Электронные микроскопы появились в 1930-х годах и вошли в повсеместное употребление в 1950-х.
На рисунке изображен современный трансмиссионный (просвечивающий) электронный микроскоп, а на рисунке показан путь электронного пучка в этом микроскопе. В трансмиссионном электронном микроскопе электроны, прежде чем сформируется изображение, проходят сквозь образец. Такой электронный микроскоп был сконструирован первым.
Электронный микроскоп перевернут «вверх дном» по сравнению со световым микроскопом. Излучение подается на образец сверху, а изображение формируется внизу. Принцип действия электронного микроскопа в сущности тот же, что и светового микроскопа. Электронный пучок направляется конденсорными линзами на образец, а полученное изображение затем увеличивается с помощью других линз.
В таблице суммированы некоторые сходства и различия между световым и электронным микроскопами. В верхней части колонны электронного микроскопа находится источник электронов — вольфрамовая нить накала, сходная с той, какая имеется в обычной электрической лампочке. На нее подается высокое напряжение (например, 50 000 В), и нить накала излучает поток электронов. Электромагниты фокусируют электронный пучок.
Внутри колонны создается глубокий вакуум. Это необходимо для того, чтобы сократить до минимума рассеивание электронов из-за столкновения их с частицами воздуха. Для изучения в электронном микроскопе можно использовать только очень тонкие срезы или частицы, так как более крупными объектами электронный пучок почти полностью поглощается. Части объекта, отличающиеся относительно более высокой плотностью, поглощают электроны и потому на сформировавшемся изображении кажутся более темными. Для окрашивания образца с целью увеличения контраста используют тяжелые металлы, такие как свинец и уран.
Электроны невидимы для человеческого глаза, поэтому они направляются на флуоресцирующий экран, который воспроизводит видимое (черно-белое) изображение. Чтобы получить фотоснимок, экран убирают и направляют электроны непосредственно на фотопленку. Полученный в электронном микроскопе фотоснимок называется электронной микрофотографией.
Преимущество электронного микроскопа:
1) высокое разрешение (0,5 нм на практике)
Недостатки электронного микроскопа:
1) подготовленный к исследованию материал должен быть мертвым, так как в процессе наблюдения он находится в вакууме;
2) трудно быть уверенным, что объект воспроизводит живую клетку во всех ее деталях, поскольку фиксация и окрашивание исследуемого материала могут изменить или повредить ее структуру;
3) дорого стоит и сам электронный микроскоп и его обслуживание;
4) подготовка материала для работы с микроскопом отнимает много времени и требует высокой квалификации персонала;
5) исследуемые образцы под действием пучка электронов постепенно разрушаются. Поэтому, если требуется детальное изучение образца, необходимо его фотографировать.
Растровый (сканирующий) электронный микроскоп (РЭМ, СЭМ) — прибор, позволяющий получать изображения поверхности образца с большим разрешением (несколько нанометров). Ряд дополнительных методов позволяет получать информацию о химическом составе приповерхностных слоёв.
Принцип работы РЭМ
Тонкий электронный луч генерируется электронной пушкой, которая играет роль источника электронов, совмещенного с электронными линзами, которые играют ту же роль по отношению к электронному пучку как фотонные линзы в оптическом микроскопе к световому потоку. Катушки, расположенные согласно двум взаимоперпендикулярным направлениям (x, y), перпендикулярным направлению пучка (z) и контролируемые синхронизированными токами, позволяют подвергнуть зонд сканированию подобно сканированию электронного пучка в электронно-лучевой трубке телевизора. Электронные линзы (обычно сферические магнитные) и отклоняющие катушки образуют систему, называемую электронной колонной. В современных РЭМ изображение регистрируется исключительно в цифровой форме.
Рис. 3. 14 Внешний вид и устройство растрового электронного микроскопа
Основа сканирующего электронного микроскопа — электронная пушка и электронная колонна, функция которой состоит в формировании остросфокусированного электронного зонда средних энергий (10 — 50 кэВ) на поверхности образца. Прибор оснащен вакуумной системой (в современных моделях микроскопов высокий вакуум желателен, но не обязателен). Также в каждом РЭМ есть предметный столик, позволяющий перемещать образец минимум в трех направлениях. При взаимодействии зонда с объектом возникают несколько видов излучений, каждое из которых может быть преобразовано в электрический сигнал. В зависимости от механизма регистрирования сигнала различают несколько режимов работы сканирующего электронного микроскопа: режим вторичных электронов, режим отражённых электронов, режим катодолюминесценции и др.
РЭМ оснащаются детекторами позволяющими отобрать и проанализировать излучение возникшее в процессе взаимодействия и частицы изменившие энергию в результате взаимодействия электронного зонда с образцом. Разработанные методики позволяют исследовать не только свойства поверхности образца, но и визуализировать информацию о свойствах подповерхностных структур.
Основные типы сигналов, которые генерируются и детектируются в процессе работы РЭМ:
· вторичные электроны (ВЭ или режим рельефа)
· отражённые электроны (ОЭ или режим фазового контраста)
· прошедшие через образец электроны (используется для исследования органических объектов)
· дифракции отражённых электронов (ДОЭ)
· потери тока на образце (ПЭ или детектор поглощенных электронов)
· ток, прошедший через образец (ТЭ или детектор прошедших электронов)
· характеристическое рентгеновское излучение (ренгеноспектральный микроанализ)
· ВДА (волнодисперсионный анализ)
· световой сигнал (катодолюминесценция).
Все возможные типы детекторов, установленные на одном приборе встречаются крайне редко.
Детекторы вторичных электронов — первый и традиционно устанавливаемый на все РЭМ тип детекторов. В этом режиме разрешающая способность РЭМ максимальна. Разрешение детекторов вторичных электронов в современных приборах уже достаточно для наблюдения субнанометровых объектов. Из-за очень узкого электронного луча РЭМ обладают очень большой глубиной резкости (0,6-0,8 мм), что на два порядка выше, чем у оптического микроскопа и позволяет получать четкие микрофотографии с характерным трехмерным эффектом для объектов со сложным рельефом. Это свойство РЭМ крайне полезно для понимания поверхностной структуры образца.
Вторичные электроны. В результате взаимодействия с атомами образца электроны первичного пучка могут передать часть своей энергии электронам из зоны проводимости, то есть слабо связанным с атомами. В результате такого взаимодействия может произойти отрыв электронов и ионизация атомов. Такие электроны называются вторичными. Эти электроны обычно обладают небольшой энергией (порядка 50 эВ). Любой электрон первичного пучка обладает энергией, достаточной для появления нескольких вторичных электронов.
Так как энергия вторичных электронов невелика, их выход возможен только с приповерхностных слоев материала (менее 10 нм). Благодаря небольшой кинетической энергии эти электроны легко отклоняются небольшой разностью потенциалов. Это делает возможным существенно повысить эффективность детекторов и получить высококачественные изображения с хорошим отношением сигнал/шум и разрешением порядка 4 нм при диаметре пучка 3 нм.
Принимая во внимание, что вторичные электроны генерируются приповерхностными слоями, они очень чувствительны к состоянию поверхности. Минимальные изменения отражаются на количестве собираемых электронов. Таким образом этот тип электронов несет в себе инфорамцию о рельефе образца.
Отражённые электроны (ОЭ) — это электроны пучка, отражённые от образца упругим рассеиванием. ОЭ часто используются в аналитическом РЭМ совместно с анализом характеристических спектров рентгеновского излучения. Поскольку интенсивность сигнала ОЭ напрямую связана со средним атомным номером (Z) засвечиваемой области образца, изображения ОЭ несут в себе информацию о распределении различных элементов в образце.
Рентгеновское излучение генерируется в случае, когда электронный луч выбивает электроны с внутренних оболочек элементов образца, заставляя электрон с более высокого энергетического уровня перейти на нижний уровень энергии с одновременным испусканием кванта рентгеновского излучения. Детектирование спектра рентгеновского излучения позволяет идентифицировать состав и измерить количество элементов в образце.
• значительная глубина резкости изображения (объемность);
• большие размеры объектов;
• простота системы электронной оптики;
• большой диапазон увеличений: от 3-х раз до 150 000 раз.
Размер электронного зонда и размер области взаимодействия зонда с образцом намного больше расстояния между атомами мишени. Таким образом, разрешение сканирующего электронного микроскопа не настолько велико, чтобы отображать атомарные масштабы, как это возможно, например, в просвечивающем электронном микроскопе. Однако, сканирующий электронный микроскоп имеет свои преимущества, включая способность визуализировать сравнительно большую область образца, способность исследовать массивные мишени (а не только тонкие пленки), а также разнообразие аналитических методов, позволяющих измерять фундаментальные характеристики материала мишени. В зависимости от конкретного прибора и параметров эксперимента, может быть получено разрешение от десятков до единиц нанометров.
Сканирующие микроскопы применяются в первую очередь как исследовательский инструмент в физике, электронике, биологии.
Рис. 3.15 Микрофотография пыльцы растений и интерфейса между оксидной (темные поля) и металлической (светлые поля) составляющими
Получение изображения исследуемого образца может сильно меняться в зависимости от применяемого типа детектора. Эти различия позволяют делать вывод о физике поверхности, проводить исследование морфологии поверхности. Электронный микроскоп практически единственный прибор, который может дать изображение поверхности современной микросхемы или промежуточной стадии фотолитографического процесса.
В новой технологии сканирующей микроскопии используются атомы гелия вместо электронов.
Леша Ивановский
Перед нами стоит статуя Мыслителя Родена и мы кидаем в нее камнями. По тому, как отскочит камень, мы можем сказать, попал он в ямку или в выпуклость, — и в зависимости от этого зарисовываем статую отскок за отскоком. Так же работает электронный микроскоп, где камни — это электроны, а Мыслитель — это объект, который мы рассматриваем.
Допустим, наш Мыслитель размером 10 микрометров. Использовать дневной свет, которого достаточно для оптического микроскопа, чтобы разглядывать такой маленький объект, — все равно, что бросать валуны в статую. И здесь нужно разобраться с явлением дифракции, которое и заставило человечество придумать электронный микроскоп.
Нанометр — это супер-мало, примерно 10 атомов гелия в ряд. Наши волосы как раз растут со скоростью примерно 2-3 нанометра в секунду.
Дифракция — это способность света огибать объекты. У света, как известно, раздвоение личности — он одновременно и волна, и поток частиц. Из двух частей корпускулярно-волнового дуализма нас интересует та часть, где свет — волна. У волны есть длина, и у видимого света она составляет от 390 до 750 нм. Если размер объекта меньше 250нм, как у клетки крови или вируса гриппа, мы не сможем его разглядеть в оптическом микроскопе, так как волна света будет его огибать, а изображение будет размытым.
Электронный микроскоп был придуман, чтобы бороться с такими ограничениями. Вместо света он использует поток электронов с длинами волн меньше 1 нм. Внутри микроскопа стоят магниты. Они искривляют этот поток, собирают его в очень узкий пучок и «водят» им по образцу, который лежит под электронной пушкой в вакууме: в воздухе электроны ударялись бы об атомы и теряли энергию.
Когда электрон вылетел из пушки и ударился в какое-то место на образце, это место возбуждается и начинает выбрасывать целую гамму излучений: рентгеновское, поток вторичных электронов, оже-электроны и обратно рассеянные электроны.
Оже-электроны способны рассказать нам, из каких элементов состоит сканируемый объект и как они в нем распределены.
Из них вторичные электроны — самые главные. Детектор в микроскопе регистрирует их количество и строит свое представление о точке — а если точнее, о контрасте точки. Водя потоком по образцу (отсюда — сканирующий), точка за точкой микроскоп получает сведения об их контрасте (по шкале от белого до черного) и составляет из этих точек черно-белое растровое изображение, которое мы и видим. Цветные изображения со сканирующих микроскопов — это раскраска: цвет поток электронов передать не может.
