1. Оптический микроскоп использует видимый свет в качестве носителя, тогда как электронный микроскоп — электронный пучок; поскольку длина волны электронного пучка значительно меньше, чем у видимого света, разрешающая способность электронного микроскопа намного выше, чем у оптического. Максимальное увеличение оптического микроскопа составляет лишь около 1500 крат, тогда как сканирующий микроскоп может обеспечивать увеличение свыше 10 000 крат.

2. Согласно волновой теории де Бройля, длина волны электрона зависит только от ускоряющего напряжения:

λe = h / mv = h / (2qmV)¹/² = 12,2 / (V)¹/² (Å)

При ускоряющем напряжении 10 кВ длина волны электронов составляет всего 0,12 Å, что значительно меньше длины волны видимого света — 4000–7000 Å; поэтому разрешение электронного микроскопа естественным образом намного превосходит разрешение оптического микроскопа. Однако диаметр пучка электронов в сканирующем электронном микроскопе обычно находится в пределах 50–100 Å, а объём взаимодействия электронов с ядрами атомов — как при упругом (Elastic Scattering), так и при неупругом (Inelastic Scattering) рассеянии — оказывается больше первоначального диаметра пучка. Поэтому разрешение трансмиссионного электронного микроскопа, как правило, выше, чем у сканирующего электронного микроскопа.

3. Сканирующий микроскоп обладает важной особенностью — чрезвычайно большой глубиной резкости, примерно в 300 раз превышающей таковую у оптического микроскопа, что делает его более пригодным для исследования образцов с выраженным рельефом поверхности по сравнению с оптическим микроскопом.

4. Сканирующий электронный микроскоп имеет систему, устроенную по принципу сверху вниз: электронный пучок генерируется электронной пушкой; после фокусировки с помощью комплекта магнитных объективов (конденсорных линз) и выбора размера пучка при помощи конденсорной диафрагмы, пучок направляется через набор сканирующих катушек, управляющих его движением, затем фокусируется объективом и попадает на образец. Сверху над образцом размещён детектор сигналов, предназначенный для регистрации вторичных электронов или отражённых (рассеянных назад) электронов с целью получения изображения.

5. Необходимыми характеристиками электронной пушки являются высокая яркость и малое распределение энергии электронов (Energy Spread). В настоящее время наиболее широко применяются три типа: вольфрамовые (W) нити накала, нити из гексаборида лантана (LaB6) и полевая эмиссия. Различные типы нитей отличаются по размеру источника электронов, величине тока, стабильности тока и сроку службы источника.

6. В электронных пушках с термической эмиссией используются два типа нитей — вольфрамовые (W) и нити из гексаборида лантана (LaB6). Их работа основана на том, что при высокой температуре электроны получают достаточную энергию для преодоления работы выхода материала электронной пушки и покидают его поверхность. Основными параметрами, существенно влияющими на плотность эмиссионного тока, являются температура и работа выхода; однако при эксплуатации электронной пушки обычно стремятся работать при минимально возможной температуре, чтобы уменьшить испарение материала. Поэтому, если повышение рабочей температуры недопустимо, необходимо использовать материалы с низкой работой выхода для увеличения плотности эмиссионного тока.

7. Наиболее дешёвым и широко применяемым является вольфрамовый нить‑электрод, который осуществляет эмиссию электронов посредством термионизации; энергетическое распределение электронов составляет около 2 эВ, а работа выхода вольфрама — примерно 4,5 эВ. Вольфрамовая нить представляет собой тонкую проволоку диаметром около 100 мкм, изогнутую в форме буквы V; рабочая температура составляет примерно 2700 К, а плотность тока — 1,75 А/см². В процессе эксплуатации диаметр нити уменьшается вследствие испарения вольфрама; срок службы составляет примерно 40–80 часов.

8. Работа выхода нити из гексаборида лантана (LaB6) составляет 2,4 эВ, что ниже, чем у вольфрамовой нити; следовательно, при той же плотности тока для получения необходимого значения достаточно температуры всего 1500 К, при этом яркость выше, а срок службы значительно превышает срок службы вольфрамовых нитей. Ширина распределения энергии электронов составляет 1 эВ, что лучше, чем у вольфрамовых нитей. Однако, поскольку LaB6 обладает высокой активностью при нагревании, его необходимо эксплуатировать в условиях более высокого вакуума, что обуславливает более высокую стоимость приобретения соответствующего оборудования.

9. Полево‑эмиссионные электронные пушки обладают яркостью, превышающей яркость вольфрамовых и лантан‑гексаборидных нитей накала соответственно в 10–100 раз; при этом распределение энергии электронов составляет всего 0,2–0,3 эВ. Поэтому современные коммерчески доступные сканирующие электронные микроскопы высокого разрешения используют именно полево‑эмиссионные электронные пушки, обеспечивая разрешение до менее 1 нм.

10. Электронные пушки полевой эмиссии можно подразделить на три типа: холодная полевая эмиссия (cold field emission, FE), термическая полевая эмиссия (thermal field emission, TF) и эмиссия по механизму Шоттки (Schottky emission, SE).

11. Когда на металлическую поверхность, находящуюся в вакууме, действует электрическое поле ускорения электронов напряжённостью 108 В/см, из неё выделяется значительное число электронов; этот процесс называется полевой эмиссией. Его суть заключается в том, что при наличии сильного электрического поля в потенциальном барьере электронов возникает эффект Шоттки: ширина барьера уменьшается, а его высота снижается, вследствие чего электроны способны непосредственно «туннелировать» через этот узкий барьер и покидать катод. Электроны, испускаемые в результате полевой эмиссии, исходят из очень острой вершины катода, что позволяет получать чрезвычайно тонкий пучок электронов с высокой плотностью тока; яркость такого пучка может превышать яркость пучка, получаемого термической эмиссией, в сотни, а порой и в тысячи раз.

12. Катодный материал, используемый в электронных пушках полевой эмиссии, должен обладать высокой прочностью, чтобы выдерживать значительные механические напряжения, возникающие на острие катода под действием сильного электрического поля; вольфрам благодаря своей высокой прочности является одним из наиболее подходящих материалов для катода. В таких пушках для осуществления функций захвата, фокусировки и ускорения электронов обычно применяется пара анодов — верхний и нижний. Специальная форма анодов создаёт электростатическое поле, обеспечивающее фокусировку электронов, вследствие чего отпадает необходимость в использовании экрана Вэйса или сетки. Первый (верхний) анод главным образом регулирует напряжение экстракции, позволяя управлять интенсивностью тока полевой эмиссии на наконечнике, тогда как второй (нижний) анод определяет ускоряющее напряжение, обеспечивая разгон электронов до требуемой энергии.

13. Для полевой эмиссии электронов с крайне тонкого наконечника вольфрамового катода поверхность металла должна быть абсолютно чистой — на ней не должно присутствовать ни одного атома или молекулы постороннего вещества; даже один единственный посторонний атом, попавший на поверхность, способен снижать эффективность полевой эмиссии. Поэтому в электронных пушках с полевой эмиссией необходимо поддерживать сверхвысокий вакуум, чтобы предотвратить накопление атомов на поверхности вольфрамового катода. Поскольку оборудование для создания сверхвысокого вакуума чрезвычайно дорого, как правило, такие пушки применяют лишь в случаях, когда требуется высокое разрешение СЭМ.

14. Главным преимуществом холодного полевого эмиссионного источника является минимальный диаметр электронного пучка и наивысшая яркость, что обеспечивает наилучшее разрешение изображения. Кроме того, он характеризуется минимальным распределением энергии, что позволяет улучшить характеристики при работе на низких напряжениях. Чтобы предотвратить адсорбцию посторонних газов на острие иглы — что приводит к снижению тока полевой эмиссии и его нестабильности — холодный полевой эмиссионный электронный источник должен эксплуатироваться в вакууме с давлением порядка 10⁻¹⁰ торр. Несмотря на это, периодически требуется кратковременный нагрев острия до 2500 К (этот процесс называется «флешингом») для удаления адсорбированных атомов газа. Ещё одним недостатком является минимальная суммарная величина тока эмиссии.

15. Термическая электронная пушка работает при температуре 1800 К, что позволяет избежать адсорбции большинства молекул газа на поверхности иглы и, следовательно, исключает необходимость предотвращения «вспышки» (flashing) её наконечника. Такая пушка обеспечивает более высокую стабильность эмиссионного тока и способна функционировать даже при невысоком вакууме — около 10⁻⁹ торр. Хотя яркость у неё сопоставима с холодной пушкой, распределение энергии электронов в ней в 3–5 раз шире; вследствие этого разрешение изображения ниже, и такие пушки обычно применяются реже.

16. Работа эмиссионного устройства Шиао‑Цзи осуществляется при температуре 1800 К; на монокристалл вольфрама (100) наносится покрытие из ZrO, которое снижает работу выхода с 4,5 эВ у чистого вольфрама до 2,8 эВ. При этом приложенное высокое электрическое поле дополнительно сужает и понижает потенциальный барьер, благодаря чему электроны легко преодолевают его за счёт тепловой энергии (а не посредством туннельного эффекта), покидая поверхность острия. Для этого требуется вакуум порядка 10⁻⁸–10⁻⁹ торр. Устройство обладает высокой стабильностью эмиссионного тока и значительной суммарной величиной тока эмиссии. Кроме того, распределение энергии электронов крайне мало, лишь немного уступая характеристикам электронных пушек холодной эмиссии. Диаметр источника электронов у данного устройства больше, чем у устройств холодной эмиссии, поэтому разрешение изображения несколько ниже, чем у таких пушек.

17. Увеличение при полевой эмиссии варьируется от 25 до 650 000 крат; при ускоряющем напряжении 15 кВ разрешение достигает 1 нм, а при 1 кВ — 2,2 нм. Обычно у сканирующих электронных микроскопов с вольфрамовым катодом максимальное увеличение составляет около 200 000 крат; в практической работе изображение уже при 20 000 крат часто становится нечётким. Однако при соответствующей морфологии поверхности образца и достаточной проводимости возможно достижение предельного увеличения в 650 000 крат.

18. Ввиду высоких требований к вакууму некоторые приборы оснащены тремя комплектами ионных насосов в области электронного пушки и магнитных линз, а в камере образца — двумя диффузионными насосами; снаружи корпуса для предварительной откачки установлен один механический насос. Таким образом, для достижения сверхвысокого вакуума используется шесть вакуумных насосов различной мощности. Кроме того, в камере образца предусмотрена холодная ловушка, охлаждаемая жидким азотом, которая помогает поддерживать необходимый уровень вакуума.

19. При повседневной работе, если поддерживать вакуум в камере образца на уровне 10⁻⁸ Па (10⁻¹⁰ торр), время откачки увеличивается, что снижает удобство эксплуатации прибора и дополнительно повышает его стоимость. Поэтому некоторые приборы оснащаются ступенчатой системой вакуумирования (step vacuum): вакуум в электронном пучке, магнитных линзах и камере образца постепенно понижается, а показания вакуумметра снимаются последовательно для каждой из этих зон. Таким образом, можно проводить эксперименты при вакууме порядка 10⁻⁵ Па. В режиме ожидания или при замене образца, чтобы предотвратить загрязнение электронного пучка, между электронной пушкой и магнитными линзами, с одной стороны, и камерой образца — с другой, используется вакуумный клапан (gun valve); только во время непосредственного наблюдения он открывается, позволяя электронному пучку пройти и воздействовать на образец.

20. Скорость генерации электронов в электронной пушке полевой эмиссии тесно связана со степенью вакуума; срок её службы при этом резко сокращается по мере ухудшения вакуума. Поэтому при подготовке образцов необходимо уделять особое внимание тому, чтобы вода и пары были полностью удалены, а также чтобы углеродный или серебряный клей, используемый для фиксации образца, был тщательно высушён; иначе во время наблюдения вакуум может внезапно ухудшиться, что скажется на сроке службы нити накала и даже приведёт к выходу системы из строя.

21. В электронном микроскопе необходимо учитывать следующие аберрации: дифракционную аберрацию, сферическую аберрацию, астигматизм и аберрацию дисперсии длины волны (то есть хроматическую аберрацию).

22. Сферическая аберрация является основным дефектом объектива и плохо поддаётся коррекции; поскольку электронный пучок, смещённый от оптической оси линзы, испытывает более значительное отклонение, его изображение располагается ближе к линзе по сравнению с гауссовой плоскостью изображения, образуемой пучком, движущимся вдоль оси.

23. Аберрация астигматизма обусловлена несимметричностью магнитного поля линзы, вследствие чего фокусировка электронного пучка в двух взаимно перпендикулярных плоскостях происходит в разных точках. Для коррекции аберрации астигматизма обычно применяют стигматор — устройство, создающее аберрацию, равную по величине и противоположную по направлению; в современных электронных микроскопах в конденсоре и объективе имеется по одному комплекту стигматоров.

24. Дифракционная аберрация диафрагмы: вследствие дифракции электронного пучка, возникающей при прохождении его через небольшую диафрагму, использование более широкой диафрагмы позволяет её уменьшить.

25. Хроматическая аберрация: из‑за различий в энергии электронных пучков, проходящих через линзу, после фокусировки они оказываются сфокусированными не в одной и той же точке.

26. Объём взаимодействия электронного пучка с образцом (interaction volume) имеет глубину порядка нескольких микрометров (μm); его глубина превышает ширину, а форма напоминает грушу. Такая форма обусловлена сочетанием упругих и неупругих столкновений. В материалах с низкой атомной массой вероятность неупругих столкновений выше: электроны легче проникают вглубь образца и реже сталкиваются с боковыми направлениями, что приводит к формированию «шейки» груши. Когда проникающие электроны теряют энергию и переходят на более низкие уровни, возрастает вероятность упругих столкновений; в результате направление движения электронов отклоняется в сторону, формируя более широкую грушевидную область.

27. При фиксированной энергии электронов объём взаимодействия обратно пропорционален атомному номеру, поскольку сечение упругого рассеяния прямо пропорционально атомному номеру, вследствие чего электроны легче отклоняются от первоначального пути и не могут глубоко проникать в образец.

28. Чем выше энергия электронного пучка, тем меньше площадь сечения упругого столкновения; при этом траектория движения электронов становится более прямолинейной, что позволяет им глубже проникать в образец, а объём взаимодействия увеличивается.

29. Взаимодействие электронного пучка с образцом бывает двух типов: упругое столкновение, при котором энергия практически не теряется, и неупругое столкновение, в ходе которого падающий электронный пучок передаёт часть своей энергии образцу, вызывая возникновение вторичных электронов, обратнорассеянных электронов, электронов Оже, рентгеновского излучения, длинноволнового электромагнитного излучения, а также пар электрон–дырка и др. Эти сигналы могут использоваться пользователем СЭМ для получения вторичных электронов, обратнорассеянных электронов, рентгеновского излучения, катодолюминесценции, сигнала поглощённых электронов, а также тока, индуцированного электронным пучком (EBIC).

30. Вторичные электроны: при взаимодействии электронного пучка с образцом из зоны проводимости могут выбиваться электроны; такие электроны и называются вторичными, их энергия составляет примерно менее 50 эВ. Поскольку это электроны низкой энергии, лишь вторичные электроны, возникающие на глубине порядка 50–500 Å от поверхности образца, имеют шанс покинуть её и быть зарегистрированными. Поскольку число образующихся вторичных электронов зависит от рельефа поверхности образца, изображения, полученные на основе вторичных электронов, позволяют визуализировать морфологические особенности поверхности.

31. Обратнорассеянные электроны: это высокоэнергетические электроны, которые при упругом столкновении с атомами образца отражаются обратно с поверхности; их кинетическая энергия равна или лишь немного меньше энергии падающих электронов. Количество образующихся обратнорассеянных электронов зависит от химического состава образца: в областях с более высоким средним атомным номером выделяется больше таких электронов, и соответствующие изображения получаются светлее; поэтому изображения обратнорассеянных электронов иногда называют изображениями контраста по атомному номеру. Поскольку обратнорассеянные электроны возникают на глубине порядка 5000 Å от поверхности образца, а падающие электроны проникают внутрь образца достаточно глубоко и подвергаются значительному рассеянию, разрешение изображений обратнорассеянных электронов уступает разрешению изображений вторичных электронов.

32. Рентгеновское излучение: при неупругом столкновении падающих электронов с образцом возникают непрерывное рентгеновское излучение и характеристическое рентгеновское излучение; первое представляет собой непрерывный спектр, испускаемый в результате торможения падающих электронов и формирующий фон, определяющий минимальный предел анализа, тогда как второе — это энергетическая разность между определёнными уровнями энергии, что позволяет проводить анализ элементного состава.

33. Ток, индуцированный электронным пучком (EBIC): при облучении p‑n‑перехода электронным пучком образуются избыточные пары электрон‑дырка; при их диффузии эти носители заряда собираются электрическим полем p‑n‑перехода, и при подключении внешней цепи возникает ток.

34. Катодолюминесценция: при рекомбинации электронно‑дырочных пар, образующихся под воздействием электронного пучка, выделяется электромагнитное излучение различной длины волны; это и есть катодолюминесценция (CL), причём различные материалы испускают свет разного цвета.

35. Ток образца: при падении электронного пучка на образец часть электронов образует вторичные электроны и обратнорассеянные электроны, тогда как другая часть остаётся в образце; при заземлении образца возникает ток образца.

36. Существуют два типа электронных детекторов: один — сцинтилляционный детектор (Scintillator), который обычно применяется для регистрации вторичных электронов с низкой энергией, а другой — твёрдотельный детектор (solid state detector), предназначенный для регистрации отражённых электронов с более высокой энергией.

37. Факторы, влияющие на качество изображения в электронной микроскопии:

　　A. Виды электронных пушек: электронные пушки, использующие полевую эмиссию, LaB6 или вольфрамовую нить.

　　B. Степень идеальности электромагнитной линзы.

　　C. Типы электромагнитных линз: внутрилинзовые, полувнутрилинзовые, внелинзовые

　　D. Чистота образцовой камеры: исключить загрязнение пылью, водяными парами, масляными парами и другими видами загрязнений.

　　E. Рабочие условия: ускоряющее напряжение, рабочий ток, настройка прибора, обработка образца, степень вакуума.

　　F. Факторы окружающей среды: вибрация, магнитное поле, шум, заземление.

38. Как получить качественные изображения в СЭМ, — как правило, зависит от типа образца и требуемых результатов; необходимо подобрать соответствующее ускоряющее напряжение, рабочее расстояние (WD), оптимальный угол наклона образца, выбрать подходящий детектор и настроить подходящий ток электронного пучка.

39. Как правило, при повышении ускоряющего напряжения длина волны электронного пучка уменьшается; с учётом лишь размера диаметра пучка, чем выше ускоряющее напряжение, тем более узкий фокусируемый пучок можно получить, что, в свою очередь, повышает разрешающую способность. Однако увеличение ускоряющего напряжения имеет ряд недостатков, которые нельзя игнорировать:

　　A. Невозможно увидеть микроструктуру поверхности образца.

　　B. Будут наблюдаться необычные краевые эффекты.

　　C. Возрастает вероятность накопления электрического заряда.

　　D. Возрастает вероятность повреждения образца.

　　Поэтому только при соответствующей настройке ускоряющего напряжения можно получить наиболее чёткое изображение.

40. Выбор оптимального рабочего расстояния позволяет получить наилучшее изображение. При более коротком рабочем расстоянии приём электронных сигналов улучшается, что обеспечивает более высокое разрешение, однако глубина резкости сокращается. При большом рабочем расстоянии разрешение ниже, но глубина резкости увеличивается; таким образом, для образцов с выраженным рельефом можно получить более равномерное и чёткое изображение.

41. Если образец для СЭМ является металлическим или обладает хорошей электропроводностью, его поверхность не требует никакой предварительной обработки и может быть исследована непосредственно. Если же образец является непроводящим, необходимо нанести на него тонкий металлический или углеродный покров, чтобы обеспечить его электропроводность; слой должен быть равномерным и не иметь заметных дефектов, чтобы избежать искажения изображения поверхности образца. Металлические покрытия наносятся легче, чем углеродные, и лучше подходят для получения изображений в режиме СЭМ; обычно используют золото (Au), сплав Au–Pd или платину (Pt). Углеродные покрытия, напротив, более пригодны для микроанализа рентгеновским излучением, поскольку углерод имеет низый атомный номер, что снижает поглощение рентгеновского излучения.

42. Общие принципы подготовки образцов для СЭМ следующие:

　　A. Выявляет место, подлежащее анализу.

　　B. Обладает хорошей поверхностной проводимостью и должна обеспечивать сброс электрических зарядов.

　　C. Не должно быть свободно лежащего порошка или крошек (во избежание их разлёта при вакуумировании и загрязнения зеркального столба).

　　D. Должно быть термостойким; не допускается явление плавления и испарения.

　　Е. Не должно содержать жидких или гелеобразных веществ во избежание их испарения.

　　F. Поверхность непроводящих материалов должна быть покрыта золотом (для визуального наблюдения изображения) или углеродом (для анализа состава).

43. При выборе метода нанесения проводящей плёнки: при увеличении до 1000 крат можно нанести более толстый слой золота (Au), чтобы повысить электропроводность; при увеличении до 10 000 крат — также можно нанести слой Au для повышения проводимости; при увеличении свыше 100 000 крат целесообразно наносить слой платины (Pt) или сплава Au–Pd; при увеличении свыше 100 000 крат предпочтительнее наносить сверхтонкий слой Pt или хрома (Cr).

44. При взаимодействии электронного пучка с образцом, после выбивания внутренних электронов внешние электроны переходят на более низкие уровни атомной оболочки, при этом испускается рентгеновское излучение. Рентгеновские лучи, возникающие в результате переходов электронов с различных энергетических уровней, различаются для атомов с разными порядковыми номерами; такие излучения называются характерными рентгеновскими лучами. Анализ характерных рентгеновских лучей позволяет определить элементарный состав образца.

45. Способы анализа характеристических рентгеновских лучей включают анализ энергетического распределения этих лучей — так называемый EDS — и анализ их длины волны — так называемый WDS. Разрешение рентгеновского спектра составляет примерно 100–200 эВ при EDS и 5–10 эВ при WDS. Поскольку разрешение EDS ниже, чем у WDS, при интерпретации спектров чаще возникают перекрытия.

46. Вследствие соотношения между объёмом взаимодействия электронного пучка с образцом и процессом генерации характеристического рентгеновского излучения, пространственное разрешение методов EDS или WDS в плоских образцах ограничено размером объёма взаимодействия.

Стационарные сканирующие электронные микроскопы серии ZEM компании Zeyou Technology — это высокоэффективные аналитические инструменты, разработанные для современных научных исследований и промышленного контроля. Эти микроскопы формируют изображения на основе сигналов, возникающих при взаимодействии электронного пучка с образцом, обеспечивая высокое разрешение при наблюдении микроструктуры. Серия ZEM отличается быстрой вакуумизацией, высокой скоростью получения изображений, широким выбором детекторов сигналов и богатым набором функций для проведения экспериментов in situ, что позволяет ей демонстрировать мощный аналитический потенциал в таких областях, как новые материалы, возобновляемая энергетика, биомедицина, полупроводниковая промышленность и многих других. Эти приборы не только просты в эксплуатации, но и обладают высокой степенью системной интеграции, удовлетворяя потребности пользователей без специальной подготовки; кроме того, они поставляются с комплектным программным обеспечением, обеспечивающим комплексное решение — от подготовки образца до анализа полученного изображения. Благодаря выдающимся характеристикам и оптимальному соотношению цены и качества стационарные сканирующие электронные микроскопы серии ZEM стали одним из предпочтительных устройств для многих университетов, исследовательских институтов и предприятий.