1. Введение в просвечивающую электронную микроскопию

• | Печать |

1.1 Какие материалы изучаются в ПЭМ?

Материаловеды традиционно изучают металлы, керамические, полимерные, полупроводниковые материалы и композиты на их основе, а также несколько реже дерево, текстиль и бетоны. В добавок к утонению их из объемного состояния, частицы и волокна некоторых материалов так же могут быть исследованы в их исходной форме, т.к. они бывают достаточно тонкими для непосредственного их изучения в ПЭМ без особой предварительной пробоподготовки. К тому же нанотехнологии, которые могут быть определены как "возможность понимания и контроля вещества с характерными размерами структурных элементов от 1 до 100 нм, где наблюдаются уникальные эффекты, определяемые большим вкладом поверхностной энергии, для новых применений".

При создании наноматериалов, они могут иметь 1D, 2D и 3D пространственные ограничения, и с точки зрения их исследования, измерения и манипулирования, ПЭМ является наиболее подходящим инструментом. Можно привести несколько примеров одномерных, двумерных и трехмерных структур которые могут быть исследованы с помощью ПЭМ: например графеновые слои или квантовые ямы, нанотрубки и нанопровода, квантовые точки, наночастицы. Мы можем исследовать их в ПЭМ без какой либо модификации, т.к. 1D структуры всегда достаточно тонки для непосредственного наблюдения; 2D наноматериалы, включая поверхности, и комплексные 3D наноматериалы которые можно разделить по типам многослойные, полупроводниковые устройства, функциональные материалы и нанопористые структуры такие как каталитически-активные частицы. В конце необходимо отметить быстрый рост на границе между нано- и био-объектами. Несмотря на то, что роль ПЭМ в исследовании биологических объектах была смещена менее разрушающими методами анализа, такими как конфокальная, двухфотонная, многофотонная и микроскопия ближнего поля, основная часть исследований в биоматериалах, границах раздела между неорганическими и биологическими объектами и нано-биоматериалах все еще производится с помощью ПЭМ.

1.2 Почему мы используем электроны?

Исторически, развитие ПЭМ было вызвано ограничениями в разрешении изображений, получаемых с помощью световой микроскопии, которое определяется длиной волны видимого света. Только после того, как электронные микроскопы были разработаны, пришло понимание того, что есть еще много других не менее веских причин для использования электронных микроскопов, большинство из которых используются в некоторой степени и в современных ПЭМ. В качестве введения в тему, давайте посмотрим на то, как ПЭМ были разработаны, а также на плюсы и минусы использования такого инструмента.

1.2.1 Краткое введение в историю

Луи Де Бройль (1925) теоретически впервые предсказал, что электроны имеют волновую природу с длиной волны намного меньше длины волны видимого света. Затем две группы исследований Давидсон и Гермер, а также Томсон и Рейд, в 1927 году, независимо осуществили классические эксперименты по электронной дифракции, которые демонстрировали волновую природу электронов. Это не заняло много времени для осуществления идеи об электронном микроскопе, и этот термин был впервые использован в статье Кнолла и Руска (1932). В этой статье они практически осуществили идею о электронном микроскопе и продемонстрировали электронные картины полученные на электронном микроскопе. Это было решающим шагом в развитии ПЭМ, за которые Руска получил нобелевскую премию в 1986 году, незадолго до своей смерти в 1988. Всего за год после публикации статьи Кнолла и Руска разрешение светового микроскопа было превышено. Руска, на удивление, рассказал, что он не слышал об идее де Бройля о волновой природе электронов, и думал, что предел определяемый длиной волны не применим к электронам. Некоторое представление о силе прорыв Руска является тот факт, что коммерческие ПЭМ были впервые разработаны только 4 года спустя. Metropolitan-Vickers EM1 был первым таким инструментом и был построен в Великобритании в 1936 году. Однако, этот микроскоп работал не очень хорошо и стабильно, поэтому производство коммерческих ПЭМ созданные Siemens и Halske, реально начались в Германии в 1939 году. ПЭМ стали широко доступны из ряда других источников (Hitachi, JEOL, Philips, RCA и некоторые другие) после завершения Второй Мировой войны.

Для материаловедов наиболее значимая разработка в ПЭМ произошла в середине 1950 года, когда Боллман в Нидерландах и Хирш с сотрудниками в Кембридже, в Великобритании, усовершенствовали технику электронной микроскопии тонких металлических фольг. В добавление, Кембриджская группа во главе с Хиршем, разработали теорию электронно-микроскопического контраста, на основе которой мы можем идентифицировать, достаточно часто даже числено, все известные линейные и планарные дефекты в картинах ПЭМ. Эти работы были обобщены в книге, которую часто называют "Библией" ПЭМ (Hirsch и соавт., 1977). Для материаловедов практические применения ПЭМ для решения проблемы материалы были начаты в впервые в США Томасом и четко изложено в его книге. Другие книги ориентированные на материаловедов, в частности ориентированные на студент впервые встречающихся с электронной микроскопией были написаны Эдингтоном.

На сегодняшний день, ПЭМ представляют собой, возможно, самый эффективный и универсальный инструмент для исследования и характеризации материалов в пространственном диапазоне от атомного масштаба, на нано-уровне (от <1 нм до 100 нм), и вплоть до уровня микрометра и более.

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, ?, определяемое приближенно по формуле:

(1.1 )

В уравнении 1.1, ? -длина волны излучения, µ коэффициент преломления среды, и ? - полу-угол с которого линза собирает свет. Для простоты мы можем приближенно принять коэффициент sin? (который иногда называется числовой апертурой) равным единице, тогда, разрешение равно примерно половине длины волны света. Для зеленого света в середине видимого спектра,? 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 ? в нм.

Из уравнения (1.2) можно вычислить, что для энергии электронов 100 кэВ, длина волны равна ?=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.

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 C_s) и хроматических аберраций (сокращенно C_c) 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 C_s коррекции подтолкнуло ПЭМ к разрешению изображения до уровня значительно ниже 0,1 нм (A*). 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 C_s (В).

Стоит отметить, после превозношения достоинств коррекции C_s, 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 C_s коррекции, и это практически никак не сказывается на разрешении изображения. Для более толстых образцов C_c коррекция с помощью энергитической фильтрации является гораздо более полезной.

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.

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).

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, C_s 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.

1.2.4 Глубина резкости и глубина фокуса

Глубиной резкости микроскопа является мера того, насколько все части объекта, который мы рассматриваем, остаются в фокусе одновременно; термин глубина фокуса относится к расстоянию, на которое изображение может перемещаться по отношению к объекту и оставаться в фокусе. Линзы в ПЭМ управляют так же и этими свойствами точно так же, как они определяют разрешение. Электронные линзы, которые мы умеем изготавливать являются не очень хорошими, как это уже упоминалось выше, и один из способов улучшить работу линз является введение очень маленькие ограничивающего отверстия, сужающего пучок до тонких пучка из электронов, которое составляет все несколько микрометров в поперечнике. Эти отверстия, очевидно, уменьшают интенсивность электронного пучка, однако, вместе с этим они увеличивают глубину резкости образца и глубина фокуса изображения, которое мы получаем.

Несмотря на то, что большая глубина резкости используется главным образом в РЭМ для получения 3D-изображений, как поверхностей образцов с большими изменениями рельефа, она также имеет важное значение в ПЭМ. Оказывается, что в ПЭМ, ваши образцы, как правило, находятся в фокусе от верхней до нижней поверхности одновременно, независимо от его топографии, до того момента пока образец прозрачен для электронов. Рисунок 1.5 показывает ПЭМ-изображение некоторых дислокации в кристалле.

Дислокации появляются в начале и конце образца, но на самом деле они образуют как бы "стежки" на своем пути через образец от верхней к нижней поверхности, и они остаются в фокусе все время. Более того, вы можете записать окончательное изображение на разных расстояниях от финальной линзы прибора, и оно все равно, будет оставаться в фокусе (хотя увеличение изменится). Если сравнить эти свойства со световой микроскопией, где, даже в случае, если поверхность вашего образца плоская, в пределах длины волны света, то совершенно не обязательно, что вся поверхность будет в фокусе одновременно. Этот аспект ПЭМ дает нам как преимущества, так и недостатки по сравнению со световой микроскопией. Однако следует отметить, что в случае использования микроскопа с C_s корректором, эти преимущества могут нивелироваться, поскольку использование C_s корректора позволяет использовать большие апертуры без ухудшения разрешение объектива. Но с точки зрения улучшения глубины фокуса и глубины резкости предпочтительнее использование малых апертур. Тем не менее, при использовании C_s корректора, исследуемый образец должен быть настолько тонким, что должен оставаться в фокусе во всех случаях, за исключением каких-либо экстремальных.

1.2.5 Дифракция

Как уже отмечалось выше, Thompson, Reid, Davisson и Germer независимо друг от друга показали, что электроны могут дифрагировать при прохождении тонкого кристалла никеля. Появление первой электронной дифракции в ПЭМ было реализовано Kossel и Mollenstedt в 1939 году. Сегодня, электронная дифракция является неотъемлемой частью ПЭМ и вероятно является наиболее полезным аспектом для материаловедов и нанотехнологов для которых кристаллическкая структура (или кристаллические дефекты) являются важнейшей характеристикой для контроля и изучения свойств материалов. На рисунке 1.6 показана дифракционная картина полученная в ПЭМ, содержащая в себе информацию о кристаллической структуре, периодах решетки и форме образца. Мы увидим, что картина дифракции всегда может быть отнесена к тому участку образца, накоторое попало падающее излучение. Так же мы покажем, что в дополнение к обычной дифракции в параллельном пучке электронов мы можем производить получать при сведении электронного пучка, дифракцию в сходящемся пучке по которой можем провести полный анализ кристаллической симметрии малого участка образца, включая такие аспекты как точечная группа и пространственная группы симметрии. Применение приборов с корректором аберраций позволяет получать лучшие картины дифракции, имеющие более острые рефлексы за счет уменьшения хроматической аберрации и с более маленьких участков образца (уменьшая сферическую аберрацию C_s). В световой микроскопии из-за того, что длина волны видимого света намного больше межатомного расстояния в веществе, кристаллическая структура материала не дает никакого вклада информации в дифракционную картину.

Таким образом, с помощью ПЭМ можно получать изображение кристаллов с атомным разрешением, можно генерировать различные сигналы, позволяющие получать данные о химическом составе и кристаллической структуре образца, а так же можно получать изображение, которое находятся в фокусе по всей толщине образца. Есть много других важных причин, почему мы используем электронные микроскопы в своих работах. В то же время есть много причин, с которыми мы сталкиваемся при работе с ПЭМ, которые ограничивают наши возможности использования метода ПЭМ, и это самое важное - понимание, возможностей и ограничения в методе ПЭМ.

1.3 Ограничения метода ПЭМ

1.3.1 Выбор образца

Все вышеперечисленные преимущества ПЭМ сопровождаются недостатками. Прежде всего, цена, которую вы платите, за какое-либо изображение высокого разрешения является то, что вы только видите лишь небольшую часть вашего образца в любой момент времени. Von Heimendahl (1980) сделал доклад для Swann, в котором оценил, что с момента когда стали доступны первые коммерческие ПЭМ, (около 15 лет), было просмотрено всего 0,3 мм³ материала! Продолжив, этот расчет по настоящее время, этот объем увеличивается не более чем до 10³ мм³. Поэтому у нас есть инструмент, который не является хорошим инструментом с точки зрения выбора образца! Эта проблема выбора образца лишь подчеркивает, что, если вы только начинаете ваши исследования, прежде чем положить ваш образец в ПЭМ вы, должны, исследовать его методами, которые предлагают меньшее разрешение, но лучшее с точки зрения отбора образца, такие как световая микроскопия или сканирующая электронная микроскопия (СЭМ). Иными словами, необходимо изучить сначала лес, прежде чем начинать рассматривать узор на листьях деревьев.

1.3.2 Интерпретация изображения в ПЭМ

Еще одной проблемой в ПЭМ является то, что оно представляет нам плоское изображение объемных образцов, рассматриваемых на просвет. Наши глаза и мозг обычно воспринимает изображения в отраженном свете, но плохо приспособлен для интерпретации ПЭМ изображений, и поэтому следует быть осторожным в их интерпретации. Hayes иллюстрирует эту проблему с помощью изображения двух носорогов одновременно, так, что голова одного оказывается прикрепленной к задней части другого (рис 1.7). Таким образом, необходимо остерегайтесь артефактов, которые изобилуют в ПЭМ-изображениях.

Одним из аспектов данного недостатка (иногда называемого проекционным ограничением) является то, что вообще вся ПЭМ информация (изображение, картина дифракции, спектры) усреднена по толщине образца. Иными словами, единичное ПЭМ изображение не имеет чувствительности по глубине. Как уже отмечалось на рисунке 1.5 есть информация о верхней и нижней поверхностях тонкой пленки, но только не об одной из них конкретно. Таким образом, другие методы исследования, более чувствительные к поверхности и имеющие лучшее разрешение по глубине, такие как такие как полевая ионная микроскопия, сканирующая зондовая микроскопия, Оже-спектроскопия и Резерфордовское обратное рассеяние, являются необходимыми дополнительными методами, если вы хотите полностью охарактеризовать ваш образец.

Тем не менее, был достигнут определенный прогресс в преодолении этого ограничения, который был намного более серьезной проблемой для биологов, заинтересованных в форме сложных молекул, клеток и других природных структур. Таким образом, они изобрели метод электронной томографии, который использует комбинацию снимков, сделанных с разным наклоном для создания 3D-изображений, идентично, по принципу, более знакомому медицинскому методу компьютерной томографии, в которой используется сканирование с помощью рентгеновских лучей. В последнее время наблюдается быстрое улучшение конструкций держателя образца, чтобы позволяет полное вращение на 360°, в сочетании с легким сохранением данных и манипуляции, нанотехнологи начали использовать эту технику, для получения 3D=изображения сложных неорганических структур, таких как пористые материалы, содержащие частицы катализатора.

1.3.3 Повреждения, наносимые электронным пучком и безопасность

Вредным воздействием ионизирующего излучения проявляется в том, что оно может повредить ваш образец, в частности полимерные (и большинство органик) или определенные минералы и керамики, являются чувствительными к ионизирующему излучению. Некоторые аспекты повреждения, вносимые пучком высокоэнергетичных электронов, усугубляются при более высоких ускоряющих напряжениях. В коммерческих ПЭМ с ускоряющими напряжениями до 400 кВ, повреждения, вносимые в образец пучком, могут ограничивать многое из того, что мы можем сделать, даже при исследовании тугоплавких металлов. Еще хуже обстоит дело с более интенсивными пучками, получение которых стало возможным из-за достижений в области коррекции сферической аберрации C_s. Рисунок 1.8 показывает область образца, повреждённую пучком высокоэнергетичных электронов.

Тем не менее, не все потеряно, и мы можем объединить более интенсивные источники электронов с более чувствительными детекторами электронов и использовать компьютерные улучшение зашумленных изображений для минимизации общей дозы, полученной от пучка электронов образцом, до уровня ниже порога повреждения. Техника минимальных доз радиации в микроскопии, часто в сочетании с охлаждением образца (крио-микроскопия) и низкошумных ПЗС камер, являются стандартными подходами в ПЭМ исследующей биологические объекты и позволяют получать изображения, которые могут быть получены, если всего несколько сотен электронов на нм² попадают на образец. Эти подходы находят все большее применение в ПЭМ исследованиях материалов, где цифровое управление пучком в СПЭМ еще один способ свести к минимуму радиационные повреждения.

Сочетание высоких энергий (кэВ) с интенсивными источниками электронов, которые доступны в настоящее время, означают, что вы можете разрушить практически любой образец, если не будете соблюдать достаточную осторожность при работе. В то же время ПЭМ таит в себ еще одну опасность - никогда не следует забывать, что помимо образца вы подвергаете себя воздействию ионизирующей радиации. Современные системы являются удивительно хорошо спроектированными и разработаны с учетом системы безопасности как одной из основных задач, но никогда не забывайте, что вы имеете дело с потенциально опасным инструментом, который генерирующим уровень радиации, который будет убивать ткани (и сумели нанести вред некоторым операторам в первых, еще плохо спроектированных, микроскопах). Так что никогда не изменяйте микроскоп без консультации с производителем и без проведения тестов на утечку радиации.

1.3.4 Подготовка образцов

Ваши образцы должны быть достаточно тонкими, если вы собираетесь получить какую-либо информацию с помощью электронов прошедших образец насквозь в ПЭМ. "Тонкие" это понятие относительное, но в данном контексте это означает, что образец должен быть достаточно прозрачным для электронов. Прозрачность образца для электронов означает, что он должен быть достаточно тонким, чтобы передать достаточное количество электронов, т.е. интенсивность, падающих электронов на экран, CCD, или фотопластинку, должна была достаточной, чтобы дать интерпретацию изображений в разумные сроки. Как правило, это требование является функцией от энергии электронов и среднего атомного номера (Z) образца. Как правило, для 100-кэВ электронов, образцы из алюминиевых сплавов будут тонкими вплоть до 1 мкм, в то время как для стали остаются тонкими до толщины в нескольких сотен нанометров. Тем не менее, это аксиома в ПЭМ, что почти всегда, чем тоньше образец, тем лучше и образцы <100 нм должна быть использована везде, где это возможно. В крайних случаях, таких как ВРПЭМ или электронно-спектрометрия, требуются образцы толщиной <50 нм (и даже <10 нм). Эти требования становятся менее строгими по мере увеличения ускоряющего напряжения, но это компенсируется получаемыми образцом повреждениями.

Описанные выше предостережения уравновешиваются в развитие специализированного инструмента для подготовки образцов под названием сфокусированный ионный пучок (FIB), который имеет важное значение для производителей полупроводниковых устройств, которые используют их (в больших количествах) для подготовки в течение нескольких десятков минут, тонкой фольги из конкретных, индивидуальные затворов транзисторов или p-n переходов на пластинах с очень большой степенью интеграции. Единственным недостатком данного метода является то, что для того чтобы купить FIB, вы должны заплатить столько, сколько же, сколько стоит ПЭМ.

1.4 Различные виды ПЭМ

Как было сказано выше, что ПЭМ может проявляться в самых разнообразных типах: ВРПЭМ, ВВПЭМ, ППЭМ, СПЭМ и АЭМ. Однако, современные 200 или 300 кэВ ПЭМ могут объединять аспекты всех перечисленных выше типов микроскопии. Рисунок 1.9 показывает несколько различных видов ПЭМ, которые мы уже упоминали. Поучительно рассмотреть некоторые особенности инструментов, которые показаны здесь. ВВПЭМ обычно требует две или три комнаты, оператор стоящий рядом показывает масштаб этого инструмента. Современная машина, по сути, является электронно-оптической колонной, в которой мы можем поддерживать хороший вакуум, а линзами и большинством других функций можно управлять с помощью одного или нескольких компьютеров. Обратите внимание, что цифровые СПЭМ имеют только плоский дисплей: у них нет (внутреннего) экрана для просмотра. Этот аспект становится все более популярной особенностью в конструкции ПЭМ, потому что, если в микроскопе нет экрана, то и оператор не обязан находиться в том помещении или в здании или даже в стране, где установлен микроскоп. Удаленное управление оператора от ПЭМ преодолевает многие факторы, которые ограничивают производительность лучших инструментов. Удаленная работа становится все более привлекательной особенностью, которая даст еще многим исследователям доступ к наиболее сложным ПЭМ, как это уже происходит в мире астрономии с крупнейшими телескопами.

1.5 Некоторые фундаментальные свойства электрона

Электроны демонстрируют свойства, как частиц, так и волн, иллюстрируя одну из великих загадок квантовой физики - корпускулярно-волновой дуализм. На самом деле ПЭМ регулярно демонстрирует как волновую, так и корпускулярную природу электронов, повторяя электронный аналог знаменитого опыта Тейлора, в котором он продемонстрировал интерференцию света через две узкие щели, несмотря на использование такого слабого источника света, что только один фотон проходил через любую из щелей в каждый момент времени. Ток электронного пучка в ПЭМ может быть около 0.1-1 мА, что соответствует примерно 10¹² электронам, проходящим сквозь плоскость образца. Но, как мы увидим ниже, при 100 кэВ, эти электроны движутся примерно половине скорости света (на самом деле примерно 1,6·10⁸ м/с), и получается, что они находятся на расстоянии около 1,6 мм друг от друга, и это означает, что в образце в любой момент времени находится не более одного электрона. Тем не менее, электронная дифракция и интерференция имеют место быть, и оба эти явления являются волновыми явлениями и требуют взаимодействия различных электронных волн. Несмотря на эту дилемму, мы много знаем об электроне и его поведении, и некоторые основные характеристики приведены в таблице 1.1, наряду с некоторыми соответствующими физическими константами.

Есть несколько важных уравнений, которые необходимо знать: прежде всего, на основе идеи де Бройля о корпускулярно-волновом дуализме, можно связать момент скорости частицы p, и ее длину волны ?, через постоянную Планка:

(1.3)

В ПЭМ, мы сообщаем момент электроны посредством приложения ускоряющего потенциала V, придающего электрону кинетическую энергию eV. Эта потенциальная энергия можно приравнять к кинетической:

(1.4)

Теперь выразив момент электрона p через массу m₀ и скорость ?, где ? из формулы 1.4 можно выразить через ускоряющий потенциал, в итоге получим:

(1.5)

Теперь подставив выражение для момента скорости (1.5) в уравнения 1.3 мы можем найти связь между длиной волны электрона и ускоряющим потенциалом:

(1.6)

Если оглянуться назад, то это уравнение эквивалентно уравнению 1.2. Обратная связь между ? и V вводит очень важное понятие: за счет увеличения ускоряющего напряжения, мы уменьшаем длину волны электронов.

Уравнения 1.2 и 1.6 могут быть использованы выражения для получения приблизительной оценки длины волны электронов. Мы можем использовать уравнение 1.6 для расчета нерелятивистской длины волны электрона, для наиболее часто используемых напряжений в современных ПЭМ, значений длин волн приведены в таблице 1.2.

Соотношение 1.6, которое мы только что получили, не учитывает релятивистские эффекты, и, к сожалению, для электронной микроскопии, релятивистские эффекты не могут быть проигнорированы при энергиях выше 100 кэВ, потому что скорости электронов становятся больше половины скорости света! Так, если быть точным, то мы должны изменить уравнение 1.6 и добавить туда релятивистскую поправку:

(1.7)

Полный список, включающий еще много напряжений, может легко быть получен, подставив соответствующее ускоряющее напряжение в формулы 1.6 и 1.7. Влияние релятивистского эффекта тем больше, чем выше ускоряющее напряжение, как показано в Таблице 1.2, который включает в себя все ускоряющие напряжения коммерчески доступных ПЭМ. Мы будем многократно возвращаться к этим цифрам, когда будем рассчитывать разрешение микроскопа, и когда мы будем делать расчеты о том, как электроны взаимодействуют с веществом.