Пояснити залежність розмірів області взаємодії від кута падіння пучка.

Пояснити залежність розмірів області взаємодії від кута падіння пучка.

Метод Монте-Карло показує, що розмір області взаємодії істотним чином залежить від кута падіння електронного пучка на мішень.

Зі збільшенням кута нахилу Q лінійні розміри області взаємодії (R) зменшуються. При нормальному падінні (Q = 0°) тенденція до розсіювання електронів вперед за напрямом руху примушує їх рухатись у товщу матеріалу.

При нормальному падінні пучка на мішень, яка має шорстку поверхню, кут нахилу “регулюють” нерівності на поверхні, що, у свою чергу, призводить до різного виходу відбитих електронів та обумовлює контраст на зображенні.

Рисунок 1.7 – Графічне пояснення термінів “кут падіння”(φ) та “кут нахилу”(Θ)

Рисунок 1.8 – До пояснення причини зменшення розміру області взаємодії зі збільшенням кута нахилу

 

Порівняння значень довжини пробігу з даними про розміри області взаємодії

Експериментальні величини (практичний та максимальний пробіг) були отримані для плівок шляхом визначення частки електронів, які пройшли зразок. Практична довжина пробігу може бути розглянута як розмір області взаємодії з великою густиною траєкторій електронів. Максимальний пробіг визначає розмір області взаємодії по лінії, що обмежує всі траєкторії.

Аналіз даних дозволяє зробити висновки:

- зі збільшенням енергії пучка величина довжини пробігу збільшується;

- збільшення атомного номера (густини) матеріалу мішені призводить до зменшення довжини пробігу;

- розрахункові значення з використанням співвідношення Канайє-Окаями краще збігаються з експериментальною величиною максимальної довжини пробігу;

- довжина пробігу згідно з Бете менше збігається у тих випадках, коли пружне розсіювання має більшу ймовірність (великий атомний номер або низька енергія пучка);

– довжина пробігу, визначена за співвідношенням Бете, більша (до 50%) від розрахованої за формулою Канайє-Окаями.

 

Катодолюмінісценція.

Коли бомбардувати електронним пучком напівпровідники та деякі діелектрики, виникає довгохвильове світлове випромінювання в ультрафіолетовій та видимій ділянках спектра. Це явище відоме як катодолюмінесценція. Воно може бути пояснене за допомогою зонної структури твердого тіла. Коли високоенергетичний електрон пучка непружно розсіюється у діелектрику або напівпровіднику, електрони із валентної зони можуть переходити у зону провідності, внаслідок чого утворюються електрон-діркові пари. Якщо на зразок не подана напруга, що розділяє електрон-діркові пари, то електрон і дірка можуть рекомбінувати. Залишок енергії, що дорівнює ширині забороненої зони, звільняється у вигляді кванта. Оскільки ширина забороненої зони точно визначена для даного типу матеріалу, то випромінювання має різкий максимум при відповідних енергіях і може бути  характеристикою складу мішені.

 

Історія створення ПЕМ.

Створення просвічуючого електронного мікроскопа стало можливим завдяки завершенню ряду експериментальних та теоретичних досліджень у фізиці, а саме: відкриття Дж. Томсоном у 1897 р. явища відхилення електронного пучка магнітним та електричним полями; визначення заряду та маси електрона Міллікеном у 1913 р.; встановлення залежності маси електрона від його швидкості, що було отримано Кауфманом у 1901 р., Ейнштейном у 1905 р. та Лоренцом у 1916 р.; створення хвильової теорії матерії де Бройлем у 1924 р.; відкриття дифракції повільних (Девіссон і Джермер) та швидких (Томсон і Рейд) електронів у 1927 р.; створення магнітної лінзи Бушем у 1926 р.

Назвемо деякі важливі моменти у розвитку електронної мікроскопії: 1956 рік. Ментер публікує зображення, яке відповідає кристалографічним площинам фтальцианіду платини (1,2 нм); 1957 рік. Бассед та Ментер отримують зображення міжатомної відстані 0,693 нм у MoO₃; 1961 рік. Хашімото спостерігає зображення атомів у плівці золота товщиною 19 нм при прискорюючій напрузі 100 кВ; 1962 рік. Доуелл отримав зображення міжатомних відстаней 0,32 нм; 1965-1966 роки. Співробітники фірми “Джепен електрооптик” на приладі JЕМ-7 отримали зображення з міжатомною відстанню 0,18 нм.

Зараз у світі до випуску мікроскопів або їх окремих вузлів причетні близько 90 фірм. Найбільш широко використовуються ПЕМ таких фірм: Джеол, Хітачі (Японія); Філіпс (Голландія); Темскан (США); АВТ і Лео (Евросоюз); Сіменс (Німеччина); Селмі (Україна); Тесла (Чехія).

 

Калібрування ПЕМ.

Калібрувальна крива для мікроскопа − це графік залежності збільшення від величини струму в обмотці проміжної лінзи при фіксованому значенні прискорюючої напруги.

Розрізняють калібрування у діапазоні малих (до 10³-0⁴ крат), проміжних та високих (10⁶ крат) збільшень.

При калібруванні збільшень в інтервалі проміжних величин як тест-об’єкт використовують репліки дифракційних решіток з періодом 600-1200 штрихів на 1 мм.

У вибраному діапазоні струмів здійснюють фотографування тест-об’єкта при різних збільшеннях при U =const. Після чого змінюють прискорюючу напругу і проводять знову зйомку і т.д. За результатами калібрування будують сім’ю графіків залежності збільшення від струму збудження проміжної лінзи при різних значеннях прискорюючої напруги, наприклад при U =50; 75; 100 кВ..

Збільшення для різних значень струму проміжної лінзи знаходять за співвідношенням

, де Х₃ − розмір вікна сітки або діаметр діафрагми збільшений на екрані (фотопластинці); Х₀ − відомий розмір об’єкта.

Збільшення зображення визначають за співвідношенням

, де n − число штрихів на 1 мм у дифракційній решітці, Δ l – відстань між сусідніми штрихами дифрешітки.

Працюючи з репліками дифракційних решіток потрібно мати на увазі таке: яскравість електронного пучка повинна бути мінімальною, щоб зберегти репліку від деформації внаслідок нагрівання; фотографувати лише ті ділянки, на яких або поблизу яких немає поривів та відшарування від опорної сітки.

 

Відбиваючий ЕМ.

Дає можливість безпосередньо вивчати поверхню об’єкта дослідження. Формування зображення у такому мікроскопі ґрунтується на тому, що електронний промінь при потраплянні на поверхню зразка різним чином відбивається від різних точок залежно від елементного складу та рельєфу. Внаслідок цього інтенсивність відбитого потоку різна у відповідних напрямках. Останнє обумовлює контраст на зображенні.

До недоліків приладу можна віднести: неоднорідність збільшення на зображенні через нахил площини об’єкта до оптичної осі; спотворення зображення, яке обумовлене апертурною та хроматичною абераціями лінз.

      а                б

Рисунок 4.2. – Схеми ВЕМ: а - з дифузним відбиттям електронів: 1 - електронна гармата; 2 - об'єкт; 3 - об’єктивна лінза; 4 - екран; б - з дзеркальним відбиттям електронів: 1 - електронна гармата; 2 - конденсорна лінза; 3 - об’єкт; 4 - об’єктивна лінза; 5 - проективна лінза; 6 - проміжне зображення; 7 - кінцеве зображення

 

Емісійний мікроскоп.

Емісійні мікроскопи дають можливість розв’язувати два класи задач: дослідження емісійних властивостей катодів; вивчення твердих об’єктів при високих температурах.

Різний ступінь емісії електронів з різних ділянок зразка створює контраст на зображенні. Ділянкам з більшою емісією відповідають на зображенні більш світлі місця. Таким чином, контраст на зображенні в емісійному мікроскопі виникає внаслідок нерівномірної емісії об’єкта.

Рисунок 4.4 – Формування зоб-раження в емісійному мікроскопі: 1 - об’єкт; 2 - оптична система; 3 – зображення

 

Мікроскоп-проектор.

Емісійний мікроскоп без лінз отримав назву мікроскопа-проектора. Існує два типи мікроскопів-проекторів − циліндричний та сферичний. За допомогою сферичних проекторів можна досліджувати скелети молекул без їх руйнування. Для проведення дослідження на кінець голки наносять ту чи іншу речовину. Роздільна здатність мікроскопа становить менше 1 нм.

Рисунок 4.5 – Схема сферичного проектора: 1 - вістря; 2 – стру-мопровідна дуга; 3 – струмо-провідний шар, що є анодом; 4 - струмопровід; 5 - екран; 6 - патрубок для відкачування; 7 – колба; 8 - патрубок з геттером

 

Тіньовий мікроскоп.

Завдяки тому, що на зразок потрапляє пучок електронів, які розходяться, на екрані спостерігається проекція (тінь) пропорційне відстані від зображення до джерела електронів.

Рисунок 4.3 – Хід променів у тіньовому мікроскопі: 1 - джерело електронів; 2, 3 –електростатичні  лінзи; 4 - зразок; 5 – екран

 

Метод реплік та відтінень.

Виготовлення реплік або відбитків використовується при необхідності дослідження поверхні масивних об’єктів методом ПЕМ. Репліка являє собою тонку плівку із прозорого матеріалу для електронів, яка у точності відповідає топології поверхні зразка (рис. 5.3).

 

Рис. 5.3 – Одноступеневий (а) та двоступеневий (б) методи виготовлення реплік: 1 - зразок; 2 – сконденсована репліка; 3 - кінцева репліка; 4 – зразок, покритий пластиком; 5 - пластиковий відбиток поверхні зразка

При одноступеневому методі репліка знімається безпосередньо з поверхні зразка. При двоступеневому на поверхню зразка наносять пластик для отримання попереднього відбитка, з поверхні якого знімається кінцева репліка. Двоступеневий метод дає можливість зберегти поверхню зразка.

Кінцеві репліки можна отримати такими способами: шляхом розчинення зразків у реагентах; шляхом занурення у рідину; з використанням адгезивної плівки; за допомогою електрополірування зворотного боку зразка.

У більшості випадків репліка являє собою плівки вуглецю. Крім вуглецю, використовують оксиди кремнію, формвар, сплав платини з вуглецем.

Для підвищення контрасту на зображенні поверхні репліка повинна бути відтінена. Для цього у вакуумі під певним кутом на поверхню плівки наносять шар металу (рис. 5.4). Як бачимо з рисунка на деякі ділянки плівка не конденсується. Такі області прозорі для електронів і на екрані більш світлі. Щоб отримати кінцеве зображення, необхідно виготовляти проміжний негатив для обертання контрасту.

Рисунок 5.4 – Схема відтінення: 1 - неоднорідність на поверхні; 2 - плівка матеріалу, за допомогою якої здійснюється відтінення; 3 - напрямок відтінення

 

Пояснити залежність розмірів області взаємодії від кута падіння пучка.

Метод Монте-Карло показує, що розмір області взаємодії істотним чином залежить від кута падіння електронного пучка на мішень.

Зі збільшенням кута нахилу Q лінійні розміри області взаємодії (R) зменшуються. При нормальному падінні (Q = 0°) тенденція до розсіювання електронів вперед за напрямом руху примушує їх рухатись у товщу матеріалу.

При нормальному падінні пучка на мішень, яка має шорстку поверхню, кут нахилу “регулюють” нерівності на поверхні, що, у свою чергу, призводить до різного виходу відбитих електронів та обумовлює контраст на зображенні.

Рисунок 1.7 – Графічне пояснення термінів “кут падіння”(φ) та “кут нахилу”(Θ)

Рисунок 1.8 – До пояснення причини зменшення розміру області взаємодії зі збільшенням кута нахилу