1.2.2 Микроскопия и концепция разрешения

Когда кого-нибудь спросить,'' что такое микроскоп?'', большинство людей ответит, что это инструмент для увеличения очень малых предметов, до такой степени, чтобы было возможно увидеть их невооруженным глазом, и, скорее всего, они будут ссылаться на световой микроскоп (СМ). Из-за общего знакомства с понятием СМ, мы будем проводить аналогии между электронной и световой микроскопией, там, где это возможно.

Наименьшее расстояние между двумя точками, которое мы можем разрешить наши глазами составляет около 0.1-0.2 мм, в зависимости от того, насколько хороши наши глаза, и предполагая, что есть достаточное освещение. Это расстояние называется разрешением или (что более точно) разрешающей способностью наших глаз. Таким образом, любой инструмент, который может показать нам изображение, выявляющие детали тоньше 0,1 мм, может быть описан как микроскоп, и его наибольшее полезное увеличение определяется его разрешением. Главным привлекающим моментом в начале разработки ПЭМ было то, что электроны имеют размер намного меньше атомов, и благодаря этому должно быть возможным, по крайней мере, теоретически, построить микроскоп, который может иметь разрешение значительно ниже атомного уровня. Идея "видеть" электроны может ввести в заблуждение. Наши глаза не чувствительны к электронам. Если пучок электронов высокой энергии направить в глаза, то скорее всего, глаз ослепнет так, как электроны убьют клетки сетчатки. Таким образом, неотъемлемой частью любого электронного микроскопа является экран просмотра той или иной формы (сейчас обычно плоский экран компьютера), которая отображает интенсивность электронов как интенсивность света, который мы сначала наблюдаем и затем записываем на фотопластинки или храним в цифровом виде.

Разрешение TEM означает разные вещи для разных функций прибора, и мы обсудим их в соответствующих разделах. Проще всего думать о разрешение изображения в ПЭМ с точки зрения критерия Рэлея для классической СМ, в котором говорится, что наименьшее расстояние, которое может быть разрешено, δ, определяемое приближенно по формуле:

(1.1 )

В уравнении 1.1, λ -длина волны излучения, µ коэффициент преломления среды, и β - полу-угол с которого линза собирает свет. Для простоты мы можем приближенно принять коэффициент sinβ (который иногда называется числовой апертурой) равным единице, тогда, разрешение равно примерно половине длины волны света. Для зеленого света в середине видимого спектра,λ составляет около 550 нм, и поэтому разрешение хорошего СМ составляет около 300 нм. В ПЭМ мы можем приближенно оценить наилучшее разрешение с помощью выражения, аналогичного уравнению (1.1) (на самом деле ), которое, как мы увидим позже, очень мало.

Если взглянуть на ситуацию и увидеть, что 300 нм это наименьший размер, который мы можем различить, соответствующий 1000 атомам в диаметре, следовательно, множество особенностей контролирующих свойства материалов находятся за пределами разрешения световой микроскопии. Так же 300 нм является не достаточно малым разрешением с точки зрения получения и изучения наноматериалов. Есть огромная необходимость в нано-науке и инженерии видеть детали вплоть до атомного уровня, для понимания и контроля свойств создаваемых материалов, это и есть основная причина, почему ПЭМ так распространена в материаловедении.
Этот предел в световой микроскопии был хорошо известен к середине 19-го века и высказывание Эрнста Аббе, одного и основоположников в этой области, жаловался что "есть слабая надежда на то, что человеческая изобретательность найдет пути и средства преодоления этого ограничения". Он был прав, но умер в 1905 не дождавшись того момента, когда Де Бройль изобретет решение этой проблемы.

Известное уравнение Де Бройля, показывающее волновую природу электрона и связывающую ее с энергией электрона E, и если пренебречь релятивистскими эффектами, можно записать приближенно:

(1.2)

В данном уравнении E в электрон Вольтах (эВ) а λ в нм.


Из уравнения (1.2) можно вычислить, что для энергии электронов 100 кэВ, длина волны равна λ=4 пм (0.004 нм), что намного меньше чем диаметр атома.

Однако, в настоящее время мы не можем построить "идеальный" ПЭМ, разрешение которого ограничивалось только длиной волны, т.к. линзы современных электронных микроскопов еще далеки от совершенства. Еще до недавнего времени, линзы верхней части колонны в микроскопе можно с полным правом было сравнивать с использованием дна от бутылки Coca-Cola в качестве объектива для световой микроскопии. Прогресс шел быстрыми шагами после первых работ Руска посвящённых электронным линзам и с середины 1970-х годов многие коммерческие ПЭМ были способны разрешать отдельные столбцы атомов в кристаллах, создавая тем самым новую область - высоко-разрешающей просвечивающей электронной микроскопии или ВРПЭМ, которая будет обсуждаться далее. Типичный образец микроструктуры получаемый в ВРПЭМ показан на рисунке 1,2.

Рисунок 1.2 - А) границы двойника в шпинели ступенька от одной плоскости {111} к другой параллельной плоскости. Белые точки - колонки атомов. Изменения в атомной ориентации на границе двойника легко различимы, даже если мы не знаем, чем вызваны белые точки или почему они действительно белые. (B) граница зерен в SrTiO3 полученного без коррекции Cs и (C) с коррекцией Cs. Как можно видеть из рисунка, эффект такой же колоссальный, как если вы будете смотреть на рисунок сквозь очки для чтения

Преимущества использования более короткой длины волны, привели в 1960 году к разработке высоковольтных электронных микроскопов с ускоряющим напряжением (ВВПЭМ) от 1 до 3 МВ.

Фактически, вместо того чтобы увеличивать разрешающую способность, большинство из этих инструментов были использованы для введения контролируемого количества радиационных повреждений в образцах, в попытке имитации режимов работы ядерных реакторов. Катастрофы в Three-Mile остров и Чернобыль способствовал изменениям в приоритетах энергетических исследований, в последнее время не было нужды в использовании ВВПЭМ. Сегодня, изменения климата вынуждают пересмотреть отношение к ядерной энергетике.

Только один ВВПЭМ (1 МВ) для получения ВРПЭМ было построено в 1980-х годах и три 1.25 МВ машины в 1990 году. Электронные микроскопы с промежуточным ускоряющим напряжением (IVEM) были введены в 1980-х годах. Эти ПЭМ работают при ускоряющих напряжениях 200-400 кВ, но все еще обладают очень высоким разрешением, близким к достигнутым при 1 МВ. В самом деле, прогресс таков, что большинство IVEMs, приобретаемых на сегодняшний день, по сути, являются ВРПЭМ с атомным разрешением.

В настоящее время, мы все еще боремся за улучшение разрешения и последние достижения в исправлении сферических и хроматических аберраций (см. главы 6 и 37, соответственно) произвели революцию в области TEM. Среди преимуществ, коррекции сферических аберраций (которые, мы расскажем в далее, сокращенно Cs) и хроматических аберраций (сокращенно Cc) позволяют нам получать менее шумные изображения с атомным разрешением. Фильтрацией электронов с различными длинами волн мы можем также можем получать лучшее изображение толстых образцов. Сочетание IVEM и Cs коррекции подтолкнуло ПЭМ к разрешению изображения до уровня значительно ниже 0,1 нм (Å). Сегодня та точка, которая была достигнута, как путь для увеличения разрешения теперь уже не имеет первостепенное значение, и TEM будет развиваться более конструктивно другими способами. Как было сказано ранее, разработка в Cs коррекции являются, пожалуй, самым захватывающим шагом вперед в ПЭМ за последние несколько десятилетий. На рисунке 1.2B и C показана разница в типичном изображения с атомным разрешением с корекцией (С) и без коррекции Cs (В).

Стоит отметить, после превозношения достоинств коррекции Cs, что большинство TEM изображений записывающихся при таких увеличениях, где такая коррекция не дает никаких заметных различий. Большинство ПЭМ образцов не являются достаточно тонкими для получения выгоды от Cs коррекции, и это практически никак не сказывается на разрешении изображения. Для более толстых образцов Cc коррекция с помощью энергитической фильтрации является гораздо более полезной.