РЭМ предназначена, в первую очередь, для получения увеличенных изображений объектов вплоть до субнанометровых размеров. Как следует из названия, изображение исследуемых объектов в РЭМ, формируется в результате сканирования образца сфокусированным пучком электронов (пучком первичных электронов), последовательно точка за точкой. При этом при взаимодействии электронного пучка с материалом/поверхностью исследуемого объекта происходит возбуждение большого количества разнообразных сигналов (см. рис. 1.1).
Риc. 1.1. Многообразие сигналов, возникающих в результате взаимодействия электронного пучка с поверхностью образца
Детектируя, любой из возбуждаемых сигналов можно построить карту распределения интенсивности (микрограмма) этого сигнала. Результаты, полученные посредством, использования разных детекторов позволяют производить всестороннее исследование и сформировать представление об исследуемом объекте.
1. Требования к образцам
Для проведения исследований методом РЭМ объекты должны отвечать ряду требований. Во-первых, исследуемые объекты должны иметь подходящий размер, ограниченный сверху размерами шлюза рабочей камеры и быть устойчивыми к облучению пучком электронов с дозой около 103 мкКл/см2. Во-вторых, поскольку исследования проводятся в вакуумной камере, образцы должны быть стабильны и не возгоняться/испаряться при давлении 10-4 Па. Наконец, исследуемые образцы не должны способствовать избыточному накоплению заряда, спровоцированного электронным пучком, другими словами, удельное сопротивление материала образца не должно превышать величину 104 Ом/см. Для работы с непроводящими или плохо проводящими образцами возможно использование газонапускного компенсатора заряда, покрытие поверхности образцов тонкими проводящими плёнками (см. рис. 1.2.б) и работа в режиме низкого ускоряющего напряжения или низкого вакуума. Каждый из этих методов имеет как свои достоинства, так и недостатки.
2. Детектирование вторичных электронов
Вторичныe электроны (ВЭ) – электроны исследуемого материала, получившие от электронов пучка (первичные) энергию достаточную для преодоления потенциального барьера и способные покинуть его. Основная часть ВЭ выходит с глубины до 10 нм, т.е область генерации сигнала минимальна, а пространственное разрешение максимальное.
а) Секторальный детектор вторичных электронов
Изображения, полученные в режиме регистрации вторичных электронов (ВЭ) детектором Эверхарта-Торли, более всего схоже с изображениями, получаемыми в оптической микроскопии при боковом освещении образца(см. рис. 1.2а). Это явления носит название светооптической аналогии в электронной микроскопии и значительно упрощает интерпретацию полученных изображений. Сигнал ВЭ чувствителен к морфологии поверхности исследуемого объекта, а так же тонким моноатомным покрытиям, в том числе и загрязнениям, способным значительно изменить работу выхода для электронов по сравнению с материалом подложки.
б) Внутрилинзовый детектор вторичных электронов
Главной особенностью, как следует из названия, является его расположение. Это позволяет собирать большую часть сигнал ВЭ, что, в свою очередь, значительно увеличивает чувствительность. Требования 1.1 к образцам при этом заметно повышаются, кроме того, здесь уже нельзя игнорировать углеродные загрязнения, возникающие в результате сканирования электронным пучком, что приводит к значительному уменьшению максимального времени экспозиции.
Риc. 1.2. РЭМ снимки различных объектов: А – микрорсферы из биоразлагаемого полимера; детектор Эверхарта-Торли. Б – детали скелета солнечника(Heliozoa), покрытые слоем углерода толщиной 5 нм; внутрилинзовый детектор ВЭ. В – поперечный срез образца керамики; детектор Эверхарта-Торли. Г - поперечный срез образца керамики; детектор обратнорассеянных электронов.
3 Детектирование отраженных/обратнорассеянных электронов (ОРЭ)
Сигнал ОРЭ выходит с большей глубины нежели ВЭ до нескольких мкм. Интенсивность сигнала зависит от порядкового номера элемента исследуемого материала, что приводит, как результат, к материальному контрасту поверхности (см. рис. 1.2г.).
4 Низковольтная растровая электронная микроскопия (НВРЭМ).
В НВРЭМ используются ускоряющие напряжения в диапазоне от 10 В до 2 кВ. Электроны соответствующих сравнительно низких энергий в меньшей степени повреждают чувствительные образцы. Выбор определенного, зависящего от материала, ускоряющего напряжения около 1 кВ позволяет добиться равенства единице коэффициента полной вторичной электронной эмиссии, и, как следствие, избежать заряжения образца пучком электронов. Таким образом, НВРЭМ является крайне эффективным методом для исследования непроводящих и чувствительных образцов. К ограничениям этого метода следует отнести невозможность проведения элементного микроанализа (см. ниже), так как он требует больших энергий первичных электронов, низкий элементный контраст и сравнительные малые поля сканирования.
Рис. 1.3. НВРЭМ снимки биологических объектов. А – тромбоциты человека, зафиксированные на предметном стекле без запыления. Б - жгуты ДНК, высаженные на кремниевую подложку. Оба снимка получены с использованием внутрилинзового детектора ВЭ.
5 Рентгеновский энергодисперсионный микроанализ (EDX, energy dispersive X-Ray microanalysis).
Сфокусированный пучок электронов, попадая в образец, как видно из рис. 1.1, вызывает рентгеновскую флюоресценцию, содержащую, как тормозную компоненту, так и характеристические линии атомов элементов, входящих в состав материала образца. Анализируя спектр рентгеновского излучения, можно оценить состав образца, как качественно, так и количественно. Для регистрации рентгеновского излучения используется полупроводниковый детектор, охлажденный до температуры около -40оС. Энергетическое разрешение такого детектора составляет величину около 120 эВ, что не позволяет анализировать энергетические сдвиги характеристических линий за счет химических связей, а также ограничивает нижний порог анализируемых элементов бором (Z=5). Элементы с меньшим атомным номером не могут быть достоверно обнаружены методом EDX. Чувствительность метода зависит от материала исследуемого образца и составляет величину около 0.1% по весу.
Рис. 1.4. Микроанализ включения в аншлифе образца стали. А – РЭМ снимок участка с указанием точки микроанализа. Б – спектр рентгеновской флюоресценции, возбужденной первичным пучком в указанной точке, отмечены характеристические линии.
Для проведения рентгеновского микроанализа используются электроны с энергиями, достаточно высокими для эффективного возбуждения интересующих характеристических линий, обычно величина ускоряющего напряжения находится в диапазоне 4 кВ – 30 кВ. Следует отметить, что рентгеновское излучение возбуждается во всем объеме взаимодействия первичных и обратнорасеянных электронов в образце. Как следствие, глубина выхода сигнала рентгеновской флюоресценции составляет величину от 0.2 мкм до 4 мкм, а диаметр области выхода – от 0.1 до 0.5 мкм. Это налагает существенные ограничения на исследование нанообъектов, размеры которых сравнимы или меньше области генерации рентгеновского излучения. Сканируя точка за точкой область на поверхности образца, и регистрируя спектр рентгеновского излучения в каждой точке, возможно построение карты распределения различных элементов. Пространственное разрешение подобной карты распределения элементов определяется областью выхода рентгеновского излучения и составляет величину около 200 нм.
Рис. 1.5. Элементное картирование участка поперечного сечения трубы, подвергшейся коррозии. А – РЭМ снимок исследуемого участка. Б – карта распределения серы. В – карта распределения углерода. Г – карта распределения железа. Д – визуализация распределения элементов S, C, Fe, при помощи конверсии рентгеновского спектра в спектр видимого излучения.
Анализируя соотношение интенсивностей характеристических линий рентгеновского спектра, можно рассчитать соотношение концентраций различных элементов, входящих в состав материала образца. В большинстве коммерчески доступного ПО при расчете предполагается, что элементы распределены в объеме однородно и поверхность образца является идеально плоской поверхностью. В случае, если имеет место неоднородное распределение различных элементов в объеме генерации рентгеновского излучения(например, исследуемый образец представляет собой слоистую структуру) или поверхность образца не отполирована, расчет элементного состава образца может давать значительные погрешности. Величина погрешности зависит как от материала исследуемого образца, так и от величины неоднородностей в составе и формы поверхности и может составлять величину до 300% для элементов, содержащихся в низких концентрациях, и до 30% в случае высоких концентраций.
