Kursusetöö: Kaasaegsed meetodid aine uurimisel abil. Proovide ettevalmistamine PEM Energy dispersiivse röntgendetektori X-Max jaoks

Transmissioonelektronmikroskoop (TEM) on elektron-optiline seade, milles vaadeldakse ja salvestatakse objekti kujutist, mida suurendatakse 50–10 6 korda. Kui seda miljon korda suurendada, kasvab greip Maa suuruseks. Selleks kasutatakse valguskiirte asemel elektronkiire, mis kiirendatakse kõrgvaakumi tingimustes (10–5–10–10 mm Hg) energiani 50–1000 keV. Transmissioonelektronmikroskoop registreerib üliõhukese kihi proovi läbivad elektronid. TEM-i kasutatakse teabe saamiseks objekti geomeetriliste omaduste, morfoloogia, kristallograafilise struktuuri ja lokaalse elemendi koostise kohta. See võimaldab otseselt uurida õhukesi objekte (paksusega kuni 1 mikron), saarekilesid, nanokristalle, kristallvõrede defekte eraldusvõimega kuni 0,1 nm ja kaudselt (replica meetodil) massiivsete proovide pinda eraldusvõimega. kuni 1 nm.

Materjaliteaduses uuritakse õhukeste kilede kasvu- ja kristalliseerumisprotsesse, struktuurimuutusi kuumtöötlemisel ja mehaanilist toimet. Pooljuhtelektroonikas kasutatakse elektronmikroskoopi kristallide ja kihtide defektide ning peenstruktuuri visualiseerimiseks. Bioloogias – need võimaldavad näha ja uurida üksikute molekulide, kolloidide, viiruste, rakuelementide struktuuri, valkude struktuuri, nukleiinhappeid.

Toimimispõhimõte ülekandeelektronmikroskoop on järgmine (joonis 48). Kolonni ülaosas asuv elektronpüstol – katoodist, anoodist ja hõõgniidist moodustatud süsteem – on elektronide voolu allikaks. Temperatuurini 2200–2700 ºC kuumutatud volframniit kiirgab elektrone, mida kiirendab tugev elektriväli. Sellise välja loomiseks hoitakse katood 1 potentsiaalil umbes 100 kV anoodi 2 suhtes (asub maanduspotentsiaalil). Kuna mikroskoobi kolonnis olevad õhumolekulid hajutavad elektronid tugevalt, tekib kõrgvaakum. Pärast võrguanoodi läbimist fokusseeritakse elektronide voog magnetiliste kondensaatoriläätsede 3 abil kiireks (lõike läbimõõt 1–20 μm) ja langeb katsenäidisele 4, mis on paigaldatud lava peenele võrgule. Selle konstruktsioon sisaldab väravaid, mis võimaldavad viia proovi mikroskoobi vaakumkeskkonda minimaalse rõhu suurenemisega.

Kujutise esialgne suurendus teostatakse objektiivi 5 abil. Näidis asetatakse selle magnetvälja fookustasandi vahetusse lähedusse. Suure suurenduse saamiseks ja läätse fookuskauguse vähendamiseks suurendatakse pöörete arvu ja pooli jaoks kasutatakse ferromagnetilisest materjalist magnetsüdamikku. Objektiiv võimaldab objektist suurendatud kujutist (umbes x100). Suure optilise võimsusega määrab see seadme maksimaalse võimaliku eraldusvõime.

Pärast proovi läbimist hajub osa elektronidest ja peatab ava diafragma (paks metallplaat, millel on auk, mis on paigaldatud objektiivi tagumisele fookustasandile - primaarse difraktsioonipildi tasapinnale). Hajutamata elektronid läbivad diafragma ava ja need fokusseeritakse objektiivi abil vaheläätse 6 objektitasandil, mis tagab suurema suurenduse. Objekti kujutise saamise tagab projektsioonlääts 7. Viimane moodustab kujutise luminestsentsekraanil 8, mis elektronide mõjul helendab ja muudab elektroonilise kujutise nähtavaks. See pilt salvestatakse kaameraga 9 või analüüsitakse mikroskoobiga 10.

Skaneeriv ülekandeelektronmikroskoop(RPEM). Kujutise moodustab liikuv kiir, mitte valgusvihk, mis valgustab kogu uuritava proovi ala. Seetõttu on vaja suure intensiivsusega elektroniallikat, et kujutist saaks salvestada vastuvõetava aja jooksul. Kõrge eraldusvõimega RTEM-id kasutavad suure heledusega väljasaatjaid. Sellises elektronallikas tekib väga väikese läbimõõduga söövitusega teritatud volframtraadi pinna lähedale väga tugev elektriväli (~10 8 V/cm), mille tõttu elektronid metallist kergesti lahkuvad. Sellise allika hõõgumise intensiivsus (heledus) on ligi 10 000 korda suurem kui kuumutatud volframtraadiga allikal ning selle poolt kiiratavad elektronid saab fokuseerida umbes 0,2 nm läbimõõduga kiireks.

RPEM uuringud viiakse läbi üliõhukeste proovidega. Elektronpüstoli 1 kiiratavad elektronid, mida kiirendab anoodi 2 tugev elektriväli, läbivad selle ja fokusseeritakse magnetläätse 3 abil näidisele 5. Seejärel läbib selliselt moodustunud elektronkiir õhukese proovi peaaegu ilma hajumiseta. Sel juhul suunatakse elektronkiir kõrvalekalduva magnetsüsteemi 4 abil järjestikku etteantud nurga võrra algpositsioonist ja skaneerib proovi pinda.

Üle paarikraadise nurga all ilma aeglustumata hajuvad elektronid registreeritakse, kui nad kukuvad proovi all asuvale ringelektroodile 6. Sellelt elektroodilt kogutud signaal sõltub suuresti aatomite aatomite arvust piirkonnas, mida elektronid läbivad – raskemad aatomid hajutavad detektori poole rohkem elektrone kui kergemad aatomid. Kui elektronkiir on fokusseeritud punkti, mille läbimõõt on alla 0,5 nm, saab üksikuid aatomeid pildistada. Rõngasdetektori auku lähevad elektronid, mis ei ole proovis hajumist läbinud, samuti elektronid, mis on prooviga interaktsiooni tulemusena aeglustunud. Selle detektori all asuv energiaanalüsaator 7 võimaldab teil esimese ja viimase eraldada. Röntgenkiirguse ergastusega või proovist sekundaarsete elektronide väljalöömisega seotud energiakaod võimaldavad hinnata aine keemilisi omadusi piirkonnas, mida elektronkiir läbib.

Kontrast TEM-is on tingitud elektronide hajumisest, kui elektronkiir läbib proovi. Osa proovi läbivatest elektronidest on hajutatud kokkupõrgete tõttu proovi aatomite tuumadega, osad - aatomite elektronidega kokkupõrgete tõttu ja kolmandad läbivad hajumist ilma. Hajumisaste proovi mis tahes piirkonnas sõltub proovi paksusest selles piirkonnas, selle tihedusest ja keskmisest aatommassist (prootonite arvust) antud punktis.

EM-i eraldusvõime määrab elektronide efektiivne lainepikkus. Mida suurem on kiirenduspinge, seda suurem on elektronide kiirus ja lühem lainepikkus, mis tähendab, et eraldusvõime on suurem. EM-i oluline eelis lahutusvõimsuse osas on seletatav sellega, et elektronide lainepikkus on palju lühem kui valguse lainepikkus.

Elementide koostise lokaalse spektraalanalüüsi läbiviimiseks registreeritakse proovi kiiritatud punktist lähtuv iseloomulik röntgenkiirgus kristall- või pooljuhtspektromeetritega. Kristallispektromeeter, kasutades analüsaatori kristalle, eraldab röntgenikiirguse kõrge spektraalse eraldusvõimega lainepikkusteks, mis hõlmavad elementide vahemikku Be-st U-ni.

Skaneerivate elektronmikroskoopide kasutamine viis ülekanderaster- (skaneeriva) elektronmikroskoobi (PREM) tekkeni.

PREM-süsteem (joonis 16) on kombinatsioon järgmistest komponentidest:

Elektronkahur, mis kiirendab elektronkiirt kõrgepingega;

Objektiivid, mis suruvad tugevalt kokku elektronkiire ja fokuseerivad selle proovile umbes 20 nm läbimõõduga täpini; Elektromagnetilised mähised elektrooniliste allkirjade skaneerimiseks;

generaator, mis genereerib juhtsignaali elektronkiire skaneerimiseks näidisel ja väljundtelevisiooni monitoril;

Salvestatud kiirguse detektor (vastuvõtja) kombineerituna konversiooni-võimendusteega, mis sobitab kiirguse intensiivsuse proovi antud asukohas pildi heledusega monitori ekraani antud asukohas.

Riis. 16. PREM-ahel

Lahutusvõime sõltub järgmistest teguritest:

ED mõõtmed proovil;

ED-s oleva voolu suurus, mis tagab signaali intensiivsuse võrreldes taustaga;

Sondiva elektronkiire suuruse suurenemine proovi tungimisel.

Eripäraks on suurendusläätsede puudumine, kuna suurendus toimub elektroonilise võimenduse abil. Sõltuvalt salvestatud kiirgusest (joonis 1) on seadmetel erinevad nimed:

Skaneeriv elektronmikroskoop, mille detektorid asuvad proovi kohal asuval alal ja salvestavad kas elastselt peegeldunud või sekundaarseid (aeglasi) elektrone;

röntgenkiirte mikroanalüsaator, millel on iseloomulikud röntgendetektorid, mis paiknevad samuti proovi kohal;

Augeri spektromeeter, mis võimaldab tuvastada õhukesest pinnakihist välja löödud Augeri elektrone ja seeläbi määrata selle koostist;

Transmissioonelektronmikroskoop, mis saadakse detektori asetamisel proovi alla ja elektronide registreerimisel, mis on läbinud difraktsiooni või läbinud proovi ilma läbipaindeta.

Ekraanil olev pilt võib tekkida ka proovis neeldunud elektronide tõttu või elektromagnetilise kiirguse kinnipüüdmise tõttu optilises vahemikus - katodoluminestsents, mis iseloomustab dielektrikute ja pooljuhtide koostist.

On loomulik eeldada seadme - kombaini loomist, mis ühendab kõik loetletud funktsioonid, kuid see viib reeglina parameetrite halvenemiseni, nii et tegelikel seadmetel on piiratud arv funktsioone.

PREM-il on FEM-i ees mitmeid eeliseid:

1. Elektronkiire läbitungimissügavuse suurendamine ja seega ka paksemate proovide läbivalgustamise võimalus;

2. Läätsede paigaldamine proovi taha või läätsede puudumine, mille tõttu ei esine kromaatilist aberratsiooni;

3. Võimalus saada proovi väga väikeselt alalt difraktsioonimuster, mis on võrreldav sondi suurusega (20 nm). Tavalises TEM-is on EF-i ristlõige oluliselt suurem. STEM-i maksimaalne eraldusvõime on aga kehvem kui TEM: STEM-i puhul pole see parem kui sondi suurus (20 nm) ja TEM-i puhul on teoreetiliselt võimalik eristada punkte 0,15 nm kaugusel;

4. PREM-i suurimaks eeliseks peetakse proovide keemilise koostise määramist iseloomuliku röntgenkiirguse registreerimisega (mikroanalüüs). Siin on võimalik saada sama väga väikese piirkonna difraktsioonimuster ja keemiline koostis, mida piirab sondi suurus. See K-, L-, M-seeriatele iseloomulik röntgenkiirgus tekib siis, kui EP elektronidel on piisavalt energiat aatomite elektronide väljatõrjumiseks, samal ajal kui vaba taseme hõivavad teised elektronid, mis kiirgavad teatud kindlaga röntgenkvante. antud elemendile iseloomulik lainepikkus, mis võimaldab määrata uuritava ala koostist.

5. PREM-is kasutatavad kõrged pinged võimaldavad saada intensiivset kiirgust.

6. EP-le iseloomulike elektronide energiakadude esinemine võimaldab määrata väikese Z väärtusega elemente, mis kombineerituna eelneva meetodiga avardab koostise analüüsi võimalust.

STEM-i tulek tähistas teadusuuringutes laialdaselt kasutatava analüütilise elektronmikroskoopia algust.

Proovide ettevalmistamine elektronmikroskoopiliseks uuringuks.

Nagu juba mainitud, peab mikroskoopilise uurimise proov või objekt olema kasutamisel väga väikese paksusega, umbes 0,3–0,5 mikronit

PEM kiirenduspingega kuni 200 kV. Pind peab olema puhas oksiididest ja mitmesugustest saasteainetest. Proovi ettevalmistamise käigus minimeeritakse mehaanilised, termilised ja muud mõjud, mis võivad põhjustada muutusi selle struktuuris võrreldes tooriku originaalmaterjaliga. Õhukeste metalliproovide (fooliumide) saamiseks kasutatakse kõige sagedamini elektrolüütilist poleerimist. Proov lõigatakse tooriku küljest elektrisädeme meetodil, teemantsaega või muul vähem kahjustaval meetodil. Näidisele antud kuju on tavaliselt 3-4 mm läbimõõduga ketas, mis vastab esemehoidjas oleva istme kujule ja mõõtudele. Peent abrasiivset materjali kasutades viiakse proov umbes 100 mikroni paksuseni ja selle pind peaks olema poleeritud ja ilma karedate kriimustusteta.

Järgmisena poleeritakse proov statsionaarses elektrolüüdis või elektrolüüdi joas. Siin kasutatakse väga erinevaid seadmeid ja seadmeid (joon. 17): lihtsatest pintsettidest kuni poleerimise peatamiseks fotoelektriliste anduritega elektrolüütelementideni.

Riis. 17. Elektrolüütiliste poleerimisseadmete skeem

Näidis ise toimib poleerimisprotsessi ajal anoodina, mille tulemusena proov õheneb ja selle pind silutakse. Poleerimisprotsess lõpeb proovis väikese augu ilmumisega, mille servad on elektronidele läbipaistvad.

Erinevate proovimaterjalide ja töötlemisviiside elektrolüütide koostised on saadaval paljudes kirjandustes, kuid protsessi peenhäälestus kvaliteetse fooliumi saamiseks on alati töömahukas ülesanne. Proovi ja elektrolüüdi termiline režiim on väga oluline. Suurenenud soojuse teke võib põhjustada muutusi materjali struktuuris. Peamised raskused kvaliteetse fooliumi saamisel on seotud võimaliku gaasi eraldumisega proovis, mis takistab söövitamist ja määrab poleerimise lõpetamise hetke õigesti.

Juhtivatest materjalidest kujutise valmistamiseks kasutatakse ioonsöövitamist (joonis 18). Selle meetodi puhul toimub hõrenemine materjalikihtide eemaldamisel ioonkiirtega, näiteks argooniga. Kaks ioonpüstolit moodustavad kiiri, mis poleerivad samaaegselt proovi kahte pinda.

Riis. 18. Ioonide söövitamise seadme skeem. 1 – toide, 2 – proov, ioonkiir, 4 – väljund vaakumsüsteemi, 5 – proovihoidja

Ioonsöövitusmeetodil on madalam tootlikkus kui elektrolüütilisel poleerimisel. Tuleb aga märkida, et ioonsöövitus võib olla kasulik ka oksiid- või tahmakilede eemaldamiseks mikroskoobi kolonnis. Augeri spektromeetrites kasutatakse proovimaterjali kihtide eemaldamiseks kihtide kaupa ioonsöövitamist, kuna Augeri elektronid ergastatakse ainult materjali väga õhukeses pinnakihis.

Pinna uurimiseks, mille põhjal saab hinnata paljusid materjalis toimuvaid sündmusi, kasutatakse sageli pinnalt koopiaid. Neid TEM-is vaadates ilmub ekraanile pilt, mille kontrasti määrab koopiamaterjali paksus. Replikameetodit kasutati eriti sageli enne peegeldusskaneeriva elektronmikroskoopia tulekut.

Koopiate materjaliks võivad olla erinevat tüüpi polümeerid, süsinik, oksiidid, mõned metallid, näiteks hõbe; pildi kontrastsuse suurendamiseks kasutatakse koopiate reljeefi varjutamist vaakumis teatud nurga all pihustamisega. õhukeste metallikihtide pind. Teades pritsimisnurka, saab varju järgi hinnata uuritava reljeefi kõrgust.

Skaneeriv elektronmikroskoopia.

Transmissioonimikroskoobi suurendus

TrTEM (Edastuselektronmikroskoopia, TEM) elektronid kiirendatakse 100 keV-ni või kõrgemale (kuni 1 MeV), fokusseeritakse õhukesele proovile (paksusega alla 200 nm) kondensaatorläätsesüsteemi abil ja läbivad proovi kas kõrvalekalduna või mitte. TEM-i peamised eelised on selle suur suurendus, mis jääb vahemikku 50–10 6, ja võime saada samast proovist nii kujutist kui ka difraktsioonimustrit.

Hajumine, mida elektronid proovi läbimisel läbivad, määrab saadud teabe tüübi. Elastne hajumine toimub ilma energiakadudeta ja võimaldab jälgida difraktsioonimustreid. Elastsed kokkupõrked primaarsete elektronide ja proovi ebahomogeensustest, nagu terapiirid, dislokatsioonid, teise faasi osakesed, defektid, tiheduse kõikumised jne, põhjustatud elektronide vahel põhjustavad keerulisi neeldumis- ja hajumisprotsesse, mis põhjustavad ülekantavate elektronide intensiivsuse ruumilisi variatsioone. TEM-is saate elektromagnetläätsede väljatugevust muutes lülituda proovi kujutise moodustamise režiimilt difraktsioonimustri salvestamise režiimile.

Kõigi ülekandeelektronmikroskoopide suur suurendus või eraldusvõime tuleneb väikesest efektiivsest elektronlainepikkusest X, mis saadakse de Broglie seosega:

Kus m ja q on elektroni mass ja laeng, siis h Plancki konstant ja kiirenduspotentsiaalide erinevus V. Näiteks 100 keV energiaga elektrone iseloomustab lainepikkus 0,37 nm ja nad on võimelised tõhusalt läbi tungima. ränikiht paksusega ~0,6 μm.

Edastamise mikroskoobi eraldusvõime

Mida kõrgem on ülekandeelektronmikroskoobi kiirenduspinge, seda suurem on selle külgmine ruumiline eraldusvõime. Mikroskoobi teoreetiline eraldusvõime piir on võrdeline λ 3/4-ga. Kõrge kiirenduspingega (nt 400 kV) ülekandeelektronmikroskoopide teoreetiline eraldusvõime piir on alla 0,2 nm. Kõrgepingeülekandega elektronmikroskoobide lisaeelis on suurem elektronide läbitungimine, kuna suure energiaga elektronid interakteeruvad ainega vähem tugevalt kui madala energiaga elektronid. Seetõttu saavad kõrgepingeülekandega elektronmikroskoobid töötada paksemate proovidega. Üks TEM-i puudusi on selle piiratud sügavuseraldusvõime. TEM-piltide elektronide hajumise teave pärineb kolmemõõtmelisest proovist, kuid projitseeritakse kahemõõtmelisele detektorile. Järelikult paikneb elektronkiire suunas saadud struktuuriteave kujutise tasapinnal. Kuigi TEM-i peamine väljakutse on proovide ettevalmistamine, ei ole see nanomaterjalide puhul nii oluline.

Piiratud ala difraktsioon (SAD) pakub ainulaadset võimalust määrata üksikute nanomaterjalide, nagu nanokristallid ja nanovardad, kristallstruktuuri ning proovi üksikute osade kristallstruktuuri. Piiratud alalt difraktsiooni jälgimisel defokuseeritakse kondensaatoriläätsed, et tekitada proovile langev paralleelkiir, ja difraktsiooniga seotud helitugevuse piiramiseks kasutatakse ava. Kristalliliste materjalide Bravais' võre tüübi ja võre parameetrite määramiseks kasutatakse sageli piiratud ala difraktsioonimustreid, kasutades XRD-s kasutatava algoritmi. Kuigi TEM ei suuda aatomeid eristada, on elektronide hajumine sihtmaterjali suhtes äärmiselt tundlik ning keemilise elemendi analüüsi jaoks on välja töötatud erinevat tüüpi spektroskoopiat. Nende hulka kuuluvad energia hajutav röntgenspektroskoopia (EDAX) ja elektronenergia kadude spektroskoopia (EELS).

Transmissioonelektronmikroskoop ja nanotehnoloogia

Nanotehnoloogias kasutatakse TEM-i mitte ainult struktuuridiagnostika ja keemilise analüüsi jaoks, vaid ka muude probleemide lahendamiseks. Nende hulgas on nanokristallide sulamistemperatuuride määramine, kus nanokristallide kuumutamiseks kasutatakse elektronkiirt ja sulamistemperatuuri määrab elektronide difraktsioonimustri kadumine. Teine näide on üksikute nanokiudude ja nanotorude mehaaniliste ja elektriliste parameetrite mõõtmine. Meetod võimaldab saada ühemõttelise korrelatsiooni nanojuhtmete struktuuri ja omaduste vahel.

Guozhong Cao Ying Wang, Nanostruktuurid ja nanomaterjalid: süntees, omadused ja rakendus - M.: Teadusmaailm, 2012

Ton üks kõige kõrgema eraldusvõimega uurimismeetodeid. Kus ülekandeelektronmikroskoop(TEM) on traditsioonilise optilise mikroskoobi analoog. Analoogia seisneb selles, et optiliste kvantide voo levimistrajektoori muutus murdumiskeskkonna (läätsede) mõjul on sarnane magnet- ja elektrivälja mõjuga laetud osakeste, eelkõige elektronide trajektoorile. Sarnasus elektronide fokuseerimise ja uuritavast objektist kujutise moodustamise seisukohalt osutus nii lähedaseks, et esimeste magnetiliste ja elektrostaatiliste TEM-ide elektronoptilised veerud arvutati geomeetrilise optika sõltuvuste abil.

Fookusläätsedena tänapäevastes TEM-ides (joonis 15.2) kasutatakse magnetahelasse suletud elektromagnetmähiseid, mis loovad fokuseerivad magnetostaatilisi väljad (joon. 15.3). Objektiivi magnetsüdamik täidab kahte funktsiooni: see suurendab väljatugevust

Riis. 15.2.

1 - elektronpüstol; 2 - kondensaatorläätsede plokk; 3 - objektihoidjaga objektiivläätseseade; 4 - projektsiooniobjektiivi seade; 5 - ekraanid pildi visualiseerimiseks; 6- kõrgepinge toiteallikas; 7-vaakumsüsteem
(st suurendab selle teravustamisvõimet) ja annab sellele kuju, mis tagab esemega kõige enam sobiva pildi tekkimise. Erinevalt klaasläätsedest saab magnetläätse murdumisjõudu kergesti muuta, muutes mähises ergutusvoolu. Tänu sellele saab mikroskoobi pakutavat suurendust pidevalt muuta mitmesajast kuni miljonite kordadeni.

Riis. 15.3. Elektronmikroskoobi elektromagnetläätse skeem: I- magnetahel; 2 - magnetvälja ergastuspool;

3- elektronkiire teravustamisväli

TEM-is uuritakse proove valguse vastu. See tähendab, et neid kiiritatakse elektronkiirega ja vajalik teave saadakse proovi läbivate elektronide abil moodustatud kujutise kujul. Iga pilt koosneb teatud suurusega aladest, mis erinevad ereduse poolest. Need erinevused TEM-is tulenevad asjaolust, et proovi tihedat keskkonda läbivad elektronid on selles hajutatud (osaliselt neelduvad, muudavad liikumissuunda ja reeglina kaotavad osa oma energiast). Lisaks sisaldab proovi läbivate elektronide nurkjaotus teavet proovi tiheduse, paksuse, elementide koostise ja kristallograafiliste omaduste kohta.

Riis. 15.4. Elektronivoolu neeldumine õhukese kilega amorfses proovis, millel on suurenenud tihedus: A - b- voolutiheduse jaotus j

Riis. 15.5. Elektronide voolu neeldumine muutuva paksusega õhukeses amorfses proovis: A - elektronide voolu juhtimine läbi proovi; b - voolutiheduse jaotus j proovi läbivas elektronivoolus

Seega hajutavad raskemaid aatomeid sisaldavad piirkonnad elektrone suurema nurga all ja põhjustavad tõhusamat neeldumist (joon. 15.4). Samamoodi kalduvad kõrvale ja neelavad elektrone suuremal määral amorfse proovi piirkonnad, mis on paksemad (joonis 15.5). Kui objektiive kasutades on näidise tasapind ja vastuvõtja-muunduri tasapind optiliselt sobitatud, siis ilmub viimase pinnale suurendatud pilt.

Kui prooviks on kristall või polükristalliline, tekib tasapinnalise elektronkiire ja kristallvõre vastasmõjul difraktsioonimuster (joonis 15.6). Selle pildi geomeetriat kirjeldab füüsikakursustest tuntud Wulf-Braggi võrrand ja see on ainulaadselt seotud proovi kristallograafiliste parameetritega. Teades kiiritavate elektronide energiat, saab neid parameetreid määrata suure täpsusega. Sellise mustri (difraktsioonimustri) suurendatud kujutise saamiseks piisab difraktsioonimustri (asub näidistasandi taga) ja vastuvõtja-muunduri tasandi optilisest sobitamisest.

Riis. 15.6. Elektronide difraktsioonimustrid, mis on saadud monokristall(t)est ja polükristallilistest (b) proovid

Nende kujutiste visualiseerimiseks fokusseeritakse edastatavad elektronid vastuvõtja-muunduri pinnale, kasutades läätsesüsteemi (objektiiv, vahepealne jne). Sel juhul eraldatakse kõikidest proovi läbinud elektronidest kas suurte nurkade all hajutatud või hajutamata elektronid (harvemini kasutatakse kujutise moodustamiseks väikese nurga all hajutatud elektrone, tavaliselt väikese nurga difraktsioonis). Esimesel juhul paistavad väikese hajumisvõimsusega alad saadud pildil tumedamad (see on nn. pildi moodustamise tumevälja režiim), teisel juhul aga vastupidi (heleda välja režiim).

TEM-i skemaatiline diagramm on näidatud joonisel fig. 15.7. Mikroskoop koosneb elektronpüstolist ja elektromagnetläätsede süsteemist, mis moodustavad vertikaalselt paikneva elektronoptilise kolonni, milles hoitakse vaakumit 10-3 h-10~ 2 Pa. Mikroskoobi valgustussüsteem sisaldab elektronpüstolit ja kaheläätselist kondensaatorit. Elektronkahur, tavaliselt termioonne, koosneb katoodist (kuumutatud W või LaB 6 hõõgniit), mis kiirgab elektrone, juhtelektroodist (sellele on rakendatud katoodi suhtes negatiivne potentsiaal) ja anoodist auguga plaat. Katoodi ja anoodi vahele tekib võimas elektriväli, mille kiirenduspinge on 100-150 kV.

Tuleb märkida, et väikeklass on nn ülikõrgepinge mikroskoobid, milles kiirenduspinge võib ulatuda mitme megavoldini. Kiiruse kasvades lainepikkus väheneb (A. = h/mv - h/(2teU) 0 5) elektron. Kui lainepikkus väheneb, suureneb iga mikroskoobi, sealhulgas TEM-i optilise süsteemi eraldusvõime. Lisaks põhjustab kiirenduspinge suurenemine elektronide läbitungimisvõime suurenemist. Tööpingetel 1000 kV ja enam on võimalik uurida kuni 5-10 mikroni paksuseid proove.

Riis. 15.7.

1 - katood; 2 - anood; 3 - esimene kondensaator; 4 - teine kondensaator;
5 - reguleerimise korrektor; 6 - goniomeetriline laud esemehoidjaga;
7 - ava diafragma; 8 - sektori diafragma; 9 - vaheobjektiiv;
10 - projektsiooniläätsed; 11 - vastuvõtja-muundur;
12 - vaatevälja ava; 13 - vahepealne läätsede stigmatiseerija;
14 - objektiiviläätse häbimärgistamine; 15 - objektiiv;
16 - uuritav objekt; 17- teise kondensaatori stigmatiseerija;
18 - teise kondensaatori diafragma; 19 - esimene kondensaatori membraan; 20 - juhtelektrood

Materjalide uurimisel kõrgepingelises TEM-is tuleb aga arvesse võtta kiirgusdefektide, näiteks Frenkeli paaride ja isegi punktdefektide komplekside (dislokatsioonisilmuste, vabade pooride) tekkimist selle struktuuris pikaajalise kokkupuute ajal suure energiaga elektronkiir. Näiteks alumiiniumis on kristallvõre kohast aatomi segamise lävienergia elektronkiire jaoks 166 eV. Sellised elektronmikroskoobid on tõhusad vahendid kristalsete tahkete ainete kiirgusdefektide ilmnemise ja arengu uurimiseks.

Läbi anoodiaugu siseneb elektronkiir kondensaatoritesse ja joonduskorrektorisse, kus elektronkiir lõpuks suunatakse uuritavale proovile. TEM-is kasutatakse proovi suuruse ja kiirgusnurga reguleerimiseks ja kontrollimiseks kondensaatorläätsi. Järgmisena moodustatakse objektiivide ja projektsiooniläätsede väljade abil infopilt vastuvõtja-konverteri pinnale.

Mikrodifraktsiooniuuringute jaoks sisaldab mikroskoop liigutatavat selektori membraani, mis sel juhul asendab ava. Suurema mitmekülgsuse tagamiseks on TEM-i objektiivi ja vaheobjektiivi vahele paigaldatud lisalääts. See parandab pildi teravust kogu suurendusvahemikus. Objektiivi põhieesmärk on tagada kiire üleminek elektronide difraktsiooni uurimisrežiimile.

Vastuvõtja-muundurina saab kasutada luminestsentsekraani, kus elektronide voog muundatakse fosforikihis optilise kiirguse vooluks. Teises konstruktsioonis sisaldab vastuvõtja-muundur tundlikku maatriksit (lõikega mikrokanali plaadid, maatrikselektro-optilised muundurid, CCD maatriksid (lühendatult "laenguga ühendatud seade"), milles elektronide voog muundatakse videosignaaliks, ja viimane väljastatakse monitori ekraanile ja seda kasutatakse telepildi loomiseks.

Kaasaegsed TEM-id pakuvad eraldusvõimet kuni 0,2 nm. Sellega seoses võeti kasutusele termin "kõrge eraldusvõimega elektronmikroskoopia". Lõpliku pildi kasulik suurendus võib olla kuni 1 miljon korda. Huvitav on märkida, et sellise suure suurenduse korral on 1 nm struktuurne detail lõplikul pildil vaid 1 mm suurune.

Kuna kujutis tekib proovi läbivatest elektronidest, peab viimane elektronide vähese läbitungimisvõime tõttu olema väikese paksusega (tavaliselt kümnendikud ja sajandikud mikromeetrit). Kehtib empiiriline reegel, mille kohaselt proovi paksus ei ületa nõutavat eraldusvõimet rohkem kui suurusjärgu võrra (ülikõrge lahutusvõime puhul 0,2 nm see reegel enam ei tööta). Selle tulemusena valmistatakse proov fooliumi või võidukile kujul, nn koopia.

Sõltuvalt proovi ettevalmistamise viisist võib selle uurimine olla otsene, kaudne või segatud.

Otsene meetod annab kõige täielikuma teabe objekti struktuuri kohta. See seisneb esialgse massiivse proovi lahjendamises õhukese kile olekuni, mis on elektronidele läbipaistev või poolläbipaistev.

Proovi lahjendamine on töömahukas protsess, kuna mehaaniliste seadmete kasutamine viimases etapis on võimatu. Tavaliselt lõigatakse proov millimeetri suurusteks plaatideks, mis on eelnevalt mehaaniliselt poleeritud paksuseni ~50 μm. Seejärel töödeldakse proovi täppis-ioonsöövitusega või elektrolüütilise poleerimisega

(kahepoolne või uuritava pinna tagaküljel). Selle tulemusena hõreneb paksuseni ~ 100-1000 A.

Kui proov on keerulise koostisega, siis tuleb arvestada, et erinevate materjalide erosioonikiirus ioonpihustusel ja elektropoleerimisel on erinev. Selle tulemusena ei anna tekkiv kiht otsest teavet kogu algse proovi kohta, vaid ainult selle äärmiselt õhukese pinnalähedase kihi kohta, mis jääb pärast söövitamist.

See olukord ei ole aga kriitiline, kui proov ise on õhuke struktuur, näiteks kasvatatud epitaksiaalne kile või nanodispersne pulber.

Mõnel juhul, mis on tavaliselt seotud mittemetalliliste plastmaterjalidega, nagu orgaanilised ained ja bioloogilised objektid, lõigatakse massiivsest originaalproovist spetsiaalsete seadmete abil, mida nimetatakse ultramikrotoomideks (joon. 15.8). Ultramikrotoom on miniatuurne giljotiin, millel on täpne (tavaliselt piesokeraamiline) ajam proovi liigutamiseks noa all. Seadme poolt lõigatud kihi paksus võib olla mõni nanomeeter.

Riis. 15.8.

Mõnel juhul saadakse kilesid ka füüsikalisel sadestamisel vaakumis vees lahustuvatele substraatidele (NaCl, KS1).

Tabil uurides on võimalik uurida materjalide dislokatsioonistruktuuri (vt nt joon. 2.28), määrata dislokatsioonide Burgersi vektoreid, nende tüüpi ja tihedust. Samuti on TEM-i abil võimalik uurida punktdefektide (sh kiirguse) kuhjumisi, virnastusvigu (koos nende moodustumise energia määramisega), kaksikpiire, tera- ja alamtera piire, teise faasi sademeid (koos nende koostise tuvastamisega) , jne.

Mõnikord on mikroskoobid varustatud spetsiaalsete kinnitustega (proovi kuumutamiseks või venitamiseks uurimisprotsessi ajal jne). Näiteks kui kasutada kinnitust, mis võimaldab fooliumi uurimisprotsessi ajal venitada, siis jälgitakse deformatsiooni käigus dislokatsioonistruktuuri kujunemist.

TEM-meetodil õppides on võimalik teha ka mikrodifraktsioonanalüüsi. Sõltuvalt uuritavas piirkonnas oleva materjali koostisest saadakse diagrammid (elektronide difraktsioonimustrid) punktide kujul (proovid on monokristallid või polükristallid, mille terakesed ületavad uuritavat ala), pidevad või üksikutest peegeldustest koosnevad. Nende elektronide mustrite arvutamine on sarnane röntgenikiirguse Debye mustrite arvutamisega. Mikrodifraktsioonianalüüsi abil on võimalik määrata ka kristallide orientatsioone ning terade ja alamterade orientatsiooni.

Väga kitsa kiirega ülekandeelektronmikroskoobid võimaldavad uuritavat objekti läbivate elektronide energiakadude spektri põhjal läbi viia materjali lokaalse keemilise analüüsi, sealhulgas kergete elementide (boor, süsinik, hapnik, lämmastik) analüüsi. .

Kaudne meetod on seotud mitte materjali enda, vaid selle pinnalt saadud õhukese kilekoopia uurimisega. Proovile moodustub õhuke kile, mis kordab proovi pinnastruktuuri peensusteni, ning seejärel eraldatakse see spetsiaalsete võtetega (joon. 15.9).

Meetodit rakendatakse kas süsinikust, kvartsist, titaanist või muudest ainetest koosneva kile vaakumsadestamise teel proovi pinnale, mis seejärel suhteliselt kergesti proovist eraldatakse, või pinna (näiteks vase) oksüdeerimisega, saades kergesti eemaldatavad oksiidkiled. Veelgi paljutõotavam on polümeer- või lakikilede kujul olevate koopiate kasutamine, mis kantakse vedelal kujul poleeritud sektsiooni pinnale.

Kaudne meetod ei nõua kalleid kõrgepingemikroskoope. Infosisu poolest jääb see aga otsesele meetodile oluliselt alla. Esiteks välistab see võimaluse uurida proovi kristallograafilisi omadusi, samuti hinnata selle faasi ja elementide koostise omadusi.

Riis. 15.9.

Teiseks on saadud pildi eraldusvõime tavaliselt halvem. Selliste kujutiste kasulikku suurendust piirab koopia enda täpsus ja see ulatub parimal juhul (süsiniku koopiate puhul) (1–2) 10 5 .

Lisaks võivad koopia enda tootmisprotsessis ja selle originaalproovist eraldamise käigus ilmneda moonutusi ja artefakte. Kõik see piirab meetodi rakendamist. Paljud kaudse meetodiga uurimistööga seotud probleemid, sealhulgas fraktograafia, lahendatakse praegu skaneeriva elektronmikroskoopia meetoditega.

Pange tähele, et õhukese kihi proovi pinnale ladestamise meetodit kasutatakse ka õhenenud objektide otsesel uurimisel. Sel juhul suurendab loodud film loodud pildi kontrastsust. Materjali, mis neelab hästi elektrone (Au, Mo, Cu), pihustatakse proovi pinnale terava nurga all nii, et see kondenseerub ühel pool eendit rohkem kui teisel (joon. 15.10).

Riis. 15.10.

Segameetod mõnikord kasutatakse heterofaasiliste sulamite uurimisel. Sel juhul uuritakse põhifaasi (maatriksit) koopiate abil (kaudne meetod) ja maatriksist koopiasse ekstraheeritud osakesi uuritakse otsese meetodiga, sealhulgas mikrodifraktsiooniga.

Selle meetodi puhul lõigatakse koopia enne eraldamist väikesteks ruutudeks ja seejärel söövitatakse proov vastavalt režiimile, mis tagab maatriksmaterjali lahustumise ja teiste faaside osakeste säilimise. Söövitatakse, kuni koopiakile on alusest täielikult eraldatud.

Segameetod on eriti mugav väikese mahufraktsiooniga maatriksis peendisperssete faaside uurimiseks. Koopia oma struktuuri puudumine võimaldab uurida osakeste difraktsioonimustreid. Otsese meetodi abil on selliseid mustreid maatriksi mustrist väga raske tuvastada ja eraldada.

Seoses nanotehnoloogia ja eriti ülipeente ja nanosuuruses pulbrite (fulleroidid, NT jne) tootmismeetodite arenguga on see meetod taganud teadlaste seas suure huvi TEM-i vastu. Uuritavad ülipeened ja nanosuuruses osakesed sadestatakse väga õhukesele membraanile, mis on peaaegu elektronkiirtele läbipaistev, ja asetatakse seejärel TEM-kolonni. Seega on võimalik nende ehitust vahetult jälgida – peaaegu samamoodi nagu tavalises optilises mikroskoobis, ainult et võrreldamatult suurema resolutsiooniga.

Väljaemissioonikatoodiga ülekandeelektronmikroskoop, OMEGA energiafilter, Köhleri valgustussüsteem (patenteerinud Carl Zeiss SMT) – mikroskoop on loodud töötama kõrge eraldusvõimega.

Transmissioonelektronmikroskoop Zeiss Libra 200FE

Libra 200 FE on analüütiline ülekandeelektronmikroskoop tahkis- ja bioloogiliste proovide uurimiseks. Varustatud ülitõhusa väljaemissiooni emitteri ja OMEGA energiafiltriga, et teostada nanosuuruses objektide kristallvõre ja keemilise koostise täpseid ja kõrge eraldusvõimega mõõtmisi. Nanotehnoloogia valdkonna IRC-s tehtud pildid.

Mikroskoobi peamised omadused:

Kiirenduspinge:

200 kV, 80 kV, 120 kV.

Suurendama:

TEM (TEM) režiimis 8x - 1 000 000x;
STEM-režiimis 2000x - 5000000x;
EELS režiimis 20x - 315x.

Piireraldusvõime:

TEM-režiimis 0,12 nm;
STEM-režiimis 0,19 nm.

ELS-spektromeetri (EELS) eraldusvõime: energia 0,7 eV.

- kõrglahutusega elektronmikroskoopia (HREM);
- t(TEM);
- skaneeriv t(STEM);
- TEM energia filtreerimisega;
- elektronide difraktsioon (ED);
- ED koonduvas valguses (CBED);
- analüütiline elektronmikroskoopia (EELS, EDS);
- Z-kontrast;
- objekti vaatlemine temperatuurivahemikus -170 o C kuni 25 o C.

Kasutusvaldkonnad:

- nanoobjektide kristallvõre ja keemilise olemuse iseloomustus;
- elementide koostise lokaalne analüüs;
- mikro- ja optoelektroonika mitmekihiliste heterostruktuuride struktuurse täiuslikkuse analüüs;
- pooljuhtmaterjalide kristallvõre defektide tuvastamine;
- bioloogiliste objektide peenstruktuur.

Näidisnõuded:

Standardproovi suurus TEM-i hoidiku tasapinnal on 3 mm läbimõõduga. FEM tüüpilised paksused, näiteks: alumiiniumisulamid, pooljuhtmaterjalid FEM - 1000 nm; HREM - 50 nm.

Energiat hajutav röntgendetektor X-Max

Spektromeetri tüüp – energia hajutav (EDS).

Anduri tüüp – analüütiline räni triividetektor (SDD): X-Max;
aktiivse kristalli pindala – 80 mm 2;
lämmastikuvaba jahutus (Peltier);
mootoriga liugur.

Spektri eraldusvõime – 127 eV (Mn), vastab ISO 15632:2002;

Kontsentratsioonitundlikkus – 0,1%.

Pildihoidjad LIBRA 200 jaoks

Gatan Model 643. Üheteljeline analüütiline hoidik

Mõeldud pildistamise ja analüütiliste rakenduste jaoks, nagu elektronide difraktsioon ja TEM-proovide EDX-analüüs, mille puhul ei ole vaja kahte proovi kaldetelge.

Peamised omadused:

triivi kiirus 1,5 nm/min
hoidja materjal berüllium
kaldenurk maksimaalselt 60º

Gatani mudel 646. Kaheteljeline analüütiline hoidik

Kõrge eraldusvõimega pildistamiseks mõeldud hoidik sisaldab disainifunktsioone, mis on optimeeritud elektronide difraktsiooniks ja kristalsete proovide EDX analüüsiks.

Peamised omadused:

triivi kiirus 1,5 nm/min
eraldusvõime 0,34 nm nullkaldenurga juures
proovi suurus 3 mm läbimõõt, 100 mikronit paksus
hoidja materjal berüllium
kaldenurgad α =60ᵒ β = 45ᵒ

Gatani mudel 626. Uniaxial Cryo transfer analüütiline hoidik

Krüohoidjat kasutatakse külmutatud hüdraatunud proovide madala temperatuuriga uuringutes. Seda saab kasutada ka faasisiirde in situ uuringuteks ja süsiniku migratsioonist tuleneva saastumise vähendamiseks, vähendades EELS-i soovimatuid termilisi mõjusid.

Peamised omadused:

triivi kiirus 1,5 nm/min
eraldusvõime 0,34 nm nullkaldenurga juures
proovi suurus 3 mm läbimõõt, 100 mikronit paksus
krüogeen vedel lämmastik
hoidiku materjal vask
kaldenurk maksimaalselt 60º

Mudel 626 tööjaam

Gatani mudel 636. Biaxial Cryo analüüsihoidik

Krüohoidjat kasutatakse madalate temperatuuride, in situ faasiüleminekute ja süsiniku migratsioonist tingitud saastumise vähendamise rakendustes. Seda saab kasutada ka soovimatute termiliste mõjude vähendamiseks EELS-i ja EDX-i analüüsimeetodites.

Peamised omadused:

triivi kiirus 1,5 nm/min
eraldusvõime 0,34 nm nullkaldenurga juures
proovi suurus 3 mm läbimõõt, 100 mikronit paksus
Max töötemperatuur 110ºС
min. töötemperatuur - 170ºС
krüogeen vedel lämmastik
temperatuuri stabiilsus ± 1ᵒС
jahutusaeg 30 minutit kuni -170ºС
hoidja materjal berüllium
kaldenurgad α =60ᵒ β = 45ᵒ

Gatan Model 652. Kaheteljeline soojendusega analüüsihoidik

Proovi kuumutamise võimalusega hoidik on ette nähtud mikrostruktuuri faasimuutuste, tuumade moodustumise, kasvu ja lahustumise in situ jälgimiseks kõrgel temperatuuril.