Titan i form av oksyd (IV) ble åpnet av en engelsk mineralogue fans ....
Se også:
|
Laboratoriearbeid nummer 3.
Elektronisk mikroskopi.
Formål med arbeidet:familiarisering med grunnleggende om den elektroniske gjennomskinnelige og skanning (raster) mikroskopi; Kvantitativ analyse av mikrostrukturen av prøver av elektronmikroskopiske bilder.
Materialer og utstyr: Appell installasjon, elektronisk gjennomskinnelig og skanningsmikroskop, prøver av uorganiske stoffer og materialer, elektronmikroskopiske bilder.
Generell
En elektronmikroskopisk studie av uorganiske stoffer og materialer brukes til å studere egenskapene til deres struktur og fase sammensetning. Moderne gjennomsiktige elektronmikroskop av høy oppløsning gjør det mulig å oppnå en økning på opptil 150.000 ganger, observere fordelingen av atomer i krystallinske gitter.
En elektronisk stråle brukes i elektronmikroskopet, hvorav bølgelengden er 100.000 ganger kortere bølgelengder av synlig lys. Dette gir muligheten til å få en større økning. Bølgelengde l. (nm) av elektronstrålen bestemmes av ligningen
hvor V-spenningen til akselererende feltet, V.
Hvis bildet er dannet som følge av passasjen av en elektronstråle gjennom en gjennomsiktig prøve for elektroner, er det en såkalt gjennomskinnelig elektronmikroskopi-PEM. En skarp utvidelse av signalbehandlingsegenskaper gjorde det mulig å utvikle en rekke metoder basert på bruk av PEM-prinsipper og kombinert under det generelle navnet på gjennomskinnelig rasterelektronmikroskopi - Pram: Energispersjonsanalyse av røntgenstråling, spektroskopi av sekundær elektroner, analyse av energitap av passerende elektroner, etc.
Som et resultat av samspillet mellom strålen av primære elektroner med overflaten av prøven, kan det oppstå en sekundær elektronisk eller elektromagnetisk utslipp (i røntgen eller optisk område av spektret). I dette tilfellet, for å få informasjon om de studerte objektene, brukes en skanning (raster) elektronmikroskopi-SEM (eller RAM), som gjør det mulig å skaffe bilder av objekter som følge av registrering av strømmen av sekundære elektroner, så vel som Røntgenmikroanalyse, som registrerer et røntgen-signal-utslipp av røntgen-signal, som tillater kvalitets- og kvantitativ faseanalyse av objektene under studiet.
Hovedforskjellen i prinsippene for drift av gjennomskinnelig og rasterelektronmikroskop er knyttet til metoden for datainnsamling og bildeformasjon. Som i det optiske mikroskopet, i et transmisjonselektronmikroskop, samles informasjon kontinuerlig med hele studerte området, og et forstørret bildefokus med linser. Med andre ord, informasjon fra alle bildepunkter samles samtidig. I et rasterelektronmikroskop er informasjonen samlet av sekvensen på hvert punkt som den primære strålen av elektroner beveger seg. Dette krever tiden som kreves for å oppnå et statistisk signifikant signal fra hvert punkt.
Gjennomsiktig elektronmikroskopi.
For forskning av PEM-metoden brukes gjennomsiktige elektronmikroskoper, som er høyspente høyspenningsanordninger.
Som det fremgår av fig. 1, er bildet dannet som et resultat av passasjen av elektronstrålen gjennom den analyserte prøven.
 |
Fig. 1 - Skjematisk diagram av gjennomsiktig elektronmikroskop
Samtidig brukes raske elektroner for å oppnå som i moderne modeller av mikroskoper, den akselererende spenningen i størrelsesorden 100-200 kvadratmeter brukes.
I et transmisjonselektronmikroskop brukes to hovedtyper av fotografering: Et lett bilde som viser morfologien til objektet under studiet og de underliggende elektronene som genereres av den sentrale strålen og mørkaksen.
For informasjon om strukturen av de studerte prøvene på atomtillatelsesnivået, brukes en høyoppløselig transmisjonselektronmikroskopi - VRPEM (høyoppløselig transmisjonselektronmikroskopi - HRTEM). Denne metoden var bare utbredt i de siste 10-15 årene og er svært effektiv for å bestemme strukturen av nanopartikler.
I fig. 2 viser et øyeblikksbilde av et analytisk elektronmikroskop.
 |
Kilden til elektroner er den oppvarmede wolframtråden, og skaper en elektronstråle med en strømtetthet til 5x10 4 A / M2. Lanthan Hexaboride krystaller (Lab 6) lar deg øke den nåværende tettheten til 10 6 A / M 2.
Elektroner sendes ut av en elektronpistol installert i den øvre delen av kolonnen med gjennomsiktig elektronmikroskop. Inne i kolonnen ved å pumpe luft, støttes et høyvakuum. Elektronene som sendes ut av kanonen, blir akselerert i akseleratorrøret og passerer deretter gjennom lysets linser, hvoretter de faller inn i prøven.
Etter at du har gått gjennom elektronprøven i objektivlinssystemet, dannes et bilde. Deretter skaper projeksjonslinsen et forstørret bilde. Det resulterende bildet, dannet på en fluorescerende skjerm, kan observeres gjennom observasjonskammervinduet. Den kan spilles inn på en film i fotokammeret, eller vises på skjermen på skjermen.
Forberedelse av prøver for gjennomsiktig mikroskopi.For å drive studier i et gjennomsiktig elektronmikroskop, er det nødvendig å ha prøver med en tykkelse på ikke mer enn 0,2 μm, siden elektronene lett absorberes av stoffet. Dette skaper visse vanskeligheter i utarbeidelsen av prøver. I dette tilfellet er det ty til metoder for å produsere tynne filmer eller ultra-tynne seksjoner: bearbeiding, elektrokjemisk etsning, ionetoning, belegg belegg. Men når man bruker slike metoder, er et brudd på materialets første struktur mulig.
Mer Real er replika metode -den indirekte metoden i studien, som består i å skaffe et avtrykk (kopi) fra overflaten under studien, med høy nøyaktighet av sin topografi reproduserende. Forberedelsesordningen i replikken er vist på fig. 3.
Kopi er vanligvis oppnådd ved sprøyting. For å gjøre dette, bruk en eksperimentell prøve med et volum på minst 1 cm3. På den ferske chillen påføres prøven i vakuum for å fordampe karbon, som danner et lag i form av en tynn solid film. Kullfilmen gir ikke sin egen struktur. For å øke kontrasten, bestemmes karbonfilmen, sprøyting under en skarp vinkel mot overflaten av et lag av tungmetall (platina, krom).
Oblivionen av tungmetall i en vinkel på 20-45 ° gir mer intensiv sedimentering av den på de respektive sider av fremspringene og er mindre intens på pricadinene og motsatte sider av fremspringene.
En ulik tykkelse av en slik metallfilm forårsaker forskjellig absorpsjon av gjennomgående elektroner, som påvirker bildetes lysstyrke og skaper en kontrast.
Den resulterende filmen separeres fra prøven ved bruk av en 10% løsning av gelatin. Når tørking, danner gelatin en gjennomsiktig film, som er skilt fra prøven sammen med en kopi. Deretter er filmen plassert i vann. I oppløsningen av gelatin på overflaten av vannet forblir en kull-platina-replikfilm, som er plassert på bærernettet og overføres til elektronmikroskopbeholderen.
For en klarere identifisering av materialets struktur, er den ferske brikken pre- (før påføring av en kopi) utsatt for kjemiske reagenser. På grunn av ulike oppløsningshastigheter av ulike komponenter i strukturen, dannes lindring av overflaten av prøvene. Etter etsning blir brikken grundig vasket og tørket. Replica-metoden gir tilfredsstillende resultater med størrelsen på de strukturelle elementene på minst 10 nm. Tatt i betraktning bildet av prøveoverflaten på elektronmikroskopet, velg de mest karakteristiske områdene i strukturen.
1 | | |
Gjennomsiktig elektronmikroskopi.
1. Generell ordning og driftsprinsipp for et gjennomsiktig elektronmikroskop.
Alle moderne gjennomsiktige elektronmikroskop (PEM) kan fungere i to moduser - i bildemodus og diffraksjonsmodus.
Elektronstrålen er dannet i en akselerert kolonne 1 som består av en elektronpistol, et snittilbehandlingsrør (vanligvis 6 seksjoner) og et avvikssystem. Elektronenergien ved utgangen av akseleratorkolonnen bestemmes av mengden akselerasjonsspenning på elektronkanonen, og i forskjellige typer PEM kan variere i området 20-200 KEV. Jo større elektronenergien, jo mindre bølgelengden, desto større er den penetrerende kapasiteten til elektroner.
Etter akseleratorkolonnen er kondenserende linser 2 installert, hvis formål å oppnå en elektronstråle med en minimum vinkelavvik. Kontrollativ kolonne i forbindelse med systemet med kondenserende linser gjør det mulig å oppnå elektroniske bunter av forskjellige diametre. Minste diameter av elektronstrålen i PEM kan være flere nanometer, noe som gjør det mulig å oppnå diffraksjon fra lokalområdet i samme diameter i modusen for mikrooptisk diffraksjon. Når du arbeider i bildemodus, oppnås ved hjelp av et system med kondensasjonslinser, en parallell mengde elektroner. Avviksystemet er beregnet for en elektronisk strålehelling i bildemodus og diffraksjon.
Objektiv linse ligger bak linsesystemet. Holderen med prøve 3 er installert i gapet av polespissen på objektivlinsen, slik at prøven er i det omfattende objektivlinsen. Det goniometriske hodet gjør at du kan rotere prøven i forhold til elektronstrålen i en vinkel på ± 12º. Siden, i gjennomsiktig elektronmikroskopi, er bildet dannet av elektroner som passeres gjennom prøven, dens tykkelse bør være mye mindre enn lengden på elektronskommelet i prøvematerialet.
Etter å ha passert gjennom prøven, går elektronene inn i objektivlinsen 4. Dette kortfokuset (noe mm) linse med en liten økning (~ 50) er nøkkelen i den videre dannelsen av bildet, slik at den er utstyrt med en astigmatisme korrektor - stigma. Blenderåpningen av objektivlinsen er plassert på det bakre fokalplanet i objektivlinsen. I de nyeste modellene av mikroskoper vises bildet på dataskjermen ved hjelp av digitale CCD-kameraer.
Pem bruker elektromagnetiske linser, som består av en vikling, magnetisk rørledning og en polespiss. Pole Tips er en magnetfeltkonsentrator. Pole tipsen har form av sirkulær symmetri. Senteret har et hull med litt radius og gapet mellom polene. Som et resultat av denne utformingen av polespissen, blir den magnetiske strømmen komprimert i gapet. Elektroner som passerer gjennom et objektivt objektiv, under virkningen av magnetfeltet, avviker i retning av den optiske akse og fokuserer på et bestemt punkt av den optiske aksen (i fokuset på linsen).
2. Realisering av bildeobservasjonsmoduser (mørkt og lett felt), mikrodiffraksjoner .
Dannelsen av et elektronmikro-kopibilde kan kort beskrevet som følger. Elektronstrålen dannet av belysningssystemet faller på objektet og sprer seg. Deretter konverteres den spredte bølgen med en objektiv linse til et bilde. Et utdannet objektivt objektiv Bildet økes med mellomliggende linser og projiseres av projeksjonslinsen eller på skjermen for å observere eller på fotoplastinen eller vises på skjermvisningen.
Lysstrålen dannes av en rett bunt, og mørkolje - diffraktert, fig. 4.8.5.
Figur 4.8.5 - Ordning av dannelsen av Sveta (er) og mørkolje (B)
bilder: 1 - Fallende haug med elektroner; 2 - Objekt; 3 - diffranged bjelker;
4 - objektiv linse; 5 - Aperture membran; 6 - Primær mikroskopisk
bilde; A og B - korn av forskjellig orientering (b - nærmere "reflekterende"
regulering).
Derfor vil disse prøvestedene (korn, subtrauls), som er nærmere reflekterende stilling (Banggov-stilling for en bestemt familie (HKL)), være mørkere (IPR mindre), og de som er mer avvist fra den reflekterende stillingen - lettere (IPR - mer), fig. 4,8,6. På mørkeoljebildet vil bildet bli omvendt.
For å få et bilde i et lett felt, må Aperture Membran "hoppe over" en direkte bunt. Dette oppnås ved at membranen, som er synlig på skjermen i modusen for å oppnå et diffraksjonsmønster, er plassert for å kutte den sentrale refleksen (bildet av noden til den inverse gitteret), fig.4.8.5 en. Det er klart at strålen som danner bildet strekker seg langs aksen til objektivlinsen. For å få et mørkaksebilde i strålene i HKL-refleksen (maksimal intensitet ved diffraksjonen av elektroner på planene (HKL)), bør Aperture-membranen forskyves som følger (når mikroskopet er i diffraksjonsmodus) for å kutte HKL-refleksen. I dette tilfellet passerer det resulterende bildet av den diffrakterte strålen langs periferien av objektivlinsen, fig. 4.8.5 B, hvor heterogeniteten (gradient) av magnetfeltet er større enn nær den optiske aksen på linsen. Derfor øker ikke sløret i bildet av det punktet på grunn av sfærisk aberrasjon, og derfor blir tillatelsen forverret på et mørkaksebilde. For å få et mørktaksebilde med samme oppløsning som en lysoppløsning (såkalt mørkaksisbilde av en høy oppløsning), er det nødvendig å sende den resulterende diffrakterte strålen langs linsaksen, for hvilken den fallende strålen bør vippes i en vinkel 2θ.
2. Elektronografi.
Elektronikk, metode for å studere termetisk struktur av stoffet, hovedsakelig krystaller basert på elektrondiffraksjon. Det er flere metoder for metoden. Hovedet er elektronogrammet på lumen, og diffraksjonen av elektronenergier brukes (50-300 KEV, som tilsvarer bølgelengden på 5-10-3 nm). Elektronografi utføres i spesielle enheter - elektrister der vakuum 10-5-10-6 PA, eksponeringstiden er ca. 1 C, eller i transmisjonselektronmikroskoper. Prøver for studier fremstilles i form av tynne filmer med en tykkelse på 10-50 nm, utfelter et krystallinsk substans fra løsninger eller suspensjoner, eller for å oppnå filmer med vakuumspraying. Prøver er en mosaikk enkeltkrystall, tekstur eller polykrystal.
Diffraksjonsmønsteret - det elektrondiffraksjonsmønsteret - oppstår som følge av passasjen av den opprinnelige monokromatiske strålen av elektroner gjennom prøven og er en kombinasjon av bestilling av de anordnede diffraksjonspunkter - reflekser, som bestemmes av arrangementet av atomer i objektet under studiet. Reflekser er preget av Interplansect DHKL avstander i krystall- og IHKL-intensiteten, hvor H, K og L er millerske indekser. Når det gjelder verdier og ved hjelp av reflekser, bestemmes den elementære cellen i krystallet; Ved hjelp av også data om intensiteten av reflekser, kan du bestemme at atomstrukturen til krystallet. Metoder for beregning av atomstrukturen i elektron-telefoner er nær brukt i røntgenstrukturanalyse. Beregninger, vanligvis utført på en datamaskin, tillate koordinatene til atomer, avstandene mellom dem, etc.
3. Mekanismene for å danne kontrast av bildet i et transmisjonselektronmikroskop (generelle konsepter).
Mekanismen for dannelse av kontrast i elektronen er den samme som dannelsen av kontrast i geometrisk optikk med optiske linser. I fig. 17.3 viser røntgenstrålene i dannelsen av diffraksjonskontrast. Blenderåpningen av objektivlinsen er etablert slik at den bare passerer den sentrale strålen, og de reflekterte elektronene kommer ikke til det endelige bildet. Bildet vil bli dannet fra en sentralbjelke og elektroner, uelastisk spredt ved lave vinkler. Bildet er enhodet, og det er i dette tilfellet kalt Svetopolna. Den resulterende kontrast skyldes fordelingen av intensiteten av elektroner som reflekteres av loven om Wolfe-Bragg og fikk derfor navnet diffraksjon kontrast. Når du går gjennom en membran på to eller flere bjelker (inkludert den sentrale strålen), får vi et flertallbelysningsbilde. Fasekontrast hersker på slike bilder.
Bilder kan oppnås ved å passere gjennom en membran en objektiv linse bare diffrakterte bjelker. Deretter kalles bildene som heter mørkolje, og de er også single-unødvendige og flerdige. 
4. Begrense evner med et gjennomsiktig elektronmikroskop.
5. Krav til forskningsobjekter.
1. For høyoppløselige studier er det nødvendig med ultra-tynne prøver, en tykkelse på ca. 10 nm.
2. Den forberedte prøven må ha et tilstrekkelig antall gjennomsiktige seksjoner for elektronen for å studere slik at denne strukturen er typisk for prøven under studiet.
Hovedproblemet ved bruk av PEM består i produksjon av prøver. Prøvetykkelsen bør ikke være mer mikron. Vanligvis produseres slike prøver ved hjelp av fotolitografi og kjemisk etsing. Bruk også blekkskriver og ion-etsing. Varianter av konfigurasjoner for prøver for PEM presenteres i figur 6.
Når du bestemmer morfologien til BIS, bruker du spesielle testkrystaller som inneholder komponenter som er utformet for å studere i PEM. Et eksempel på et elektronmikroskopisk bilde av en testkrystall er vist i figur 7.
Mellom polycremium-lagene i det slanke oksidlaget, ble "bart", som kan forårsake en reduksjon i spenningen av nedbrytningen av oksid og føre til feil i skjemaet. Oppdag lignende "svake" ordningssteder av en annen metode er ekstremt vanskelig.
For å studere lindring av overflaten av massive prøver, blir replikas laget (utskrifter) fra overflaten ved å bruke spesiell plast (eller grafitt). Replikene separeres deretter fra prøven og det tynne laget av metall påføres for å forbedre kontrasten. Når du studerer overflaten ved hjelp av replikas, er oppløsningen (5 - 10) nm, objektet blir ikke utsatt for ødeleggelse.
Energien til primære elektroner i PEM-metoden er lik (0,6 - 3,5) · 10 5 EV. I studien av tynne filmer av PEM-metoden ved akselererende spenning (1 - 2) · 10 5 i filmtykkelsen, bør det ikke være mer (0,2 - 0,3) μm, med en økning i spenningen til 10 6 V kan studeres prøver før (1 - 3) μm.
Oppløsningen av PEM er begrenset til sfærisk aberrasjon og utgjør (0,1 - 1,0) nm. I bildeobservasjonsmodus når en økning i mikroskopet verdiene (2 - 5) · 10 5.
Hovedegenskaper av PEM.
Rasterelektronmikroskopi
Raster Electron Microscopy (RAM) er utformet for å studere overflatenes topografi, bestemme sammensetningen, detekterer defekter av krystallgitteret. Metoden er uunnværlig i studien av årsakene til IP-feil, som bestemmer det elektriske potensialet på overflaten.
Fig. 8 viser et diagram over et rasterelektronmikroskop. Kilden til elektroner er en elektronpistol med en termokeod, intensitetstråden er laget av wolfram eller lab. 6. Elektroner er akselerert av elektrisk felt til energier E. 0 \u003d (0,2 - 4) · 10 4 EV, det er mindre enn i PEM. Dannelsen av elektronstrålen og kontrollen av den utføres ved anvendelse av magnetiske linser og avbøyningsspoler, som tillater å oppnå en stråle med liten diameter (2-10 nm) og distribuere den i rasteren på prøveoverflaten.
RAM med termokatodom Designet for å studere massive gjenstander med en oppløsning på fra 70 til 200 a °. Accelerating Spenning i RAM kan justeres fra 1 kV til 30 - 50 kV.
Enheten av en slik ram er vist i fig. 9. Med 2 eller 3 magnetiske elektroniske linser (e-post) er en smal elektronisk sonde fokusert på prøveoverflaten. Magnetiske avbøyningspoler distribuerer sonden langs det angitte området på objektet. I samspillet mellom produktets elektron med objektet er det flere typer stråling (figur 10) - sekundære og reflekterte elektroner; elektroner som har passert gjennom objektet (hvis det er tynt); X-ray. bremsestråling og karakteristisk stråling; Lett stråling, etc.
En hvilken som helst av disse utslippene kan registreres med den aktuelle samler som inneholder en sensor som konverterer stråling til elektriske signaler, som etter forsterkningen blir matet til elektronoppvarmingsrøret (CRT) og moduler sitt bunt. Utslippet av Elt-strålen er laget synkront med spredningen av den elektroniske sonden i REM, og et forstørret bilde av objektet observeres på ELT-skjermen. Økningen er lik risikoen for rammens høyde på CRT-skjermen til bredden på objektets skannede overflate. Fotograf bildet direkte fra CRT-skjermen. Den største fordelen med RAM er den høye informativiteten til enheten, på grunn av muligheten til å observere bildet ved hjelp av signalene til ulike sensorer. Ved hjelp av RAM kan du utforske Microrelief, fordelingen av den kjemiske sammensetningen i henhold til objektet, P-N-overganger, produsere røntgenstrukturanalyse og mye mer. Prøven undersøkes vanligvis uten forutgående forberedelse. REM finner bruk i teknologiske prosesser (kontroll av mikrocircuit defekter, etc.).
Fig.9. Blockey-ordningen
1 - Elektronpistolisolator;
2 - en økende V-formet katode;
3 - Fokuseringselektrode;
5 - blokk med to kondensatorer;
6 - membran;
7 - Bunk Deflekteringssystem;
8 - LENS;
9 - membran;
10 - Objekt;
11 - detektor av sekundære elektroner;
12 - Krystallinsk spektrometer;
13 - en proporsjonal teller;
14 - Forforsterker;
15 - Strømblokk:
16, 17 - utstyr for registrering av røntgen;
18 - Blokkeringsenhet;
19 - forstørrelsesenhet;
20, 21 - blokker av horisontal og vertikal ekspandering;
22, 23 - Elektroniserte rør.
Høy for RAM-PC er implementert når bildet genereres ved hjelp av sekundære elektroner. Det bestemmes av diameteren av sonen, hvorfra disse elektronene sendes ut. Størrelsen på sonen er avhengig av sondens diameter, objektets egenskaper, hastigheten til elektronens elektron, etc. Med en høy dybde av penetrering av primære elektroner, øker sekundære prosesser som utvikler seg i alle retninger øker Diameteren av sonen og PCen faller. Detektoren av sekundære elektroner består av en FEU og en elektron-Photon-omformer, hvor hovedelementet er en scintillator med to elektroder - trekker i form av et rutenett under positivt potensial (opptil flere hundre volt) og akselerere; Sistnevnte rapporterer de fangede sekundære elektronene i energien som er nødvendig for å opphisse scintillatoren. En spenning på ca. 10 kV påføres den akselererende elektroden; Det er vanligvis et aluminiumbelegg på overflaten av scintillatoren. Antallet SCINTILLATOR-utbrudd er proporsjonal med antall sekundære elektroner, slått ut på dette punktet av objektet. Etter forsterkning til FEU og i videoforsterkeren, modulerer signalet enheten av elten. Signalverdien avhenger av prøvenes topografi, tilstedeværelsen av lokale elektriske og magnetiske mikropoler, verdiene til den sekundære utslippskoeffisienten, som igjen avhenger av den kjemiske sammensetningen av prøven på dette punktet. Reflekterte elektroner registreres av Semiconductor (Silicon) detektor. Kontrasten på bildet skyldes avhengigheten av refleksjonskoeffisienten i vinkelen på forekomsten av den primære strålen og atomnummeret av stoffet. Oppløsningen av bildet som er oppnådd med "i reflekterte elektroner", er lavere enn de sekundære elektronene oppnådd ved bruk av sekundære elektroner (noen ganger en størrelsesorden). På grunn av den enkle av elektronflyten til samleren, er informasjon om enkelte nettsteder, hvorfra det ikke er direkte vei til samleren, tapt (skygger oppstår).
Karakteristisk røntgenstråling frigjøres eller et røntgenkrystallinsk spektrometer eller en energidrevet sensor - en halvlederdetektor (vanligvis fra rent silisium dopet med litium). I det første tilfellet registreres røntgenkvanta etter refleksjon av spektrometerkrystallet av en gassprognosemåler. , Og i det andre blir signalet fjernet fra halvlederdetektoren forsterket med en lavestøyforsterker (som avkjøles med flytende nitrogen for å redusere støy) og det etterfølgende amplifikasjonssystemet. Signalet fra det krystallinske spektrometeret modulerer eltbjelken, og et mønster av fordelingen av et kjemisk element på overflaten av objektet oppstår på skjermen. RMM produseres også på RMM. Energien dispergerte detektoren registrerer alle elementene fra NA til U med høy følsomhet. Det krystallinske spektrometeret ved hjelp av et sett med krystaller med forskjellige interplanaravstander overlapper rekkevidden fra å være til U. Den betydelige mangelen på RAM er varigheten av prosessen med "fjerning" av informasjon i studiet av objekter. En relativt høy PC kan oppnås ved hjelp av en elektronisk sonde tilstrekkelig liten diameter. Men samtidig reduseres sondestrømmen, som følge av hvilken effekten av en skuddseffekt øker dramatisk, noe som reduserer forholdet mellom det nyttige signalet til støy. For at "signal / støy" -forholdet under det angitte nivået, er det nødvendig å senke skannehastigheten for opphopning på hvert punkt i objektet et tilstrekkelig stort antall primære elektroner (og tilsvarende mengde sekundær). Som et resultat er den høye PCen implementert bare ved lave hastigheter. Noen ganger dannes en ramme innen 10-15 minutter.
RAM med auto-utslippspistol Ha høy for RAM-PC (opptil 30 Å). I den automatiske utslippspistolen (som i den elektroniske projektoren) brukes en katode i form av en isge, hvorav det er et sterkt elektrisk felt, eksisterende elektroner fra katoden. Den elektroniske lysstyrken på kanonen med en auto-utslippskatode på 10 3-10 er 10 ganger høyere enn våpen med en dampet katode. Følgelig øker strømmen av den elektroniske sonden. Derfor, i RAM med en auto-utslippspistol, utføres raske ekspanderer, og sondiameteren reduseres for å øke PCen. Imidlertid fungerer den automatiske utslippskatoden bare stabil med ultrahøyvakuum (1 · 10 -9 - 1 · 10 -11 mm Hg. Art.), Og dette kompliserer utformingen av en slik ram og arbeider på dem.
Gjennomsiktig Raster Electronic Microscopes (Prem)ha en like høy PC som PEM. I disse enhetene brukes auto-utslippspistoler, noe som gir tilstrekkelig stor strøm i sonden med en diameter på opptil 2 - 3 Å. Fig.11 viser en skjematisk fremstilling av programmet. To magnetiske linser reduserer sondens diameter. Nedenfor gjenstander er detektorer - den sentrale og ringen. De første ikke spredte elektronene faller på den første, og etter konvertering og forbedring av de tilsvarende signalene på CRT-skjermen, vises de såkalte lysperlene. Spredte elektroner høstes på ringdetektoren, og skaper et såkalt mørkkullbilde. I Program kan du utforske tykkere gjenstander enn i PEM, siden økningen i antall ikke-elastiske spredte elektroner med tykkelse ikke påvirker oppløsningen (etter at objektet for optikk i program mangler). Med hjelp av en energianalysator er elektroner som har passert gjennom objektet delt inn i elastisk og ikke-elastiske spredte bjelker. Hver bunt faller på sin detektor, og et passende bilde observeres på CRT som inneholder tilleggsinformasjon om objektets spredningsegenskaper. Den høye oppløsningen i PRSEM oppnås med sakte varamedlemmer, siden sonden med en diameter på bare 2 - 3 Å svinger for små.
Fig.11. Skjematisk diagram av gjennomsiktig rasterelektronmikroskop (prem).
1 - Auto valgkatode;
2 - Mellomliggende anode;
4 - Avbøyningssystem for en strålejustering;
5 - membranen av "belysningen";
6, 8 - Avbøyningssystemer for den elektroniske sonde;
7 - Magnetisk langfokuslinser;
9 - Aperture membran;
10 - Magnetisk linse;
11 - Objekt;
12, 14 - Avbøyningssystemer;
13 - Ring samler av spredte elektroner;
15 - Manifold ikke spredte elektroner (fjernet når du arbeider med spektrometer);
16 er et magnetisk spektrometer hvor elektroniske bjelker roterer med et magnetfelt ved 90 °;
17 - Avbøyningssystem for elektronvalg med ulike energitap;
18 - Spectrometer Slot;
19 - ue samler - sekundære elektroner;
h - røntgenstråler.
Blandede elektroniske mikroskoper. Kombinasjonen av et bilde av et fast strålebilde (som i PEM) og skanning av en tynn sonde på et objekt gjorde det mulig å bli implementert i et slikt elektronisk mikroskop fordelene med PEM, RAM og Prem. For tiden gir all PEM muligheten til å observere objekter i rastermodus (ved hjelp av kondensorsamlinger og linse som skaper et redusert bilde av en elektronkilde, som skannes av avbøyningssystemer). I tillegg til bildet som genereres av en stasjonær stråle, oppnås rasterbilder på ELT-skjermene ved hjelp av tidligere og sekundære elektroner, karakteristiske røntgenspektra, etc. Det optiske systemet til en slik PEM, som ligger etter objektet, gjør det mulig å Arbeid i moduser som ikke er lettet i andre enheter. For eksempel kan du samtidig overvåke elektrondiffraksjonsmønsteret på CRT-skjermen og bildet av samme objekt på instrumentskjermbildet.
EM-sesjon Elektroniske mikroskoperopprett et bilde av et objekt i elektroner som avgir et objekt i seg selv når de oppvarmes, bombarderer den primære gjengen med elektroner, belysning og når det sterke elektriske feltet strekker seg elektronene fra objektet. Disse enhetene har vanligvis et smalt målformål.
Speil elektroniske mikroskoperserver hovedsakelig for å visualisere elektrostatisk "potensiell relief" og magnetiske mikropoler på overflaten av objektet. Det viktigste optiske elementet i enheten er et elektrondespeil, og en av elektrodene tjener selve objektet, som er under et lite negativt potensial i forhold til katoden til pistolen. Elektronstrålen sendes til speilet og reflekteres i feltet i nærheten av overflaten av objektet. Speilet genererer bildet "i reflekterte bunter" på skjermen. Mikropolen nær overflaten av objektet omfordele elektroner av reflekterte bjelker, og skaper en kontrast i bildet som visualiserer disse mikropolisene.
S
Fig.12. Konturene til penetrasjonsområdene med primære elektroner nær overflaten av prøven, avhengig av deres energi E. 0
Dybden av penetrasjon R. Avhenger av elektroner Energi E. 0 og tettheten av stoffet ρ. Eksperimenter viste at arbeidet R.ρ nesten hele tiden, og energiavhengighet E. 0 er beskrevet av den følgende empiriske formel
, (2)
hvor MEN - atomvekt; Z. - Atomnummer. For SI-betydning R. Endring innenfor (0,02 - 10) μm når du endrer seg E. 0 fra 1 til 100 KEV.
Sekundære elektroner er delt inn i to grupper. Elektroner som har opplevd elastiske kollisjoner med kjerner har energi i nærheten av elektronenergi i den primære strålen E. 0. Disse reflekteres elektroner. Andelen av reflekterte elektroner er liten, det er omtrent (1 - 2)% av mengden sekundær og øker med en økning i atomnummeret Z..
De uelastiske kollisjonene med atomer forårsaker ioniseringen av atomer og dannelsen av virkelig sekundære elektroner med en energi mindre enn 50 EV, og den maksimale fordeling nær 5 EV (figur 13).
Tilbakeslag utgang av sekundære elektroner i regionen av store energier E. 0 På grunn av veksten av dybden av penetrasjon R. Med økende energi. Andelen sekundære elektroner født i volumet av prøven og i stand til å komme inn i overflaten, reduseres. Metaller og halvledere har koeffisientene i den sekundære utslipp av rekkefølge av enheten, for dielektrikere er det verdier i området (1,5 - 23). Metaller har den gjennomsnittlige lengden på den frie kjørelengde av sekundære elektroner ~ 1 nm og maksimal dybde av utløpet ~ 5 nm, henholdsvis i dielektrisk - 5 og 50 nm, som forklares av samspillet mellom sekundære elektroner med frie bærere i metaller . Energitap i dielektrisk skyldes bare å spre seg på fonons. Sekundære elektroner kan oppstå på bekostning av reflekterte elektroner, deres andel er (20-70)% av det totale antall sekundære elektroner. Antall sekundære elektroner avhenger i hovedsak av arbeidet ut av materialet, effekten av størrelsen Z. uttrykte i mindre grad enn for reflekterte elektroner. Dermed er utgangen av sekundære elektroner fra Si0 2 større enn fra SI (intern utgangsoperasjon for Si02 - 0,9 EV, og for SI - 4,15 EV).
Bildet på mikroskopskjermen er dannet av sekundære og reflekterte elektroner. Signalet kommer inn i detektoren og etter forsterkning - til elektronbjelkerøret (CRT). RAY SWEEP i ELT er synkronisert med skanneren av den primære elektroniske stråle-rammen. Intensiteten av elektronstrålen i ELT er modulert av et signal som kommer fra prøven. Derfor avhenger overflatbildet av intensiteten av den reflekterte elektronstrålen. Electron Beam Scan lar deg observere et bestemt utvalgsområde på CRT-skjermen.
Kontrasten bestemmes av den kjemiske sammensetningen av prøven og overflateemorfologien. Med en økning i atomnummeret til elementet øker refleksjonskoeffisienten til elektroner, så områder som inneholder elementer med store Z., gi et større signal. Dermed er utgangen av de reflekterte elektronene for AU 10 ganger høyere enn for karbon. Kontrasten på bildet av Al i SIs plugger er ca 7%, dvs. Slike inneslutninger er helt skillebare. Metallisering, oksyd og SI-områder er lett å skille mellom bilder dannet av sekundære elektroner.
For forskning på RAM brukes sekundære elektroner av forskjellige energier (sakte og raskt reflektert). Bildene som er oppnådd samtidig, har ulike opplysninger og forskjellige i kontrast og tillatelse. Mekanismen for dannelsen av kontrast i sekundære og reflekterte elektroner forårsaket av overflatenes morfologi forklarer fig.14.
For å sikre den nødvendige kontrast av bildet til nåværende må være ikke mindre enn
,
hvor ε er effektiviteten av signaldeteksjonen; t. f. - Skannetid av en gjeng av studieområdet. Med lav kontrast må bildet bruke en stråle med større diameter for å gi strøm JEG. min.
Den romlige oppløsningen av bildet avhenger av sammensetningen, retningen til overflaten, størrelsen på overflatearealet og egenskapene til selve rammen. Diameteren av strålen kan reduseres med en reduksjon i strålestrømmen og en økning i sin energi. Diameteren av elektronstrålen ved Energy 10 - 30 KEV og strøm JEG.\u003d 1 · 10 -11 A er (4 - 13) nm.
Hovedbegrensningen på den romlige oppløsningen skyldes behovet for å gi tilstrekkelig strøm av elektronstrålen. Den romlige oppløsningen av RH er mindre enn 10 nm, og dybden av feltet (2 - 4) av ICM med økende x.10 4 og (0,2 - 0,4) mm med økende x.10 2 .
Den lineære oppløsningen av bilder generert av sekundære elektroner er lik summen av diametre av den primære elektronstrålen og uskarphetsområdet i flyet på en dybde som er lik lengden på den frie kjørelengde av elektroner. Sekundære elektroner kan være glade og reflekterte elektroner, som forverrer tillatelse.
Et gjennomsiktig elektronmikroskop med en auto-utslippskatode, et energi omega filter, et Caucher-belysningssystem (patentert av Carl Zeiss SMT) - et mikroskop er designet for å arbeide med høy oppløsning.
Gjennomsiktig elektronisk mikroskop Zeiss Libra 200FE
Libra 200 Fe er et analytisk overføringselektronmikroskop for å drive studier av solid-tilstand og biologiske prøver. Utstyrt med en svært effektiv auto-utslippsemitter og et energi omega-filter for å utføre presisjonsmålinger med høy oppløsning av krystallgitteret og den kjemiske sammensetningen av nanoscaleobjekter. Snapshots oppnådd i MRC i retning av nanoteknologi.
Mikroskopets hovedegenskaper:
Accelerating Spenning:
200 kV, 80 kV, 120 kV.
Øke:
- I PEM-modusen (emner) 8x - 1.000.000;
- i premodus (stamme) 2 000x - 5.000.000;
- I SHPEEE MODE (EELS) 20X - 315X.
Begrens oppløsning:
- i PEM-modus 0,12 nm;
- I premodus (stamme) 0,19 nm.
Oppløsning Shpee Spektrometer (EELS): Energy 0,7 EV.
- - høy solid elektronmikroskopi (Vrem);
- - Gjennomsiktig elektronmikroskopi (PEM);
- - Skanning gjennomsiktig elektronmikroskopi (stamme);
- - PEM med filtrering av energier;
- - Elektronisk diffraksjon (ED);
- - ed i en konvergerende stråle (CBED);
- - analytisk elektronmikroskopi (ål, EDs);
- - z-kontrast;
- - Observasjon av objektet i temperaturområdet fra -170 ° C til 25 O C.
Bruksområder:
- - karakterisering av krystallgitteret og den kjemiske naturen til nanoobjects;
- - Lokal analyse av elementalsammensetningen;
- - Analyse av den strukturelle perfeksjonen av flerlags heterostrukturer for mikro- og optoelektronikk;
- - Identifikasjon av mangler av krystallgitteret av halvledermaterialer;
- - Tynn struktur av biologiske gjenstander.
Krav til prøver:
Standard prøvestørrelse i planet av PEM 3 mm holderen i diameter. Typisk tykkelse for PEM, for eksempel: aluminiumlegeringer, halvledermaterialer PEM - 1000 nm; Vrem - 50 nm.
Energi dispensere x-max x-max detektor
Typen av spektrometer er en energidispersiv (EDS).
Detektor type - analytisk silisium drift detektor (SDD): X-Max;
Det aktive området av krystallet er 80 mm 2;
Grunnleggende kjøling (Peltier);
Motorisert glidebryter.
Spectral Resolution - 127 EV (Mn), tilsvarer ISO 15632: 2002;
Konsentrasjonsfølsomhet - 0,1%.
Holdere av bilder for Libra 200
Gatan Modell 643. Uniaxial Analytical Holder
Designet for å oppnå bilder og analytiske applikasjoner, for eksempel elektronisk diffraksjon og EDX-analyse av prøver hvor to akse av prøven ikke er nødvendig.
Hovedtrekk:
- Draffic Accpair 1,5 nm / min
- Materialholder Beryllium
- Tilts vinkel Maksimalt 60ᵒ
GATAN MODEL 646. TO-AXIS ANALYTICAL HOLDER
Designet for å oppnå bilder med høy oppløsning, inkluderer innehaveren strukturelle funksjoner, optimalisert for elektronisk diffraksjon og EDX-analyse av krystallinske prøver.
Hovedtrekk:
- Drifthastighet 1,5 nm / min
- Oppløsning 0,34 nm i null hellingsvinkel
- Eksempel på 3 mm diameter, 100 mikron tykkelse
- Materialholder Beryllium
- Tiltvinkler α \u003d 60 β β \u003d 45ᵒ
Gatan Modell 626. Uniaxial Cryo Transfer Analytical Holder
Cryo Holderen brukes i applikasjonene for studier ved lave temperaturer av frosne hydratiserte prøver, det kan også brukes til å studere in situ faseoverganger og redusert forurensning som følge av karbonmigrasjon, redusere uønskede termiske effekter i ål.
Hovedtrekk:
- Drifthastighet 1,5 nm / min
- Oppløsning 0,34 nm i null hellingsvinkel
- Eksempel på 3 mm diameter, 100 mikron tykkelse
- Kryogen flytende nitrogen
- Kobberholdermateriale
- Tilts vinkel Maksimalt 60ᵒ
Arbeidsstasjonsmodell 626 arbeidsstasjon
Gatan Modell 636. To-Axle Cryo Analytical Holder
Cryo Holder brukes i applikasjoner for studier ved lave temperaturer, in situ faseoverganger og reduksjon av forurensning som følge av karbonmigrasjon. Det kan også brukes til å redusere uønskede termiske effekter i EELS og EDX analytiske metoder.
Hovedtrekk:
- Drifthastighet 1,5 nm / min
- Oppløsning 0,34 nm i null hellingsvinkel
- Eksempel på 3 mm diameter, 100 mikron tykkelse
- Maks. Driftstemperatur 110 ᵒ
- min. Driftstemperatur - 170ᵒС
- Kryogen flytende nitrogen
- Temperaturstabilitet ± 1 ° C
- Kjøletid 30 minutter til -170 ° C
- Materialholder Beryllium
- Tiltvinkler α \u003d 60 β β \u003d 45ᵒ
Gatan Modell 652. En to-akse analytisk oppvarming holder
Holderen med mulighet for oppvarming av prøven er beregnet for in situ observasjon av mikro-strukturendringer i fase, nukleering, vekst og oppløsning under forhøyede temperaturer.
Hovedtrekk:
- Driftshastighet 0,2 nm / min (ved temperaturer fra 0 til 500 ° C)
- Oppløsning 0,34 nm i null hellingsvinkel
- Eksempel på 3 mm diameter, 500 mikron tykkelse
- Maks. Driftstemperatur 1000 ᵒs.
- min. Driftstemperaturrom
- Berillry Holder Materiale, Kobber
- Hellingsvinkler α \u003d 45ᵒ β \u003d 30ᵒ
Brukes sammen med slike enheter:
Vann Recyclamp Modell 652.09J Vann Resirkulator
Gatan Modell 654. Uniaxial deformasjon Holder
Holderen er utformet for å studere in situ strekkprøver.
Hovedtrekk:
- Drifthastighet 1,5 nm / min
- Oppløsning 0,34 nm i null hellingsvinkel
- Eksempelstørrelse 2,5 mm x 11,5 mm, 500 mikron tykkelse
Brukes sammen med et slikt apparat:
AccutRoller Model 902 Controller
Fiscione Modell 2040. To-aksen Tomographic Holder
Holderen med en ekstra rotasjonsakse er utformet for å oppnå en serie bilder for tomografi.
Hovedtrekk:
- Drifthastighet 1,5 nm / min
- Oppløsning 0,34 nm i null hellingsvinkel
- Eksempel på 3 mm diameter, 100 mikron tykkelse
- Kobberholdermateriale
- Tiltvinkel Maksimalt 70ᵒ
Øk gjennomskinnelig mikroskop
I transmisjonselektronmikroskopi, PEM Transmisjonselektronmikroskopi, tå) Elektroner er akselerert til 100 kEVs eller høyere (opptil 1 MEV), fokusert på en tynn prøve (mindre enn 200 nm tykk) ved hjelp av et kondensert linsesystem og passerer gjennom prøven eller avvikende, eller ikke avvikende. De viktigste fordelene ved PEM er en høy økning, i området fra 50 til 10 6, og dets evne til å motta både et bilde og et diffraksjonsbilde fra samme prøve.
Spredning som gjennomgår elektroner under passasjen gjennom prøven bestemmer hvilken type informasjon mottatt. Elastisk spredning skjer uten tap av energi og gjør det mulig å observere diffraksjonsmønstre. Ufullstendige kollisjoner mellom primære elektroner og elektroner av slike inhomogeniteter av prøven, som grenser for korn, dislokasjoner, partikler i andre fase, mangler, tetthetsvariasjoner, etc., fører til komplekse prosesser av absorpsjon og spredning, noe som fører til romlige variasjoner i intensiteten til de siste elektronene. I PEM kan du bytte fra formasjonsmodusen til prøvebildet inn i modusen for registrering av diffraksjonsmønsteret ved å endre feltstyrken til de elektromagnetiske linsene.
Den høye økningen eller oppløsningen til alle gjennomsiktige elektronmikroskoper er resultatet av en liten effektiv elektronbølgelengde X, som er spesifisert av DE Broglyl-forholdet:
Hvor m og q er massen og ladningen av elektronen, H er en konstant plate, og V er den akselererende forskjellen i potensialer. For eksempel er elektroner med en energi på 100 KEV preget av en bølgelengde på 0,37 nm og er i stand til effektivt trenge gjennom et lag silisium med en tykkelse på ~ 0,6 μm.
Tillatelse av et gjennomsiktig mikroskop
Jo større den akselererende spenningen til transmisjonselektronmikroskopet, desto høyere er den laterale romlige oppløsningen. Den teoretiske grensen for mikroskopoppløsningen er proporsjonal med λ 3/4. Gjennomsiktig elektronmikroskoper med høy akselerasjonsspenning (for eksempel 400 kV) har en teoretisk oppløsning grense på mindre enn 0,2 nm. Høyspente gjennomsiktige elektronmikroskoper har en ekstra fordel - større dybde av elektroninntrengning, siden høy-energi-elektroner svakere interagerer med substans enn lavenergelektroner. Derfor, på høyspente gjennomskinnelige elektronmikroskop, kan du jobbe med tykkere prøver. En av de manglene i Pem er en begrenset dybdeoppløsning. Informasjon om spredning av elektroner i PEM-bildene er basert på en tredimensjonal prøve, men projiseres på en todimensjonal detektor. Følgelig tolkes informasjon om strukturen oppnådd langs retningen av elektronstrålen på bildet av bildet. Selv om hovedproblemet i PEM-metoden er utarbeidelsen av prøver, er det ikke så relevant for nanomaterialer.
Diffraksjonen fra et begrenset område (SAD) gir en unik mulighet til å bestemme krystallstrukturen til individuelle nanomaterialer, som nanokrystaller og et nano-materiale, og den krystallinske strukturen av individuelle deler av prøven. Ved observasjonsdiffraksjon fra et begrenset område blir kondenserende linser defokusert for å skape en parallell stråle som faller inn i en prøve, og blenderåpning brukes til å begrense volumet som deltar i diffraksjonen. Diffraksjonsmønstrene fra det begrensede området brukes ofte til å bestemme typen av modige gitter og parametrene til grillene av krystallinske materialer i henhold til algoritmen som ligner de som brukes i RD. Til tross for at PEM ikke er i stand til å skille på atomer, er elektronisk spredning ekstremt følsom for målmaterialet, og ulike typer spektroskopi er utviklet for kjemisk elementanalyse. Disse inkluderer energidispersivt røntgenspektroskopi (EDAX) og spektroskopi av det karakteristiske energitapet av elektroner (EEL).
Gjennomsiktig elektronisk mikroskop og nanoteknologi
I nanoteknologi brukes PEM ikke bare for diagnosen av struktur og kjemisk analyse, men også for å løse andre oppgaver. Blant dem - Bestemmelse av smeltepunktene til nanokrystaller, når den elektroniske strålen brukes til å varme nanokrystalene, og smeltepunktet bestemmes av forsvinden av det elektroniske diffraksjonsmønsteret. Et annet eksempel er måling av de mekaniske og elektriske parametrene til individuelle nanoner og nanorør. Metoden lar deg få en entydig korrelasjon mellom nanons struktur og egenskaper.
Goshong Cao i van, nanostrukturer og nanomaterialer: syntese, egenskaper og applikasjoner - m.: Vitenskapelig verden, 2012
