ЭМ (Раздаточные материалы от преподавателя), страница 11

1.15).Аналогичное устройство применяется в анализаторах скоростейв просвечивающих электронных микроскопах и в магнитных спектрометрах (для уменьшения хроматической аберрации).60Электронная микроскопияЭлектронные зеркала используются также в преобразователяхизображения для превращения ионного изображения в электронное (под действием ионной бомбардировки люминесцентные экраны разрушаются), в электронно-оптических преобразователях,для фокусировки и модуляции пучков в электронных пушках (чтопозволяет улучшить разрешение и передачу градаций яркостив передающих и приемных телевизионных трубках) и в другихприборах.Первым исследованным электронным зеркалом была одиночная линза, которая фокусирует проходящий электронный пучокпри малых отрицательных потенциалах среднего электрода, нос увеличением этого отрицательного потенциала превращаетсявначале в собирающее зеркало, а затем в рассеивающее.

Большаяхроматическая аберрация такой линзы не позволяет получить хорошее зеркальное изображение, поэтому обычно используютсядвух- или трехэлектродные зеркала, конструкция которых подобнаразработанной впервые Хоттенротом, но вместо цилиндров чащеиспользуются диафрагмы.При исследовании электронно-оптических свойств таких зеркалХоттенрот заметил, что геометрические неровности на поверхности электрода-отражателя сильно возмущают отражающийсявблизи нее электронный пучок, несущий изображение предмета(сетки). Это наблюдение и послужило толчком к развитию электронной зеркальной микроскопии, основная задача которой – изучение поверхностных структур: как геометрического рельефа поверхности твердого тела, так и различного рода поверхностныхмикрополей.

Нужно отметить, что при исследовании образцовв ЗЭМ микрорельеф поверхности формально можно отнести такжек категории микрополей, однако с той особенностью, что его существование и величина обусловлены внешним полем, ускоряющим электроны. Другие микрополя (p–n-переходы, доменные границы, магнитные и контактные неоднородности и др.) могут существовать и в отсутствие внешнего поля.Изображение поверхностных неоднородностей формируетсязеркальной электронно-оптической системой, конструкция которой чаще всего такая же, как и конструкция иммерсионного объектива в эмиссионных электронных микроскопах, поэтому иногдаЗЭМ рассматривают как квазиэмиссионную систему. Электронныйпучок проходит через иммерсионный объектив дважды: к образцуи от него. Возможны два варианта хода пучков перед иммерсион-Конспект лекций61ным объективом (показаны на рис.

1.15): либо ось отраженногопучка B2 совпадает с осью освещающего B1 (рис. 1.15, а), либопучки разводятся магнитным полем, перпендикулярным к их осям(рис. 1.15, б). Прибор с разделением пучков более сложен, но в немможно независимо воздействовать на освещающий и отраженныйпучки.B1 B2ИммерсионныйобъективB1 B Иммерсионный2объективбаРис. 1.15. Конструктивные варианты зеркальных микроскопов:а – ось отраженного пучка B2 совпадает с осью освещающего B1;б – пучки разводятся магнитным полем, перпендикулярным к их осям1.5.2. КОНСТРУКЦИЯ ЗЕРКАЛЬНОГО ЭЛЕКТРОННОГОМИКРОСКОПАИспользуются два основных варианта ЗЭМ – «прямые» приборы, в которых оси освещающего и изображающего пучков совмещены, и приборы с разделением этих пучков (см. рис.

1.15). Вначале строились приборы с разделением пучков – первые лабораторные стеклянные модели Хоттенрота и Ортубера, микроскопБарца с соавторами, обеспечивавший разрешение 1000 Å. Затембыл построен Майером первый прибор прямой конструкциис длиннофокусной электронной пушкой и четырехэлектроднымиммерсионным объективом, предложенным ранее Сетье для эмиссионных микроскопов.

Геометрическое разрешение прибора былооколо 0,35 мкм.62Электронная микроскопияРяд лабораторных моделей прямых ЗЭМ был сконструировани использовался для наблюдения доменной структуры сегнетоэлектриков и ферромагнетиков. В этих приборах впервые былприменен пятиэлектродный иммерсионный объектив (образец +прикатодная диафрагма + одиночная трехэлектродная линза), который позволяет легко переходить от рассеивающего к собирающему режиму работы ЗЭМ. Характеристики объектива исследовались в работе [18].Электронная пушка в нем юстируется относительно оси системы, конденсор – электростатический. В микроскопе использовалсядвух-, трех- или пятиэлектродный иммерсионный объектив (ускоряющее напряжение 0–50 кэВ, вакуум до 10–6 мм рт. ст.).

Внутривакуумное фотографирование используется и в более простомприборе.Прямые ЗЭМ сконструированы Хейденрейхом с соавторами.Вначале использовалась стеклянная модель, а затем была созданаметаллическая конструкция. Применение зеркала, наклоненногопод углом 45° к оси системы и находящегося под прозрачным люминесцентным экраном, позволило избежать масштабных искажений при внешнем фотографировании.

Устройство для коррекциимасштаба при фотографировании описано и в работе [18].ЗЭМ прямой конструкции с ускоряющим напряжением до10 кВ для исследования полупроводников построен Играсом.Образец заземлен, и температура его может варьироваться в интервале 77–1300 К.В микроскопе с магнитными линзами, сконструированном Барнеттом и Никсоном, используется двухэлектродная зеркальнаясистема (образец + диафрагма) с магнитной объективной линзойи двойной магнитный конденсор. Двухлинзовая проекционная система формирует бездисторсионное изображение в диапазоне увеличений от 25× до 2500×.

Аналогичный прибор JEM-ΜΙ разработан и с 1968 г. серийно выпускается фирмой «Jeol» (Япония). В отличие от JEM-MI, в приборе JEOL установлены трехэлектродныйобъектив (образец + промежуточный электрод + анод) и камерадля внутривакуумного фотографирования на плоскую пленку. Ускоряющее напряжение – 15 или 35 кВ (стабильность его – 3·10–4мин–1), вакуум – 5·10–5 мм рт. ст., разрешение – около 1000 Å.В приборах прямой конструкции нельзя получить сфокусированное изображение, а яркость «теневого» изображения при больших полезных увеличениях слишком мала.

Поэтому в последнееКонспект лекций63время вновь возрос интерес к микроскопам с разделением пучков.Майер, предложивший ЗЭМ прямой конструкции, построил затемприбор с полным углом разделения 30°. В нем катод электроннойпушки заземлен, образец находится под малым отрицательнымили положительным потенциалом, а колонна – под высоким положительным. Тем не менее прибор вполне безопасен в работе, таккак все высоковольтные детали заключены в защитные экраны изоргстекла.

Диафрагмы четырехэлектродного иммерсионного объектива юстируются с помощью прецизионных стеклянных трубок.Все напряжения стабилизированы. Прибор снабжен автоматической вакуумной системой, оборудован дистанционным управлением для перемещения держателя образца в трех перпендикулярныхнаправлениях.Микроскоп классической конструкции (с заземленной колонной) создан Шварце в ГДР. Для разделения пучков используетсямагнитная призма с малым астигматизмом даже при сравнительнобольших углах отклонения (угол отклонения в приборе – 37,5°).Конденсорная и проекционная линзы – магнитные, длиннофокусные.

Стабилизированное ускоряющее напряжение 6–36 кВ, вакуумпорядка 10–5 мм рт. ст. Зеркальная система двух- или трехэлектродная (образец и диафрагмы). Максимальное увеличение 2100×достигается при использовании двухэлектродного зеркальногообъектива с диафрагмой диаметром 1 мм, находящейся на расстоянии 2 мм от образца (проекционное увеличение также максимально). Максимальная напряженность поля у поверхности образца – 120 кВ/см. Разрешение микроскопа – не хуже 2000 Å. Можнополучать как «теневые», так и сфокусированные изображения поверхности образца.В гораздо более сложном приборе Бока с разделением пучковизображающий электронный пучок проходит через четыре магнитные призмы, возвращающие его на оптическую ось.

Увеличение сфокусированных или «теневых» изображений – от 250× до4000×. Применение четырех призм с последовательно включенными обмотками позволило практически свести к нулю хроматическую аберрацию, отклонения при стабильности тока почти надва порядка хуже, чем при использовании одной призмы. Астигматизм отклонения корректируется стигматором, смонтированнымпа последней линзе. Ускоряющее напряжение 0–30 кВ.Несравненно проще «сферическое электронное зеркало».

Так, например, в приборе Артамонова легко достигается большая напря-64Электронная микроскопияженность тормозящего поля вблизи объекта (вплоть до 107 В/см) безвозникновения пробоев, но в таком микроскопе можно получитьлишь «теневые» изображения и притом с малым полем зрения (сравнительно большие искажения возникают уже на малых расстоянияхот оптической оси). Такой ЗЭМ удобен как простой и доступный лабораторный прибор.Микроскоп с разделением пучков для исследования полупроводников сконструирован Э.

Играсом и Т. Варминьским и выпущен серийно в Польше. Основные параметры прибора: ускоряющее напряжение 10–25 кВ, рабочий вакуум 10–5 мм рт. ст., увеличение – до2000×, разрешение – около 2000 Å; температуру образца можно менять от 77 до 600 К.Универсальный ЗЭМ с разделением пучков, сконструированный Хейденрейхом, предназначен в основном для исследованиямикрополей и работает в проекционном (теневом) режиме, обеспечивающем максимальную чувствительность к полям.

Большаякамера образца дает возможность нагревать, охлаждать, деформировать, намагничивать образец, напылять на него тонкие пленкии очищать поверхность с помощью ионной пушки, пропускать регулируемый ток по поверхности образца. Ускоряющее напряжение5–30 кВ, максимальное увеличение 3000×, разрешение – около1000 Å.В последнее время разрабатываются разнообразные комбинированные приборы, в том числе эмиссионно-зеркальные. Один изпервых микроскопов такого рода построен в Чехословакии. Он дает возможность получать термо-, фото-, автоэмиссионные и зеркальные изображения массивных объектов. Аналогичный универсальный прибор был сконструирован в СССР на базе просвечивающего электронного микроскопа ЭМ-7.