БІЛОРУСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІНФОРМАТИКИ І РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ
Кафедра ЕТТ
РЕФЕРАТ
На тему:
В« Електронна мікроскопіяВ»
МІНСЬК, 2008
Основні характеристики мікроскопів
Роздільна здатність мікроскопа - це мінімальна відстань між найближчими точками, при якому їх ще можна спостерігати роздільно.
З теорії оптичної мікроскопії випливає, що роздільна здатність виражається як
пЃ¤ = пЃ¬/ NA ,
де NA - Числова апертура лінз об'єктива, пЃ¬ - довжина хвилі випромінювання, в якому формується зображення в мікроскопі.
Для світлового мікроскопа пЃ¬ = 400 ... 750 нм, а значення NA для кращих об'єктивів не перевищує 1,5. Це говорить про те, що навіть в самих кращих світлових мікроскопах не можна спостерігати деталі об'єкта менше ніж 200 нм.
Глибина різкості - це відстань вздовж оптичної осі, на якому расфокусировка (тобто неточність установки об'єктиву по відношенню до об'єкта і його зображенню) не впливає на роздільну здатність:
D = пЃ¤/ sin пЃЎ,
де 2 пЃЎ - кут розходження променів, що утворюють зображення предмета.
Збільшення будь-якого мікроскопа дорівнює відношенню розміру, разрешаемого неозброєним оком (0.2 мм) до розміру найменшої деталі зображення, які дозволяється мікроскопом. Для світлового мікроскопа
M = 0.2/пЃ¤ = 1000.
Збільшення роздільної здатності мікроскопа шляхом зменшення довжини хвилі призвело до позитивного результату. Мікроскопи, що використовують УФ - промені, дозволяють збільшити роздільну здатність приблизно в два рази. Перехід до мікроскопії, використовує рентгенівські промені, дозволяє ще більш різко збільшити роздільну здатність. Однак відсутність оптичних лінз для рентгенівського діапазону створює ряд труднощів у реалізації цієї ідеї. Такі принципові труднощі були подолані після того, як в 1923 р. Луї де Бройля була висунута гіпотеза, згідно з якою будь частці з масою m , рухається зі швидкістю v , відповідає хвиля з довжиною
пЃ¬ = h/mv ,
де h - Постійна Планка, рівна 6.67 * 10-34 Дж с.
Швидкість електрона можна виразити через прискорює напруга:
Е = ЕU = mv 2/ 2
v = ( 2еU/m ) 1/2
пЃ¬ = h /( 2mеU ) 1/2
Наближені розрахунки показують, що хвиля, відповідна електрону, прискореному полем в 150 В, дорівнює 0.1 нм, що на 3 порядки менше довжини хвилі видимого світла. Оскільки електрону відповідає настільки коротка хвиля, це наводить на думку про можливості створення мікроскопа, що працює з електронними пучками. Роль оптичної системи можуть виконувати відповідним чином підібрані електричні та магнітні поля, сформовані електромагнітними лінзами.
Принцип дії електронних мікроскопів
В даний час розрізняють просвічує електронну мікроскопію (ПЕМ) і растрову електронну мікроскопію (РЕМ). Дані для порівняння РЕМ, ПЕМ і світлової мікроскопії (СМ) наведені в таблиці 1.
Табл. 1. Порівняльні характеристики світлових і електронних мікроскопів
Просвічуючий електронний мікроскоп представляє собою вакуумну камеру, виготовлену у вигляді вертикально розташованої колони (рис. 1). Уздовж центральної осі цієї колони зверху вниз всередині колони розташовані електронний прожектор, певний набір електричних котушок з дротом - електричних магнітів, що виконують роль електромагнітних лінз для пучка електронів, проходить уздовж центральної осі колони до її заснування, і флуоресціюючого екрану, поверхня якого бомбардують електрони пучка.
Рис.1. Просвічуваний електронний мікроскоп JEM -200 CX
ПЕМ є фактичним аналогом світлового мікроскопа. Його схема показана на рис.2. Досліджуваний зразок розташовується в області об'єктивної лінзи 5. Проекційна і проміжна лінзи виконують функцію окуляра. Зображення формується на флуоресціюючому екрані.
Рис. 2. Схема просвітчастого електронного мікроскопа:
1 - Катод, 2 - керуючий електрод, 3 - анод, 4 - конденсорних лінз, 5 - об'єктна лінза, 6 - апертурна діафрагма, 7 - селекторний діафрагма, 8 - проміжна лінза, 9 - проекційна лінза, 10 - екран
Об'єкт АВ розташовують зазвичай на мікросіткою. Проходячи через об'єкт, електрони розсіюються в деякий тілесний кут, який обмежується апертурою діафрагмою об'єктної лінзи. Зображення об'єкта, сформоване об'єктної лінзою (А'В ') збільшується проміжної (А'' В'') і проекційної (А'' 'В''') лінзами. Контраст зображення обумовлюється поглинанням (амплітудний контраст) і розсіюванням (фазовий контраст) електронів в об'єкті (рис. 3).
Рис. 3. Електронні зображення біологічної тканини, отримані при різного ступеня збільшення. На першому зображенні з збільшенням в 170 разів видна графітова мікросетка, на якій розташовують досліджуваний об'єкт
У ПЕМ об'єкт дослідження повинен пропускати пучок електронів. Першорядне завдання дослідника - забезпечення двох умов: малої товщини зразка і виборчого взаємодії електронів з різними деталями зразка. Мікроскоп забезпечується камерою, в обсязі якої створюється необхідний вакуум (10-5 - 10-6 Па). Прискорює напруга, що прикладається між катодом і анодом, знаходиться в межах від 20 до 200 кВ, що забезпечує режим роботи В«На просвітВ». У РЕМ це напруга значно менше (до 20 кВ). Вельми ефективне застосування ПЕМ для аналізу мікроструктури матеріалів, встановлення в ній порушень, контролю правильності заповнення вузлів кристалічної решітки, наявності порожнеч, дислокацій і т.д. (Рис. 4).
Рис. 4. Двовимірне електронне зображення кристала Nb , отримане при 200 кеВ прискорюючої напруги та збільшенні в 6.000.000 разів. Чорні точки відповідають позиціях атомів Nb , білі - каналах міжатомної простору
В відміну від ПЕМ растрова електронна мікроскопія дозволяє дефектоскопіровать зразки практично будь-яких розмірів по товщині. В її основі лежать фізичні явища, що спостерігаються при бомбардуванні поверхні твердого тіла пучком електронів з енергією до декількох десятків кілоелектронвольт, розгортається в двовимірний растр на поверхні досліджуваного зразка. До таких явищ відносяться: емісія вторинних електронів (рис. 5); рентгенівське випромінювання; оптичне випромінювання (катодолюмінесценція); освіту відображених електронів (рис. 6); наведення струмів в об'єкті дефектоскопірованія (рис. 7 а); поглинання електронів (рис. 7 б); електрони, що пройшли крізь зразок (рис. 7 в); освіту об'ємного заряду; освіту термохвилі при модуляції електронного пучка по амплітуді. Реєстрація і подальше перетворення сигналів, викликаних вторинними ефектами, дозволяє отримати різноманітні за інформативному змісту "електронні" зображення об'єкта.
Рис. 6. Контроль дефектів виготовлення інтегральних схем по електронним зображенням, отриманим в режимі контролю відображених електроном при різних прискорюючих напругах і збільшенні в 250 разів
Рис. 7. Електронні зображення, отримане в режимах контролю наведених струмів в кристалі інтегральної схеми (а), поглинених електронів (Наскрізного опору) в плівці сплаву чотирьох металів Ti - Fe - Ni - Ag (б), електронів, пройшли крізь тонкий шар каучуку (в)
Якщо після бомбардування зразка електронним пучком виміряти енергетичне розподіл всіх еміттірованних з нього електронів в діапазоні енергій від 0 до Е0 (Е0 - енергія пер...
