Общая схема и принцип действия растрового электронного микроскопа.

Растровый электронный микроскоп РЭМ— прибор класса электронный микроскоп, предназначенный для получения изображения поверхности объекта с высоким (до 0,4 нанометра) пространственным разрешением, также информации о составе, строении и некоторых других свойствах приповерхностных слоёв. Основан на принципе взаимодействия электронного пучка с исследуемым объектом.

Схема электронной и рентгеновский оптики комбинированного прибора РЭМ—РМА. 1 — катод: 2 — модулятор; 3 — анод: 4 — ограничивающая диафрагма; 5 — первая конденсорная линза; 6 — вторая конденсорная линза; 7 — катушка двойного отклонения; 8 — стигматор; 9 — конечная (объективная) линза; 10 — диафрагма, ограничивающая размер пучка; 11 — детектор рентгеновского излучения (кристалл-дифракционный или с дисперсией по энергии); 12 — усилитель фотоумножителя, 13 — генераторы развертки; 14 — образец; 15 — детектор вторичных электронов; 16 — к катушке двойного отклонения; 17—управление увеличением; 18—ЭЛТ.

Основными частями растрового электронного микроскопа являются система линз, электронная пушка, коллектор электронов. Электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) для наблюдения и съёмки и связанная с ними система электроники.

Принцип схема РЭМ: тонкий электронный зонд (электронный пучок) направляется на анализируемый образец. В результате взаимодействия между электронным зондом и образцом генерируются низкоэнергетичные вторичные электроны, которые собираются детектором вторичных электронов. Каждый акт столкновения сопровождается появлением электрического сигнала на выходе детектора. Интенсивность электрического сигнала зависит как от природы образца (в меньшей степени), так и от топографии (в большей степени) образца в области взаимодействия. Таким образом, сканируя электронным пучком поверхность объекта возможно получить карту рельефа проанализированной зоны.

Тонкий электронный зонд генерируется электронной пушкой, которая играет роль источника электронов, и фокусируется электронными линзами (обычно электромагнитными, иногда электростатическими). Сканирующие катушки отклоняют зонд в двух взаимоперпендикулярных направлениях, сканируя поверхность образца зондом, подобно сканированию электронным пучком экрана электронно-лучевой трубкителевизора. Источник электронов, электронные линзы (обычно тороидальные магнитные) и отклоняющие катушки образуют систему, называемуюэлектронной колонной.

Взаимодействие электронов с веществом

Электроны зонда (пучка) взаимодействуют с материалом образца и генерируют различные типы сигналов: вторичные электроны, обратноотраженные электроны, Оже-электроны, рентгеновское излучение, световое излучение (катодолюминесценция) и т. д. Эти сигналы являются носителями информации о топографии и материале образца. Для получения изображения поверхности образца используются вторичные, отраженные и поглощённые электроны. Остальные излучения применяются в РЭМ как дополнительные источники информации.

Вторичные электроны

В результате взаимодействия с атомами образца электроны первичного пучка могут передать часть своей энергии электронам образца. В результате такого взаимодействия может произойти отрыв электронов. Такие электроны называются вторичными. Эти электроны обычно обладают небольшой энергией (порядка 50 эВ). Часто электрон первичного пучка обладает энергией, достаточной для появления нескольких вторичных электронов.

Так как энергия вторичных электронов невелика, их выход возможен только с приповерхностных слоев материала (менее 10 нм). Благодаря небольшой кинетической энергии эти электроны легко отклоняются небольшой разностью потенциалов. Это делает возможным существенно повысить эффективность детекторов (собрать максимально возможное количество электронов) и получить высококачественные изображения с хорошим отношением сигнал/шум и разрешением лучше 1 нм. Количество вторичных электронов зависит от угла столкновения электронного пучка с поверхностью образца, т.е. от топографии. Поэтому сигнал вторичных электронов применяется для воспроизведения топографии образца.

Типы катодов, используемые в растровой электронной микроскопии. Их сравнительные преимущества и недостатки.

Конструкции источников электронов для РЭМ: Термоэлектронный катод, Автоэмиссионный катод

Электронная пушка состоит из катода , цилиндра Венельта и анода. Обычно в качестве катода используется вольфрамовая V-образная проволока, согнутая под углом. При нагреве катода прямым пропусканием тока происходит термоэмиссия электронов. Электроны ускоряются напряжением, приложенным между катодом и анодом, которое можно изменять от 1 до 50 кВ.

Рабочая температура вольфрамовых катодов 2100–2300 °С, что соответствует накалу до светло-желтого или белого цвета. Долговечность этих катодов определяется ослаблением эмиссии из-за уменьшения толщины катода вследствие распыления вольфрама.

Достоинство вольфрамового катода – устойчивость эмиссии. После временного перекала она не уменьшается. Основной недостаток вольфрамового катода – низкая эффективность (единицы миллиампер на ватт). Вследствие высокой температуры интенсивно испускаются тепловые и световые лучи, на что бесполезно расходуется почти вся мощность накала.

Электронные пушки с катодами из острозаточенных стержней гексаборида лантана, окруженных нагревательной спиралью, и автоэмиссионные пушки с холодным катодом имеют большую яркость и меньший эффективный размер катода, однако стабильность получаемого пучка обеспечивается только при высоком и сверхвысоком вакууме.

Эмиттированные катодом электроны ускоряются и формируются в пучок, проходящий через диафрагму, конденсорные линзы и объективную линзу, которые существенно уменьшают изображение источника электронов, фокусируя его на поверхность образца.

Предельные возможности растровой электронной микроскопии при измерении линейных размеров нанообъектов.

Выделяют следующие преимущества РЭМ, определяющие стремительное развитие растровой электронной микроскопии:

• высокая разрешающая способность;

• большая глубина фокуса в сочетании с наглядностью изображения, дающая возможность исследовать объектыс ярко выраженным рельефом поверхности;

• простота подготовки объектов исследования, обеспечивающая высокую производительность РЭМ и исключающая артефакты;

• простота изменения увеличений от малых до больших крат, гарантирующая высокую прицельность исследования на РЭМ;

• возможность проведения рентгеноспектрального и катодолюминесцентного анализов, электронной спектрометрии, изучения магнитных и электрических микрополей,

дифракционных эффектов и т.д.;

• возможность проведения исследований в статическом и динамическом режимах,

позволяющая успешно изучать непосредственно в РЭМ процессы, протекающие при механическом нагружении материалов, нагреве, охлаждении, воздействии средыи т.д.;

• электронно-зондовая система и принцип формирования изображения, позволяющие использовать ЭВМ для автоматизации количественного анализа изображения и обработки результатов измерений.

К недостаткам РЭМ относят высокую стоимость, невозможность выявления структуры внутри образца, отсутствие цветного изображения, необходимость помещения

образца в вакуум, радиационные повреждения некоторых материалов в процессе исследования, затруднения при изучении диэлектриков.

.