SHPORA.net :: PDA | |
Main FAQ гуманитарные науки естественные науки математические науки технические науки 3.1. Просвечивающая электронная микроскопия Электронный пучок можно использовать не только для получения кристалло¬графической информации о поверхности наночастицы, но и для создания изо¬бражения поверхности. Такую роль он и играет в электронном микроскопе. В просвечивающем электронном микроскопе электроны из некоторого ис¬точника, например, электронной пушки, попадают на образец, рассеиваются при прохождении сквозь него, фокусируются объективом, проходят через увеличительную (проекторную) линзу и, наконец, создают искомое изображе¬ние. Эту последовательность можно увидеть на рис. 3.10 при рассмотрении слева направо. Длина волны электронов в падающем пучке выражается формулой (3.6), которую удобнее использовать в виде где энергия, полученная электронами, Е = eV, а V— ускоряющее напряжение, выраженное в киловольтах. Если присутствуют удаленные друт от друга тяжелые атомы, то они дают основной вклад в рассеяние со средним углом рассеяния θ, выражающемся как θ ~ λ/d, где d — средний диаметр таких атомов. Для ускоряю¬щего напряжения 100 кВ и среднего диаметра атомов 0,15 нм получаем θ ~ 0,026 радиана, или 1,5°. Изображение формируется вследствие того, что разные атомы рассеивают и поглощают быстрые электроны с разной эффективностью. Когда отдельные атомы тяжелых элементов находятся на расстоянии, большем не¬скольких параметров решетки, их можно в некоторых случаях разрешить этой методикой. Электроны гораздо сильнее взаимодействуют с веществом, чем рентгенов¬ские лучи или нейтроны со сравнимой энергией или длиной волны. Для обычно¬го упругого рассеяния электронов с энергией ~ 100 кэВ среднее расстояние, про¬ходимое электроном между двумя актами рассеяния в веществе, называющееся длиной свободного пробега, составляет от нескольких десятков нанометров для легких атомов до десятков, или, возможно, сотен нанометров для тяжелых ато¬мов. Лучшие результаты электронная микроскопия дает для пленок с толщиной, сравнимой с длиной свободного пробега. Существенно более тонкие пленки рас¬сеивают слишком мало для получения полезных изображений, в то время как в более толстых пленках преобладает многократное рассеяние, размывающее изображение и делающее его трудно интерпретируемым. На просвечивающем электронном микроскопе можно получать изображе¬ния и с помощью электронной дифракции от ограниченной области (SAED), Рис. 3.10. Схема прохождения лучей в традиционной просвечивающей электрон¬ной микроскопии (путь сверху) и сканирующей просвечивающей элек¬тронной микроскопии (путь снизу). Рис. 3.11. Расположение детекторов сигна¬ла в колонне электронного микроскопа. помещая апертуру в пучок между объективной и проекторной линзами, пока¬занными на рис. 3.10. Основная часть электронного пучка, прошедшего через образец, состоит из электронов, вообще не претерпевших рассеяния. В этом пучке также присутствуют электроны, потерявшие часть энергии из-за неупру¬гого рассеяния без изменения направ¬ления полета, и электроны, отражен¬ные от различных кристаллографиче¬ских плоскостей (h k l). Для получения того, что называется изображением на светлом поле, апер¬тура вводится так, чтобы проходил только основной не отклоненный пу¬чок, как показано на рис. 3.11. Изоб¬ражение на светлом поле наблюдается на детекторе или экране. Детали изо¬бражения в темном поле зависят от конкретного луча (конкретной (h k l) плоскости), выбранного для получе¬ния изображения. На рис. 3.11 пока¬заны положения апертур светлого и темного поля. Для иллюстрации этой техники получения изображений на рис. 3.12 приведены изображения сплава железа с аустенитной ГЦКструктурой, Рис. 3.12. содержащей 2-3 нанометровые частицы Ni3(Ті,А1) с ГЦК структурой. Дифракционная картина на рис. 3.12а, полученная без примене¬ния фильтров, состоит из больших ярких рефлексов от сплава и очень малень¬ких тусклых рефлексов от γ' - наночастиц. На изображении в светлом поле, по¬казанном на рис. 3.12б, γ' - частицы едва видны, но созданные ими поля упру¬гих напряжений размерами около 25 нм видны отчетливо. Если для электронной дифракции от ограниченной области выбрать апертуру так, что¬бы проходил только луч, указанный на рис. 3.12а стрелкой, то на получившем¬ся изображении темного поля, представленном на рис. 3.12в, хорошо видны положения частиц Ni3(Ті,А1). Для увеличения количества информации, получаемой из снимка, и изучения деталей, интенсивность которых близка к шуму, можно использовать специаль¬ные приемы обработки изображений. Если провести обработку изображения вы¬сокоэффективным методом быстрого преобразования Фурье, можно получить информацию, аналогичную результату такого преобразования обычной дифрак¬ционной картины. цы. Наконец, на рис. 3.13ж показана реконструкция наночастицы на основе полу¬ченных данных. Рис. 3.13. Обработка изображения частиц Ni на SiO2 субстрате с просвечивающего электронного микроскопа, (а) - первона¬чальное изображение, (б) — пространст¬венное быстрое преобразование Фурье снимка (а), (в) - изображение, полученное с апертурным фильтром, показанным на врезке, (г) - дальнейшая обработка изоб¬ражения с другим апертурным фильтром, показанным на врезке, (д) - окончатель¬ное изображение, (е) - изображение SiO2 субстрата, полученное вычитанием изоб¬ражения частицы, (ж) - модель наночасти- цы, воссозданная на основе полученных данных. Кроме прошедших насквозь электронов в пучке присутствуют и электроны, испытавшие в образце неупрутие со¬ударения и потерявшие энергию, по¬траченную на создание возбуждений в образце. Это может произойти при возбуждении колебаний атомов, нахо¬дившихся около траектории пролета электрона, и, следовательно, возбуж¬дении фононов, распространяющихся по кристаллу. Если образец металли¬ческий, электрон может испытать не¬упругое рассеяние из-за возбуждения плазмона, то есть коллективного воз¬буждения в электронном газе в зоне проводимости. Третьим очень важным источником неупругого рассеяния служит генерация одноэлектронных возбуждений атомов. Этот процесс может затрагивать внутренние элек¬тронные оболочки атомов, например, может произойти переброс электрона с К (п = 1) или L (п = 2) уровня на бо¬лее высокий квантовый уровень ато¬ма, в зону проводимости или вообще выбивание этого электрону из образца (ионизация). Меньшие потери энер¬гии могут произойти при перебросе электрона из валентной зоны полу¬проводника в зону проводимости. Та¬кое возбуждение может релаксировать посредством перехода электрона в ос¬новное состояние с испусканием све¬та. Характеристики этого вторичного излучения часто могут дать полезную информацию об образце. Этот тип пе¬ реходов используется во многих раз¬делах электронной спектроскопии. Данную методику можно использо¬вать для исследования поверхности, так как глубина проникновения элек¬тронов в образец мала. |