Нанометрология (Раздаточные материалы от преподавателя), страница 11

У РОМ весьма высока разрешающая способность, которая равна эффективному диаметру световогопятна на сканируемой плоскости объекта.Наибольшее распространение получили РОМ с газовым лазером вкачестве источника излучения. В этих приборах сканирование световогопятна по объекту может быть осуществлено механически или при помощиоптоэлектронных устройств.При механическом отклонении применяют системы с вращающимися или вибрирующими под действием электродинамических или магнитострикционных эффектов зеркалами или перемещают сам объект относительно неподвижного светового луча.

Устройствам такого типа присущи52недостатки, основной из которых – инерционность механических системразвертки, ограничивающая пределы диапазона разверток РОМ. Частотныепределы разверток РОМ могут быть расширеныприменением электрооптических или акустооптических дефлекторов. Однако эти системысложнее и не обеспечивают отклонение всегопоступающего на дефлекторы светового потока.Такие недостатки приборов, как малый рабочийотрезок объектива и поле зрения, обусловленные необходимостью применения оптики сбольшим коэффициентом уменьшения, ограничивают возможности РОМ.Совершенствование электроники в ХХ веке не могло не отразиться на использовании ее воптической микроскопии.2.2.2.

Электронная микроскопияЭлектронный микроскоп (ЭМ) – прибордля наблюдения и фотографирования многократно (до 106 раз) увеличенного изображенияобъекта (рис. 2.8). Здесь вместо световых лучейиспользуются пучки электронов, ускоренных добольших энергий (30 – 1000 кэВ и более) в условиях глубокого вакуума. Физические основыкорпускулярно-лучевых оптических приборовбыли заложены в 1827 году (почти за сто лет допоявления ЭМ) У.Р.

Гамильтоном, установившим существование аналогии между прохождением световых лучей в оптически неоднородных средах и траекториями частиц в силовыхполях. Целесообразность создания ЭМ сталаочевидной после выдвижения в 1924 году гипоРис.2.8. Электронныйтезы де Бройля о волновой природе электрона, амикроскоптехнические предпосылки были созданы Х.

Бушем, который в 1926 году разработал магнитную электронную линзу.53Таким образом, главным приложением электронной оптики тех летявлялось изобретение и создание в 1930-х годах электронного микроскопа, построенного по законам волновой оптики, но с применением электрических и магнитных полей для фокусировки электронных лучей.Рис. 2.9. Магнитная линзаВ 1931 году Р. Руденберг получил патент на просвечивающийэлектронный микроскоп (ПЭМ), а в 1931 году М.

Кнолль и Э. Руска построили первый просвечивающий микроскоп, применив магнитные линзыдля фокусировки электронов (Э. Руска за данный вклад стал лауреатомНобелевской премии по физике за 1986 год). В СССР первый электронныймикроскоп с увеличением до 10000 раз и разрешением до 400 ангстрем построен в Оптическом институте (г. Ленинград) в 1940 году.В последующие годы Арденне (1938), В.К. Зворыкиным, США(1942) были построены первые растровые ЭМ (РЭМ), работающие напринципе сканирования, т.е. последовательного от точки к точке перемещения тонкого электронного пучка (зонда) по объекту.По некоторым источникам первый растровый электронный микроскоп был изобретен в 1952 году Чарльзом Отли.

И лишь после ряда технических усовершенствований он был внедрен в производство в середине1960-х годов. Как бы то ни было, но к середине 1960-х годов РЭМ достигли высокого технического совершенства.Итак, в отличие от оптического, в электронном микроскопе используют потоки электронов и магнитные или электростатические линзы (в оптическом микроскопе линзы стеклянные).54Некоторые ЭМ позволяют увеличивать изображение в 5 млн. раз, вто время как максимальное увеличение лучших оптических микроскоповдостигает 2000 раз.

Как оптические, так и электронные микроскопы имеютограничения в разрешающей способности в зависимости от длины волн.По видам различают:• просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ);• растровый электронный микроскоп (РЭМ);• отражательный электронный микроскоп (ОЭМ);• растровый просвечивающий электронный микроскоп (РПЭМ);• фотоэмиссионный электронный микроскоп (ФЭЭМ).ПЭМ обладают самой высокой разрешающей способностью, превосходя по этому параметру световые микроскопы в несколько тысяч раз.Предел разрешения объекта у ПЭМ составляет 0,15 – 0,3 нм, т.е. достигаетуровня, позволяющего наблюдать атомарную и молекулярную структуруисследуемых объектов.

Столь высокие разрешения достигаются благодарячрезвычайно малой длине волны электронов. Линзы ЭМ обладают аберрациями, эффективных методов коррекции которых не найдено в отличие отсветового микроскопа. Поэтому в ПЭМ магнитные электронные линзы, укоторых аберрации на порядок величины меньше, полностью вытеснилиэлектростатические.Принцип действия магнитной линзы поясняется схемой (рис.2.9).Витки провода, по которым проходит ток, фиксируют пучок электроновтак же, как стеклянная линза фокусирует световой пучок. Электронноеизображение формируется электрическими и магнитными полями примерно так же, как световое – оптическими линзами.

Магнитное поле, создаваемое витками катушки, по которой проходит ток, действует как собирающая линза, фокусное расстояние которой можно изменять, изменяяток. Поскольку оптическая сила такой линзы, т.е. способность фокусировать электроны, зависит от напряженности магнитного поля вблизи оси,для ее увеличения желательно сконцентрировать магнитное поле в минимально возможном объеме. Практически это достигается тем, что катушкупочти полностью закрывают магнитной «броней» из специального никелькобальтового сплава, оставляя лишь узкий зазор в ее внутренней части.Создаваемое таким образом магнитное поле может быть в 10 – 100 тысячраз более сильным, чем магнитное поле Земли на земной поверхности.55Рис.

2.11. Электронно-оптическая схемаПЭМ:1 – катод; 2 – фокусирующий цилиндр;3 – ускоритель; 4 – первый (короткофокусный) конденсор, создающий уменьшенное изображение источника электронов; 5 – второй (длиннофокусный)конденсор, который переносит уменьшенное изображение источника электронов на объект; 6 – объект; 7 – апертурная диафрагма объектива; 8 – объектив; 9, 10, 11 – система проекционныхлинз; 12 – катодолюминесцентный экранРис. 2.10.

Электронный микроскоп просвечивающего типа (ПЭМ):1 – электронная пушка с ускорителем;2 – конденсорные линзы; 3 – объективнаялинза; 4 – проекционные линзы; 5 – световой микроскоп, дополнительно увеличивающий изображение, наблюдаемое наэкране; 6 – тубус со смотровыми окнами,через которые можно наблюдать изображение; 7 – высоковольтный кабель; 8 –вакуумная система; 9 – пульт управления; 10 – стенд; 11 – высоковольтное питающее устройство; 12 – источник питания линз56Находящиеся в эксплуатации ПЭМ можно разделить на три группы:ЭМ высокого разрешения, упрощенные ПЭМ и ЭМ с повышенным ускоряющим напряжением.ПЭМ с высокой разрешающей способностью (2 – 3 Å), как правило, универсальные приборы многоцелевого назначения.

С помощью дополнительных устройств и приставок в них можно наклонять объект в разных плоскостях на большие углы к оптической оси, нагревать, охлаждать,деформировать его, осуществлять рентгеновский структурный анализ, исследования методами электронографии и пр. Ускоряющее электроны напряжение достигает 100 – 125 кВ, регулируется ступенеобразно и отличается высокой стабильностью: за 1 – 3 мин. оно изменяется не более чем на1 – 2 миллионные доли от исходного значения. Изображение типичногоПЭМ описываемого типа приведено на рис. 2.10.

В его оптической системе(колонне) с помощью специальной вакуумной системы создается глубокийвакуум (давление до 10-6 мм рт. ст.). Схема оптической системы ПЭМ изображена на рис. 2.11. Пучок электронов, источником которых служит накаленный катод, формируется в электронной пушке и затем дважды фокусируется первым и вторым конденсорами, создающими на объекте электронное «пятно» малых размеров (при регулировке диаметр пятна можетменяться от 1 до 20 мкм).

После прохождения сквозь объект часть электронов рассеивается и задерживается апертурной диафрагмой. Нерассеянные электроны проходят через отверстие диафрагмы и фокусируются объективом в предметной плоскости промежуточной линзы. Здесь формируется первое увеличенное изображение. Последующие линзы создают второе,третье и т.д. изображения. Последняя проекционная линза формирует изображение на флуоресцирующем экране, который светится под воздействием электронов.

Увеличение ЭМ равно произведению увеличений всехлинз. Степень и характер рассеяния электронов неодинаковы в различныхточках объекта, т.к. толщина, плотность, структура и химический составобъекта меняются от точки к точке. Соответственно изменяется числоэлектронов, прошедших через апертурную диафрагму, а, следовательно, иплотность тока на изображении.

Возникает амплитудный контраст, который преобразуется в световой контраст на экране. В случае тонких объектов превалирует фазовый контраст, вызываемый изменением фаз волн деБройля, рассеянных в объекте и интерферирующих в плоскости изображения. Под экраном ЭМ расположен магазин с фотопластинками, при фото57графировании экран удаляется и электроны воздействуют на фотоэмульсионный слой. Изображение фокусируется объективной линзой с помощьюплавной регулировки тока,изменяющей ее магнитноеполе. Токами других электронных линз регулируетсяувеличение ЭМ, которое равно произведению увеличенийвсех линз.

При больших увеличениях яркость свеченияэкрана становится недостаточной и изображение наблюдают с помощью усилителя яркости. Для анализаизображенияпроизводятсяаналогово-цифровое преобразование содержащейся в неминформации и обработка накомпьютере.

Усиленное и обработанное по заданной программе изображение выводится на экран компьютера ипри необходимости вводитсяв запоминающее устройство.УпрощенныеПЭМРис. 2.12. Сверхвысоковольтный электронныймикроскоп (СВЭМ):предназначены для научных1 – виброизолирующая платформа; 2 – цепи, на исследований, в которых некоторых висит платформа; 3 – амортизирующие требуется высокая разрешаюпружины; 4 – баки, в которых находятся генещая способность.