших увеличениях вид микроструктуры значительно изменяется. Поэтому для правильной расшифровки структуры необходимо начинать исследование с небольших увеличений, постепенно переходя к большим.

Для металлофизических исследований обычно используют микроскопы с ускоряющим напряжением 100-200 кВ, позволяющие просвечивать электронными лучами объекты толщиной 0,2-0.4 мкм (предельная толщина зависит от атомной массы материала). С увеличением ускоряющего напряжения возрастает проникающая способность электронов, что дает возможность изучать объекты большей толщины. Широкое применение получили электронные микроскопы УЭМВ-100, ПЭМ-100. ЭМ-200 и др. Известны электронные микроскопы с ускоряющим напряжением 500, 1000, 1500 и даже 3500 кВ. Такие микроскопы позволяют изучать объекты толщиной до нескольких микрометров.

4. Применение просвечивающего электронного микроскопа

Вряд ли остался какой-либо сектор исследований в области биологии и материаловедения, где бы не применялась просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ); это обеспечено успехами техники приготовления образцов.

Все применяемые в электронной микроскопии методики нацелены на получение предельно тонкого образца и обеспечение максимального контраста между ним и подложкой, которая необходима ему в качестве опоры. Основная методика рассчитана на образцы толщиной 2 – 200 нм, поддерживаемые тонкими пластмассовыми или углеродными пленками, которые кладутся на сетку с размером ячейки около 0,05 мм. Подходящий образец, каким бы способом он ни был получен, обрабатывается так, чтобы увеличить интенсивность рассеяния электронов на исследуемом объекте. Если контраст достаточно велик, то глаз наблюдателя может без напряжения различить детали, находящиеся на расстоянии 0,1 – 0,2 мм друг от друга. Следовательно, для того, чтобы на изображении, создаваемом электронным микроскопом, были различимы детали, разделенные на образце расстоянием в 1 нм, необходимо полное увеличение порядка 100 – 200 тыс. Лучшие из микроскопов могут создать на фотопластинке изображение образца с таким увеличением, но при этом изображается слишком малый участок. Обычно делают микроснимок с меньшим увеличением, а затем увеличивают его фотографически. Фотопластинка разрешает на длине 10 см около 10 000 линий. Если каждая линия соответствует на образце некой структуре протяженностью 0,5 нм, то для регистрации такой структуры необходимо увеличение не менее 20 000, тогда как при помощи ПЭМ, может быть разрешено около 1000 линий.

4.1 Небиологические материалы

Главной целью электронной микроскопии высокого разрешения на сегодняшний день является визуализация деталей ультраструктуры несовершенных кристаллических материалов. В настоящее время не существует других методов, способных давать такую информацию на атомном уровне разрешения или на уровне разрешения элементарной ячейки. Детальное понимание структуры дефектов кристаллов определяет прогресс как в кристаллохимии, так и в области исследования прочности материалов. Используя электронный пучок для управления скоростью протекания химической реакции в кристаллах, можно также почти на атомном уровне изучать движение дефектов при фазовых переходах. Электронная микроскопия высокого разрешения- находит также широкое применение для исследования микроструктуры очень маленьких кристаллов, от которых нельзя получить картину рентгеновской дифракции. В последние годы этот метод широко применяется для исследования минералов и керамических материалов.

Исследования минералов методом реплик начались несколько десятков лет назад. Непосредственно методом просвечивающей электронной микроскопии первыми были изучены слюда и глинистые минералы. Среди первых минералогов, которые использовали электронную микроскопию в своих исследованиях, можно назвать Риббе, Мак-Коннела и Флита. Большое влияние на развитие электронной микроскопии применительно к минералогии оказали работы Мак-Ларена и Фейки (с 1965 г.) и Ниссена (с 1967 г.); программа их исследований была целиком посвящена электро-микроскопическому исследованию минералов. В 1970 г. работы по исследованию лунных материалов методами ТЭМ способствовали возникновению необыкновенного бума в электронной микроскопии минералов, в который наряду с минералогами были вовлечены материаловеды и физики. Полученные ими в течение пяти лет результаты, оказавшие колоссальное влияние на современную минералогию, показали, что электронная микроскопия является очень мощным инструментом в руках ученого. К настоящему времени новые данные внесли весомый вклад в расшифровку строения полевых шпатов и пироксенов, и почти в каждой группе минералов исследования с помощью электронной микроскопии раскрывают ряд неожиданных свойств.

Электронная микроскопия применялась также для определения возраста земных, лунных и метеоритных пород. При этом было использовано то обстоятельство, что во время радиоактивного распада ядра высвобождаются частицы, проникающие в окружающий материал с высокой скоростью и оставляющие видимый "след" в кристалле. Такие треки можно увидеть с помощью электронного микроскопа, используя его в режимах сканирования или на просвет. Плотность треков распада вокруг радиоактивного включения пропорциональна возрасту кристалла, а их длина является функцией энергии частицы. Длинные треки, указывающие на высокую энергию частиц, были обнаружены в лунной породе; Хатчеон и Прайс приписали этот необычайно длинный трек распаду элемента 244 Po , который из-за короткого периода полураспада к настоящему времени исчез, но еще мог существовать 4 млрд. лет назад. Треки в материале, взятом с поверхности Луны или из метеоритов (рис. 4.1.1), дают информацию об эволюции космической радиации и позволяют сделать выводы о возрасте и составе Вселенной.

Высокая плотность треков вызвана наличием энергетически более тяжелых ядер (главным образом Fе) в солнечной вспышке перед образованием метеорита.

ПЭМ применяется в исследованиях материалов для изучения тонких кристаллов и границ между разными материалами. Чтобы получить изображение границы раздела с большим разрешением, образец заливают пластмассой, делают срез образца, перпендикулярный границе, а затем утоньшают его так, чтобы граница была видна на заостренной кромке. Кристаллическая решетка сильно рассеивает электроны в определенных направлениях, давая дифракционную картину. Изображение кристаллического образца в значительной мере определяется этой картиной; контраст сильно зависит от ориентации, толщины и совершенства кристаллической решетки. Изменения контраста на изображении позволяют изучать кристаллическую решетку и ее несовершенства в масштабе атомных размеров. Получаемая при этом информация дополняет ту, которую дает рентгенографический анализ объемных образцов, так как ЭМ дает возможность непосредственно видеть во всех деталях дислокации, дефекты упаковки и границы зерен. Кроме того, в ЭМ можно снимать электронограммы и наблюдать картины дифракции от выделенных участков образца. Если диафрагму объектива настроить так, чтобы через нее проходили только один дифрагированный и нерассеянный центральный пучки, то можно получать изображение определенной системы кристаллических плоскостей, которая дает этот дифрагированный пучок. Современные приборы позволяют разрешать периоды решетки величиной 0,1 нм. Исследовать кристаллы можно также методом темнопольного изображения, при котором перекрывают центральный пучок, так что изображение формируется одним или несколькими дифрагированными пучками. Все эти методы дали важную информацию о структуре очень многих материалов и существенно прояснили физику кристаллов и их свойства. Например, анализ ПЭМ-изображений кристаллической решетки тонких малоразмерных квазикристаллов в сочетании с анализом их электронограмм позволил в 1985 открыть материалы с симметрией пятого порядка.

4.2 Биологические препараты

Электронная микроскопия широко применяется в биологических и медицинских исследованиях. Разработаны методики фиксации, заливки и получения тонких срезов тканей для исследования в ПЭМ. Эти методики дают возможность исследовать организацию клеток на макромолекулярном уровне. Электронная микроскопия выявила компоненты клетки и детали строения мембран, митохондрий, эндоплазматической сети, рибосом и множества других органелл, входящих в состав клетки. Образец сначала фиксируют глутаральдегидом или другими фиксирующими веществами, а затем обезвоживают и заливают пластмассой. Методы криофиксации (фиксации при очень низких – криогенных – температурах) позволяют сохранить структуру и состав без использования химических фиксирующих веществ. Кроме того, криогенные методы позволяют получать изображения замороженных биологических образцов без их обезвоживания. При помощи ультрамикротомов с лезвиями из полированного алмаза или сколотого стекла можно делать срезы тканей толщиной 30 – 40 нм. Смонтированные препараты могут быть окрашены соединениями тяжелых металлов (свинца, осмия, золота, вольфрама, урана) для усиления контраста отдельных компонентов или структур.

Биологические исследования были распространены на микроорганизмы, особенно на вирусы, которые не разрешаются световыми микроскопами. ПЭМ позволила выявить, например, структуры бактериофагов и расположение субъединиц в белковых оболочках вирусов. Кроме того, методами позитивного и негативного окрашивания удалось выявить структуру с субъединицами в ряде других важных биологических микроструктур. Методы усиления контраста нуклеиновых кислот позволили наблюдать одно- и двунитные ДНК. Эти длинные линейные молекулы распластывают в слой основного белка и накладывают на тонкую пленку. Затем на образец вакуумным напылением наносят очень тонкий слой тяжелого металла. Этот слой тяжелого металла "оттеняет" образец, благодаря чему последний при наблюдении в ПЭМ выглядит как бы освещенным с той стороны, с которой напылялся металл. Если же вращать образец во время напыления, то металл накапливается вокруг частиц со всех сторон равномерно (как снежный ком).

4.3 Высоковольтная микроскопия

В настоящее время промышленность выпускает высоковольтные варианты ПЭМ с ускоряющим напряжением от 300 до 400 кВ. Такие микроскопы имеют более высокую проникающую способность, чем у низковольтных приборов, причем почти не уступают в этом отношении микроскопам с напряжением 1 млн. вольт, которые строились в прошлом. Современные высоковольтные микроскопы достаточно компактны и могут быть установлены в обычном лабораторном помещении. Их повышенная проникающая способность оказывается очень ценным свойством при исследовании дефектов в более толстых кристаллах, особенно таких, из которых невозможно сделать тонкие образцы. В биологии их высокая проникающая способность дает возможность исследовать целые клетки, не разрезая их. Кроме того, с помощью таких микроскопов можно получать объемные изображения толстых объектов.

4.4 Радиационное повреждение

Поскольку электроны представляют собой ионизирующее излучение, образец в ЭМ постоянно подвергается его воздействию. Следовательно, образцы всегда подвергаются радиационному повреждению. Типичная доза излучения, поглощаемая тонким образцом за время регистрации микрофотографии в ПЭМ, примерно соответствует энергии, которой было бы достаточно для полного испарения холодной воды из пруда глубиной 4 м с площадью поверхности 1 га. 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.

5. Современные виды просвечивающей электронной микроскопии

Современный просвечивающий электронный микроскоп Titan™ 80 – 300 дает изображение наноструктур на суб-ангстремном уровне. Электронный микроскоп Титан работает в диапазоне 80 – 300 кВ с возможностями коррекции сферической аберрации и монохроматичности. Данный электронный микроскоп соответствует жестким требованиям максимальной механической, тепловой и электрической стабильности, так же, как точным юстировкам усовершенствованных компонентов. Титан расширяет разрешающие возможности спектроскопии при измерении запрещенных энергетических зон и электронных свойств и позволяет пользователю получить четкие изображения границ раздела и наиболее полно интерпретировать полученные данные .

300-киловольтный аналитический электронный микроскоп высокой точности и сверхвысокого разрешения сконструирован таким образом, чтобы одновременно можно было наблюдать изображение на атомарном уровне и прицельно анализировать образец. В данном микроскопе использовано много новых разработок, в том числе компактная электронная пушка на 300 кВ, осветительная система с пятью линзами.

Использование встроенного ионного насоса обеспечивает чистый и стабильно высокий вакуум. Разрешение по точкам: 0,17 нм. Ускоряющее напряжение: от 100 до 300 кВ. Увеличение: от х 50 до х 1 500 000.

Просвечивающий электронный микроскоп, оборудованный электронной пушкой высокой яркости с подогревным катодом на полевой эмиссии, обладающим повышенной стабильностью тока эмиссии. Позволяет непосредственно наблюдать детали атомного строения и анализировать отдельные атомные слои. Электронная пушка с подогревным катодом на полевой эмиссии, более всего подходящая для анализа нанообластей, обеспечивает ток зонда 0,5 нА при его диаметре 1 нм и 0,1 нА при 0,4 нм. Разрешение в точке: 0,17 нм. Ускоряющее напряжение: 100, 200, 300 кВ. Увеличение: от х60 до х1 500 000.

Электронная пушка с полевой эмиссией, обеспечивающая электронный пучок с высокой яркостью и когерентностью, играет ключевую роль в получении высокого разрешения и при анализе наноструктур. Прибор JEM – 2100F является комплексным ПЭМ, оснащенным развитой системой электронного управления различными функциями.

Основные особенности данного прибора: 1)Высокая яркость и стабильность электронной пушки с термополевой эмиссией обеспечивает анализ областей наноразмеров при большом увеличении. 2) Диаметр зонда меньше 0.5 нм позволяет уменьшить точку анализа до уровня нанометров. 3)Новый высокостабильный столик образцов с боковой загрузкой обеспечивает простой наклон, поворот, нагрев и охлаждение, программируемые установки и другое без механического дрейфа.

Позволяет не только получать изображения на просвет и картины дифракции, но и включает в себя компьютерную систему контроля, которая может объединять TEM , устройство получения изображений в режиме сканирования (STEM), энергодисперсионный спектрометр (JED – 2300 T) и спектрометр энергетических потерь электронов (EELS) в любых комбинациях.

Высокое разрешение (0,19 нм) достигается благодаря стабильности высокого напряжения и тока пучка, вместе с превосходной системой линз. Новая структура рамы колонны микроскопа мягко уменьшает эффект вибрации прибора. Новый гониометрический столик позволяет позиционирование образца с точностью до нанометров. Компьютерная система контроля микроскопа обеспечивает подключение по сети других пользователей (компьютеров) и обмен информацией между ними.

6. Недостатки и ограничения, особенности применения просвечивающей электронной микроскопии

Для начала отметим недостатки просвечивающего электронного микроскопа. Материалам требуется особая подготовка перед непосредственными исследованиями, поскольку необходимо изготавливать образец такой толщины, чтобы электроны в достаточной степени проходили сквозь него. Исследуемые образцы могут быть расположены только на графене — углеродном нано-материале в один атом толщиной, что обеспечит достаточную пропускную способность. Поле зрения ПЭМ является ограниченным, что не позволяет сделать оценку всей поверхности образца. В случае с биоматериалами велика вероятность нанесения повреждений образцу.

Далее рассмотрим ограничения по разрешению. Разрешение ПЭМ зачастую ограничивается сферическими и хроматическими аберрациями. Новое поколение корректоров уже позволяет преодолеть значительную часть сферических аберраций. Программное обеспечение хотя коррекции сферических аберраций позволило получить изображение атома углерода в алмазе с достаточно высоким разрешением. Раньше этого сделать не удавалось поскольку межатомное расстояние составляло 0.89 ангстрем (89 пикаметров. 1 ангстрем =100 пикаметров = 10~ 10 м). Увеличение в этом случае составляло 50 миллионов раз. Способность определять расположение атомов в материалах сделал ПЭМ незаменимым инструментом для нанотехнологии, научных исследований и разработок во многих областях, в том числе и в области гетерогенного катализа, а также в области разработки полупроводниковых приборов электроники и фотоники.

Наконец рассмотрим применение просвечивающей электронной микроскопии. Если растровая электронная микроскопия может объяснить, как произошло разрушение в исследуемом материале изделия, как механическая поверхность детали откликается на термопластическое воздействие внешней среды, то просвечивающая электронная микроскопия может объяснить, почему это происходит, как этому способствует структурно-фазовое состояние материала.

Метод просвечивающей электронной микроскопии позволяет изучать внутреннюю структуру исследуемых металлов и сплавов, в частности:

• определять тип и параметры кристаллической решетки матрицы и фаз;
• определять ориентированные соотношения между фазой и матрицей:
• изучать строение границ зерен;
• определять кристаллографическую ориентацию отдельных зерен, субзерена;
• определять углы разориентировки между зернами, субзернами ;
• определять плоскости залегания дефектов кристаллического строения;
• изучать плотность и распределение дислокаций в материалах изделий;
• изучать процессы структурных и фазовых превращений в сплавах:
• изучать влияние на структуру конструкционных материалов технологических факторов (прокатки, ковки, шлифовки, сварки и т. д.).

Все перечисленные выше задачи постоянно встречаются в практической деятельности исследователей металлов и сплавов. Главной из них является задача выбора материала конструкций с заданными механическими свойствами, такими, чтобы готовая конструкция смогла стабильно работать в условиях дальнейшей ее эксплуатации. Эту задачу можно решить только совместными усилиями кристаллографов, металловедов и технологов. Успех ее решения зависит: 1)От правильного выбора металла основы с нужным типом кристаллической решетки. 2)От легирования и термопластической обработки металла с целью формирования в нем заданной структуры — это область металловедения. 3)От разработки технологических процессов изготовления конструкции — это область технологии.

Задача создания сплава с заданными механическими свойствами подразумевает создание материала с нужной внутренней структурой, поскольку практически все механические свойства являются структурно-чувствительными. Все без исключения изменения свойств металлов и сплавов в глубинных или поверхностных слоях это отклик на изменение их внутреннего строения на макро-, микро- и субмикроскопическом уровнях.

Изучение микротопографии поверхности и внутренней структуры конструкционных материалов является одним из наиболее эффективных приложений мощных современных и быстро развивающихся методов растровой и просвечивающей электронной микроскопии.

Заключение

До сравнительно недавнего времени в руках минералогов находились два классических инструмента – поляризационный микроскоп и аппаратура для рентгеновской дифракции. С помощью оптического микроскопа мы можем исследовать морфологию и оптические свойства минералов, изучать двойники и ламели, если они по размеру превышают длину волны падающего света. Данные по рентгеновской дифракции позволяют точно определить положение атомов в элементарной ячейке в масштабе 1 – 100 Å. Однако такое определение кристаллического строения дает нам некую структуру, усредненную по многим тысячам элементарных ячеек; следовательно, мы заранее принимаем, что все элементарные ячейки идентичны.

В то же время становится все более очевидной важность структурных деталей, характеризующих минералы в масштабе 100 – 10 000 Å. Диффузные рефлексы на рентгенограммах были интерпретированы как свидетельство существования малых доменов; астеризм, наблюдаемый на лауэграммах, или небольшие значения коэффициентов экстинкции при уточнении структуры, указали на то, что кристаллы несовершенны по своему строению и содержат различные дефекты. Для исследования неоднородностей, размеры которых находятся в указанных пределах, идеальным инструментом является электронный микроскоп. Такие исследования – важный источник геологической информации, характеризующей параметры охлаждения и образования минералов и горных пород или условия их деформации.

В противоположность рентгеновской дифракции, которую начали использовать в минералогии немедленно после ее открытия, электронная микроскопия вначале получила наибольшее развитие и применение в металлургии. После создания промышленных приборов в 1939 г. потребовалось более 30 лет, чтобы электронный микроскоп стал обычным инструментом в минералогии и петрографии.

Преимущество электронной микроскопии состоит в том, что с ее помощью структуры и текстуры можно изобразить в реальном пространстве, и, следовательно, результаты легче визуализировать, чем получить их путем расчета дифракционных картин. Здесь уместно упомянуть о необходимости соблюдать определенную осторожность. В отличие от наблюдений в оптическом микроскопе структуру нельзя увидеть непосредственно через электронный микроскоп. Мы просто наблюдаем контраст, возникающий, например, от поля деформаций вокруг дислокаций, и этот контраст трансформируется в изображение внутри прибора. Электронная микроскопия не заменяет исследований, проводимых методами рентгеновской дифракции. С другой стороны, имеется много примеров, когда данные электронной микроскопии служили основанием для интерпретации рентгеновских данных. Эти две методики идеально дополняют друг друга.

Список литературы

1. Дюков В.Г., Непийко С.А., Седов Н.Н Электронная микроскопия локальных потенциалов./ АН УССР. Ин-т физики. – Киев: Наук. думка, 1991. – 200 с.

2. Кулаков Ю.А Электронная микроскопия. – М.: Знание,1981. – 64 с.

3. Ч. Пул, Ф. Оуэнс Нанотехнологии: Пер. с англ./Под ред. Ю. И. Головина. – М.: Техносфера, 2005. – 336 с

4. Спенс Дж. Экспериментальная электронная микроскопия высокого разрешения: Пер. с англ./Под ред. В. Н. Рожанского. – М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. Лит.,1986. – 320 с., ил.

5. Томас Г., Горинж М. Дж. Просвечивающая электронная микроскопия материалов: Пер. с англ./Под ред. Б.К. Вайнштейна – М: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1983 – 320с

6. Электронная микроскопия в минералогии: Пер. с анг./Под общей ред. Г.-Р. Венка. – М.: Мир, 1979. – 485с., ил.

7. А. И. Власов, К. А. Елсуков, И. А. Косолапов Электронная микроскопия;

Под редакцией заслуженного деятеля науки РФ, члена-корреспондента РАН, профессора В. А. Шахнова