4.1 Какие неупругие процессы происходят в ПЭМ?

Исторически сложилось, что обычные ПЭМ использовали только два упругих сигнала, а именно, прямой пучок и дифрагированные пучки. Эти сигналы представляют собой либо изображение образца, либо дифракционную картину. Однако, эксплуатация ПЭМ в этой классической манере, в настоящее время является чрезвычайно неэффективной, т.к. мы выбрасываем огромное количество информации о наших образцах, которая содержится в сигналах, возникающих в результате неупругого рассеяния. Некоторые из этих сигналов показаны на рисунке 1.3 и часто используются преимущественно в соответствующих инструментах, таких как сканирующая электронная микроскопия (СЭМ) и Оже-электронная спектроскопия (ОЭС), но мы также можем использовать ПЭМ для обнаружения многих из этих сигналов, тем самым позволяя давать более полную характеристику образца.

Поскольку некоторые из электронов падающего пучка теряют энергию, все эти сигналы связанны общей темой спектрометрией потерь энергии электронов (СПЭЭ). СПЭЭ сигналы и сопутствующие рентгеновские сигналы представляют собой аналитическую электронную микроскопию (АЭМ). В стремлении обнаружить как можно большее количество сигналов от образца, на практике мы не можем собирать все сигналы с одинаковой эффективностью. Тем не менее, различные виды аналитических ПЭМ существуют, которые в той или иной форме, могут обнаруживать все сигналы, показанные на рисунке 1.3. С появлением коррекции аберраций, пространственное разрешение и пределы обнаружения различных методов достигли или близко подошли к одноатомному уровню, и поэтому они очень хорошо подходят для характеристики наноструктурных материалов. Далее мы рассмотрим все сигналы, которые могут быть обнаружены.

Мы должны знать,

  • Что является процессами неупругого рассеяния?
  • Каков диапазон потерь энергии, связанных с каждым процессом?
  • Какова вероятность того, что процессов потерь энергии?
  • Каков угол рассеяния для различных неупруго-рассеяных электронов?


    • Когда электроны высокой энергии сталкиваются с атомом, они сначала проходят сквозь внешнее, слабо связанное электронное облако, далее они проходят более сильно связанные внутренние электронные оболочки, и, наконец, они могут столкнуться с ядром.

    Эта цепь неупругого рассеяния производит целый ряд углов рассеяния, однако не существует простой связи между потерями энергии и углом рассеяния. Обычно, неупругие процессы можно разделить на три компоненты:

  • процессы, которые генерируют рентгеновское излучение
  • процессы, которые генерируют другие (вторичные) электроны
  • процессы, которые являются результатом коллективных взаимодействий со многими атомами или электронами



    • Рисунок 4.1 показывает сечений для наиболее важных неупругих процессов. Как можете видеть из рисунка 4.1, упругое и один из неупругих (возбуждение плазмонов) процессы являются наиболее вероятными событиями и в совокупности на них приходится почти все полное сечение рассеяния. Эти сечения могут меняться на несколько порядков, и один этот факт должен дать некоторое представление относительно вероятности генерации сигнала. Конкретные сечения рассеяния более подробно будут обсуждаться при описании каждого отдельного процесса рассеяния.

    Рисунок 4.1 Сечения неупругого рассеяния различных процессов в Al в зависимости от энергии падающих электронов, предполагая мало-угловое рассеяние (θ∼0ᵒ); Плазмонов (P),ионизации K- и L-оболочек (K, L), генерация вторичных электронов (SE). Для сравнения на рисунке также приведено сечение рассеяния для упругого рассеяния. Значения относительно нечувствительны к энергии пучка.


    Процессы потери энергии электронов являются полезными и вредными одновременно. Например, потери энергии электронов вызывает появление Кикучи линий, возникающих в дифракционной картине и являющихся чрезвычайно полезными. С другой стороны, некоторые из тех же процессов потерь энергии электронов вызывают диффузное рассеяние, которое снижает полезный сигнал во всех дифракционных картинах и изображениях. Если ваш образец достаточно толстый, потери энергии электронов могут скрыть всю полезную информацию, однако, с помощью специальных фильтров эти электроны могут отфильтрованы. Эта фильтрация улучшает качество как изображения, так и дифракционной картины, позволяя исследовать образцы с гораздо большими толщинами.