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

Подождите немного. Документ загружается.

Рисунок 4.18 – Расчетные электронограммы для ГЦК структур

4.4. Приготовление образцов для просвечивающей

электронной микроскопии

Выбор метода приготовления зависит от цели и задач исследований и

состояния материала. Образец для электронно-микроскопических иссле-

дований должен быть тонким и в основном необходимая толщина зави-

сит от энергии электронов и атомных номеров элементов, составляющих

образец. Образец должен быть такой толщины, чтобы через него про-

ходило такое количество электронов, чтобы изображение образца было

интенсивным, для того чтобы просматривать его на экране или зареги-

стрировать. Требование к толщине образца является основным ограни-

чивающим фактором в структурных исследованиях применения методов

просвечивающей электронной микроскопии.

Получение качественного образца, удовлетворяющего целям иссле-

дований на микроскопе, является сложной экспериментальной задачей.

Стремление исследователей количественно описать сложные структуры

предъявляет методам приготовления образцов высокие требования и тре-

бует от специалиста тщательного анализа, чтобы исключить возникнове-

ние ложных эффектов (артефактов) в образце во время приготовления. В

настоящее время существует достаточно широкий выбор различных мето-

дов приготовления образцов для просвечивающей электронной микроско-

пии, при применении которых получаются высококачественные образцы.

4.4. Приготовление образцов для просвечивающей электронной микроскопии

Приготовленный для исследования образец должен удовлетворять

многим требованиям. Прежде всего, структура приготовленного для ис-

следования образца должна соответствовать структуре исходного матери-

ала, т.е. полученные результаты должны адекватно отражать структурное

состояние объекта исследования. Учитывая, что образец для электронной

микроскопии должен быть очень тонким, т.е. прозрачным для электронов,

удовлетворить этому требованию для некоторых образцов непросто.

Не менее важным является воспроизводимость метода приготовле-

ния. Часто на приготовление исходных образцов, на которых необходимо

выполнить электронно-микроскопические исследования, затрачивает-

ся много времени и сил. В их изготовлении могут участвовать большие

коллективы. Они являются результатом длительных экспериментов и могут

быть уникальными. Использование методик с низкой воспроизводимостью

приводит к удорожанию работ в результате неоправданных затрат времени,

материалов, а так же эксплуатации дорогостоящего оборудования.

При выборе метода приготовления также надо учитывать, с каким раз-

решением будет исследована структура. Для исследований с высоким раз-

решением требуются ультратонкие образцы, толщиной порядка 10 нм. Для

приготовления таких образцов используется дорогостоящее оборудование,

и сам процесс приготовления занимает длительное время. Во многих ис-

следованиях для расшифровки структуры не требуется предельной раз-

решающей способности микроскопа. В таких случаях предпочтительнее

применение наиболее простых методик с хорошей воспроизводимость.

Приготовленный образец должен иметь достаточное количество

прозрачных для электрона участков исследования, чтобы можно было

оценить, является ли данная структура типичной для исследуемого об-

разца. Поверхность образца должна быть чистой, свободной от продук-

тов взаимодействия с электролитом, как например, при химическом или

электрохимическом травлении и окисных пленок.

Разновидность материалов, исследуемых с помощью просвечивающей

электронной микроскопии очень широка, и заранее предусмотреть все

возможные требования к методу приготовления образца не представляется

возможным. При выборе метода надо исходить из конкретных требований

к исследованию образца.

Образцы «готовые пленки»

Многие электронно-микроскопические исследования выполняются на

образцах, исходно представляющих собой тонкие пленки толщиной де-

сятки нанометров. Иногда метод приготовления таких образцов называют

прямым методом, чаще – «готовые пленки». Подобные пленки получают

осаждением различных материалов на подложки. В качестве подложек ис-

пользуются различные материалы.

4.4. Приготовление образцов для просвечивающей электронной микроскопии

При использовании подложек растворимых в жидкостях, подлож-

ку растворяют и пленку переносят на предметную сетку (рисунок 4.19).

Очень удобным является использование монокристалла NaCl в качестве

подложки, которая легко растворяется в воде. При применении подложек,

нерастворимых в жидкостях, или растворителях, для удаления подложки

используют химические или электрохимические методы.

Рисунок 4.19 – Разнообразие предметных сеток.

Методы препарирования порошкообразных материалов

Методы препарирования порошковых материалов можно разбить на

две группы: методы сухого и влажного препарирования. Для приготовле-

ния образцов из порошковых материалов используют предметные сетки,

показанные на рисунке 4.19, покрытые тонким слоем аморфного углеро-

да. Иногда используют другие поддерживающие пленки, прозрачные для

электронов. При сухом препарировании порошок наносится на предмет-

ную сетку с углеродной пленкой в сухом виде. Лишний порошок удаляется

с предметной сетки при помощи встряхивания. Сухой метод препарирова-

ния не всегда дает удовлетворительные результаты. На предметной сетке

могут образовываться искусственные агломераты из частиц порошка. В

основном данный метод используют для экспресс-анализа.

«Влажный» метод препарировании позволяет избежать некоторых

проблем связанных с сухим препарированием. При «влажном» методе пре-

парировании сначала из порошка готовят суспензию. Жидкость для при-

готовления суспензии должна удовлетворять определенным требованиям:

вещество частиц не должно растворяться в жидкости и, кроме того, жидкая

фаза не должна способствовать агрегированию частиц, которое ухудша-

ет распределение частиц на поверхности предметной сетки. В основном

суспензию подвергают ультразвуковому диспергированию. При необхо-

4.4. Приготовление образцов для просвечивающей электронной микроскопии

димости в жидкость добавляют поверхностно-активные вещества (ПАВ).

Добавление ПАВ препятствует образованию искусственных агломератов.

Далее, приготовленную суспензию переносят на предметную сетку либо

пипеткой, либо петлей из проволоки. Лишнюю жидкость удаляют с помо-

щью фильтровальной бумаги. Использование ультразвукового диспергато-

ра при переносе суспензии позволяет получать образцы с равномерным

распределением частиц на предметной сетке.

Если при исследовании таких образцов высокоразрешающими мето-

дами фон от поддерживающей пленки (аморфный углерод) сказывается

на разрешении изображения, то используют поддерживающую сет-

ку с микродырками (~ мкм). На таких образцах изучаются участки, где

исследуемый материал лежит над микродыркой. Например, при изу-

чении структуры нанотрубок используют именно предметные сетки с

микродырками и получают электронно-микроскопические изображения

высокого разрешения нанотрубок, которые лежат над микродырками. Для

изучения золей и гелей также используют предметные сетки с поддержи-

вающей пленкой. На сетку наносится гель или золь, и через некоторое

время часть наночастиц адсорбируется на поверхности поддерживающей

пленки. Лишняя жидкость удаляется с помощью фильтровальной бумаги.

Предварительное механическое утонение массивных образцов

При приготовлении образцов из массивных материалов сначала меха-

ническим путем из него вырезают диск диаметром 3 мм. Для этого исполь-

зуют разные методы: ультразвуковые, электроэрозионные и др. Иногда из

исходного материала вытачивают стержень диаметром 3 мм. Затем от него

при помощи фрез отрезают диск нужной толщины.

Следующим этапом является предварительное уменьшение толщины

диска механическим способом. Основным методом для этого является

шлифовка. Способ шлифовки выбирают в зависимости от механических

свойств (твердости, степени пластичности) образца. При шлифовке по-

вреждения могут достаточно глубоко проникать в образец, поэтому шли-

фовка является одной из стадий приготовлении образца, когда возможно

появления артефактов. При шлифовке надо учитывать то, что толщина

наклепанного слоя примерно равна двум диаметрам абразивного мате-

риала. В наклепанном слое микроструктура, в частности дислокационная

структура, совершенно отличается от исходной. Остаточная толщина дис-

ка после шлифовки должна быть такой, чтобы при дальнейшем утонении

была возможность получить фольгу без каких либо артефактов. В осно-

вном шлифовку проводят, используя плоско-параллельные шлифовальные

станки. При таком способе шлифовки образец приобретает форму диска

равной толщины. В последнее время большое применение нашли устрой-

4.4. Приготовление образцов для просвечивающей электронной микроскопии

ства, которые вышлифовывают в середине образца лунку полусферичес-

кой формы. Такой образец имеет по краям достаточную толщину и на-

много прочнее образца в виде плоского диска. Для некоторых слоистых

материалов возможно приготовить образец расщеплением по плоскостям

спаянности. Такой метод предварительной подготовки образца подходит

только для немногих материалов, например для слюд, графита.

Другим методом получения тонких слоев материалов механическим

способом является ультрамикротомирование. При ультрамикротомирова-

нии получают тонкие срезы, прозрачные для электронов. При использова-

нии алмазного ножа этим методом возможно приготовление крайне тонких

срезов почти любого материала. Его применение является эффективным для

изготовления образцов при изучении пор, трещин, пустот, которые имеют

место в спеченных порошковых материалах, полимерах, силикатах и др. Од-

нако надо помнить, что резание всегда вносит искажение в структуру.

Окончательное утонение образцов до толщины прозрачности для

электронов производят, используя либо химическую полировку, либо

электрохимическую полировку, либо ионно-лучевое утонение. Выбор ме-

тода определяется целями предстоящих исследований.

Химическая и электрохимическая полировка

Химическая полировка применялась для приготовления образцов с са-

мого начала развития электронной микроскопии. С помощью химической

полировки убираются макроскопические выступы, и происходит сглажи-

вание поверхности, однако могут образовываться ямки травления, ухуд-

шая качество образца. Для двух и более фазных материалов есть опасность

возникновения избирательности травления. Поэтому требуется тщательно

подбирать состав и концентрации кислот раствора. В химическом растворе

реакция сильнее происходит на краях образца. Для их защиты и локализа-

ции место травления и края покрывают устойчивым к кислоте лаком. Этот

метод известен как метод «окна», и при его применении удается получить

качественные образцы из многих металлов и сплавов.

Более универсальным и распространенным является метод электрохи-

мической полировки. Если химическую полировку используют и для пред-

варительного уменьшения толщины, то электрохимическую полировку при-

меняют в основном для окончательного утонения. В этом случае, как и при

химической полировке, удаляется приповерхностный слой, часто повреж-

денный при механическом утонении. Электрохимическую полировку можно

применять только для проводящих материалов. Приложение напряжения при

электрохимической полировке делает процесс более контролируемым. Про-

цесс утонения останавливают при появлении небольшой дырки. При правиль-

ном подборе режима утонения в этом случае образец имеет широкие поля для

исследования.

4.4. Приготовление образцов для просвечивающей электронной микроскопии

Рисунок 4.20 – Схема ячейки электрохимической полировки.

Дальнейшее утонение приводит к растравлению краев дырки и, сле-

довательно, к уменьшению участков, прозрачных для электронов. Для

быстрого прекращения процесса электрохимического утонения установки

имеют системы автоматической остановки. Большинство из них основано

на регистрации света, проходящего через образованную дырку. Сама поли-

ровочная ячейка имеет достаточно простую конструкцию. На рисунке 4.20

приведена принципиальная схема такой ячейки. На качество полировки

влияют величина приложенного напряжения, состав электролита, его тем-

пература, скорость перемешивания и ориентация образца относительно

катода. На процессе полировки может сказаться и давность приготовления

электролита. Поэтому выбор оптимальных условий полировки придется

делать из большого набора параметров. Во многих случаях при полировке

электролит рекомендуется охлаждать до температур ниже 0 ºС.

На практике широкое применение нашли установки, в которых ис-

пользуют так называемую, струйную полировку – одну из разновидностей

электрохимической полировки. В этой установке электролит подается на

образец через вертикальное сопло. При таком способе от образца хорошо

отводятся продукты его взаимодействия с электролитом. Для остановки

полировки в этих установках используют щуп, расположенный с противо-

положной стороны от струи. При образовании дырки электролит попада-

ет на щуп, замыкает цепь и процесс утонения останавливается. Образцы,

приготовленные на таких установках, отличаются хорошими полями для

наблюдения, а сам метод имеет хорошую воспроизводимость.

Ионно – лучевое утонение

Для непроводящих образцов, для образцов с сильной неоднороднос-

тью (многофазных, слоистых и т.д.), когда имеется избирательность трав-

лении при электрохимической полировке, для образцов при наличии в них

трещин и пор, также для получения ультратонких образцов используется

4.4. Приготовление образцов для просвечивающей электронной микроскопии

ионно-лучевое утонение (рисунок 4.21). При этом способе образец утоня-

ется при помощи бомбардировки ионами инертных газов. Максимальная

скорость травления материала при ионно-лучевом утонении не превышает

50 мкм в час. Как и в случае электро-химической полировки, образцы

должны предварительно механически утоньшаться.

Рисунок 4.21 – Схема ионно-лучевого

утонения с двумя пушками.

Рисунок 4.22 – Внешний вид образца

«поперечный срез»

Образец может быть подвержен ионной бомбардировке с одной стороны,

либо с двух сторон. Для равномерной обработки образец в процессе утоне-

ния вращается. На начальном этапе утонения угол падения пучка на образец

может составить около 30º, ускоряющее напряжение – 67 кВ. По мере уто-

нения ускоряющее напряжение и угол падения пучка уменьшают и в конце

утонения составляют 1÷2º и 1÷1,5 кВ, соответственно. Особенно, этот метод

полезен при приготовлении образцов, так называемых «поперечных срезов»

(рисунок 4.22). Другие методы приготовления поперечных срезов использу-

ются редко. В основном в таких образцах исследуется изменение структуры

в зависимости от толщины или структуру пограничного слоя, например,

пограничный слой пленка-подложка.

Использование фокусированных ионных пучков

Применение фокусированных ионных пучков позволяет прицельно

выбрать исследуемую часть объекта с высокой локальностью, что позволя-

ет проводить исследования методом ПЭМ неоднородных образцов, струк-

тура которых существенно меняется на характерных размеров порядка

нескольких микрон. Фокусированный ионный пучок позволяет вытравить

тонкую фольгу («ламельку», «слайс») имеющую поперечный размер по-

рядка 5-10 мкм именно из интересующей области (рисунок 4.23а). Затем

с помощью осаждения металло-органики или углерода, стимулированно-

го электронным или ионным пучком, происходит приваривание фольги к

игле манипулятора (рисунок 4.23б) Далее такой образец переносят на сет-

ку держателя образца ПЭМ (рисунок 4.23в) и с помощью фокусированного

иного пучка отрезают от иглы манипулятора.

4.4. Приготовление образцов для просвечивающей электронной микроскопии

4.5. Контрольные вопросы к главе 4

абв

Рисунок 4.23 – Использование фокусированного ионного пучка

для приготовления образцов для ПЭМ: а) –тонкая фольга («ламельки», «слайса»),

вытравленная фокусированным ионным пучком; б) – образец, приваренный к игле

манипулятора; в) – размещение образца на сетке держателя образцов ПЭМ.

Другие методы приготовления образцов

В некоторых случаях, полезным является применение метода реплик,

т.е. получают отпечаток поверхности образца. Реплику затеняют слоем

тяжелых металлов (золотом или палладием). Далее, затененную металлом

реплику помещают на предметную сетку.

Основным методом для приготовления образцов из композитных ма-

териалов и биологических объектов является получение ультратонких сре-

зов при помощи ультрамикротома. В качестве резака используется ножи из

специального стекла или алмазные ножи.

Для некоторых образцов полезным является комбинирование несколь-

ких методов приготовления. Например, иногда совместное использование

метода электрохимической полировки и ионно-лучевого утонения дает хо-

рошие результаты.

4.5. Контрольные вопросы к главе 4

1. Какие тест-объекты, применяются для калибровки просвечивающе-

го электронного микроскопа?

2. Какова область применения методов электронной дифракции?

3. Что такое «сфера Эвальда»? Для чего применяется это понятие?

4. В чем преимущество метода электронной дифракции перед метода-

ми рентгеновской дифракции?

5. Что такое «постоянная прибора» для ПЭМ? Для чего применяется

эта характеристика?

6. Назовите основные методы пробоподготовки образцов для иссле-

дования с помощью просвечивающего электронного микроскопа.

Сравните область применения этих методов.

Глава 5. Основы растровой электронной

микроскопии. Часть 1

5.1. Области применения. Преимущество и недостатки

Растровая электронная микроскопия – это современный мощный ме-

тод изучения поверхности твёрдых тел. Принципы растровой и просве-

чивающей электронной микроскопии были предложены в 30-х годах ХХ

века, однако широкое распространение растровая микроскопия получила в

середине 60-х годов. Первые коммерческие РЭМ были выпущены компа-

нией Cambridge Instruments, модель «Стереоскан», 1965 г, (рисунок 5.1а).

Компания JEOL выпустила на рынок свою первую модель РЭМ – JSM-1

(рисунок 5.1б) всего лишь на 6 месяцев позже.

а) б)

Рисунок 5.1 – Первые коммерческие РЭМ: а) прототип «Стереоскан»,

компания Cambridge Instruments, 1965 г.; б) JSM-1 компании JEOL, 1966 г.

Несмотря на неблагоприятные прогнозы и мизерную оценку ёмкости

рынка в 5-10 РЭМ проведенного экспертами США в 1963 году, за десяти-

летие, последовавшее после выпуска модели «Стереоскан», только в США

было продано более 1200 приборов при стоимости каждого в 50-100 тыс.

долл. Такая ошибка при оценке состояния рынка сбыта произошла пото-

му, что она опиралась на мнение экспертов в области просвечивающей

электронной микроскопии, работавших на лучших образцах ПЭМ того

времени, с разрешением 5-10 Å. Эти специалисты не видели перспектив

применения микроскопа, позволявшего наблюдать поверхности с разреше-

нием «всего лишь» в 200 Å (на середину 60-х).

С тех пор произошло понимание, что информационное содержание изо-

бражения может оказаться более значимым, чем разрешение само по себе.

Большая глубина фокусировки, присущая РЭМ, и простота интерпретации

изображений образцов, для наблюдения которых часто почти или совсем не

требуется предварительная подготовка, позволяют получить важную инфор-

мацию об объектах с явно выраженной топографией в диапазоне увеличе-

ний от 50 до 200 000 х. Этот диапазон в значительной мере перекрывается

с диапазоном увеличения светового микроскопа на нижней границе и про-

свечивающего электронного микроскопа на верхней границе.

Растровые электронные микроскопы появились как раз в то время, когда

предпринимались попытки изготовления интегральных схем с элементами

микронных размеров и с допусками в доли микрона. Таким образом, РЭМ

с самого начала являлись мощным исследовательским средством для полу-

проводниковой промышленности и микроэлектроники. В настоящее время

РЭМ применяются для исследования широкого спектра наноструктур и

нанообъектов с разрешением вплоть до 1 нм. Некоторые типичные задачи,

решаемые на практике с помощью растровой электронной микроскопии:

– проведение измерений геометрических параметров нанообъектов;

– определение локального элементного состава, построение элементных карт

(электронно-зондовый рентгеновский микроанализ, оже-спектроскопия);

– определение границ кристаллических зерен (анализ картин дифрак-

ции обратно-рассеянных электронов);

– исследование зонной структуры и состава полупроводников (катодо-

люминесценция).

5.2. Основные характеристики

Основной характеристикой растрового электронного микроскопа, как

электронно-оптического прибора, является разрешение. Разрешение за-

висит от диаметра электронного зонда и ускоряющего напряжения (рису-

нок 5.2), тока пучка и скорости развертки (соотношение сигнал-шум).

Диаметр электронного зонда зависит от нескольких факторов (рисунок 5.3):

• Размер кроссовера электронной пушки. Диаметр зонда определяет-

ся размером кроссовера dv (зависит от тип источника электронов: у

автоэмиссионных на порядок меньше чем у термоэмиссионных) де-

ленного на степень уменьшения электронной колонны M. Это дает

размер пучка dg= dv/ M.

• Сферическая аберрация в электронных линзах – электроны на краях

линзы фокусируются сильнее, чем в центре. Это дает диаметр пучка

ds = 2Csa

, Cs – коэффициент сферической аберрации, а – угол схож-

дения пучка на подложке. С помощью диафрагм можно уменьшить

угол схождения за счет уменьшения тока пучка.

5.1. Области применения. Преимущество и недостатки