Реферат: ЭЛЕКТРОННАЯ МИКРОСКОПИЯ КАК СРЕДСТВО ИЗУЧЕНИЯ СТРОЕНИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
Методы электронной микроскопии завоевали такую популярность, что в настоящее время невозможно представить себе лабораторию, занимающуюся исследованием материалов, их не применяющую.
Дата добавления на сайт: 20 марта 2025
ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого президента России Б.Н.Ельцина»
Институт фундаментального образования кафедра физики
РЕФЕРАТ
ЭЛЕКТРОННАЯ МИКРОСКОПИЯ КАК СРЕДСТВО ИЗУЧЕНИЯ СТРОЕНИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
Руководитель, проф., д.ф.-м.н. О.А. Чикова
Студент гр. Мт-491201 И.А. Ясюлевич
Екатеринбург 2012г.
Введение
Методы электронной микроскопии завоевали такую популярность, что в настоящее время невозможно представить себе лабораторию, занимающуюся исследованием материалов, их не применяющую. Первые успехи электронной микроскопии следует отнести к 30-м годам, когда с ее помощью была выявлена структура ряда органических материалов и биологических объектов. В исследованиях неорганических материалов, в особенности металлических сплавов, позиции электронной микроскопии укрепились с появлением микроскопов с высоким напряжением (100 кВ и выше) и еще в большей мере благодаря совершенствованию техники получения объектов, позволившей работать непосредственно с материалом, а не со слепками-репликами.
Глава 1. Электронная микроскопия металлов и сплавов
Электронная микроскопия совокупность электронно-зондовых методов исследования микроструктуры твердых тел, их локального состава и микрополей (электрических, магнитных и др.) с помощью электронных микроскопов (ЭМ) - приборов, в которых для получения увеличения изображений используют электронный пучок. Электронная микроскопия включает также методики подготовки изучаемых объектов, обработки и анализа результирующей информации. Различают два главных направления Электронная микроскопии: трансмиссионную (просвечивающую) и растровую (сканирующую), основанных на использовании соответствующих типов электронной микроскопии. Они дают качественно различную информацию об объекте исследования и часто применяются совместно. Известны также отражательная, эмиссионная, оже-электронная, лоренцова и иные виды электронной микроскопии, реализуемые, как правило, с помощью приставок к трансмиссионным и растровым Электронным микроскопам.
.1 Метод сканирующей электронной микроскопии
Одним из наиболее информативных приборов для микроструктурных исследований является сканирующий электронный микроскоп. По сравнению с оптическим микроскопом он обладает на порядок большим увеличением (до 10 000), на два порядка большей глубиной фокуса (от 1 мкм при увеличении 10 ООО до 2 мм при десятикратном) и дает возможность более легко получать и интерпретировать изображение поверхности материала с сильно выраженным рельефом, таких например, как поверхности излома, глубокотравленные поверхности или пористые материалы.
.2.1 Основы сканирующей электронной микроскопии
В последнее время опубликован ряд монографий по физическим основам, методике исследования, конструкциям и применению сканирующей электронной микроскопии [1, 2, 3. 4]. Принцип действия сканирующего электронного микроскопа весьма прост: электроны, испускаемые нагретым вольфрамовым или LaBe катодом фокусируются магнитными линзами в пятно диаметром ~10 нм. Применение катодов с полевой эмиссией позволяет получить электронный луч еще меньшего диаметра. Используется ускоряющее напряжение от 1 до 50 кВ. величина тока пучка электронов на поверхности варьируется от 10-6 до 10-11 А. Электронный луч быстро сканирует по исследуемому участку поверхности и модулирует яркость второго электронного луча, синхронно с ним двигающегося по телеэкрану микроскопа.
Увеличение микроскопа регулируется изменением силы тока в обмотках электромагнитных линз, нормальный диапазон увеличений 10-50 000. Изображение выводится на высокоразрешающий экран электронно-лучевой трубки с разрешением на трубке 0,1 мм, что при увеличении 10 000 соответствует 10 нм на поверхности образца. Яркость каждой точки на телевизионном изображении определяется величиной сигнала с детектора электронов, который приблизительно равен 10-14 А и поэтому должен быть усилен с помощью электронного умножителя или обычного усилителя. Четкость изображения поверхности при больших увеличениях определяется уровнем шумов в электронных схемах.
На рис. 1 приведена схема взаимодействия первичного электронного пучка с образцом. Различные типы излучении и эмиттированных частиц могут быть зарегистрированы соответствующим детектором к использованы для изучения образца.
Рис.1 Глубина выхода различных типов излучения и эмитируемых частиц при взаимодействии электронного пучка с образцом
На рис. 2, а приведено типичное изображение поверхности полированного металла во вторичных электронах, на рис. 2, б-в обратно отраженных. Оба изображении могут быть получены с помощью одного и того же детектора электронов, но работающего в разных режимах для регистрации вторичных и обратно отраженных электронов, имеющих разную энергию.
Обратно отраженные электроны образуются при рассеянии первичных электронов на большие (до 90°) углы в результате однократного упругого рассеяния или в результате многократного рассеяния на малые углы. При энергии первичного пучка от 10 до 20 кэВ примерно 50 % от общего числа образующихся вторичных и обратно отраженных электронов достигают поверхность
Рис. 2. Типичные изображения, полученные в сканирующем электронном микроскопе (размер изменен при печати): а - топографический контраст во вторичных электронах. А1-12% (по массе) Si (алюминиевая матрица протравлена) X 300; б - контраст за счет атомного номера материала в обратно отраженных электронах. медная матрица с волокнами никеля . X1060; в - топографический контраст во вторичных электронах. керамика оксид алюминия - 10 % (по массе) оксида циркония, термическое травление. Черная линия осаждения загрязнении при сканировании вдоль линии; профиль модуляции дан в виде световой линии Х3600; г - изображение во вторичных электронах с контрастом за счет рельефа поверхности
Шероховатая грубая поверхность алюминиевой матрицы выглядит более светлой, по сравнению с узкими полированным образца и покидают ее. Если атомный номер атомов материала в точке падения первичного пучка уменьшается, то образуется меньше обратно рассеянных электронов и потери их энергии больше. В материале с большим атомным номером, большее число электронов упруго отражается на атомах и на меньшей глубине в образце, поэтому потери энергии при их движении к поверхности меньше. Таким образом, количество, распределение по энергиям и глубина выхода обратно отраженных электронов прямо связаны с атомным номером материала. Вторичные электроны имеют меньшую энергию по сравнению с обратно отраженных и образуются при взаимодействии первичного пучка со слабо связанными электронами оболочек атомов. Распределение вторичных электронов по энергиям зависит от энергии первичного пучка электронов, числа электронов во внешней оболочке атома, радиуса атома и наиболее сильно от величины потенциального барьера на поверхности материала. Максимум распределения вторичных электронов соответствует энергии на порядок меньшей, чем энергия первичного пучка. Вероятность вылета низкоэнергетического вторичного электрона экспоненциально уменьшается с глубиной генерации. Более половины вторичных электронов эмитируется с глубины ~0,5 нм. Очевидно, что обратно отраженные электроны имеют достаточную энергию для выбивания электронов из оболочек атомов и тем самым увеличивают шумовую составляющую в спектре вторичных электронов и уменьшают пространственное разрешение. Количество образующихся вторичных электронов слабо зависит от атомного номера элемента. Основным параметром, определяющим выход вторичных электронов, является угол падения первичного пучка на поверхность. При наклонном падении первичного пучка на поверхность, вся возбуждаемая электронным лучом область (см. рис. 1) будет отклонена от нормали и выход вторичных электронов в связи с этим возрастет. Таким образом, вариации наклона микро участков поверхности вызывают резко выраженные изменения в выходе вторичных электронов. Этот эффект используется для получения информации о топографии поверхности.
Ряд методик обработки сигнала вторичных электронов используется для извлечения дополнительной информации или повышения качества изображения, например: методика подавления уровня шумов, состоящая в дифференцированном усилении сигнала, что дает усиление контраста на телевизионном изображении или на фотоснимке; методика нелинейного усиления, когда усилие контраста производится в определенном диапазоне интенсивностей сигнала на телевизионной трубке, что позволяет наблюдать детали на относительно темных участках изображения. В методе у-модуляции на телевизионной электронно-лучевой трубке луч отклоняется в вертикальном направлении пропорционально сигналу с детектора (см. рис. 2, в), что улучшает восприятие незначительных изменений в контрасте на фоне больших. Если используется какая-либо из описанных методик обработки сигнала, то необходимо более тщательно подходить к интерпретации изображений. Некоторые практические вопросы применения растровой электронной микроскопии в материаловедческих лабораториях обсуждены в обзоре [5].
Приготовление образцов
Наибольшим преимуществом сканирующей электронной микроскопии является минимальная обработка образцов при подготовке их к исследованиям. Практика подготовки образцов для сканирующей электронной микроскопии обсуждена в [6, 7]. Металлографические шлифы или поверхности излома металлических материалов могут исследоваться без всякой подготовки образцов. Непроводящие материалы должны быть покрыты тонким проводящим слоем толщиной 10-100 им для устранения зарядки образца. Обычно для этих целей используют углерод, золото и другие металлы, наносимые распылением или испарением в высоком вакууме. Окисление поверхности кислородом воздуха при длительном хранении или при высокотемпературной обработке может быть устранено электрохимической обработкой [8] или водородным восстановлением [9]. Поперечные сечения для исследования в растровом электронном микроскопе приготавливаются так же, как и в оптической микроскопии, однако следует более тщательно очищать поверхность от остатков полирующей жидкости или травящего раствора, так как они могут вызвать загрязнение поверхности при исследовании образца в условиях вакуума. Органические смолы и любые другие углеродсодержащие вещества, например, смазки, также удаляют с поверхности для предотвращения ее загрязнения углеродом и продуктами разложения углеводородов.
Микроструктура многофазных сплавов может быть выявлена глубоким травлением (см. например, [10, 11]). На рис. 2, а показан сплав алюминий-кремний с глубоким травлением алюминиевой матрицы. Октаэдрическая форма первичных кристаллов кремния и сложное расположение кремниевых пластинок в эвтектической структуре не выявляется на нетравленной полированной поверхности.
Травление поверхности не производится при формировании изображения обратно отраженными электронами и контраст при этом возникает за счет различия атомных номеров элементов в разных точках поверхности. Фаза, в состав которой входят тяжелые элементы с большими атомными номерами, на изображении в обратно отраженных электронах выглядит более светлой по сравнению с участками или фазами, содержащими более легкие элементы. Механическая полировка образца, содержащего твердые и мягкие фазы, часто приводит к появлению нежелательного в этом случае топографического контраста из-за их разной полируемости. В некоторых случаях , при отсутствии загрязнений на поверхности, различная полируемость позволяет получить хороший контраст во вторичных электронах (рис. 2, г). Слабо проявляющиеся изображения, например изображения магнитных доменов или картины каналирования электронов, вообще невозможно получить при наличии на поверхности деформированного слоя или неровностей. Поэтому исследование микроструктуры этими методами требует приготовления гладких и свободных от деформации поверхностей.
.2 Метод просвечивающей электронной микроскопии
Электронные микроскопы можно условно разделить на три части в соответствии с их функциями: осветительная система, состоящая из электронной пушки и конденсорных линз, дающая тонкий электронный пучок для освещения образца; объективные линзы, расположенные непосредственно за образцом и служащие для получения дифракционных картин и первого увеличенного изображения образца; система увеличения для получения конечного изображения. Кроме оптических частей микроскопы содержат камеру образца (систему установки образца) и регистрирующую систему [12, 13].
Осветительная система формирует падающий на образец частично когерентный пучок электронов регулируемого размера, интенсивности и угла расходимости. Термин когерентность относится к интервалу сдвигов фаз в пучке, когда он достигает образца. Если электроны вылетают из точечного источника, то все длины волн электронов внутри пучка находятся в одной фазе относительно друг друга и освещение образца таким пучком является когерентным. Однако, если источник электронов настолько большой, что фазового соответствия между волнами электронов нет, то такое освещение полностью некогерентное. На самом деле нить катода электронного микроскопа обеспечивает промежуточные условия между этими двумя крайними случаями и освещение следует рассматривать как частично когерентное. В ПЭМ размер области образца а, в которой освещение является когерентным, связан с угловой апертурой освещения α1 соотношением
α = λ/(2α1)
Рис. 3. Электроны и электромагнитные волны, излучаемые просвечиваемым образцом в результате упругого и неупругого рассеяния или дифракции падающих электронных волн делах 10 нм - 1 мкм н зависит от типа изображения и ускоряющего напряжения микроскопа
Существуют различные способы электрохимического утонения проводящих материалов [14] и ионного утонения непроводящих материалов.
Облучаемый высокоэнергетичными электронами образец испускает электроны разных типов и электромагнитные волны Последние возникают из-за процессов упругого и неупругого рассеяния. Для различных способов формирования изображении используются разные сигналы от образца. Изучая упруго рассеянные электроны, можно получить сведения о кристаллической структуре и дефектах образца (и формировании изображения ни микрофотографиях участвуют и неупруго рассеянные электроны, вносящие вклад в интенсивность фона) Исследования неупруго рассеянных электронов и других волн, испускаемых образцам (рис. 3), позволяют определить химический состав и строение поверхности образца.
В обычном просвечивающем режиме электронный микроскоп позволяет получать изображение в светлом (СИ) и темном (ТП) полях или изображение решетки (рис. 4). Светло польное (темно-польное) изображение образуется, когда для его получения используется только один проходящий (дифракционянный) пучок.
Рис. 4. Диаграмма хода лучей (включая построение сферы Эвальда): 1 дифрагирующие плоскосгн; 2- прошедший пучок: 3 - дифрагированный пучок; 4 - сильный дифрагированный пучок
Апертура объектива предохраняет от попадания всех других пучков в регистрирующую систему. Обычно образец ориентируется таким образом, что для некоторой группы плоскостей решетки почти полностью выполняется условие Брэггов. В таком случае образуется только один диафрагированный пучок (кроме падающего). Если для формирования изображения берется слабый темнопольный пучок, то получается темнопольное изображение в слабом пучке (ТПСП)
Изображение решетки образуется при интерференции по крайней мере двух пучков в плоскости изображения объективной линзы. Полосы решетки можно наблюдать, если для изображения используется несколько систематических пучков (отраженных от искомых плоскостей), а изображение структуры получается при использовании множества пучков, имеющихся в Лауэ-зоне нулевого порядка. Для получения изображения с высоким разрешением необходима специальная переналадка микроскопа.
Объективная линза формирует дифракционную картину в своей задней фокальной плоскости (рис. 5). Первое изображение объекта повернуто на 180" относительно дифракционной картины. Последующими промежуточными и проекционными линзами эта дифракционная картина увеличивается. При получении изображения способом растровой просвечивающей электронной микроскопии (PПЭМ) электронный пучок в виде тонкого зонда фиксируется на образце с помощью предполя объективной линзы. Зонд сканирует по образцу (с помощью отклоняющих катушек), и регистрируется интенсивность прошедшего пучка.
Обычно в материаловедении РПЭМ применяется для аналитической микроскопии , когда зонд фиксируется на малой ограниченной площади, и для определения химического состава образца исследуются либо энергетические потери прошедших электронов (ЭППЭ), либо рентгеновские лучи, возбужденные в образце (обычно с помощью спектрометра энергетической дисперсии). Использование зонда очень маленького размера hkℓ
Таблица 1.7 Сопоставление межплоскостных расстояний, определенных по электронограмме, с табличными
| R, мм | dэксп | dтабл | hkℓ |
| ОА = 12 ОВ = 10,5 ОС = 10,5 | 1,78 2,06 2,06 | 1,78 2,06 2,06 | 200 111 111 |
. Угол между двумя плоскостями с данными индексами в прямом пространстве и направлениями от центрального пятна к двум дифракционным пятнам с этими же индексами hkℓ совпадают.
Рис. 1.46. Измерение углов между направлениями на электронограмме
Угол между направлениями на электронограмме можно измерить транспортиром (рис. 1.46) и сравнить с таблицей углов между направлениями в кристаллах (табл. 1.8). Таким образом, можно определить, к какому семейству плоскостей {hkℓ} относится данное дифракционное пятно. Термин «семейство плоскостей» имеет в виду все возможные сочетания индексов (включая и минусовые), а также использование целочисленного множителя. Например, к одному семейству относятся индексы 123, 321, 213, 426, 246, 321, 642 и т.д.
Конкретные индексы дифракционного отражения подбираются по следующим правилам:
рефлексы, находящиеся по разные стороны от центрального, имеют
индексы противоположного знака;
на электронограмме не могут одновременно присутствовать два пятна с одинаковыми индексами;
индексы подчиняются правилу векторного сложения.
По индексам любых двух пятен (h1k1ℓ1) и (h2k2ℓ2) можно вычислить индексы плоскости обратного пространства (uvw), к которой они принадлежат, тем самым определить индексы оси зоны в прямом пространстве
[uvw]: u = k1ℓ2 - k2ℓ1 ; v = ℓ1h2 - ℓ2h1; w = h1k2 - h2k1.
Библиографический список
l Goldstein. J.I. and H Yakuwitz. eds.. 1979. practicai Scanning Electron Microscop) (Plenum. New).
Hearle J.W.S. J.T Sparrow and P.M Cross 1972 The Use of Scanning Electron Microscopy (Pengamon Press Oxford)
Heywood. V.H. ed. 1971 Scanning Electron Micrscopy - Sistematic and Evolutionarv Applications (Academic. London)
. Oatley, C.W., 1972, The Scanning Electron Microscope (Cambridge University Press).
. Hillmer. T. 1979b, Pract Metallogr 16. 521
. Hillmer. Т., 1979a. Pract Metallogr.16. 476
. Newbury, D.E. and H. Yakowitz. 1977a. in: Practical Scanning Electron Microscopy, eds. J.I. Goldstiein and H. Yakowitz (Plenum. New York) ch. 6. p. 211.
. Yazawich, H. S. Weber and H. Warlimont, 1977, Pract. Metallogr. 14, 553.
.Madeski. A.. 1980. Pract Metallogr. 17. 598
FRemunt. P.. J. Svejcar and J Varhanicek. 1980. Pract. Metallogr 17. 497
. Hun-De Z., and W, Jino-Yun. 1980. Pract Metallogr. 17 608.
. Hirch, P.B., A. Howie, R.B. Nicholson, D.W. Pahsley and M.J. Whelan, 1977, Electron Microscopy of This Films (Krieger, huntingtom, NY)
. Hren, J.J. 1979, in : Introduction to Analytical Electron Microscopy, eds, J.J. Hren, J.I. Golstein and D.S. Joy (plenum. Ne York)
.thompson-Russell, K.C., and J.W. Edington, 1977, in: Practical Electron Microscopy in Materials Science. vol 5 (Mac Millan. London)
. Tighe. N.J. 1976, in: Electron Microscopy in Mineralogy, ed. H.R Weak (Springer, Berlin).
. Spence, J.C.H., 1081, Experimental High- Resolution Electron Microscopy (Clarendon press, Oxford).
. Thomas, G., and M.J. Goringe , 1979. Transmission Electron Microscopy of Materials (Wiley, New York).
18. Акашев Л.А., Кононенко В.И. Эллипсометрия и электронная структура жидких металлов // Спектроскопические методы в исследовании поверхности аморфных и жидких металлов: Тематич. сб. научн. тр./ Челяб. политехн, ин-т. Челябинск: ЧПИ, 1990. С.62-76.
. Крокстон К. Физика жидкого состояния. Пер.с англ. М.: Мир, 1978. 400 с.
. Scottw В., Britten Т., Frank N. Distribution of atoms the surface of liquid mercury // Nature. 1986. V. 321, № 6071. P.685-687.
. Ашхотов О.Г., Шебзухов А.А., Хоконов Х.Б. Исследование поверхности жидких металлов и сплавов методом электронной Оже-спектроскопии // ДАН СССР. 1984. Т.274, № 6. С.1349-1352.
. Трапезников В.А., Шабанова И.Н. Рентгеноэлектронная спектроскопия сверхтонких поверхностных слоев конденсированных систем. М.: Наука, 1988. 200 с.
. Лавров А.В., Спиридонов М.А., Попель СИ. Исследование строения поверхности расплавов методом дифракции быстрых электронов // Расплавы. 1988. Т. 2, № 2. С.115-117.
. Ichicava Т. Structure amomaly of liquid Sn layers adsorbed on Ge (111) surfaces // Sol. State Commun. 1987. V. 63, № 12. P.1173-1178.
. Ichicava T. On the surface of monolayer liquid Pb on Ge (111) surfaces// Sol. State Commun. 1984. V. 49, № 1. P.59-64.
. Lu B.S., Rice S.A. Determination of the density profile in the liquid-vapour interface near the triple point// J. Chem. Phys. 1978. V.68, № 12. P.5558-5567.
. Sluis D., Rice S.A. An X-ray reflection study of the liquidvapour interface of Cs // J.Chem. Phys. 1983. V.79. № И. P.5658-5672.
. A.c. N 1323931. Устройство для исследования структуры расплавов/ А.В. Лавров, М.А. Спиридонов, СИ. Попель (СССР). Опубл. в Б.И. 1987. № 26. МКИ 4. G 01. С.30. № 23/20.