Электронно-зондовые методы исследования микроструктур

 1.2.2. Устройство и работа растрового электронного микроскопа

Рис. 4. Принципиальная схема растрового электронного микроскопа

Схема растрового электронного микроскопа приведена на рис. 4. Он состоит из следующих основных узлов: электронной пушки 1...3, эмитирующей электроны; электроннооптической системы 4...10, формирующей электронный зонд и обеспечивающей его сканирование на поверхности образца 12; системы, формирующей изображение 11...17. РЭМ имеет вакуумную камеру, которая служит для создания необходимого разряжения (~10-3 Па) в рабочем объеме электронной пушки и электронно-оптической системы. Составными частями микроскопа являются механические узлы (шлюзы, гониометрический стол и т.д.), обеспечивающие установку и перемещение образца.

Электронная пушка состоит  из катода 1, цилиндра Венельта 2 и анода 3. Обычно в качестве катода используется вольфрамовая V-образная проволока, согнутая под углом, как это показано на рисунке. При нагреве катода прямым пропусканием тока происходит термоэмиссия электронов. Электроны ускоряются напряжением, приложенным между катодом и  анодом, которое можно изменять от 1 до 50 кВ. Цилиндр Венельта имеет  высокий отрицательный потенциал  и служит для регулировки потока электронов. Пучок электронов от пушки  проходит через три электромагнитные линзы 5, 6, 9. Фокусировка потока электронов осуществляется магнитным полем, имеющим  осевую симметрию. Оно создается  электромагнитной линзой, которая представляет собой соленоид. Магнитное поле возникает  при пропускании электрического тока через обмотку соленоида, концентрируется  с помощью так называемого  полюсного наконечника и воздействует на проходящий через него поток электронов. Фокусное расстояние линзы можно  плавно регулировать путем изменения  силы тока в обмотке соленоида. В  системе имеются две диафрагмы 4, 10, ограничивающие расходимость пучка  электронов.

Несовершенства электронной  оптики оказывают влияние на разрешающую способность микроскопа. К несовершенствам относится астигматизм.

Возникновение астигматизма связано с нарушением магнитной  или геометрической симметрии линзы. Устранение асимметрии достигается  обеспечением высокой геометрической точности изготовления полюсного наконечника линзы и введением специальной системы, называемой стигматором 8, который корректирует магнитное поле линзы, восстанавливая его симметрию.

Стигматор расположен в объективной  линзе 9. Внутри нее также находятся  две пары электромагнитных отклоняющих  катушек 7, каждая из которых служит для отклонения зонда соответственно в х и y направлениях в плоскости  перпендикулярной оси потока электронов. Катушки соединены с генератором 16, обеспечивающим синхронность передвижения электронного зонда по образцу и  электронного луча по экрану электронно-лучевой  трубки 15.

Образец 12 крепится на предметном столике, который может перемещаться в трех взаимно перпендикулярных направлениях, допускает наклон образца  до 90^o к электронно-оптической оси и вращение вокруг оси от 0 до 360^o. Электронный пучок, сфокусированный на поверхности образца, вызывает появление отраженных, вторичных и поглощенных электронов, которые используются для получения изображения поверхности образца. Эти сигналы улавливаются специальными детекторами. В детекторе 13 поток электронов преобразуется в электрический сигнал (ток). После прохождения тока через усилитель 14 модулируется яркость экрана.

Формирование изображения  поверхности объекта на экране будет  происходить следующим образом. С помощью отклоняющих катушек 7 осуществляется сканирование тонко сфокусированного зонда по поверхности образца. Оно проходит по линии. Совокупность параллельных линий (растр) дает представление о площади объекта. Генератор развертки 16, соединенный с отклоняющими катушками и монитором, обеспечивает синхронность передвижения электронного зонда по образцу и электронного луча по экрану. Благодаря этому, каждая точка на образце соответствует определенной точке на экране. В свою очередь, яркость точки на экране определяется интенсивностью сигнала, поступающего от соответствующей точки образца.

Совокупность сигналов различной  интенсивности создает контраст яркости (изображение) на экране трубки. Увеличение РЭМ определяется соотношением амплитуд развертки луча по экрану (L) и зонда по поверхности образца (l) и равно L/l. Так как максимальная длина развертки L на экране фиксирована, то повышение увеличения микроскопа достигается путем уменьшения l. Изменение амплитуды колебания зонда задается с помощью блока управления увеличением 17, путем изменения тока в отклоняющих катушках. Обычно рабочий диапазон изменения увеличений, обеспечивающий высокую четкость изображения поверхности, составляет 10…50000.

1.3.Трансмиссионная   микроскопия

Трансмиссионная микроскопия реализуется с помощью  трансмиссионных  (просвечивающих) электронных микроскопов (рис. 1), в которых тонкопленочный объект просвечивается пучком ускоренных электронов с энергией 50-200 кэВ. Электроны, отклоненные атомами объекта на малые углы и прошедшие сквозь него с небольшими энергетическими потерями, попадают в систему магнитных линз, которые формируют на люминесцентном экране (и на фотопленке) светлопольное изображение внутренней структуры. При этом удается достичь разрешения порядка 0,1 нм, что соответствует увеличениям до 1,5*10⁶ раз. Рассеянные электроны задерживаются диафрагмами, от диаметра которых в значительной степени зависит контраст изображения. При изучении сильнорассеивающих объектов более информативны темнопольные изображения.

Рис. 1. Схема устройства трансмиссионного электронного микроскопа.

1 - электронная пушка; 2 – конденсор; 3 – образец; 4, 5- объектив и его диафрагма; 6, 7- промежуточная и проекционная линзы; 8 - смотровое окно; 9 - люминесцентный экран; 10 - фотокамера с затвором; 11 - вакуумная система

           ТЭМ обеспечивает получение дифракционных картин (электронограмм), позволяющих судить о кристаллической структуре объектов и точно измерять параметры кристаллических решеток. В сочетании с непосредственными наблюдениями кристаллических решеток в высокоразрешающих ТЭМ данный метод - одно из основных средств исследования ультратонкой структуры твердого тела.

2. Подготовка объектов для исследования и особые требования к ним

2.1.Подготовка материалов и образцов для ТЭМ

Разрешение и информативность  ТЭМ-изображений во многом определяются характеристиками объекта и способом его подготовки. При исследовании тонких пленок и срезов полимерных материалов и биологическое тканей контраст возрастает пропорционально  их толщине, но одновременно снижается  разрешение. Поэтому применяют очень  тонкие (не более 0,01 мкм) пленки и срезы, повышая их контраст обработкой соединение тяжелых металлов (Os, U, Pb и др.), которые  избирательно взаимодействие с компонентами микроструктуры (химический контрастирование). Ультратонкие срезы полимерных материалов (10-100 нм) получают с помощью ультрамикротомов, а пористые и волокнистые материалы предварительно пропитывают и заливают в эпоксидные компаунды. Металлы исследуют в виде получаемой химическим или ионным травлением ультратонкой фольги. Для изучения формы и размеров микрочастиц (микрокристаллы, аэрозоли, вирусы, макромолекулы) их наносят в виде суспензий либо аэрозолей на пленки-подложки из формвара (поливинилформаль) или аморфного С, проницаемые для электронного луча, и контрастируют методом оттенения или негативного контрастирования.

Для анализа металлической фольги, а также толстых (1-3 мкм) срезов других материалов используют высоко- и сверхвысоковольтные  ТЭМ с ускоряющими напряжениями соответственно 200-300 и 1000-3000 кВ. Это  позволяет снизить энергетические потери электронов при просвечивании  образцов и получить четкие изображения, свободные от хроматической аберрации.

2.2.Подготовка материалов и образцов для РЭМ

На РЭМ могут исследоваться  как шлифы, так и поверхности  объектов без предварительной подготовки. Изготовление шлифов к исследованию в РЭМ в общем осуществляется так же как и для светомикроскопического исследования. Однако есть и некоторые  особенности. Большая глубина резкости изображения в РЭМ позволяет  получать дополнительную информацию, проводя глубокое травление шлифов. В то же время при получении  изображений в отраженных электронах шлифы травлению не подвергаются. Размеры образцов для РЭМ определяются габаритами камеры микроскопа. Образцы  должны быть электропроводящими. Для  обеспечения их хорошего электрического контакта с предметным столиком и  для фиксации образцов при наклоне  стола используют специальные токопроводящие клеи. При исследовании непроводящих ток материалов - диэлектриков на их поверхность наносится напылением тонкая пленка электропроводников - золото, графит и т.д. При работе с органическими  материалами нужно учитывать, что при длительном контакте зонда с образцом возможно его термическое разрушение.

Перед испытанием образцы должны быть тщательно очищены, чтобы не образовывались газообразные продукты, затрудняющие получение требуемого вакуума при откачке микроскопа и загрязняющие его колонну. Рекомендуется проводить очистку образцов в различных растворителях с использованием ультразвука. При проведении топографических исследований нельзя допускать окисления поверхностей излома.

3. Области применения растрового электронного микроскопа

Растровые микроскопы применяются  как исследовательский инструмент в физике, электронике, биологии и  материаловедении. Их главная функция  — получение изображения исследуемого образца, которое зависит от регистрируемого  сигнала. Сопоставление изображений, полученных в разных сигналах, позволяют  делать вывод о морфологии и химическом составе поверхности, таким образом РЭМ обеспечивает широкие возможности для изучения структуры материалов:    

1) Высокая разрешающая способность РЭМ делает целесообразным его использование для металлографического исследования дисперсных элементов структуры: частиц второй фазы, ямок травления, пор, а также начальных очагов разрушения металла при коррозии, эрозии, износе и других видах внешнего воздействия. Современные РЭМ снабжены программным обеспечением, позволяющим проводить автоматизированную обработку изображений, включающую оценку дисперсности среднего размера, протяженности границ, формы и других параметров структуры материалов. Варьирование увеличений в широком диапазоне и большая глубина резкости, достигаемая в микроскопе, значительно упрощают исследование поверхностей тонких объектов - торцевой поверхности тонкого листа, микронной проволоки и др.

2) На РЭМ успешно изучают порошки, в которых важно оценить морфологию частиц, их дисперсию и другие параметры, требующие получение объемной информации.  Большая глубина фокуса РЭМ позволяет отчетливо и одновременно наблюдать частицы порошка, сильно отличающиеся по размерам, например, с радиусом частиц 0,05 мкм и 1 мм. Обилие полутонов на изображениях, получаемых в РЭМ, создает впечатление объемности и часто позволяет правильно представить себе пространственную конфигурацию элементов структуры исследуемого объекта. Для более сложных случаев можно использовать метод стереопар, обеспечивающий объемное изображение. В качестве примера приведены фотографии порошков, отличающимися химическим составом и технологией получения (рис. 5). 

Рис. 5. Фотографии порошков

В отличие от других видов микроскопов РЭМ позволяет наблюдать высокопористую структуру порошковых материалов на различных технологических стадиях получения (рис. 6).   

Рис. 6. Порошковые заготовки Mn-Zn феррита на различных стадиях спекания

3) Эффект композиционного контраста позволяет на РЭМ наблюдать и ранжировать по среднему атомному номеру имеющиеся в образце фазы. Метод не требует предварительного травления шлифа, что позволяет одновременно осуществлять локальный микрорентгеноспектральный анализ химического состава образца. В настоящее время практически все РЭМ имеют приставки-микроанализаторы. Используя композиционный контраст, выявляют фазы, границы зерен и, исследуя их с помощью микроанализатора, устанавливают характер распределения элементов по сечению зерна, химический состав различных включений. Компьютерная система РЭМ  с использованием банка данных позволяет по химическому составу идентифицировать фазы.    

4) Для проведения фрактографических исследований наиболее целесообразно в сравнении с другими микроскопами использовать РЭМ. Фрактографические исследования дают информацию о строении излома. Она используется для изучения механизма разрушения материалов и выявления причин поломки деталей и конструкций при эксплуатации, а также для определения порога хладноломкости материалов, связанного с переходом от вязкого к хрупкому разрушению и др.  РЭМ имеет автоматический анализатор изображений. ЭВМ в системе РЭМ позволяет количественно анализировать изображение изломов методами математической статистики, корреляционного анализа и др. В качестве примера приведены различные изломы (рис. 7) .

Рис. 7. Изображение различных типов изломов металла

5) В РЭМ предусматривается установка различных приставок для получения дополнительной информации о материалах. Характеристическое рентгеновское излучение служит для оценки химического состава материала, в том числе его локальных областей. Катодолюминисценция позволяет определять включения и фазовый состав неметаллических и полупроводниковых материалов. Анализ потока прошедших через образец электронов дает представление о структуре фольг, подобно ПЭМ.  РЭМ позволяет регистрировать магнитные поля и выявлять доменную структуру.  Большие камеры для образцов в РЭМ дают возможность монтировать в них приспособления для проведения различных испытаний. Большая глубина фокуса РЭМ позволяет исследовать кинетику процессов в образце под действием механических нагрузок, магнитного и электрического полей, химических реактивов, нагрева и охлаждения. В настоящее время для РЭМ может быть использовано до 60 приставок различного функционального назначения.

4. Современные модели электронно-зондовых микроскопов