Тема 4. Электронная микроскопия

Электронная микроскопия – это совокупность электронно-зондовых методов исследования микроструктуры твердых тел, ихлокального состава и микрополей (электрических, магнитных и др.)с помощью электронных микроскопов (ЭМ) – приборов, в которыхдля получения увеличенного изображения используют электронныйпучок. Электронная микроскопия включает также методики подготовки изучаемых объектов, обработки и анализа результирующейинформации. Различают два основных направления электронноймикроскопии: трансмиссионную (просвечивающую) и растровую(сканирующую), основанных на использовании соответствующихтипов ЭМ. Они дают качественно различную информацию об объекте исследования и часто применяются совместно. Известны такжеотражательная, эмиссионная, оже-электронная, лоуренцова и иныевиды электронной микроскопии. Далее приведены некоторые основные понятия.

Электронный луч – направленный пучок ускоренных электронов, применяемый для просвечивания образцов или возбужденияв них вторичных излучений (например, рентгеновского).

Ускоряющее напряжение – напряжение между электродамиэлектронной пушки, определяющее кинетическую энергию электронного луча.

Разрешающая способность (разрешение) – наименьшее расстояние между двумя элементами микроструктуры, видимыми наизображении раздельно (зависит от характеристик ЭМ, режимаработы и свойств образцов).

Светлопольное изображение – увеличенное изображение мик-роструктуры, сформированное электронами, прошедшими черезобъект с малыми энергетическими потерями (структура изображается на экране электроннолучевой трубки (ЭЛТ) темными линиями и пятнами на светлом фоне).

Темнопольное изображение формируется рассеянными электронами (основной пучок электронов при этом отклоняют или экранируют) и используется при изучении сильнорассеивающихобъектов (например, кристаллов); по сравнению со светлопольнымвыглядит как негативное.

Хроматическая аберрация – снижение скорости электронов после просвечивания объекта, приводящее к ухудшению разрешения;усиливается с увеличением толщины объекта и уменьшением ускоряющего напряжения.

Контрастирование (химическое и физическое) – обработка ис-следуемых образцов для повышения общего контраста изображения и(или) выявления отдельных элементов их структуры.

Оттенение – физическое контрастирование микрочастиц, макромолекул, вирусов, состоящее в том, что на образец в вакуумнойустановке напыляется тонкая пленка металла; при этом «тени»(ненапыленные участки) прорисовывают контуры частиц и позволяют измерять их высоту.

Негативное контрастирование – обработка микрочастиц илимакромолекул на пленке-подложке растворами соединений тяжелых металлов (U и др.), в результате чего частицы будут видны каксветлые пятна на темном фоне (в отличие от позитивного контрастирования, делающего темными сами частицы).

Ультрамикротом (ультратом) – прибор для получения ультратонких (0,01–0,1 мкм) срезов объектов с помощью стеклянных илиалмазных ножей.

Реплика – тонкая, прозрачная для электронов, пленка из полимерного материала либо аморфного углерода, повторяющая микрорельеф массивного объекта или его скола.

Существующие виды электронных микроскопов:

Просвечивающий электронный микроскоп – это прибор, в котором электронный луч пропускается через ультратонкий образец, при этом взаимодействуя с ним. Образ формируется из электронов, проходящих через образец, увеличивается и усиливается собирательными линзами и появляется на экране, флюоресцентном в большинстве просвечивающих электронных микроскопов. Также может быть использован сенсор, как CCD-камера. Первый практический просвечивающий электронный микроскоп был построен Альбертом Пребусом и Дж. Хиллиером в университете Торонто (Канада) в 1938 г., используя концепции, предложенные ранее Максом Кноллом и Эрнстом Руска.

Растровый электронный микроскоп (англ. Scanning Electron Microscope, SEM) – прибор, позволяющий получать изображения поверхности образца с большим разрешением (менее микрометра). Ряд дополнительных методов позволяет получать информацию о химическом составе приповерхностных слоев.

Отражательный электронный микроскоп – это вакуумный электронно-оптический прибор для наблюдения и фотографирования многократно (до 106 раз) увеличенного изображения объектов, полученного с помощью пучков электронов, ускоренных до больших энергий. Разрешающая способность электронного микроскопа в несколько тысяч раз больше, чем у обычного оптического микроскопа; предел разрешения электронного микроскопа составляет ~0,01–0,1 нм.

Растровый просвечивающий электронный микроскоп – является комбинацией соответственно растрового и просвечивающего электронных микроскопов.

Фотоэмиссионный электронный микроскоп – электроннооптический микроскоп, в котором изображение формируется по током частиц, испускаемых поверхностью объекта при нагревании, наложении сильного электрического поля и т. п.