Файл: стр_193-222___Metody_analiza_i_kontrolya_veshch (1).docx

280

Более строгое рассмотрение геометрии дифракции приводит к вы- воду, что условие Вульфа-Брэгга для каждой системы плоскостей hkl справедливо в направлениях, которые идут вдоль направления конуса, ось которого – нормаль к плоскостям hkl.

Анализ интенсивности требует обязательного применения динами- ческой теории, в которой используется представление о блоховских волнах. При точной вульф-брэгговской ориентации данных плоскостей и не слишком большой толщине кристалла амплитуды волн типа 1 (сла- бо взаимодействующая с атомами) и типа 2 (сильно взаимодействующая с атомами) равны. Если преобладающей оказывается волна 2, то элек- троны преимущественно взаимодействуют с веществом в тонком слое у поверхности (возрастает эмиссия). Если преобладает волна типа 1, то большее число электронов проникает (каналирует) вглубь кристалла (коэффициент вторичной эмиссии и коэффициент отражения уменьша- ется).

На картины каналирования сильное влияние оказывает угол расхо- димости зонда: резкие изменения интенсивности происходят в довольно узком интервале углов. Современные приборы позволяют получить кар- тины каналирования от участков объекта с поперечным размером ~ 1 мкм. Для этого в дополнение к сканированию по площадям прово- дится сканирование по углам.

Сканирование по углам можно осуществить с помощью дополни- тельной отклоняющей системы, которая располагается между объек- тивной конечной линзой и образцом и отклоняет пучки так, чтобы они пересекались в одной точке на поверхности объекта. Другой способ со- стоит в смещении точки пересечения сканируемых пучков к плоскости объекта (рис. 9.12).

Для получения информации о кристаллографической ориентировке следует использовать большие углы качания, если необходима инфор- мация о совершенстве кристалла, то угол качания может быть меньшим и размер области объекта может быть менее 1 мкм.

Магнитный контраст может быть двух типов: контраст, обуслов- ленный взаимодействием ВЭ с магнитными полями рассеяния возле по- верхности объекта, и контраст, обусловленный взаимодействием высо- коэнергетических электронов внутри объекта с его внутренним полем. Использование того или иного типа магнитного контраста зависит от типа магнитной структуры объекта.

281

Рис. 9.12. Переход от схемы сканирования по площади (а) к сканированию по углам (б): 1 – ограничивающая диафрагма второго конденсора в обычном режиме сканирования; 2 – диафрагма (~100 мкм) для ограничения угла расходимости в ре- жиме сканирования по углу; 3 – диафрагма (~50 мкм) объективной линзы, ограни-

чивающая угол расходимости при обычном сканировании; А – второй конденсор; Б – верхние отклоняющие катушки; В – нижние отклоняющие катушки (отключения

в режиме сканирования по углам); Г – объективная линза; Д – образец

Контраст первого типа возможен только в случае магнитной струк- туры, показанной на рисунке 9.13, а. Под действием силы Лоренца про- исходит заметное изменение траектории вторичных электронов (рис. 9.14). Домены с противоположным направлением вектора индук- ции B будут иметь различную яркость; разрешение составляет обычно несколько микрометров.

Рис. 9.13. Магнитная структура объекта

Действие магнитного поля внутри материала объекта на траекто- рии электронов иллюстрируется рисунком 9.14. Для получения контра- ста надо, чтобы поверхность образца была наклонена к падающему пуч- ку, причем ось наклона должна быть параллельна направлению векто- ров B (показан случай 180° границы). Как видно из схемы рисунка

282

9.13, а, электроны приближаются к поверхности образца при одном направлении B и удаляются в случае противоположного направления B. Очевидно, контраст типа 2 должен формироваться только теми электро- нами, путь которых внутри материала значителен, т. е. изображения до- менов для ферромагнетиков структурой типа изображенных на рисунке 9.13, б можно получить только в ОЭ и в режиме поглощенных электро- нов.

Рис. 9.14. Вторичные электроны

Разрешение – обычное для изображений в ОЭ и при достаточно малом размере зонда может быть доведено до величины, соответству- ющей толщине доменной границы (~ 1000 Å). Контраст типа 2 резко увеличивается с повышением ускоряющего напряжения. Тем не менее, контраст является слабым (например, для железа при E = 30 кВ и угла наклона 55° контраст изображения 180° доменов составляет всего 0,3 %). Поэтому выявление магнитной структуры оказывается возмож- ным при использовании специальных приемов (фильтрация электронов по энергиям и пр.).

9.2.1.4. Выбор условий работы рэм и подготовка образцов

Разрешающая способность РЭМ при использовании вторичных электронов определяется, прежде всего, сечением электронного зонда. Современные электронно-оптические системы позволяют получить диаметр пучка электронов порядка 10 Å. Однако существует ряд при- чин, вынуждающих увеличить диаметр зонда. Одна из них связана с выбором скорости перемещения пучка по объекту – скорости сканиро- вания.

Ток пучка в РЭМ изменяется в широких пределах. Пусть он равен 10 Å, что соответствует 10

8 эл/с. Пусть на образце зонд прочерчивает

1000 линий по площади сканирования, тогда, принимая квадратную форму области изображения, число точек изображения 1000·1000=10

6 .

В регистрируемом потоке электронов всегда есть статистические флук- туации шума (фона). Если принять 10

5 электронов для формирования

изображения одной точки с удовлетворительным соотношением сиг-

283

нал/шум, то при точке пучка 10 8 эл/с и в предположении предельного

уровня сигнала, равного току первичного пучка, изображение заданного участка поверхности потребует 1000 сек. или около 17 мин. (10

5 ·10

6 =10

11 эл/кадр, 10

11 /10

8 = 10

3 с/кадр). Для записи изображения

время сканирования может быть большим, однако для визуального наблюдения объекта необходимо время сканирования 1–5 с/кадр, при этом послесвечение экрана обеспечивает непрерывную видимость всех точек сканируемой площади. Это обстоятельство заставляет увеличи- вать диаметр зонда, что приводит к возрастанию тока пучка и одновре- менно к ухудшению разрешающей способности.

При малой скорости сканирования возникают затруднения в иссле- довании динамических явлений в образце (например, при нагреве, де- формации и т. д.). Для наблюдения таких явлений используется та же техника, что и в телевидении. Изображение формируется на экране электронно-лучевой трубки монитора, сканирование зонда на образце синхронизировано с разверткой на экране монитора, чередование кад- ров незаметно для глаз, и может использоваться устройство для видео- записи. Скорость сканирования определяется числом точек в кадре и диаметром зонда, обеспечивающими хорошее соотношение сигнал/шум. Поэтому при использовании телевизионной техники уменьшают число точек (например, 150000 вместо 1000000) и увеличивают диаметр зонда (100 нм вместо 10 нм), при этом время регистрации кадра получается 1/30 с вместо 100–1000 с. Разрешение при телевизионном сканировании значительно хуже, чем при медленном сканировании.

9.2.1.5. Объекты исследования и их подготовка

Большая глубина резкости изображения в РЭМ снимает одно очень важное ограничение анализа микроструктуры в светооптическом мик- роскопе – необходимость подготовки плоскости шлифа. Это открывает широкие возможности для микроскопического исследования естествен- ных поверхностей. Поверхность разрушения может быть не только объ- ектом (целью) изучения, но и средством проявления внутренней микро- структуры – размера и распределения включений и других неоднород- ностей, выявленных на поверхности разрушения.

При известных обстоятельствах может быть интересным исследо- вание в РЭМ металлографических шлифов после травления для выявле- ния микроструктуры. Это применение РЭМ, прежде всего, обусловлено гораздо более высоким разрешением во вторичных электронах, чем раз- решение светового микроскопа. Кроме того, интересна возможность со- здания контраста на различиях химического состава фаз (при использо-

284

вании упруго-рассеянных электронов или характеристического рентге- новского излучения).

Травление очень часто оставляет на поверхности продукты хими- ческих реакций (шлаки), которые надо уметь отличать в изображении от деталей микроструктуры, проявляющейся в микрорельефе. При исполь- зовании вторичных электронов существенным является неметалличе- ский характер этих шлаков, что приводит к образованию электрических зарядов. Во всяком случае, надо принимать меры к возможно полной очистке поверхности шлифов.

При использовании упругорассеянных электронов важно отделить эффекты, обусловленные рельефом, и эффекты, обусловленные зависи- мостью интенсивности рассеяния от атомного номера для химически сложного объекта. Для анализа изображения можно использовать твер- дотельные парные детекторы – полупроводниковые кристаллы, уста- навливаемые симметрично относительно электронного зонда над образ- цом (рис. 9.10). Специальное суммирующее устройство позволяет отде- лить эффекты, обусловленные рельефом, от эффектов контраста, созда- ваемых различиями в химическом составе.

При исследовании непроводящих материалов наносят металличе- ский проводящий слой (например, серебро) на исследуемую поверх- ность путем напыления в вакууме. При небольших энергиях пучка (~1 кВ) необходимости в напылении нет. При ускоряющих напряжениях 1–3 кВ можно непосредственно наблюдать такие поверхностные явле- ния, как адсорбция и окисление.

9.2.2. Просвечивающая электронная микроскопия

9.2.2.1. Общая характеристика пэм

Трансмиссионная микроскопия реализуется с помощью трансмис- сионных (просвечивающих) электронных микроскопов, в которых тон- копленочный объект просвечивается пучком ускоренных электронов с энергией 50–200 кэВ. Электроны, отклоненные атомами объекта на ма- лые углы и прошедшие сквозь него с небольшими энергетическими по- терями, попадают в систему магнитных линз, которые формируют на люминесцентном экране (и на фотопленке) светлопольное изображение внутренней структуры. При этом удается достичь разрешения порядка 0,1 нм, что соответствует увеличениям до 1,5·10

6 раз. Рассеянные элек-

троны задерживаются диафрагмами, от диаметра которых зависит кон- траст изображения.

В просвечивающем электронном микроскопе применяют два ос- новных вида съемки:

285

светлопольное изображение, отображающее морфологию ис- следуемого объекта и формируемое центральным пучком прошедших электронов (рис. 9.15, а);

темнопольное изображение. В этом случае изображение фор- мируется не центральным пучком, а одним или несколькими дифракци- онными пучками. На изображении светятся только те области кристал- ла, которые рассеивают электроны в данном дифракционном направле- нии. Обычно такое изображение имеет низкое разрешение, но оно очень информативно, поскольку позволяет качественно оценить в анализиру- емом образце наличие и размеры закристаллизованных областей с оди- наковыми параметрами кристаллической решетки (размер кристалли- тов) (рис. 9.15, б).

Рис. 9.15. Микрофотографии частиц у-FeООН, полученные на просвечиваю- щем электронном микроскопе в режимах светлого (а) и темного (6) полей

При изучении сильнорассеивающих объектов более информативны темнопольные изображения.

ПЭМ работает с тонкими объектами на просвет. С толстыми объек- тами работа производится на растровых (сканирующих) электронных микроскопах, или с исследуемого массивного образца снимается тонкая реплика для исследования ее в просвечивающем электронном микро- скопе.

Для получения информации о структуре исследуемых образцов на уровне атомного разрешения используют просвечивающую электрон- ную микроскопию высокого разрешения. Данный метод является очень эффективным для определения строения наночастиц (обнаружения микродефектов, границ псевдоморфного сопряжения нескольких кри- сталлических модификаций в объеме одной наночастицы и т. д.).