Просвечивающая электронная микроскопия

Просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ) – это электронно-оптический прибор, в котором наблюдается и регистрируется увеличенное в 50 – 10⁶ раз изображение объекта. При увеличении в миллион раз грейпфрут вырастает до размеров Земли. Для этого вместо световых лучей используются пучки электронов, ускоренных до энергии 50 – 1000 кэВ в условиях высокого вакуума (10^-5–10^-10 мм. рт. ст.). В просвечивающем электронном микроскопе проводится регистрация электронов, прошедших через ультратонкослойный образец. ПЭМ служит для получения информации о геометрических характеристиках, морфологии, кристаллографической структуре и локальном элементном составе объекта. Он позволяет изучать непосредственно тонкие объекты (толщиной до 1 мкм), островковые пленки, нанокристаллы, дефекты в кристаллических решетках с разрешением до 0,1 нм и косвенно (методом реплик) – поверхность массивных образцов с разрешением до 1 нм.

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

Принцип работы просвечивающего электронного микроскопа заключается в следующем (рис. 48).

 а

 б

Рис. 48 Принципиальная схема ПЭМ: 1 – катод; 2 – анод; 3 – конденсорная линза; 4 – шлюзовая камера с образцом; 5 – объективная линза; 6 – промежуточная линза; 7 – проекционная линза; 8 – флуоресцирующий экран; 9 – фотокамера; 10 – оптический микроскоп

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

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

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

Растровый просвечивающий электронный микроскоп (РПЭМ). Изображение формируется бегущим пучком, а не пучком, освещающим весь исследуемый участок образца. Поэтому требуется высокоинтенсивный источник электронов, чтобы изображение можно было зарегистрировать за приемлемое время. В РПЭМ высокого разрешения используются автоэлектронные эмиттеры высокой яркости. В таком источнике электронов создается очень сильное электрическое поле (~10⁸ В/см) вблизи поверхности заостренной травлением вольфрамовой проволочки очень малого диаметра, благодаря чему электроны легко покидают металл. Интенсивность свечения (яркость) такого источника почти в 10 000 раз больше, чем источника с нагреваемой вольфрамовой проволокой, а испускаемые им электроны могут быть сфокусированы в пучок диаметром около 0.2 нм.

Рис. 49. Схема растрового просвечивающего электронного микроскопа: 1 – электронная пушка; 2 – ускоряющая система (анод): 3 – магнитная линза; 4 – отклоняющая магнитная система; 5 – образец; 6 – кольцевой детектор; 7 – анализатор энергии электронов

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

Электроны, рассеянные на углы более нескольких градусов без замедления, регистрируются, попадая на кольцевой электрод 6, расположенный под образцом. Сигнал, снимаемый с этого электрода, сильно зависит от атомного номера атомов в той области, через которую проходят электроны, – более тяжелые атомы рассеивают больше электронов в направлении детектора, чем легкие. Если электронный пучок сфокусирован в точку диаметром менее 0.5 нм, то можно получить изображение отдельных атомов. Электроны, не претерпевшие рассеяния в образце, а также электроны, замедлившиеся в результате взаимодействия с образцом, проходят в отверстие кольцевого детектора. Энергетический анализатор 7, расположенный под этим детектором, позволяет отделить первые от вторых. Потери энергии, связанные с возбуждением рентгеновского излучения или выбиванием вторичных электронов из образца, позволяют судить о химических свойствах вещества в области, через которую проходит электронный пучок.

Контраст в ПЭМ обусловлен рассеянием электронов при прохождении электронного пучка через образец. Одни из прошедших через образец электронов рассеиваются из-за столкновений с ядрами атомов образца, другие – из-за столкновений с электронами атомов, а третьи проходят, не претерпевая рассеяния. Степень рассеяния в какой-либо области образца зависит от толщины образца в этой области, его плотности и средней атомной массы (числа протонов) в данной точке.

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

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

а

б

Рис. 50. Изображения, полученные с помощью растрового электронного микроскопа: а – голова мухи в РЭМ; б – микротрещина в стали после испытаний на прочность;