Расширил предел разрешения от длины световой волны до атомных размеров, а точнее до межплоскостных расстоянии величиной порядка 0,15 нм. Первые попытки сфокусировать пучок электронов при помощи электростатических и электромагнитных линз были сделаны в 20-х годах XX века. Первый электронный микроскоп был сделан И.Руска в Берлине в 30-х годах. Ею микроскоп был просвечивающим и предназначался для изучения порошков, тонких пленок и срезов.
Отражающие электронные микроскопы появились после Второй мировой войны. Почти сразу же они были вытеснены растровыми (сканирующими) электронными микроскопами, объединенными со средствами микроанализа.
Качественная подготовка образца для просвечивающего электронного микроскопа является весьма непростой задачей. Тем не менее, методы такой подготовки существуют.
Имеется несколько методов подготовки образца. При наличии хорошего оборудования тонкую пленку можно приготовить практически из любого технического материала. С другой стороны, не стоит терять время на изучение плохо подготовленного образца.
Рассмотрим методы получения тонких образцов из блочного материала. Методы подготовки биологических тканей, дисперсных частиц, а также осаждение пленок из газовой и жидкой фаз здесь не рассматриваются. Следует отметить, что практически любой материал имеет особенности подготовки для электронного микроскопа.
Механическая обработка.
Исходной точкой для подготовки образца обычно является диск диаметром 3 мм и толщиной несколько сотен микрон, вырезаый из массивной детали. Этот диск может быть вырублен из металлической фольги, вырезан из керамики или выточен из блочного образца. Во всех случаях необходимо свести к минимуму опасность микрорастрескивания и сохранить плоскую поверхность образца.
Следующая задача состоит в уменьшении толщины лиска. Это делают шлифовкой и полировкой, как при подготовке образца для оптического микроскопа. Выбор оптимального способа шлифовки определяется жесткостью (модулем упругости), твердостью и степенью пластичности материала. Пластичные металлы, керамики и сплавы полируют различно.
Электрохимическое травление.
При механической обработке, как правило, появляются приповерхностные повреждения типа пластического сдвига или микрорастрескивания. В случае проводящего металла толщину образца можно уменьшить путем химического или электрохимического растворения в электрополирующем растворе. Однако следует иметь в виду, что параметры обработки тонких образцов значительно отличаются от макрообразцов, прежде всего в связи с малостью обрабатываемой области. В частности, в случае тонких образцов можно использовать гораздо более высокие плотности тока. Проблема охлаждения материала вследствие протекания химической реакции решается путем проведения реакции в струе растворителя, причем обработка диска может быть двусторонней.
Тонкие пленки металлов, сплавов и других электропроводящих материалов часто успешно полируют струей. Однако условия полировки таких материалов различаются по составу, температуре раствора и плотности тока.
Области вокруг нейтрального отверстия должны быть прозрачными (обычно их диаметр равен 50-200 нм). Если подходящие для исследования области слишком малы, это связано со слишком долгим травлением, которое следует прекращать сразу после появления отверстия Если эти области слишком грубы, то или слишком мала плотность тока, или следует сменить загрязненный и перегретый полирующий раствор.
Ионное травление .
Метод ионного травления (бомбардировки) имеет следующие достоинства:
(а) Ионное травление является газофазным процессом, проводимым при низком давлении, когда легко контролировать степень загрязнения поверхности.
(б) Электрохимические методы ограничены проводящими металлами, в то время как ионное травление применимо и к непроводящим материалам.
(в) Хотя ионное травление может приводить к приповерхностному радиационному повреждению материала, его степень может быть уменьшена соответствующим выбором параметров процесса.
(г) Ионное травление позволяет удалить поверхностные окисные слои, появившиеся при предыдущей электрополировке. При этом не изменяется поверхностный состав, поскольку процесс обычно проводят при невысоких температурах, когда отсутствует поверхностная диффузия.
(д) Ионное травление позволяет обрабатывать мультислоистые материалы, состоящие из нескольких нанесенных на подложку слоев, в плоскости, перпендикулярной слоям. Отметим, что стандартные методы химического травления этого не позволяют.
(с) Метод ионного травления позволяет обрабатывать области размером менее 1 мкм, что невозможно химическими методами. Он очень удобен для подготовки тонких пленок.
Конечно, этот метод имеет и недостатки. Скорость травления максимальна. если пучок ионов перпендикулярен поверхности образца, а атомные веса ионов и обрабатываемого материала близки. Однако пучок ионов переносит импульс, и при угле 90 0 максимально микроповрежление поверхностного слоя. Кроме того, из-за опасности химического взаимодействия ионов с обрабатываемой поверхностью в качестве пучка используют лишь инертные газы (обычно аргон).
Скорость травления может быть увеличена путем увеличения энергии ионов, но при этом они начинают проникать в материал и создают поврежленный поверхностный слой. Практически, энергия ионов ограничена несколькими кэВ, когда глубина внедрения не слишком высока и ионы могут диффундировать на поверхность, не повреждая материал.
Скорость травления не превышает 50 мкм в час. Как следствие, перед ионной обработкой образцы необходимо обрабатывать механически (диском или придавая им форму клина) или электрохимически до толщины 20-50 мкм. При ионной бомбардировке образец вращают. чтобы гарантировать однородную обработку, причем для увеличения скорости травления начальная стадия обработки выполняется одновременно с двух сторон под углом 18 0 . После этого угол пучка (и, следовательно, скорость процесса) уменьшают. Минимальный угол, позволяющий получить плоскую поверхность и примерно одинаковую толщину пленки в достаточно большой области, определяется геометрией ионного пучка. При стишком малых углах падения пучок перестает попадать на образец, и распыляемый при этом материал камеры осаждается и загрязняет поверхность образца. Минимальные углы падения пучка на заключительной стадии обработки обычно равны 2-6 0 .
Как правило, обработку заканчивают при появлении на поверхности образца первого отверстия. В современных ионных установках можно следить за обрабатываемой областью и процессе работы. что позволяет правильно завершить процесс.
Напыление покрытия.
Так как электронный пучок несет электрический заряд, образец в процессе работы микроскопа может заряжаться. Если заряд образца становится слишком большим (а но многих случаях это не так, поскольку остаточная поверхностная проводимость часто ограничивает величину заряда), образец нужно покрывать электропроводящим слоем. Наилучшим материалом для этого является углерод, который после напыления имеет аморфную структуру и имеет низкий атомный номер (6).
Покрытие создают, пропуская электрический ток через два контактирующих углеродных стержня. Второй способ состоит в распылении углеродного материала, бомбардируя его ионами инертного газа, после чего атомы углерода оседают на поверхность образца. «Проблемные» материалы могут потребовать покрытия с обеих сторон. Иногда тонкие (5-10 нм) нанометровые покрытия бывают слабо видны на изображении.
Метод реплик.
Вместо подготовки тонкого образца для просвечивающего электронного микроскопа иногда делают реплику (отпечаток) поверхности. В принципе, это не требуется, если поверхность можно изучать при помощи растрового электронного микроскопа. Однако и в этом случае может иметься целый ряд причин для приготовления реплик, например:
(а) Если нельзя резать образец. После разрезания детали в дальнейшем ее использовать нельзя. Напротив, снятие реплики позволяет сохранить деталь.
(б) В случаях, когда ищут определенные фазы на поверхности образца. Поверхность реплики отражает морфологию таких фаз и позволяет их идентифицировать.
(в) Часто можно экстрагировать одну из компонент многофазного материала, например, химическим травлением. Этот компонент можно выделить на реплике, при этом сохранив его и на исходном материале. Химический состав, кристаллографическую структуру и морфологию выделенной фазы можно изучать изолированно от основного материала, свойства которого иногда мешают исследованию,
г) Наконец, иногда нужно сравнить изображение реплики с оригинальной поверхностью в растровом электронном микроскопе. Примером является исследование материала в условиях механической усталости, когда поверхность изменяется в процессе испытания.
Стандартная методика состоит в получении негативной реплики при помощи пластичного полимера. Реплику получают при помощи отверждаемой эпоксидной смолы или размягченной растворителем полимерной пленки, прижимаемой к исследуемой поверхности перед испарением растворителя. В некоторых случаях требуется удалить поверхностное загрязнение. Для этого перед созданием конечной реплики используют ультразвук или делают предварительную «чистящую» поверхность реплику перед снятием конечной реплики. В некоторых случаях объектом исследования может быть «загрязнитель».
После застывания полимерной реплики ее отделяют от исследуемого образца и покрывают слоем тяжелого металла (обычно сплавом золота и палладия) для увеличения контрастности изображения. Металл выбирают так, чтобы при напылении размер его капель был минимален, а рассеяние электронов максимально. Размер капли металла обычно имеет порядок 3 нм. После затенения металлом, на полимерную реплику напыляют углеродную пленку толщиной 100-200 нм, а затем полимер растворяют. Углеродную пленку вместе с частицами, извлеченными полимером из оригинальной поверхности, а также затеняющий ее металлический слой (отражающий топографию оригинальной поверхности) после этого ополаскивают, кладут на тонкую медную сетку и помещают в микроскоп.
Подготовка поверхности.
Использование многослойных тонкопленочных материалов в электронике привело к необходимости развития методов их подготовки для изучения в электронном просвечивающем микроскопе.
Подготовка многослойных образцов имеет несколько этапов:
Сначала образец погружают в жидкую эпоксидную смолу, которую затем отверждают и разрезают перпендикулярно плоскости слоев.
Затем плоские образцы или протачивают диском, или полируют для получения клинообразных образцов. В последнем случае микрометром контролируют толщину удаленного материала и угол клина. Полировка имеет несколько стадии, на последней из которых используют частицы алмазного порошка диаметром 0,25 мкм.
Применяют ионное травление, до тех пор пока толщина исследуемой области не снизится до нужного уровня. Конечную обработку проводят ионным пучком под углом менее 6 0 .
Литература:
Брандон Д., Каплан У. Микроструктура материалов. Методы исследования и контроля // Издательство: Техносфера.2006. 384 с.
Электронный микроскоп - прибор, который позволяет получать сильно увеличенное изображение объектов, используя для их освещения электроны. Электронный микроскоп (ЭМ) дает возможность видеть детали, слишком мелкие, чтобы их мог разрешить световой (оптический) микроскоп. Электронный микроскоп - один из важнейших приборов для фундаментальных научных исследований строения вещества, особенно в таких областях науки, как биология и физика твердого тела.
Познакомимся с конструкцией современного просвечивающего электронного микроскопа.
Рисунок 1 - Разрез, показывающий основные узлы просвечивающего электронного микроскопа
1 - электронная пушка; 2 -анод; 3 - катушка для юстировки пушки; 4 - клапан пушки; 5 - 1-я конденсорная линза; 6 - 2-я конденсорная линза; 7 - катушка для наклона пучка; 8 - конденсор 2 диафрагмы; 9 - объективная линза; 10 - блок образца; 11 - дифракционная диафрагма; 12 - дифракционная линза; 13 - промежуточная линза; 14 - 1-я проекционная линза; 15 - 2-я проекционная линза; 16 - бинокуляр (увеличение 12); 17 - вакуумный блок колонны; 18 - камера для 35-миллиметровой катушечной пленки; 19 - экран для фокусировки; 20 - камера для пластинок; 21 - главный экран; 22 - ионный сорбционный насос.
Принцип его построения в общем, аналогичен принципу микроскопа оптического, имеются осветительная (электронная пушка), фокусирующая (линзы) и регистрирующая (экран) системы. Тем не менее, он сильно отличается в деталях. Например, свет беспрепятственно распространяется в воздухе, тогда как электроны легко рассеиваются при взаимодействии с любым веществом и, следовательно, беспрепятственно могут перемещаться только в вакууме. Иными словами, микроскоп помещают в вакуумную камеру.
Рассмотрим более детально узлы микроскопа. Система из нити накала и ускоряющих электродов носит название электронной пушки (1). В сущности, пушка напоминает триодную лампу. Поток электронов испускается раскаленной вольфрамовой проволочкой (катодом), собирается в пучок и ускоряется в поле двух электродов. Первый - управляющий электрод, или так называемый "цилиндр Венельта", окружает катод, и на него подается напряжение смещения, небольшой отрицательный относительно катода потенциал в несколько сотен вольт. Благодаря наличию такого потенциала на "цилиндре Венельта" фокусируется электронный пучок, выходящий из пушки. Второй электрод - анод (2), пластинка с отверстием в центре, через которое электронный пучок попадает в колонну микроскопа. Между нитью накала (катодом) и анодом приложено ускоряющее напряжение, обычно до 100 кВ. Как правило, имеется возможность ступенчато менять напряжение от 1 до 100 кВ.
Задача пушки - создание стабильного потока электронов при малой испускающей области катода. Чем меньше площадь, испускающая электроны, тем проще получить их тонкий параллельный пучок. Для этого применяют V-образные или специально остро заточенные катоды.
Далее в колонне микроскопа размещены линзы. Большинство современных электронных микроскопов имеют от четырех до шести линз. Выходящий из пушки электронный пучок направляется через пару конденсорных линз (5,6) на объект. Конденсорная линза позволяет в широких пределах изменять условия освещения объекта. Обычно конденсорные линзы представляют собой электромагнитные катушки, в которых токонесущие обмотки окружены (за исключением узкого канала диаметром около 2 - 4 см) сердечником из мягкого железа (рис.2) .
При изменении тока, протекающего через катушки, изменяется фокусное расстояние линзы, вследствие этого пучок расширяется или сужается, увеличивается или уменьшается площадь объекта, освещаемая электронами.
Рисунок 2 - Упрощенная схема магнитной электронной линзы
Обозначены геометрические размеры полюсного наконечника; штриховой линией показан контур, фигурирующий в законе Ампера. Штриховой линией показана так же линия магнитного потока, которая качественно определяет фокусирующее действие линзы. Вр - напряженность поля в зазоре вдали от оптической оси. На практике обмотки линзы имеют водяное охлаждение, а полюсный наконечник съемный
Чтобы получить большое увеличение, необходимо облучать объект потокам большой плотности. Конденсор (линза) обычно освещает площадь объекта, много большую интересующей нас при данном увеличении. Это может привести к перегреву образца и загрязнению его продуктами разложения масляных паров. Температуру объекта можно снизить, уменьшая приблизительно до 1 мкм облучаемую область с помощью второй конденсорной линзы, которая фокусирует изображение, образуемое первой конденсорной линзой. При этом увеличивается поток электронов через исследуемую площадь образца, повышается яркость изображения, образец меньше загрязняется.
Образец (объект) обычно помещают в специальный объектодержатель на тонкой металлической сетке диаметром 2 - 3 мм. Объектодержатель перемещается системой рычагов в двух взаимоперпендикулярных направлениях, наклоняется в разные стороны, что особенно важно при исследовании среза тканей либо таких дефектов кристаллической решетки, как дислокации и включения.
Рисунок 3 - Конфигурация полюсного наконечника высокоразрешающего объектива электронного микроскопа Siemens-102 .
В этой удачной промышленной конструкции диаметр отверстия верхнего полюсного наконечника 2R1=9 мм, диаметр отверстия нижнего полюсного наконечника 2R2 =3 мм и межполюсный зазор S=5 мм (R1, R2 и S определены на рис.2): 1 - объектодержатель, 2 - столик образца, 3 - образец, 4 - объективная диафрагма, 5 - термисторы, 6 - обмотка линзы, 7 - верхний полюсный наконечник, 8 - охлаждаемый стержень, 9 - нижний полюсный наконечник, 10 - стигматор, 11 - каналы системы охлаждения, 12 - охлаждаемая диафрагма
В колонне микроскопа с помощью вакуумной системы откачки создается относительно низкое давление, примерно 10-5 мм рт. ст. На это уходит довольно много времени. Чтобы ускорить подготовку прибора к работе, к камере объектов присоединяется специальное устройство для быстрой смены объекта. В микроскоп при этом попадает лишь очень небольшое количество воздуха, которое удаляется вакуумными насосами. Смена образца обычно занимает 5 мин.
Изображение. При взаимодействии электронного пучка с образцом электроны, проходящие вблизи атомов вещества объекта, отклоняются в направлении, определяемом его свойствами. Этим главным образом и обусловлен видимый контраст изображения. Кроме того, электроны могут еще претерпеть неупругое рассеяние, связанное с изменением их энергии и направления, пройти через объект без взаимодействия или быть поглощенными объектом. При поглощении электронов веществом возникает световое или рентгеновское излучение либо выделяется тепло. Если образец достаточно тонок, то доля рассеянных электронов невелика. Конструкции современных микроскопов позволяют использовать для формирования изображения все эффекты, возникающие при взаимодействии электронного луча с объектом.
Электроны, прошедшие через объект, попадают в объективную линзу (9), предназначенную для получения первого увеличенного изображения. Объективная линза - одна из наиболее важных частей микроскопа, "ответственная" за разрешающую способность прибора. Эта связано с тем, что электроны входят под сравнительно большим углом наклона к оси и вследствие этого даже незначительные аберрации существенно ухудшают изображение объекта.
Рисунок 4 - Образование первого промежуточного изображения объективной линзой и эффект аберрации .
Окончательное увеличенное электронное изображение преобразуется в видимое посредством люминесцентного экрана, который светится под действием электронной бомбардировки. Это изображение, обычно слабоконтрастное, как правило, рассматривают через бинокулярный световой микроскоп. При той же яркости такой микроскоп с увеличением 10 может создавать на сетчатке глаза изображение, в 10 раз более крупное, чем при наблюдении невооруженным глазом. Иногда для повышения яркости слабого изображения применяется люминофорный экран с электронно-оптическим преобразователем. В этом случае окончательное изображение может быть выведено на обычный телевизионный экран, что позволяет записать его на видеоленту. Видеозапись применяется для регистрации изображений, меняющихся во времени, например, в связи с протеканием химической реакции. Чаще всего окончательное изображение регистрируется на фотопленке или фотопластинке. Фотопластинка обычно позволяет получить более четкое изображение, чем наблюдаемое простым глазом или записанное на видеоленте, так как фотоматериалы, вообще говоря, более эффективно регистрируют электроны. Кроме того, на единице площади фотопленки может быть зарегистрировано в 100 раз больше сигналов, чем на единице площади видеоленты. Благодаря этому изображение, зарегистрированное на фотопленке, можно дополнительно увеличить примерно в 10 раз без потери четкости.
Электронные линзы, как магнитные, так и электростатические, несовершенны. Они имеют те же дефекты, что и стеклянные линзы оптического микроскопа - хроматическая, сферическая аберрация и астигматизм. Хроматическая аберрация возникает из-за непостоянства фокусного расстояния при фокусировке электронов с различными скоростями. Эти искажения уменьшают, стабилизируя ток электронного луча и ток в линзах.
Сферическая аберрация обусловлена тем, что периферийные и внутренние зоны линзы формируют изображение на разных фокусных расстояниях. Намотку катушки магнита, сердечник электромагнита и канал в катушке, через который проходят электроны, нельзя выполнить идеально. Асимметрия магнитного поля линзы приводит к значительному искривлению траектории движения электронов.
Работа в режимах микроскопии и дифракции. Затененные области отмечают ход эквивалентных пучков в обоих режимах .
Если магнитное поле несимметрично, то линза искажает изображение (астигматизм). То же самое можно отнести и к электростатическим линзам. Процесс изготовления электродов и их центровка должны быть в высокой степени точны, ибо от этого зависит качество линз.
В большинстве современных электронных микроскопов нарушения симметрии магнитных и электрических полей устраняют с помощью стигматоров. В каналы электромагнитных линз помещают небольшие электромагнитные катушки, изменяя ток, протекающий через них, они исправляют поле. Электростатические линзы дополняют электродами: подбирая потенциал, удается компенсировать асимметрию основного электростатического поля. Стигматоры весьма тонко регулируют поля, позволяют добиваться высокой их симметрии.
Рисунок 5 - Ход лучей в электронном микроскопе просвечивающего типа
В объективе есть еще два важных устройства - апертурная диафрагма и отклоняющие катушки. Если в формировании конечного изображения участвуют отклоненные (дифрагированные) лучи, то качество изображения будет плохим вследствие сферической аберрации линзы. В объективную линзу вводят апертурную диафрагму с диаметром отверстия 40 - 50 мкм, которая задерживает лучи, дифрагированные под углом более 0,5 градуса. Лучи, отклоненные на небольшой угол, создают светлопольное изображение. Если апертурной диафрагмой заблокировать проходящий луч, то изображение формируется дифрагированным лучом. Оно в этом случае получается в темном поле. Однако метод темного поля дает менее качественное изображение, чем светлопольный, поскольку изображение формируется лучами, пересекающимися под углом к оси микроскопа, сферическая аберрация и астигматизм проявляются в большей степени. Отклоняющие же катушки служат для изменения наклона электронного луча. Для получения окончательного изображения нужно увеличить первое увеличенное изображение объекта. Для этой цели применяется проекционная линза. Общее увеличение электронного микроскопа должно меняться в широких пределах, от небольшого соответствующего увеличению лупы (10, 20), при котором можно исследовать не только часть объекта, но и увидеть весь объект, до максимального увеличения, позволяющего наиболее полно использовать высокую разрешающую способность электронного микроскопа (обычно до 200000). Здесь уже недостаточно двухступенчатой системы (объектив, проекционная линза). Современные электронные микроскопы, рассчитанные на предельную разрешающую способность, должны иметь по крайней мере три увеличивающие линзы - объектив, промежуточную и проекционную линзы. Такая система гарантирует изменение увеличения в широком диапазоне (от 10 до 200000).
Изменение увеличения осуществляется регулировкой тока промежуточной линзы.
Еще один фактор, способствующий получению большего увеличения, - изменение оптической силы линзы. Чтобы увеличить оптическую силу линзы, в цилиндрический канал электромагнитной катушки вставляют специальные так называемые "полюсные наконечники". Они изготовляются из мягкого железа или сплавов е большой магнитной проницаемостью и позволяют сконцентрировать магнитное поле в небольшом объеме. В некоторых моделях микроскопов предусмотрена возможность смены полюсных наконечников, таким образом, добиваются дополнительного увеличения изображения объекта.
На конечном экране исследователь видит увеличенное изображение объекта. Различные участки объекта по-разному рассеивают падающие на них электроны. После объективной линзы (как уже указывалось выше) будут фокусироваться только электроны, которые при прохождении объекта отклоняются на малые углы. Эти же электроны фокусируются промежуточной и проекционной линзами на экране для конечного изображения. На экране соответствующие детали объекта будут светлые. В том случае, когда электроны при прохождении участков объекта отклоняются на большие углы, они задерживаются апертурной диафрагмой, расположенной в объективной линзе, и соответствующие участки изображения будут на экране темными.
Изображение становится видимым на флюоресцентном экране (светящимся под действием падающих на него электронов). Фотографируют его либо на фотопластинку, либо на фотопленку, которые расположены на несколько сантиметров ниже экрана. Хотя пластинка помещается ниже экрана, благодаря тому, что электронные линзы имеют довольно большую глубину резкости и фокуса, четкость изображения объекта на фотопластинке не ухудшается. Смена пластинки - через герметичный люк. Иногда применяют фотомагазины (от 12 до 24 пластинок), которые устанавливают также через шлюзовые камеры, что позволяет избежать разгерметизации всего микроскопа.
Разрешение. Электронные пучки имеют свойства, аналогичные свойствам световых пучков. В частности, каждый электрон характеризуется определенной длиной волны. Разрешающая способность электронного микроскопа определяется эффективной длиной волны электронов. Длина волны зависит от скорости электронов, а, следовательно, от ускоряющего напряжения; чем больше ускоряющее напряжение, тем больше скорость электронов и тем меньше длина волны, а значит, выше разрешение. Столь значительное преимущество электронного микроскопа в разрешающей способности объясняется тем, что длина волны электронов намного меньше длины волны света. Но поскольку электронные линзы не так хорошо фокусируют, как оптические (числовая апертура хорошей электронной линзы составляет всего лишь 0,09, тогда как для хорошего оптического объектива эта величина достигает 0,95), разрешение электронного микроскопа равно 50 - 100 длинам волн электронов. Даже со столь слабыми линзами в электронном микроскопе можно получить предел разрешения около 0,17 нм, что позволяет различать отдельные атомы в кристаллах. Для достижения разрешения такого порядка необходима очень тщательная настройка прибора; в частности, требуются высокостабильные источники питания, а сам прибор (который может быть высотой около 2,5 м и иметь массу в несколько тонн) и его дополнительное оборудование требуют монтажа, исключающего вибрацию.
Для достижения разрешения по точкам лучше, чем 0,5 нм необходимо поддерживать прибор в отличном состоянии и, кроме того, использовать микроскоп, который специально предназначен для работ, связанных с получением высокого разрешения. Нестабильность тока объективной линзы и вибрации объектного столика следует свести к минимуму. Исследователь должен быть уверен, что в полюсном наконечнике объектива отсутствуют остатки объектов, оставшихся от предыдущих исследований. Диафрагмы должны быть чистыми. Микроскоп следует устанавливать в месте, удовлетворительном с точки зрения вибраций, посторонних магнитных полей, влажности, температуры и пыли. Постоянная сферической аберрации должна быть меньше 2 мм. Однако самыми важными факторами при работе с высоким разрешением являются стабильность электрических параметров и надежность микроскопа. Скорость загрязнения объекта должна быть меньше, чем 0,1 нм/мин, и это особенно важно для работы с высоким разрешением в темном поле.
Температурный дрейф должен быть минимальным. Для того чтобы свести к минимуму загрязнение и максимально увеличить стабильность высокого напряжения, необходим вакуум причем его следует измерять в конце линии откачки. Внутренность микроскопа, в особенности объем камеры электронной пушки, должны быть скрупулезно чистыми.
Удобными объектами для проверки микроскопа являются тест-объекты с маленькими частичками частично графитизированного угля, в которых видны плоскости кристаллической решетки. Во многих лабораториях такой образец всегда держат под рукой, чтобы проверять состояние микроскопа, и каждый день, прежде чем начать работу с высоким разрешением, на этом образце получают четкие изображения системы плоскостей с межплоскостным расстоянием 0,34 нм, используя держатель образца без наклона. Такая практика проверки прибора настоятельно рекомендуется. Больших затрат времени и энергии требует поддержание микроскопа в наилучшем состоянии. Не следует планировать исследования, требующие высокого разрешения, до тех пор, пока не обеспечено поддержание состояния прибора на соответствующем уровне, и, что еще более важно, до тех пор, пока микроскопист не вполне уверен, что результаты, полученные с помощью изображений высокого разрешения, оправдают затраченные время и усилия.
Современные электронные микроскопы оборудуются рядом приспособлений. Весьма важна приставка для изменения наклона образца во время наблюдения (гониометрическое устройство). Так как контраст изображения получается главным образом за счет дифракции электронов, то даже малые наклоны образца могут существенно влиять на него. Гониометрическое устройство имеет две взаимно перпендикулярные оси наклона, лежащие в плоскости образца, и приспособленные для его вращения на 360°. При наклоне устройство обеспечивает неизменность положения объекта относительно оси микроскопа. Гониометрическое устройство также необходимо при получении стереоснимков для изучения рельефа поверхности излома кристаллических образцов, рельефа костных тканей, биологических молекул и т. п.
Стереоскопическая пара получается съемкой в электронном микроскопе одного и того же места объекта в двух положениях, когда он повернут на небольшие углы к оси объектива (обычно ±5°).
Интересная информация об изменении структуры объектов может быть получена при непрерывном наблюдении за нагревом объекта. С помощью приставки удается изучить поверхностное окисление, процесс разупорядочения, фазовые превращения в многокомпонентных сплавах, термические превращения некоторых биологических препаратов, провести полный цикл термической обработки (отжиг, закалка, отпуск), причем с контролируемыми высокими скоростями нагрева и охлаждения. Вначале были разработаны устройства, которые герметично присоединялись к камере объектов. Специальным механизмом объект извлекался из колонны, термообрабатывался, а затем вновь помещался в камеру объектов. Преимущество метода - отсутствие загрязнения колонны и возможность длительной термообработки.
В современных электронных микроскопах имеются устройства для нагревания объекта непосредственно в колонне. Часть объектодержателя окружена микропечью. Нагрев вольфрамовой спирали микропечек осуществляется постоянным током от небольшого источника. Температура объекта изменяется при изменении тока нагревателя и определяется по градуировочной кривой. В устройстве сохраняется высокое разрешение при нагреве вплоть до 1100°С - порядка 30 Е.
В последнее время разработаны устройства, позволяющие нагревать объект электронным пучком самого микроскопа. Объект располагается на тонком вольфрамовом диске. Диск нагревается расфокусированным электронным лучом, небольшая часть которого проходит через отверстие в диске и создает изображение объекта. Температуру диска можно менять в широких пределах, изменяя его толщину и диаметр электронного луча.
Есть в микроскопе и столик для наблюдения объектов в процессе охлаждения до -140° С. Охлаждение - жидким азотом, который заливается в сосуд Дьюара, соединенный со столиком специальным хладопроводом. В этом устройстве удобно исследовать некоторые биологические и органические объекты, которые без охлаждения под воздействием электронного луча разрушаются.
С помощью приставки для растяжения объекта можно исследовать движение дефектов в металлах, процесс зарождения и развития трещины в объекте. Создано несколько типов подобных устройств. В одних использовано механическое нагружение перемещением захватов, в которых крепится объект, или передвижением нажимного стержня, в других - нагрев биметаллических пластин. Образец приклеивается или крепится захватами к биметаллическим пластинам, которые расходятся в стороны, когда их нагревают. Устройство позволяет деформировать образец на 20% и создавать усилие в 80 г.
Самой важной приставкой электронного микроскопа можно считать микродифракционное устройство для электронографических исследований какого-либо определенного участка объекта, представляющего особый интерес. Причем микродифракционную картину на современных микроскопах получают без переделки прибора. Дифракционная картина состоит из серии либо колец, либо пятен. Если в объекте многие плоскости ориентированы благоприятным для дифракции образом, то изображение состоит из сфокусированных пятен. Если электронный луч попадает сразу на несколько зерен беспорядочно ориентированного поликристалла, дифракция создается многочисленными плоскостями, образуется картина из дифракционных колец. По местоположению колец или пятен можно установить структуру вещества (например, нитрид или карбид), его химический состав, ориентацию кристаллографических плоскостей и расстояние между ними.
Просвечивающий (трансмиссионный) электронный микроскоп (ПЭМ, англ, TEM - Transmission electron microscopy) - устройство для получения изображения ультратонкого образца путём пропускания через него пучка электронов . Ультратонким считается образец толщиной порядка 0.1 мкм . Прошедший через образец и провзаимодействовавший с ним пучок электронов увеличивается магнитными линзами (объективом) и регистрируется на флуоресцентном экране, фотоплёнке или сенсорном приборе с зарядовой связью (на ПЗС-матрице).
История
Первый ПЭМ создан немецкими инженерами-электронщиками Максом Кноллем и Эрнстом Руской 9 марта 1931 года . Первый практический ПЭМ был построен Альбертом Пребусом и Дж. Хиллиером в университете Торонто (Канада) в 1938 году на основе принципов, открытых ранее Кноллем и Руской. В 1986 году Эрнсту Руске за создание ПЭМ была присуждена Нобелевская премия .
Основы
Теоретически максимально возможное разрешение в оптическом микроскопе ограничено:
- длиной волны фотонов, используемых для освещения образца;
- угловой апертурой оптической системы (так называемым барьером Аббе).
В начале XX века ученые обсуждали вопрос преодоления ограничений относительно большой длины волны видимого света (длины волн 400-700 нанометров ) путём использования электронов. Поток электронов в электронном микроскопе создаётся посредством термоэлектронной или полевой эмиссии. В первом случае при высокой температуре электроны испускаются проволокой из вольфрама (см. нить накаливания) или монокристаллом гексаборида лантана . Затем электроны ускоряются высокой разностью потенциалов и фокусируются на образце электромагнитными (или реже - электростатическими) линзами. Прошедший через образец луч электронов содержит информацию об электронной плотности , фазе и периодичности ; эти данные используются при формировании изображения.
Компоненты
В состав ПЭМ входят следующие компоненты:
- вакуумная система для удаления воздуха и увеличения таким образом длины свободного пробега электронов;
- предметный столик : держатель образца, механизмы для изменения положения держателя и шлюзы ;
- источник электронов : электронный прожектор или электронная пушка для генерирования потока (пучка) электронов;
- источник высокого напряжения для ускорения электронов;
- апертуры ограничивающие расходимость электронного пучка;
- набор электромагнитных линз (и иногда электростатических пластин) для управления и контроля электронного луча;
- экран , на который проецируется увеличенное электронное изображение (постепенно выходит из употребления и заменяется детекторами цифрового изображения).
ПЭМ может включать дополнительные системы, например, сканирующую приставку, позволяющую работать в режиме растрового ПЭМ (см. растровый электронный микроскоп).
Вакуумная система
Вакуумная система служит для откачки воздуха до низкого давления (обычно до 10 -4 Па ) из области, в которой проходит пучок электронов. Применяется для уменьшения частоты столкновений электронов с атомами газа до незначительного уровня (увеличение длины свободного пробега).
Вакуумная система откачки до рабочего давления состоит из нескольких ступеней:
- роторный или мембранный насос;
- турбомолекулярный или диффузионный (англ. ) насос.
- Гетероионные насосы для откачки электронной пушки полевой эмиссии (если таковая присутствует)
С помощью насоса 1-й ступени достигается давление, требуемое для работы насоса 2-й ступени (низкий вакуум). Насос 2-й ступени доводит давление до необходимой рабочей величины.
Части ПЭМ могут быть разделены:
- специальной апертурой (англ. pressure-limiting aperture ), пропускающей электронный пучок, но затрудняющей обмен остаточными газами между частями вакуумной системы;
- запорным клапаном (англ. gate valve ) для полного обособления частей микроскопа.
Это может использоваться для создания в отдельных областях различного уровня вакуума (например, ПЭМ с автоэмиссией может оснащаться отдельной системой откачки воздуха из области электронной пушки для создания высокого вакуума 10 -4 …10 -7 Па и выше; система откачки может включать гетероионный насос).
Предметный столик
Предметный столик предназначен для удерживания образца во время облучения электронами и состоит из следующих элементов:
- держатель образца;
- механизмы для изменения положения держателя (поворот, наклон);
- шлюзы , позволяюшие вводить держатель с образцом в вакуумную среду ПЭМ с минимальным увеличением давления.
Образцы либо помещаются на сетку, либо вырезаются по форме держателя (самоподдерживающиеся образцы).
Держатель приспособлен для фиксации как сеток, так и самоподдерживаемых образцов стандартного размера. Стандартный диаметр ПЭМ сетки - 3.05 мм .
Электронная пушка
Электронная пушка предназначена для создания пучка электронов с помощью термоэлектронной (термоэлектронные пушки) или полевой (автоэмиссионные пушки) эмиссии.
Термоэлектронная пушка
Термоэлектронная пушка состоит из трёх элементов:
- катод (нить накала);
При нагревании вольфрамовая нить или заостренный кристалл гексаборида лантана испускают (эмитируют) электроны (см. термоэлектронная эмиссия). Ускоряясь под действием разности потенциалов (напряжение смещения) значительная часть электронов проходит через отверстие в венельте. Изменяя напряжение смещения можно регулировать эмиссионный ток . Чем больше напряжение смещения, тем меньше площадь участка катода, испускающего электроны, тем меньше эмиссионный ток.
Прошедшие через апертуру (отверстие) цилиндра Венельта электроны пересекаются в точке называемой кроссовером и являющейся виртуальным источником электронов в оптической системе микроскопа.
Автоэмиссионная электронная пушка
Различают автоэмиссионные пушки:
- с катодом Шоттки.
Катоды первых обычно состоят из вольфрамовой нити. Диаметр кончика нити - 100 нм .
Катоды вторых работают аналогично катодам термоэлектронных пушек, но находятся под воздействием электрического поля, понижающего энергетический барьер (эффект Шоттки).
Апертуры
Апертуры представляют собой металлические пластины с отверстиями для прохождения электронов. Толщина пластин подбирается так, чтобы сквозь отверстия проходили только электроны, отклоняющиеся от оптической оси не более чем на выбранный угол.
Подготовка образцов
Подготовка образцов для ПЭМ может быть комплексной процедурой. Они должны иметь толщину 20-200 нм. Высокое качество образцов будет при толщине сравнимой со средней длиной свободного пробега электронов в образце, которая может быть всего несколько десятков нанометров.
Материалы, имеющие достаточно малые размеры, чтобы быть прозрачными в электронном пучке, такие как порошки или нанотрубки, могут быть быстро приготовлены нанесением крошечного количества вещества на поддерживающую сетку или пленку.
Образцы материалов
Главная задача при подготовке образцов материалов - получить достаточно тонкие образцы с минимальными повреждениями структуры.
Механическое утончение
Для подготовки образцов может использоваться механическая полировка. Полировка должна быть высокого качества, чтобы быть уверенным, что образец имеет постоянную толщину в изучаемой области.
Химическое травление
Ионное травление
Как правило применяется в качестве финальной обработки после механического или химического утоньшения. Заключается в распылении материала образца бомбардировкой ионами инертных газов, обычно аргона .
Метод реплик
Получил широкое распространение на заре ПЭМ в связи со сложностью других методов пробоподготовки.
Биологические образцы
Биологические образцы должны быть обезвожены или заморожены (жидкая вода не совместима с вакуумом в микроскопе) и разрезаны на тонкие пластины.
Традиционный метод
Традиционное приготовление биологических образцов для ПЭМ включает в себя процедуры, позволяющие сохранить морфологию тканей при их подготовке для наблюдения в условиях высокого вакуума. Образцы должны быть достаточно маленькими, чтобы позволить быстрое проникновение химических реагентов по всей толщине ткани (по крайней мере в одном из направлений их размер не должен превышать 0,7 мм). Образцы подвергаются химической фиксации (обычно альдегидами), вторичной фиксации в четырехокиси осмия, и затем обезвоживаются в органических растворителях (спирте или ацетоне). Обезвоженные образцы пропитываются эпоксидными смолами, которые затем полимеризуются. Получающиеся твердые блоки из смол с заключенными в них образцами, режутся на ультрамикротомах с помощью алмазных (реже – стеклянных) ножей на срезы толщиной 20-100 нанометров. Срезы помещаются на специальные сетки (диаметром 3 мм) и контрастируются соединениями тяжелых элементов (урана, свинца, вольфрами и др.).
Криомикроскопия
Методы визуализации
Формирование контраста
Формирование контраста в ПЭМ в основном зависит от режима работы.
Светлое поле
Базовый режим в ПЭМ - это режим светлого поля. В этом режиме контраст формируется рассеиванием и поглощением электронов образцом. Области образца с большей толщиной и большим атомным номером выглядят темнее, тогда как области без образца в пучке электронов - светлыми (поэтому режим называется светлопольным).
Трехмерная визуализацияТрехмерная модель реконструируется из серии изображений, полученных с одной и той же части образца под разными углами.