Файл: Хокс П. Электронная оптика и электронная микроскопия.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 09.04.2024
Просмотров: 87
Скачиваний: 2
256 |
Глава 4 |
ния. Она была сконструирована и построена А. Б. Боком в Дельфте.
Схема прибора Бока представлена на фиг. 4.20. Элек тронный пучок создается осветительной системой, состоя щей из обычной электронной пушки (ускоряющее напря жение 30 кВ) и двойного конденсора. 11а выходе из осве тительной системы пучок отклоняется таким образом, что попадает в основную колонну прибора и после про хождения через две линзы отражается от объекта, так как он находится под отрицательным потенциалом, несколько превышающим ускоряющее напряжение. Отра женный пучок возвращается через те же две линзы и кон трастную диафрагму, которая оказывает на электроны влияние, аналогичное влиянию апертурной диафрагмы объектива просвечивающего электронного микроскопа. Однако, когда электронный пучок достигает магнитной отклоняющей системы, он отклоняется от направления движения падающего пучка. Это обусловлено тем, что направление вектора скорости электронов меняется на обратное, а сила действия магнитного поля отклоняющей системы представляет собой векторное произведение векто ра скорости электронов v и вектора индукции магнитного поля В. Таким образом, величина v X В представляет собой вектор, направление которого перпендикулярно двум указанным векторам. Следовательно, если вектор v заменяется вектором —v, то отклоняющая сила F будет заменяться —F, т. е. силой, действующей в обратном
направлении.
Остальная часть микроскопа включает ещё несколько отклоняющих устройств, предусмотренных в конструкции для обеспечения механической жесткости прибора, и про екционную линзу. Конечное электроннооптическое уве личение зеркального микроскопа может меняться непре рывно в пределах от х250 до Х4000.
4.5.АНАЛИЗАТОРЫ ЭНЕРГИИ
Внастоящем разделе в отличие от предыдущих рас сматривается не какой-либо тип электронного микроско па, а устройство, которым в настоящее время, как правило, снабжены микроскопы всех типов (в том числе и просвечи
Растровая электронная микроскопия |
257 |
вающие электронные микроскопы со средними н высокими ускоряющими напряжениями, а также растровые прибо ры, особенно просвечивающего типа). Это устройство наиболее целесообразно рассмотреть именно теперь, поскольку мы уже без всяких дополнительных объясне ний можем ссылаться на описанные выше электронные микроскопы различных типов.
При прохождении через объект электроны вследствие их взаимодействия с атомами вещества объекта отклоняют ся от своего первоначального пути. Если объект доста точно тонкий, то значительная часть электронов проходит через него без потери какой-либо энергии, т. е. они пре терпевают упругое рассеяние. Наряду с этим определен ное количество электронов передает часть своей энергии объекту. Количество переданной энергии в известной степени зависит от атомного номера и уровней энергии электронов рассеивающих атомов. Таким образом, если нам удастся измерить раснределение энергии электронов, прошедших через объект, то тем самым мы получим в рас поряжение дополнительную информацию о составе объек та. Анализ энергии электронов можно рассматривать как вспомогательную диагностическую методику, дополняю щую ранее рассмотренные нами методики электронно микроскопических исследований. Кроме того, очень важ но знать, особенно при работе со сравнительно новыми высоковольтными приборами, зависимость величины потерь энергии от толщины объекта. Эту зависимость необходимо учитывать при выборе конструкции линз микроскопа и интерпретации электронномикроскопиче ского изображения: потеря энергии электронов соответ ствует изменению длины электронной волны, а хроматиче ская аберрация линз должна быть достаточно мала для того, чтобы не служить причиной существенных искаже ний изображения. Потери энергии, которые при этом необходимо измерять, составляют чаще всего 5—50 эВ. Разрешающая способность измерений по энергиям должна быть лучше 1 эВ, а в некоторых случаях желательно, чтобы она достигала нескольких миллиэлектроновольт.
Электроны, достигающие плоскости изображения элек тронного микроскопа, занимают в этой плоскости опреде ленную площадь. Поскольку в электронном микроскопе
17-0132
258 Глава 4
не регистрируются параметры пучка в трех измерениях, нет подходящего способа, с помощью которого можно было бы определять распределение энергий и распределе ние интенсивностей электронов в пучке, которое мы видим на экране. Анализатор может быть использован двумя путями. Первый из них состоит в разделении элек тронов, достигающих экрана вдоль какой-либо линии, на группы с различными энергиями. В этом случае ана лизатор будет действовать аналогично спектрометру, разлагающему узкий пучок полихроматического света на его отдельные спектральные компоненты. Другой путь состоит в том, что из всего полихроматического электрон ного пучка с помощью анализатора выделяются все элек троны данной энергии, причем только эти электроны будут использоваться для формирования электронномикроско пического изображения. (При несколько видоизмененном варианте во втором случае посредством анализатора выде ляются все электроны, энергия которых превышает опре деленное предельное значение.)
Физических процессов, которые можно использовать для разделения электронов по энергиям, очень немного. К их числу относятся: прохождение электронов через магнитное или электростатическое поле, отклоняющее электроны высокой энергии слабее, чем электроны низкой энергии; существование потенциального барьера (или задерживающего электрического поля), который могут преодолеть только наиболее богатые энергией электроны; одновременное воздействие электрического и магнитного полей, расположенных в области, через которую проходят электроны, таким образом, что электроны определенной энергии не отклоняются от своего первоначального направления, а электроны других энергий отклоняются под различными углами; разделение электронов различ ных энергий с помощью линзы с очень высокой хроматиче ской аберрацией; возможность использования хроматиче ской аберрации электронного зеркала.
В зависимости от перечисленных выше принципов дисперсионного действия были сконструированы различ ные типы анализаторов, кратко рассматриваемых ниже.
а. Магнитные и электростатические призмы. Зависи мость траектории электронов, движущихся в магнитном
Растровая электронная микроскопия |
259 |
или электрическом отклоняющем поле, от эиергии элек тронов уже давно используется для получения их энерге тического спектра. Считается, что впервые магнитной системой воспользовался Лейтхёйзер еще в 1904 г. В каче стве анализирующего элемента в простейшем случае можно применять магнитный сектор, позволяющий создать однородное магнитное поле, хотя обычно приме няются магнитные поля более сложной структуры. Элек тростатический анализатор может иметь форму конден сатора с пластинами в виде сегментов концентрических цилиндров или соответствующих частей концентрических сфер. Иногда применяют также электростатические ана лизаторы тороидальной формы. Оптика призм представ ляет собой близкую аналогию оптики линз. С помощью анализаторов, содержащих магнитные или электростати ческие призмы, частицы различных энергий можно сфоку сировать в отдельные линии или точки.
Разрешение призменных анализаторов может быть довольно высоким. Например, просвечивающий растро вый электронный микроскоп Крю снабжен сферическим электростатическим спектрометром, который нашел широ кое применение и разрешение которого составляет 0,3 В (при скорости электронов, соответствующей ускоряющему напряжению 25 кВ). При необходимости обнаружения меньших различий в энергии электронов электронный пучок перед входом в анализатор обычно замедляется.
б. Анализаторы с задерживающим полем. Принцип действия анализаторов с задерживающим полем срав нительно прост. Если движущиеся электроны не обладают энергией, достаточной для преодоления задерживающего поля, то они будут отражаться. При постепенном умень шении потенциального барьера задерживающего поля можно получить соответствующую картину распределения электронов по энергиям. Однако по величине тока, дости гающего конечного регистрирующего элемента, в качестве которого обычно используется цилиндр Фарадея, нельзя определить его распределение как функцию энергии электронов. По результатам указанных измерений можно лишь судить о распределении тока, соответствующего большей энергии, как функции данной энергии. Кривая ток — энергия может быть получена путем дифференциро-
17*
260 |
Глава |
4 |
вания измеренной |
кривой |
указанного распределения, |
но это довольно грубый метод расчета. Были разработаны методы с использованием накладывающихся друг на друга потенциалов постоянного тока, позволяющие непосред ственно получить кривую распределения ток — энергия. Схема анализатора с задерживающим электростатическим полем показана на фиг. 4.21. Для обеспечения резкого
Ф и г . 4.21. Анализатор с задерживающим полем, сконструирован ный К. Брекком в Институте прикладной физики Гамбургского университета [11].
потенциального барьера максимальное внимание должно быть уделено подбору формы электродов и точности их изготовления.
в. Фильтр Вина. В случае когда электроны движутся в пространстве, содержащем перекрещенные электростати ческое и магнитное поля (т. е. поля, перпендикулярные как друг другу, так и направлению движения электронов), существует определенное значение энергии электронов, при которой действующие на электрон отклоняющие силы полей взаимно уничтожаются. И наоборот, электро ны с другими значениями энергии будут отделены от элек тронов, проходящих через перекрещенные поля без откло нения. С помощью описываемого типа фильтра, называе мого фильтром Вина, может достигаться очень высокая
Растровая электронная микроскопия |
261 |
разрешающая способность; поэтому были |
разработаны |
и построены различные модели такого прибора.
На фиг. 4.22 показана схема фильтра Вина, построен ного в Берлине в лаборатории Г. Бёрша. Сам анализатор
Ф и г . 4.22. Действие фильтра Вина на пучок, содержащий электроны различных энер гий [6].
Характер действия показан в двух взаимноперпендикулярных плоско стях. 1 — электронная пушка: 2 — диафрагмы; з — замедляющая лин за; 4 —фильтр Вина; S — ускоря
ющая линза; в — плоскость наблю дения; 1 — селекторная диафрагма (для отбора по анергиям).
Ф и г . 4.23. Общая схема ана лизатора с двойным фильтром Вина, построенного в лабора тории Бёрша в Физическом ин ституте Берлинского техниче
ского университета [6].
1 — источник электронов; 2 — пер вый анализатор; 3 — диафрагма
для селекции электронов по энер гиям; 4 — второй анализатор; S—
фотопластинка.
содержит две электростатические линзы, первая из кото рых служит для уменьшения скорости падающих электро нов до значений, соответствующих 20—300 В, а вторая — для повторного увеличения скорости электронного пучка
3
Ф и г. 4.24. Сечения анализатора с двойным фильтром Вина в двух взаимноперпендикулярных плоскостях, построенного У. Г. Дж. Ан дерсеном и Дж. Б. Ло-Полем на Отделении прикладной физики Тех нологического университета в Дельфте [2].
1 — первый фильтр Вина; 2 — второй фильтр Вина; 3 — экран; 4 — элект ронная пушка; 5 — квадрупольная линза; в — объект; 7 — квадрупольная
линза.
Ф и г. 4.25. Изменение потерь энергии в зависимости от угла рас сеяния [2].
Анализ проведен с помощью системы с двумя фильтрами Вина (см. фиг. 4.24). J — первый фильтр Вина; 2 — второй фильтр Вина; з — экран; 4 — квадру
польная линза; 5 — объект; 6 — квадрупольная линза,
26 4 Глава 4
вдоль оси прибора (угол отклонения равен 0 °) и отклонен
ных от нее'на угол, равный 5 мрад.
г. |
Анализатор Молленштедта и его магнитный аналог. |
Хроматическая аберрация электростатических линз, |
|
вообще говоря, больше хроматической аберрации магнит |
|
ных линз. В анализаторе Молленштедта степень измене |
|
ния |
фокусирующих свойств электростатической линзы |
в зависимости от энергии электронов повышена за счет |
|
того, |
что электроны проходят в нем далеко от оси линзы |
Ф и г. 4.27. Цилиндрическая электростатическая линза, исиользуемая в анализаторе Молленштедта.
и сравнительно близко к электродам. В этом случае парак сиальная аппроксимация, которую мы рассматривали в гл. 2 , оказывается непригодной для описания характера
движения электронов даже в первом приближении. Здесь траектории электронов необходимо рассчитывать числен но, пользуясь уравнениями движения [Ньютона. До сих пор рассматривались главным образом электронные линзы с круговой симметрией, в которых все каналы и входные и выходные отверстия были круглыми и центры которых лежали на оптической оси. Однако при анализе энергии анализируемые электроны обычно направляются через узкую щель, и, таким образом, симметрия системы не является круговой. Из этих соображений в анализаторах энергии электронов применяют не стандартные, а цилин дрические электростатические линзы. Поперечное сечение такой линзы подобно сечению одиночной линзы, но для получения всей линзы вместо вращения вокруг оси это поперечное сечение необходимо продолжить до бесконеч ности в направлении, перпендикулярном плоскости чер тежа (фиг. 4.27).
