Взаимодействие электронного пучка с веществом

Информация, которую можно получить с помощью просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ), связана со следующими известными эффектами, возникающими при взаимодействии электронного пучка с веществом (рис. I).

Рис. 1. Эффекты, возникающие при взаимодействии электронного пучка с веществом. 1- электронный пучок, 2 – флюоресценция, катодолюминесценция, 3 – Оже-электроны, 4 – упруго отраженные электроны, 5 – вторичные электроны, 6 – рентгеновские лучи, 7 – поглощенные электроны, 8 – дифрагированные электроны, 9 – прошедшие электроны

1) Дифракция электронов на кристаллической решетке в соответствии с условием Вульфа-Брэгга. По полученной дифракционной картине проводится качественный и количественный анализ кристаллической структуры образца и его состава, измерение межплоскостных расстояний, определение типа кристаллической решетки, ориентации кристалла относительно электронного пучка, ориентационной зависимости между зернами поликристалла или составляющими структуры (двойниками, выделениями и т.д.) и матрицей, а также определение кристаллографической ориен­тации дефектов кристаллической структуры - дислокаций, различных поверхностей разделе, например, границ зерен.

2) Локальное изменение условий дифракции электронов, связанное с присутствием в кристаллическом материале дефектов. Взаимодействие с дефектами сказывается на распределении электронов, прошедших через образец. Это позволяет наблюдать электронно-микроскопическое изображение тонкой дефектной структуры. Обычно используется один электронный пучок - или недифрагированный (светлопольное изображение), или дифрагированный (темнопольное изображение). Однако в формирование изображения можно включить не один, а несколько электронных пучков. В этом случае удается увидеть картину, соответствующую расположению атомов в кристалле и даже различить атомы различных элементов. Это дает возможность осуществить самый тонкий фазовый и химический анализ нанообъекта. При изучении нанообъектов чаще всего используют контраст в проходящем или дифрагированном пучке, позволяющий непосредственно определять размеры, форму и расположение нанообъектов.

3) Упругое отражение электронов от поверхности дает информацию, как о составе поверхностного слоя образца, так и о рельефе его поверхности. Оно используется, в основном, в растровом электронном микроскопе, работающем на отражение, а также при отражении медленных или быстрых электронов от поверхности нанослоев.

4) Образование вторичных электронов, являющихся электронами проводимости, выбитыми из поверхности образца электронным пучком, чаще всего используются для получения изображения поверхности в растровом электронном микроскопе, работающем на отражение.

5) Генерация характеристического рентгеновского излучения, обусловленного взаимодействием электронов пучка и внутренних орбиталей атомов. Энергия образующегося рентгеновского квантa зависит от атомного номера элемента, поэтому регистрация такого излучения позволяет получить сведения о химическом составе, материала, что широко используется как в просвечивающей, так и в отражающей электронной микроскопии

6) Генерация тормозного рентгеновского излучения, которое образует фон, содержащий информацию о среднем атомном номере материала образца и, следовательно, о его составе.

7) Поглощение энергии рентгеновского излучения электронами атомов. Оно также содержит информацию об элементном составе.

8) Оже-эффект, возникающий из-за перехода ионизированного электронным пучком атома из возбужденного в стационарное состояние. При этом наряду с характеристическим рентгеновским излучением происходит испускание оже-электронов, обладающих энергией, также характерной для данного сорта атомов, оже- электронная спектроскопия эффективна только для слоя поверхности толщиной около I нм. Наилучшие результаты получаются при анализе более легких элементов.

9) Катодолюминосценция, представляющая собой вынужденное излучение в более длинноволновом, чем рентгеновское излучение, диапазоне; характерна для полупроводников и диэлектриков.

10) Флуоресценция, появляющаяся под действием рентгеновского излучения, возбужденного первичным электронным пучком. В результате поглощения рентгеновского излучения может возникать, вторичное характеристическое рентгеновское излучение.

11) Поглощение электронов исследуемым образцом, что приводит к появлению электрического тока. Величина тока может дать представление о фазовом и элементном составе образца.