2.4.3. Електронна спектроскопія.

В порівнянні з світловими мікроскопами використовування електронного променя з малою довжиною хвилі дозволяє істотно збільшити роздільну здатність.

В даний час використовуються декілька конструкцій електронних мікроскопів: просвічуючі, растрові (скануючі), емісійні і відбиваючі. Найбільшого застосування при дослідженнях наноматеріалів знайшли методи електронної мікроскопії – просвічуючі, растрові (скануючі).

Просвічуюча електронна мікроскопія

Просвічуюча електронна мікроскопія дає можливість отримати в одному експерименті зображення з високою роздільною здатністю і мікродифракційні картини однієї і тієї ж ділянки зразка. Просвічуючі електронні мікроскопи забезпечують роздільну здатність до 0,1 нм і розмір ділянки, з якої знімається мікродифракційна картина - до 50 нм. За отриманим зображенням можна говорити про будову матеріалу, а за дифракційною картиною – про тип кристалічних граток.

Принципова схема просвічуючогоелектронного мікроскопа показана на мал. 7.1. Він складається з електронної гармати і системи електромагнітних лінз, укладених у вертикально розташовану колону, в якій підтримується вакуум 10^–2-10^-3 Па [128-130]. Освітлювальна система мікроскопа включає електронну гармату і двохлінзовий конденсатор. Електронна гармата складається з катода (нагріта нитка з W або LaB6), що емітує електрони, фокусуючих електродів (на них подається більший негативний потенціал) і анода у вигляді пластинки з отвором. Між катодом і анодом створюється електричне поле з прискорюючою напругою (в сучасних мікроскопах 500-3500кВ). Із збільшенням швидкості відбувається зменшення довжини хвилі (=h/mv =h(2meU)-1/2) і зміна маси електрона. Із зменшенням довжини хвилі зростає роздільна здатність оптичної системи електронного мікроскопа. Зростання прискорюючої напруги також приводить до зростання проникної здатності електронів. На мікроскопах з напругою 1000 і більш кВ можливо вивчення зразків товщиною до 5-10 мкм. Проходячи через отвір анода пучок електронів потрапляє в конденсори і коректор юстування, де відбувається остаточне наведення електронного променя на зразок, що вивчається. Після проходження об'єкту електрони розсіваються. Їх фокусування і отримання первинного зображення на екрані здійснюється за допомогою системи лінз (об'єктивної, проміжної і т.п.). Діафрагма дозволяє вибирати зі всіх електронів, що пройшли через зразок, або тільки сильно розсіяні електрони, або нерозсіяні або слаборозсіяні електрони. Фіксація зображення на раніше випущених мікроскопах здійснювалася на фотоплівку або фотопластини. У сучасних мікроскопах використовуються цифрові фото- і відеокамери.

Растрова електронна мікроскопія (РЕМ)

У растровому електронному мікроскопі зображення досліджуваного об'єкту формується при скануванні його поверхні точно сфокусованим (5-10 нм) променем електронів. Такий промінь часто називають електронним зондом. Діаметр зонда може складати 5-1000 нм [128-130]. При взаємодії електронів з поверхнею досліджуваного матеріалу протікає ряд складних процесів, що приводять до появи випромінювань різної природи. Ці випромінювання можна реєструвати із застосуванням різних приладів і датчиків. Для формування картини поверхні використовують відображені електрони і вторинні електрони. Створювані ними сигнали після їх реєстрації приладами підсилюють, а потім використовують для модуляції яскравості зображення на електронно-променевій трубці, розгортка якої синхронна із зсувом електронного зонда. Таким чином, кожній точці на поверхні зразка ставиться у відповідність точка на екрані електронно-променевої трубки. Яскравість зображення точки пропорційна інтенсивності сигналу від відповідної точки на поверхні, що вивчається.

При використанні сигналу від відбитих електронів виходить інформація від шару завтовшки 1-2 мкм і діаметром істотно більшим зони падіння електронного променя. Зображення поверхні виходить з не дуже високою роздільною здатністю, зате відрізняється сильним чорно-білим контрастом. Такий режим може бути корисний при вивченні структури на шліфах металографії.

При використанні сигналу від вторинних електронів досягається найбільша роздільна здатність, оскільки вторинні електрони виникають в шарі товщиною порядку 1 нм, а зона їх виникнення обмежена областю падіння електронного променя. Контрастність зображення дещо нижча, ніж при використовуванні відбитих електронів, проте воно має стереометричний характер.

Важливою перевагою растрової електронної мікроскопії є поєднання великої роздільної здатності (до 10 нм, а при використовуванні спеціальних катодів з гексаборида лантану – до 5 нм) з великою глибиною фокусу. Це дозволяє проводити високоякісні дослідження поверхні шорстких зразків. Недоліком методу РЕМ є можливість дослідження тільки провідних матеріалів. Для дослідження ізоляторів на їх поверхню звичайно напилюють тонку плівку електропровідної речовини, наприклад вуглецю. Існують і інші методи пристосування РЕМ до дослідження таких об'єктів.

У зв'язку з тим, що при опромінюванні матеріалу електронами виникає рентгенівське випромінювання в РЕМ широке застосування знаходить також метод рентгеноспектрального мікроаналізу (РСМА). Тому майже для всіх растрових електронних мікроскопів передбачено конструктивне поєднання цих методів. Є можливість реєструвати спектри довжин хвиль компонентів рентгенівського випромінювання і енергій рентгенівських квантів. Це забезпечує проведення високочутливого якісного і кількісного аналізу хімічного складу поверхні матеріалу, що вивчається, у тому числі в окремо вибраній точці. Просторовий дозвіл РСМА складає до 200-500 нм і сильно залежить від якості підготовки поверхні зразків.