Исследование взаимодействия нанорельефа с поверхностью основы

4. Просвечивающие электронная микроскопия (ПАЯ или ПАЯ просвечивающая электронная микроскопия ) представляет собой метод микроскопии, где электронный пучок «передается» через очень тонкий образец. Эффекты взаимодействия между электронами и образцом приводят к созданию изображения, разрешение которого может достигать 0,08 нм (или даже 0,04 нм ). Полученные изображения, как правило, не являются явными и должны интерпретироваться с использованием теоретических оснований. Основной интерес этого микроскопа заключается в том, чтобы иметь возможность сочетать это высокое разрешение с информацией из пространства Фурье, то есть дифракцией. Также можно определить химический состав образца, изучая рентгеновские лучи, вызванные электронным лучом. В отличие от оптических микроскопов разрешение ограничено не длиной волны электронов, а аберрациями, вызванными магнитными линзами
Принцип просвечивающего электронного микроскопа был разработан в 1931 году Максом Кноллем и Эрнстом Руска . Последний также получил Нобелевскую премию по физике в 1986 году за это изобретение.
Он заключается в помещении достаточно тонкого образца под пучок электронов и использовании системы магнитных линз для проецирования электронного изображения образца на фосфоресцирующий экран, который преобразует его в оптическое изображение. Другой способ использования кристаллических образцов - просмотр дифракционного изображения образца.
Приложения электронной микроскопии охватывают очень широкую область, от наблюдения биологических образцов, таких как ядра клеток, до анализа промышленных образцов в металлургии или полупроводниковой промышленности.
Согласно теории Аббе, максимальное разрешение, которое может быть получено с помощью оптического микроскопа, зависит от длины волны фотонов и числовой апертуры оптической системы. Предел поперечного разрешения микроскопа, то есть наименьшее расстояние, ниже которого две соседние точки больше не будут различаться, можно выразить с помощью длины волны освещения, показателя преломления на выходе линзы и половины угла максимально доступного светового конуса .
где - числовая апертура объектива ( числовая апертура англ.).
В начале xx - го века, возникла идея распространить этот предел, введенный относительно длинной длиной волны видимого света, от 400 до 700 нанометров в вовлечении электронов, которые были известны, в зависимости от механической волны от Луи де Бройля, что они имели как свойства частиц и волн. Это наводило на мысль, что с электронным пучком можно обращаться так же, как с пучком электромагнитных волн, чтобы получить изображение образца.
В электронном микроскопе ускоренные электроны генерируются электронной пушкой, содержащей источник и электрическое поле, создаваемое разностью потенциалов между источником и анодом, а затем фокусируются на ультратонком образце с помощью магнитных или электростатических линз . Электронный луч взаимодействует с образцом с пространственным контрастом, возникающим из-за локальных различий в плотности или химическом составе. Электронный детектор ( фотопленка или с конца xx - го века, датчика ПЗС ), а затем обеспечивает изображение образца, как было «виден» переданных электронов.
Просвечивающий электронный микроскоп имеет два основных режима работы:
Режим изображения. Электронный луч взаимодействует с образцом в зависимости от толщины, плотности или химической природы последнего, что приводит к формированию контрастного изображения в плоскости изображения. Размещая детектор в плоскости изображения, можно наблюдать изображение по прозрачности наблюдаемой зоны.
Дифракционный режим. В этом режиме используется волновое поведение электронов. Когда луч проходит через кристаллизованный образец, он дифрагирует : интенсивность падающего луча распределяется по нескольким лучам, излучаемым в очень разных направлениях (направлениях конструктивной интерференции). Рекомбинация, и они рекомбинируются, чтобы сформировать изображение, благодаря магнитным линзам.
Электронный луч, проходящий через образец, взаимодействует с атомами, составляющими образец, и производит различные виды излучения. Наблюдения в основном относятся к прошедшему пучку, но анализ испускаемого рентгеновского излучения обеспечивает дополнительные измерения состава образца. Более маргинально, можно также изучить излучение вторичных электронов, обратно-рассеянное, оже- или катодолюминесцентное излучение .Что касается прошедшего луча, то это результат упругой и неупругой диффузии, которая обеспечивает контраст изображений. Обе эти диффузии сохраняют импульс, но первая сохраняет кинетическую энергию и вносит большой вклад во взаимодействия, а вторая сохраняет полную энергию и сосредоточена в малых углах рассеяния. Разница в энергии преобразуется в возбуждение электрона, связанного с атомом. Понимание процессов взаимодействия необходимо для умения проводить наблюдения и анализировать их. Именно на основе моделирования этих взаимодействий определяются различные режимы визуализации, используемые в ПЭМ.