Электронная микроскопия в материаловедении
Электронная микроскопия – это совокупность электронно-зондовых методов изучения микроструктуры твердых тел, их микрополей и локального состава при помощи электронных микроскопов.
Раздел электронной микроскопии также включает в себя разнообразные методы подготовки изучаемых объектов, а также анализа и обработки полученной информации. В настоящее время существует два основных направления электронной микроскопии, которые базируются на использовании соответствующих типов электронных микроскопов:
- Трансмиссионная или просвечивающая микроскопия.
- Сканирующая или растровая микроскопия.
Трансмиссионная микроскопия реализуется при помощи просвечивающих электронных микроскопов, где тонкопленочный объект просвечивается пучком ускоренных электронов, которые обладают энергий от 50 до 200 килоэлектронвольт. Электроны, которые отклоняются атомами изучаемого тела на небольшие углы и прошедшие сквозь него с несущественными энергетическими потерями, оказываются в системе магнитных линз, формирующих на фотопленке и люминесцентном экране светлопольное изображение внутренней структуры. В данном случае удается достигнуть разрешения около 0,1 нанометр. Рассеянные электроны задерживаются диафрагмами. От диаметра диафрагм зависит контраст изображения. При исследовании сильнорассеивающих объектов более информативными являются темнопольные изображения.
В сканирующих электронных микроскопах электронный луч, который сжимается магнитными линиями в тонкий зонд - от 1 до 10 нанометров, сканирует поверхность образца. На ней формируется растр, состоящий из нескольких тысяч параллельных линий. Поверхностные вторичные излучения, которые возникают при электронной бомбардировке регистрируются различными детекторами, а затем преобразуются в видеосигналы, моделирующие электронный луч. Развертки лучей в колонне растрового микроскопа и электронно-лучевой трубки синхронны, это является причиной возникновения на экране трубки изображения, которое представляет собой распределение интенсивности одного из вторичных излучений по сканирующей площади объекта.
Устройство сканирующего электронного микроскопа
Пример схемы сканирующего электронного микроскопа представлена на рисунке ниже.
Рисунок 1. Схема сканирующего электронного микроскопа. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Основой такого микроскопа являются электронная пушка и электронная колонна. Функция электронной колонны заключается в формировании сфокусированного электронного зонда на поверхности изучаемого объекта. Электронный сканирующий микроскоп в обязательном порядке оснащен вакуумной системой. Предметный столик растрового микроскопа позволяет перемещать объект в трех направлениях. Когда электроны взаимодействуют с объектом, возникают несколько видов сигналов. Каждый такой сигнал улавливается специальным детектором. Таким образом изображения, которые продуцируются микроскопом, могут быть построены с использованием разных сигналов, в большинстве случаев нескольких одновременно.
Растровые электронные микроскопы оснащаются специальными детекторами, которые позволяют отбирать и анализировать излучение, возникающее в результате взаимодействия электронного зонда с образцом. Современные методики позволяют изучать не только свойства поверхности образца, но также визуализировать информацию о свойствах поверхностных структур.
Электронная пушка – это устройство, при помощи которого получают пучок электронов с установленной кинетической энергией и заданной конфигурации.
К основным сигналам, которые генерируются в процессе работы сканирующего электронного микроскопа, относятся:
- световой сигнал,
- вторичные электроны,
- рентгеновское характеристическое излучение,
- отраженные электроны,
- электрический ток, который прошел через изучаемый объект,
- электроны, которые прошли через изучаемый объект, при установленной stem-приставке,
- потери электрического тока на изучаемом образце,
- дифракции отраженных электронов.
Микроскопы, на которых установлены все виды детекторов, встречаются редко. Традиционно устанавливаемым на растровые микроскопы детектором является детектор вторичных электронов. В таком режиме микроскоп обладает максимальной разрешающей способностью. Из-за узкого электронного луча микроскопы обладают большой глубиной резкости, в среднем, на два порядка выше, чем у оптического микроскопа. Это позволяет получать очень четкие микрофотографии с трехмерным эффектом для объектом со сложным рельефом. Данное свойство сканирующего электронного микроскопа очень полезно для современного теоретического и прикладного материаловедения.
Глубина резкости – это расстояние вдоль оптической оси объектива между двумя плоскостями в пространстве предметов.
