3. Схема образования вторичных сигналов в электронной микроскопии
При взаимодействии электронов зонда с веществом возникают ответные сигналы различной физической природы (отраженные и вторичные электроны, Оже-электроны, рентгеновское излучение, свет, поглощенный ток и пр.), которые используются для синхронного построения изображения на экране монитора. На рис. представлена схема образования вторичных сигналов под влиянием электронного зонда. Для формирования изображения не используется электронно-оптическая система. Изменение масштабов изображения осуществляется радиотехническими средствами.
Рис. Схема образования вторичных сигналов при взаимодействии электронов зонда с веществом мишени
4. Принципиальная схема растрового электронного микроскопа
Базовая схема прибора РЭМ показана на рис. Обычно электронная пушка состоит из вольфрамовой или LаВ6-нити, однако для визуализации наноструктур с высоким разрешением автоэлектронная полевая пушка (АЭП) становится все нужнее. Разгоняющее напряжение обычно составляет от 1 до 30 кВ. Более низкие напряжения используют с высокояркими источниками LaB6 и АЭП, которые зачастую применяются для увеличения детализации поверхности и во избежание появления статического заряда на непроводящем или слабопроводящем образце.
Для уменьшения сечения пучка, вылетающего из пушки, в РЭМ используют две, а то и больше конденсорные линзы. Линза объектива, фокусирующая электронный пучок на образце, доводит его окончательный диаметр до 2–10 нм. Апертура объектива сужает угол расхождения электронов а. Сфокусированный пучок, проходящий вдоль оптической оси линзы объектива, сканирует поверхность образца в двумерном растре. В то же самое время соответствующие детекторы регистрируют вторичные электроны и другие сигналы: электроны обратного рассеяния или рентгеновские лучи, выходящие из каждой точки поверхности. Одновременно, с помощью того же самого генератора развертки, луч сканирует записывающий монитор. Интенсивность каждого пикселя на мониторе управляется выходным усиленным сигналом выбранного детектора, и тем самым она прямо связана с интенсивностью сигнала выбранного взаимодействия в соответствующей точке поверхности образца. Увеличение равно простому отношению размера растра монитора к размеру растра образца.
Рис. Принципиальная схема растрового электронного микроскопа
5. Разрешение в растровой электронной микроскопии
Учитывая, что расхождение пучка в электронном микроскопе не превышает 1º, критерий разрешения Рэлея для точечного источника записывается в виде:
При энергии электронов 100 кэВ длина волны λ = 0,0037 нм и предельное разрешение электронного микроскопа имеет порядок 0,2 нм. При более высоких ускоряющих напряжения разрешающая способность еще выше.
Для фиксированного угла расхождения электронов а разрешение микроскопа можно улучшить путем увеличения ускоряющего напряжения. Промышленно выпускаемые приборы ограничены ускоряющим напряжением 1 MB, хотя в экспериментальных приборах использовалось напряжение 3 MB. При таких напряжениях большинство материалов повреждается пучком, особенно при длительной экспозиции. Эксперименты с максимально высоким разрешением (в которых получено изображение кристаллической решетки) обычно выполняют при напряжении 300‑400 кВ, являющимся порогом радиационного повреждения большинства материалов. При таких напряжениях легко разрешаются две точки, расстояние между которыми равно 0,15‑0,2 нм (оно ограничивается аберрацией линз).