Заблоцкий А.В., Тимофеев А.А., Коростылёв Е.В., Кузьмин А.А. Электронная микроскопия в нанодиагностике

Рисунок 3.9 – Расположение диафрагмы объектной линзы

относительно центрального и дифрагированных пучков

(режим дифракции) при получении светлопольного изображений.

а – через диафрагму проходит только центральный пучок.

б – через диафрагму проходят центральный

и дифрагированные пучки.

Рисунок 3.10 – Светлопольные (СП) изображения.

а – СП изображение обычного разрешения висмутового ВТСП фазы 2212;

б – СП изображение высокого разрешения наночастицы золота в матрице

аморфного SiO2; в – СП изображение наночастиц золота на углеродной пленке.

Для получения светлопольного изображения используется прямо про-

шедший пучок электронов, т.е. в формировании светлопольного изображе-

ния обязательно участвует прямо прошедший пучок. Выделение прямого

пучка производится в режиме дифракции (рисунок 3.9а), путем пропус-

кания через диафрагму объективной линзы прямого пучка и отсеканием

«лишних» дифрагированных пучков диафрагмой. В случае прохождения

через диафрагму объективной линзы только прямого пучка, на светлополь-

3.4. Механизмы формирования изображения. Режимы работы

ном изображении преобладает дифракционной контраст. Само изображе-

ние в этом случае является однолучевым.

Если на путь электронного пучка выставить диафрагму такого раз-

мера, которая наряду с прямым пучком пропускает и дифрагированные

пучки (определенное количество), то на светлопольноем изображении до-

минирует фазовый контраст (рисунок 3.9б). Изображение в этом случае

будет многолучевым. При определенных условиях (точная ориентация об-

разца относительно электронного пучка, необходимая толщина образца,

требуемые инструментальные параметры, в том числе соответствующее

разрешение) возможно получения прямого разрешения атомной решетки.

Примеры светлопольных изображений приведены на рисунке 3.10.

Рисунок 3.11 – Расположение диафрагмы объектной линзы относительно

центрального и дифрагированных пучков (режим дифракции) при получе-

нии темнопольных изображений. а – через диафрагму проходит только один

дифрагированный пучок. б – через диафрагму проходят большое количество

дифрагированных пучков. в – центральный пучок перекрыт мини экраном.

Используя любой дифрагированный пучок без использования цен-

трального пучка можно получить темнопольное (ТП) изображение.

На темнопольных изображениях видно, какие области образца вно-

сят свой вклад в определенный дифрагированный пучок. Выделение

дифрагированных пучков, как и в случае светлого поля, осуществляет-

ся диафрагмой объективной линзы в режиме дифракции (рисунок 3.11).

При формировании ТП изображения одним дифрагированным пуч-

ком получаем однолучевое ТП изображение, на котором доминирует

дифракционный контраст. Если в получении ТП изображении участву-

ет большое количество дифрагированных пучков, то ТП изображение

называется многолучевым и на нем преобладает фазовый контраст.

Существуют несколько способов получения изображений темного

поля. Более простой способ заключается в выборе дифрагированных пуч-

3.4. Механизмы формирования изображения. Режимы работы

ков путем смещения диафрагмы объективной линзы с оптической оси. Не-

достаток такого способа заключается в том, что точки на изображении из-

за сферической аберрации удлиняются вдоль направления от центрального

рефлекса к выбранным рефлексам дифракционной картины, т.е. теряется

разрешение в указанном направлении и темнопольное изображение будет

не резким. Влияние сферической аберрации можно свести к минимуму

изменением угла падения электронного пучка на образец таким образом,

чтобы выбранный дифрагированный пучок был направлен вдоль оптичес-

кой оси микроскопа. В этом случае разрешение на ТП изображениях не

будет отличаться от светлопольных.

Рисунок 3.12 – Светлопольное (СП) и темнопольное (ТП)

изображения окиси алюминия в матрице полимера. а – СП изображение;

б –д – ТП изображения; е –электронграмма с выбранной области.

3.4. Механизмы формирования изображения. Режимы работы

На рисунке 3.12 приведен пример темнопольного изображения. В

формировании ТП изображений участвовали разные дифракционные

максимумы. При сравнении ТП и СП изображений видно, что темные

области на СП изображении на ТП изображениях выглядят светлыми, т.е.

СП и ТП изображения взаимоинвертируемы. На однолучевом темнополь-

ном изображении наблюдаются те области объекта, которые дают вклад в

интенсивность дифрагированного пучка, в котором оно получено. Вслед-

ствие этого, ТП изображения являются очень полезными при анализе

сложных структур, при интерпретации электронограмм от многофазных

материалов и дефектов структуры.

Режим дифракции. В режиме дифракции работы микроско-

па, дифракционная картина, которая образуется на задней фокальной

плоскости объективной линзы, в увеличенном виде проецируется на

экран. В электронной микроскопии дифракционную картину называют

электронограммой, а дифракционные максимумы – рефлексами.

Рисунок 3.13 – Типичные дифракционные картины.

а – ДК от амофного материала; б – ДК от монокристалла;

в – ДК в сходящимся пучке от монокристаллического материала.

Электронный микроскоп позволяет получить дифракционную картину

с локальных областей, тем самым появляется возможность отождествле-

ния структурных особенностей с кристаллографическими характеристи-

ками. Дифракционная картина позволяет определить состояние вещества

и получить ответы на такие вопросы как является ли материал образца

кристаллическим или аморфным, поликристаллическим или мононкрис-

таллическим, имеется ли текстура. Из анализа электронограммы можно

получить данные о параметрах решетки, о симметрии, о типе структуры и

другие данные. Так же можно определить ориентация зерен относительно

электронного пучка и относительно друг друга.

Существует несколько способов получения дифракции. Самым

используемым является метод получения дифракции с выбранной области

или его называют микродифракцией. В этом случае, область, откуда по-

3.5. Виды контраста в просвечивающей электронной микроскопии

лучается дифракция, выбирается при помощи селекторной диафрагмы.

Минимальная область, откуда получается дифракция, для этого метода со-

ставляет примерно 100 нм.

Область при микролучевой дифракции (нанодифракции) определяет-

ся размером пятна электронного пучка на объекте. У современных ми-

кроскопов электронный пучок можно сфокусировать на объекте размером

около 1 нм. Объект для исследования можно расположить не только на

предметном столике, но и после всех линз. Тогда, вся колонна микроскопа

будет играть роль осветителя. В этом случае, можно получить дифракци-

онную картину и полученная дифракционная картина проецируется напря-

мую на экран или на фотопластину. Полученная таким образом картина

не подвержена влиянию сферической аберрации электромагнитных линз и

называется дифракционной картиной высокого разрешения. Существуют

и другие способы получения дифракционной картины.

Примерами других дифракционных картин являются дифракция в схо-

дящемся пучке, дифракция с прецессией. Примеры дифракционных картин

приведены на рисунке 3.13. При прохождении электронов сквозь образец

некоторые электроны теряют незначительную часть своей энергии. С увели-

чением толщины образца количество неупругорассеянных электронов уве-

личивается. Для «толстых» образцов интенсивность неупругорассеянных

электронов довольно высокая. В достаточно совершенном кристалле, для

части этих электронов может выполняться условие Вульфа-Брэга, в резуль-

тате которого на электронограмме появляются парные светлые и темные

линии, которые называются избыточной и дефектной, соответственно. Та-

кие линии называются Кикучи – линиями.

3.5. Виды контраста в просвечивающей электронной микроскопии

аб

Рисунок 3.14 – Примеры изображений с амплитудным контрастом.

а - светлопольное изображение реплики дифракционной решетки

с линейностью 2600 штрихов на мм; б - светлопольное изображение

углеродной пленки, содержащей кластеры вольфрама.

3.5. Виды контраста в просвечивающей

электронной микроскопии

Контраст на электронно-микроскопических изображениях зависит от

распределения электронов на внешней стороне образца и определяется как

разница в интенсивностях между соседними областями на изображении:

К= ∆I/ I1 = (I1 – I2)/ I1. Довольно часто в электронной микроскопии контраст

понимают шире. Различают два типа контраста: амплитудный и фазовый

контраст. На однолучевых изображениях преобладает амплитудный контр-

аст и разрешение на таких изображениях не лучше 1 нм. С помощью тако-

го контраста невозможно выявить атомную структуру объекта.

Амплитудный контраст условно можно разбить на контраст,

обусловленный эффективной толщиной образца, иногда его называют

контрастом толщины и плотности, и на дифракционный контраст. Контр-

аст, обусловленный эффективной толщиной характерен для большинства

биологических объектов, аморфных материалов и полимеров. Участки об-

разцов, которые отличаются по толщине или отличаются по элементному

составу, рассеивают электроны на различные углы. Большая часть

электронов рассеянные «толстыми» участками и областями, содержащие

более тяжелые элементы, при соответствующих размерах диафрагмы

объективной линзы, задерживаются этой диафрагмой. На изображениях

такие участки образцов выглядят более темными по сравнению с дру-

гими участками. На рисунке 3.14 приведены снимки таких образцов. На

изображении реплики бороздки дифракционной решетки выглядят более

темными вследствие увеличения локальной толщины слоя аморфного

углерода в местах бороздки. На правом рисунке 3.14 в более темных об-

ластях локализованы атомы вольфрама в аморфной углеродной пленке.

В кристаллических материалах дифракция электронов происходит в

каком-то объеме вещества согласно закону Вульфа-Брэга. Вследствие нали-

чия дефектов в этом объеме возникают локальные области деформации ре-

шетки. Условие Вульфа-Брэга в этих деформированных областях будет отли-

чаться от соседних. Ввиду малости длины волны электронов в электронных

микроскопов, угол отклонения 2ΘВ является небольшим. В случае откло-

нения электронов на угол превышающей половины угла α диафрагмы

объективной линзы, дифрагированные электроны будут задерживаться этой

диафрагмой. На изображении эти участки будут наблюдаться более темными.

Полученный таким образом контраст называется дифракционным. Следова-

тельно, дифракционный контраст обусловлен дефицитом электронов.

Образование дифракционного контраста можно проиллюстрировать на

3.5. Виды контраста в просвечивающей электронной микроскопии

Рисунок 3.15 – Изображение краевой дислокации:

а – упрощенное схематическое изображение возникновения дифракционно-

го контраста; б – ход лучей при дифракции электронов от деформированных

атомных плоскостей ядра краевой дислокации.

изображении краевой дислокации (рисунок 3.15). В искаженной краевой

дислокацией части кристалла (ядро дислокации) дифракционные условия

отличаются от окружающих областей. Электроны, которые отклонились

на углы больше чем α/2, задерживаются диафрагмой объективной линзой.

В результате этого, на светлопольных изображениях дислокации видны в

виде темных линий. На рисунке 3.16 приведены примеры изображений с

дифракционным контрастом.

Для совершенных кристаллов дифракционный контраст проявляется в

виде эффектов толщины, упругих напряжений и изгиба. Обычно, в боль-

шинстве случаях интерпретация изображений с дифракционным контрас-

том не вызывает трудностей, т.к. контраст от многих дефектов известен.

Однако, положение может сильно усложняться, например, когда исследу-

ются сильно деформированные образцы или частицы выделенной фазы

занимают достаточно большой объем материала, когда имеются большая

плотность дефектов и перекрывающиеся поля деформаций.

Фазовый контраст имеет место, когда изображение получено более чем

одним пучком и разрешение по точкам на многолучевых изображениях,

полученных при помощи современных микроскопов достигает 0,19 нм и 0,08

нм при применении корректоров сферической аберрации. Фазовый контраст

появляется в результате сдвига фаз выходящих из образца электронных волн.

Этот сдвиг фаз очень чувствителен к таким факторам как толщина, состав и

структура образца и инструментальным параметрам, как дефокусировка и др.

Это обстоятельство предъявляет весьма жесткие условия получения

прямого изображения кристаллической решетки. Интерпретировать такие

3.5. Виды контраста в просвечивающей электронной микроскопии

изображения как проекции зарядовой плотности возможно только для уль-

тратонких образцов. При этом изображения должны быть получены при

строгой ориентации образца относительно электронного пучка и при опти-

мальном выборе инструментальных параметров микроскопа (дефокуси-

ровка, условие освещения, оптимальный диаметр диафрагмы объективной

линзы). Достаточно большая часть образцов «слишком толстые». Изобра-

жения от таких образцов хотя и определяются конкретно расположенными

атомами в кристалле, но не передают их расположения.

аб

Рисунок 3.16 – Примеры ПЭМ изображений с дифракционным контрастом.

а - изображение геликоидальных дислокаций;

б – изображение сферообразных частиц кремния.

аб

Рисунок 3.17 – Экспериментальные электронно-микроскопические

изображения высокого разрешения. а – изображение образца Si;

б – изображение фазы 2212 висмутового ВТСП.

3.5. Виды контраста в просвечивающей электронной микроскопии

На рисунке 3.17 приведены ПЭМ изображения высокого разрешения

кремния и фазы 2212 висмутового ВТСП. Левое изображение получено

при условиях, удовлетворяющих вышесказанным требованиям и его мож-

но интерпретировать как проекция зарядовой плотности, т.е. светлые пят-

на на изображении представляют собой колонны атомов кремния. На та-

ких изображениях непосредственно можно наблюдать дефекты решетки.

На рисунке 3.17б приведено изображение, которое получено от образца,

толщина которого больше оптимальной.

Рисунок 3.18 – Экспериментальное

изображение высокого разрешения

гетероструктуры InAs/InAsSb.

Стрелками указаны область ядра

краевых дислокаций несоответствия.

Рисунок 3.19 – Экспериментальное

изображение высокого разрешения

фазы 2212 висмутового ВТСП.

Видно изменение изображения,

вызванное изменением локальной

толщины образца (в направлении

стрелки).

На рисунке 3.18 показано изображение высокого разрешения на кото-

ром видна экстраплоскость краевой дислокации. В некоторых случаях ис-

следуемая часть объекта имеет вид клина. В таких случаях видоизменение

изображения по площади возможно не связано модификацией структуры

образца, а возможно вызваны изменением локальной толщины образца

(см. рисунок 3.19). Подобные изображения дают ошибочное представле-

ние о структуре образца. Для интерпретации таких изображений необхо-

димо получить расчетные изображения в зависимости от дефокусировки и

толщины и сравнить их с экспериментальными. Существуют программы

для расчета изображений, в которых реализованы разные методы. Самым

распространенным является многослоевой метод. Блок-схема этой

программы приведена на рисунке 3.20.

3.5. Виды контраста в просвечивающей электронной микроскопии

Рисунок 3.20 – Блок схема программы для расчета

изображений многослоевым методом.

В некоторых случаях экспериментальные микроснимки перед срав-

нением с расчетным подвергают улучшению. Обычно используют ме-

тод Фурье фильтрации. На рисунке 3.21 представлена микрофотография

наночастицы золота после Фурье фильтрации. Моделирование расчетных

изображений золота проводилось для направления [111]. Вначале были

получены расчетные изображения с грубыми шагами толщины и дефоку-

сировки, по которым были выбраны диапазоны для последующего модели-

Заблоцкий А.В., Тимофеев А.А., Коростылёв Е.В., Кузьмин А.А. Электронная микроскопия в нанодиагностике

Подождите немного. Документ загружается.