Лекции_Введение_в_нанотехнологии. Введение в нанотехнологии

• Название: Введение в нанотехнологии
• Дата: 16.10.2022
• Размер: 5.09 Mb.
• Имя файла: Лекции_Введение_в_нанотехнологии.doc
• Тип: Документы; #737269
• страница: 7 из 24

Глава 3. Инструменты нанотехнологий. Электронная сканирующая микроскопия

От проблемы подготовки образца свободен так называемый растровый (сканирующий) электронный микроскоп (рис. 3.2). Его конструкция имеет много общего с конструкцией просвечивающего электронного микроскопа. Принципиальное отличие заключается в том, что электронный пучок освещает не всю поверхность исследуемого предмета. Фокусировка происходит в определённой точке, которая при помощи отклоняющей системы перемещается по поверхности, сканируя её.



Рис. 2.3. Схема работы растрового электронного микроскопа. 1 – источник электронов; 2 – ускоряющая система; 3 – магнитная линза; 4 – отклоняющие катушки; 5 – образец; 6 – детектор отраженных электронов; 7 – кольцевой детектор; 8 – анализатор (http://www.krugosvet.ru)

Электроны, отражённые от поверхности, фиксируются детектором, что даёт возможность получать информацию о её структуре (рис. 3.3). Поскольку в данном случае электроны, участвующие в построении изображения, не проходят через исследуемый образец, то нет ограничений на толщину образца, и его подготовка существенно упрощается. Кроме того, нет необходимости поддерживать внутри установки глубокий вакуум, что упрощает конструкцию микроскопа. Хотя схема растрового электронного микроскопа была предложена М. Кноллем в 1935 году, а первая реальная установка была создана М. фон Арденне в 1936 году, развитие по различным техническим причинам она получила лишь в 60-х годах XX века.



Рис. 3.3. Микрофотография наночастиц CeO₂, полученая при помощи электронного микроскопа Titan с максимальным разрешением 0,05 нм (http://www.fei.com)

На этом же принципе основано, например, построение изображения на экране телевизора (растра).

Разрешающая способность просвечивающих электронных микроскопов достигает 0,05 нм, что даёт возможность получать изображения отдельных атомов и молекул. Разрешающая способность растровых электронных микроскопов приближается к этой величине и достигает в настоящее время 0,2 нм.

Глава 3. Инструменты нанотехнологий. Полевая ионная микроскопия

Полевой ионный микроскоп был создан немецким учёным Э. Мюллером в 1951 году. По принципу действия ионный микроскоп аналогичен электронному микроскопу. Проходя через объект и испытывая в различных его участках рассеяние и поглощение, ионный пучок фокусируется системой электростатических или магнитных линз и даёт на экране или фотослое увеличенное изображение объекта. Для построения изображения используются ионы так называемого изображающего газа. Для получения ионов изображающего газа используется явление ионизации на поверхности металла молекул или атомов газа в сильном электрическом поле за счёт туннелирования электронов в металл. В качестве изображающего газа обычно используется гелий и другие инертные газы.

Принципиальное преимущество ионного микроскопа перед электронным заключается в том, что масса иона во много раз больше массы электрона, поэтому дебройлевская длина волны, определяемая формулой , у такой частицы оказывается во столько же раз меньше (при одинаковом ускоряющем напряжении), что теоретически должно привести к соответствующему увеличению разрешения.

В настоящее время создано лишь несколько опытных образцов ионных микроскопов. Дело в том, что получение изображения в ионном микроскопе происходит в весьма специфических условиях: бомбардировка поверхности тяжёлыми ионами приводит к искажению исследуемой поверхности, происходит быстрое «залечивание» вакансий, отрыв выступающих атомов и т. п., что приводит к получению равномерной картины с идеально упорядоченным расположением атомов. Исследование живых объектов при помощи такого микроскопа невозможно. Кроме того, под действием интенсивного ионного пучка происходит разрушение люминофора экрана.

Разновидностью ионного микроскопа можно считать ионный проектор, безлинзовый ионно-оптический прибор для получения увеличенного в несколько миллионов раз изображения поверхности твёрдого тела. Принципиальная схема ионного проектора показана на рис. 3.4.



Рис. 3.4. Схема ионного проектора: 1 – жидкий водород; 2 – жидкий азот; 3 – остриё; 4 – проводящее кольцо; 5 – экран (http://bse.sci-lib.com)

Положительным электродом и одновременно объектом, поверхность которого изображается на экране, служит остриё тонкой иглы. Атомы газа, заполняющего внутренний объём прибора, ионизуются в сильном электрическом поле вблизи поверхности острия, отдавая ему свои электроны. Возникшие положительные ионы приобретают под действием поля радиальное (перпендикулярное поверхности острия) ускорение, устремляются к флуоресцирующему экрану (потенциал которого отрицателен) и бомбардируют его. Свечение каждого элемента экрана пропорционально плотности приходящего на него ионного тока. Поэтому распределение свечения на экране воспроизводит в увеличенном масштабе распределение вероятности возникновения ионов вблизи острия.

Масштаб увеличения m равен отношению радиуса экрана R к радиусу кривизны острия r: m = R/r (чем тоньше остриё, тем больше увеличение).

Вблизи острия электрическое поле неоднородно – над сту­пеньками кристаллической решётки или отдельными выступа­ющими атомами его локальная напряжённость увеличивается: на таких участках вероятность ионизации выше и количество ионов, образующихся в единицу времени, больше. На экране эти участ­ки отображаются в виде ярких точек (рис. 3.5). Иными словами, образование контрастного изображения поверхности определяет­ся наличием у неё локального микрорельефа.

Ионный ток и, следовательно, яркость и контрастность изо­бражения растут с повышением давления газа, которое в ионном проекторе обычно не превышает примерно 0,001 мм рт. ст.



Рис. 3.5. Изображения поверхности вольфрамового острия радиусом 950 Å при увеличении в 106 раз в гелиевом ионном проекторе при температуре 22 К. С помощью ионного проектора за счёт разрешения отдельных атомов (светлые точки на кольцах) можно различить бисерно-цепочечную структуру ступеней кристаллической решетки (http://bse.sci-lib.com/article056371.html)

Ионный проектор широко применяется для исследования атомной структуры чистых металлов и различных сплавов и её связи с их механическими свойствами; всевозможных дефектов в кристаллах, в частности, дислокаций и повреждений, вызванных радиоактивным облучением; влияния способов обработки, например пластических деформаций, на свойства материалов. С его помощью изучают процессы коррозии, адсорбции и десорбции, свойства тонких пленок, осаждённых на поверхности металлов. В настоящее время ведутся работы, ставящие целью изучение с помощью ионного проектора структуры биологических молекул. Разрешающая способность ионного проектора составляет 0,2–0,3 нм.