Детектор медленных вторичных электронов.

Относительное количество вторичных и отраженных электронов, улавливаемых детектором, регулируется напряжением смещения на детекторе. Типичный детектор состоит из цилиндра Фарадея (заземленного металлического экрана, полностью защищающего внутреннее пространство от посторонних электростатических влияний) с сеткой, к которой приложено напряжение смещения в интервале (+250) ... (-30) В.

Положительное напряжение служит для сбора вторичных электронов (с низкой энергией и скоростью), но не влияет на траекторию отраженных электронов. При повышении напряжения смещения захватывается более значительное количество вторичных электронов. Если напряжение смещения сделать отрицательным, то вторичные электроны не достигают детектора, а улавливаются только отраженные электроны. Минимального попадания в детектор отраженных электронов можно достичь наклоном его на угол, при котором прямолинейная траектория электронов не проходит внутри коллектора.

Электроны, проходящие через сетку коллектора, ускоряются до такой степени, что их энергии становится достаточно для активации сцинтиллятора и образования светового излучения. Световод, присоединенный к сцинтиллятору, передает световое излучение к фотоумножительному устройству, где оно преобразуется в электрические сигналы, используемые для модуляции яркости электроннолучевой трубки. Хотя детектор вторичных электронов также может быть использован для сбора отраженных электронов (путем передвижения и изменения напряжения смещения на сетке), более эффективно применение двух отдельных детекторов.

Механизм формирования контраста изображения.

Формирование контраста в РЭМ определяется разностью детектируемых сигналов от соседних участков образца, чем она больше, тем выше контраст изображения. Контраст зависит от нескольких факторов: топографии поверхности, химического состава объекта, поверхностных локальных магнитных и электрических полей, кристаллографической ориентации элементов структуры. Важнейшими из них являются топографический, зависящий от неровностей поверхности образца, а также композиционный, зависящий от химического состава. Уровень контраста определяется также и эффективностью преобразования падающего на детектор излучения, которое создает сигнал на его выходе. Если получаемый в итоге контраст недостаточен, то его можно повысить, увеличив ток зонда. Однако большой поток электронов в силу особенностей электронной оптики не может быть хорошо сфокусирован, то есть диаметр зонда возрастет и, соответственно, снизится разрешающая способность.

Кантен-эффект. Пока не нашел. Постараюсь до завтрашнего вечера найти и скинуть.

Пространственное разрешение и информативные возможности.

В зависимости от конкретного прибора и параметров эксперимента, может быть получено разрешение от десятков до доли нанометра. На 2009 год наилучшее разрешение было достигнуто на микроскопе Hitachi S-5500 и составило 0.4 нм (при напряжении 30 кВ).

Применение для анализа:

А) Вторичные электроны – рельеф поверхности

Б) Обратнорассеянные (отраженные) электроны – фазовый состав образца

В) Рентгеновское излучение – качественные и количественный анализ (РС ЭЗМ)

Г) Образование оже-электронов – оже-спектроскопия

Д) Прошедшие электроны – Изображение поверхности для тонких образцов

Е) Поглощенные электроны – Изображение распределения электрических потенциалов.

Ограничения на характеристики образца – тепло- и электропроводность.

На РЭМ могут исследоваться как шлифы, так и поверхности объектов без предварительной подготовки. Изготовление шлифов к исследованию в РЭМ в общем осуществляется так же как и для светомикроскопического исследования. Однако есть и некоторые особенности. Большая глубина резкости изображения в РЭМ позволяет получать дополнительную информацию, проводя глубокое травление шлифов. В то же время при получении изображений в отраженных электронах шлифы травлению не подвергаются. Размеры образцов для РЭМ определяются габаритами камеры микроскопа. Образцы должны быть электропроводящими. Для обеспечения их хорошего электрического контакта с предметным столиком и для фиксации образцов при наклоне стола используют специальные токопроводящие клеи. При исследовании непроводящих ток материалов - диэлектриков на их поверхность наносится напылением тонкая пленка электропроводников - золото, графит и т.д. При работе с органическими материалами нужно учитывать, что при длительном контакте зонда с образцом возможно его термическое разрушение.

Перед испытанием образцы должны быть тщательно очищены, чтобы не образовывались газообразные продукты, затрудняющие получение требуемого вакуума при откачке микроскопа и загрязняющие его колонну. Рекомендуется проводить очистку образцов в различных растворителях с использованием ультразвука. При проведении топографических исследований нельзя допускать окисления поверхностей излома.

Треюования к образцам:

1. Отсутствие электростатической зарядки поверхности

Для диэлектрических образцов на поверхность наносят электропроводящий слой (метод вакуумного испарнения или ионного распыления)

Металл – Au,Au-Pd,Pt-Pd

Толщина слоя 15-20 нм

2. Стабильность образца в условиях вакуума и под действием электронного пучка.

С поверхности образца удаляют все органичские вещества.

Режим регистрации обратно рассеянных электронов.

Для регистрации сигнала отраженных электронов оказывается не эффективно использование детектора типа Эверхарта-Торнли, т.к. в этом случае сбор электронов происходит в малом телесном угле. Это связано с тем, что отраженные электроны имеют высокую энергию и движутся прямолинейно в широком телесном угле (до 1800), не отклоняясь электрическим полем в отличие от вторичных электронов. При этом на сцинтиллятор, имеющий довольно малый диаметр (до 1 см) попадает лишь незначительная часть ОЭ.

Проблема детектирования сигнала ОЭ в широком телесном угле решается за счет использования твердотельного детектора (диаметром до нескольких см), размещаемого непосредственно над поверхностью образца. Детектор обычно представляет собой кристалл кремния со смещенным p-n переходом. Отраженные электроны попадают на детектор, внося изменения в протекающий ток. Этот сигнал усиливается и выдается на монитор микроскопа в виде пикселей.

Получение контрастного изображения в отраженных электронах вызвано тем, что эмиссия ОЭ связана с зависимостью от порядкового номера химического элемента. Поэтому, например, на плоской поверхности образца участок материала с более высоким средним порядковым атомным номером отражает большее количество электронов. Он выглядит на экране более светлым относительно других участков образца. Полученный контраст называют композиционным.

В том случае, когда поверхность образца имеет ярко выраженные неровности, то дополнительно к композиционному можно детектировать топографический контраст.

Таким образом, изображение в режиме отраженных электронов содержит два типа информации: первый отвечает составу исследуемого образца, второй – его топографии. Для того чтобы разделить эти два типа информации используется парный полупроводниковый детектор, расположенный симметрично относительно оптической оси. При сложении сигналов с двух детекторов получается изображение с композиционным контрастом, при вычитании – с топографическим. (Рис.8) Изображение в режиме отраженных электронов имеет более низкое разрешение из-за большей глубины их проникновения (глубина выхода) в образец, чем в режиме вторичных электронов. При этом за счет того, что ОЭ обладают большими энергиями, чем вторичные, они подвергаются меньшему негативному воздействию при зарядке поверхности слабопроводящих образцов.

Информативные возможности, пространственное разрешение, применение.

1. Высокая разрешающая способность РЭМ делает целесообразным его использование для металлографического исследования дисперсных элементов структуры: частиц второй фазы, ямок травления, пор, а также начальных очагов разрушения металла при коррозии, эрозии, износе и других видах внешнего воздействия. Современные РЭМ снабжены программным обеспечением, позволяющим проводить автоматизированную обработку изображений, включающую оценку дисперсности среднего размера, протяженности границ, формы и других параметров структуры материалов. Варьирование увеличений в широком диапазоне и большая глубина резкости, достигаемая в микроскопе, значительно упрощают исследование поверхностей тонких объектов - торцевой поверхности тонкого листа, микронной проволоки и др.

2. На РЭМ успешно изучают порошки, в которых важно оценить морфологию частиц, их дисперсию и другие параметры, требующие получение объемной информации.  Большая глубина фокуса РЭМ позволяет отчетливо и одновременно наблюдать частицы порошка, сильно отличающиеся по размерам, например, с радиусом частиц 0,05 мкм и 1 мм. Обилие полутонов на изображениях, получаемых в РЭМ, создает впечатление объемности и часто позволяет правильно представить себе пространственную конфигурацию элементов структуры исследуемого объекта. Для более сложных случаев можно использовать метод стереопар, обеспечивающий объемное изображение. В качестве примера приведены фотографии порошков, отличающимися химическим составом и технологией получения  .  

3. Эффект композиционного контраста позволяет на РЭМ наблюдать и ранжировать по среднему атомному номеру имеющиеся в образце фазы. Метод не требует предварительного травления шлифа, что позволяет одновременно осуществлять локальный микрорентгеноспектральный анализ химического состава образца. В настоящее время практически все РЭМ имеют приставки-микроанализаторы. Используя композиционный контраст выявляют фазы, границы зерен и, исследуя их с помощью микроанализатора, устанавливают характер распределения элементов по сечению зерна, химический состав различных включений. Компьютерная система РЭМ  с использованием банка данных позволяет по химическому составу идентифицировать фазы.     

4. Для проведения фрактографических исследований наиболее целесообразно в сравнении с другими микроскопами использовать РЭМ. Фрактографические исследования дают информацию о строении излома. Она используется для изучения механизма разрушения материалов и выявления причин поломки деталей и конструкций при эксплуатации, а также для определения порога хладноломкости материалов, связанного с переходом от вязкого к хрупкому разрушению и др.  РЭМ имеет автоматический анализатор изображений. ЭВМ в системе РЭМ позволяет количественно анализировать изображение изломов методами математической статистики, корреляционного анализа и др. В качестве примера приведены различные изломы .

5. На РЭМ возможно получение картин каналирования электронов, дающих уникальную информацию о структуре материалов. Лежащий в основе этого метода эффект каналирования проявляется в следующем. Если первичные электроны при облучении объекта движутся между рядами атомов (по "каналам"), то вероятность их взаимодействия с атомами мала и они проникают на большую глубину. В этом случае выход вторичных электронов снижается и на экране  возникает темная линия. Изменяя наклон зонда к поверхности образца на различные углы получают картину каналирования электронов, представляющую собой сетку темных линий, пересекающих светлое поле в различных направлениях. Сравнивая полученную картину с атласом карт, рассчитанных на ЭВМ, определяют кристаллографическую ориентацию зерен и параметры кристаллической решетки. По картинам каналирования выявляют также дислокации, блочную структуру и степень ее разориентации. Поскольку каждое зерно имеет определенную картину каналирования, возникает зеренный контраст, который используется для выявления различных дисперсных фаз.

6. В РЭМ предусматривается установка различных приставок для получения дополнительной информации о материалах. Функционирование некоторых из них основано на использовании эффектов, представленных на  рис. 2. Характеристическое рентгеновское излучение служит для оценки химического состава материала, в том числе его локальных областей. Катодолюминисценция позволяет определять включения и фазовый состав неметаллических и полупроводниковых материалов. Анализ потока прошедших через образец электронов дает представление о структуре фольг, подобно ПЭМ.  РЭМ позволяет регистрировать магнитные поля и выявлять доменную структуру.  Большие камеры для образцов в РЭМ дают возможность монтировать в них приспособления для проведения различных испытаний. Большая глубина фокуса РЭМ позволяет исследовать кинетику процессов в образце под действием механических нагрузок, магнитного и электрического полей, химических реактивов, нагрева и охлаждения. В настоящее время для РЭМ может быть использовано до 60 приставок различного функционального назначения.

Просвечивающая электронная микроскопия.

Общая схема и принцип действия просвечивающего электронного микроскопа. Реализация режимов наблюдения изображения (темное и светлое поле), микродифракции. Электронография. Механизмы формирования контраста изображения в просвечивающем электронном микроскопе (общие понятия).

Просвечивающий электронный микроскоп как средство изучения нанообъектов. Предельные возможности просвечивающего электронного микроскопа. Требования к объектам исследования.

Сканирующая зондовая микроскопия.

Основные физические принципы сканирующей зондовой микроскопии. Туннельная, атомно-силовая зондовая микроскопия, оптическая микроскопия ближнего поля. Информативные возможности и пространственное разрешение. Основные элементы сканирующего зондового микроскопа. Применение при исследовании нанообъектов и линейных измерениях в нанодиапазоне.

Сканирующая зондовая микроскопия

Основные физические принципы сканирующей зондовой микроскопии:

Общей чертой всех сканирующих зондовых микроскопов (и определяющей их название) является наличие микроскопического зонда, который приводится в контакт (не всегда речь идет о механическом контакте) с исследуемой поверхностью и, в процессе сканирования, перемещается по некоторому участку поверхности заданного размера.

Контакт зонда и образца подразумевает их взаимодействие. Выбирается какое-либо одно рабочее взаимодействие. Природа этого выбранного взаимодействия и определяет принадлежность прибора к тому или иному типу в рамках семейства зондовых микроскопов. Информация о поверхности извлекается путем фиксации (при помощи системы обратной связи) или детектирования взаимодействия зонда и образца.

В туннельном микроскопе это взаимодействие проявляется в протекании постоянного тока в туннельном контакте. В основе атомно-силовой микроскопии лежит взаимодействие зонда и образца с силами притяжения или отталкивания. Можно упомянуть о таких разновидностях зондовых микроскопов, как магнитно-силовой микроскоп (зонд и образец взаимодействуют с магнитными силами), микроскоп ближнего поля (оптические свойства образца детектируются через миниатюрную диафрагму, находящуюся в ближней зоне источника фотонов), поляризационный силовой микроскоп (с образцом взаимодействует проводящий заряженный зонд) и т.д.

Туннельная, атомно-силовая зондовая микроскопия, оптическая микроскопия ближнего поля. Информативные возможности и пространственное разрешение.

Туннельная:Принцип работы туннельного микроскопа основан на прохождении электроном потенциального барьера, который образован разрывом электрической цепи — небольшим промежутком между зондирующим микроострием и поверхностью образца. В основе работы прибора лежит хорошо известный феномен электронного туннелирования (туннельный эффект). Между металлическим острием и поверхностью исследуемого проводника прикладывают электрическое напряжение (типичные значения напряжений: от единиц мВ до В) и острие приближают к поверхности образца до появления туннельного тока. Устойчивые изображения многих поверхностей можно получать при величине туннельного тока в 10-9 А, т.е. в 1 нА. При этом острие оказывается вблизи поверхности на расстоянии в доли нанометра. Для получения изображения поверхности металлическое острие перемещают над поверхностью образца, поддерживая постоянной величину туннельного тока. При этом траектория движения острия по сути дела совпадает с профилем поверхности, острие огибает возвышенности и отслеживает углубления. Важной деталью сканирующего туннельного микроскопа является механический манипулятор, который обеспечивает перемещение зонда над поверхностью с точностью до тысячных долей нанометра. Традиционно механический манипулятор изготавливают из пьезокерамического материала.

Атомно-силовая: В атомно-силовом микроскопе взаимодействие является силовым взаимодействием зонда и образца.Атомное разрешениена проводящих и непроводящих поверхностях. В случае исследований незаряженных поверхностей в естественной атмосфере (на воздухе) основной вклад в силовое взаимодействие зонда и образца дают: силы отталкивания, вызванные механическим контактом крайних атомов зонда и образца, силы Ван-дер-Ваальса, а также капиллярные силы, связанные с наличием пленки адсорбата (воды) на поверхности образца.

Деление АСМ по способу измерения и фиксации силового взаимодействия зонда и образца позволяет выделить два основных случая: контактная атомно-силовая микроскопия и АСМ прерывистого контакта.

Оптическая микроскопия ближнего поля: оптические изображения с продольным разрешением в 50 нм. Обеспечивает разрешение лучшее, чем у обычного оптического микроскопа. Повышение разрешения БОМа достигается детектированием рассеяния света от изучаемого объекта на расстояниях меньших, чем длина волны света. В случае, если зонд (детектор) микроскопа ближнего поля снабжен устройством пространственного сканирования, то такой прибор называют сканирующим оптическим микроскопом ближнего поля. Такой микроскоп позволяет получать растровые изображения поверхностей и объектов с разрешением ниже дифракционного предела.

Если в качестве зонда взять миниатюрную диафрагму с отверстием в несколько нанометров - апертуру, то в соответствии с законами волновой оптики, видимый свет (с длиной волны несколько сот нанометров) проникает в такое маленькое отверстие, но не далеко, а на расстояние, сопоставимое с размерами отверстия. Если в пределах этого расстояния, в так называемом «ближнем поле», поставить образец, рассеянный от него свет будет регистрироваться. Перемещая диафрагму в непосредственной близости от образца, как в туннельном микроскопе, получим растровое изображение поверхности. Позднее были разработаны ближнепольные микроскопы не использующие апертуру - безапертурный СБОМ.

Уникальность ближнепольной оптической микроскопии по сравнению с другими сканирующими методами состоит в том, что изображение строится непосредственно в оптическом диапазоне, в том числе видимого света, однако разрешение многократно превышает разрешение традиционных оптических систем.

(В качестве зонда фигурирует оптическое волокно с миниатюрной диафрагмой. При сканировании образца манипулятор перемещает диафрагму вблизи поверхности. Излучение лазерного источника, проходя через диафрагму, освещает исследуемую поверхность. В микроскопе такой конструкции регистрируют рассеянный или переизлученный свет. В результате того, что рассеяние света происходит в ближней зоне (на расстоянии от излучающей диафрагмы меньшем, чем длина волны света), удается преодолеть принципиальное ограничение обычной оптической микроскопии по разрешающей способности: становятся заметными детали поверхности размером в десятки нанометров.)

Основные элементы сканирующего зондового микроскопа.

Кантилевер, зонд (для каждой микроскопии свой), механический манипулятор, лазер, фотодиод, система обратной связи. Если проще: зонд, система перемещения, регистрирующая система.

Применение при исследовании нанообъектов и линейных измерениях в нанодиапазоне.

Наиболее яркими демонстрациями возможностей этого экспериментального направления при исследовании поверхностей твердых тел могут служить: результаты по прямой визуализации поверхностной реконструкции, манипуляция отдельными атомами для записи информации с рекордной плотностью, исследование локального влияния поверхностных дефектов на зонную структуру образца и пр.

Новые возможности рассматриваемого направления в сравнении с традиционными методами исследования поверхности делают особенно перспективным применение зондовой микроскопии (в частности атомно-силовой микроскопии (АСМ) для изучения биологических и органических материалов. На этом пути в последние годы также был достигнут значительный прогресс. В частности, применительно к исследованиям нуклеиновых кислот, можно упомянуть о таких результатах, как визуализация отдельных молекул ДНК и исследование их конформационного состояния в жидких средах, прямое измерение сил взаимодействия комплементарных нуклеотидов, визуализация в реальном масштабе времени процессов взаимодействия ДНК с белками.