Лекция по электронной микроскопии
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 старших курсов высших учебных заведений.: Н.Новгород, 2004.
Электронная микроскопия – это совокупность электронно-зондовых методов исследования микроструктуры твердых тел, их локального состава и микрополей (электрических, магнитных и др.). Такие исследования проводятся с помощью электронных микроскопов (ЭМ) - приборов, в которых для получения увеличенных изображений используют электронный пучок. Электронная микроскопия включает также методики подготовки изучаемых объектов, обработки и анализа результирующей информации.
Принципиально идея построения электронного микроскопа была сформулирована в 1935 году М. Кнолем (идея оптического сканирующего микроскопа была ранее высказана и реализована одним из создателей современного телевидения В.К.Зворыкиным в 1924 году). Согласно этой идее изображение объекта формируется последовательно по точкам и является результатом взаимодействия электронного пучка (зонда) с поверхностью образца. Каждая точка образца последовательно облучается сфокусированным электронным пучком, который перемещается по исследуемой поверхности подобно сканированию электронного луча в телевизионных системах.
Несмотря на кажущуюся простоту идеи, высказанной М.Кнолем, осуществить ее в виде надежного прибора с достаточным для практической работы разрешением оказалось очень сложно из-за весьма ограниченных технических возможностей того времени. Первые действующие приборы были созданы в 1939 (Арденне) и в 1942 годах (Зворыкин).
Различают два главных направления электронной микроскопии: трансмиссионную (просвечивающую) и растровую (сканирующую), основанных на использовании соответствующих типов ЭМ. Они дают качественно различную информацию об объекте исследования и часто применяются совместно.
Взаимодействие электронного пучка с образцом
Характерная энергия электронов в пучке составляет от 1 до 50 кэВ. Это означает, что электроны с такой энергией могут возбудить большое количество разнообразных процессов в объекте. Однако, за исключением специальных редких случаев (таких, как органические материалы) энергии налетающих электронов недостаточно для разрыва атомной связи или смещения атома. Поэтому электронно-зондовые методы относятся к неразрушающим методам анализа.
В соответствии с волновой природой электрона, длина волны электрона:
λ = h/p
где h - константа Планка 6,63·10-34 Дж·с , p - импульс электрона. При этом, соотношение между длиной волны Де Бройля для электрона и его энергией описывается уравнением:
λ=1,22/E1/2
где λ – [нм]; Е - [эВ].
Скорости и длины волн электронов для некоторых энергий приведены в Таблице.
При попадании электронов зонда на поверхность мишени-образца происходит множество достаточно сложных явлений, связанных с передачей энергии электронов пучка веществу мишени. В первом приближении, все эти явления можно разделить на две большие группы: упругое рассеяние, связанное с изменением траекторий электронов при малой потере энергии; неупругое рассеяние, обусловленное неупругим взаимодействием с ядрами атомов, и неупругим взаимодействием со связанными электронами. Эти процессы можно представить общей схемой:
Рис.1. Схема образования вторичных сигналов при