Файл: Хокс П. Электронная оптика и электронная микроскопия.pdf

экране будет видно обычное изображение исследуемого объекта. Плоскость F u совпадающая с фокальной пло­

скостью объектива в пространстве изображения, сопряже­ на с плоскостью F 2 и если теперь эта плоскость отобра­

жается на экране, то можно показать, что становится видимым спектр энергии электронов внутри апертуры

Ф и г . 4.38. Анализатор расположен под объективной линзой ^фо­ кальная плоскость в пространстве изображения совпадает с F j, а плоскость изображения — с I t .

объектива. Фиг. 4.39 дает качественное представление об описанных выше механизмах отображения. Если в плоскости F z поместить селекторную диафрагму и осу­

ществить фокусировку на плоскость / 2, то на светящемся экране будет наблюдаться отфильтрованное изображе­ ние, т. е. изображение, сформированное электронами, потерявшими определенное количество энергии (или, точнее, потери энергии которых лежат в некотором узком

интервале, включающем определенное среднее количество потерянной энергии). На фиг. 4.40 и 4.41 приведены неко­ торые примеры, иллюстрирующие принцип действия опи­ санных выше анализаторов и полученные результаты.

ЛИТЕРАТУРА, РЕКОМЕНДУЕМАЯ ДЛЯ ДАЛЬНЕЙШЕГО ЧТЕНИЯ

Обзорная статья Оатли, Никсона и Пиза [71] до сих пор является одним из лучших источников, посвященных вопросам растровой электронной микроскопии. Новей­ шие разработки превосходно описаны в публикациях Букера [10]. Просвечивающие растровые электронные микроскопы описаны в обзоре Крю [19], включающем также много примеров применения прибора. Рентгенов­ ский микроанализатор описан в статье Данкамба [25]. Подробное рассмотрение всех типов зеркальных электрон­ ных микроскопов можно найти в статье Бока и др. «Зер­ кальная микроскопия» [8 ]. По анализаторам энергий

более или менее полного обзора пока нет. Соответствую­ щие главы книги Гриве «Электронная оптика» [40], а также обзор Клемперера и Барнетта [53] и обзор Метерелла [07] до некоторой степени дополняют друг друга.

ГЛАВА 5

ПРИМЕНЕНИЯ

Электронный микроскоп в настоящее время приме­ няется для исследования самых разнообразных веществ органического и неорганического происхождения. Пре­ парирование этих веществ с целью достижения возможно­ сти их исследования в просвечивающем электронном микроскопе всегда сопряжено с необходимостью решения одной и той же проблемы — приготовления предельно тонких образцов при обеспечении определенных мер, предотвращающих изменение структуры вещества, поме­ щаемого в высокий вакуум. Твердые сухие неорганиче­ ские объекты не требуют специальной защиты от действия низкого давления внутри микроскопа. В случае же биоло­ гических объектов приходится принимать довольно тру­ доемкие меры предосторожности для удаления содержа­ щихся в них влаги и легко.тгетучих веществ без изменения положения структурных единиц самого объекта. В связи с этим методика электронпомикроскопического препари­ рования биологических объектов существенно отличается от методик, применяемых для приготовления объектов из неорганических веществ.

Ниже делается попытка изложить сущность некоторых методик препарирования объектов, предназначенных для электронномикроскопических исследований. Мы огра­ ничимся этим не только потому, что трудно дать представ­ ление обо всех применяемых методиках без более или менее подробного описания отдельных процессов и опе­ раций, свойственных этим методикам. Трудность такого описания усугубляется непрерывным появлением новых и совершенствованием ранее разработанных методик.

Учитывая высказанные соображения, настоящую гла­ ву следует рассматривать скорее как введение к специаль-

ной книге по методикам электронномикроскопического препарирования или, точнее, как краткое описание работ, касающихся новых и усовершенствованных методик и опубликованных в научно-технической литературе докладах, сделанных на научных конференциях, и т. п.

Отпечатки. Прежде чем перейти к описанию препариро­ вания объектов в строгом смысле этого слова, необходимо вспомнить общую методику получения слепков с поверх­ ности объекта — оригинала, поскольку именно этот слепок

Ф и г. 5.1. Формирование одноступенчатых (с ле ва ) и двухступенча­ тых (с п р а в а ) отпечатков.

или отпечаток затем исследуется в просвечивающем элек­ тронном микроскопе. Указанным образом можно исследо­ вать по крайней мере поверхности объектов, недоступных для обычных методов препарирования. Кроме того, топо­ графия объектов, которая также может быть исследована методом тонких срезов, сама по себе представляет особый интерес. Таким образом были исследованы, например, структуры поверхностей листьев растений, глинозема, бумаги, стали и различных сплавов. Слепок или отпечаток поверхности может быть получен путем проведения одной или двух операций (фиг. 5.1), в соответствии с чем отпечат­ ки обычно называют одноступенчатыми или двухступенча­ тыми. При получении одноступенчатых отпечатков слой вещества, из которого делается слепок, наносится на поверхность объекта, после чего объект удаляют (напри­ мер, путем растворения). Для изготовления отпечатков пригодны вещества четырех типов: такие органические

28 0 Глава 5

материалы, как формвар (поливинилформальдегид, извест­ ный также под названием мовитала) и коллодий (нитро­ целлюлоза); напыленные аморфные слои углерода или моноокиси кремния SiO; электролитически осажденные слои металлов, в частности никеля (весьма интересной здесь является возможность эпитаксиального выращива­ ния слоев; см. стр. 283); окисные слои вещества, из кото­ рого состоит исследуемый объект. Некоторые объекты, например образцы стали, могут содержать области, состоя­ щие из посторонних веществ, образующих отдельные вклю­ чения или осадки. Имеется методика, по которой указан­ ные включения удаляются с поверхности объекта, прили­ пая к отпечаткам. В этом случае говорят о так называе­ мых отпечатках с извлечениями.

При получении одноступенчатых отпечатков поверх­ ность объектов, а иногда и весь объект, разрушается, что может оказаться нежелательным. (Это происходит в тех случаях, когда отпечаток отделяется от объекта путем химического растворения последнего.) Кроме того, встре­ чаются объекты, для которых трудно подобрать раствори­ тель, не повреждающий самого отпечатка. Во всех этих случаях применяют двухступенчатую методику получения отпечатков. Согласно этой методике, сначала изготавли­ вается первичный слепок, с которого окончательный отпе­ чаток снимается таким образом, что сохранение целостно­ сти предварительного слепка оказывается необязатель­ ным.

Наконец, упомянем о так называемых декорированных отпечатках, позволяющих обнаруживать на поверхности объекта ступеньки высотой меньше 1 — 2 нм, что трудно

или вообще невозможно осуществить другими методами. Декорированные отпечатки получают следующим обра­ зом. На поверхность исследуемого объекта сначала напы­ ляют очень тонкий (толщиной 0,5—1 нм) слой золота, на который затем наносят слой углерода или моноокиси кремния толщиной 5—10 мн. Образующийся двойной слой после снятия с объекта можно непосредственно поместить на обычную сетку-держатель электронномикроскопиче­ ских объектов. Метод декорированных отпечатков позво­ ляет обнаруживать очень мелкие ступеньки на поверхно­ сти при условии, что частицы золота располагаются вдоль

ступенек. Вследствие этого применение таких отпечатков оказывается успешным при исследовании только опре­ деленных типов объектов. Перед исследованием в электрон­ ном микроскопе отпечатки обычно оттеняют (стр. 293).

Разрешение в горизонтальном направлении, т. е. в плоскости отпечатка, и наименьшая разрешаемая высота ступеньки на поверхности объекта зависят от вещества, используемого для изготовления отпечатка, и, следова­ тельно, от характера исследуемого объекта. Разрешение в горизонтальном направлении обычно составляет 1 0 нм,

но при неблагоприятных условиях может оказаться хуже. Наименьшая высота ступеньки, которая может быть обна­ ружена другими методами (исключая метод декорирова­ ния), составляет примерно 1,5 нм.

Растровый электронный микроскоп. Разд. 5.1 и 5.2 посвящены полностью вопросам препарирования тонких объектов, предназначенных для исследования в просвечи­ вающем электронном микроскопе. Как было показано в гл. 4, преимущество растрового электронного микроско­ па состоит в том, что с его помощью можно исследовать не обязательно тонкие объекты, но они должны быть достаточно устойчивы и прочны в условиях очень высокого вакуума. Кроме того, при облучении электронным пучком объекты не должны заряжаться, так как неравномерная зарядка их поверхности может существенным образом влиять на траектории падающих и вторичных электронов. По этой причине объект, предназначенный для исследова­ ния в растровом электронном микроскопе, должен иметь достаточно высокую электропроводность.

Если объект в начале исследования является твердым и сухим (например, кусок металла, кости или камня), то необходимо лишь закрепить его в держателе растрового микроскопа. В том случае, когда он обладает недостаточ­ ной электропроводностью, на его поверхность, подлежа­ щую исследованию, следует нанести тонкий слой металла. В тех же случаях, когда объект по природе своей, наобо­ рот, влажный, например кровеносный сосуд или мягкая биологическая ткань, до монтажа на объектодержатель микроскопа может потребоваться проведение трудоемкой процедуры по его высушиванию и специальному фикси­ рованию (разд. 5.2).

282 Глава 5

6.1. МЕТАЛЛЫ И ДРУГИЕ КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Тонкие металлические объекты изготавливаются двумя способами: путем утонения толстых или массивных образ­ цов и путем нацыления и осаждения атомов исследуемого вещества на какую-либо поверхность или подложку, на которой образуется соответствующий тонкий слой. Раз­ личие между двумя указанными способами нельзя счи­ тать несущественным, так как свойства массивных образ­ цов могут заметно отличаться от свойств тонких слоев, полученных путем напыления и последующего осаждения

ного образца фольги толщиной в несколько десятых или даже сотых долей микрона путем довольно быстрой и гру­ бой процедуры обработки. На второй стадии фольга уто­ няется до необходимой толщины с помощью более дли­ тельной процедуры.

Первоначальное утонение может быть достигнуто раз­ личными способами. Если допустимы локальные дефор­ мации атомной структуры, то материал, подлежащий исследованию, можно прокатывать, шлифовать и даню ковать. В некоторых материалах (например, графите,

слюде, тальке, Bi2Te3, Sb2Te3, Sb2Se3, In2Se3 и MoS2)

структурные атомы прочно связаны по плоскостям, кото­ рые между собой связаны слабо. Благодаря этому такие вещества могут быть легко расщеплены иглой или скаль­ пелем, что позволяет непосредственно получить очень тонкие слои. Более мягкие металлы — свинец, золото и алюминий — можно разрезать на тонкие слои алмазным ножом (см. также разд. 5.2.1). В том случае, когда ни один из приведенных способов непригоден, массивный образец необходимо обрабатывать химическими средства­ ми до тех пор, пока он не станет настолько тонким, что его можно было подвергнуть второй стадии утонения.