Экзамен / Вопросы / Физические основы электронной микроскопии

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 на термоэлектронной 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.

Автоэмиссионная электронная пушка

Автоэмиссионная электронная пушка бывает двух типов: с катодом холодной автоэмиссии и с катодом Шоттки, в котором термоэлектронная эмиссия усилена понижением энергетического барьера приложенным высоким электрическим полем (Эффект Шоттки). Холодные катоды обычно состоят из вольфрамовой нити со 100 нм в диаметре кончиком.

Типы используемых катодов

Наиболее простым источником электронов в электронных микроскопах является термоэмиссионный катод из вольфрама (рабочий элемент - V-образная вольфрамовая проволока). Интенсивность потока электронов в таком источнике изменяется посредством увеличения/ уменьшения тока накала катода и изменения напряжения смещения. Этот источник наименее прихотлив к вакууму (давление в пушке должно поддерживаться не выше 1·10-3 Па) и его может сменить любой опытный пользователь. Однако вольфрамовый катод не долговечен, его срок работы обычно не превышает 2 месяцев и обладает недостаточной (для многих случаев) электронной яркостью (количество электронов приходящихся на единицу телесного угла).

Более интенсивный поток электронов обеспечивается термоэмиссионным катодом из LaB6,

рабочим элементом в нем является монокристалл гексаборида лантана. Электронная пушка с

таким катодом должна поддерживаться при давлении не выше 1·10-4 Па. При квалифицированном использовании источника, замена осуществляется один раз в 2,5-3 года.

Третий источник электронов – катод с полевой эмиссией. Он состоит из холодной или подогреваемой иглы, с острия которой приложенным потенциалом «стягиваются

электроны» (используется эффект туннелирования электронов). Этот источник эксплуатируется при давлении не выше 1·10-6 Па, пушка микроскопа с таким катодом может откачиваться с использованием нескольких ионных насосов. Замена катода с полевой эмиссией производится только сервисным инженером, а в некоторых моделях ПЭМ она может быть произведена лишь на

заводе-изготовителе. Сложности в эксплуатировании катодов с полевой эмиссией компенсируются узким распределением по энергии ускоренных электронов и сроком службы – более 2-х лет.

Основы взаимодействия электронного пучка средних энергий с твердым телом.

При воздействии электронного пучка на образец электроны пучка претерпевают взаимодействия, которые можно разделить на упругие и неупругие. Упругим рассеянием называется процесс взаимодействия частиц, при котором сохраняется полная кинетическая энергия всех взаимодействующих частиц, но происходит ее перераспределение между частицами. При упругом рассеянии изменяется направление вектора скорости электрона. Угол отклонения от направления падения может принимать значения в переделах от 0° вплоть до 180°, но его наиболее вероятное значение составляет по порядку величины единицы градусов. Упругое рассеяние происходит в результате взаимодействия электронов высокой энергии с ядрами атомов, частично экранированных связанными электронами.

Неупругим рассеянием называется процесс взаимодействия частиц, при котором часть кинетической энергии электрона расходуется на возбуждение внутренних степеней свободы атома или ядра, энергию излучений или образующихся частиц. При неупругих взаимодействиях траектория электрона изменяется мало, при этом происходит передача энергии твёрдому телу. Неупругие взаимодействия происходят, в основном, между электронами пучка и электронами образца.

Для электронов при неупругом рассеянии в твердом теле основные механизмы потери энергии:

• ионизационные потери энергии (ионизационное торможение);

• радиационные потери энергии (радиационное торможение)

• ядерные реакции под действием электронов.

Благодаря неупругим взаимодействиям возникают: ионы и вторичные (рассеянные) электроны, непрерывное и характеристическое рентгеновское излучение, оже-электроны, колебания решётки (фононы), электронные колебания (плазмоны), катодолюминесценция.

Пробег электронов

Быстрые электроны вследствие их многократного рассеяния при прохождении через вещество не имеют определенных значений пробегов. Даже моноэнергетические электроны вследствие, например, рассеяния могут полностью потерять свою энергию в различных точках пространства. Поэтому используют термины «практический пробег» (или «экстраполированный») и «максимальный пробег» (или «максимальная глубина проникновения»). Величину пробега часто измеряют в г/см2. При таком выражении пробег электрона не зависит от плотности материала.

Пробег, выраженный в этих единицах, называют массовым пробегом. При малых атомных номерах среды массовый пробег практически не зависит от атомного номера.

Пробег заряженной частицы в веществе обратно пропорционален концентрации электронов в поглощающей среде

, где N – количество атомов, Z – количество электронов в атоме.

Так как , где N_A - число Авогадро, ρ - плотность среды, г/см3; А – атомный вес в г/моль

Тогда получим: , т.е. пробег, если его выражать в массе вещества, приходящегося на единицу площади, будет зависеть только от Z/A.