Растровая электронная микроскопия и рентгеновский микроанализ

Основные принципы работы растрового электронного микроскопа

Конструкция первого оптического сканирующего микроскопа была разработана одним из создателей современного телевидения В. К. Зворыкиным в 1924 г. [1—3]. Идея электронного сканирующего микроскопа была сформулирована в 1935 г. М. Кноллем и Э. Руской. Согласно этой идее, изображение объекта формируется последовательно по точкам — растрам (в современной компьютерной терминологии — по пикселям) и является результатом взаимодействия сфокусированного электронного пучка — зонда — с поверхностью образца. Каждая точка образца последовательно облучается зондом, который перемещается по исследуемой поверхности, подобно сканированию электронного луча в телевизионных системах.

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. 4.1 представлена схема образования вторичных сигналов под влиянием электронного зонда. Для формирования изображения не используется электронно-оптическая система. Изменение масштабов изображения осуществляется радиотехническими средствами. Таким образом, растровые электронные микроскопы (РЭМ) принципиально отличаются от микроскопов, как дифракционных приборов, в обычном понимании этого термина. По существу РЭМ — это телевизионный микроскоп.

Несмотря на кажущуюся простоту идеи, высказанной М. Кноллем, осуществить ее в виде надежного прибора с достаточным для практической работы разрешением оказалось очень сложно ввиду весьма ограниченных технических возможностей того времени. Первый сканирующий электронный микроскоп был произведен в Германии М. фон Арденне в 1938 г. и В. К. Зворыкиным в 1942 г. В США [1—3]. Прибор, построенный М. Арденне, имел увеличение 8000 раз и разрешение 10—50 нм.

Рис. 4.1. Вторичные сигналы при взаимодействии электронов зонда с веществом мишени

Однако широкое использование РЭМ в науке и технике стало возможно лишь в 1970;е гг., когда появились высоконадежные приборы, созданные на основе достижений микроэлектроники и вычислительной техники.

На рис. 4.2 схематически показана идея растрового микроскопа — принцип отображения информации при сканировании по площади или по изображению: устанавливается взаимно однозначное соответствие между набором положений на образце и на экране монитора. Увеличение в данном случае равно L/1.

Растровая (РЭМ), или сканирующая (СЭМ, англ. SEM), микроскопия обладает целым рядом уникальных особенностей, которые открывают принципиально новые возможности в микроскопии. Во-первых, это возможность математической обработки изображений, состоящих из отдельных точек. Изображение в РЭМ — это матрица чисел, методы преобразований которых хорошо разработаны в современной математике. Во-вторых, в растровой микроскопии механизм образования изображения делает его резким практически на любой глубине от поверх;

Рис. 4.2. Принцип построения изображения в растровом электронном микроскопе

ности образца, что делает изображение поверхности резким и объемным. Поэтому в РЭМ отсутствует понятие «глубина резкости» (см. главу 3: обычная микроскопия имеет очень маленький интервал глубины резкости Р = 1/А², где, А — числовая апертура). И наконец, множество физических явлений, участвующих в образовании изображения, существенно расширяет возможности РЭМ и делает возможным наблюдать не только топологию поверхности, но и распределение по поверхности различных физических параметров, таких как магнитные и электрические домены, неоднородности, связанные с разным атомном составом, и др.

Рис. 4.3. РЭМ-изображение микрочастиц пыльцы подсолнечника [2].

На рис. 4.3 приведен пример микрофотографии пыльцы подсолнечника, разрешение — 1228×935 точек (пикселей). На фотографии хорошо видны сферические частицы со сложной структурой поверхности. Большая глубина резкости РЭМ создает впечатление объемности изображения.