составляет (300А(.
Эмиссионная электронная микроскопия нашла широкое применение в
исследованиях и разработках катодов электровакуумных приборов различного, в
том числе радиолокационного применения, а также в физических исследованиях
металлов и полупроводников.
В отражательном электронном микроскопе изображение создается с
помощью электронов, отраженных (рассеянных) поверхностным слоем объекта.
Образование изображения в нем обусловлено различием рассеяния электронов в
разных точках объекта в зависимости от материала и микрорельефа. Обычно
образцы получаются под малым углом (приблизительно несколько градусов) к
поверхности. Практически на электронных микроскопах такого типа достигнуто
разрешение порядка 100 ангстрем.
Одна из особенностей отражательного электронного микроскопа —
различие увеличений в различных направления вдоль плоскости объекта связано
с наклонным положением объекта по отношению к оптической оси микроскопа.
Поэтому увеличение такого микроскопа характеризуют обычно двумя величинами:
увеличением в плоскости падения пучка электронов и увеличением в плоскости,
перпендикулярной плоскости падения.
Растровый электронный микроскоп основан на использовании
предварительно сформированного тонкого электронного луча (зонда),
положением которого управляют с помощью электромагнитных полей. Это
управление (сканирование) во многом аналогично процессу развертки в
телевизионных кинескопах. Электронный зонд последовательно проходит по
поверхности исследуемого образца. Под воздействием электронов пучка
происходит ряд процессов, характерных для данного материала и его
структуры. К их числу относятся рассеяние первичных электронов, испускание
(эмиссия) вторичных электронов, появление электронов, прошедших сквозь
объект (в случае тонких объектов), возникновение рентгеновского излучения.
В ряде специальных случаев (люминесцирующие материалы, полупроводники)
возникает также световое излучение. Регистрация электронов, выходящих из
объекта, а также других видов излучения (рентгеновского, светового) дает
информацию о различных свойствах микроучастков изучаемого объекта.
Соответственно этому системы индикации и другие элементы растровых
микроскопов различаются в зависимости от вида регистрируемого излучения.
Синхронно с разверткой электронного зонда осуществляется развертка
луча большого кинескопа. Рассмотрим работу растрового электронного
микроскопа в режиме индикации тока вторичных электронов. В этом случае
величина вторичного электронного тока определяет глубину модуляции яркости
на экране кинескопа. Растровый электронный микроскоп такого типа позволяет
получить увеличение 100 ( 100 000 при достаточной контрастности
изображения. Разрешающая способность растровых электронных микроскопов
определяется диаметром электронного зонда и в случае получения изображения
в электронных лучах составляет (300А(. Растровые электронные микроскопы
позволяют изучать, например, так называемые p-n переходы в полупроводниках.
Из электронных микроскопов упомянем зеркальный электронный микроскоп,
основной особенностью которого является чувствительность к микроскопическим
электрическим и магнитным полям на отражающем массивном объекте. При этом
достигается разрешение деталей порядка 1000А( и увеличение почти в 2000*.
Работа такого микроскопа основана на действии микроскопических
электрических и магнитных полей на электронный поток. Зеркальный
электронный микроскоп позволяет изучать, например, доменную структуру
ферромагнитных материалов, структуру сегнетоэлектриков.
В теневом электронном микроскопе, так же как и в растровом,
формируется электронный зонд, однако положение его остается неизменным.
Электронные лучи зонда служат для получения увеличенного теневого
изображения объекта, помещенного в непосредственной близости от зонда.
Образование изображения обусловлено рассеянием и поглощением электронов
различными участками объекта. Следует отметить, что интенсивность конечного
изображения в теневом электронном микроскопе незначительна, поэтому обычно
в них используются усилители света типа электронно-оптических
преобразователей.
Важной разновидностью электронных микроскопов растрового типа
является микрорентгеноспектральный анализатор. Прибор основан на
возбуждении так называемого характеристического рентгеновского излучения
атомов малого участка поверхности - образца с помощью тонкого
высокоскоростного электронного зонда. Электронный зонд с помощью системы
развертки обегает исследуемую поверхность. При торможении электронов на
поверхности возникает наряду с так называемым тормозным излучением
характеристическое рентгеновское излучение, свойства которого существенно
определяются строением электронных оболочек в атомах вещества. Это
излучение обязано своим возникновением энергетическим переходом между
глубокими энергетическими уровнями атомов.
Возникающее характеристическое излучение регистрируется с помощью
рентгеноспектральной аппаратуры. Диаметр электронного зонда может
изменяться от 360 до 0,5 мкм, а размер просматриваемой площадки
представляет собой квадрат со стороной 360, 180, 90 или 45 мкм. В одном из
приборов такого типа скорость анализа по одному химическому элементу
соответствует движению зонда 8 или 96 мкм/мин (при механическом перемещении
объекта). Анализировать можно все элементы периодической системы элементов
Менделеева, легких (от атомного номера 11 - натрия).минимальный объем
вещества, поддающегося количественному анализу, составляет 0,1 мкг. С
помощью микрорентгеновского анализатора получают распределение физико-
химического состава вдоль исследуемой поверхности.
В СССР серийно выпускается (выпускался) микрорентгеновский анализатор
типа МАР-1 (диаметр зонда около 1 мкм, наименьшая анализируемая площадь
1мкм(2). Приборы такого вида находят применение в электронной
промышленности и в других областях науки и техники.
Читатель, видимо, обратил внимание на тот факт, что в электронных
микроскопах не достигается разрешающая способность, предсказываемая
теорией. В чем же дело? Вспомним, что в формировании изображения в
электронных микроскопах важную роль играют элементы электронной оптики,
позволяющие осуществлять управление электронными пучками. Этим элементам —
электронным линзам свойственны различного рода отклонения от идеального
(требуемого расчетом) распределения электрических и магнитных полей.
Положение здесь во многом аналогично ограничениям в оптической микроскопии,
связанным с неточностью изготовления оптических линз, зеркал и других
элементов. Кроме того, ряд трудностей связан с особенностями изготовления и
работы источников электронных потоков (катодов), а также с проблемой
создания потоков, в которых электроны мало отличаются по скоростям. В
соответствии с этими фактами, действующими в реальных условиях, различают
определённые виды искажений в электронных микроскопах, используя при этом
терминологию, заимствованную из световой оптики.
Основными видами искажений электронных линз в просвечивающих
микроскопах являются сферическая и хроматическая аберрации, а также
дифракция и приосевой астигматизм. Не останавливаясь на происхождении
различных видов искажений, связанных с нарушениями симметрии полей и
взаимным расположением элементов электронной оптики, упомянем лишь о
хроматической аберрации. Последний вид искажений аналогичен возникновению
окрашенных изображений в простых биноклях и лупах. Использование
спектрально чистого монохроматического света в оптике (вместо белого)
устраняет этот вид искажений. Аналогично этому в электронной микроскопии
используют по возможности пучки электронов, скорости которых отличаются
мало (вспомним соотношение (=h/(m(v) для электрона!). Этого достигают
применением высокостабильных источников электрического питания.
Близким «родственником» электронного микроскопа является
электронограф ( прибор, использующий явление дифракции электронов, той
самой дифракции, которая в своё время подтвердила наличие волновых свойств
у электронов и ставит в наши дни предел разрешения в электронном
микроскопе. В случае электронов объектами, в которых может происходить
дифракция на периодической структуре (аналогичной объёмной дифракционной
решётке в оптике), служат кристаллические структуры. Известно, что в
кристаллах атомы расположены в строгом геометрическом порядке на
расстояниях порядка единиц ангстрем. Особенно правильно это расположение в
так называемых монокристаллах. При взаимодействии электронов с такими
структурами возникает рассеяние электронов в преимущественных направлениях
в соответствии с предсказываемыми теорией соотношениями. Регистрируя
рассеянные электроны (например, фотографируя их), можно получать информацию
об атомной структуре вещества. В современных условиях электронография
широко применяется при исследованиях не только твёрдых, но и жидких,
газообразных тел. О виде получаемых электронограмм можно судить по
фотографиям (см. рис.6).
Рис. 6. Электорнограмма высокого разрешения (окись цинка):
вверху ( электронограмма; внизу ( увеличенное изображение участка А.
В нашей стране и за рубежом применяются специализированные
электронографы промышленного типа. Кроме того, в некоторых электронных
микроскопах предусмотрена возможность работы в режиме электронографии.
Следует заметить, что с точки зрения физики получение электронограмм
представляет собой процесс, во многом близкий процессу получению
рентгенограмм в рентгеноструктурном анализе. Действительно, если в
электрографии используется дифракция электронов, то в рентгеноструктурном
анализе происходит дифракция рентгеновских лучей на атомных структурах.
Естественно, что каждый из этих методов имеет свою область применения.
Особенности работы с электронным микроскопом.
Остановимся кратко на основных приемах работы в электронной
микроскопии. Естественно, что эти приемы своеобразны, учитывая сверхмалые
размеры объектов, подлежащих исследованию. Так, например, в биологических
исследованиях находят применения «сверхтонкие ножи» - микротомы,
позволяющие получать срезы биологических объектов толщиной менее 1 мкм.
