ЭЛЕКТРОННАЯ МИКРОСКОПИЯ Волков Алексей Владимирович доц КАХ 1

ЭЛЕКТРОННАЯ МИКРОСКОПИЯ Волков Алексей Владимирович доц. КАХ 1

Литература: 1. Шиммель Г. Методика электронной микроскопии, пер. с нем. , М. , 1972; Растровая электронная микроскопия и рентгеновский микроанализ, пер. с англ. , т. 1 -2, М. , 1984. 2. Миронов В. Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии. , Учебное пособие для студентов микроскопии. , старших курсов высших учебных заведений. : Н. Новгород, 2004. 2

Электронная микроскопия – совокупность электроннозондовых методов исследования микроструктуры твердых тел, их микроструктуры локального состава и микрополей 3

История создания электронного микроскопа n n n Идея построения электронного микроскопа была сформулирована в 1935 году М. Кнолем Первые действующие приборы были созданы в 1939 (Арденне) и в 1942 годах (В. Зворыкин) Широкое использование РЭМ в науке и технике стало возможно лишь в 70 -е годы, когда появились высоко надежные приборы 4

Электронная микроскопия Трансмиссионная Растровая (просвечивающая) (сканирующая) 5

Взаимодействие электронного пучка с твердым телом энергия электронов в пучке - 1 кэ. В ÷ 50 кэ. В длина волны электрона: λ = h/p h - константа Планка 6, 63· 10 -34 Дж·с , p - импульс электрона λ=1, 22/E 1/2 λ – [нм]; Е - [э. В] 6

Скорости и длины волн электронов для некоторых энергий 7

Взаимодействие электронного пучка с твердым телом qупругое рассеяние q неупругое рассеяние 8

9

сечение взаимодействия и длина свободного пробега частиц n - число столкновений в единице объема; nm - число атомов в единице объема мишени; n 0 - число падающих частиц в единицу времени; р - плотность; A - атомный вес; N 0 - число Авогадро 10

При упругом рассеянии изменяется направление вектора скорости электрона, а ее величина и, следовательно, величина кинетической энергии фактически остается постоянной. n n Упругое рассеяние происходит в результате столкновений электронов высокой энергии с ядрами атомов, частично экранированных связанными электронами. При рассеянии передается энергия порядка 1 э. В, что пренебрежимо мало по сравнению с первоначальной энергией электронов в пучке электронного зонда (~ 1 кэ. В). Угол отклонения от направления падения может принимать значения в переделах от 0° до 180°. В результате упругих взаимодействий электрон может покинуть образец. Такой электрон называется отражённым. 11

Сечение рассеяния описывается формулой Резерфорда: σr = 1, 62· 10 -20 {Z/E·ctg(φ/2)}2 где: Z – атомный номер элемента; Е – энергия электрона (кэ. В); φ – угол рассеяния. 12

При неупругих взаимодействиях траектория электрона изменяется мало, при этом происходит передача энергии твёрдому телу. Длина пробега электрона в мишени передается формулой Канайя и Окаямя: R = 0, 0276·E 1, 67{A/(Z 0, 889·ρ)} где: Е – энергия электрона (кэ. В); А – атомный вес (г/моль); Z – атомный номер; ρ – плотность вещества (г/см 3). 13

вторичные электроны Вторичными принято называть электроны, обладающие энергией до 50 э. В. Чтобы покинуть поверхность твердого тела, вторичные электроны должны преодолеть поверхностный потенциальный барьер. Поэтому только вторичные электроны, находящиеся в тонком приповерхностном слое (5 -50 нм), могут покинуть образец. Следовательно, плотность и направление вторичных электронов зависит от рельефа поверхности. 14

0 Распределение по энергии электронов, эмитированных из мишени: 1 - отражённые электроны; 2 - неупруго отраженные электроны, 3 - вторичные электроны 15

рентгеновское излучение Электрон с высокой энергией претерпевает торможение в кулоновском поле атома. Потеря энергии электрона при таком торможении преобразуется в квант рентгеновского излучения, которое называется тормозным рентгеновским излучением. Последующая релаксация этого возбуждённого состояния приводит к эмиссии характеристического излучения. рентгеновского 16

Рентгеновский спектр, состоящий из узких линий (характеристическое излучение), налагающихся на непрерывный фон (тормозное излучение - плавная кривая) 17

Оже-электрон Образовавшийся квант излучения может провзаимодействовать с электроном внешней оболочки, не покинув атома (внутреннее преобразование). При этом другой электрон с внешней оболочки покидает атом. Такие электроны называются оже-электронами. Энергия таких оже-электронов составляет по порядку величины 100 э. В-1 кэ. В. Этот сигнал используется в оже-спектроскопии. 18

Схема ионизации внутренней оболочки с последующем образованием оже-электрона или рентгеновского излучения 19

Возбуждение плазмонов Электрон пучка может возбуждать волны в "электронном газе", который существует между ионами в твёрдом теле. Это весьма вероятный процесс неупругого рассеяния. Характерное значение потери энергии электрона на возбуждении плазмона составляет по порядку величины 10 -20 э. В. 20

катодолюминесценция При бомбардировке электронным пучком диэлектрика или полупроводника электрон валентной зоны может быть заброшен в зону проводимости. Таким образом, образуется электронно- дырочная пара, которая может рекомбинировать. При этом энергия, будет излучена в виде кванта света. Это явление называется катодолюминесценцией. 21

Изображение, полученное на растровом электронном микроскопе в режиме отраженных электронов (слева) и вторичных электронов (справа) 22

Областью взаимодействия электронного пучка с веществом принято называть объем вещества, в котором электроны падающего на образец пучка теряют всю свою кинетическую энергию. Зависимость области взаимодействия от условий эксперимента 23

Областью генерации называют объём, в котором Областью генерации происходит рассматриваемое явление (катодолюминесценция, рождение характеристического рентгеновского излучения и т. д. ). Области генерации различных сигналов 24

Схема (ТЭМ): 1 - электронная пушка; 2 - конденсор; 3 -образец; 4, 5 - объектив и его диафрагма; 6, 7 - промежуточная и проекционная линзы; 8 -смотровое окно; 9 - люминесцентный экран; 10 - фотокамера с затвором; 11 - вакуумная система. 25

Схема (РЭМ): 1 - электронная пушка; 2 - конденсор; 3 - отклоняющая система; 4 - конечная линза с корректором астигматизма; 5 - объектный столик; 6 - образец; 7 - вакуумная система; 8 - генератор разверток; 9 - блок управления увеличением; 10 -селектор сигналов (для выбора регистрируемого вторичного излучения); 11 -видеоусилитель; 12, 13 - ЭЛТ и ее отклоняющая система; BИ 1 -BИ 3 - потоки вторичных излучений; C 1 - C 3 - электрич. сигналы; Д 1 -Д 3 - детекторы; ЭЛ 1, ЭЛ 2 - электронные лучи; X, Y - направления сканирования (строчная и кадровая развертки). 26

Рис. 10. Упрощенная схема, иллюстрирующая работу РЭМ. 27

Коэффициент увеличения изображения в РЭМ определяется отношением линейных размеров растра, освещаемого зондом, на поверхности образца d и на экране монитора D, т. е. M = D / d. Разрешение, достигаемое в РЭМ, ограничено эффективным размером элемента изображения, или, другими словами, размером области в образце, возбуждаемой электронным зондом, имеющим диаметр dz. 28

Детекторы вторичных сигналов в РЭМ n Сцинтилляционный детектор n Полупроводниковый детектор n Детектор излучения катодолюминесценции n Детектор для регистрация рентгеновского излучения 29

• Сцинтилляционный Принцип работы: детектор • Полупроводниковый детектор • Детектор излучения катодолюминесценции • Детектор для регистрация рентгеновского излучения Вторичные электроны попадают на сцинтиллятор, преобразующий энергию электрона в световой импульс, который улавливается фотокатодом. 30

• Сцинтилляционный детектор Принцип работы: Вторичные электроны, • Полупроводниковый попадая в материал полупроводника детектор вблизи р-n-перехода, рождают в нем электронно-дырочные • Детектор излучения пары, что приводит к катодолюминесценции появлению тока в • Детектор для регистрация цепи р-n-перехода. рентгеновского излучения 31

• Сцинтилляционный детектор • Полупроводниковый детектор • Детектор излучения катодолюминесценции • Детектор для регистрация рентгеновского излучения Принцип работы: Свет, испускаемый мишенью под действием электронов зонда, для увеличения эффективности сбора световых квантов попадает на специальные зеркала, изготовленные в виде половины эллипсоида вращения, в один из фокусов которого помещают мишень, а в другой - световод - приемник, уводящий свет за пределы вакуумной камеры микроскопа. 32

• Сцинтилляционный детектор • Полупроводниковый детектор • Детектор излучения Принцип работы: Для регистрации катодолюминесценции q • Детектор для регистрация рентгеновского излучения q рентгеновского излучения обычно используются два типа систем. кристалл- дифракционные спектрометры с изогнутыми для увеличения светосилы кристаллами- анализаторами. энергодисперсионные системы типа ППД на основе Si(Li) p-n-перехода. 33

Некоторые основные понятия в РЭМ Электронный луч -направленный пучок ускоренных электронов, применяемый для просвечивания образцов или возбуждения в них вторичных излучений (например, рентгеновского). 34

Ускоряющее напряжение - напряжение между электродами электронной пушки, определяющее кинетическую энергию электронного луча. 35

Разрешающая способность (разрешение) - наименьшее расстояние между двумя элементами микроструктуры, видимыми на изображении раздельно (зависит от характеристик ЭМ, режима работы и свойств образцов). 36

Светлопольное изображение - увеличенное изображение микроструктуры, сформированное электронами, прошедшими через объект с малыми энергетическими потерями [структура изображается на экране электроннолучевой трубки (ЭЛТ) темными линиями и пятнами на светлом фоне]. 37

Темнопольное изображение формируется рассеянными электронами (основной пучок электронов при этом отклоняют или экранируют) и используется при изучении сильно рассеивающих объектов (например, кристаллов); по сравнению со светлопольным выглядит как негативное. 38

Сканирование - последовательное облучение изучаемой поверхности узким электронным лучом - зондом с помощью развертки (в трансмиссионных приборах все поле зрения облучается одномоментно). 39

Развертка - периодическое отклонение электронного луча по осям X и Y с целью формирования электронного растра. Растр - система линий сканирования на поверхности образца и на экране ЭЛТ. 40

Методы сканирующей зондовой микроскопии Сканирующая туннельная микроскопия основана на явлении туннелирования электронов через узкий потенциальный барьер между металлическим зондом и проводящим образцом во внешнем электрическом поле. 41

Атомно-силовая микроскопия основана на силовом взаимодействии между зондом и поверхностью образца. 42

Элекросиловая микроскопия основана на электрическом взаимодействии зондового датчика с проводящим покрытием и тонкого слоя материала образца находящегося на подложке с хорошей проводимостью. U~ - переменное напряжение; U 0 – постоянное напряжение 43

Магнитно-силовая микроскопия используется для исследования локальных магнитных свойств образца с использованием специальных зондов с магнитным покрытием. H(r) – магнитно-силовое поле образца; M(r) – удельная намагниченность ферромагнитного покрытия зонда. 44

Использование сканирующей электронной микроскопии для получения и исследования материалов и наноструктур преимущества перед другими методами микроскопии : прямое мгновенное формирование изображения, широкой диапазон легко изменяемых увеличений, большая глубина фокуса при высоком разрешении, возможность дифракционного возможность микрорентгеноспектрального (элементного) анализа и фазового анализа и др. 45

недостатки: дороговизна, громоздкость, сложность приборов и их эксплуатации, трудоёмкость и необходимость высокой квалификации для подготовки образца, получения и расшифровки всей вспомогательной информации (например, дифракционной) и совокупности методов, методик. 46

Возможности: n n Использование для металлографического исследования дисперсных элементов структуры на масштабах от нано- до микро- : частиц второй фазы, ямок травления, пор, а также начальных очагов разрушения металла при коррозии, эрозии, износе и других видах внешнего воздействия. Автоматизированная обработка изображений, включающая оценку дисперсности среднего размера, протяженности границ, формы и других параметров структуры материалов. Изучение порошков, объектов катализа, продуктов синтеза углеродных и им подобных нанообъектов (нанотрубки, наноленты, нанолуковицы, наноусы, нанонити и их производные), а также пористых объектов, в которых важно оценить морфологию, дисперсию и другие параметры, требующие получение объемной информации. 47

n n n Большая глубина фокуса: позволяет отчетливо и одновременно наблюдать мельчайшие объекты подобного рода и их агломераты, сильно отличающиеся по размерам, например, с радиусом образования от 10 нм до 1 мм. Полутоновые изображения - ключ к объемности и пониманию пространственной конфигурации элементов структуры исследуемого объекта. Эффект композиционного контраста: позволяет наблюдать и ранжировать по среднему атомному номеру имеющиеся в образце фазы. Композиционный контраст: выявляет фазы, границы зерен. Их исследования с помощью микроанализатора: характер распределения элементов по сечению зерна, химический состав различных включений. Фрактографические исследования: информация о строении излома. Используется для изучения механизма разрушения материалов и выявления причин поломки деталей и конструкций при эксплуатации. Картины каналирования электронов: дают уникальную информацию о структуре материалов (в этом случае на экране возникают темные линии). и др. 48