Просвечивающая электронная микроскопия

Самой важной приставкой электронного микроскопа можно считать микродифракционное устройство для электронографических исследований какого-либо определенного участка объекта, представляющего особый интерес. Причем микродифракционную картину на современных микроскопах получают без переделки прибора. Дифракционная картина состоит из серии либо колец, либо пятен. Если в объекте многие плоскости ориентированы благоприятным для дифракции образом, то изображение состоит из сфокусированных пятен. Если электронный луч попадает сразу на несколько зерен беспорядочно ориентированного поликристалла, дифракция создается многочисленными плоскостями, образуется картина из дифракционных колец. По местоположению колец или пятен можно установить структуру вещества (например, нитрид или карбид), его химический состав, ориентацию кристаллографических плоскостей и расстояние между ними.

2.1 Источники электронов

Обычно используются четыре типа источников электронов: вольфрамовые V-образные катоды, вольфрамовые точечные (острийные) катоды, источники из гексаборида лантана и автоэлектронные источники. В данной главе кратко рассматриваются преимущества каждого вида источника электронов для просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения и их

характеристики. К источникам электронов, используемым в электронной  микроскопии высокого разрешения, предъявляются  следующие основные требования:

1. Высокая яркость (плотность  тока на единицу телесного  угла). Выполнение этого требования  существенно для экспериментов  при получении изображений высокого  разрешения с фазовым контрастом, когда необходимо сочетать малую  апертуру освещения с достаточной  величиной плотности тока, что  дает возможность точно фокусировать  изображение при большом увеличении.

2. Высокая эффективность  использования электронов (отношение  яркости к полной величине  тока первичного пучка электронов), которая достигается за счет  малого размера источника. Уменьшение  освещаемой области образца снижает  его нагревание и тепловой  дрейф в процессе экспозиции.

3. Большое время жизни  при имеющемся вакууме.

4. Стабильная эмиссия  при длительной (до минуты) экспозиции, характерной в микроскопии высокого  разрешения.

Идеальной системой освещения  для обычного просвечивающего микроскопа высокого разрешения была бы система, позволяющая оператору независимо контролировать размер освещаемой области  образца, интенсивность освещения  и когерентность пучка. Такие  возможности достигаются только при работе с автоэлектронным  источником. Однако для большинства  лабораторий использование вольфрамового  точечного катода является наилучшим  компромиссом, приемлемым как по стоимости, так и по рабочим характеристикам  для просвечивающей микроскопии  высокого разрешения. В настоящее  время рассматривается также  возможность использования источников из гексаборида лантана. Перспективным является также катод, нагреваемый лучом лазера, яркость которого, как сообщается, в 3000 раз превосходит яркость V-образного катода при эффективном диаметре источника порядка 10 нм. Эти катоды работают при умеренном вакууме (10-4 Тор).

2.2.  Система освещения

Образец

Рисунок 6 – Осветительная  система современного электронного микроскопа

Система имеет две конденсорные линзы С1 (сильная линза) и С2 (слабая линза). F – катод; W – цилиндр Вепельта; S – мнимый источник электронов, S' и S" – его изображения; СА2 – вторая конденсорная диафрагма. Расстояния U1, U2, V1, V2 являются электронно-оптическими параметрами, тогда как расстояния D1, D2, D3 легко измеряются в колонне микроскопа. [4].

На рис. 6 представлены две  конденсорные линзы, входящие в систему освещения электронного микроскопа. Обычно можно осуществить независимое изменение фокусного расстояния этих линз (С1 и С2). Возбуждение первой конденсорной линзы изменяют с помощью регулировочной ручки, называемой иногда "размер пятна". Обычно выбирается такое возбуждение, при котором плоскости S, S' и поверхность образца являются сопряженными, т. е. чтобы сфокусированное изображение источника формировалось на образце (сфокусированное освещение).

Для V-образного катода размер источника приблизительно равен 30 мкм. Для предотвращения нежелательного нагрева и радиационного повреждения  образца на нем нужно сформировать уменьшенное изображение источника. Рабочее расстояние D3 также должно быть достаточно большим, чтобы имелась  возможность перемещения объектодержателя при смене образца. При использовании одной конденсорной линзы трудно удовлетворить этим противоречивым требованиям – малое увеличение при большом расстоянии D3 – так как для этого необходимо, чтобы расстояние D1 было чрезмерно большим. Поэтому обычно используется сильная первая конденсорная линза С1, служащая для уменьшения изображения источника в 5 – 100 раз, а следующая за первой вторая слабая линза С2 с увеличением около 3 обеспечивает большое рабочее расстояние,

2.3 Коррекция астигматизма

Регулировка стигматора объективной линзы весьма критична для обеспечения высокого разрешения. В некоторых приборах астигматизм регулируется как по направлению, так и по силе, в то время как в других предусмотрена регулировка силы астигматизма в двух фиксированных ортогональных направлениях. Прежде всего следует грубо скорректировать астигматизм с помощью стигматора до получения симметричности кольца Френеля. При работе с высоким разрешением необходимо возможно более точно скорректировать астигматизм, что можно сделать по изображению структуры тонкой аморфной угольной пленки при большом увеличении. Для тщательной корректировки астигматизма на деталях такого изображения размером 0,3 нм необходимы увеличение микроскопа по крайней мере 400 000-кратное и оптический бинокуляр х10. С помощью ручек изменения фокуса и стигма-тора добейтесь минимального контраста, что достигается при использовании ручек наиболее тонкой регулировки. При недофокусировке объектива в несколько десятков нанометров должна быть видна однородная зернистая структура угольной пленки без анизатропии в каком-либо преимущественном направлении. Это – трудная процедура, требующая значительных навыков. Оптическая дифрактограмма позволяет наиболее быстро проверить правильность коррекции астигматизма, и ее использование особенно важно при освоении процедуры корректировки астигматизма. Важны следующие моменты:

1. Глаза должны полностью  адаптироваться к темноте. Для  этого необходимо провести по крайней мере 20 мин в темноте.

2. Положение и чистота  находящихся в поле линзы объективной диафрагмы и охлаждаемой диафрагмы критически влияют на требуемую установку стигматора. Никогда не трогайте ни ту, ни другую диафрагму после корректировки астигматизма до фотографирования изображения. Самое важное, что астигматизм не меняется во времени и его можно скорректировать. Небольшие загрязнения объективной диафрагмы не создают помех, которые нельзя скорректировать с помощью стигматора. Грязная диафрагма, создающая флуктуации поля, является более серьезной помехой. Проверяйте степень загрязнения диафрагмы объектива, смещая ее во время наблюдения изображения. При небольших смещениях диафрагмы не должно наблюдаться сильное ухудшение астигматизма. Чистоту отверстия охлаждаемой диафрагмы можно проверить при том увеличении, при котором она ограничивает поле зрения. Проверку производят небольшим перемещением охлаждаемой диафрагмы, если это возможно, проводя наблюдение при малом увеличении.

3. Ток коррекции астигматизма  изменяется в зависимости от  типа используемого объектодержателя, ускоряющего напряжения и тока возбуждения объективной линзы. Последний слегка зависит от увеличения, возможно, из-за магнитного взаимодействия линз.

4. Часто встречающейся  причиной сильного астигматизма  является присутствие кусочка  от расколовшегося или частично  испарившегося образца в полюсном  наконечнике объектива.

5. Нет смысла корректировать  астигматизм до тех пор, пока  охлаждаемая диафрагма не достигнет  температуры жидкого азота и  пока резервуар охлаждаемой диафрагмы  приходится периодически доливать  жидким азотом (лучше с помощью  насоса). Астигматизм также быстро  появляется, как только жидкий  азот испаряется из резервуара, приводя к перемещению диафрагмы  по мере ее нагрева. На стабилизацию  температуры диафрагмы может  потребоваться по крайней мере полчаса с момента начала заполнения резервуара.

О чувствительности изображений  высокого разрешения к астигматизму можно судить, проводя наблюдение плоскостей графитизированного углерода в светлом поле с ненаклоненным освещением и при этом регулируя стигматор. Чтобы получить изображения плоскостей решетки, расположенных во всевозможных направлениях, нужно точно скомпенсировать астигматизм по двум направлениям. Легче получить изображение плоскостей решетки одного направления, но оно не обеспечивает контроля точной коррекций астигматизма.

Наконец стоит повторить, что астигматизм нужно корректировать после каждого перемещения диафрагмы  объектива.

2.4 Вспомогательное оборудование  для обычной просвечивающей электронной  микроскопии высокого разрешения

Кроме самого микроскопа имеются  различные вспомогательные устройства, дополняющие микроскоп, которые  упоминались ранее в настоящей  книге. В совокупности все они  освещаются в этом параграфе.

1.  Масс-спектрометр или  манометр парциального давления  являются чрезвычайно полезным  дополнением к электронному микроскопу. Масс-спектрометр дает полный  анализ продуктов загрязнения  в микроскопе. В конструкциях  некоторых приборов имеются магниты,  такой прибор следует располагать  с учетом возможного влияния  на электронно-микроскопическое  изображение.

2.  Работая с высоким  разрешением, полезно пользоваться  балонным осушенным азотом. Микроскоп наполняется сухим азотом всякий раз, когда необходим внутренний ремонт для того, чтобы уменьшить количество водяных паров, проникающих в колонну.

3.  Для калибровки увеличения  прибора в условиях изменяющейся  длины фокуса объективной линзы  полезно использовать прибор  для измерения тока объективной  линзы.

4.  Ввиду важности обеспечения  термической стабильности при  фотографировании темнопольных изображений с длительными экспозициями целесообразно иметь насос для перекачки жидкого азота.

5.  Для сдувания с  образца пыли или следов средств,  оставшихся после чистки камеры  пушки микроскопа, всегда полезно  иметь резиновую грушу с соплом.

3. ПРИМЕНЕНИЕ ПРОСВЕЧИВАЮЩЕГО  ЭЛЕКТРОННОГО МИКРОСКОПА

Вряд ли остался какой-либо сектор исследований в области биологии и материаловедения, где бы не применялась просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ); это обеспечено успехами техники приготовления образцов.

Все применяемые в электронной  микроскопии методики нацелены на получение  предельно тонкого образца и  обеспечение максимального контраста  между ним и подложкой, которая  необходима ему в качестве опоры. Основная методика рассчитана на образцы  толщиной 2 – 200 нм, поддерживаемые тонкими  пластмассовыми или углеродными  пленками, которые кладутся на сетку с размером ячейки около 0,05 мм. (Подходящий образец, каким бы способом он ни был получен, обрабатывается так, чтобы увеличить интенсивность рассеяния электронов на исследуемом объекте.) Если контраст достаточно велик, то глаз наблюдателя может без напряжения различить детали, находящиеся на расстоянии 0,1 – 0,2 мм друг от друга. Следовательно, для того, чтобы на изображении, создаваемом электронным микроскопом, были различимы детали, разделенные на образце расстоянием в 1 нм, необходимо полное увеличение порядка 100 – 200 тыс. Лучшие из микроскопов могут создать на фотопластинке изображение образца с таким увеличением, но при этом изображается слишком малый участок. Обычно делают микроснимок с меньшим увеличением, а затем увеличивают его фотографически. Фотопластинка разрешает на длине 10 см около 10 000 линий. Если каждая линия соответствует на образце некой структуре протяженностью 0,5 нм, то для регистрации такой структуры необходимо увеличение не менее 20 000, тогда как при помощи ПЭМ, может быть разрешено около 1000 линий.

3.1 Небиологические материалы

Главной целью электронной  микроскопии высокого разрешения на сегодняшний день является визуализация деталей ультраструктуры несовершенных  кристаллических материалов. В настоящее  время не существует других методов, способных давать такую информацию на атомном уровне разрешения или  на уровне разрешения элементарной ячейки. Детальное понимание структуры  дефектов кристаллов определяет прогресс как в кристаллохимии, так и в области исследования прочности материалов. Используя электронный пучок для управления скоростью протекания химической реакции в кристаллах, можно также почти на атомном уровне изучать движение дефектов при фазовых переходах. Электронная микроскопия высокого разрешения- находит также широкое применение для исследования микроструктуры очень маленьких кристаллов, от которых нельзя получить картину рентгеновской дифракции. В последние годы этот метод широко применяется для исследования минералов и керамических материалов.

Исследования минералов  методом реплик начались несколько  десятков лет назад. Непосредственно  методом просвечивающей электронной  микроскопии первыми были изучены  слюда и глинистые минералы. Среди  первых минералогов, которые использовали электронную микроскопию в своих  исследованиях, можно назвать Риббе, Мак-Коннела и Флита [5]. Большое влияние на развитие электронной микроскопии применительно к минералогии оказали работы Мак-Ларена и Фейки (с 1965 г.) и Ниссена (с 1967 г.); программа их исследований была целиком посвящена электро-микроскопическому исследованию минералов. В 1970 г. работы по исследованию лунных материалов методами ТЭМ способствовали возникновению необыкновенного бума в электронной микроскопии минералов, в который наряду с минералогами были вовлечены материаловеды и физики. Полученные ими в течение пяти лет результаты, оказавшие колоссальное влияние на современную минералогию, показали, что электронная микроскопия является очень мощным инструментом в руках ученого. К настоящему времени новые данные внесли весомый вклад в расшифровку строения полевых шпатов и пироксенов, и почти в каждой группе минералов исследования с помощью электронной микроскопии раскрывают ряд неожиданных свойств.

Электронная микроскопия  применялась также для определения  возраста земных, лунных и метеоритных  пород. При этом было использовано то обстоятельство, что во время радиоактивного распада ядра высвобождаются частицы, проникающие в окружающий материал с высокой скоростью и оставляющие видимый "след" в кристалле. Такие треки можно увидеть с помощью электронного микроскопа, используя его в режимах сканирования или на просвет. Плотность треков распада вокруг радиоактивного включения пропорциональна возрасту кристалла, а их длина является функцией энергии частицы. Длинные треки, указывающие на высокую энергию частиц, были обнаружены вокруг включений витлокита в лунной породе; Хатчеон и Прайс приписали этот необычайно длинный трек распаду элемента 244Ро, который из-за короткого периода полураспада к настоящему времени исчез, но еще мог существовать 4 млрд. лет назад. Треки в материале, взятом с поверхности Луны или из метеоритов (рис. 7) [5], дают информацию об эволюции космической радиации и позволяют сделать выводы о возрасте и составе Вселенной.