Физические основы электронной микроскопии

Микроскопия – совокупность экспериментальных методов исследования, основанных на получении увеличенного изображения объекта.

Если сообщить электронам в металлах энергию, необходимую для преодоления рабо­ты выхода, то часть электронов может покинуть металл, в результате чего наблюдает­ся явление испускания электронов, или электронной эмиссии. В зависимости от способа сообщения электронам энергии различают термоэлектронную, фотоэлектронную, вторичную электронную и автоэлектронную эмиссии.

1. Термоэлектронная эмиссия — это испускание электронов нагретыми металлами. Концентрация свободных электронов в металлах достаточно высока, поэтому даже при средних температурах вследствие распределения электронов по скоростям (по энергиям) некоторые электроны обладают энергией, достаточной для преодоления потенци­ального барьера на границе металла. С повышением температуры число электронов, кинетическая энергия теплового движения которых больше работы выхода, растет и явление термоэлектронной эмиссии становится заметным.

Работа выхода – энергия, которую необходимо сообщить электрону, находящемуся в конденсированном веществе для его выхода в вакуум с нулевой кинетической энергией

Уравнение Ричардсона , где

φ – работа выхода электрона;

T – температура эмиттера

k – постоянная Больцмана

А – константа вещества

2. Вторичная электронная эмиссия — это испускание электронов поверхностью ме­таллов, полупроводников или диэлектриков при бомбардировке их пучком электронов. Вторичный электронный поток состоит из электронов, отраженных поверхностью (упруго и неупруго отраженные электроны), и «истинно» вторичных электронов — электронов, выбитых из металла, полупроводника или диэлектрика первичными электро­нами. Отношение числа вторичных электронов n₂ к числу первичных n₁, вызвавших эмиссию, называется коэффициентом вторичной электронной эмиссии:

3. Автоэлектронная эмиссия – явление испускания электронов в вакуум с поверхности твердого тела или другой среды под действием очень сильного электрического поля напряженностью F = 10⁷-10⁸ В/см. Для того чтобы создать такие сильные электрические поля, к обычным макроскопическим электродам необходимо было бы прикладывать напряжения в десятки миллионов вольт. Практически автоэлектронную эмиссию можно возбудить при гораздо меньших напряжениях, если придать катоду форму тонкого острия с радиусом вершины в десятые или сотые доли микрона. Среди эмиссионных явлений автоэмиссия занимает особое место, так как это чисто квантовый эффект, при котором для высвобождения электронов из катода не требуется затрат энергии на сам эмиссионный акт в отличие от термо-, фото- и вторичной эмиссии.

Механизм: квантовое туннелирование через барьер конечной толщины.

Эффект тепловых скоростей

Источники электронов (электронная пушка) для электронных микроскопов.

Электронная пушка— устройство, с помощью которого получают пучок электронов с заданной кинетической энергией и заданной конфигурации. Работа электронной пушки возможна только в условиях глубокого вакуума, чтобы пучок электронов не рассеивался при столкновении с молекулами атмосферных газов.Принципиально электронные пушки разделяются по принципу работы на термоэлектронные и автоэмиссионные.

Термоэлектронная электронная пушка состоит из трех элементов: катода, венельта и анода. Принцип работы основывается натермоэлектронной эмиссии. Венельт имеет более отрицательный потенциал, нежели чем катод, — напряжение смещения. Напряжение смещение может изменяться и используется для контроля эмиссии катода. Высокое напряжение смещения ограничивает до малых размеров область, с которой происходит эмиссия, таким образом уменьшая общий эмитируемый ток, в то время как уменьшение напряжения смещения приводит к обратному.Эмитированные электроны, прошедшие через венельт, образуют кроссовер между катодом и анодом. Данный кроссовер является виртуальным источником электронов для оптической системы микроскопа.