«В. І. Перекрестов ПРАКТИЧНІ МЕТОДИ ЕЛЕКТРОННОЇ МІКРОСКОПІЇ Навчальний посібник Суми Сумський державний університет УДК 621.385.833(9758) ББК 22.33397 П27 Рецензенти: О. С. Кузема – ...»
Працюючи в лабораторії Radio Corporation of America, російський фізик-експериментатор Володимир Зворикін у 1942 році опублікував працю, в якій викладені основні принципи дії першого скануючого електронного мікроскопа, що дозволяє проаналізувати не лише тонкий зразок на просвіт, а й структуру поверхні масивного зразка. При цьому як джерело електронів використовували електронну гармату з вольфрамовим катодом при напрузі прискорення 10 кіловольтів. Оптична схема мікроскопа складалася із трьох магнітних лінз, причому магнітна система відхилення розміщувалася між першими двома лінзами. Необхідно відзначити, що на відміну від сучасного РЕМ електронна гармата розміщувалася внизу мікроскопа. За припущенням розробників, у цьому разі було простіше маніпулювати положенням об’єктів досліджень. Однак така конструкція не виключала небажане падіння об'єкта в колону мікроскопа. Із цієї причини в сучасних РЕМ електронна гармата розташована у верхній частині колони мікроскопа. Разом з тим використання В. Зворикіним магнітних лінз і системи реєстрації вторинних електронів дозволило отримувати роздільну здатність близько 50 нм під час вивчення структурно-морфологічних характеристик масивних об'єктів. Незважаючи на появу нових функціональних можливостей РЕМ, бурхливий розвиток ПЕМ залишав у тіні растрову електронну мікроскопію. Лише в 1952 році Чарльз Отлі створив растровий електронний мікроскоп, серійне виробництво якого було налагоджене в середині 1960-х років. Унаслідок малої довжини хвилі електронів були створені електронні мікроскопи з роздільною здатністю, що перевишує на кілька порядків роздільну здатність світлових мікроскопів.
Коротко розглянемо історію розвитку електронної мікроскопії в СРСР. Унаслідок ізольованості СРСР створення електронної мікроскопії відбувалося незалежно від досягнень у західному світі. У довоєнний час робота зі створення електронної мікроскопії проводилась у Державному оптичному інституті (ДОІ) в Ленінграді О. О. Лебедєвим, який згодом став академіком АН СРСР.
Починаючи з 1935 року розробленням електроннного мікроскопа зайнявся молодий інженер Віктор Миколайович Верцнер. Результатом його роботи, а також конструктора Н. Г. Зандіна та наукового співробітника Г.О. Багдикьянца і вважається створення першого електронного мікроскопа в СРСР. Необхідно відзначити, що одночасно з роботою ленінградської школи паралельно йшли пошуки в цьому напрямку в московських інститутах.
Однак Міністерство оборонної промисловості, що фінансувало проект зі створення електронного мікроскопа, віддало перевагу ДОІ.
До кінця 1940 року був зібраний макет першого в СРСР ПЕМ із використанням магнітних лінз. Він дозволяв отримувати збільшення до 10000 разів. Ленінградські вчені продовжували роботу над удосконаленням мікроскопа навіть у важкі роки воєнної блокади, що дозволило до 1943 року одержати збільшення у 25 000 разів. Важливо відзначити, що останній варіант електронного мікроскопа був пристосований для проведення серійних структурних досліджень. Відомо, що творці електронного мікроскопа в блокадному Ленінграді, перебуваючи на межі фізичного існування, вирішували складні для тих умов технічні завдання. До останніх необхідно віднести забезпечення стабілізації високої напруги, а також точність виготовлення і підгонки електронної оптики. Минулий час стер деякі аспекти складної праці фізиків, техніків і робітників. Разом з тим можна з упевненістю сказати, що до основних принципів організації праці входило беззаперечне виконання військового замовлення в надскладних умовах. Можна також з упевненістю говорити про те, що це був науковий подвиг фізиківекспериментаторів.
До кінця 1946 року в СРСР було налагоджено серійне виробництво електронних мікроскопів із максимальним збільшенням у 100000 разів. При цьому вироблені мікроскопи були багатофункціональними.
Зокрема, технічні можливості мікроскопів дозволяли отримувати стереоскопічні знімки, а також вивчати кристалічну структуру об'єктів за допомогою електронограм. За створення електрорнного мікроскопа в 1947 році О. О. Лебедєву, В. Н. Верцнеру та Н. Г. Зандіну присуджена Сталінська премія.
Зупинимося на деяких історичних аспектах створення в СРСР растрової електронної мікроскопії. Початок роботи над цим проектом потрібно віднести до організації на фізичному факультету МДУ Лабораторії растрової електронної мікроскопії під керівництвом професора Григорія Веньяміновича Співака. Спочатку основним напрямком роботи лабораторії було розроблення методів кольорового контрасту в РЕМ. Тим самим планувалося більш рельєфно візуалізувати просторове відображення інформації про фізичні властивості досліджуваного об'єкта. Однак необхідно відзначити, що створення РЕМ знаходилося в тіні розроблення та успіхів просвічувальної електронної мікроскопії. З цієї причини в кінці 50-х років промислових РЕМ у СРСР ще не існувало, а у світі їх кількість вимірювалась одиницями. Естафету зі створення РЕМ у 1956 році несподівано для всіх узяв на себе студент 5-го курсу кафедри електроніки МДУ Геннадій Сапарін.
Беручи до уваги наявність на той момент бази елементів електроніки, статус студента, фінансове забезпечення і тощо, то виконання поставленого завдання стало досить проблематичним. Однак уже до кінця 1958 року Г.
Сапаріним була створена перша в СРСР діюча модель РЕМ. Цікаво відзначити, що колону мікроскопа була виконано на основі скляної колби, а електронну частину, що забезпечує фокусування і розгортку електронного пучка, – у вигляді оригінальних лампових схем. При цьому як монітор використовувався один із перших промислових лампових телевізорів, а детектор вторинних електронів виготовлений на основі електронного помножувача з невисокими характеристиками. Незважаючи на велику кількість проблем, 3 січня 1959 р. Сапарін отримав перше зображення. На рис. 1.2 подана фотографія легендарного приладу. Створений Г. Сапаріним прилад ще не дозволяв проводити серйозні дослідження структурно-морфологічних характеристик поверхні, проте накопичений під час виконання роботи досвід дав значний імпульс для подальшого проектування РЕМ на «металевій»
основі, а якщо точніше – на основі промислового електронографа ЕМ-4. Важливо підкреслити, що в цьому разі розроблення приладу стала предметом дипломної роботи студента Н. А. Переверзева, а його науковим керівником був на той час вже молодший науковий співробітник Г. В. Сапарін. Уже в 1961 році молода команда впоралася зі своїм завданням. На рис. 1.3 показаний зовнішній вигляд цього приладу. За допомогою створеного ними мікроскопа виконані перші в СРСР експерименти з візуалізації електричних і магнітних полів.
Зокрема, вивчені мікрополя напівпровідникових p-n-переходів і створені основи теорії формування польового контрасту в РЕМ. Проте створений у МДУ прилад мав цілу низку недоліків. Зокрема закладена в приладі висока швидкість сканування не дозволяла підвищувати відношення сигналу до шумових процесів.
Лише в 1968 році керівництво МДУ дало високу оцінку результатам роботи лабораторії растрової електронної мікроскопії. Для подальшого розвитку лабораторії виділили кошти на придбання промислового РЕМ «Stereoscan MK-II» фірми «Cambridge Instruments»
із роздільною здатністю 20 нм. Усі подальші роботи, виконані в лабораторії растрової електронної мікроскопії, зроблені за допомогою модифікації придбаного приладу.
Рисунок 1.2 – Частина скляної колони РЕМ зі вбудованим детектором вторинних електронів Рисунок 1.
3 – РЕМ, створений в 1961 році на основі електронографа ЕМ-4 Промислове виробництво РЕМ і ПЕМ у СРСР було організоване на Сумському заводі електронних мікроскопів. Для створення цього підприємства зібрані кращі випускники провідних вузів СРСР. Результатом роботи Сумського заводу електронних мікроскопів став серійний випуск найрізноманітніших електронних мікроскопів, які досі працюють на пострадянському просторі. Однак відсутність конкурентного середовища і переважання кількісних показників над якісними поступово призводили до відставання експлуатаційних характеристик виготовлених приладів. Врешті-решт підсумку наші виробники не витримали конкуренції з іноземними фірмами, що поставляють на ринок більш досконалі прилади.
Досягнення в галузі фізики твердого тіла, переважна кількість видатних технічних рішень, успіхи у вивченні біологічних об'єктів та інші наукові досягнення багато в чому пов'язані з електронною мікроскопією. Без електронної мікроскопії складно уявити розвиток різноманітних нанотехнологічних напрямків і науки про життя. При цьому растрова і просвічувальна електронні мікроскопії приблизно однаковою мірою затребувані найрізноманітнішими науково-технічними галузями.
2 ФІЗИЧНІ ОСНОВИ РОБОТИ ЕЛЕКТРОННИХ МІКРОСКОПІВ
2.1 РОЗДІЛЬНА ЗДАТНІСТЬ ЕЛЕКТРОННИХ МІКРОСКОПІВ Основне завдання цього розділу полягає в ознайомленні з фізичними основами роботи електронних мікроскопів та з їх перевагами порівнянно з оптичними мікроскопами. На початку відзначимо, що принципова оптична схема ПЕМ мало чим відрізняється від принципової схеми простого оптичного мікроскопа. Поряд з цим зі зрозумілих причин інженерна реалізація ПЕМ є значно складнішим завданням, ніж інженерне виконання типового оптичного мікроскопа. До найбільш важливих характеристик мікроскопів різних типів потрібно віднести роздільну здатність, що є мінімальною відстанню між двома точками досліджуваного об'єкта, які спостерігаються окремо одна від одної. У загальному випадку роздільна здатність оптичних приладів визначається співвідношенням l = 0.61/nsin, (2.1) де – довжина хвилі де Бройля електронів, при взаємодії якого з об’єктом формується його зображення;
n – коефіцієнт заломлення середовища між об'єктивною лінзою і об'єктом; – апертурний кут.
Така характеристика приладу, як збільшення, не є універсальною. Так можна отримати значне збільшення без будь-якого контрасту, що відповідає структурі об’єкта.
На відміну від збільшення роздільна здатність є універсальною характеристикою оскільки в ній поєднується не лише збільшення, а й чіткість зображення структурних елементів, що знаходяться на рівні масштабу роздільної здатності. Очевидно на основі виразу (2.1) можна стверджувати, що для підвищення експлуатаційних
U 1 2 1 0.9788 10 6 U що дозволяє отримувати значення довжини хвилі в ангстремах. Аналізуючи вираз (2.8) можна стверджувати, що при збільшенні напруги прискорення електронів U відповідна довжина хвилі електронів зменшується.
Розрахунки показують, що вже при енергії електронів 100 кеВ довжина хвилі без урахування релятивістського варіанту дає похибку 5% і складає величину 0.0037 нм.
Цей факт свідчить про те, що при розрахунку електронограм з використанням довжини хвилі електронів вкрай необхідно враховувати релятивістську поправку.
Поряд з цим досить малі значення довжини хвилі релятивістських електронів свідчать про значні можливості електронної мікроскопії.
2.2 МАГНІТНІ ЛІНЗИ Електронну оптику, що змінює траєкторію руху електронів, можна реалізувати на основі магнітних або електростатичних лінз. Спочатку розглянемо принципи роботи магнітних лінз. Основним елементом цих лінз є соленоїд, що розміщений у магнітопроводі, що фокусує викривлене магнітне поле в досить обмежений об’єм внутрішньої частини соленоїда (рис. 2.1).
Рисунок 2.1 – Вигляд перетину вісесиметричної магнітної лінзи: 1 – соленоїд, 2 – магнітопровід, 3 – діюче на електрони викривлене магнітне поле
a б Рисунок 2.2 – Поздовжній (а) та поперечний (б) перерізи магнітної лінзи в області дії магнітного поля на траєкторію руху електронів: (1 – магнітопровід, 2 – силові лінії магнітного поля, 3 – загальна форма електронного пучка в магнітній лінзі, 4 – траєкторія руху електрона Використовуючи правило «правої руки», можна показати, що F2 спрямована до осі лінзи (див. рис 2.2). Отже, електрон, потрапляючи в магнітне поле лінзи, починає рухатися по спіралі, що зменшує свій радіус. При цьому «розкручування» електрона у зворотний бік при його переході в другу половину лінзи відбувається частково. Це пов'язано з тим, що області проходження електроном першої та другої половин лінзи не є симетричними.
Зрештою, електрон перетинає вісь лінзи в точці Д (див.
рис. 5). Необхідно підкреслити, що при проходженні електроном магнітної лінзи він змінює лише напрям свого руху, а модуль швидкості не змінюється.
2.3 ЕЛЕКТРОСТАТИЧНІ ЛІНЗИ.
Розглянемо характерні особливості роботи електростатичної лінзи, поздовжній переріз якої показаний на рис. 2.3. Електростатична лінза в загальному випадку складається із співвісно розміщених діафрагм, між якими прикладена різниця потенціалів.
Рисунок 2.3 – Поздовжній переріз електростатичної лінзи: 1 – діафрагми, 2 – траєкторія руху окремого електрону, 3 – силові лінії електричного поля, 4 – загальна форма електронного пучка при проходженні електростатичної лінзи
випадку, сила буде прискорювати електрони в F2 t напрямку осі лінзи. Разом з тим дія сили F2 n сприяє тому, що електрон відхиляється від осі лінзи. У зв’язку з цим потрібно зазначити, що ефективність дії сили F2 n буде менш виражена, ніж ефективність дії сили F1n. Це обумовлено тим, що у другій частині лінзи внаслідок дії сил F2 t і F1t електрон рухається зі швидкістю, що перевищує швидкість руху в першій частині лінзи. Отже, час дії сили F2 n буде меншим ніж час дії сили F1n, і відповідно до законів Ньютона зміна імпульсу електронів у другій частині лінзи в напрямку, перпендикулярному до осі лінзи, буде менш вираженою. З цих причин електрон перетинає вісь лінзи в точці Д, тобто розглянута електростатична лінза є аналогом збиральної лінзи.
«