Физика микромира

нужно даже обладать богатым воображением, чтобы увидеть  своеобразную красоту

мира сверх малых  объектов и увлечься ею. Посмотрите на рис. 5, и вы в этом

убедитесь.

     Рис. 5. Кристалл K2PtCl4, выраженный на пленке из водного раствора.

На уровне размеров, разрешаемой современной электронной  микроскопией,

разворачиваются события, играющие в конечном итоге  исключительно важную  роль

в жизни человека,  природе и технике. Прежде всего биология. Живые клетки

представляют собой  сложные структурные образования; в них протекают

сложнейшие, изученные  лишь частично биохимические процессы. Ход этих

процессов определяет жизнедеятельность клеток, их взаимосвязь и в конечном

итоге жизнедеятельность  организмов.

В этом мире нашему взору открываются ранее не известные  нам  населяющие его

«жители», их действия и привычки, взаимоотношения между  собой, их дружба и

маленькие трагедии, которые в конечном итоге приводят к событиям, играющим

важнейшую роль в  масштабах природы и человечества. Здесь на молекулярном

уровне хранится величайшая тайна ¾ тайна жизни, ее вечного

воспроизведения и совершенствования. Здесь же спрятаны такие факторы, как

причины болезней и смерти, либо прерывающие жизнь, либо делающие ее

трагической; вирусы многих грозных болезней «легких», таких, как грипп, и

страшных - таких, как чума; сложные молекулярные структуры  ¾ молекулы

ДНК, РНК, хранящие вековечный код жизни, воспроизводящие  и осуществляющие эту

жизнь, ¾ принадлежат  к  этому миру.

Многие свойства материалов, являющихся основой современной  техники и

использующихся  в повседневной жизни человека и  общества в целом, определяются

свойствами микроструктур  вещества, также относящихся к  этому миру.

Таким образом, мир, который открывают  нам методы электронной микроскопии,

не только многообразен и по своему красочен, но и играет чрезвычайно важную

роль в жизни  природы и человечества.

                   Виды электронных микроскопов.                  

Многообразие явлений, требующих изучения при помощи электронной микроскопии,

определяет разнообразие и специфику ее методов и соответствующих  устройств.

Мы уже знакомы  с принципом действия просвечивающего  электронного микроскопа.

С его помощью можно исследовать тонкие образцы, пропускающие падающий на них

пучок электронов.

В ряде случаев  и в первую очередь для исследования массивных объектов

применяются электронные  микроскопы других типов.

Эмиссионный электронный  микроскоп формирует изображение с помощью электронов,

испускаемых самим  объектом. Такое испускание достигается  путем нагревания

объекта (термоэлектронная эмиссия), освещения его (фотоэлектронная  эмиссия),

бомбардировки электронами или ионами (вторичная электронная эмиссия), а

также помещением его в сильное электрическое поле (автоэлектронная эмиссия).

Увеличенное изображение  формируется подобно тому, как  это делается в

микроскопе просвечивающего  типа. Образование изображения  в эмиссионном

электронном микроскопе происходит в основном за счет различного испускания

электронов микроучастками объекта. При эмиссионных исследованиях  объектов

разрешающая способность микроскопов составляет ~300А°.

Эмиссионная электронная  микроскопия нашла широкое применение в исследованиях

и разработках  катодов электровакуумных приборов различного, в том числе

радиолокационного применения, а также в физических исследованиях металлов и

полупроводников.

В отражательном  электронном микроскопе изображение  создается с помощью

электронов, отраженных (рассеянных) поверхностным слоем объекта. Образование

изображения в  нем обусловлено различием рассеяния электронов в разных точках

объекта в зависимости  от материала и микрорельефа. Обычно образцы получаются

под малым углом (приблизительно несколько градусов) к поверхности.

Практически на электронных микроскопах такого типа достигнуто разрешение

порядка 100 ангстрем.

Одна из особенностей отражательного электронного микроскопа — различие

увеличений в  различных направления вдоль  плоскости объекта связано с

наклонным положением объекта по отношению к оптической оси микроскопа.

Поэтому увеличение такого микроскопа характеризуют обычно двумя величинами:

увеличением в  плоскости падения пучка электронов и увеличением в плоскости,

перпендикулярной плоскости падения.

Растровый электронный микроскоп основан на использовании предварительно

сформированного тонкого электронного  луча (зонда), положением которого

управляют с помощью  электромагнитных полей. Это управление (сканирование) во

многом аналогично процессу развертки в телевизионных кинескопах. Электронный

зонд последовательно  проходит по поверхности исследуемого образца. Под

воздействием электронов пучка происходит ряд процессов, характерных для

данного материала  и его структуры. К их числу  относятся рассеяние первичных

электронов, испускание (эмиссия) вторичных электронов, появление электронов,

прошедших сквозь объект (в случае тонких объектов), возникновение

рентгеновского  излучения. В ряде специальных случаев (люминесцирующие

материалы, полупроводники) возникает также световое излучение. Регистрация

электронов, выходящих  из объекта, а также других видов  излучения

(рентгеновского, светового) дает информацию о  различных свойствах

микроучастков изучаемого объекта. Соответственно этому системы  индикации и

другие элементы растровых микроскопов различаются в зависимости от вида

регистрируемого излучения.

Синхронно с разверткой электронного зонда осуществляется развертка луча большого

кинескопа. Рассмотрим работу растрового электронного микроскопа в режиме

индикации тока вторичных электронов. В этом случае величина вторичного

электронного тока определяет глубину модуляции яркости  на экране кинескопа.

Растровый электронный микроскоп такого типа позволяет получить увеличение 100

¸ 100 000 при достаточной  контрастности изображения. Разрешающая

способность растровых  электронных микроскопов определяется диаметром

электронного зонда  и в случае получения изображения  в электронных лучах

составляет ~300À°. Растровые электронные микроскопы позволяют изучать,

например, так называемые p-n переходы в полупроводниках.

Из электронных  микроскопов упомянем зеркальный электронный  микроскоп,

основной особенностью которого является чувствительность к микроскопическим

электрическим и  магнитным полям на отражающем массивном  объекте. При этом

достигается разрешение деталей порядка 1000А° и увеличение почти в 2000*.

Работа такого микроскопа основана на действии микроскопических электрических

и магнитных полей  на электронный поток. Зеркальный электронный  микроскоп

позволяет изучать, например, доменную структуру ферромагнитных материалов,

структуру сегнетоэлектриков.

В теневом электронном  микроскопе, так же как и в растровом, формируется

электронный зонд, однако положение его остается неизменным. Электронные лучи

зонда служат для  получения увеличенного теневого изображения объекта,

помещенного в  непосредственной близости от зонда. Образование изображения

обусловлено рассеянием и поглощением электронов различными участками объекта.

Следует отметить, что интенсивность конечного изображения в теневом

электронном микроскопе незначительна, поэтому обычно в них используются

усилители света  типа электронно-оптических преобразователей.

Важной разновидностью электронных микроскопов растрового типа является

микрорентгеноспектральный анализатор. Прибор основан на возбуждении так

называемого характеристического  рентгеновского излучения атомов малого

участка поверхности - образца с помощью тонкого высокоскоростного

электронного зонда. Электронный зонд с помощью системы  развертки обегает

исследуемую поверхность. При торможении электронов на поверхности возникает

наряду с так  называемым тормозным излучением характеристическое

рентгеновское излучение, свойства которого существенно определяются строением

электронных оболочек в атомах вещества. Это излучение  обязано своим

возникновением  энергетическим переходом между  глубокими энергетическими

уровнями атомов.

Возникающее характеристическое излучение регистрируется с помощью

рентгеноспектральной  аппаратуры. Диаметр электронного зонда  может изменяться

от 360 до 0,5 мкм, а размер просматриваемой площадки представляет собой

квадрат со стороной 360, 180, 90 или 45 мкм. В одном из приборов такого типа

скорость анализа  по одному химическому элементу соответствует движению зонда

8 или 96 мкм/мин  (при механическом перемещении объекта). Анализировать можно

все элементы периодической  системы элементов Менделеева, легких (от атомного

номера 11 - натрия).минимальный  объем вещества, поддающегося количественному

анализу, составляет 0,1 мкг. С помощью микрорентгеновского  анализатора

получают распределение  физико-химического состава вдоль  исследуемой

поверхности.

В СССР серийно  выпускается (выпускался) микрорентгеновский анализатор типа

МАР-1 (диаметр зонда  около 1 мкм, наименьшая анализируемая площадь 1мкм2).

Приборы такого вида находят применение в электронной промышленности и в

других областях науки и техники.

Читатель, видимо, обратил внимание на тот факт, что  в электронных

микроскопах не достигается  разрешающая способность, предсказываемая  теорией.

В чем же дело? Вспомним, что в формировании изображения в электронных

микроскопах важную роль играют элементы электронной оптики, позволяющие

осуществлять управление электронными пучками. Этим элементам — электронным

линзам свойственны  различного рода отклонения от идеального (требуемого

расчетом) распределения  электрических и магнитных полей. Положение здесь во

многом аналогично ограничениям в оптической микроскопии, связанным с