2.1.1. Просвечивающая электронная микроскопия

Первоначальный вид электронного микроскопа. В просвечивающем электронном микроскопе используется высокоэнергетический электронный пучок для формирования изображения. Электронный пучок создается посредством катода (вольфрамового, LaB6, Шоттки или холодной полевой эмиссии). Полученный электронный пучок ускоряется обычно до +200 кэВ (используются различные напряжения от 20кэВ до 1мэВ), фокусируется системой электростатических линз, проходит через образец так, что часть его проходит рассеиваясь на образце, а часть — нет. Таким образом, прошедший через образец электронный пучок несет информацию о структуре образца. Далее пучок проходит через систему увеличивающих линз и формирует изображение на люминесцентном экране (как правило, из сульфида цинка), фотопластинке или CCD-камере.

Разрешение ПЭМ лимитируется в основном сферической аберрацией. Некоторые современные ПЭМ имеют корректоры сферической аберрации.

Основными недостатками ПЭМ являются необходимость в очень тонком образце (порядка 100нм) и неустойчивость(разложение) образцов под пучком.

2.1.2. Сканирующая электронная микроскопия

Разновидность электронной микроскопии, в которой для зондирования исследуемой поверхности используется сканирование по ней сфокусированного пучка электронов. Для формирования изображения используется детектирование различных сигналов, включая вторичные электроны, обратно рассеянные электроны, рентгеновское излучение и ток через образец. Двумерная карта снимаемого сигнала и представляет собой изображение поверхности.

В сканирующем электронном микроскопе (рис. 1а) пучок электронов с первичной энергией ~1-10 кэВ фокусируется системой линз в пятно диаметром 1-10 нм на поверхности исследуемого образца. Сфокусированный пучок сканируется по поверхности с помощью системы отклоняющих катушек синхронно с электронным пучком в видеотрубке, которая используется в качестве оптического дисплея. Оба электронных пучка управляются одним и тем же генератором сканирования, поэтому увеличение просто равно отношению размеров дисплея и сканируемой области на поверхности образца. В сканирующем электронном микроскопе используется детектирование различных сигналов, включая вторичные электроны, обратно рассеянные электроны, рентгеновское излучение и ток через образец (рис. 1б). На рис. 1в проиллюстрирована структура энергетического спектра электронов, испускаемых с поверхности при ее облучении пучком электронов с энергией E0. На спектре указаны диапазоны энергий, соответствующие различным типам электронов, используемым для детектирования. Основные применения сканирующей электронной микроскопии – визуализация топографии поверхности (при регистрации вторичных электронов) и карты распределения элементов на поверхности (при регистрации обратно рассеянных электронов, оже-электронов и рентгеновского излучения).

2.2. Зондовые микроскопы

Зондовые микроскопы - класс микроскопов для получения изображения поверхности и её локальных характеристик. Процесс построения изображения основан на сканировании поверхности зондом. В общем случае позволяет получить трёхмерное изображение поверхности (топографию) с высоким разрешением. Сканирующий зондовый микроскоп в современном виде изобретен (принципы этого класса приборов были заложены ранее другими исследователями) Гердом Карлом Биннигом и Генрихом Рорером в 1981 году. За это изобретение были удостоены Нобелевской премии по физике за 1986 год, которая была разделена между ними и изобретателем просвечивающего электронного микроскопа Э. Руска. Отличительной СЗМ особенностью является наличие:

- зонда,

- системы перемещения зонда относительно образца по 2-м (X-Y) или 3-м (X-Y-Z) координатам,

- регистрирующей системы.

Регистрирующая система фиксирует значение функции, зависящей от расстояния зонд-образца. Обычно регистрируемое значение обрабатывается системой отрицательной обратной связи, которая управляет положением образца или зонда по одной из координат (Z). В качестве системы обратной связи чаще всего используется ПИД-регулятор.