Просвечивающий электронный микроскоп. Подготовка образцов

Читайте также: В 1. Физическая сущность сварочной дуги. Зажигание дуги. Термоэлектронная и автоэлектронная эмиссии. Работа выхода электрона. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО НАПИСАНИЮ КОНТРОЛЬНЫХ РАБОТ ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ЭЛЕКТРОННАЯ КОММЕРЦИЯ» Номинация: «Музыкально-художественная электронная презентация (групповой проект)» Номинация: «Музыкально-художественная электронная презентация (индивидуальный проект)» Регистрация измерительной информации. Электронная регистрация измерительной информации и её воспроизведение. Электронная коммерция в туризме. Применение мультимедийных технологий в области социально-культурного сервиса и туризма.

Лабораторная работа №3

Электронная микроскопия

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

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

Общие сведения

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

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

где V- напряжение ускоряющего поля, В.

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

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

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

Просвечивающая электронная микроскопия.

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

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

Рис.1 – Принципиальная схема просвечивающего электронного микроскопа

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

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

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

На рис. 2 представлен снимок аналитического электронного микроскопа.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

1 | | |

Просвечивающая электронная микроскопия.

1.Общая схема и принцип действия просвечивающего электронного микроскопа.

Все современные просвечивающие электронные микроскопы (ПЭМ) могут работать в двух режимах – в режиме изображения и в режиме дифракции.

Электронный пучок формируется в ускорительной колонне 1, состоящей из электронной пушки, секционной ускорительной трубки (обычно 6 секций) и системы отклонения. Энергия электронов на выходе ускорительной колонны, определяется величиной ускоряющего напряжения на электронной пушке и в различных типах ПЭМ может меняться в пределах 20-200 кэВ. Чем больше энергия электронов, тем меньше длина волны, тем больше проникающая способность электронов.

После ускорительной колонны установлена система конденсорных линз 2, назначение которой получить электронный пучок с минимальным угловым расхождением. Ускорительная колонна совместно с системой конденсорных линз позволяет получать электронные пучки разного диаметра. Минимальный диаметр электронного пучка в ПЭМ может составлять несколько нанометров, что позволяет получать дифракцию от локальной области такого же диаметра в режиме микролучевой дифракции. При работе в режиме изображений при помощи системы конденсорных линз получают параллельный пучок электронов. Система отклонения предназначена для электронного наклона пучка в режиме изображения и дифракции.

За системой конденсорных линз расположена объективная линза. Держатель с образцом 3 устанавливается в зазор полюсного наконечника объективной линзы, так чтобы образец находился в предполье объективной линзы. Гониометрическая головка позволяет осуществлять поворот образца относительно электронного пучка на угол ± 12º. Так как в просвечивающей электронной микроскопии изображение формируется электронами, прошедшими через образец, то его толщина должна быть много меньше длины пробега электронов в материале образца.

Пройдя через образец, электроны попадают в объективную линзу 4. Данная короткофокусная (несколько мм) линза, имеющая небольшое увеличение (~ 50), является ключевой в дальнейшем формировании изображения, поэтому она снабжена корректором астигматизма – стигматором. Диафрагма объективной линзы расположена на задней фокальной плоскости объективной линзы. В последних моделях микроскопов изображения выводятся на монитор компьютера при помощи цифровых ПЗС камер.

В ПЭМ используются электромагнитные линзы, которые состоят из обмотки, магнитопровода и полюсного наконечника. Полюсный наконечник является концентратором магнитного поля. Полюсный наконечник имеет форму круговой симметрии. В центре имеется отверстие с некоторым радиусом и зазор между полюсами. В результате такой конструкции полюсного наконечника, магнитный поток сжимается в зазоре. Электроны, проходя через объективную линзу, под действием магнитного поля отклоняются в направлении оптической оси и фокусируются в определенной точке оптической оси (в фокусе линзы).

2.Реализация режимов наблюдения изображения (темное и светлое поле), микродифракции .

Формирование электронно-микро-скопического изображения коротко можно описать следующим образом. Электронный пучок, сформированный осветительной системой, падает на объект и рассеивается. Далее, рассеянная волна объективной линзой преобразуется в изображение. Образованное объективной линзой изображение увеличивается промежуточными линзами и проецируется проекционной линзой либо на экран для наблюдения, либо на фотопластины или выводится на дисплей монитора.

Светлопольное изображение формируется прямым пучком, а темнопольное – дифрагированным, рис.4.8.5.

Рисунок 4.8.5 – Схема формирования светлопольного (а) и темнопольного (б)

изображений: 1 – падающий пучок электронов; 2 – объект; 3 – дифрагированные пучки;

4 – объективная линза; 5 – апертурная диафрагма; 6 – первичное микроскопическое

изображение; А и В – зерна различной ориентации (В – ближе к «отражающему»

положению).

Поэтому те участки образца (зерна, субзерна), которые ближе к отражающему положению (брегговскому положению для определенного семейства (hkl)), будут на светлопольном изображении темнее (Iпр меньше), а те, которые больше отклоняются от отражающего положения – светлее (Iпр – больше), рис.4.8.6. На темнопольном изображении картина будет обратной.

Для того чтобы получить изображение в светлом поле, апертурная диафрагма должна «пропустить» прямой пучок. Это достигается тем, что диафрагма, которая видна на экране в режиме получения дифракционной картины, располагается так, чтобы вырезать центральный рефлекс (изображение узла 000 обратной решетки), рис.4.8.5 а. Ясно, что пучок, формирующий изображение, распространяется при этом по оси объективной линзы. Для получения темнопольного изображения в лучах рефлекса HKL (максимум интенсивности при дифракции электронов на плоскостях (hkl)) апертурную диафрагму следует сдвинуть так (при работе микроскопа в дифракционном режиме), чтобы вырезать рефлекс HKL. При этом формирующий изображение дифрагированный пучок проходит по периферии объективной линзы, рис.4.8.5 б, где неоднородность (градиент) магнитного поля больше, чем вблизи оптической оси линзы. Поэтому возрастает размытие в изображении точки, обусловленное сферической аберрацией, а следовательно, ухудшается разрешение на темнопольном изображении. Чтобы получить темнопольное изображение с тем же разрешением, что и светлопольное (так называмое темнопольное изображение высокого разрешения), надо направить формирующий его дифрагированный пучок по оси линзы, для чего следует наклонить падающий пучок на угол 2θ.

2. Электронография.

ЭЛЕКТРОНОГРАФИЯ, метод исследования атомной структуры вещества, главным образом кристаллов, основанный на дифракции электронов. Существует несколько вариантов метода. Основным является электронография на просвет, при этом используют дифракцию электроноввысоких энергий (50-300 кэВ, что соответствует длине волны 5-10-3 нм). Электронографию проводят в специальных приборах - электронографах, в которых поддерживается вакуум 10-5-10-6 Па, время экспозиции около 1 с, или в трансмиссионных электронных микроскопах. Образцы для исследований готовят в виде тонких пленок толщиной 10-50 нм, осаждая кристаллическое вещество из растворов или суспензий, либо получая пленки вакуумным распылением. Образцы представляют собой мозаичный монокристалл, текстуру или поликристалл.

Дифракционная картина - электронограмма - возникает в результате прохождения начального монохроматического пучка электронов через образец и представляет собой совокупность упорядочение расположенных дифракционных пятен - рефлексов, которые определяются расположением атомов в исследуемом объекте. Рефлексы характеризуются межплоскостными расстояниями dhkl в кристалле и интенсивностью Ihkl, где h, k и l - миллеровские индексы. По величинам и по расположению рефлексов определяют элементарную ячейку кристалла; используя также данные по интенсивности рефлексов, можно определить атомную структуру кристалла. Методы расчета атомной структуры в электронографии близки к применяемым в рентгеновском структурном анализе. Расчеты, обычно проводимые на ЭВМ, позволяют установить координаты атомов, расстояния между ними и т. д.

3. Механизмы формирования контраста изображения в просвечивающем электронном микроскопе (общие понятия).

Механизм формирования контраста в электронной линзе такой же, как формирование контраста в геометрической оптике с оптическими линзами. На рис. 17.3 показан ход лучей при образовании дифракционного контраста. Диафрагма объективной линзы установлена так, что она пропускает только центральный пучок, а отраженные электроны не достигают конечного изображения. Изображение будет сформировано из центрального пучка и электронов, неупруго рассеянных под малыми углами. Изображение является однолучевым и оно, в этом случае, называется светлопольным . Полученный контраст обусловлен распределением интенсивности электронов, отраженных по закону Вульфа-Брэгга и поэтому получил название дифракционный контраст . При пропускании через диафрагму двух и более пучков (в том числе и центральный пучок), получаем многолучевое светлопольное изображение. На таких изображениях преобладает фазовый контраст.

Изображения можно получить, пропуская через диафрагму объективной линзы только дифрагированные пучки. Тогда полученные изображения называются темнопольными и они так же бывают однолучевыми и многолучевыми.

4. Предельные возможности просвечивающего электронного микроскопа.

5. Требования к объектам исследования.

1. Для исследований с высоким разрешением требуются ультратонкие образцы, толщиной порядка 10 нм.

2. Приготовленный образец должен иметь достаточное количество прозрачных для электрона участков для исследования, чтобы можно было оценить, является ли данная структура типичной для исследуемого образца.

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

ри облучении образца возникают рентгеновские кванты и вторичные и отраженные (обратно рассеянные) электроны. Электроны первичного пучка проникают в глубь образца и испытывают столкновения. Узкий первичный пучок рассеивается. Контуры области рассеяния представлены на рис.12.

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.

Просвечивающий электронный микроскоп с автоэмиссионным катодом, энергетическим ОМЕГА фильтром, системой освещения по Кёлеру (запатентовано Carl Zeiss SMT) – микроскоп спроектирован для работы с высоким разрешением.

Просвечивающий электронный микроскоп Zeiss Libra 200FE

Libra 200 FE – аналитический просвечивающий электронный микроскоп для проведения исследований твердотельных и биологических образцов. Оснащен высокоэффективным автоэмиссионным эмиттером и энергетическим ОМЕГА-фильтром для выполнения прецизионных измерений с высоким разрешением кристаллической решетки и химического состава наноразмерных объектов. Снимки, полученные в МРЦ по направлению "Нанотехнологии".

Основные характеристики микроскопа:

Ускоряющее напряжение:

200 кВ, 80 кВ, 120 кВ.

Увеличение:

• в режиме ПЭМ (ТЕМ) 8х - 1 000 000х;
• в режиме ПРЭМ (STEM) 2 000х - 5 000 000х;
• в режиме СХПЭЭ (EELS) 20х - 315х.

Предельное разрешение:

• в режиме ПЭМ 0.12 нм;
• в режиме ПРЭМ (STEM) 0.19 нм.

Разрешение спектрометра СХПЭЭ (EELS): по энергии 0.7 эВ.

• - высокоразрешающая электронная микроскопия (ВРЭМ);
• - просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ);
• - сканирующая просвечивающая электронная микроскопия (СТЭМ);
• - ПЭМ с фильтрацией по энергиям;
• - электронная дифракция (ED);
• - ED в сходящемся пучке (CBED);
• - аналитическая электронная микроскопия (EELS, EDS);
• - Z-контраст;
• - наблюдение объекта в диапазоне температур от -170 о С до 25 о С.

Области применения:

• - характеризация кристаллической решетки и химической природы нанообъектов;
• - локальный анализ элементного состава;
• - анализ структурного совершенства многослойных гетероструктур для микро- и оптоэлектроники;
• - идентификация дефектов кристаллической решетки полупроводниковых материалов;
• - тонкая структура биологических объектов.

Требования к образцам:

Стандартный размер образцов в плоскости держателя ПЭМ 3 мм в диаметре. Типичные толщины для ПЭМ, например: алюминивые сплавы, полупроводниковые материалы ПЭМ - 1000 nm; ВРЭМ - 50 nm.

Энергодисперсионный детектор рентгеновского излучения X-Max

Тип спектрометра – энергодисперсионный (EDS).

Тип детектора – Analytical Silicon Drift Detector (SDD): X-Max;
активная площадь кристалла – 80 мм 2 ;
безазотное охлаждение (Пельтье);
моторизированный слайдер.

Спектральное разрешение – 127 эВ (Mn), соответствует ISO 15632:2002;

Чувствительность к концентрации – 0,1%.

Держатели образов для LIBRA 200

Gatan Model 643. Одноосный аналитический держатель

Предназначен для получения изображений и аналитических приложений, такие как электронная дифракции и EDX анализ образцов ТЕМ, где не требуется две оси наклона образца.

Основные характеристики:

• cкорость дрейфа 1.5 нм/мин
• материал держателя бериллий
• угол наклона максимум 60ᵒ

Gatan Model 646. Двухосный аналитический держатель

Предназначен для получения изображений с высоким разрешением, держатель включает в себя конструктивные особенности, оптимизирован для электронной дифракции и EDX-анализа кристаллических образцов.

Основные характеристики:

• скорость дрейфа 1.5 нм/мин
• разрешение 0.34 нм при нулевом угле наклона
• размер образца 3 мм диаметр, 100 микрон толщина
• материал держателя бериллий
• углы наклона α =60ᵒ β = 45ᵒ

Gatan Model 626. Одноосный Крио трансфер аналитический держатель

Крио держатель используется в приложениях для исследований при низких температурах замороженных гидратированных образцов, Он также может быть использована для исследований in-situ фазовых переходов и снижение загрязнения в результате миграции углерода, уменьшения нежелательных тепловых эффектов в EELS.

Основные характеристики:

• скорость дрейфа 1.5 нм/мин
• разрешение 0.34 нм при нулевом угле наклона
• размер образца 3 мм диаметр, 100 микрон толщина
• криоген жидкий азот
• материал держателя медь
• угол наклона максимум 60ᵒ

Рабочая станция Model 626 workstation

Gatan Model 636. Двухосный Крио аналитический держатель

Крио держатель используется в приложениях для исследований при низких температурах, in-situ фазовых переходов и снижение загрязнения в результате миграции углерода. Он также может быть использована для уменьшения нежелательных тепловых эффектов в аналитических методах EELS и EDX.

Основные характеристики:

• скорость дрейфа 1.5 нм/мин
• разрешение 0.34 нм при нулевом угле наклона
• размер образца 3 мм диаметр, 100 микрон толщина
• макс. рабочая температура 110ᵒС
• мин. рабочая температура - 170ᵒС
• криоген жидкий азот
• стабильность температуры ± 1ᵒС
• время охлаждения 30 минут до -170ᵒС
• материал держателя бериллий
• углы наклона α =60ᵒ β = 45ᵒ

Gatan Model 652. Двухосный аналитический держатель с нагревом

Держатель с возможностью нагрева образца предназначен для in situ наблюдения за микро-структурными изменениями фазы, нуклеации, ростом и растворением в процессе повышенных температур.

Основные характеристики:

• скорость дрейфа 0.2 нм/мин (при температуре от 0 до 500ᵒC)
• разрешение 0.34 нм при нулевом угле наклона
• размер образца 3 мм диаметр, 500 микрон толщина
• макс. рабочая температура 1000ᵒС
• мин. рабочая температура комната
• материал держателя бериллий, медь
• углы наклона α =45ᵒ β = 30ᵒ

Используется совместно с такими приборами:

Водяным рециркулятором Model 652.09J Water recirculator

Gatan Model 654. Одноосный деформационный держатель

Держатель предназначен для исследования in situ растяжения образцов.

Основные характеристики:

• скорость дрейфа 1.5 нм/мин
• разрешение 0.34 нм при нулевом угле наклона
• размер образца 2.5 мм X 11.5 мм, 500 микрон толщина

Используется совместно с таким прибором:

Контроллер Accutroller Model 902

Fischione Model 2040. Двухосевой томографический держатель

Держатель с дополнительной осью вращения предназначен для получения серии изображений для томографии.

Основные характеристики:

• скорость дрейфа 1.5 нм/мин
• разрешение 0.34 нм при нулевом угле наклона
• размер образца 3 мм диаметр, 100 микрон толщина
• материал держателя медь
• угол наклона максимум 70ᵒ

Увеличение просвечивающего микроскопа

В просвечивающей электронной микроскопии, ПЭМ (Transmission electron microscopy,ТЕМ) электроны ускоряются до 100 кэВ или выше (до 1 МэВ), фокусируются на тонкий образец (толщиной менее 200 нм) с помощью конденсорной линзовой системы и проходят через образец либо отклоняясь, либо не отклоняясь. Основными преимуществами ПЭМ являются высокое увеличение, в пределах от 50 до 10 6 , и ее способность получать как изображение, так и дифракционную картину с одного и того же образца.

Рассеяние, претерпеваемое электронами во время прохождения через образец, определяет вид получаемой информации. Упругое рассеяние происходит без потерь энергии и позволяет наблюдать дифракционные картины. Неупругие столкновения между первичными электронами и электронами таких неоднородностей образца, как границы зерен, дислокации, частицы второй фазы, дефекты, вариации плотности и т.д., приводят к сложным процессам поглощения и рассеяния, которые ведут к пространственным вариациям интенсивности прошедших электронов. В ПЭМ можно переключаться из режима формирования изображения образца в режим регистрации дифракционной картины путем изменения напряженности поля электромагнитных линз.

Высокое увеличение или разрешение всех просвечивающих электронных микроскопов является результатом малой эффективной длины волны электрона X, которая задается соотношением де Бройля:

Где m и q - масса и заряд электрона, h - постоянная Планка, а V - ускоряющая разность потенциалов.Например, электроны с энергией 100 кэВ характеризуются длиной волны 0,37 нм и способны эффективно проникать через слой кремния толщиной ˜0,6 мкм.

Разрешение просвечивающего микроскопа

Чем больше ускоряющее напряжение просвечивающего электронного микроскопа, тем выше его латеральное пространственное разрешение. Теоретический предел разрешения микроскопа пропорционален λ 3/4 . Просвечивающие электронные микроскопы с высоким ускоряющим напряжением (на­пример, 400 кВ) имеют теоретический предел разрешения менее 0,2 нм. Высоковольтные просвечивающие электронные микроскопы обладают дополнительным преимуществом - большей глубиной проникновения электронов, так как высокоэнергетичные электроны слабее взаимодействуют с веществом, чем низкоэнергетичные электроны. Поэтому на высоковольтных просвечивающих электронных микроскопах можно работать с более толстыми образцами. Одним из недостатков ПЭМ является ограниченное разрешение по глубине. Информация о рассеянии электронов в ПЭМ-изображениях исходит из трехмерного образца, но проецируется на двухмерный детектор. Следовательно, информация о структуре, получаемая вдоль направления электронного пучка, взаимонакладывается на плоскости изображения. Хотя основной проблемой метода ПЭМ является подготовка образцов, она не столь актуальна для наноматериалов.

Дифракция от ограниченной области (SAD) предлагает уникальную возможность определения кристаллической структуры отдельных наноматериалов, например нанокристаллов и наностержней, и кристаллической структуры отдельных частей образца. При наблюдении дифракции от ограниченной области конденсорные линзы дефокусированы для создания параллельного пучка, падающего на образец, а для ограничения объема, участвующего в дифракции, используется апертура. Картины дифракции от ограниченной области часто используются для определения типа решеток Браве и параметров решеток кристаллических материалов по алгоритму, аналогичному используемому в РД . Несмотря на то, что ПЭМ не способна различать атомы, электронное рассеяние исключительно чувствительно к материалу мишени, и для химического элементного анализа разработаны различные виды спектроскопии. К ним относятся энерго-дисперсионная рентгеновская спектроскопия (EDAX) и спектроскопия характеристических энергетических потерь электронов (EELS).

Просвечивающий электронный микроскоп и нанотехнологии

В нанотехнологии ПЭМ используется не только для диагностики структуры и химического анализа, но и для решения других задач. Среди них - определение температур плавления нанокристаллов, когда электронный луч используется для нагрева нанокристаллов, а точка плавления определяется по исчезновению электронной дифракционной картины. Другим примером является измерение механических и электрических параметров отдельных нанонитей и нанотрубок. Метод позволяет получить однозначную корреляцию между структурой и свойствами нанонитей.

Гочжун Цао Ин Ван, Наноструктуры и наноматериалы: синтез, свойства и применение – М.: Научный мир, 2012