Физические основы зеркальной электронной микроскопии

Неотъемлемым элементом любого ЗЭМ является электронное зеркало, которое играет двоякую роль. С одной стороны, это наиболее существенная часть электронной оптики прибора, иногда именуемого по этой причине просто электронным зеркалом. С другой стороны, зеркальный электрод – это и есть исследуемый образец. Он почти не бомбардируется электронами, так как находится под небольшим отрицательным потенциалом относительно катода электронной пушки, и электроны отражаются вблизи поверхности образца.

Электронные зеркала уже давно применяются в различных электронно-оптических приборах, а в последнее время появились разнообразные приставки и к электронным микроскопам, использующие две основные возможности электронных зеркал: получение зеркального электронно-оптического изображения (действительного или мнимого) любого объекта с одновременной фильтрацией по скоростям изображающего электронного пучка. Действительно, если потенциал отражающего электрода по отношению к потенциалу источника электронов равен U _см, то в формировании зеркального изображения будут участвовать лишь электроны с начальной энергией меньше 1 эВ/см (остальные будут поглощены электродомотражателем).

Еще в 1959 г. Ю. В. Воробьев предложил использовать электронное зеркало в качестве фильтра для монохроматизации электронного пучка в эмиссионных электронных микроскопах, что позволяет в несколько раз улучшить разрешение прибора. Практическая реализация такой идеи показала, что разрешение эмиссионного микроскопа действительно улучшается. Авторы смонтировали в эмиссионном микроскопе электронное зеркало с магнитной призмой для разделения падающего и отраженного пучков (рис. 7.1). Аналогичное устройство применяется в анализаторах скоростей в просвечивающих электронных микроскопах и в магнитных спектрометрах (для уменьшения хроматической аберрации).

Электронные зеркала используются также в преобразователях изображения для превращения ионного изображения в электронное (под действием ионной бомбардировки люминесцентные экраны разрушаются), в электронно-оптических преобразователях, для фокусировки и модуляции пучков в электронных пушках (что позволяет улучшить разрешение и передачу градаций яркости в передающих и приемных телевизионных трубках) и в других приборах.

Первым исследованным электронным зеркалом была одиночная линза, которая фокусирует проходящий электронный пучок при малых отрицательных потенциалах среднего электрода, но с увеличением этого отрицательного потенциала превращается вначале в собирающее зеркало, а затем в рассеивающее. Большая хроматическая аберрация такой линзы не позволяет получить хорошее зеркальное изображение, поэтому обычно используются двух- или трехэлектродные зеркала, конструкция которых подобна разработанной впервые Хоттенротом, но вместо цилиндров чаще используются диафрагмы.

При исследовании электронно-оптических свойств таких зеркал Хоттенрот заметил, что геометрические неровности на поверхности электрода-отражателя сильно возмущают отражающийся вблизи нее электронный пучок, несущий изображение предмета (сетки). Это наблюдение и послужило толчком к развитию электронной зеркальной микроскопии, основная задача которой – изучение поверхностных структур: как геометрического рельефа поверхности твердого тела, так и различного рода поверхностных микрополей. Нужно отметить, что при исследовании образцов в ЗЭМ микрорельеф поверхности формально можно отнести также к категории микрополей, однако с той особенностью, что его существование и величина обусловлены внешним полем, ускоряющим электроны. Другие микрополя (p – n -переходы, доменные границы, магнитные и контактные неоднородности и др.) могут существовать и в отсутствие внешнего поля.

Изображение поверхностных неоднородностей формируется зеркальной электронно-оптической системой, конструкция которой чаще всего такая же, как и конструкция иммерсионного объектива в эмиссионных электронных микроскопах, поэтому иногда ЗЭМ рассматривают как квазиэмиссионную систему. Электронный пучок проходит через иммерсионный объектив дважды: к образцу и от него. Возможны два варианта хода пучков перед иммерсионным объективом (показаны на рис. 7.1): либо ось отраженного пучка B 2 совпадает с осью освещающего B 1 (рис. 7.1, а), либо пучки разводятся магнитным полем, перпендикулярным к их осям (рис. 7.1, б). Прибор с разделением пучков более сложен, но в нем можно независимо воздействовать на освещающий и отраженный пучки.

Рис. 7.1. Конструктивные варианты зеркальных микроскопов:

а – ось отраженного пучка B 2 совпадает с осью освещающего B 1;

б – пучки разводятся магнитным полем, перпендикулярным к их осям