Формирование изображения в просвечивающем электронном микроскопе

Вся информация об объекте, освещаемом ЭП, заложена в тех изменениях, которые претерпевает ЭП при взаимодействии с веществом. Малая даже по сравнению с межатомным расстоянием длина волны электрона (10^-3 нм) дает основание считать, что в ЭП, рассеянном на кристалле, содержится информация о расположении атомов в решетке, и о принадлежности атомов тому или иному элементу, и о несовершенствах кристаллического строения на атомном и более грубом уровнях, Имеющиеся измерительные возможности позволяют, как правило, воспользоваться только частью этой информации, и для расшифровки изображения необходимо иметь представление о принципах его построения и о том, какая часть информации теряется.

Всякий просвечиваемый объект, тем более кристаллический, можно представить в виде периодической решетки, на которую падает параллельный когерентный пучок излучения (рис.8). Для получения максимальной информации об объекте необходимо все прошедшее через него излучение без потерь предъявить наблюдателю.

Рис. 8. Условная схема возникновения изображения периодической решетки

Для этого используется объективная линза, располагаемая под объектом. Объектив собирает в своей задней фокальной плоскости все параллельные лучи, вышедшие из разных точек объекта, т.е. лучи, дифрагированные под одинаковыми углами. Полученные дифракционные максимумы образуют дифракционную картину, называемую первичным изображением объекта (по Аббе). Ниже фокальной плоскости лучи расходятся, и в другой плоскости - плоскости изображения сходятся уже лучи, выпущенные из одних и тех же точек объекта. Эти лучи интерферируют, образуя вторичное (действительное) изображение объекта. Чем больше дифрагированных пучков проходит объективную линзу (без искажений), тем больше соответствие изображения объекту. Для использования двух пучков, прямого и ближайшего дифрагированного удалось увидеть изображение периодических полос, соответствующих расположению атомных плоскостей решетки; использование большого количества ЭП позволило наблюдать систему пятен, соответствующих расположению атомов. Таким обрезом, чем больше ЭП участвует в изображении, тем больше деталей структуры можно выявить. Однако для привлечения многих ЭП (создания многолучевого изображения) необходимо выполнить следующие условия:

- дифрагированные пучки должны пройти сквозь отверстие малой апертурной диафрагмы. Размер диафрагмы сильно ограничен в силу большой сферической аберрации магнитных линз, из-за чего участие в формировании изображения периферийных зон объективной линзы приведет к понижению разрешающей способности. Это может свести на нет преимущества многопучкового изображения и сделать невозможным рассмотрение отдельных атомных плоскостей, отстоящих на расстояния порядка долей нанометра. Поэтому для использования многих дифрагированных пучков необходимо уменьшать углы дифракции ЭП, что удается с помощью высоковольтной электронной микроскопии (U= 500 кВ);

- разрешение, которое требуется для наблюдения отдельных плоскостей или атомов, выполнимо только при высокой электрической и механической стабильности узлов прибора и требует больших усилий по выявлению и регистрации изображения.

Однако следует напомнить, что для формирования электронно-микроскопического изображения чаще всего используется только один пучок, легко выделяемый апертурной диафрагмой. При этом, естественно, не наблюдается структура кристаллической решетки, но, тем не менее, есть возможность получить информацию о более крупных структурных элементах, изменяющих условия отражения и организующих контраст (отличие деталей изображения от фона).

В приведенной модели периодической решетки эти структурные элементы можно представить как большие, по сравнению с размером ячейки, искажения.

Рис. 9. Схема формирования изображения от идеального кристалла в проходящем пучке

При наблюдении электронно-микроскопического изображения идеального кристалла в светлом поле (рис.9) в проходящем (нулевом ) ЭП можно увидеть в основном следующее:

а) поле зрения на экране в пределах кристалла светлое, это свидетельствует о том, то кристалл прозрачен для электронов;

б) поле зрения темное - кристалл для электронов непрозрачен. То обстоятельство, что один и тот же кристалл может быть прозрачен или непрозрачен, легко объясняется условием В-Б, но при этом даже когда кристалл прозрачен, внутри кристалла не видно ни каких особенностей, т.е. отсутствует контраст. Единственное, что можно заметить в данном случае, - это границы кристалла, а значит, определить только его форму и размеры.

Контраст на электронно-микроскопическом изображении в проходящем ЭП появляется в случае локального изменения дифракционных условий в кристаллической решетке и называется дифракционным контрастом. Толкование электронно-микроскопических изображений основывается на объяснении происхождения дифракционного контраста. Источником локальных изменений условий дифракции являются различные несовершенства кристаллической решетки. Остановимся на некоторых из них.

Дислокации. Присутствие дислокаций приводит к местному изгибу плоскостей решетки (матрицы) вдоль линии дислокации (рис. 10).

Рис. 10. Образование контраста от краевой дислокации а) в светлом поле б) в темном поле

При этом изогнутые участки можно поставить в отражающее положение, тогда как вся матрица будет прозрачна для прямо проходящих электронов. Это выразится в появлении на экране темной полосы, соответствующей положению проекции линии дислокации в кристалле на плоскость экрана. Дифрагированный пучок отсекается апертурной диафрагмой, причем если диафрагмой выделить именно дифрагированный пучок, а отсечь проходящий, то в поле зрения будет светлая линия дислокации на темном поле кристалла, т.е. формируется темнопольное изображение элементов структуры. Разрешение в темнопольном изображении может быть лучше, чем в светлопольном. Так как локальное изменение условий дифракции возможно при отражении ЭП только от изогнутых участков плоскостей, то, если электроны вблизи дислокации падают на решетку таким образом что в отражающем положении находятся неискаженные плоскости, контраста на изображении но возникает и дислокация может оказаться невидимой. Отсюда вытекает правило невидимости дислокаций:

g*b = 0

где g- вектор отражения дифрагированного ЭП; b – вектор Бюргерса, показывающий направление искажения решетки, которое для краевой дислокации имеет вид

g*b x U = 0

где U вектор касательной к линии дислокации. В данной случае учитывается возникновение контраста при отрешении от плоскости скольжения, которая будет несколько изогнута дислокацией.

2. Плавные и дискретные изгибы участков кристалла, вызывающие разориентацию кристаллической решетки (рис 11).

Рис. 11. Образование дифракционного контраста от плавно изогнутого кристалла (без учета действия объективной линзы).

При этом на экране появятся темные и светлые полосы, если изгиб плавный, то при наклоне фольги полосы будут плавно перемещаться, В случае дискретного изгиба будет наблюдаться неподвижная граница между разориентированными участками, при этом условия дифракции, а значит и контраста, будут меняться более или менее резко (дискретно).

3. Выделения и предвыделения вторичных фаз. При зарождении вторичной фазы, как правило, происходит; упругое искажение матрицы, что изменяет местные условия дифракции (рис.12).

Рис. 12. Схема образования изображения от образца с включением; а) светлое поле, б) темное поле

Возникающие границы раздела и иные чем в матрице межплоскостные расстояния в новой фазе делают ее контрастной.

4. Вакансионные к примесные скопления. Прн достаточно большом скоплении вакансий или примесных атомоа матрица искажается на достаточно большом протяжении, что делает заметным это скопление (кластер) на изображении. Скопление вакансий может образовывать вакансионный диск. Если диаметр диска достигает достаточно большого размера, то диск "схлопывается". "Схлопывание" вакансионного диска приводит к образованию дислокационной петли, наблюдаемой в электронном микроскопе.

Другие вида контраста в рамках первичного знакомства сложны для восприятия без привлечения теории и поэтому здесь не рассматриваются.

Разрешающая способность ПЭМ

Разрешающая способность ПЭМ как минимальное расстояние между двумя точками объекта, которое еще можно различить на изображении, зависит от следующих основных факторов:

-длины волны электронов;

-величины сферической аберрации;

-величины хроматической аберрации; -астигматизма,

-механической стабильности и состояния прибора (вакуум, чистота и т.д.).

Длина волны электронов, ускоренных высоким напряжением, является, как известно, основным условием уникальной разрешающей способности электронного микроскопа, так как чем меньше длина волны, тем меньше элементы структуры объекта, на которых может происходить дифракция волн, т.е. тем ниже оптическая однородность среды для волн данной длины.

Длина волны электрона l определяется, исходя из известных соотношений:

U*e = m*v/2

где e - заряд электрона; m. - масса движущегося электрона; U - ускоряющее напряжение; v - скорость электрона.

С другой стороны, по формуле Де-Бройля .

h = m*v*l

Отсюда можно получить

l =h/(2m*U*e)^-2

Подставляя численные значения, получим простое выражение:

l =1226/(U)^-2 , нм

Изменение массы электрона при изменении скорости учитывается введением в формулу релятивистской поправки (рис.13).

Рис. 13. Зависимость длины волны электронов от ускоряющего напряжения (без релятивистской поправки сплошная кривая, с релятивистской поправкой пунктирная кривая)

Величина сферической аберрации оптической системы определяется сферической аберрацией объективной линзы. Неизбежная неоднородность радиальной составляющей магнитном поля в линзе (см.рис.7) (на периферии напряженность больше, чем у оси). Это приводит к неравенству фокусных расстояний линзы для приосевых и периферийных электронов (рис.14).

Рис. 14. Схема сферической аберрации

Поэтому для построения изображения используются, как правило, только приосевые электроны, остальные отсекаются апертурной диафрагмой. Однако величину диафрагмы нельзя сколь угодно сделать малой, так как при уменьшении отверстия диафрагмы уменьшается доля информации, которая переносится ЭП на экран. В частности, если пройдет только один неотклоненный или только дифрагированный пучок, то пропадет информация о самых малых объектах, которые может различить микроскоп - атомах. Таким образом, с одной стороны, разрешение ограничено самим прибором и нужно уменьшать отверстие апертурной диафрагмы, с другой стороны, разрешение ограничено необходимостью для различения самых малых объектов пропустит через диафрагму не менее двух пучков. Значит, для демонстрации предельного разрешения существует оптимальный размер диафрагмы. Здесь следует отметить, что ПЭМ часто используется именно для получения изображения только в одном пучке, когда контраст создается расчет удаления части интенсивности электронных волн в местах, где несовершенства структуры объекта меняют дифракционные условия. Такой контраст называется амплитудным. При этом не требуется, как правило, наивысшей разрешающей способности.

Может иметь значение также, так называемая дифракционная ошибка, заключающаяся в том, что пучок, падающий на объект, не может быть строго параллелен, а расходящийся пучок при дифракции даст также расходящийся дифрагированный ЭП. При этом точка на объекте превратится в пятно на экране, а два близко расположенных пятна сольются в одно, т.е. будут неразрешимы отдельно друг от друга.

Изображении в двух и более пучках возникает в условиях так называемого фазового контраста, когда в плоскости изображения интерферируют пучки, прошедшие в отверстие апертурной диафрагмы (рис.8).

Но тогда отверстие диафрагмы должно быть достаточно большим и появляется проблема сферической аберрации объективной линзы.

Большое, влияние на качество изображения оказывает также хроматическая аберрация, обусловленная тем, что электроны в ЭП имеют некоторый разброс по скоростям. Вследствие этого они по-разному преломляются в объективной линзе и дают размытость на изображении. Борьба с этим видом искажений заключается в повышении стабильности ускоряющего напряжения и тока в линзах микроскопа, но некоторой влияние на скорость электронов может оказать и сам образец, с чем, естественно, бороться невозможно.

Астигматизм изображения выражается в том, что такой объект, как круглое отверстие в образце, на экране будет выглядеть эллипсом. Это особенно проявляется при не осевом освещении объекта; возникновение этого дефекта связано в неоднородностью магнитного поля линз из-за несовершенства геометрической формы наконечников, с неоднородность магнитных свойств материала наконечников, а также с возможным загрязнением. Астигматизм в некоторой степени устраняется стигматорами - специальными устройствами, накладывающими на основное поле линз слабое эллиптическое поле, амплитуда и направление которого регулируются, компенсируя астигматизм.

Механическая нестабильность прибора - весьма коварный фактор, так как даже небольшие малозаметные колебания могут привести к размытости изображения, что особенно сказывается при регистрации на фотоматериал. Поэтому прибор лучше всего размещать на отдельном фундаменте, а особенно ответственные работы, связанные с высоким разрешением проводить в ночное время.