Отображение геометрического рельефа и электрических микрополей. Рельеф поверхности или электрические микрополя на электроде-отражателе искажают плоские эквипотенциальные поверхности однородного тормозящего поля иммерсионного объектива, что приводит к модуляции по скоростям и по плотности отражающегося электронного пучка (рис. 7.2). Поскольку выпуклая эквипотенциальная поверхность в тормозящем поле действует на электроны так же, как рассеивающее зеркало на световой пучок, «бугорок» на поверхности образца будет отображаться на экране ЗЭМ (в теневом рассеивающем режиме) в виде темного пятна со светлой окантовкой, в то время как «впадина» или положительно заряженный участок поверхности будет фокусировать электронный пучок, и на экране появится светлое пятно. Тонкая структура становится заметной только при отражении электронов на малом расстоянии от поверхности образца. Если должны не только наблюдаться, но и интерпретироваться тонкие детали, то нужно позаботиться о том, чтобы они не перекрывались грубой структурой, т. е. поверхность должна быть хорошо отполирована. Если менять напряжение смещения, нельзя одновременно получить «резкое» отображение (острие каустики в плоскости экрана) мелких и грубых деталей рельефа. В то время как светооптическое изображение «двухмерно» (малая глубина резкости), ЗЭМ дает «пространственное» изображение рельефа, так как электронно-оптический показатель преломления η ∼ C/ 1/3 меняется плавно.
A
Рис. 7.2. Отображение ступенек скола на NaCl:
а, б – электронно-зеркальное изображение соответствующих поверхностей скола; в – светооптическое изображение; г – схема смещения зеркального изображения ступенек (штриховая линия) относительно, светооптического изображения (сплошные линии)
Несмотря на большое сходство формирования изображения электрических микрополей и геометрического рельефа, существует важное для практических применений различие между ними: «геометрический» контраст улучшается с ростом напряженности Ex тормозящего поля, а «электрический» ослабевает.
Несколько иной подход к проблеме отображения потенциальных и геометрических рельефов в ЗЭМ, разрабатываемый в последние годы рядом исследователей, – это метод спектральных характеристик. Зеркальная электронно-оптическая система рассматривается как некоторый фильтр, обеспечивающий более или менее искаженную передачу спектра пространственных частот на образце, аналогично тому, как обычный радиотехнический фильтр пропускает ту или иную полосу временных частот. Поэтому определение чувствительности и контраста изображения, созданного зеркальной электронно-оптической системой, сводится к нахождению ее спектра пропускания, а точнее – к нахождению ее частотно-контрастной (спектральной) характеристики.
Процесс формирования изображения, рассматриваемый с точки зрения передачи информации о структуре образца, можно разбить на три стадии:
1) модуляция носителей информации (электронов) изучаемой структурой;
2) перенос информации;
3) демодуляция.
В эмиссионном микроскопе с апертурной диафрагмой и в ЗЭМ со сфокусированным изображением демодуляция осуществляется срезанием отклоненных электронов краем диафрагмы, а в «теневом» ЗЭМ она происходит одновременно с переносом информации: электронный пучок, модулированный по скоростям исследуемым рельефом, перераспределяется по плотности. Оба вида демодуляции линейны лишь в узком диапазоне степени модуляции, причем теневое изображение – более чувствительный способ демодуляции. Спектральную характеристику в области v max можно использовать только для очень грубых оценок, так как в этой области (при фиксированной амплитуде гармоник распределения потенциала) не выполняется условие малости микрополя, благодаря которому можно линеаризовать уравнения движения электрона и получить зависимость. Именно поэтому в работах спектральная характеристика строится лишь в узком диапазоне частот.
Вследствие весьма существенной нелинейности зеркальной системы ход спектральной характеристики отличается для положительных и отрицательных участков потенциального рельефа (сдвиг изображения в сторону более положительных участков –см. выше), поэтому приходится строить усредненную спектральную характеристику, что, конечно, снижает достоинства рассматриваемого метода. Тем не менее экспериментальная проверка расчетных значений спектральной характеристики, проведенная Артамоновым с соавторами, показала вполне удовлетворительное совпадение теоретических и опытных данных.
Таким образом, реальную зеркальную электронно-оптическую систему можно также (с некоторыми допущениями) рассматривать как квазилинейный фильтр пространственных частот с ограниченной полосой пропускания (сильный завал высоких и низких частот).
Отображение магнитных микрополей. Путем сравнения с порошковыми фигурами было показано, что светлые участки на электронно-зеркальном изображении соответствуют местам с максимальным градиентом магнитного поля. В дальнейшем исследования с помощью ЗЭМ магнитных микрополей различного происхождения – доменных структур, полей звукозаписывающих устройств, полей записи на магнитофонных лентах, искусственных образцов с подмагничиванием – продолжил Майер. Он одним из первых дал качественный анализ проблемы «магнитного контраста» в ЗЭМ (расшифровка такого контраста сложнее, чем электрического) и описал некоторые признаки, позволяющие отличать изображения магнитных микрополей от изображения геометрического и электрического рельефа:
1) чувствительность ЗЭМ к магнитным полям увеличивается
с удалением от электрического центра (центра области попадания электронов при положительном U);
2) если перемещать образец, то контраст изображения магнитной структуры меняется на обратный при прохождении электрического центра;
3) под воздействием магнитного микрополя смещается пятно вторичной эмиссии;
4) радиальные магнитные структуры отображаются с бóльшим контрастом, чем протяженные в азимутальном направлении.
ПРИМЕНЕНИЕ ЗЭМ
Исследование контактных полей и полупроводников. Первой работой по исследованию контактных полей была работа Ортубера, который наблюдал «поля пятен» – контактные поля между никелевой подложкой и слоями Ва или ВаО. Он же сконструировал первый фотопреобразователь: световое изображение создавало потенциальный рельеф на полупроводниковом слое PbS; считывание рельефа производилось с помощью ЗЭМ. Аналогичный фотопреобразователь создан на основе Se–Bi. С помощью ЗЭМ проводилось изучение «полей пятен» различной природы. В частности, в широком температурном интервале изучались «поля пятен» на вторичных эмиттерах и влияние этих полей на распределение по скоростям вторичных электронов; исследовались оксидные и Л-катоды. Электронно-зеркальные изображения сопоставлялись с термо- и фотоэмиссионными. Применение комбинированного эмиссионно-зеркального микроскопа дает возможность количественно оценивать распределение работы выхода по поверхности «пятнистых» эмиттеров.
Исследования диэлектриков. Идеальные изоляторы изучать в обычном ЗЭМ нельзя, так как поверхность образца быстро заряжается электронным пучком. Поэтому массивные образцы с удельным сопротивлением 3·108 Ом/см обычно предварительно покрывают тонкой пленкой металла или полупроводника с достаточной для стекания заряда поверхностной проводимостью, хотя в отдельных случаях удается стабилизировать потенциал поверхности исследуемого диэлектрика выравниванием электронного и ионного токов на образец, т. е. соответствующим подбором напряжения смещения.
Визуализация измерения магнитных полей. Большое количество работ посвящено визуализации и измерению магнитных полей с помощью ЗЭМ. После исследований Майера, в которых показана возможность получать с помощью ЗЭМ изображения магнитных полей, а также сделаны первые попытки количественных оценок этих полей, была разработана, в первом приближении, теория контраста изображений магнитных полей в ЗЭМ, и этот
прибор в настоящее время используется не только как «микроскоп-вольтметр», но и в качестве «гауссметра».
Визуализировалась доменная структура различных ферромагнетиков и были сделаны попытки измерения распределения магнитного поля внутри доменных границ, но разрешение использовавшихся ЗЭМ было недостаточно, а теоретическое обоснование метода расчета поля по изображениям еще отсутствовало. Во многих работах изучались поля магнитных головок различных типов, причем использовались описанные выше методы решения обратной задачи о контрасте изображений магнитных микрополей, что дало возможность измерять распределение магнитного поля над зазором головок.
ЛЕКЦИИ №10-11
