Методи дослідження нанометаріалів. Скануючий електронний мікроскоп.

Растровий електронний мікроскоп (РЕМ, англ. Scanning Electron Microscope, SEM) - прилад класу електронний мікроскоп, призначений для отримання зображення поверхні об'єкта з високим (кілька нанометрів) просторовим дозволом, також інформації про склад, будову та деяких інших властивостях приповерхневих шарів.Заснований на принципі взаємодії електронного пучка з досліджуваним речовиною.

Сучасний РЕМ дозволяє працювати в широкому діапазоні збільшень приблизно від 10 крат (тобто еквівалентно збільшенню сильної ручної лінзи) до 1000000 крат, що приблизно в 500 разів перевищує межу збільшення кращих оптичних мікроскопів.

Сьогодні можливості растрової електронної мікроскопії використовуються практично у всіх областях науки і промисловості, від біології до наук про матеріали. Існує величезна кількість випущених десятками фірм різноманітних конструкцій і типів РЕМ, оснащених детекторами різних типів.

Історія

Історія електронної мікроскопії (зокрема, і РЕМ), почалася з теоретичних робіт німецького фізика Ганса Буша про вплив електромагнітного поля на траєкторію заряджених частинок. У 1926 році він довів, що такі поля можуть бути використані в якості електромагнітних лінз [1], встановивши таким чином основоположні принципи геометричної електронної оптики. У відповідь на це відкриття виникла ідея електронного мікроскопа і дві команди - Макс Кнолл і Ернст Руска з Берлінського технічного університету та Ернст Бруш з лабораторії EAG спробували реалізувати цю ідею на практиці. І в 1931 році Кнолл і Руска створили перший просвічуючий електронний мікроскоп [2].

Після переходу в німецьку радіокомпанію Telefunken, для проведення досліджень телевізорів на катодних трубках, Макс Кнолл розробив аналізатор електронної трубки або «аналізатор електронного пучка», який моделював всі необхідні характеристики скануючого електронного мікроскопа: зразок розташовувався з одного боку отпаянной скляної трубки, а електронна гармата з інший. Електрони, прискорені напругою від 500 до 4000 вольт, фокусувалися на поверхні зразка, а система котушок забезпечувала їх відхилення. Пучок сканував поверхню зразка зі швидкістю 50 зображень в секунду, а вимір струму, що пройшов через зразок, дозволяло відновити зображення його поверхні. Перший прилад, який використовує цей принцип, був створений в 1935 році [3].

У 1938 році німецький фахівець Манфред фон Арденне побудував перший скануючий електронний мікроскоп [4]. Але цей апарат ще не був схожий на сучасний РЕМ, так як на ньому можна було дивитися тільки дуже тонкі зразки на просвіт. Тобто це був швидше скануючий просвічуючий електронний мікроскоп (спем або STEM) - Фон Арденне, по суті, додав скануючу систему до просвічуючої електронної мікроскопії. Крім реєстрації зображення на кінескопі, в приладі була реалізована система фотореєстрації на плівку, розташовану на обертовому барабані.Електронний пучок діаметром 0,01 мкм сканував поверхню зразка, а минулі електрони засвічували фотоплівку, яка переміщалася синхронно з електронним пучком.

Перша мікрофотографія, отримана на спем, зафіксувала збільшений в 8000 раз кристал ZnO з роздільною здатністю від 50 до 100 нанометрів. Зображення складалося з растра 400х400 пікселів і для його накопичення було необхідно 20 хвилин. Мікроскоп мав дві електростатичні лінзи, оточені отклоняющими котушками.

У 1942 році, російський фізик і інженер Володимир Зворикін, що працював у той час в лабораторії Radio Corporation of America в Прінстоні в США, опублікував деталі першого скануючого електронного мікроскопа, що дозволяє проаналізувати не тільки тонкий зразок на просвіт, а й поверхню масивного зразка. Електронна гармата з вольфрамовим катодом еміттіровала електрони, які потім прискорювалися напругою 10 кіловольт. Електронна оптика апарату була складена з трьох електростатичних котушок, а відхиляють котушки розміщувалися між першою і другою лінзою. Щоб забезпечити зручність розміщення зразка і маніпулювання ним у конструкції РЕМ, електронна гармата розташовувалася внизу мікроскопа (у цій конструкції була неприємна особливість - ризик падіння зразка в колону мікроскопа).

Цей перший РЕМ досягав дозволу близько 50 нанометрів. Але в цей час бурхливо розвивалася просвітчаста електронна мікроскопія, на тлі якої РЕМ здавався менш цікавим приладом, що позначилося на швидкості розвитку цього виду мікроскопії [5].

В кінці 1940 років Чарльз Отли, будучи головою конференції відділу проектування Кембріджського університету у Великобританії, зацікавився електронною оптикою і вирішив оголосити програму розробки скануючого електронного мікроскопа на додаток до ведуться у відділі фізики робіт над просвітчастим електронним мікроскопом під керівництвом Еліс Косслетт. Один зі студентів Чарльза Отли, Кен Сандер, почав працювати над колоною для РЕМ, використовуючи електростатичні лінзи, але змушений був через рік перервати роботи через хворобу. Роботу в 1948 році відновив Денніс Макміллан. Він з Чарльзом Отли побудували їх перший РЕМ (SEM1 або Scanning Electron Microscope 1) і в 1952 році цей інструмент досяг дозволу 50 нанометрів і, що найбільш важливо, забезпечив тривимірний ефект відтворення рельєфу зразка - характерну особливість всіх сучасних РЕМ [6]. У 1960 році Томас Еверхарт і Річард Торнлі, винайшовши новий детектор («детектор Еверхарт-Торнлі»), прискорили розвиток растрового електронного мікроскопа. Цей детектор, вкрай ефективний для збору як вторинних, так і відбитих електронів, стає дуже популярним і зустрічається зараз на багатьох РЕМ.

Роботи, які велися в Кембріджському університеті групою Чарльза Отли в 60-і роки, вельми сприяли розвитку РЕМ, і в 1965 році фірмою «Cambridge Instrument Co.» Був випущений перший комерційний скануючий електронний мікроскоп - Stereoscan [7].

Принцип роботи

Роздільна здатність (здатність розрізняти тонкі деталі) людського ока, озброєного оптичним мікроскопом, крім якості збільшувальних лінз обмежена довжиною хвилі фотонів видимого світла. Найбільш потужні оптичні мікроскопи можуть забезпечити спостереження деталей з розміром 0.1-0.2 мкм [8]. Якщо ми захочемо побачити більш тонкі деталі, необхідно скоротити довжину хвилі, яка висвітлює об'єкт дослідження. Для цього можна використовувати не фотони, а, наприклад, електрони, довжина хвилі яких набагато менше. Електронні мікроскопи - результат втілення цієї ідеї.

Нижченаведений рисунок ілюструє принципову схему РЕМ: тонкий електронний зонд (електронний пучок) направляється на аналізований зразок. В результаті взаємодії між електронним зондом і зразком виникають низькоенергетичними вторинні електрони, які відбираються детектором вторинних електронів. Кожен акт зіткнення супроводжується появою електричного сигналу на виході детектора. Інтенсивність електричного сигналу залежить як від природи зразка (меншою мірою), так і від топографії (більшою мірою) зразка в області взаємодії. Таким чином, скануючи електронним пучком поверхню об'єкта можливо отримати карту рельєфу проаналізованої зони.

Тонкий електронний зонд генерується електронною гарматою, яка грає роль джерела електронів, скороченого електронними лінзами, які грають ту ж роль по відношенню до електронного пучка як фотонні лінзи в оптичному мікроскопі до світлового потоку. Котушки, розташовані відповідно до двох взаємоперпендикулярних напрямами (x, y), перпендикулярним напрямку пучка (z) і контрольовані синхронізованими струмами, дозволяють піддати зонд скануванню подібно скануванню електронного пучка в електронно-променевої трубки телевізора.Електронні лінзи (зазвичай тороїдальні магнітні) і відхиляють котушки утворюють систему, звану електронної колоною.

В сучасних РЕМ зображення реєструється виключно в цифровій формі, але перші РЕМи з'явилися на початку 1960 років задовго до поширення цифрової техніки і тому зображення формувалося способом синхронізації розгорток електронного пучка в кінескопі з електронним пучком в РЕМ і регулювання інтенсивності трубки вторинним сигналом. Зображення зразка тоді з'являлося на фосфоресцирующей екрані кінескопа і могло бути зареєстроване на фотоплівці.