eng
Содержание
Содержание
Предисловие автора ..................................................................................... 12
Предисловие переводчика .......................................................................... 15
Глава 1. Основные принципы аналитической электронной микроскопии ..... 15
1.1.
Взаимодействие между электронами и материалами ................. 15
1.1.1.
Рассеяние электронов .......................................................... 15
1.1.2.
Фундаментальные величины,
характеризующие рассеяние электронов ........................... 17
1.1.3.
Моделирование процесса рассеяния .................................. 23
1.2.
Неупругое рассеяние электронов и аналитическая
электронная микроскопия............................................................. 25
1.2.1.
Краткое описание спектроскопии потерь
энергии электронов и энергодисперсионной
рентгеновской спектроскопии............................................. 25
1.2.2.
Аналитическая электронная микроскопия
и методы характерезации материалов ................................. 28
1.3.
Просвечивающий электронный микроскоп с компьютерным
управлением и управление данными анализа ............................ 32
Литература ................................................................................................ 34
Глава 2. Составные части и основы эксплуатации аналитических
электронных микроскопов ............................................................................ 35
2.1.
Основные составные части аналитических
электронных микроскопов ............................................................ 35
2.1.1.
Электронная пушка .............................................................. 37
2.1.2.
Высоковольтный генератор и ускоритель .......................... 44
2.1.3.
Линзовая система осветителя и дефлектор ........................ 46
2.1.4.
Держатели образцов .............................................................. 49
2.1.5.
Формирующая линзовая система ........................................ 51
2.1.6.
Камера наблюдения и камера фоторегистрации
(система регистрации изображений) .................................. 60
2.2.
Принципы управления просвечивающими
электронными микроскопами ...................................................... 73
2.2.1.
Юстировка линз и коррекция астигматизма ..................... 73
2.2.2.
Настройка фокуса объективной линзы.............................. 80
Литература ................................................................................................ 82
Глава 3. Спектроскопия характеристических потерь энергии электронов ....... 83
3.1.
Неупругое рассеяние электронов ................................................. 84
3.2.
Спектрометры для СХПЭЭ ........................................................... 86
3.2.1.
Дисперсия электронов по энергии ..................................... 86
3.2.2.
Оптика спектрометра .......................................................... 86
3.2.3.
Последовательное и параллельное
детектирование спектра ...................................................... 88
3.2.4.
Компенсация внешнего магнитного поля.......................... 91
3.3.
Особенности анализа методом СХПЭЭ ....................................... 92
3.3.1.
Ускоряющее напряжение ..................................................... 92
3.3.2.
Приемный угол спектрометра ............................................. 94
3.3.3.
Режимы анализа ................................................................... 96
3.3.4.
Пределы обнаружения при анализе методом СХПЭЭ ..... 97
3.4.
Теоретические основы СХПЭЭ .................................................... 97
3.5.
Анализ спектров потерь энергии электронов .............................103
3.5.1.
Потери энергии вследствие плазмонных возбуждений ...103
3.5.2.
Измерение средней длины свободного пробега
неупругого рассеяния и оценка толщины образца ..............105
3.5.3.
Потери энергии в результате возбуждения
электронов внутренних оболочек .......................................108
3.6.
Принципы и применение метода
энергетической фильтрации электронов ....................................122
3.6.1.
Электронная оптика энергетического фильтра ...............122
3.6.2.
Энергетические фильтры и их особенности ....................125
3.6.3.
Методика анализа с энергетической фильтрацией
электронов и ее применение ..............................................130
Литература ...............................................................................................140
Глава 4. Энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия .....................143
4.1.
Эмиссия характеристического рентгеновского излучения ......143
4.2.
Рентгеновские детекторы и принцип их действия ....................147
4.2.1.
Детекторы с бериллиевым окном ......................................148
4.2.2.
Детекторы с ультратонким окном .....................................148
4.3.
Методика анализа с помощью энергодисперсионного
рентгеновского спектрометра .....................................................151
4.3.1.
Детектирование рентгеновского излучения ......................151
4.3.2.
Пространственное разрешение ...........................................152
4.3.3.
Отношение пик/фон ...........................................................152
4.3.4.
Метод картирования элементного состава ........................153
4.3.5.
Предел обнаружения энергодисперсионного
рентгеновского спектрометра .............................................155
4.4.
Количественный анализ ...............................................................156
4.4.1.
kDфактор ...............................................................................156
4.4.2.
Практика количественного анализа ..................................157
4.5.
Особенности количественного анализа ......................................159
4.5.1.
Поглощение рентгеновского излучения образцом ............159
4.5.2.
Статистическая погрешность .............................................161
4.5.3.
Вторичный пик, суммарный пик и другие .............................161
4.5.4.
Особенности анализа кристаллических образцов .............162
4.6.
Метод ALCHEMI .........................................................................166
4.6.1.
Принцип метода ALCHEMI ...............................................166
4.6.2.
Определение коэффициента заполнения узлов
решетки примесью замещения методом ALCHEMI ........171
4.6.3.
Погрешность метода ALCHEMI и особенности
его применения ....................................................................175
Приложение .............................................................................................177
Литература ...............................................................................................179
Глава 5. Приставки к электронным микроскопам для различных
аналитических методов................................................................................181
5.1.
Электронная дифракция .............................................................181
5.1.1.
Электронная дифракция в нанопучке ..............................181
5.1.2.
Электронная дифракция в сходящемся пучке .................183
5.2.
Лоренцева микроскопия...............................................................193
5.2.1.
Принципы лоренцевой микроскопии ...............................195
5.2.2.
Метод Френеля (метод дефокусировки) ...........................196
5.2.3.
Метод Фуко (метод полной фокусировки) .......................200
5.3.
Электронная голография .............................................................203
5.3.1.
Принципы электронной голографии ................................203
5.3.2.
Практика электронной голографии ..................................208
5.4.
Растровая электронная микроскопия.........................................219
5.4.1.
Принципы растровой электронной микроскопии
и ее применение ..................................................................219
5.4.2.
Темнопольная просвечивающая растровая электронная
микроскопия с регистрацией высокоугловых
рассеянных электронов .......................................................224
5.5.
Методы пробоподготовки ............................................................227
5.5.1.
Метод дробления .................................................................227
5.5.2.
Электрополировка ..............................................................228
5.5.3.
Химическое травление .......................................................229
5.5.4.
Ультрамикротомия ..............................................................230
5.5.5.
Ионное травление ...............................................................232
5.5.6.
Метод ионного травления фокусированным
ионным пучком ....................................................................233
5.5.7.
Вакуумное напыление ........................................................234
5.5.8.
Наблюдение образцов ..........................................................235
Литература ...............................................................................................236
Приложения ...............................................................................................239
Приложение А: Физические константы, коэффициенты
пересчета, длины волн электронов ..............................................239
Приложение В: Значения энергии связи электронов и энергии
характеристического рентгеновского излучения ......................241
Приложение С: Вакуумная система электронного микроскопа .......247
рентгеновского излучения
образца YBа2Сu3Oy
Интенсивность
Энергия (кэВ)
Глава 1. Основные принципы аналитической электронной микроскопии
Хотя в обычной EELS-системе, как правило, можно наблюдать
спектр потери энергии электронов в диапазоне энергии от 0 до ~2 кэВ,
на рис. 1.7а показана только часть спектра в диапазоне энергии от
500 до 900 эВ. На большом уровне фона можно увидеть небольшие
пики К#края кислорода, M4,5-края бария и L2,3#края меди.
С другой стороны, на рис. 1.7б показаны три спектра потерь энергии в диапазоне энергии 520–570 эВ на K-крае кислорода, наблюдаемых при различных температурах.
Тогда как содержание кислорода падает с ростом температуры,
в результате чего снижается концентрация дырок, следствием такого снижения концентрации дырок является соответственное уменьшение пика потерь энергии при 528 эВ. Таким образом, видно, что
метод СХПЭЭ не только позволяет получать информацию об элементном составе, но также дает информацию относительно электронных состояний, особенно о плотности незанятых состояний (см.
раздел 3.5.3.2). Однако с помощью анализа рентгеновских спектров
в диапазоне энергии 0–10 кэВ (возможно получение спектров вплоть
до энергии 20 кэВ) можно легко получить информацию об элементном составе благодаря низкому уровню спектрального фона рентгеновских спектров.
1.2.2. Аналитическая электронная микроскопия
и методы характеризации материалов
Представленные в данной книге аналитические методы (например,
СХПЭЭ и ЭДС) и получаемая при их использовании информация показаны в табл. 1.1. Рабочие характеристики аналитических электронных микроскопов также можно найти в табл. 1.1. И напротив, в табл. 1.2
информация, необходимая для характеризации материалов, внесена в
список сначала, а в правой колонке представлены аналитические
методы, которые могут использоваться для такой характеризации. Таким образом отмечено, что методы, необходимые для получения определенной информации о материалах, не ограничиваются только одним из них, но для получения подобной информации, как правило, в
распоряжении имеются несколько методов. Например, если необходима информация о составе, то можно использовать методы ЭДС,
СХПЭЭ и метод получения изображения в Z-контрасте. Однако необходимо отметить, что экспериментальные условия и точность каждого
метода отличаются друг от друга. Также при использовании какоголибо определенного метода (например, СХПЭЭ) его точность изменяется в зависимости от элементов и состава. Таким образом,
1.2. Неупругое рассеяние электронов 29
Таблица 1.1. Аналитические методы и получаемая с их помощью
информация
Возможные аналитические методы
ЭДС (см. раздел 4.3), СХПЭЭ (см. раздел 3.3),
ВРЭМ [1], Z&контраст (см. раздел 5.4.2)
СХПЭЭ (см. раздел 3.5.3.2)
Дифракция в сходящемся пучке (CBED)
(см. раздел 5.1.2), СХПЭЭ (см. раздел 3.5.2),
голография (см. раздел 5.3)
Электронная дифракция (см. раздел 5.1)
РЭМ(см. раздел 5.4.1), ВРЭМ [1]
ВРЭМ [I], электронная дифракция (см. раздел 5.3),
ЭДС (см. раздел 4.6)
ВРЭМ, светлопольный контраст (BF), темнопольный контраст
(DF), метод слабых пучков (WB) [1]
Лоренцева электронная микроскопия (см. раздел 5.2),
голография (см. раздел 5.3)
Необходимая информация
Состав
Электронная структура
Толщина
Кристаллическая ориентация
Морфология поверхности
Расположение
атомов
Дефекты
кристаллической решетки
Магнитная структура
Аналитические методы
Спектроскопия характеристических
потерь энергии электронов (СХПЭЭ
или EELS) (см. гл. 3)
Рентгентовская энергодисперсионная
спектроскопия (ЭДС) (см. гл. 3)
Высокоразрешающая электронная
микроскопия (ВРЭМ или HREM) [1]
Электронная дифракция (ЭД)
(см. раздел 5.1)
Лоренцева электронная микроскопия
(см. раздел 5.2)
Электронная голография
(см. раздел 5.3)
Растровая электронная микроскопия (РЭМ)
(см. раздел 5.4.1)
Метод Z&контраста – (см. раздел 5.4.2)
Получаемая информация
Электронная структура, состав,
толщина образца
Состав, положение примесных атомов,
толщина образца
Расположение атомов, дефекты
кристаллической решетки, морфология
поверхности
Кристаллическая структура, кристаллическая
ориентация, толщина образца
Магнитная структура
Магнитная структура, толщина образца,
внутренний потенциал
Морфология поверхности
Состав, расположение атомов
Таблица 1.2. Необходимая информация и аналитические методы,
которые следует использовать для ее получения
BF – метод светлопольного контраста; DF – метод темнопольного контраста;
WB – метод слабых пучков; CBED – дифракция в сходящемся пучке; ED – элект#
ронная дифракция.
Oikava 01.P65 29 11.05.2006, 1:46
Black
30 Глава 1. Основные принципы аналитической электронной микроскопии
для выбора соответствующего метода характеризации материала
необходимо понимание принципов данного метода (см. разделы,
указанные в круглых скобках в табл. 1.2).
На практике, как правило, для анализа самых современных материалов полезно пользоваться не одним каким#либо методом, а комбинацией взаимодополняющих методов. На рис. 1.9 [11] представлены как картины электронной дифракции высокотемпературных
сверхпроводников на основе Bi, так и рентгеновские энергодисперсионные спектры, полученные на одном и том же участке образца.
На картинах электронной дифракции (электронограммах), показанных на рис. 1.9 (А, В), можно наблюдать полоски вдоль оси с*,
указывающие на несовершенство упаковки в направлении, параллельном с плоскости. При сравнении пиков характеристического
рентгеновского излучения от этих участков с рентгеновскими спектрами, полученными на участках С и D, можно сделать вывод, что отношение концентраций на участках А и В является малым, другими словами, концентрация Cu возрастает с увеличением концентрации дефектов упаковки. Для прояснения ситуации проводилось
наблюдение кристаллической решетки в области, в которой на электронограммах наблюдались сильно выраженные полоски, как показано на рис. 1.10. Здесь светлые полоски соответствуют плоскостям
Cu#O, а темные полоски слоям, содержащим тяжелый элемент Bi.
Числа на рис. 1.10 показывают количество последовательных слоев
Cu#O и видно, что на некоторых участках имеет место хорошая упаковка трех или четырех слоев Cu#O. Таким образом, на данном образце имеет место изменение состава от одного места до другого
в результате неправильной упаковки слоев Cu-O. В вышеописанном
анализе в дополнение к исследованию методом электронной дифракции способ упаковки на данном в локальном участке можно было бы
проанализировать методом анализа прямого изображения кристаллической решетки, а элементный состав мог бы быть оценен с помощью рентгеновского энергодисперсионного микроанализа.
Таким образом, для исследования структурных характеристик материала важным является использование комбинации различных аналитических методов. В недавно разработанных аналитических электронных микроскопах, оборудованных электронными пушками с полевой эмиссией электронов, можно выполнять анализ с помощью
нанозонда, также можно анализировать элементный состав в областях размером менее 1 нм и получать карты распределения элементов
с разрешением менее 1 нм (см. рис. 4.8).
Рис. 1.9. Картины электронной дифракции и рентгеновские спектры высокотемпературного сверхпроводника на основе
соединения висмута
Рис. 1.10. Изображение: а) кристаллической решетки и б) картины электронной дифракции высокотемпературного
сверхроводника на основе соединения висмута; в) увеличенное изображение участка внутри рамки, показанной на рис. 1.10а
Интенсивность
кэВ кэВ кэВ кэВ
1.2. Неупругое рассеяние электронов ...
а
б в
32 Глава 1. Основные принципы аналитической электронной микроскопии
1.3. Просвечивающий электронный микроскоп
с компьютерным управлением
и управление данными анализа
В настоящее время в целях дальнейшего повышения рабочих характеристик электронных микроскопов в их состав широко внедряются блоки центрального процессора (ЦПУ). Например, в ЦПУ
записывается значения токов линз в различных линзовых системах (см. раздел 2.1), которые можно как менять, так и восстанавливать их оптимальные либо начальные значения. Также с исполь#
зованием ЦПУ можно пользоваться такими функциями, как функция автоматической фокусировки либо функция автоматической
коррекции астигматизма. Кроме того, можно использовать систему минимизации дозы (MDS), с помощью которой можно задавать участок образца, фокусировать и производить систематическое фотографирование изображения при минимальной дозе облучения, чем уменьшаются радиационно-стимулированные
повреждения образца.
На рис. 1.11 показана блок-схема просвечивающего электронного микроскопа и периферийных аналитических приставок. Можно видеть, что блок центрального процессора не только применяется в самом просвечивающем микроскопе, но также используется для управления периферийными аналитическими приставками
и данными анализа. Например, в дополнение к системам СХПЭЭ
и ЭДС персональный компьютер (ПК) и рабочая станция (РС) управляют детектором вторичных электронов детектором обратноотраженных электронов и детектором световых квантов, излучаемых в результате катодолюминесценции. Как правило, данные
сначала записываются в оперативную память (RAM), а затем сохраняются на компакт#диске (CD) либо магнито-оптическом диске (MO). Некоторые данные распечатываются на принтере. Поскольку изображение в электронном микроскопе и картины электронной
дифракции (электронограммы) получают в цифровом виде
посредством их регистрации с помощью цифровой камеры с медленной
разверткой, а также с помощью системы записи на цифровые
фотопластинки (IP или Imaging Plate), то обработка и анализ данных,
получаемых с помощью аналитического электронного микроскопа,
вместе с электронными микрофотографиями и картинами электронной
дифракции выполняется в персональном компьютере, или в рабочей
станции, или в обоих компьютерах одновременно либо полученные
данные передаются по локальной сети в другие удаленные компьютеры для их последующей обработки.
Для анализа полученных цифровых данных в настоящее время
существует программное обеспечение для обработки данных в реальном времени либо после их накопления (в режиме off-line).
Кроме того, с использованием сети «Интернет» были созданы различные базы данных изображений, полученных с помощью электронного микроскопа [12, 13].
1.3. Электронный микроскоп с компьютерным управлением и...
Рис. 1.11. Аналитический электронный микроскоп и его периферийное оборудование. CRT – электронно-лучевой дисплей, SS-CCD – цифровая ПЗС-камера медленной развертки, ЦП – центральный процессор, TED – детектор
прошедших через образец электронов
анализаторы СХПЭЭ и ЭДС
система наблюдения
изображений в
растровом режиме
оперативная
память
жесткий диск
флоппи&диск
принтер
клавиатура
монитор в стойке
управления
локальная
сеть
система внешнего компьютера
ЦП ЦП
процессор
видеосигнала
система
управления
телекамерой
видеомаг&
нитофон
телевизи&
онный
монитор
просвечивающий
электронный микроскоп
телекамера
картина
электронной
дифракции
образец
ЦП
апертурная диафрагма
объективной линзы
копии
Литература
1. Shindo D. Hiraga K (1998) High#resolution elec-tron microscopy for materials science.
Springer, Tokyo
2. Wentzel G (1927) Zwei Bemerkunger Liber die Zer#streuung Korpuskularcr Strahlen als
Bcugungser#scheinung. Z Physik 40:590
3. Mott NF, Massey HWW (1965) The theory of atomic collision. Oxford University Press,
Oxford
4. Cosslett VE, Thomas RN (1964) Multiple scattering of 5#30 keV electrons in evaporated
metal films. I. Total transmission and angular distribution. Br J Appi Phys 15:883
5. McKinley WA, Freshbach H (1948) The Coulomb scattering of relativistic electrons by
nuclei. Phys Rev 74:1759
6. Powell CJ (1976) Cross sections for ionization of inner#shell electrons by electrons. Rev
Mod Phys 48:33
7. Powelt CJ (1976) Use of Monte Carlo calculations. National Bureau of Standards Special
Publication 460. NBS, Washington, DC, p. 97
8. Goldstein JI, Costley JL, Lorimer GW, Reed SJB (1977) Quantitative X#ray analysis in
the electron microscope. В сборнике: Johari O (ed) Proceed-ings of the workshop on
analytical electron microscopy, scanning electron microscopy, Chicago, vol. 1, p. 315
9. Lee C W, Kidu S, Oikawa T, Shindo D (2001) Estimation of electron beam broadening in
specimen for analytical electron microscopy. В сборнике: Proceedings Microscopy and
Microanalysis, Long Beach, California, vol 7. Springer, New York, p204
10. Shindo D, Hiraga K, Hirabayashi M, Kikuchi M, Syono Y, Furuno S, Hojou K, Soga T,
Otsu H (1989) In situ observation of oxygen K#edge tine struc-ture of YBa2Cu3O7#y by
EELS. J Electron Microsc 38:155
11. Shindo D, Hiraga K, Hirabayashi M, Kobayashi N, Kikuchi M, Kusaba K, Syono Y, Muto
Y (1988) Analytical electron microscopic study of high#Tс superconductor Bi#Ca#Sr#Cu#
O. Jpn J. Appl. Phys. 27:L2048
12.Taniyama A, Shindo D, Hiraga K, Oikawa T, Kersker M (1997) Database of electron
microscope images on the World Wide Web. In: Proceedings Microscopy and
Microanalysis, Cleveland. Springer, New York, p. 1105
13. Shindo D, Ikematsu Y, Lim S#H, Yonenaga I (2000) Digital electron microscopy on
advanced materials. Mater Characterization 44:375
Oikava 01.P65 34 11.05.2006, 1:46
Black
образца YBа2Сu3Oy
Интенсивность
Энергия (кэВ)
Глава 1. Основные принципы аналитической электронной микроскопии
Хотя в обычной EELS-системе, как правило, можно наблюдать
спектр потери энергии электронов в диапазоне энергии от 0 до ~2 кэВ,
на рис. 1.7а показана только часть спектра в диапазоне энергии от
500 до 900 эВ. На большом уровне фона можно увидеть небольшие
пики К#края кислорода, M4,5-края бария и L2,3#края меди.
С другой стороны, на рис. 1.7б показаны три спектра потерь энергии в диапазоне энергии 520–570 эВ на K-крае кислорода, наблюдаемых при различных температурах.
Тогда как содержание кислорода падает с ростом температуры,
в результате чего снижается концентрация дырок, следствием такого снижения концентрации дырок является соответственное уменьшение пика потерь энергии при 528 эВ. Таким образом, видно, что
метод СХПЭЭ не только позволяет получать информацию об элементном составе, но также дает информацию относительно электронных состояний, особенно о плотности незанятых состояний (см.
раздел 3.5.3.2). Однако с помощью анализа рентгеновских спектров
в диапазоне энергии 0–10 кэВ (возможно получение спектров вплоть
до энергии 20 кэВ) можно легко получить информацию об элементном составе благодаря низкому уровню спектрального фона рентгеновских спектров.
1.2.2. Аналитическая электронная микроскопия
и методы характеризации материалов
Представленные в данной книге аналитические методы (например,
СХПЭЭ и ЭДС) и получаемая при их использовании информация показаны в табл. 1.1. Рабочие характеристики аналитических электронных микроскопов также можно найти в табл. 1.1. И напротив, в табл. 1.2
информация, необходимая для характеризации материалов, внесена в
список сначала, а в правой колонке представлены аналитические
методы, которые могут использоваться для такой характеризации. Таким образом отмечено, что методы, необходимые для получения определенной информации о материалах, не ограничиваются только одним из них, но для получения подобной информации, как правило, в
распоряжении имеются несколько методов. Например, если необходима информация о составе, то можно использовать методы ЭДС,
СХПЭЭ и метод получения изображения в Z-контрасте. Однако необходимо отметить, что экспериментальные условия и точность каждого
метода отличаются друг от друга. Также при использовании какоголибо определенного метода (например, СХПЭЭ) его точность изменяется в зависимости от элементов и состава. Таким образом,
1.2. Неупругое рассеяние электронов 29
Таблица 1.1. Аналитические методы и получаемая с их помощью
информация
Возможные аналитические методы
ЭДС (см. раздел 4.3), СХПЭЭ (см. раздел 3.3),
ВРЭМ [1], Z&контраст (см. раздел 5.4.2)
СХПЭЭ (см. раздел 3.5.3.2)
Дифракция в сходящемся пучке (CBED)
(см. раздел 5.1.2), СХПЭЭ (см. раздел 3.5.2),
голография (см. раздел 5.3)
Электронная дифракция (см. раздел 5.1)
РЭМ(см. раздел 5.4.1), ВРЭМ [1]
ВРЭМ [I], электронная дифракция (см. раздел 5.3),
ЭДС (см. раздел 4.6)
ВРЭМ, светлопольный контраст (BF), темнопольный контраст
(DF), метод слабых пучков (WB) [1]
Лоренцева электронная микроскопия (см. раздел 5.2),
голография (см. раздел 5.3)
Необходимая информация
Состав
Электронная структура
Толщина
Кристаллическая ориентация
Морфология поверхности
Расположение
атомов
Дефекты
кристаллической решетки
Магнитная структура
Аналитические методы
Спектроскопия характеристических
потерь энергии электронов (СХПЭЭ
или EELS) (см. гл. 3)
Рентгентовская энергодисперсионная
спектроскопия (ЭДС) (см. гл. 3)
Высокоразрешающая электронная
микроскопия (ВРЭМ или HREM) [1]
Электронная дифракция (ЭД)
(см. раздел 5.1)
Лоренцева электронная микроскопия
(см. раздел 5.2)
Электронная голография
(см. раздел 5.3)
Растровая электронная микроскопия (РЭМ)
(см. раздел 5.4.1)
Метод Z&контраста – (см. раздел 5.4.2)
Получаемая информация
Электронная структура, состав,
толщина образца
Состав, положение примесных атомов,
толщина образца
Расположение атомов, дефекты
кристаллической решетки, морфология
поверхности
Кристаллическая структура, кристаллическая
ориентация, толщина образца
Магнитная структура
Магнитная структура, толщина образца,
внутренний потенциал
Морфология поверхности
Состав, расположение атомов
Таблица 1.2. Необходимая информация и аналитические методы,
которые следует использовать для ее получения
BF – метод светлопольного контраста; DF – метод темнопольного контраста;
WB – метод слабых пучков; CBED – дифракция в сходящемся пучке; ED – элект#
ронная дифракция.
Oikava 01.P65 29 11.05.2006, 1:46
Black
30 Глава 1. Основные принципы аналитической электронной микроскопии
для выбора соответствующего метода характеризации материала
необходимо понимание принципов данного метода (см. разделы,
указанные в круглых скобках в табл. 1.2).
На практике, как правило, для анализа самых современных материалов полезно пользоваться не одним каким#либо методом, а комбинацией взаимодополняющих методов. На рис. 1.9 [11] представлены как картины электронной дифракции высокотемпературных
сверхпроводников на основе Bi, так и рентгеновские энергодисперсионные спектры, полученные на одном и том же участке образца.
На картинах электронной дифракции (электронограммах), показанных на рис. 1.9 (А, В), можно наблюдать полоски вдоль оси с*,
указывающие на несовершенство упаковки в направлении, параллельном с плоскости. При сравнении пиков характеристического
рентгеновского излучения от этих участков с рентгеновскими спектрами, полученными на участках С и D, можно сделать вывод, что отношение концентраций на участках А и В является малым, другими словами, концентрация Cu возрастает с увеличением концентрации дефектов упаковки. Для прояснения ситуации проводилось
наблюдение кристаллической решетки в области, в которой на электронограммах наблюдались сильно выраженные полоски, как показано на рис. 1.10. Здесь светлые полоски соответствуют плоскостям
Cu#O, а темные полоски слоям, содержащим тяжелый элемент Bi.
Числа на рис. 1.10 показывают количество последовательных слоев
Cu#O и видно, что на некоторых участках имеет место хорошая упаковка трех или четырех слоев Cu#O. Таким образом, на данном образце имеет место изменение состава от одного места до другого
в результате неправильной упаковки слоев Cu-O. В вышеописанном
анализе в дополнение к исследованию методом электронной дифракции способ упаковки на данном в локальном участке можно было бы
проанализировать методом анализа прямого изображения кристаллической решетки, а элементный состав мог бы быть оценен с помощью рентгеновского энергодисперсионного микроанализа.
Таким образом, для исследования структурных характеристик материала важным является использование комбинации различных аналитических методов. В недавно разработанных аналитических электронных микроскопах, оборудованных электронными пушками с полевой эмиссией электронов, можно выполнять анализ с помощью
нанозонда, также можно анализировать элементный состав в областях размером менее 1 нм и получать карты распределения элементов
с разрешением менее 1 нм (см. рис. 4.8).
Рис. 1.9. Картины электронной дифракции и рентгеновские спектры высокотемпературного сверхпроводника на основе
соединения висмута
Рис. 1.10. Изображение: а) кристаллической решетки и б) картины электронной дифракции высокотемпературного
сверхроводника на основе соединения висмута; в) увеличенное изображение участка внутри рамки, показанной на рис. 1.10а
Интенсивность
кэВ кэВ кэВ кэВ
1.2. Неупругое рассеяние электронов ...
а
б в
32 Глава 1. Основные принципы аналитической электронной микроскопии
1.3. Просвечивающий электронный микроскоп
с компьютерным управлением
и управление данными анализа
В настоящее время в целях дальнейшего повышения рабочих характеристик электронных микроскопов в их состав широко внедряются блоки центрального процессора (ЦПУ). Например, в ЦПУ
записывается значения токов линз в различных линзовых системах (см. раздел 2.1), которые можно как менять, так и восстанавливать их оптимальные либо начальные значения. Также с исполь#
зованием ЦПУ можно пользоваться такими функциями, как функция автоматической фокусировки либо функция автоматической
коррекции астигматизма. Кроме того, можно использовать систему минимизации дозы (MDS), с помощью которой можно задавать участок образца, фокусировать и производить систематическое фотографирование изображения при минимальной дозе облучения, чем уменьшаются радиационно-стимулированные
повреждения образца.
На рис. 1.11 показана блок-схема просвечивающего электронного микроскопа и периферийных аналитических приставок. Можно видеть, что блок центрального процессора не только применяется в самом просвечивающем микроскопе, но также используется для управления периферийными аналитическими приставками
и данными анализа. Например, в дополнение к системам СХПЭЭ
и ЭДС персональный компьютер (ПК) и рабочая станция (РС) управляют детектором вторичных электронов детектором обратноотраженных электронов и детектором световых квантов, излучаемых в результате катодолюминесценции. Как правило, данные
сначала записываются в оперативную память (RAM), а затем сохраняются на компакт#диске (CD) либо магнито-оптическом диске (MO). Некоторые данные распечатываются на принтере. Поскольку изображение в электронном микроскопе и картины электронной
дифракции (электронограммы) получают в цифровом виде
посредством их регистрации с помощью цифровой камеры с медленной
разверткой, а также с помощью системы записи на цифровые
фотопластинки (IP или Imaging Plate), то обработка и анализ данных,
получаемых с помощью аналитического электронного микроскопа,
вместе с электронными микрофотографиями и картинами электронной
дифракции выполняется в персональном компьютере, или в рабочей
станции, или в обоих компьютерах одновременно либо полученные
данные передаются по локальной сети в другие удаленные компьютеры для их последующей обработки.
Для анализа полученных цифровых данных в настоящее время
существует программное обеспечение для обработки данных в реальном времени либо после их накопления (в режиме off-line).
Кроме того, с использованием сети «Интернет» были созданы различные базы данных изображений, полученных с помощью электронного микроскопа [12, 13].
1.3. Электронный микроскоп с компьютерным управлением и...
Рис. 1.11. Аналитический электронный микроскоп и его периферийное оборудование. CRT – электронно-лучевой дисплей, SS-CCD – цифровая ПЗС-камера медленной развертки, ЦП – центральный процессор, TED – детектор
прошедших через образец электронов
анализаторы СХПЭЭ и ЭДС
система наблюдения
изображений в
растровом режиме
оперативная
память
жесткий диск
флоппи&диск
принтер
клавиатура
монитор в стойке
управления
локальная
сеть
система внешнего компьютера
ЦП ЦП
процессор
видеосигнала
система
управления
телекамерой
видеомаг&
нитофон
телевизи&
онный
монитор
просвечивающий
электронный микроскоп
телекамера
картина
электронной
дифракции
образец
ЦП
апертурная диафрагма
объективной линзы
копии
Литература
1. Shindo D. Hiraga K (1998) High#resolution elec-tron microscopy for materials science.
Springer, Tokyo
2. Wentzel G (1927) Zwei Bemerkunger Liber die Zer#streuung Korpuskularcr Strahlen als
Bcugungser#scheinung. Z Physik 40:590
3. Mott NF, Massey HWW (1965) The theory of atomic collision. Oxford University Press,
Oxford
4. Cosslett VE, Thomas RN (1964) Multiple scattering of 5#30 keV electrons in evaporated
metal films. I. Total transmission and angular distribution. Br J Appi Phys 15:883
5. McKinley WA, Freshbach H (1948) The Coulomb scattering of relativistic electrons by
nuclei. Phys Rev 74:1759
6. Powell CJ (1976) Cross sections for ionization of inner#shell electrons by electrons. Rev
Mod Phys 48:33
7. Powelt CJ (1976) Use of Monte Carlo calculations. National Bureau of Standards Special
Publication 460. NBS, Washington, DC, p. 97
8. Goldstein JI, Costley JL, Lorimer GW, Reed SJB (1977) Quantitative X#ray analysis in
the electron microscope. В сборнике: Johari O (ed) Proceed-ings of the workshop on
analytical electron microscopy, scanning electron microscopy, Chicago, vol. 1, p. 315
9. Lee C W, Kidu S, Oikawa T, Shindo D (2001) Estimation of electron beam broadening in
specimen for analytical electron microscopy. В сборнике: Proceedings Microscopy and
Microanalysis, Long Beach, California, vol 7. Springer, New York, p204
10. Shindo D, Hiraga K, Hirabayashi M, Kikuchi M, Syono Y, Furuno S, Hojou K, Soga T,
Otsu H (1989) In situ observation of oxygen K#edge tine struc-ture of YBa2Cu3O7#y by
EELS. J Electron Microsc 38:155
11. Shindo D, Hiraga K, Hirabayashi M, Kobayashi N, Kikuchi M, Kusaba K, Syono Y, Muto
Y (1988) Analytical electron microscopic study of high#Tс superconductor Bi#Ca#Sr#Cu#
O. Jpn J. Appl. Phys. 27:L2048
12.Taniyama A, Shindo D, Hiraga K, Oikawa T, Kersker M (1997) Database of electron
microscope images on the World Wide Web. In: Proceedings Microscopy and
Microanalysis, Cleveland. Springer, New York, p. 1105
13. Shindo D, Ikematsu Y, Lim S#H, Yonenaga I (2000) Digital electron microscopy on
advanced materials. Mater Characterization 44:375
Oikava 01.P65 34 11.05.2006, 1:46
Black