Электронная микроскопия

Электронный микроскоп (ЭМ) – прибор для наблюдения и фотографирования многократно (до 10⁶ раз) увеличенного изображения объекта. Здесь вместо световых лучей используются пучки электронов, ускоренных до больших энергий (30 – 1000 кэВ и более) в условиях глубокого вакуума.

Целесообразность создания ЭМ стала очевидной после выдвижения в 1924 году гипотезы де Бройля о волновой природе электрона, а технические предпосылки были созданы Х. Бушем, который в 1926 году разработал магнитную электронную линзу.

Таким образом, главным приложением электронной оптики тех лет являлось изобретение и создание в 1930-х годах электронного микроскопа, построенного по законам волновой оптики, но с применением электрических и магнитных полей для фокусировки электронных лучей. В отличие от оптического, в электронном микроскопе используют потоки электронов и магнитные или электростатические линзы (в оптическом микроскопе линзы стеклянные).

Некоторые ЭМ позволяют увеличивать изображение в 5 млн. раз, в то время как максимальное увеличение лучших оптических микроскопов достигает 2000 раз. Как оптические, так и электронные микроскопы имеют ограничения в разрешающей способности в зависимости от длины волн.

По видам различают:

• просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ);

• растровый электронный микроскоп (РЭМ);

• отражательный электронный микроскоп (ОЭМ);

• растровый просвечивающий электронный микроскоп (РПЭМ);

• фотоэмиссионный электронный микроскоп (ФЭЭМ).

ПЭМ обладают самой высокой разрешающей способностью, превосходя по этому параметру световые микроскопы в несколько тысяч раз. Предел разрешения объекта у ПЭМ составляет 0,15 – 0,3 нм, т.е. достигает уровня, позволяющего наблюдать атомарную и молекулярную структуру исследуемых объектов. Столь высокие разрешения достигаются благодаря чрезвычайно малой длине волны электронов.

Основными видами искажений электронных линз в просвечивающих микроскопах являются сферическая и хроматическая аберрации, а также дифракция и приосевой астигматизм, т.е. искажение изображения из-за неодинакового преломления (или отражения) лучей в различных сечениях светового пучка. Астигматизм снижает резкость изображения, а проецируемая точка превращается в эллипс.

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 направлениях 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.

Растровые электронные микроскопы (РЭМ) с термоэмиссионной пушкой – самый распространенный тип приборов в электронной микроскопии. Растр – это решетка для структурного преобразования направленного светового пучка.

Разрешающая способность РЭМ зависит от электронной яркости пушки и составляет 5 – 10 нм. Ускоряющее напряжение регулируется в пределах от 1 до 30 – 50 кВ.

Любое из излучений, токи электронов, прошедших сквозь объект (если он тонкий) и поглощенных в объекте, а также напряжение, наведенное на объекте, могут регистрироваться соответствующими детекторами, преобразующими эти излучения, токи и напряжения в электрические сигналы, которые после усиления подаются на электронно-лучевую трубку (ЭЛТ) и модулируют ее пучок. Развертка пучка ЭЛТ производится синхронно с разверткой электронного зонда в РЭМ, и на экране ЭЛТ наблюдается увеличенное изображение объекта. Увеличение равно отношению размера кадра на экране ЭЛТ к соответствующему размеру на сканируемой поверхности объекта.

Основное достоинство РЭМ – высокая информативность прибора, обусловленная возможностью наблюдать изображения, используя сигналы различных детекторов. С помощью РЭМ можно исследовать микрорельеф, распределение химического состава по объекту, p-n-переходы, производить рентгеновый спектральный анализ и др. РЭМ широко применяются и в технологических процессах.

РЭМ с автоэмиссионной пушкой обладают высокой разрешающей способностью (до 2 – 3 нм). В автоэмиссионной пушке используется катод в форме острия, у вершины которого возникает сильное электрическое поле, вырывающее электроны из катода (автоэлектронная эмиссия). Электронная яркость пушки с автоэмиссионным катодом в 10³ – 10⁴ раз выше яркости пушки с термокатодом. Соответственно увеличивается ток электронного зонда. Поэтому в РЭМ с автоэмиссионной пушкой осуществляют наряду с медленной быструю развертку, а диаметр зонда уменьшают для повышения разрешающей способности. Однако автоэмиссионный катод работает устойчиво лишь при сверхвысоком вакууме (10^-7 – 10^-9 Па), что усложняет конструкцию и эксплуатацию таких РЭМ.

Просвечивающие растровые электронные микроскопы (ПРЭМ) обладают столь же высокой разрешающей способностью, как и ПЭМ. В этих приборах применяются автоэмиссионные пушки, работающие в условиях сверхвысокого вакуума (до 10^-8 Па), обеспечивающие достаточный ток в зонде малого диаметра (0,2 – 0,3 нм). Диаметр зонда уменьшают две магнитные линзы.

Эмиссионные электронные микроскопы создают изображение объекта электронами, которые эмитирует сам объект при нагревании, бомбардировке первичным пучком электронов, под действием электромагнитного излучения и при наложении сильного электрического поля, вырывающего электроны из объекта. Эти приборы обычно имеют узкое целевое назначение.

Зеркальные электронные микроскопы служат главным образом для визуализации электростатических «потенциальных рельефов» и магнитных микрополей на поверхности объекта. Основным электронно-оптическим элементом прибора является электронное зеркало, причем одним из электродов служит сам объект, который находится под небольшим отрицательным потенциалом относительно катода пушки. Электронный пучок направляется в электронное зеркало и отражается полем в непосредственной близости от поверхности объекта. Зеркало формирует на экране изображение «в отраженных пучках»: микрополя возле поверхности объекта перераспределяют электроны отраженных пучков, создавая контраст в изображении, визуализирующий эти микрополя.