683_Filimonova_N.I._Metody_ehlektronnoj_mikroskopii_

ЧАСТЬ 2. ПРОСВЕЧИВАЮЩАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ МИКРОСКОПИЯ (ПЭМ)

2.1.Физические принципы работы ПЭМ

Вэлектронной микроскопии контраст получаемых изображений обусловлен тем или иным процессом взаимодействия первичного электронного пучка с веществом. В просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) изображение формируется электронами, проходящими через образец, которые фокусируются электрическими и магнитными полями соответствующих линз.

Воснове метода ПЭМ лежат процессы упругого рассеяния и дифракции быстрых электронов. Следовательно, изображение исследуемого объекта в ПЭМ можно получить в виде светлопольного или темнопольного изображения (режим изображения), либо в виде дифракционной картины (режим дифракции).

2.2.Экспериментальное оборудование

2.2.1.Оптическая схема и принцип действия ПЭМ

Просвечивающий электронный микроскоп состоит из: 1) электронной пушки, 2) ряда конденсорных линз, 3) объективной линзы и 4) проекционной системы, заключённых в вертикальную колонну, в которой поддерживается вакуум порядка 10-2 – 10-3 Па. Принципиальная оптическая схема ПЭМ представлена на рис.2.1.

11

Рис. 2.1. Принципиальная оптическая схема ПЭМ: слева – режим изображения; справа – режим микродифракции [2]

2.2.2. Осветительная система микроскопа

Осветительная система (рис.2.1) включает электронную пушку и конденсорную линзу (4). Электронная пушка является источником первичного электронного пучка и состоит из катода (1), эмитирующего электроны, фокусирующего электрода (2) (цилиндр Венельта - на него подается большой отрицательный потенциал) и анода (3) в виде пластинки с отверстием.

Катод электрически изолирован от остальной части прибора, а между анодом и катодом создается мощное электрическое поле с ускоряющим напряжением от 500 до 3500 кВ.

Высокий отрицательный потенциал на цилиндре Венельта препятствует эмиссии электронов с катода кроме области вблизи его острия и действует как собирающая линза. Электрическое поле между анодом и цилиндром Венельта действует как рассеивающая линза, которая совместно с предыдущей обеспечивает узкий пучок первичных электронов высокой интенсивности.

12

Пучок электронов, испускаемый электронной пушкой, фокусируется с помощью системы конденсорных линз в маленькое пятно (~2 - 3 мкм) на образце (8). Исследуемый образец (8) располагается на очень мелкой сетке, вкладываемой в специальный держатель, и помещается вблизи входа в канал наконечника объективной линзы (6) с большой оптической силой. Эта линза определяет предельное возможное разрешение прибора.

Почти параллельный падающий пучок электронов рассеивается, проходя через образец (8). Часть рассеянных электронов проходит через диафрагму (9) объективной линзы и дает увеличенное промежуточное изображение предмета в плоскости селекторной диафрагмы (10). Это изображение переносится промежуточной линзой (5) в плоскость полевой диафрагмы (11) с небольшим (обычно до 10) увеличением и затем главная проекционная линза (7) формирует увеличенное изображение на экране (12).

И объективная, и главная проекционная линзы дают увеличение примерно в 100 раз каждая. Следовательно, общее увеличение трёх линзового (без учета линз осветительной системы) электронного микроскопа 100000. Увеличение изменяют, изменяя ток в обмотках линз проекционной системы: в главной проекционной линзе (7) ступенчато, а в промежуточной (5) - непрерывно.

2.2.3. Электронная пушка

Существует различные типы пушек: с термоэлектронной эмиссией, эмиссией Шоттки и автоэмиссионную, или пушку с полевой эмиссией. В термоэмиссионных пушках используются два типа катодов: вольфрамовые (W) и на гексабориде лантана (LaB6). Постоянный ток нагревает либо V- образную вольфрамовую нить, либо заостренный короткий стержень из гексаборида лантана до температуры 2700К и 1400-2000К, соответственно. В результате термоэлектронной эмиссии катод испускает электроны. Отрицательное смещение на фокусирующем электроде используется для управления величиной эмиссии катода. Высокое напряжение смещения сужает область эмиссии до небольшого участка, ограничивая ток эмиссии, а снижение смещающего напряжения увеличивает область эмиссии и общий ток эмиссии. Увеличение тока накала катода приводит к росту тока электронного пучка только до определенного значения, после чего ток электронного пучка катода выходит на насыщение.

Эмитированные катодом и сфокусированные цилиндром Венельта электроны сводятся в точку между катодом и анодом, представляющую собой виртуальный источник электронов для всей остальной оптики микроскопа (кроссовер). Размер кроссовера зависит от типа катода, напряженности электрического поля между катодом и анодом и углом выхода электронов из катода. При малом смещающем напряжении эмиссия электронов происходит из большей области скругленного катода, что приводит к увеличению углов эмиссии, увеличивая, таким образом, и геометрический размер источника.

13

Вэлектронных пушках с катодом Шоттки термоэлектронная эмиссия возрастает при приложении электрического поля к поверхности самого катода. Это поле снижает величину потенциального барьера на Δφ (эффект Шоттки рис. 2.2), что приводит к экспоненциальному росту плотности тока эмиссии (на exp(Δφ/kT)). Катод Шоттки представляет собой приваренный к концу V- образной вольфрамовой проволоки заострённый кристалл вольфрама. Для снижения работы выхода острие покрыто оксидом циркония (ZrO) и выступает из цилиндра Венельта примерно на 0,3 мм. Экстрактор (ускоряющий электрод) создает на поверхности острия ускоряющее поле, вытягивая электроны из

самого острия и обеспечивая, таким образом, высокие значения плотности тока эмиссии(107 А/м2).

Вэлектронных пушках с полевой эмиссией эмиссия электронов возрастает благодаря квантово-механическому туннелированию через потенциальный барьер на поверхности катода, который благодаря приложенному электрическому полю становится прозрачным (рис.2.2).

Рис. 2.2. Зонная диаграмма энергетических уровней электронов катода при приложенных к его поверхности электрических полях. Пунктиром показана эмиссия Шоттки; сплошной линией – полевая эмиссия электронов [3]

Вероятность туннелирования возрастает, когда ширина барьера становится соизмерима с длиной волны де Бройля электрона.

В автоэмиссионных катодах цилиндр Венельта заменяется ускоряющим электродом (экстрактором), на который подается положительный относительно острия катода потенциал. Эмиссия электронов регулируется напряжением на экстракторе. Острие делают максимально острым путем электролитического травления короткого куска вольфрамовой проволоки. Эмиссия электронов происходит из предельно малого участка катода, что обеспечивает эффективный диаметр менее 10нм и позволяет сформировать электронный пучок субнанометровых размеров с помощью одной линзы. Высокая яркость в

14

пушках с автоэмиссионным катодом достигается благодаря высокой направленности электронного пучка и тому, что большое количество электронов излучается с ограниченной площади. Кроме того, пушки с автоэмиссионным катодом обладают небольшим разбросом по энергии, благодаря низким рабочим температурам и геометрии эмиссии (небольшой размер виртуального источника и гораздо больший размер излучающей области). Так как автоэмиссионный катод не требует подогрева и может работать при комнатной температуре, то процесс часто называют холодной полевой эмиссией. В отличие от термоэмиссионной пушки, где кроссовер образуется непосредственно ниже эмиттера, виртуальный источник электронов в пушке с полевой эмиссией располагается внутри острия.

Электронный пучок должен иметь определённые параметры, которые определяются как самим источником электронов, так и конструкцией пушки.

Основными параметрами электронного пучка являются:

1.интенсивность (плотность эмитируемого тока);

2.яркость (плотность тока в единице телесного угла);

3.когерентность;

4.стабильность.

Интенсивность эмиссии снижается при переходе от термоэлектронного катода к автоэмиссионному, но яркость повышается вследствие того, что область эмиссии и эффективный диаметр источника уменьшаются гораздо быстрее.

Яркость электронного источника сохраняет одно и то же значение в любой плоскости изображения, и это явление известно, как принцип сохранения яркости [3].

Для получения когерентного пучка электронов необходимо создать пучок, в котором все электроны имеют одинаковую длину волны. В реальном пучке имеется разброс по энергиям электронов Е и электрон можно представить в виде волнового пакета с определенной длиной когерентности

=∙ ∆ , где V – скорость электронов, h –постоянная Планка. В случае

термоэлектронных источников и катодов Шоттки разброс по энергиям обусловлен статистическим разбросом тепловой энергии электронов катода, зависящей от его температуры. В случае автоэмиссионного катода разброс по энергиям обусловлен тем, что некоторые электрон эмитируют с различных энергетических уровней внутри катода ниже уровня Ферми [3-20]. В обоих случаях разброс по энергиям возрастает с током эмиссии вследствие взаимодействия между электронами в кроссовере (эффект Берша). Кроме того, увеличение Е приводит к увеличению хроматической аберрации и снижению разрешающей способности как в ПЭМ, так и в СЭМ.

Для увеличения длины когерентности необходимо использовать стабилизированные блоки питания источника электронов и высокого напряжения. Стабильность пучка определяется стабильностью источника

15

электронов и высокого напряжения. Термоэлектронные источники более стабильны, чем автоэмиссионные.

2.2.4. Электронная оптика

Электронное изображение формируется электрическими и магнитными полями примерно так же, как световое – оптическими линзами. В основе действия электростатической линзы лежит взаимодействие движущегося электрона в однородном электростатическом поле. Простейшей осесимметричной электростатической электронной линзой является диафрагма с круглым отверстием, поле которой граничит с одной или двух сторон с однородными электрическими полями. В зависимости от распределения потенциала она может служить собирающей (пучок заряженных частиц) или рассеивающей линзой. Электроны, проходящие вдоль оптической оси, равномерно отталкиваются от всех точек электрода не испытывая отклонения, в то время как электроны, движущиеся на некотором расстоянии от оптической оси, отклоняются обратно к оптической оси как показано на рис. 2.3.

Рис.2.3. Движение электронов в фокусирующей электростатической линзе [3]

В электромагнитной линзе траектория электронов изменяется магнитным полем. Такая линза представляет собой катушку, через которую течет постоянный электрический ток и корпус определенной формы, изготовленный из магнитного сплава. Ток, текущий через катушку, генерирует магнитное поле в корпусе. Там, где в корпусе выполнен воздушный зазор, магнитное поле выходит наружу, создавая поле линзы, используемое для фокусировки пучка электронов. Воздействие линзы на пучок определяется формой наконечника. Полюсный наконечник - это самая главная деталь магнитной линзы, который обеспечивает магнитное поле с аксиальной симметрией для фокусировки электронов. Конструкция наконечника оказывает наибольшее влияние на электронно-оптические характеристики микроскопа.

16

Для осуществления фокусировки электронов, как и в случае электростатической линзы необходимо поле, обладающее осевой симметрией. Такое поле создается короткой катушкой (рис.2.4). Известно, что со стороны магнитного поля на электроны действует сила Лоренца, которая сообщает им центростремительное ускорения, заставляя двигаться по окружности, не меняя его скорости. Но при движении электрона в таком неоднородном магнитном поле как на рис.2.4 – 2.5, действующая на него сила будет непрерывно меняться вследствие непрерывного изменения в каждой точке траектории вектора магнитной индукции.

Рис.2.4. Движение электронов в фокусирующей электромагнитной линзе [3]

Электрон, движущийся вдоль оси катушки, имеет вектор скорости параллельный вектору магнитной индукции и, следовательно, магнитное поле на него не действует, и он не меняет своей траектории. Электрон, движущийся к оптической оси под углом θ, имеет и параллельную (осевую) VZ и нормальную Vr (рис.2.4) силовым линиям компоненты скорости.

В этом случае движение будет происходить по сложной геликоидальной траектории: под действием Vr будет происходить движение по окружности, а под действием компоненты Vz - вдоль силовой линии поля. Результатом будет отклонение электрона к оси катушки (точка I на рис.2.4). Точка I является изображением точки О и в короткофокусной сильной линзе расположено вне магнитного поля т.е. вне линзы. Длинная катушка создает более однородное поле и является слабой длиннофокусной электромагнитной линзой. Изображение источника электронов в такой линзе расположено внутри самой линзы. Длиннофокусные линзы дают увеличение порядка 10 и не используют в электронной микроскопии, а короткофокусные – порядка 100 [7].

17

Рис.2.5. Принцип действия электромагнитной линзы: траектория электронов, проходящих через воздушный зазор между полюсными наконечниками (а); траектория фокусировки электронов; в – вращательная траектория движения электронов (б) [6]

Для короткой линзы справедливо известное в геометрической световой оптике уравнение Ньютона: 1 +1 = 1 , где a и b расстояние от линзы до

объекта и изображения, соответственно, f –фокусное расстояние. Увеличение M равно M=b/a, или, принимая во внимание, что, как и в световой оптике a≈f, имеем M=b/f.

В отличие от оптических линз, положение электронных линз фиксировано, а фокусное расстояние изменяется путем вариации тока через обмотку линз.

2.3. Предельное разрешение электронного микроскопа и дефекты электронных линз

Под разрешающей способностью прибора понимают его способность разрешать близко расположенные детали образца. Другими словами, разрешающая способность – это наименьшее расстояние между двумя точками объекта, при котором эти точки на изображении разрешаются как две

18

отдельные точки. Разрешающая способность электронного микроскопа определяется эффективной длиной волны электронов.

Длина волны зависит от скорости электронов, а, следовательно, от ускоряющего напряжения; чем больше ускоряющее напряжение, тем больше скорость электронов и тем меньше длина волны, а значит, выше разрешение. Столь значительное преимущество электронного микроскопа в разрешающей способности объясняется тем, что длина волны электронов намного меньше длины волны света. Теоретическое предельное разрешение электронного микроскопа ограничено дифракцией и сферической аберрацией электромагнитных линз (в первую очередь объективной линзы).

Конечные размеры линзы приводят к дифракции лучей на ее краях, ограниченных апертурой. Дифракция приводит к тому, что точка изображается так называемым диском Эйри, радиус которого является теоретически наименьшим радиусом изображения точки и, следовательно, дифракционным пределом разрешения.

Дифракционный предел разрешения просвечивающего электронного микроскопа можно оценить из зависимости: ∆= 0,61∙ [8], где λ длина

волны электрона, а a равна полуширине угловой апертуры, которая может быть аппроксимирована отношением радиуса объективной диафрагмы и фокусного расстояния объективной линзы.

Релей показал, что если максимум от одного из источников приходится на минимум от другого, то результирующее распределение будет иметь минимум в середине около 80% от максимума. В этом случае глаз различает изображение как два накладывающихся источников. Этот критерий Релея принят в практической микроскопии для определения разрешения (рис.2.6). Исходя из этого критерия, видно, что для увеличения разрешения необходимо уменьшение λ, т.е. увеличение энергии.

Рис 2.6. Критерий Релея: разрешение двух соседних точек

19

Наряду с дифракционными ограничениями разрешающую способность ухудшают различного рода дефекты, называемые в оптике аберрациями. Аберрации оптических систем (лат. aberratio — уклонение) - погрешности изображений, вносимые оптическими системами и проявляющиеся в том, что оптические изображения в ряде случаев оказываются окрашенными или не вполне отчётливы, не точно соответствуют объекту. На разрешение электронного микроскопа оказывают влияние хроматические аберрации и астигматизм линз. На рис.2.7 приведены оптические схемы образования аберраций:

а) Сферическая аберрация обусловлена тем, что лучи, проходящие через участки линзы, расположенные на различных расстояниях от оптической оси, фокусируются на различных расстояниях от центра линзы, т.е. имеют слегка отличные фокусные расстояния. Поэтому фокус линзы будет размыт вдоль оптической оси. Это главный дефект объективных линз, в особенности в электронной микроскопии. Сферическую аберрацию можно оценить из соотношения: = ∙ , где С – коэффициент сферической аберрации линзы, составляющий в объективах высокого разрешения величину обычно порядка 2 или 3 мм.

Рис. 2.7. Аберрации линз: сферическая аберрация (а); кома (б); хроматическая аберрация (в); астигматизм (г), дисторсия (д)

б) Кома. Если рассматривать изображения точек образца, располагающихся на некотором расстоянии от оптической оси линзы, то изображения их будут размытыми даже в случае полной компенсации сферической аберрации. Такие искажения получили название кома.

20