ЭМ (Раздаточные материалы от преподавателя), страница 10

Электронный пучок, сфокусированный на поверхности образца, вызывает появление отраженных, вторичных и поглощенных электронов, которые используются для получения изображения поверхности образца. Этисигналы улавливаются специальными детекторами. На схемеРЭМ (см. рис. 1.12) представлен только один из возможного набора тип детектора, используемый для регистрации вторичныхэлектронов 13. В детекторе поток электронов преобразуетсяв электрический сигнал (ток). После прохождения тока через усилитель 14 модулируется яркость экрана.В качестве детектора вторичных электронов используется детектор Эверхарта–Торнли.

Схема детектора представлена нарис. 1.13. Коллектор 1 имеет положительный потенциал, приблизительно +250 В, благодаря чему траектории вторичных электронов искривляются, и они попадают в коллектор. На первичныеи отраженные электроны, имеющие высокие значения энергии,этот потенциал существенного влияния не оказывает.Внутри коллектора электроны ускоряются. Для этого на сцинтиллятор 3 подается высокое напряжение порядка 12 кВ. Еговлияние на электронный зонд экранируется корпусом коллектора.Вследствие ускорения вторичные электроны получают достаточную энергию, чтобы вызвать световое излучение материала сцинтиллятора, которое по световоду 2 попадает на фотоумножитель 4,где преобразуется в электрический сигнал. Мощность этого сигнала и, следовательно, яркость соответствующей точки на экранепри использовании вторичных электронов определяется топографическим контрастом.

Характерная особенность топографического контраста в РЭМ – повышенная яркость изображения острыхвершин и выступов рельефа поверхности образца вызывается увеличением выхода электронов с этих участков.54Электронная микроскопияе124+12 кВ+250 В3ОбразецРис. 1.13. Схема детектора эмиттированных электроновЭверхарта–Торнли:1 – коллектор; 2 – световод; 3 – сцинтиллятор; 4 – фотоумножительБольшая разрешающая способность РЭМ при работе в режимерегистрации вторичных электронов служит причиной того, чтоименно он используется при изучении топографии поверхности(поверхность излома, протравленного шлифа и др.).

При формировании изображения в режиме детектирования вторичных электронов возможно появление композиционного контраста. Однако онотносительно невелик.Для регистрации отраженных электронов могут использоваться различные типы детекторов, в том числе и детектор Эверхарта–Торнли, но с некоторым изменением. Это вызвано тем, чтоотраженные электроны имеют высокую энергию, движутся прямолинейно, не отклоняясь электрическим полем, в отличие отвторичных электронов. Поэтому нет необходимости использовать в детекторе высокие напряжения и, следовательно, коллектор. Эффективность сбора отраженных электронов зависит от угла наклона детектора к поверхности генерации электронов и расстояния между ними.Получение изображения в отраженных электронах вызвано тем,что эмиссия этих электронов зависит от порядкового номера химического элемента.

Поэтому, например, на плоской поверхностиКонспект лекций55образца участок материала с более высоким средним порядковымномером атомов отражает большее количество электронов. Он выглядит на экране более светлым относительно других участков образца. Полученный контраст называют композиционным.Изображение в отраженных электронах позволяет определитьколичество фаз в материале, наблюдать микроструктуру материалабез предварительного травления шлифа и др.

Выявление структуры материала становится возможным, поскольку химический состав зерен в многокомпонентных системах отличается от химического состава их границ.В том случае когда поверхность образца имеет ярко выраженные неровности, то дополнительно к композиционному возникаеттопографический контраст. Для разделения композиционногои топографического контрастов применяют два детектора отраженных электронов Эверхарта–Торнли.На рис.

1.14 приведен пример разделения контрастов. В случаесложения сигналов детекторов D1 и D2 усиливается композиционный и устраняется топографический контраст. При вычитаниисигналов аннулируется композиционный и усиливается топографический контраст.При получении изображения в поглощенных электронах сигналом служит ток поглощенных электронов, который равен токупервичных электронов за вычетом тока отраженных и вторичныхэлектронов.

В итоге он зависит от количества эмиттированных отраженных и вторичных электронов. Соответственно в сигналеприсутствуют как композиционная, так и топографическая составляющая, причем они не разделяются.При сканировании зонда по поверхности образца, имеющегохимическую неоднородность и сильно выраженный рельеф, интенсивность сигнала будет меняться. Для улавливания сигнала нетребуется специальный детектор. Его роль выполняет образец,в котором образуются поглощенные электроны.

Поток поглощенных электронов только усиливается, а затем передается в блокизображения. Метод широко использовался в ранних конструкциях сканирующих микроскопов.Сигналы, преобразованные детектором в электрический ток,после усиления служат для модулирования яркости точек на экране. Формирование изображения поверхности объекта на экранебудет происходить следующим образом.

С помощью отклоняющих катушек 7 (см. рис. 1.12) осуществляется сканирование тонко56Электронная микроскопиясфокусированного зонда по поверхности образца. Оно проходитпо 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 образцесоответствует определенной точке на экране. В свою очередь, яркость точки на экране определяется интенсивностью сигнала, поступающего от соответствующей точки образца.D1D2D1D2СигналD1D2D1 + D2D1 − D2КомпозиционныйконтрастТопографическийконтрастРис. 1.14. Использование парного детектора ( D1 , D2 ) для разделениякомпозиционного и топографического контрастовКонспект лекций57Совокупность сигналов различной интенсивности создает контраст яркости (изображение) на экране трубки. Увеличение РЭМопределяется 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 колебаний зонда задается с помощью блокауправления увеличением 17 путем изменения тока в отклоняющихкатушках. Обычно рабочий диапазон изменения увеличений, обеспечивающий высокую четкость изображения поверхности, составляет 10–50 000×.

Увеличение, превышающее максимальное полезное увеличение микроскопа, обычно используется только для егофокусирования.1.4.3. ПОДГОТОВКА ОБЪЕКТОВ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЙИ ОСОБЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К НИМНа РЭМ могут исследоваться как шлифы, так и поверхностиобъектов без предварительной подготовки.

Изготовление шлифовк исследованию на РЭМ в общем осуществляется так же, как и длясветомикроскопического исследования. Однако есть и некоторыеособенности. Большая глубина резкости изображения в РЭМ позволяет получать дополнительную информацию, проводя глубокоетравление шлифов. В то же время при получении изображенийв 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 используютспециальные токопроводящие клеи.

При исследовании не проводящих 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 возможноего термическое разрушение.Перед испытанием образцы должны быть тщательно очищены,чтобы не образовывались газообразные продукты, затрудняющиеполучение требуемого вакуума при откачке микроскопа и загрязняющие его колонну. Рекомендуется проводить очистку образцов58Электронная микроскопияв различных растворителях с использованием ультразвука.

Припроведении топографических исследований нельзя допускатьокисления поверхностей излома.1.4.4. ТЕХНИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ РАСТРОВОГОЭЛЕКТРОННОГО МИКРОСКОПАЭлектронный микроскоп позволяет:1. Непосредственно исследовать большие площади поверхностей на массивных образцах и даже деталях в широком диапазоне увеличений от 10× до 50 000× и выше с достаточно высоким разрешением.

При этом не требуется, как для ПЭМ, выполнение сложных и длительных операций по изготовлениюспециальных объектов – реплик, прозрачных для электронного луча. Исключается возможность погрешностей вследствиедеформации реплик при снятии их с объекта и под действиемэлектронного луча.2. На РЭМ можно исследовать общий характер структуры всейповерхности объекта при малых увеличениях и детально изучить любой интересующий исследователя участок при больших увеличениях. При этом отпадает необходимость в разработке специальных прицельных методов.

Переход от малыхувеличений к большим на РЭМ осуществляется быстрои просто. Возможность быстрого изменения увеличенияв процессе работы микроскопа от 10× до 50 000× позволяетлегко устанавливать полезное увеличение. Оно определяетсякак M пол = 200 мкм d , где d – диаметр соответствующегоэлемента изображения в мкм. Нужно также иметь в виду, чтоизображение будет точно сфокусировано, когда область зондирования пучком на образце меньше, чем размер элементаизображения.3. РЭМ имеет большую глубину фокуса, что позволяет наблюдать объемное изображение структуры с возможностью ее количественной оценки.

Создаются условия прямого изученияструктуры поверхностей с сильно развитым рельефом, например изломов.4. РЭМ обычно снабжен микроанализаторами химического состава, что позволяет получать более полную информациюо поверхности изделия.Конспект лекций591.5. ЗЕРКАЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ МИКРОСКОПИЯ1.5.1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗЕРКАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОННОЙМИКРОСКОПИИНеотъемлемым элементом любого ЗЭМ является электронноезеркало, которое играет двоякую роль.

С одной стороны, это наиболее существенная часть электронной оптики прибора, иногдаименуемого по этой причине просто электронным зеркалом.С другой стороны, зеркальный электрод – это и есть исследуемыйобразец. Он почти не бомбардируется электронами, так как находится под небольшим отрицательным потенциалом относительнокатода электронной пушки, и электроны отражаются вблизи поверхности образца.Электронные зеркала уже давно применяются в различных электронно-оптических приборах, а в последнее время появились разнообразные приставки и к электронным микроскопам, использующиедве основные возможности электронных зеркал: получение зеркального электронно-оптического изображения (действительногоили мнимого) любого объекта с одновременной фильтрацией поскоростям изображающего электронного пучка. Действительно, если потенциал отражающего электрода по отношению к потенциалуисточника электронов равен U CM , то в формировании зеркальногоизображения будут участвовать лишь электроны с начальной энергией меньше 1 эВ/см (остальные будут поглощены электродомотражателем).Еще в 1959 г.

Ю. В. Воробьев предложил использовать электронное зеркало в качестве фильтра для монохроматизации электронного пучка в эмиссионных электронных микроскопах, что позволяет в несколько раз улучшить разрешение прибора. Практическая реализация такой идеи показала, что разрешение эмиссионногомикроскопа действительно улучшается. Авторы смонтировалив эмиссионном микроскопе электронное зеркало с магнитной призмой для разделения падающего и отраженного пучков (рис.