ВСТУП
Классификация процессов взаимодействия электронов с веществом.
При взаимодействии потоков ускоренных электронов с поверхностью твердого тела происходит ряд процессов, которые могут быть использованы как для целей технологии, так и в методах анализа свойств твердого тела.
Вторичные электроны ( до ~50 эВ)
Возбуждение атомов (потери энергии до ~ 500 эВ)
Оже электроны и характ. - излучение
Упруго отраженные электроны
Эти процессы разделяются на упругие и неупругие. При упругих процессах не происходит изменение энергии электронов, а происходит лишь изменение импульса. При неупругом взаимодействии меняется и энергия электронов. Неупругое взаимодействие характеризуется возбуждением электронной системы твердого тела, приводит к возбуждению плазменных колебаний и в итоге к нагреву твердого тела. Ионизация внутренних энергетических уровней может приводить к изменению характера химических связей в твердом теле ? стимуляция ряда химических реакций.
Нагрев образца используется при электронно-лучевой плавке, отжиге, сварке, испарении;
Стимуляция химических реакций для электронолитографии, при реактивном электронно-лучевом осаждении пленок.
Ряд процессов нашел применение в аналитических методах:
Когерентное рассеяние в кристаллических твердых телах, дифракция, используется в электронной микроскопии, электронографии;
упругое отражение электронов в результате каскада столкновений, определяемое упорядоченностью структуры тв.тела, его плотностью и атомным номером используется в электронной спектроскопии;
тормозное излучение, определяемое взаимодействием с электромагнитным полем внутри твердого тела используется для создания источников рентгеновского излучения;
вторичная электрон - электронная эмиссия, - результат выхода электронов с энергией, превышающей потенциальный барьер тв.тело - вакуум позволяет исследовать поверхностные свойства тв.тел.
Оже - электроны, возникающие в результате возбуждения (ионизации) атомов тв.тела с передачей безызлучательным образом энергии другому электрону (т.н. Оже - электрону), который может выйти в вакуум используются в Оже - спектроскопии.
Основные свойства электронов
Приведем некоторые основные свойства электронов. Типичный ток электронов в ПЭМ 0.1- 1 μА соответствует около 1012 электронов в секунду проходит через поверхность образца. Скорость электронов при энергии 100 кэВ составляет около 1.6 108 м/с, т.е. 0.5с, так что расстояние между соседними электронами в пучке составляет в среднем 0.16 см. Поскольку толщина образца в ПЭМ около 0.1 μм, то, очевидно, что в любой момент в образце движется один электрон пучка.
В соответствии с волновой природой электрона, длина волны электрона
λ = h/p,
где h – константа Планка, p – импульс электрона. Полезно запомнить простое соотношение между длиной волны Де Бройля для эл-на и его энергией
λ = 1.22/Е1/2,
где [λ]=нм, а [Е]=эВ.
Скорости и длины волн электронов для некоторых энергий приведены в Табл.
Табл. Энергия, кэВ |
Длина волны, λ, пм (10-12м) |
Скорость, (109м/с) |
100 |
3.7 |
1.644 |
120 |
3.35 |
1.759 |
200 |
2.51 |
2.086 |
300 |
1.97 |
2.330 |
400 |
1.64 |
2.484 |
1000 |
0.87 |
2.823 |
Основные процессы при взаимодействии электронов с веществом.
Прохождение пучка эл-в с энергией Е0 (incident electron beam на рис.1.1) через образец сопровождается многообразными явлениями, часть из которых схематично изображена на рис. 1.1.
История создания электронного микроскопа
Успехам в области теоретической и экспериментальной физики обязаны открытием электрона с его свойствами. Это привело к созданию основ электронной оптики (ЭОП). Прямым намёком на такую возможность явилась гипотеза волновой природы электрона, выдвинутая в 1924 году Луи де Бройлем и экспериментально подтвержденная в 1927 году К. Дэвиссоном и Л. Джермером в США и Дж. Томсоном в Англии.
Главным приложениям ЭОП являлось изобретение и создание Электронного микроскопа (ЭМК) в 1930-х годах, построенного по аналогии, по законам волновой оптики, но с применением электрических и магнитных полей для фокусировки электронных лучей.
В 1931 году Р. Руденберг получил патент на просвечивающий электронный микроскоп, а в 1932 году М. Кнолль и Э. Руска построили первый просвечивающий микроскоп, применив магнитные линзы для фокусировки электронов. (Э. Руска за данный вклад стал лауреатом Нобелевской премии по физике за 1986 год).
Растровый электронный микроскоп (РЭМ) был изобретен в 1952 Чарльзом Отли. И лишь после ряда технических усовершенствований он был внедрен в производство в середине 1960-х годов.
Прибор с объемным изображением и электронным выходным сигналом нашел большое применение в науке и технике.
В 1979 году в Цюрихе Гердом Биннигом и Генрихом Рорером был изобретен сканирующий растровый туннельный микроскоп (РТМ). Этот простой по устройству прибор обеспечивает атомное разрешение поверхностей. За свою работу по созданию (РТМ) Бинниг и Рорер (одновременно с Руской) получили Нобелевскую премию по физике.[4]
Перший електронний мікроскоп був створений у 1931 р. німецькими інженерами Ернстом Руска (отримав за це Нобелівську премію 1986 р.) і Максом Кноллем [Ernst Ruska Nobel Prize autobiography]. Він основувався на ідеях і відкриттях французького фізика Люїса де Бройля. Хоча він був примітивний і не підходив для практичного використання, цей інструмент був тим не менше здатним до збільшення об’єктів у 400 разів.
Рейнольд Руденберг, директор з досліджень фірми Сіменс, запентентував електронний мікроскоп у 1931, хоча Сіменс не проводила досліджень на електронному мікроскопі у цей час. У 1937 р. Сіменс залучила Руска і Бодо фон Борріса до вдосконалення електронного мікроскопу. Під час того самого десятиліття 30-х років Манфред фон Арденне вперше створив скануючий електронний мікроскоп і свій універсальний електронний мікроскоп [M von Ardenne and D Beischer (1940). "Untersuchung von metalloxud-rauchen mit dem universal-elektronenmikroskop". Zeitschrift Electrochemie 46: 270-277].
Сіменс створив перший комерційний ТЕМ у 1939 р., але перший електронний мікроскоп для практичних цілей був побудований в Університеті Торонто у 1938 р. Елі Франкліном Буртоном і студентами Сесіл Хол, Джеймсом Хіллієром і Альбертом Пребіусом [MIT biography of Hillier].
Растровий електронний мікроскоп (РЕМ) був винайдений у 1952 Чарльзом Отлі. І лише після цілого ряду вдосконалень він був втілений у виробництво в середині 1960х років. Прилад з об'ємним зображенням і електронним вихідним сигналом знайшов велике застосування в науці і техніці.
У 1079 р. у Цюріху Гердом Біннінгом і Генріхом Рорером винайдено скануючий растровий електронний мікроскоп (РТМ). Цей простий по побудові прилад забезпечує атомну роздільну здатність поверхонь. За свою роботу по створенню РТМ Біннінг і Рорер отримали Нобелівську премію з фізики разом з Рускою.
Хоча сучасні електронні мікроскопи можуть збільшувати об’єкти до двох мільйонів разів, вони все одно базуються на прототипі Руска. Електронний мікроскоп є інтегральною частиною багатьох лабораторій. Дослідники використовують його для дослідження біологічних матеріалів (таких як мікроорганізми і клітини), різноманітних великих молекул, зразків медичних біопсій, металів і кристалічних структур, а також для вивчення різноманітних поверхонь. Електронна мікроскопія також в значній мірі використовується для експертизи, виявлення якості і аналізу пошкоджень в промисловості, включаючи, зокрема, виготовлення напівпровідникових приладів.