Часть 4 (1125041)
Текст из файла
106ГЛАВА 4ЭЛЕКТРОННАЯ МИКРОСКОПИЯВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ4.1. ВВЕДЕНИЕИдея первого электронного микроскопа с магнитными линзами былавысказана, а затем и осуществлена Кнолем и Руска в 1931 году. Физическойосновой этой фундаментальной работы послужил целый ряд выдающихсяоткрытий, сделанных, начиная с конца прошлого столетия. Перечислим хотя бынекоторые из работ того периода: открытие катодных лучей, электронов,определение их заряда (J.Thomson,1897); Исследование взаимодействияэлектронных пучков с магнитными полями и открытие магнитной фокусировки(H.Busch,1926); открытие волновой природы материи (L.de-Broglie,1924);открытиеявлениядифракцииэлектронов(C.Davisson,L.GermerG.Thomson,1927); создание теории динамической дифракции электронов(H.Bethe,1928).
Этот список можно было бы легко продолжить.В 1934 году была опубликована работа (L.Marton), в которой приведеныпервые электронно-микроскопические снимки биологических объектов. Напервом этапе электронная микроскопия применялась в основном длянаблюдения биологических объектов, причем для интерпретации снимковиспользовался лишь адсорбционный контраст. Однако, появление методареплик - отпечатков, сделанных с поверхности (H.Mahl,1940; C.Hall,1956), иособенно декорирование их металлами (H.Muller,1942) позволило успешноизучать неорганические материалы - сколы и изломы кристаллов. Примерно сначала 50-х годов начинаются интенсивные попытки исследования тонкихфольг материалов на просвет. Это стало возможным в результатесущественного повышения до 100kv ускоряющего напряжения в электронныхмикроскопах.
По-видимому, первой успешной в этом плане работой явилосьнаблюдение дислокаций и дефектов упаковки в металлических фольгах(P.Hirsch,1956). Для интерпретации наблюдаемого контраста авторам вдальнейшем пришлось использовать результаты динамической дифракцииэлектронов, разработанной ранее (H.Bethe,1928). С этого периода начинаетсябурное развитие электронно-микроскопической техники, появляютсяразнообразные методики приготовления тонких фольг, интенсивно развиваетсятеория дифракционного контраста.
Электронная микроскопия находит все болееширокое применение в физическом материаловедении. Одной из важнейшихпричин этого по-видимому является уникальная возможность наблюдать водном эксперименте, как изображение объекта в реальном пространстве, так иего дифракционную картину. Поэтому ЭМ является наиболее подходящим ипривлекательным методом исследования структуры сложных кристаллическихобъектов.Постоянное совершенствование электронных микроскопов даловозможность к настоящему времени довести разрешение по точкам в рядовыхприборах до 0.3-0.5нм. Это позволяет вплотную подойти к интереснейшейпроблеменепосредственномунаблюдениюстуктурыдефектовкристаллической решетки на атомном уровне.107В 1947 году появилась первая статья (H.Boerch) в которой наблюдалсяконтраст единичных атомов и атомных образований в кристаллах иобсуждались идеи фазового контраста.
В 1949 году O.Scherzer опубликовалработу в которой обсуждался фазовый сдвиг приобретаемый электронами припрохождении кристалла. Позже эта проблема была детально изучена целымрядом авторов (1955 R.Uyeda, 1965 R.Heidenreich, 1965 Y.Kamiya). Былоустановлено, что наибольший вклад в фазовые ошибки вносит сферическаяаберрация.
Тщательный анализ фазовых сдвигов приобретаемых электронамипоказал, что при определенных условиях их величина может бытьскомпенсированаправильнымвыборомотрицательногозначениядефокусировки. Этот вывод имел огромное значение для последующегоразвития электронной микроскопии высокого разрешения, так как именно наэтом пути были получены наибольшие экспериментальные успехи.Последние два десятилетия различными фирмами, выпускающимиэлектронные микроскопы, велись целенаправленные работы по улучшениюразрешения по точкам. По-видимому, наибольшие успехи здесь достигнутыЯпонской фирмой JEOL, освоившей несколько лет назад серийный выпусксерии приборов JEM-4000 с разрешением 0.12-0.15нм.
На этих приборах кнастоящему времени накоплен большой экспериментальный материал попрямому наблюдению структуры дислокаций, дефектов упаковки, двойниковыхграниц, большеугловых границ, структурных модуляций и пр. на атомномуровне.Ниже рассмотрены некоторые аспекты получения высокого разрешенияв электронной микроскопии. Электронный микроскоп высокого разрешенияочень близок по идеологии к оптическому фазово-контрастному микроскопу.Поэтому целесообразно начать рассмотрение с напоминания некоторыхнаиболее существенных характеристик оптического микроскопа.1084.2. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПТИЧЕСКИХСИСТЕМ4.2.1.
ОСНОВЫ ОПТИЧЕСКОЙ МИКРОСКОПИИДля описания основных процессов, происходящих, при формированииизображения в микроскопе, удобно воспользоваться классической схемойоптического микроскопа. На рис.4.1 показана схема простейшего трехлинзовогоприбора, работающего на просвет. Для освещения объекта должен бытьсформирован определенным образом световой поток (параллельный илисходящийся пучок). Эта задача решается при помощи апертурной диафрагмы,вырезающей необходимую часть светового пучка источника света, испециальной линзой (в более общем случае системы линз), называемойконденсорной линзой или просто конденсором.
Апертурная диафрагма,ограничивающая световой поток, называется апертурной диафрагмойконденсора. Сформированный таким образом световой пучок проходит далеееще через одну диафрагму, ограничивающую освещаемое поле объекта.Поэтому эта диафрагма называется полевой.
Наблюдаемый объект рассеиваетсвет, который далее попадает в объективную линзу (в более общем случаесистему линз, называемую объективом), в плоскости изображения которойформируется первое увеличенное изображение объекта. Это изображениеможет затем наблюдаться при помощи окулярной линзы или проектироватьсяна экран проекционной линзой. Качество изображения определяется главнымобразом параметрами объективной линзы [1-8].Рассмотрим основные характеристики, которыми должна обладатьобъективная линза. Основной функцией объективной линзы является созданиедействительного увеличенного изображения образца в плоскости объектаокулярной или проекционной линзами. Увеличение объективной линзыопределяется отношением размера промежуточного изображения, которое онаформирует, к истинному размеру объекта.
Увеличение объективных линзоптических микроскопов может составлять от нескольких единиц до сотни.Полное увеличение такой системы определяется выражениемK=HD⋅Δ=hf1 ⋅ f 2(4.1)Здесь f1, f2 - фокусные расстояния объективной и окулярной линз, Δ расстояние между фокусами этих линз, D - расстояние наилучшего зрения.Например, если для типичного случая f1=2mm, f2=15mm, Δ=1,0mm,D=250mm, коэффициент увеличения такого микроскопа K=1335.109Рис.4.1.Оптическая схема трехлинзового оптического микроскопа.
1-источник света,2-апертурная диафрагма конденсора, 3-конденсорная линза, 4-полевая диафрагма, 5объект, 6-объективная линза, 7-первое увеличенное действительное изображение, 8окулярная линза, 9-второе увеличенное мнимое изображение.Объектив может собрать лишь часть света, рассеиваемого образцом,ограниченную конусом, образованным диаметром линзы и расстоянием междуплоскостью линзы и образцом.
Эта особенность линзы называется числовойапертурой линзы и характеризует способность линзы собирать световые пучки.Числовая апертура определяется формулойA = n ⋅ sinβ ,(4.2)где n - показатель преломления среды, располагаемой между поверхностьюобъективной линзы и объектом, β - половина апертурного угла при вершинеконуса светового потока, собираемого линзой.Одной из наиболее важных характеристик объектива являетсяразрешающая способность линзы, т.е. свойство линзы разрешать близкорасположенные детали образца.
Иными словами, разрешающая способностьобъективной линзы - это наименьшее расстояние между двумя точкамиобъекта, при котором эти точки на изображении разрешаются как двеотдельные точки. Предельная разрешающая способность линзы определяетсядифракционными свойствами линзы и может быть записана в виде0 .
61 λ,(4.3)Aгде λ - длина волны света, используемого для освещения объекта, а A - числоваяапертура объективной линзы.Другой характеристикой линзы является глубина резкости. Онахарактеризует величину смещения образца вдоль оптической оси, котороеможет быть произведено без заметного ухудшения фокусировки изображения.Глубина резкости обратно пропорциональна квадрату числовой апертуры т.е.1 / A2 , а это означает, что при значительных неровностях поверхности образцацелесообразно использовать объективы с малой числовой апертурой.Наряду с дифракционными ограничениями разрешающую способностьлинз ухудшают различного рода дефекты, называемые в оптике аберрациями.Наиболее распространенными считаются пять типов аберраций: сферическая ихроматическая аберрации, астигматизм, кома, и дисторсия.
На рис.4.2схематически показано, как образуются эти типы ошибок в передачеизображений линзами.ε=110Рис.4.2. Аберрации линз. а)-сферическая аберрация, б)-кома, в)-хроматическаяаберрация, г)-астигматизм, д)-дисторсия.Сферическая аберрация обусловлена тем, что лучи, проходящие черезучастки линзы, расположенные на различных расстояниях от оптической оси,фокусируются на различных расстояниях от центра линзы, т.е. имеют слегкаотличные фокусные расстояния. Поэтому фокус линзы будет размыт вдольоптической оси. Это главный дефект объективных линз, в особенности вэлектронной микроскопии.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
