1.2.3 Взаимодействие электронов с веществом

Электроны являются одним из видов ионизирующего излучения, которое является общим термином, для излучения которое способно смещать тесно связаные, электроны внутренних оболочек из поля ядра, передавая им часть своей энергии отдельным атомам в образце.

Одним из преимуществ использования ионизирующего излучения является то, что оно производит широкий спектр вторичных сигналов от образца и некоторые из них приведены на рисунке 1.3. Многие из этих сигналов используются в аналитической электронной микроскопии (AEM), что дает нам информации о химических и много других подробностей о наших образцах.

Рисунок 1.3 - Сигналы, генерируемые при взаимодействии пучка высокоэнергетических электронов с тонким образцом. Большинство из этих сигналов могут быть детектированы в различных типах ПЭМ. Направления, показанные для каждого сигнала, не всегда представляют собой физические направление сигнала, но указывают относительное направление, где сигналы имеют максимум интенсивности или там, где они обычно обнаруживаются

Аналитическая электронная микроскопия (АЭМ) использует в основном рентгеновскую энерго-дисперсионную спектрометрию (XEDS) и спектрометрию характеристических потерь энергии электронов (СХПЭЭ). Например, на рисунке 1.4A показан рентгеновский спектр от очень маленькой области ПЭМ образца, изображенного на рис 1.4B. В спектрах присутствуют характеристические пики, которые определяют различные элементы, присутствующие в различных областях образца. Мы можем преобразовать таких спектров в количественное изображение распределения элементов в образце (рис. 1.4С) и из таких изображений извлечь количественные данные, характеризующие элементарные изменения, связанные с неоднородной микроструктуры как показано на Рисунке 1.4D. В отличие от ПЭМ, микроскопы, использующие неионизирующее излучение, такое как видимый свет, как правило, генерируют только свет (но в них и нет существенного нагрева образца, что хорошо).


Рисунок 1.4 - (A) рентгеновские спектры из трех различных участков образца никелевого жаропрочного сплава показанного на (B). Спектры имеют цветовую маркировку в соответствии с выделенными участками образца (C), которая является количественной картой, показывающей распределение элементов, обнаруженных в спектрах (A) (например, зеленые зоны, обогащены Cr, синие участки содержат преимущественно Ti и др.). Количественные профили, показывающие локальные изменения в составе поперек одного из небольших выделений в матрице (C) приведены на рисунке (D)

Для того, чтобы получить наилучший сигнал из наших образцов мы должны направить на него лучший сигнал (пучок электронов), и таким образом выбор источника электронов является критическим. Для локализации этих сигналов мы должны в наших ПЭМ получать очень узкий пучок электронов (или зонд, как его часто называют), как правило, <5 нм и в лучшем случае <0,1 нм в диаметре. Для этого мы объединяем техники ПЭМ и сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) для того, чтобы создать сканирующий-просвечивающий электронный микроскоп (СПЭМ). На самом деле существуют инструменты, которые способны работать только в режиме сканирования, и они иногда называют специализированными СПЭМ приборами. АЭМ предпринимают попытки улучшить аналитические характеристики при промежуточных напряжениях, похожие на улучшение разрешения изображения предпринимаемые в стандартном ПЭМ.

Таким образом можно выделить наиболее важные моменты, Cs коррекция позволяет получать маленькие электронные пучки с большими токами, тем самым значительно улучшая как аналитические, так пространственное разрешение и чувствительность. Коррекция хроматической аберрации (т.е. фильтрация по энергии) также предлагает возможность формировать изображения в электронах с целым рядом конкретных значений энергий, позволяющих визуализировать ширину запрещенной зоны и изображения химических связей.