Компьютерное моделирование дифракционного контраста

Развитие количественной теории контраста дало возможность компьютеного моделирования электронно-микроскопических изображение сложных структур. Это оказалось особенно полезно для расшифровки реальных сложных контрастов, получаемых от многих и различных дефектов, при этом часто бывает невозможно визуально установить их природу. Анализ осуществляется методом последовательных приближений. Полученное экспериментальное изображение сопоставляется с теоретически предполагаемым, несов­падение корректируется до совпадения изображений, после чего можно быть уверенным в том, что в эксперименте наблюдались те дефекты структуры, которые закладывались в основу компьютерной теоретической модели.

Высоковольтная электронная микроскопия

Появление высоковольтных ПЭМ и напряжением 1-3 мВ позволило существенно увеличить толщину просвечиваемой фольги, максимально приблизить ее структуру к структуре массивного образца, а кроме того удалось наблюдать процессы изменения структура, фазовых превращений, упорядочения и т.д. непосредственно в колонне микроскопа в условиях, аналогичных массивному образцу. При этом выяснилось, чти минимальная толщина фольги, например, для корректного измерения плотности дислокаций в ГЦК металлах около 0,8 мкм, а исследование движения и взаимодействия дислокаций допустимо при толщинах, близких к 3 мкм. Эти обстоятельства напоминают о ненадежности использования фольги малой толщины для корректного суждения о структуре исследуемых материалов. Именно с применением высоковольтных ПЭМ стал давать достоверные результаты метод исследования изменения структуры образца "in situ ", т.е. в процессе воздействия (нагрева, охлаждении, деформации, облучения) в колонне микроскопа. Как уже отмечалось, использование высокого напряжения позволяет получить многолучевые (до 100 ЭП) изображения с разрешением отдельных атомов кристаллической решетки и даже отличить атомы различных элементов, в таких объектах, как тонкие пленки химических соединений.

Сложности в применении высоковольтных ПЭМ заключаются в создании высоких напряжений, для чего в качестве электронной пушки используются довольно мощные ускорители. Кроме этого, мощный электронный пучок может вызвать нежелательные изменения в исследуемом материале: движение дислокаций под действием тепловых напряжений, образование точечных дефектов, структурные и фазовые превращения сопровождающие нагрев образца, а в случае исследования биологических объектов их разрушение.

Получение изображения, соответствующего периодической структуре кристаллической решетки

Если ЭП направить на фольгу с таким расчетом, чтобы прошедший и дифрагированный пучок составляли с оптической осью микроскопа один и тот жe угол (рис.15), то при прохождении этих двух пучков через апертурную диафрагму и объектив на экране возникает интерференционная картина от их взаимодействия.

Компьютерное моделирование дифракционного контраста - student2.ru

Рис. 15. Получение двухлучевого изображения электронного пучка

При использовании больших увеличений (около 500000) можно увидеть периодическую структуру, расшифровка которой дает определенные сведения о расположении атомных плоскостей в кристаллической решетке образца. Если в формировании изображения участвуют не два, а несколько ЭП, то можно рассмотреть отдельные атомы в кристаллической решетке и даже отличить атомы, принадлежащие разным элементам. Созданию многолучевых изображений способствует повышение ускоряющего напряжения. Наличие дефектов отражается на контрасте изображения, например, так были впервые увидены обрывающиеся атомные плоскости и тем самым доказано существование дислокаций. Этот метод применяется также для определения предельной разрешающей способности данного электронного микроскопа.

Методика слабого пучка

Так называется способ получения темнопольных электронно-микроскопических изображений при действии отражения, значительно отклоненного от точного Вульф-Брэгговского отражающего положения и, следовательно, обладающего малой интенсивностью. Основное достоинство методики состоит в том, что при таких дифракционных условиях формирования изображения существенно снижается ширина контраста от дислокаций и других очагов локальных искажений кристаллической решетки. Кроме того, удается приблизить изображение дефектов на электронно-микроскопическом снимке к их истинному положению в кристалле, а также существенно упростить контраст от наблюдаемого дефекта» вследствие уменьшения динамических эффектов рассеивания. Эти обстоятельства делает методику слабого пучка одним из наиболее эффективных для электронно-микроскопического анализа реальной структуры металлов и сплавов, особенно о высокой плотностью всевозможных дефектов.

Однако применение методики слабого пучка сопряжено с целым рядом трудностей. Темнопольное изображение в режиме слабого пучка обладает низкой интенсивностью. Иногда она оказывается столь незначительной, что на экране электронного микроскопа трудно различить элементы дифракционного контраста, и только последующее изучение микрофотографий позволяет судить об эффективности проведенного эксперимента. Все это предъявляет повышенные требования, во-первых, к качеству объекта исследования, поскольку диффузный фон на микроэлектроннограмме (из-за плохой поверхности фольги) исключает получение высококачественных изображений в слабом пучка, и, во-вторых, к механической и электрической стабильности электронного микроскопа.

Отметим три наиболее важных аспекта применения методики слабого пучка при структурных исследованиях.

1. В первую очередь методика эффективна при разрешении отдельных близко расположенных дефектов. Такая ситуация может сложиться, когда в нанообъектах возникает высокая плотность дефектов, в частности, в результате мартенситного превращения, пластической деформации значительных степеней или, когда линейные дефекты соединены другим высокоэнергетическим пленарным дефектом, например, частичные дислокации, соединенные, дефектом упаковки, или сверхструктурные дислокации, в которых единичные дислокации соединены полоской антифазной границей. С помощью методики слабого пучка удается разрешить частичные дислокации различных типов, детально проанализировать структуру дислокационных ячеек сложных субграниц, сверхструктурных дислокаций.

2. При отклонении от точного отражающего положения дифракционный контраст в темном поле возникает лишь в узкой области дефекта, где кристаллическая решетка в достаточной степени искажена и где тем самым обеспечивается локальный доворот тех же отражающих плоскостей до точного отражающего положения. В том случае, когда удается зафиксировать дифракционные условия, при которых наиболее искаженные области дефекта выходят из отраженного положения и, следовательно, наблюдается резкое исчезновение контраста от дефектов, можно получить количественную информацию о величине максимального искажения решетки в области дефектов.

3. Возможность "сортировки" очагов локальной деформации кристаллической решетки. По мере отклонения от точных условий дифракции на темнопольных изображениях постепенно исчезают дефекты с относительно малой величиной локальных смещений и сохраняются лишь те дефекты, у которых смещения достаточно велики. Поэтому, переходя во все большей степени к режиму слабого пучка, можно устранить контраст от лишних дефектов, затрудняющие выявление изучаемых особенностей структуры.

Наши рекомендации