Электронография

Электронография
Электронография - метод изучения структуры вещества, основанный на рассеянии
ускоренных электронов исследуемым образцом.
Применяется для изучения атомной структуры кристаллов, аморфных тел и
жидкостей, молекул в газах и парах.
Физическая основа электронографии — дифракция электронов,
При прохождении через вещество обладающие волновыми свойствами электроны
взаимодействуют с атомами исследуемого материала, в результате чего
образуются отдельные дифрагированные пучки.
Интенсивности и пространственное распределение этих пучков находятся в
строгом соответствии с атомной структурой образца, размерами и ориентацией
отдельных кристалликов и другими структурными параметрами.
Рассеяние электронов в веществе определяется электростатическим потенциалом
атомов исследуемого материала, максимумы которого в кристалле отвечают
положениям атомных ядер.
Электронография принадлежит к дифракционным структурным методам
(наряду с рентгеновским структурным анализом и нейтронографией) и
обладает рядом особенностей: благодаря несравнимо более сильному
взаимодействию электронов с веществом, а также возможности создания
светосильного пучка в электронографе, экспозиция для получения
электронограмм обычно составляет около секунды, что позволяет исследовать
структурные превращения, кристаллизацию и так далее. С другой стороны,
сильное взаимодействие электронов с веществом ограничивает допустимую
толщину просвечиваемых образцов десятыми долями мкм (при напряжении
1000—2000 кэв максимальная толщина несколько мкм).
Электронография позволила изучать атомные структуры огромного числа
веществ,
существующих
лишь
в
мелкокристаллическом
состоянии
(наноструктуры). Она обладает также преимуществом перед рентгеновским
структурным анализом в определении положения лёгких атомов в присутствии
тяжёлых.
Вид получаемых электронограмм зависит от характера исследуемых объектов.
Электронограммы от плёнок, состоящих из кристалликов с достаточно точной
взаимной ориентацией или тонких монокристаллических пластинок, образованы
точками или пятнами (рефлексами) с правильным взаимным расположением.
При частичной ориентации кристалликов в плёнках по определённому закону
(текстуры) получаются отражения в виде дуг (рис. 1). Электронограммы от образцов,
состоящих из беспорядочно расположенных кристалликов образованы аналогично
дебаеграммам равномерно зачернёнными окружностями, а при съёмке на движущуюся
фотопластинку (кинематическая съёмка) — параллельными линиями. Перечисленные
типы электронограмм получаются в результате упругого, преимущественно
однократного, рассеяния (без обмена энергией с кристаллом). При многократном
неупругом
рассеянии
возникают
вторичные
дифракционные
картины
от
дифрагированных пучков (рис. 2).
Рис.1. Электронограмма текстуры
Рис. 2. Электронограмма, полученная методом
«на отражение» (симметрично расположены
тёмные и светлые линии).
Электронографические исследования проводятся в специальных приборах —
электронных микроскопах. В условиях высокого вакуума в электронных микроскопах
электроны ускоряются электрическим полем, фокусируются в узкий светосильный пучок, а
образующиеся после прохождения через образец пучки либо фотографируются
(электронограммы), либо регистрируются фотоэлектрическим устройством.
В зависимости от величины электрического напряжения, ускоряющего электроны,
различают
дифракцию
быстрых
электронов
(напряжение
от
30—50
кэв
(Килоэлектронвольт) до 1000 кэв и более) и дифракцию медленных электронов
(напряжение от нескольких в до сотен в).
В основе определения элементарной ячейки кристаллической структуры и её
симметрии лежит измерение расположения рефлексов на электронограммах.
Межплоскостное расстояние d в кристалле определяется из соотношения:
d = Lλ/r,
где L — расстояние от рассеивающего образца до фотопластинки, λ —
дебройлевская длина волны электрона, определяемая его энергией, r — расстояние от
рефлекса до центрального пятна, создаваемого нерассеянными электронами. Методы
расчёта атомной структуры кристаллов в электронографии аналогичны
применяемым в рентгеновском структурном анализе (изменяются лишь некоторые
коэффициенты). Измерение интенсивностей рефлексов позволяет определить
структурные амплитуды |Φhkl|. Распределение электростатического потенциала φ(x,
у, z) кристалла представляется в виде ряда Фурье:
(h, k, l — миллеровские индексы, Ω —
объём элементарной ячейки)
Электронный микроскоп - прибор для наблюдения и фотографирования
многократно (до 106 раз) увеличенного изображения объектов, в котором вместо
световых лучей используются пучки электронов, ускоренных до больших
энергий (30—100 кэв и более) в условиях глубокого вакуума.
Предел разрешения у просвечивающих электронных микроскопов (ПЭМ)
составляет 2—3 Å. При благоприятных условиях можно сфотографировать
отдельные тяжёлые атомы. При фотографировании периодических структур,
таких как атомные плоскости решёток кристаллов, удаётся реализовать
разрешение менее 1 Å.
Выпускаются ПЭМ различного назначения, которые делятся на 3 группы:
• электронные микроскопы высокого разрешения;
• упрощённые ПЭМ;
• электронные микроскопы с повышенным ускоряющим напряжением.
ПЭМ с высокой разрешающей способностью (2—3 Å) — как правило,
универсальные
приборы
многоцелевого
назначения.
С
помощью
дополнительных устройств и приставок в них можно наклонять объект в разных
плоскостях на большие углы к оптической оси, нагревать, охлаждать,
деформировать и т.д.
Рис.
3.
Электронный
микроскоп
просвечивающего типа (ПЭМ): 1 —
электронная пушка; 2 — конденсорные
линзы; 3 — объектив; 4 — проекционные
линзы;
5
—
световой
микроскоп,
дополнительно
увеличивающий
изображение, наблюдаемое на экране: 6 —
тубус со смотровыми окнами, через
которые можно наблюдать изображение; 7
— высоковольтный кабель; 8 — вакуумная
система; 9 — пульт управления; 10 —
стенд; 11 — высоковольтное питающее
устройство; 12 — источник питания линз.
Рис. 4. Оптическая схема ПЭМ.
1 — катод v-образной формы из
вольфрамовой проволоки (разогревается
проходящим по нему током до 2800 К);
2 — фокусирующий цилиндр;
3 — анод;
4 — первый (короткофокусный) конденсор,
создающий уменьшенное изображение
источника электронов;
5 — второй (длиннофокусный) конденсор,
который переносит уменьшенное
изображение источника электронов на
объект; 6 — объект;
7 — апертурная диафрагма;
8 — объектив;
9, 10, 11 система проекционных линз;
12 — катодолюминесцентный экран, на
котором формируется конечное изображение
Упрощённые ПЭМ предназначены для исследований, в которых не требуется
высокая PC. Они более просты по конструкции (включающей 1 конденсор и
2—3 линзы для увеличения изображения объекта), их отличают меньшее
(обычно 60—80 кв) ускоряющее напряжение и более низкая его
стабильность. PC этих приборов — от 6 до 15.
Другие применения — предварительный просмотр объектов, рутинные
исследования, учебные цели. Толщина объекта, которую можно
«просветить» электронным пучком, зависит от ускоряющего напряжения.
В 100-кв электронных микроскопах изучают объекты толщиной от 10 до
нескольких тыс. Å.
ПЭМ с повышенным ускоряющим напряжением (до 200 кв) предназначены
для исследования более толстых объектов (в 2—3 раза толще), чем
обычные ПЭМ. Их разрешающая способность достигает 3—5 Å. Эти
приборы отличаются конструкцией электронной пушки: в ней для
обеспечения электрической прочности и стабильности имеются два анода,
на один из которых подаётся промежуточный потенциал, составляющий
половину ускоряющего напряжения. Магнитодвижущая сила линз больше,
чем в 100-кв ПЭМ, а сами линзы имеют увеличенные габариты и вес.
Растровые электронные микроскопы (РЭМ) с накаливаемым катодом
предназначены для исследования массивных объектов с разрешением от 70 до
200 Å. Ускоряющее напряжение в РЭМ можно регулировать в пределах от 1 до
30—50 кв.
При взаимодействии электронов зонда с объектом возникает несколько видов
излучений — вторичные и отражённые электроны; электроны, прошедшие сквозь
объект
(если
он
тонкий);
рентгеновское
тормозное
излучение
и
характеристическое излучение; световое излучение и т. д. Любое из этих
излучений может регистрироваться соответствующим коллектором, содержащим
датчик, преобразующий излучение в электрические сигналы, которые после
усиления подаются на электроннолучевую трубку (ЭЛТ) и модулируют её пучок.
Развёртка пучка ЭЛТ производится синхронно с развёрткой электронного зонда в
РЭМ, и на экране ЭЛТ наблюдается увеличенное изображение объекта.
Увеличение равно отношению высоты кадра на экране ЭЛТ к ширине
сканируемой
поверхности
объекта.
Фотографируют
изображение
непосредственно с экрана ЭЛТ. Основным достоинством РЭМ является высокая
информативность
прибора,
обусловленная
возможностью
наблюдать
изображение, используя сигналы различных датчиков. С помощью РЭМ можно
исследовать микрорельеф, распределение химического состава по объекту, р—nпереходы, производить рентгеноструктурный анализ и многое другое. Образец
обычно исследуется без предварительной подготовки. РЭМ находит применение и
в технологических процессах (контроль дефектов микросхем и пр.).
Рис. 5. Растровый электронный микроскоп
(РЭМ):
1 - изолятор электронной пушки;
2 - накаливаемый V-образный катод;
3 - фокусирующий электрод;
4 - анод;
5 - блок двух конденсорных линз;
6 - диафрагма;
7 - двухъярусная отклоняющая система;
8 - объектив;
9 - диафрагма;
10 - объект;
11 - детектор вторичных электронов;
12 - кристаллический спектрометр;
13 - пропорциональный счётчик;
14 - предварительный усилитель;
15 - блок усиления:
16, 17 - аппаратура для регистрации
рентгеновского излучения;
18 - блок усиления;
19 - блок регулировки увеличения;
20, 21 - блоки горизонтальной и
вертикальной развёрток;
22, 23 - электроннолучевые трубки
Рис. 6. Схема регистрации
информации
об
объекте,
получаемой в РЭМ.
1
—
первичный
пучок
электронов;
2 — детектор вторичных
электронов;
3 — детектор рентгеновского
излучения;
4 — детектор отражённых
электронов;
5
—
детектор
светового
излучения;
6 — детектор прошедших
электронов;
7 — прибор для измерения
наведённого
на
объекте
электрического потенциала;
8 — прибор для измерения
тока прошедших через объект
электронов;
9 — прибор для измерения
тока поглощенных в объекте
электронов
Некоторые основные понятия
Электронный луч - направленный пучок ускоренных электронов, применяемый для
просвечивания образцов или возбуждения в них вторичных излучений (напр.,
рентгеновского).
Ускоряющее напряжение - напряжение между электродами электронной пушки,
определяющее кинетическую энергию электронного луча.
Разрешающая способность (разрешение) - наименьшее расстояние между двумя
элементами микроструктуры, видимыми на изображении раздельно (зависит от
характеристик ЭМ, режима работы и св-в образцов).
Светлопольное
изображение
увеличение
изображение
микроструктуры,
сформированное электронами, прошедшими через объект с малыми энергетическими
потерями [структура изображается на экране электроннолучевой трубки (ЭЛТ) темными
линиями и пятнами на светлом фоне].
Темнопольное изображение формируется рассеянными электронами (основной пучок
электронов при этом отклоняют или экранируют) и используется при изучении
сильнорассеивающих объектов (напр., кристаллов); по сравнению со светлопольным
выглядит как негативное.
Хроматическая аберрация - снижение скорости электронов после просвечивания объекта,
приводящее к ухудшению разрешения; усиливается с увеличением толщины объекта и
уменьшением ускоряющего напряжения.
Контрастирование (химическое и физическое) - обработка исследуемых образцов для
повышения общего контраста изображения и/или выявления отдельных элементов их
структуры.
Оттенение - физическое контрастирование микрочастиц, макромолекул, вирусов,
состоящее в том, что на образец в вакуумной установке напыляется тонкая пленка
металла; при этом "тени" (ненапыленные участки) прорисовывают контуры частиц и
позволяют измерять их высоту.
Негативное контрастирование - обработка микрочастиц или макромолекул на пленкеподложке растворами соединений тяжелых металлов (U и др.), в результате чего частицы
будут видны как светлые пятна на темном фоне (в отличие от позитивного
контрастирования, делающего темными сами частицы).
Ультрамикротом (ультратом) - прибор для получения ультратонких (0,01-0,1 мкм) срезов
объектов с помощью стеклянных или алмазных ножей.
Реплика - тонкая, прозрачная для электронов пленка из полимерного материала либо
аморфного углерода, повторяющая микрорельеф массивного объекта или его скола.
Сканирование - последовательное облучение изучаемой поверхности узким электронным
лучом - зондом с помощью развертки (в трансмиссионных приборах все поле зрения
облучается одномоментно).
Развертка - периодическое отклонение электронного луча по осям X и Y с целью
формирования электронного растра.
Растр - система линий сканирования на поверхности образца и на экране ЭЛТ.
Литература:
1. Хокс П., Электронная оптика и электронная микроскопия, пер. с англ., М., 1974;
2. Стоянова И. Г., Анаскин И. Ф., Физические основы методов просвечивающей
электронной микроскопии, М., 1972;