12.3.7. Электронная микроскопия.

Электронная микроскопия – это совокупность методов исследова-ния наноразмерных структур с помощью электронных микроскопов.

Электронный микроскоп представляет собой электронный прибор для наблюдения и исследования многократно увеличенного изображения объекта, в котором используются пучки электронов (30 ÷ 1000 кэВ).

В электронных микроскопах используют возможность облучения образца коаксиальным пучком электронов с помощью электромагнитного поля, а также детекцию распределения электронной плотности в пучке после взаимодействия его с образцом. В 1928 году М. Кнолль и Е. Руска создали первый просвечивающий электронный микроскоп. Затем был построен растровый микроскоп, работающий на принципе сканирования объекта.

Различные конструкции электронных микроскопов позволили развить новый эффективный метод исследования объектов – электронную микро-скопию.

Метод электронной микроскопии позволяет исследовать микрострук-туру объектов, их локальный состав, а также локализацию электрических и магнитных микрополей на поверхностях или в микрообъемах. В настоящее время разработаны конструкции различных электронных микроскопов. В основе их работы лежат как физическая основа корпускулярно-лучевых приборов, так и волновая природа электронов. В электронных микроскопах изображение нанообъектов формируется пучком электронов.

Просвечивающие электронные микроскопы (ПЭМ). ПЭМ являются универсальными приборами многоцелевого назначения. Просвечивающие электронные микроскопы используют волновые свойства движущихся электронов. Схема просвечивающего микроскопа приведена на рис. 12.3.33.

Электронный пучок формируется электронной пушкой и конден-сорными линзами с апертурой и фокусируется на исследуемом образце. Образец устанавливается на нанопозиционере, имеющем три степени свобо-ды. С помощью электромагнитной линзы объектива и линзы проектора электронное изображение фокусируется на люминесцентный экран. Электро-ны возбуждают экран и формируют увеличенное изображение исследуемого объекта, которое может регистрироваться телевизионной камерой и камерой н а приборах с зарядовой связью.

При ускоряющем напряжении до 600 кВ можно получить разрешение порядка ангстрема.

Просвечивающие электронные микроскопы используют для наблю-дения изображения объектов в светлом и темном полях, а также изучения структуры объектов методом электронографии. В ПЭМ используются электроны энергией от 1 кэВ до 5 МэВ, позволяющие просветить электрон-ным пучком объекты толщиной до десятка нанометров. Поверхностная геометрическая структура в ПЭМ исследуется с помощью реплик. Этот метод вызывает определенные неудобства.

Разработаны конструкции сканирующего просвечивающего мик-роскопа, в котором исследуемый образец сканируется тонким электронным лучом.

Исследования атомного строения вещества удобно проводить с помощью электронографов, которые реализованы по электронно-оптической схеме ПЭМ. Узкий электронный пучок в электронографе направляется на исследуемую наноструктуру. На люминесцентном экране создается дифрак-ционное изображение  – электронограмма. На основе измерения рефлексов от структуры исследуемого объекта проводятся вычисления и формируется представление об объекте.

Растровые электронные микроскопы (РЭМ). РЭМ основываются на исследовании излучений, возникающих при взаимодействии электронного зонда с исследуемым объектом (рис.12.3.34). В процессе взаимодействия пучка электронов с веществом объекта возникают следующие основные виды излучений: вторичные, отраженные электроны, оже-электроны, тор-мозное рентгеновское излучение, рентгеновское характеристическое излуче-ние, световое излучения, все эти виды излучения регистрируются, преобра-зуются в электрические сигналы, усиливаются и подаются на модулятор электронно-лучевой трубки или дисплей другого типа. Развертка пучка дисплея синхронизируется с разверткой электронного зонда. В результате на дисплее формируется увеличенное изображение объекта, а также локальное распределение химического состава, наличие p – n-переходов; возможно проведение одновременно рентгеноструктурного анализа, спектрального анализа и т. п. Высокая разрешающая способность РЭМ реализуется при формировании изображения с использованием вторичных электронов.

С помощью растровых электронных микроскопов исследуется, например, возможность создания различных наноструктур с помощью бел-ков (рис. 12.3.35). Некоторые белки могут формировать регулярные структуры, которые можно использовать при создании наномашин, наноэлектронных устройств.

Одновременно изображение можно получить с помощью отраженных электронов. Характеристическое рентгеновское излучение позволяет прове-рить спектрометрическое исследование объекта, локальный количественный анализ.

Растровые оже-электронные микроскопы (РОЭМ) позволяют иссле-довать свойства оже-электронов и выявить распределение химических элементов в поверхностном слое объекта.

Разработаны просвечивающие растровые электронные микроскопы ( ПРЭМ), которые позволяют исследовать непосредственно более толстые образцы, чем в ПЭМ.

Поиски в электронной микроскопии ведутся в области создания электронных голографических систем с целью формирования объемного изображения объектов.