Ремп – растрова електронна мікроскопія поверхні
У РЕМП досліджуваний зразок сканується по точках вузьким електронним зондом [10, 11]. У точці падіння електронного пучка на поверхню виникає кілька видів випромінювання: вторинні електрони, Х-промені, ультрафіолетове й видиме світло. Яскравість отриманого зображення зразка модулюється інтенсивністю одного з відбитих випромінювань, яка залежить від хімічного складу поверхні, мікрорельєфу. В РЕМП зображення поверхні у вторинних частинках створюється завдяки розгортці сфокусованого пучка електронів (зонда) по поверхні досліджуваного зразка, тобто пучок певного діаметра сканує поверхню вздовж паралельних ліній (рис.3.4). За час розгортки зонд проходить усю досліджувану ділянку поверхні (зазвичай прямокутну).
Рис. 3.4. Отримання зображення в РЕМП [7]
При взаємодії швидких електронів (енергія EП>10 кеВ) із твердим тілом відбуваються різноманітні вторинні ефекти (вторинна електронна емісія, гальмівне Х-променеве випромінювання, характеристичне Х- променеве випромінювання, катодолюмінесценція, проходження й поглинання електронів тощо), які несуть інформацію про властивості поверхні досліджуваного матеріалу. Вторинні частинки реєструються колекторами, сигнал з яких модулює яскравість відповідної точки сканованого зображення. При локальній зміні характеристики зразка (наприклад складу або топографії) відповідно змінюється яскравість певного пікселя результуючого зображення (рис.3.5, рис. 3.6). За допомогою РЕМП можна ефективно досліджувати різноманітні біологічні об'єкти при будь-якому збільшенні, яке зазвичай лежить у діапазоні від тисяч до мільйонів разів (рис.3.7). При цьому для кожного масштабу зображення спостерігаються характерні особливості об'єктів дослідження. Дослідження поверхні зразків за допомогою растрового електронного мікроскопу при різних кутах нахилу дозволяє відновити її об’ємний вигляд (рис.3.8).
а
б
в
Рис. 3.5. Зображення, отримані за допомогою РЕМП [12]: фасеткове око дрозофіли, отримане за допомогою електронів низьких енергій (U=500 В) (а); діатомова водорость (U=10 кВ) (б); зображення напівпровідникового приладу (U=20 кВ) (в)
а
б
Рис. 3.6. Зображення зерен алмазу, отримані за допомогою растрового скануючого електронного мікроскопу “TESLA BS-340”: а) розмір скану 250×180 мкм; б) розмір скану 2,3×1,7 мм [13]
Рис. 3.7. Дослідження твердих фракцій крові за допомогою електронного мікроскопа: збільшення в 1000 разів (1 КХ) (а), 10 КХ (б), 50 КХ (в), 500 КХ (г) [13]
а
б
Рис. 3.8. Зображення однієї ділянки поверхні зразка міді, отримані за допомогою растрового електронного мікроскопу „BS-340” з використанням детектора вторинних електронів, при зміні нахилу зразка на 8
За допомогою РЕМП можна також досліджувати поверхні зразків після різноманітних фізико-хімічних обробок, що дозволяє отримувати інформацію про структуру поверхневих шарів (рис. 3.9).
Автори висловляють подяку Ткачу В.М. – старшому науковому співробітнику лабораторії електронно-растрової мікроскопії Інституту надтвердих матеріалів НАН України за надані матеріали (рис.3.5 – рис.3.9).
а б
Рис. 3.9. Вигляд поверхні пластини кремнію з ямками травлення, які характеризують розподіл дефектів у матеріалі. Зображення отримано за допомогою растрового електронного мікроскопу „BS-340” при U=20 кВ: а) розмір скану 420×320 нм; б) розмір скану 170×130 нм
Збільшення мікроскопу дорівнює відношенню зображення фрагмента поверхні на екрані монітора до реальних розмірів фрагмента. Енергія й глибина виходу вторинних частинок визначаються їх природою, властивостями матеріалу та енергією первинних електронів. Найменшу енергію (близько 50 еВ) і глибину виходу (1,0–5,0 нм) мають вторинні електрони, тобто електрони зразка, які отримали від первинних електронів енергію, достатню для виходу із речовини. Енергія пружно розсіяних електронів дорівнює енергії первинних електронів (EП). Глибина їх виходу, наприклад, при EП=20 кеВ складає 200–2000 нм у залежності від матеріалу.
Роздільна здатність РЕМП досягає 3 нм, а збільшення – 2500000 разів. Мікроскопи дозволяють досліджувати топографію й структуру поверхні за глибиною (при пошаровому втравлюванні), визначати хімічний склад локальних ділянок, спостерігати за динамікою різноманітних фізико-хімічних процесів, визначати основні властивості напівпровідників (час життя неосновних носіїв струму, глибину розміщення p-n переходів тощо).
РЕМП містить кілька самостійних вузлів: електронно-зондову систему, високовакуумну систему, систему реєстрації, формування й візуалізації зображення поверхні, систему пристроїв точної механіки для здійснення маніпуляцій зі зразками. Електронно-зондова система містить електронну гармату, лінзи, котушки розгортки. Кількість рядків у кадрі зазвичай дорівнює 500–1000, час сканування – секунди. Роздільна здатність поліпшується при використанні катодів, виготовлених із металоподібних з'єднань (LaB6) [12].
ЕМП для дослідження мікроструктури звичайно реєструє пружно відбиті або вторинні електрони. У випадку падіння первинного пучка електронів на поверхню під кутом на зображенні спостерігаються тіні, що дозволяє визначити рельєф поверхні. Колектор електронів складається зі сцинтилятора (перетворює енергію електронів у світлові спалахи) та фотоелектронного помножувача. В залежності від енергії електронів вони по-різному відображають досліджувану поверхню. Вторинні електрони (мала енергія) значно відхиляються в електричному полі й більша їх частина потрапляє до колектора. Тому вторинні електрони несуть інформацію про всю опромінену ділянку поверхні (навіть в області тіні). Розсіяні електрони (великі енергії) мало відхиляються в електричному полі, тому електрони з області тіні не попадають у детектор. Отже, вторинні електрони для рельєфної поверхні дають зображення з чіткими тінями. Оптимальне зображення поверхні зразка отримується при одночасній реєстрації вторинних і розсіяних електронів (рис.3.10). Перед колектором електронів зазвичай розміщується сітка, зміною потенціалу якої можна регулювати рух електронів до колектора (до колектора потрапляють тільки ті електрони, енергії яких достатньо для проходження різниці потенціалів „зразок–сітка”).
Рис. 3.10. Рух електронів до колектора: для вторинних і відбитих електронів (а); для вторинних електронів (б); для відбитих електронів (в); 1 – досліджуваний зразок, 2 – сітка, 3 – колектор [2]
В електронних мікроскопах є два види контрасту: топографічний і композиційний. Топографічний контраст відображає рельєф поверхні, а композиційний контраст виникає при скануванні зразка зі складним фазовим складом.
РЕМП для реєстрації поверхневих потенціалів і магнітних полів. Принцип роботи такого мікроскопа заснований на залежності траєкторії вторинних електронів низьких енергій (до 50 еВ) від поверхневих потенціалів і магнітних полів. У таких мікроскопах використовується два детектори: повільних і швидких електронів. Повільні (вторинні) електрони несуть інформацію одночасно про рельєф та про поверхневі потенціали й магнітні поля поверхні. Швидкі (відбиті) електрони несуть інформацію тільки про рельєф поверхні. Отже, одночасна обробка зображень, отриманих для вторинних і відбитих електронів, дозволяє відновити тільки розподіл поверхневих потенціалів і магнітних полів незалежно від рельєфу поверхні.
РЕМ-мікроаналізатор дозволяє спостерігати композиційний контраст, реєструючи Х-променеве випромінювання матеріалу зразка, яке виникає при падінні електронів на поверхню зразка. Одночасно реєструють ще й електрони, відбиті від зразка, що дозволяє отримати більш повну інформацію.
Аналізуючи характеристичне Х-променеве випромінювання, можна визначити присутність у зразку хімічних елементів. РЕМ-мікроаналізатор, тобто РЕМП із Х-променевими спектрометрами, визначає присутність елементів від Be до U. Для кількісного аналізу зразка діаметр електронного пучка зазвичай збільшують до 1 мкм. Чутливість аналізу складає 0,1-0,01% за масою, абсолютна чутливість 10–12–10–16 г. Як детектори Х-променів використовують, наприклад, напівпровідникові детектори Si(Li) з охолодженням (роздільна здатність такого детектора, наприклад, для випромінювання MnK, менша за 129 еВ). Для отримання двомірних зображень зразка відбиті електрони падають на люмінесцентний екран, де їх енергія перетворюється у світлові імпульси. Зображення з люмінесцентного екрана зчитується охолоджуваною світлочутливою матрицею й передається в комп'ютер [12].
Низьковольтний РЕМ (U=10–50 В) призначений для дослідження спеціальних об'єктів (наприклад тонкоплівкових інтегральних схем), для яких потрібно звести до мінімуму вплив первинних електронів на досліджувану поверхню й одночасно підвищити чутливість до рельєфу та потенціалу поверхні.
Просвічуючий РЕМ. У просвічуючих мікроскопах зображення об'єкта створюється електронами, що пройшли крізь об'єкт. У такий спосіб можна досліджувати не тільки тонкі (сотні Å) об'єкти (прямий спосіб), але й поверхні масивних об'єктів (методом відбитків – непрямий спосіб). У просвічуючому РЕМ реалізується найкраща роздільна здатність (0,1 нм) при спостереженні тонких зразків (0,01–0,2 мкм) і прискорюючій напрузі більше ніж 100 кВ. Електрони, які пройшли через зразок, сортуються за енергіями й кутами розсіяння. Окремо аналізуються пружно розсіяні електрони з кутом розсіяння, що перевищує заданий, які формують "темнопільне" зображення. Інші пружно та непружно розсіяні електрони формують "світлопільне" зображення й аналізуються за енергіями.
ЕОС – електронна оже-спектроскопія
В основі ЕОС лежить зміна енергії й кількості оже-електронів, які виникають при бомбардуванні поверхні твердих тіл пучком електронів [2,3]. Вихід електронів у вакуум – це наслідок іонізації внутрішніх атомних оболонок, тобто вибивання електронів із цих оболонок. При бомбардуванні поверхні зразка електронами, енергія яких достатня для іонізації однієї з внутрішніх оболонок, утворюється первинна вакансія, яка миттєво (10–14–10–16 с) заповнюється електроном зовнішньої оболонки. Виникаюча надлишкова енергія або використовується на випромінювання кванта Х-променів (радіаційний перехід), або передається електрону зовнішньої оболонки (безвипромінювальний або оже-перехід). Такий електрон емітується у вакуум і реєструється як оже-електрон. Ймовірність радіаційного переходу з ростом атомного номера елемента швидко зростає, а ймовірність появи оже-електронів зменшується. Кінетична енергія оже-електронів залежить від різниці потенціальних енергій початкового (рівень K), проміжного (L1) і кінцевого станів (L2), тому спектр енергії таких електронів характерний для атомів кожного хімічного елемента (рис.3.11).
Оже-електрони відповідно до положення первинних і вторинних вакансій позначаються так. Першою записується початково іонізована оболонка; далі оболонка, з якої відбувся перехід; наступна оболонка та, з якої відбувається емісія електрона у вакуум. Наприклад, перехід на вакансію K-оболонки електрона з LIII оболонки й наступна емісія з валентної зони V позначається KLIIIV. Спектри оже-елекронів отримані для всіх елементів періодичної таблиці Менделєєва, за винятком водню й гелію, які не утворюють оже-електронів.
Рис. 3.11. Процес збудження електронів, що приводить до утворення характеристичного випромінювання Х-променів (I) або оже- електронів (II) [2]
На типовому спектрі електронів, що емітуються твердим тілом під дією пучка високоенергетичних електронів з енергією EП, звичайно спостерігається сильний пік пружно розсіяних електронів з максимумом близько EП й низькоенергетична смуга вторинних електронів (рис.3.12).
Рис. 3.12. Типовий спектр вторинних, розсіяних і оже-електронів [2]
Оже-електрони дають невеликі піки на кривій енергетичного розподілу N(E) на сильному фоні вторинних електронів. Виділення спектра оже-електронів на цьому фоні – складна експериментальна задача. Для зменшення фону вторинних електронів використовується диференціювання кривих енергетичного розподілу N(E) (рис.3.13).
Рис. 3.13. Крива сумарного виходу квантів електронного спектра (а), перша (б) і друга (в) похідні для урану [2]
Оскільки енергія оже-електронів залежить від атомного номера елемента (рис.3.14), – це дозволяє здійснювати поелементний аналіз поверхні зразків. Глибина виходу оже-електронів не перевищує кількох нанометрів.