Просвечивающая электронная микроскопия возможности анализа структуры. Микроскоп, электронный просвечивающий. Просвечивающая электронная микроскопия
Просвечивающая электронная микроскопия является чрезвычайно тонким и в то же время необходимым методом надежной оценки структуры, позволяющим прогнозировать свойства материалов. Освоение современным научным и технических сообществом наноразмерных объектов еще в большей степени обозначило важность применения электронной микроскопии, в частности, просвечивающей и растровой.
Просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ) имеет много сходных черт со световым микроскопом и является типичным прибором составляющие части которого (источник электронов, диафрагмы (или щели), система управления пучком и юстировки, вакуумная система и т.д.) входят в состав подобных приборов.
В качестве источника электронов используется катод электронной пушки в виде нити V-образной формы (рис. 2.6).
Рис. 2.6. Схема просвечивающего электронного микроскопа. а) режим дифракции; б) режим изображения.
Материалом катода чаще всего является вольфрам. Электроны ускоряются высоким напряжением в электрическом поле электронной пушки. Для исследования металлических материалов наиболее широко применяются микроскопы с рабочим напряжением до 200 кВ. Решающее значение приобретает стабильность напряжения, от чего зависит монохроматичность изучения и, как следствие, наличие хроматической аберрации.
Для юстировки микроскопа большое значение имеет отклоняющая система, с помощью которой производится совмещение ЭП с оптической осью прибора. Наклон и смещение ЭП осуществляется магнитным полем, создаваемым электромагнитными катушками.
Образец, на который направляется ЭП, может представлять собой, например, нанопорошок закрепленный в прозрачной для электронов матрице или нанопленку, нанесенную на прозрачную для электронов основу.
Как уже отмечалось, при взаимодействии с кристаллом проявляется волновая природа электрона и происходит дифракция электронных волн на кристаллической решетке. В результате вылетевшие из нижней поверхности образца электроны будут формировать не только один проходящий не отклоненный ЭП, но и дифрагированные ЭП, отклоненные в соответствии с условием В-Б. Если ПЭМ используется в режиме дифракции, то все пучки проходят объективную линзу, в задней фокальной плоскости которой возникает дифракционная картина.
Следующий этап состоит в увеличении размеров картины проекционными линзами и в фокусировании на люминесцентный экран (рис. 2.6, а).
Если ЭМ используется в режиме изображения (см. рис. 2.6, б), то ниже объективной линзы вводится апертурная диафрагма (диаметром 0.5-20 мкм}, или пропускающая только неотклоненный ЭП в случае светлопольного изображения, или один из дифрагированных- для темнопольного изображения. Для получения высококачественных изображений требуется тщательная юстировка микроскопа.
Увеличение ЭМ составляет сотни тысяч, но это может оказаться бесполезным, если в силу каких-либо причин (плохая юстировка, аберрации, механическая и электрическая нестабильности и т. д.) низка разрешающая способность прибора.
Линзы современных ЭМ представляют собой электромагниты (рис. 2.7), в которые для более эффектного использования магнитного поля вставлены сердечники из магнитомягкого материала с полюсами. Фокусное расстояние в линзах изменяется при изменении тока.
Рис. 2.7. Характерная конструкция электронной линзы
Существенную роль для получения высококачественного изображения играют диафрагмы, изготавливаемые из тугоплавких материалов, например, тантала. Световая или конденсорная диафрагма образует тонкий пучок параллельных электронов, апертурная или объектная служит для выделения отдельных пучков, формирующих изображение, и, наконец, селекторная диафрагма необходима для выделения участков на образце, дифракция от которых интересует исследователя.
В колонне и пушке ПЭМ поддерживается высокий вакуум, кроме этого обеспечивается высокая механическая стабильность прибора и его защита от различных полей. Для создания необходимых дифракционных условий существует проблема точного и плавного наклонения и вращения образца, решаемая специальным механическим устройством - гониометром.
К достоинствам ПЭМ относятся:
Высокая разрешающая способность, возможная из-за очень малой длины волн электронов, ускоренных высоким напряжением. С помощью ПЭМ можно различать точки, отстоящие друг от друга на расстоянии долей нанометра.
Возможность анализа физической природы и количественных оценок дефектов кристаллов и других структурных элементов в силу дифракционной природы контраста на электронно-микроскопических изображениях;
Уникальная возможность исследовать одновременно изображение (морфологию) и кристаллографические характеристики структуры;
Высокая интенсивность электронного излучения, прошедшего через образец, позволяющая достаточно хорошо наблюдать и быстро регистрировать полученные изображения;
Большая глубина резкости, т. е. возможность одновременного изображения элементов структуры, находящейся в o6paзце на различной глубине. Это достоинство позволяет также широко использовать электронную микроскопию для исследования шероховатых поверхностей на отражение и с помощью реплик (слепков) на просвет.
Вся информация об объекте, освещаемом ЭП, заложена в тех изменениях, которые претерпевает ЭП при взаимодействии с веществом. Малая, даже по сравнению с межатомным расстоянием, длина волны электрона (10 -3 нм) дает основание считать, что в ЭП, рассеянном на кристалле, содержится информация о:
Расположении атомов в решетке,
Принадлежности атомов тому или иному элементу,
Несовершенствах кристаллического строения на атомном и более грубом уровнях,
Имеющиеся измерительные возможности позволяют, как правило, воспользоваться только частью этой информации, и для расшифровки изображения необходимо иметь представление о принципах его построения и о том, какая часть информации теряется.
Всякий просвечиваемый объект, тем более кристаллический, можно представить в виде периодической решетки, на которую падает параллельный когерентный пучок излучения (рис. 2.8). Для получения максимальной информации об объекте необходимо все прошедшее через него излучение без потерь предъявить наблюдателю.
Рис. 2.8. Условная схема возникновения изображения периодической решетки
Для этого используется объективная линза, располагаемая под объектом. Объектив собирает в своей задней фокальной плоскости все параллельные лучи, вышедшие из разных точек объекта, т.е. лучи, дифрагированные под одинаковыми углами. Полученные дифракционные максимумы образуют дифракционную картину, называемую первичным изображением объекта (по Аббе). Ниже фокальной плоскости лучи расходятся, и в другой плоскости - плоскости изображения сходятся уже лучи, выпущенные из одних и тех же точек объекта. Эти лучи интерферируют, образуя вторичное (действительное) изображение объекта. Чем больше дифрагированных пучков проходит объективную линзу (без искажений), тем больше соответствие изображения объекту. Для использования двух пучков, прямого и ближайшего дифрагированного удалось увидеть изображение периодических полос, соответствующих расположению атомных плоскостей решетки; использование большого количества ЭП позволило наблюдать систему пятен, соответствующих расположению атомов. Таким обрезом, чем больше ЭП участвует в изображении, тем больше деталей структуры можно выявить. Однако для привлечения многих ЭП (создания многолучевого изображения) необходимо выполнить следующие условия:
Дифрагированные пучки должны пройти сквозь отверстие малой апертурной диафрагмы. Размер диафрагмы должен быть малым в силу большой сферической аберрации магнитных линз, из-за чего участие в формировании изображения периферийных зон объективной линзы приведет к понижению разрешающей способности. Это может свести на нет преимущества многопучкового изображения и сделать невозможным рассмотрение отдельных атомных плоскостей, отстоящих на расстояния порядка долей нанометра. Поэтому для использования многих дифрагированных пучков необходимо уменьшать углы дифракции ЭП, что удается с помощью высоковольтной электронной микроскопии (U> 500 кВ);
Разрешение, которое требуется для наблюдения отдельных плоскостей или атомов, выполнимо только при высокой электрической и механической стабильности узлов прибора и требует больших усилий по выявлению и регистрации изображения.
Однако следует напомнить, что для формирования электронно-микроскопического изображения чаще всего используется только один пучок, легко выделяемый апертурной диафрагмой. При этом, естественно, не наблюдается структура кристаллической решетки, но, тем не менее, есть возможность получить информацию о более крупных структурных элементах, изменяющих условия отражения и организующих контраст (отличие деталей изображения от фона).
В приведенной модели периодической решетки эти структурные элементы можно представить как большие, по сравнению с размером атома, искажения.
Рис. 2.9. Схема формирования изображения от идеального кристалла в проходящем пучке
При наблюдении электронно-микроскопического изображения идеального кристалла нанообъекта в светлом поле (рис. 2.9) в проходящем (нулевом) ЭП можно увидеть в основном следующее:
а) поле зрения на экране в пределах кристалла светлое, это свидетельствует о том, то кристалл прозрачен для электронов;
б) поле зрения темное - кристалл для электронов непрозрачен.
То обстоятельство, что один и тот же кристалл может быть прозрачен или непрозрачен, легко объясняется условием В-Б, но при этом даже когда идеальный кристалл прозрачен, внутри кристалла не видно никаких особенностей, т.е. отсутствует контраст. Единственное, что можно заметить в данном случае, - это границы кристалла, а значит, определить только его форму и размеры.
Контраст на электронно-микроскопическом изображении в проходящем ЭП появляется в случае локального изменения дифракционных условий в кристаллической решетке и называется дифракционным контрастом. Толкование электронно-микроскопических изображений основывается на объяснении происхождения дифракционного контраста. Источником локальных изменений условий дифракции являются различные несовершенства кристаллической решетки. Остановимся на некоторых из них.
Дислокации. Присутствие дислокаций приводит к местному изгибу плоскостей решетки (матрицы) вдоль линии дислокации (рис. 2.10).
Рис. 2.10. Образование контраста от краевой дислокации а) в светлом поле б) в темном поле
При этом изогнутые участки можно поставить в отражающее положение, тогда как вся матрица будет прозрачна для прямо проходящих электронов. Это выразится в появлении на экране темной полосы, соответствующей положению проекции линии дислокации в кристалле на плоскость экрана. Дифрагированный пучок отсекается апертурной диафрагмой, причем если диафрагмой выделить именно дифрагированный пучок, а отсечь проходящий, то в поле зрения будет светлая линия дислокации на темном поле кристалла, т.е. формируется темнопольное изображение элементов структуры. Разрешение в темнопольном изображении может быть лучше, чем в светлопольном. Так как локальное изменение условий дифракции возможно при отражении ЭП только от изогнутых участков плоскостей, то, если электроны вблизи дислокации падают на решетку таким образом, что в отражающем положении находятся неискаженные плоскости, контраста на изображении не возникает и дислокация может оказаться невидимой. Отсюда вытекает правило невидимости дислокаций:
g·b = 0
где g - вектор отражения дифрагированного ЭП; b – вектор Бюргерса, показывающий направление искажения решетки, которое для краевой дислокации имеет вид
g·b x U = 0
где U вектор касательной к линии дислокации. В данной случае учитывается возникновение контраста при отрешении от плоскости скольжения, которая будет несколько изогнута дислокацией.
2. Плавные и дискретные изгибы участков кристалла, вызывающие разориентацию кристаллической решетки (рис. 2.11).
Рис. 2.11. Образование дифракционного контраста от плавно изогнутого кристалла (без учета действия объективной линзы).
При этом на экране появятся темные и светлые полосы, если изгиб плавный, то при наклоне объекта полосы будут плавно перемещаться, В случае дискретного изгиба будет наблюдаться неподвижная граница между разориентированными участками, при этом условия дифракции, а значит и контраста, будут меняться более или менее резко (дискретно).
3. Выделения и предвыделения вторичных фаз. При зарождении вторичной фазы, как правило, происходит; упругое искажение матрицы, что изменяет местные условия дифракции (рис. 2.12).
Рис. 2.12. Схема образования изображения от образца с включением; а) светлое поле, б) темное поле
Возникающие границы раздела и иные чем в матрице межплоскостные расстояния в новой фазе делают ее контрастной.
4. Вакансионные и примесные скопления. При достаточно большом скоплении вакансий или примесных атомов матрица искажается на достаточно большом протяжении, что делает заметным это скопление на изображении. Скопление вакансий может образовывать вакансионный диск. Если диаметр диска достигает достаточно большого размера, то диск "схлопывается". "Схлопывание" вакансионного диска приводит к образованию дислокационной петли, наблюдаемой в электронном микроскопе.
Другие вида контраста в рамках первичного знакомства сложны для восприятия без привлечения теории и поэтому здесь не рассматриваются.
Разрешающая способность ПЭМ как минимальное расстояние между двумя точками объекта, которое еще можно различить на изображении, зависит от следующих основных факторов:
Длины волны электронов;
Величины сферической аберрации;
Величины хроматической аберрации;
Астигматизма,
Механической стабильности и состояния прибора (вакуум, чистота и т.д.).
Малая длина волны электронов, ускоренных высоким напряжением, является, как известно, основным условием уникальной разрешающей способности электронного микроскопа, так как чем меньше длина волны, тем меньше элементы структуры объекта, на которых может происходить дифракция волн, т.е. тем ниже оптическая однородность среды для волн данной длины.
Длина волны электрона l определяется, исходя из известных соотношений:
U·e = 1/2m·v 2
где e - заряд электрона; m . - масса движущегося электрона; U - ускоряющее напряжение; v - скорость электрона.
С другой стороны, по формуле Де-Бройля.
h = m·v ·l
Отсюда можно получить
l =h/(2m·U·e ) -2
Подставляя численные значения, получим простое выражение:
l =1,226/(U) -2 (нм)
Величина сферической аберрации оптической системы определяется сферической аберрацией объективной линзы. Неизбежная неоднородность радиальной составляющей магнитном поля в линзе (рис. 2.7) (на периферии напряженность больше, чем у оси). Это приводит к неравенству фокусных расстояний линзы для приосевых и периферийных электронов (рис. 2.13).
Рис. 2.13. Схема сферической аберрации
Поэтому для построения изображения используются, как правило, только приосевые электроны, остальные отсекаются апертурной диафрагмой. Однако величину диафрагмы нельзя сделать сколь угодно малой, так как при уменьшении отверстия диафрагмы уменьшается доля информации, которая переносится ЭП на экран. В частности, если пройдет только один неотклоненный или только дифрагированный пучок, то пропадет информация о самых малых объектах, которые может различить микроскоп - атомах. Таким образом, с одной стороны, разрешение ограничено самим прибором и нужно уменьшать отверстие апертурной диафрагмы, с другой стороны, разрешение ограничено необходимостью для различения самых малых объектов пропустит через диафрагму не менее двух пучков. Значит, для демонстрации предельного разрешения существует оптимальный размер диафрагмы. Здесь следует отметить, что ПЭМ часто используется именно для получения изображения только в одном пучке, когда контраст создается расчет удаления части интенсивности электронных волн в местах, где несовершенства структуры объекта меняют дифракционные условия. Такой контраст называется амплитудным. При этом не требуется, как правило, наивысшей разрешающей способности.
Может иметь значение также, так называемая дифракционная ошибка, заключающаяся в том, что пучок, падающий на объект, не может быть строго параллелен, а расходящийся пучок при дифракции даст также расходящийся дифрагированный ЭП. При этом точка на объекте превратится в пятно на экране, а два близко расположенных пятна сольются в одно, т.е. будут неразрешимы отдельно друг от друга.
Изображении в двух и более пучках возникает в условиях так называемого фазового контраста, когда в плоскости изображения интерферируют пучки, прошедшие в отверстие апертурной диафрагмы (рис. 2.8).
Но тогда отверстие диафрагмы должно быть достаточно большим и появляется проблема сферической аберрации объективной линзы.
Большое, влияние на качество изображения оказывает также хроматическая аберрация, обусловленная тем, что электроны в ЭП имеют некоторый разброс по скоростям. Вследствие этого они по-разному преломляются в объективной линзе и дают размытость на изображении. Борьба с этим видом искажений заключается в повышении стабильности ускоряющего напряжения и тока в линзах микроскопа, но некоторой влияние на скорость электронов может оказать и сам образец, с чем, естественно, бороться невозможно.
Астигматизм изображения выражается в том, что такой объект, как круглое отверстие в образце, на экране будет выглядеть эллипсом. Это особенно проявляется при не осевом освещении объекта; возникновение этого дефекта связано в неоднородностью магнитного поля линз из-за несовершенства геометрической формы наконечников, с неоднородностью магнитных свойств материала наконечников, а также с возможным загрязнением. Астигматизм в некоторой степени устраняется стигматорами - специальными устройствами, накладывающими на основное поле линз слабое эллиптическое поле, амплитуда и направление которого регулируются, компенсируя астигматизм.
Появление высоковольтных ПЭМ с напряжением 1-3 мВ позволило существенно увеличить толщину просвечиваемой фольги, максимально приблизить ее структуру к структуре массивного образца, а кроме того удалось наблюдать процессы изменения структуры, фазовых превращений, упорядочения и т.д. непосредственно в колонне микроскопа в условиях, аналогичных массивному образцу. Использование высокого напряжения позволяет получить многолучевые (до 100 ЭП) изображения с разрешением отдельных атомов кристаллической решетки и даже отличить атомы различных элементов, в таких объектах, как тонкие пленки химических соединений.
Если ЭП направить на фольгу с таким расчетом, чтобы прошедший и дифрагированный пучок составляли с оптической осью микроскопа один и тот жe угол (рис. 2.14), то при прохождении этих двух пучков через апертурную диафрагму и объектив на экране возникает интетерференционная картина от их взаимодействия.
Рис. 2.14. Получение двухлучевого изображения наклоноэлектронного пучка
При использовании больших увеличений (около 500000) можно увидеть периодическую структуру, расшифровка которой дает определенные сведения о расположении атомных плоскостей в кристаллической решетке образца. Если в формировании изображения участвуют не два, а несколько ЭП, то можно рассмотреть отдельные атомы в кристаллической решетке и даже отличить атомы, принадлежащие разным элементам. Созданию многолучевых изображений способствует повышение ускоряющего напряжения. Наличие дефектов отражается на контрасте изображения, например, так были впервые увидены обрывающиеся атомные плоскости и тем самым доказано существование дислокаций. Этот метод применяется также для определения предельной разрешающей способности данного электронного микроскопа.
Методика слабого пучка. Так называется способ получения темнопольных электронно-микроскопических изображений при действии отражения, значительно отклоненного от точного В-Б отражающего положения и, следовательно, обладающего малой интенсивностью. Основное достоинство методики состоит в том, что при таких дифракционных условиях формирования изображения существенно снижается ширина контраста от дислокаций и других очагов локальных искажений кристаллической решетки. Кроме того, удается приблизить изображение дефектов на электронно-микроскопическом снимке к их истинному положению в кристалле, а также существенно упростить контраст от наблюдаемого дефекта вследствие уменьшения динамических эффектов рассеивания. Эти обстоятельства делает методику слабого пучка одним из наиболее эффективных для электронно-микроскопического анализа реальной структуры нанообъектов, особенно с высокой плотностью всевозможных дефектов.
Методика эффективна при разрешении отдельных близко расположенных дефектов. Такая ситуация может сложиться, когда в нанообъектах возникает высокая плотность дефектов, в частности, в результате мартенситного превращения, пластической деформации значительных степеней или, когда линейные дефекты соединены другим высокоэнергетическим пленарным дефектом, например, частичные дислокации, соединенные, дефектом упаковки, или сверхструктурные дислокации, в которых единичные дислокации соединены полоской антифазной границей.
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, R2 и 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 10-5 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.
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 поглощении 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 (от 10 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 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 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.
микроскоп, электронный просвечивающий сокр., ПЭМ (англ. сокр., TEM ) — разновидность - высоковакуумный высоковольтный прибор, в котором изображение от ультратонкого объекта (толщиной порядка 500 нм и менее) формируется в результате взаимодействия пучка электронов с веществом образца при прохождении через него насквозь.
Описание
Принцип действия просвечивающего электронного микроскопа практически аналогичен принципу действия оптического микроскопа, только в первом используются магнитные линзы вместо стеклянных и электроны вместо фотонов. Пучок электронов, испускаемый электронной пушкой, фокусируется с помощью конденсорной линзы в маленькое пятно ∼2–3 мкм в диаметре на образце и после прохождения через образец фокусируется с помощью объективной линзы для получения проекции увеличенного изображения на специальном экране образца или детекторе. Очень важным элементом микроскопа является апертурная диафрагма, расположенная в задней фокальной плоскости объективной линзы. Она определяет контраст изображения и разрешающую способность микроскопа. Формирование контраста изображений в ПЭМ можно объяснить следующим образом. При прохождении через образец пучок электронов теряет часть своей интенсивности на рассеяние. Эта часть больше для более толстых участков или для участков с более тяжелыми атомами. Если апертурная диафрагма эффективно отсекает рассеянные электроны, то толстые участки и участки с тяжелыми атомами будут выглядеть как более темные. Меньшая апертура увеличивает контраст, но приводит к потере разрешения. В кристаллах упругое рассеяние электронов приводит к появлению дифракционного контраста.
Авторы
- Вересов Александр Генрихович
- Саранин Александр Александрович
Источник
- Handbook of microscopy for nanotechnology // Ed. by Nan Yao, Zhong Lin Wang. - Boston: Kluwer Academic Publishers, 2005. - 731 p.
Читайте также:
|
Лабораторная работа №3
Электронная микроскопия
Цель работы: ознакомление с основами метода электронной просвечивающей и сканирующей (растровой) микроскопии; количественный анализ микроструктуры образцов по электронно-микроскопическим снимкам.
Материалы и оборудование: напылительная установка, электронный просвечивающий и сканирующий микроскоп, образцы неорганических веществ и материалов, электронно-микроскопические снимки.
Электронно-микроскопическое исследование неорганических веществ и материалов применяется для изучения особенностей их структуры и фазового состава. Современные просвечивающие электронные микроскопы высокого разрешения позволяют получать увеличение до 150000 раз, наблюдать распределение атомов в кристаллических решетках.
В электронном микроскопе используется электронный луч, длина волны которого в 100 000 раз короче длин волн видимого света. Это обеспечивает возможность получения большего увеличения. Длина волны l (нм) электронного луча определяется из уравнения
где V- напряжение ускоряющего поля, В.
Если изображение формируется в результате прохождения электронного пучка через прозрачный для электронов образец, имеет место так называемая просвечивающая электронная микроскопия – ПЭМ. Резкое расширение возможностей обработки сигналов позволило развить целый комплекс методов, основанных на использовании принципов ПЭМ и объединенных под общим названием просвечивающей растровой электронной микроскопии – ПРЭМ: энергетический дисперсионный анализ рентгеновского излучения, спектроскопия вторичных электронов, анализ энергетических потерь проходящих электронов и др.
В результате взаимодействия пучка первичных электронов с поверхностью образца может возникнуть вторичная электронная или электромагнитная эмиссия (в рентгеновской или оптической области спектра). В этом случае для получения информации об исследуемых объектах используется сканирующая (растровая) электронная микроскопия – СЭМ (или РЭМ), позволяющая получать изображения объектов в результате регистрации потока вторичных электронов, а также рентгеноспектральный микроанализ, регистрирующий эмитируемый образцом рентгеновский сигнал, что позволяет проводить качественный и количественный фазовый анализ исследуемых объектов.
Основное различие принципов работы просвечивающего и растрового электронных микроскопом связано со способом сбора данных и формированием изображения. Как и в оптическом микроскопе, в просвечивающем электронном микроскопе информацию собирают непрерывно со всей изучаемой области, а увеличенное изображение фокусируют при помощи линз. Другими словами, информация со всех точек изображения собирается одновременно. В растровом электронном микроскопе информация собирается последовательнодля каждой точки по мере движения первичного пучка электронов. На это требуется время, необходимое для получения статистически значимого сигнала от каждой точки.
Просвечивающая электронная микроскопия.
Для проведения исследований методом ПЭМ используют просвечивающие электронные микроскопы, представляющие собой высоковакуумные высоковольтные устройства.
Как видно из рис. 1, изображение формируется в результате прохождения пучка электронов через анализируемый образец.
 |
Рис.1 – Принципиальная схема просвечивающего электронного микроскопа
При этом используются быстрые электроны, для получения которых в современных моделях микроскопов применяют ускоряющее напряжение порядка 100–200 кВ.
В просвечивающем электронном микроскопе применяют два основных вида съемки: светлопольное изображение, отображающее морфологию исследуемого объекта и формируемое центральным пучком прошедших электронов и темнопольное изображение.
Для получения информации о структуре исследуемых образцов на уровне атомного разрешения используют просвечивающую электронную микроскопию высокого разрешения – ВРПЭМ (High Resolution Transmission Electron Microscopy – HRTEM). Данный метод получил широкое распространение только в последние 10–15 лет и является весьма эффективным для определения строения наночастиц.
На рис. 2 представлен снимок аналитического электронного микроскопа.
 |
Источником электронов является нагретая вольфрамовая нить, создающая пучок электронов с плотностью тока до 5x10 4 А/м 2 . Кристаллы гексаборида лантана (LaB 6) позволяют повышать плотность тока до 10 6 А/м 2 .
Электроны испускаются электронной пушкой, установленной в верхней части колонны просвечивающего электронного микроскопа. Внутри колонны путем откачки воздуха поддерживается высокий вакуум. Испускаемые пушкой электроны ускоряются в трубке ускорителя и затем проходят через линзы осветителя, после чего попадают на образец.
После прохождения через образец электронов в объективной линзовой системе формируется изображение. Затем проекционная линза создает увеличенное изображение. Получающееся в итоге изображение, формируемое на флюоресцентном экране, можно наблюдать через окошко камеры наблюдения. Оно может быть записано на фотопленку в фоторегистрирующей камере, либо выведено на экран монитора компьютера.
Приготовление образцов для просвечивающей микроскопии. Для проведения исследований в просвечивающем электронном микроскопе необходимо иметь образцы толщиной не более 0,2 мкм, так как электроны легко поглощаются веществом. Это создает определенные трудности при приготовлении образцов. В этом случае прибегают к способам получения тонких пленок или ультратонких срезов: механической обработке, электрохимическому травлению, ионному травлению, напылению покрытия. Однако при использовании таких методов возможно нарушение первоначальной структуры материала.
Более реальным является метод реплик – косвенный метод исследования, заключающийся в получении отпечатка (реплики) с исследуемой поверхности, с высокой точностью воспроизводящего ее топографию. Схема приготовления реплики показана на рис. 3.
Реплику обычно получают методом напыления. Для этого используют опытный образец объемом не менее 1 см 3 . На свежий скол исследуемого образца наносят в вакууме при испарении углерод, который образует удерживающий слой в виде тонкой сплошной пленки. Угольная пленка не дает собственной структуры. Затем для повышения контрастности углеродную пленку оттеняют, напыляя под острым углом к поверхности слой тяжелого металла (платина, хром).
Косое напыление тяжелого металла под углом 20–45° обеспечивает более интенсивное оседание его на соответствующих сторонах выступов и менее интенсивное на впадинах и противоположных сторонах выступов.
Неодинаковая толщина такой пленки металла вызывает разное поглощение проходящих электронов, что влияет на яркость изображения и создает контраст.
Полученную пленку отделяют от образца с помощью 10%-ного раствора желатина. При сушке желатин образует прозрачную пленку, которая отделяется от образца вместе с репликой. Затем пленку помещают в воду. При растворении желатина на поверхности воды остается угольно-платиновая пленка–реплика, которую помещают на несущую сеточку и переносят в объектодержатель электронного микроскопа.
Для более четкого выявления структуры материала свежий скол предварительно (до нанесения реплики) подвергают травлению химическими реагентами. Из-за разной скорости растворения различных компонентов структуры формируется рельеф поверхности образцов. После травления скол тщательно промывают и высушивают. Метод реплик дает удовлетворительные результаты при величине структурных элементов не менее 10 нм. Рассматривая изображение поверхности образца на электронном микроскопе, выбирают наиболее характерные участки структуры.
1 | | |