Лабораторный практикум по физическим методам исследования материалов

Для уменьшения потерь интенсивности падающего света в некоторых микроскопах вместо полупрозрачной пластинки в ход лучей вводят призму. Увеличение светопропускания и повышение контрастности изображения достигаются также в результате применения просветленной оптики, обеспечивающей устранение рефлексов при отражении.

Устройство вертикального металлографического микроскопа МИМ-7

Рассмотрим устройство вертикального металлографического микроскопа МИМ-7. Микроскоп МИМ-7 предназначен для визуального наблюдения и фотографирования структуры металлических шлифов и других непрозрачных объектов в светлом поле при прямом и косом освещении, в темном поле и в поляризованном свете.

Основные технические характеристики МИМ-7 приведены в табл.1.

Таблица 1

Основные технические характеристики МИМ-7

Наименование параметра	Значение параметра
Увеличения: - при визуальном наблюдении; - при фотографировании.	60-1440х 70-1350х
Ход механизма микрометрической фокусировки	0-3 мм
Цена деления шкалы механизма микрометрической фокусировки	0,003 мм
Предметный столик: - пределы перемещения в двух взаимно перпендикулярных направлениях в горизонтальной плоскости; - максимальная нагрузка.	0-15 мм 10 кг
Размеры снимков	912 см
Источник света - кинопроекционная лампа К30	17В, 170Вт
Питание лампы	трансформатор, понижающий напряжение в пределах 6-18,5В, от сети переменного тока 127 или 220В
Габаритные размеры	237517530 мм
Масса	27,5 кг



На рис. 6 приведена оптическая схема микроскопа. При работе в светлом поле источник света 1 проектируется коллектором 2 и зеркалом 3 в плоскость апертурной диафрагмы. Системой, состоящей из линз 5 и 6, пентапризмы 7 и отражательной пластинки 8, изображение апертурной диафрагмы проектируется в плоскость опорного торца для объективов. Пройдя объектив 9, лучи отражаются от объекта 10, вновь проходят через объектив, выходят из него параллельным пучком, проходят отражательную пластинку 8 и попадают на ахроматическую линзу 11. Таким образом, объектив служит не только для получения изображения, но и является частью осветительной системы.

Параллельные лучи, вышедшие из объектива, образуют с помощью линзы 11 изображение объекта в фокальной плоскости окуляра 12. При визуальном наблюдении в ход лучей вводится зеркало 13, отклоняющее лучи в сторону окуляра 12.

При фотографировании зеркало 13 выключается, и лучи направляются непосредственно к фотоокуляру 14, за которым установлено зеркало 15, направляющее лучи на фотографическую пластинку 16 (или матовое стекло). Полевая диафрагма 17 расположена в фокусе линзы 5, и ее изображение проецируется в «бесконечность». Объектив переносит изображение полевой диафрагмы в плоскость объекта. Полевая диафрагма служит для ограничения наблюдаемого объекта.

Для работы в темном поле вместо линзы 6 устанавливается линза 18 (рис. 7) и включается диафрагма 19. Как уже указывалось, нить источника света проектируется в плоскость апертурной диафрагмы. Пройдя линзу 18, лучи идут от нее параллельным пучком, но так как на пути их стоит диафрагма 19, то на зеркало 20 лучи падают в виде светового кольца. Отразившись от зеркала 20, лучи падают на внутреннюю поверхность параболического конденсора 21 эпиобъектива, отражаются от нее и концентрируются на объекте.

Рис. 6 Оптическая схема микроскопа МИМ-7

Рис. 7 Оптическая схема работы микроскопа в темном поле

Для работы в поляризованном свете в систему включаются два поляризационных фильтра - поляризатор 22 (рис. 6) и анализатор 23.

На рис. 8 приведен внешний вид микроскопа МИМ-7. Прибор состоит из осветителя 24, нижнего корпуса 25 с фотокамерой, узла 26 апертурной диафрагмы, верхнего корпуса 27, визуального тубуса 29, предметного столика 30.

Осветитель 24 в свою очередь состоит из патрона 31 с лампой и кожуха, закрепленного на угольнике 32, на котором имеются направляющие для перемещения осветителя вдоль оптической оси микроскопа. Выбранное положение осветителя вдоль оптической оси микроскопа. Выбранное положение осветителя фиксируется с помощью рукоятки 33. Кожух с лампой удерживается в угольнике 32 на двух винтах 34, вращением которых совмещается центр нити лампы с оптической осью коллектора. Для замены перегоревшей лампы К30 сначала снимается с угольника кожух. Затем вынимается патрон 31 с лампой.

Лампа питается через трансформатор 35, понижающий на напряжение в пределах 6-18,5В. Трансформатор рассчитан на номинальную мощность 170 Вт, номинальное напряжение 17 В и номинальный ток 10А. Трансформатор выпускается включенным на напряжение 220В; переключение на напряжение 127В осуществляется через окно в дне трансформатора.

При работе с максимальным напряжением перед выключением лампы необходимо постепенно снизить напряжение. Секционный переключатель 36 служит для изменения вторичного напряжения на зажимах штепсельной вилки, а следовательно на зажимах лампы в пределах 0-6-8-12-17-18,5В. Контроль за режимом работы лампы ведется по вольтметру 37, который включен параллельно контактам штепсельной вилки трансформатора. При изменении напряжения на зажимах лампы меняется и освещенность исследуемого объекта.

Для предохранения штырей штепсельных вилок от обгорания рекомендуется включать и выключать штепсельную вилку трансформатора в сеть только при нулевом положении рукоятки секционного переключателя. За осветителем на корпусе 25 установлен коллектор с набором светофильтров, которые переключаются с помощью рукоятки 38. Набор состоит из синего, желто-зеленого, оранжевого и зеленого светофильтров. Светофильтры выключаются при одном из крайних положений рукоятки 38.

а б

Рис. 8 Внешний вид микроскопа МИМ-7

Слева на корпусе микроскопа расположена рукоятка 39 для переключения фотоокуляров. Увеличение фотоокуляров награвированы на корпусе под рукояткой. Совмещение рукоятки с цифрой «7», «10» или «15» соответствует увеличению включенного фотоокуляра.

В посадочном устройстве для фотографической кассеты имеются фиксирующие зажимы для кассеты 912 см или рамки с матовым стеклом.

Спава на корпусе 25 выведен барашек 41 микрометрической фокусировки микроскопа на объект.

Узел 26 апертурной диафрагмы укреплен под оправой 42 линзы 5 (рис. 6). Кольцо 43 (рис. 8) с накаткой служит для изменения диаметра апертурной диафрагмы. Вращением винта 44 апертурная диафрагма смещается с оси при косом освещении объекта. Величина раскрытия диафрагмы и величина ее смещения с оси отсчитывается по соответствующим шкалам. Поворот апертурной диафрагмы осуществляется с помощью нижнего кольца 45 с накаткой, фиксация поворота - с помощью винта 46.

На верхнем корпусе 27 укреплен визуальный тубус 28, который при визуальном наблюдении вдвигается в корпус до упора, при фотографировании - выдвигается до отказа. На верхнюю часть визуального тубуса 29, в верхнем срезе которого в посадочное отверстие вставляется объектив.

В патрубке 48 передвигается рамка 49 с линзами 6 (рис. 6) и 18 (рис. 7), предназначенными для работы в светлом и темном поле. Снизу кожуха 50 (рис. 8) выведены центрировочные винты 51 полевой диафрагмы 17 (рис. 6), которая открывается и закрывается перемещением рукоятки 52 (рис.7). Ниже корпуса полевой диафрагмы установлен фотозатвор 53 в виде шторки, который открывается с помощью рукоятки 54. Для включения диафрагмы 19 (рис.6) темного поля служит рукоятка 55 (рис. 8).

Квадратный невращающийся предметный столик 30 имеет возможность крестообразного перемещения в горизонтальной плоскости в двух взаимно-перпендикулярных направлениях. Перемещение осуществляется вращением рукояток 56. Величина перемещения отсчитывается по шкалам столика.

Для установки предметного столика на рабочую высоту совмещается индекс на кронштейне 57 с точкой на корпусе 27 при установленном в среднее положение механизме микрометрической фокусировки.

Предметный столик перемещается по высоте вращением рукоятки 58 механизма грубой подачи. Для фиксации выбранного положения предметного столика при исследовании тяжелых объектов или при длительной работе без перефокусировки служит рукоятка 59.

Объект устанавливается на столике исследуемой поверхность. Вниз. Для крепления объекта пользуются клеммами 60 или устройством 61 для зажима неустойчивых объектов. На столик могут быть установлены металлические шайбы 62 с разными по диаметру отверстиями. При наблюдении объектов в поляризованном свете на столик устанавливается вкладыш с градусными делениями, заменяющий собой вращающийся столик.

2. ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЧАСТЬ

1) Получить у преподавателя инструкции по эксплуатации микроскопов МБС-2 и МИМ-7.

2) Изучить конструкцию и работу микроскопов МБС-2 и МИМ-7.

3) Рассказать об устройстве микроскопов и показать последовательность действий при работе на микроскопах.

4) Получить у преподавателя полированные микрошлифы: литой меди, деформированной меди, деформированной меди с наличием водородной болезни, цементированной стали.

Микрошлиф представляет собой подлежащий исследованию материал, помещенный в оловянно-свинцовый припой ПОС-30.

Водородная болезнь - образование пор при взаимодействии меди с водородом вследствие наличия кислорода в меди. При высоких температурах в среде водорода (например, при изготовлении электровакуумных приборов) происходит проникновение водорода внутрь меди. Водород, соединяясь с кислородом, растворенным в меди, образует воду, появление которой приводит к образованию пор по границам зерен. При этом механическая прочность меди резко снижается.

Цементация стали - насыщение поверхности материала углеродом, проводится с целью повышения поверхностной твердости.

5) Получить у преподавателя спирт и необходимые реактивы для травления микрошлифов. Для меди: один травитель и один освежитель. Для цементированной стали: один травитель.

6) Произвести травление микрошлифов.

При травлении соблюдать следующие меры предосторожности: травление осуществлять в резиновых перчатках, осторожными медленными движениями, не допуская при этом попадания реактивов на кожу и одежду.

После промывания шлифов под струей воды удалить воду со шлифов, протерев поверхность тканью.

Методика травления меди:

Травление меди осуществлять втиранием. Для травления меди применяется травитель (смесь веществ: двухромовый калий K₂Cr₂O₇ в количестве 2 г, серная кислота H₂SO₄ - 8 мл, насыщенный раствор поваренной соли NaCl - 4 мл, вода дистиллированная - 100 мл) и освежитель (смесь веществ: двухромовый калий K₂Cr₂O₇ в количестве 11,2 г, серная кислота H₂SO₄ - 2,1 мл, вода дистиллированная - 125 мл). Для втирания применяется деревянная палочка (или пинцет), обернутая ватой. Окунув вату на палочке последовательно сначала в травитель, затем в освежителе, а потом опять в травитель, начать втирание реактива в исследуемый материал. После нескольких трущих движений на поверхности должны проступить линии (границы зерен) на поверхности материала, при этом поверхность должна быть равномерно окрашена. При появлении такой картины необходимо немедленно промыть поверхность шлифа, подставляя его под струю воды (либо окуная в ванночку с водой). Если поверхность окрашивается различными цветами (появляется цветной налет), то налет необходимо либо стереть под струей воды, либо заново протравить поверхность. При повторном травлении при помощи уже смоченной ваты сначала ее окунают в освежитель, затем в травитель. Окунание должно всегда оканчиваться травителем.

Методика травления цементированной стали:

Травление цементированной стали 45 осуществлять втиранием. Для травления применяется смесь веществ (азотная кислота HNO₃ в количестве 4 мл и спирт C₂H₅OH - 100 мл). Для втирания применяется деревянная палочка (или пинцет), обернутая ватой. Окунув вату на палочке в травитель, начать втирание реактива в исследуемый материал. Травление осуществлять до появления отчетливо видимого темного цементированного слоя по периметру исследуемого образца.

7) Провести микроскопический анализ полученных микрошлифов:

- перед изучением микрошлиф протирается спиртом;

- изучить поверхности микрошлифов при помощи микроскопа МБС-2;

- изучить поверхности микрошлифов при помощи микроскопа МИМ-7 (увеличение микроскопа определяется преподавателем): в светлом поле, темном поле, косом освещении и поляризованном свете;

- зарисовать картины микроструктуры шлифов с указанием используемых увеличений.

8) Определить размеры зерен на микрошлифах: максимальный и минимальный.

3. ТРЕБОВАНИЯ К ОТЧЕТУ

Отчет по работе выполняется в два этапа:

- отчет по теоретической части работы, по контрольным вопросам для самопроверки и получения заданий по исследовательской части;

- выполнение исследовательской части.

Отчет должен содержать:

- титульный лист;

- введение;

- обоснование цели работы;

- результаты выполнения заданий исследовательской части;

- выводы по результатам исследований.



4. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1) Сущность метода изучения материалов при помощи оптической микроскопии.

2) Физические основы оптической микроскопии.

3) Формирование изображения в отраженном и проходящем свете. Контраст изображения. Метод светлого поля. Применение косого освещения и метода темного поля.

4) Формирование изображения в поляризованном свете.

5) Метод фазового контраста.

6) Метод интерференционного контраста.

7) Объясните принципиальную схему металлографического микроскопа.

8) Расскажите про увеличение и разрешающую способность микроскопа.

9) Опишите виды искажения изображения и методы их устранения.

10) Что такое металлографический анализ.

11) Расскажите про приготовление микрошлифов.

12) Объясните процесс выявления структуры материалов в результате применения различных методов травления материалов.

13) Опишите конструкцию и работу металлографического микроскопа МИМ-7.

ЛИТЕРАТУРА

1. Панченко Е. В. Лаборатория металлографии. - М.: Металлургиздат, 1957.

2. Панченко Е. В., Скаков Ю. А., Кример Б. И., Арсентьев П. П., Попов К. В., Цвилинг М. Я. Лаборатория металлографии. - М.: Металлургия, 1965. - 439 с.

3. Смолмен Р., Ашби К. Современная металлография. - М.: Атомиздат, 1970. - 207 с.

4. Методы испытания, контроля и исследования машиностроительных материалов. Справочное пособие. Под ред. А. Т. Туманова. - т. 1. - М.: Машиностроение, 1971. - 552 с.

5. Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение. Методы анализа, лабораторные работы и задачи. - М.: Металлургия, 1989. - 456 с.

6. Справочник по практическому металловедению/ В.Л. Пилюшенко и др. - К.: Технiка, 1984. - 135 с.

7. Методы анализа материалов, применяемых в электровакуумной промышленности. Под ред. Ю. А. Клячко. - М.: Сов. радио, 1972. - 408 с.

8. Горшков В.С., Тимашев В.В., Савельев В.Г. Методы физико-химического анализа вяжущих веществ. - М.: Высш. шк., 1981. - 335 с.

9. Бублик В.Т., Дубровина А.Н. Методы исследования структуры полупроводников и металлов. - М.: Металлургия, 1978. - 272 с.

10. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. - М.: Машиностроение, 1980. - 493 с.

ЭЛЕКТРОННО-ЗОНДОВЫЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА МАТЕРИАЛОВ

Методические указания

к лабораторным занятиям для студентов направления «Машиностроение» по дисциплинам Б.2.3.3.2 Физико-химические основы сварочных процессов», «Б.3.1.3 Материаловедение», Б.3.3.5.1 «Контроль качества сварных соединений», Б.3.3.5.2 «Методы исследования материалов», М.2.3.2.1 «Методы и средства контроля качества сварных соединений»

Цель работы: изучение основ электронно-зондовых методов анализа материалов и процессов взаимодействия электронов с твердым телом.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

В настоящее время известно более 80 методов анализа, в которых применяются локально энергетические потоки. Они отличаются друг от друга видом первичного потока, чувствительностью, локальностью, степенью деструктурирования вещества, универсальностью и т.д. В качестве зонда (энергетического потока) могут использоваться электроны, ионы, нейтральные частицы, магнитные и электрические поля, фотоны различной энергии, в частности тепловое и рентгеновское излучение. В основе этих методов лежит регистрация вторичных потоков, испускаемых веществом и несущих информацию о его природе и особенностях строения.

С развитием микроэлектроники, специальной металлургии и других отраслей все большее значение приобретает информация о поверхности и приповерхностных слоях тел. Для получения сведений и контроля процессов, протекающих в приповерхностных областях, часто в малых по геометрическим размерам зонах (единицы нанометров), требуются зондовые методы анализа, обладающие уникальной чувствительностью (10^-13-10^-15 г).

Легче всего в зонд очень малого диаметра на поверхности анализируемого объекта сформировать электронный поток. Электронный луч в современных зондовых устройствах удается сфокусировать до единиц и даже долей нанометра, то есть инструмент по размерам приближается к атомным. Однако и общая сила тока зонда тогда становится малой, увеличиваются трудности регистрации вторичных частиц. Тем не менее, электронно-зондовые методы анализа по областям применения и распространенности являются сейчас преобладающими как в научных исследованиях, так и в современных цеховых лабораториях.

Электронно-зондовые методы анализа - методы исследования свойств материалов при помощи локального взаимодействия электронного потока с материалом и регистрации явлений, возникающих при этом.

Электронно-зондовые методы анализа можно разделить на пять основных видов:

1) Электронная микроскопия - методы микроскопии поверхности при помощи локального взаимодействия электронного потока с материалом и регистрации энергетического и пространственного распределения либо провзаимодействующих первичных электронов либо электронов, эмиттированных из материала. Устройства для проведения электронной микроскопии называются электронными микроскопами. Различают три вида электронной микроскопии (аналогично и три вида электронных микроскопов): эмиссионная, просвечивающая и зеркальная.

2) Электронный рентгеноспектральный микроанализ - метод анализа элементного состава приповерхностных слоев материала при помощи локального взаимодействия электронного потока с материалом и регистрации характеристического рентгеновского излучения.

3) Электронный оже-спектральный микроанализ - метод анализа элементного состава поверхностных и приповерхностных слоев материала при помощи локального взаимодействия электронного потока с материалом и регистрации эмиттированных из материала оже-электронов.

4) Электронный дифракционно-просвечивающий микроанализ (электронография) - метод исследования кристаллической структуры материала при помощи локального взаимодействия электронного потока с материалом и регистрации энергетического и пространственного распределения дифрагированных электронов, прошедших через материал.

5) Электронный дифракционно-отражающий микроанализ - методы исследования кристаллической структуры поверхностных слоев материала при помощи локального взаимодействия электронного потока с материалом и регистрации энергетического распределения отраженных от материала дифрагированных электронов. Различают два метода: дифракция медленных электронов (с энергией электронов 10-500 эВ) и дифракция быстрых электронов (5-10 кэВ).

Установки электронно-зондового анализа часто позволяют осуществлять несколько видов анализа: электронную микроскопию, рентгеноспектральный и оже-спектральный микроанализы.

Взаимодействие электронов с твердым телом

Попадая в твердое тело, электроны испытывают многочисленные акты взаимодействия с атомами твердого тела, то есть с электронами и ядрами атомов. Такое взаимодействие называется процессом рассеяния. В результате процесса рассеяния происходит изменение энергии электрона и направления его движения. Различают упругое и неупругое рассеяние. Эти процессы протекают одновременно. При упругом рассеянии внутренняя энергия сталкивающихся электрона и атома не изменяются, происходит лишь перераспределение кинетической энергии между ними и изменение направления их движения. При неупругом рассеянии столкновение сопровождается изменением внутреннего состояния сталкивающихся частиц. Определенное количество кинетической энергии налетающего электрона (неупругие потери - Q) расходуется на электронные переходы - возбуждение, ионизацию, переход или обмен электронами атомов. В результате кинетическая энергия налетающего электрона и атома после столкновения будет меньше, чем их начальная энергия, причем разность их равна Q.

Упругое рассеяние возникает, прежде всего, в результате взаимодействия с кулоновским полем экранированного ядра атома. Из законов сохранения энергии и импульса следует, что при упругом соударении электрона с неподвижным атомом максимальное значение переданной кинетической энергии не может превышать нескольких сотых долей процента от начальной энергии электрона, то есть энергия электрона практически не меняется, но изменяется его направление движения. Это справедливо для нерелятивистских электронов (E_e<m₀c²), где E_e - кинетическая энергия электрона; m₀c² - энергия покоя электрона; m₀ - масса электрона; с - скорость света в вакууме. Полная энергия электрона: U=m₀c²+E_e. В случае релятивистской природы электрона (E_e>m₀c²) переданная энергия E_n может привести к выбиванию атома из узла кристаллической решетки.

Упругое рассеяние. При упругом соударении электрон передает энергию атому, недостаточную для возбуждения упругой волны, то после рассеяния изменяется только направление движения электрона, а энергия остается неизменной (удар шарика о массивную стенку). В результате одного или нескольких последовательных актов упругого рассеяния электроны могут возвращаться в вакуум - упругоотраженные электроны. Они имеют характерное отличие от других электронов тем, что их энергия не отличается от начальной энергии E_e.

Квазиупругое рассеяние. Электрон с энергией менее 0,2 МэВ, рассеиваясь на атоме, не может разорвать связь атома с соседними атомами. При таком смещении атома вызывается смещение соседних атомов и по атомной цепочке распространяется упругая волна, что приводит к возрастанию внутренней энергии твердого тела - энергии тепловых колебаний. Поэтому этот процесс не является чисто упругим, однако возрастание энергии тепловых колебаний значительно меньше, чем энергия первичных электронов,

Если переданная энергия E_n превысит пороговое значение энергии, необходимой для смещения атома E_d (E_d=25 эВ в металлах), то в результате столкновения атом может сместиться со своего места в кристаллической решетке в междоузлии. В неметаллах возможны и другие механизмы образования точечных дефектов, например механизм смещения атомов за счет энергии электронного возбуждения. Расчеты показывают, что электроны с энергией более 0,2 МэВ при взаимодействии с металлами могут образовывать дефекты кристаллической решетки. При этом электрон проникает через все электронные оболочки атома и взаимодействует с ядром. Электрон с энергией 0,2-10 МэВ приводит к смещению только одного атома. Атому передается энергия, недостаточная для того, чтобы первично выбитый атом мог вызывать дальнейшее смещение, то есть один электрон при торможении образует один смещенный атом. Таким образом, число смещенных атомов равно числу электронов, поглощенных объектом. Это обстоятельство позволяет контролировать количество создаваемых дефектов в металлах, что дает определенно преимущество в исследованиях.

Упругорассеянные электроны могут наблюдаться и на обратной стороне образца в числе прошедших электронов, если толщина образца мала, а энергия электронов достаточно велика. При средних энергиях электронов порядка 10-1000 кэВ вероятность упругих столкновении представляет величину около 5%. С ростом энергии эта вероятность увеличивается медленно, а при меньших энергиях вероятность еще меньше. Чем выше порядковый номер вещества (Z), тем на больший угол он может отклониться (). Количество упругорассеянных электронов и направление их вылета в вакуум определяется их энергией, свойствами и взаимным расположением рассеивающих центров, то есть расположением атомов в твердом теле. Все это позволяет использовать явление упругого рассеяния в электронографии, электронной спектроскопии для анализа состава и структуры твердых тел.

В результате неупругих взаимодействий первичных электронов с твердым телом изменяется не только направление их движения, но и энергия, то есть происходит их торможение. Потери энергии электроном, обусловленные неупругим рассеянием, вызывается двумя видами потерь: радиационными и ионизационными потерями. С ростом энергии электронов и увеличением атомного номера вещества радиационные потери становятся все существеннее. Энергия, при которой в данном веществе равны радиационные и ионизационные потери составляет E_e'800/Z (МэВ). Для элементов с Z<80 (энергии электронов до 10 МэВ) преобладают ионизационные потери.

Радиационные потери.

По законам электродинамики неупругое взаимодействие электрона с полем ядра атома вещества сопровождается испусканием кванта электромагнитного излучения. По законам квантовой механики неупругое взаимодействие электрона с атомом приводит к переходу электронов атома из одного состояния в другое и тоже сопровождается испусканием кванта излучения. Излучение, возникающее при неупругом взаимодействии электрона с атомом называется тормозным излучением (по частотам это рентгеновское или гамма-излучения). Энергетический спектр тормозного излучения имеет непрерывный характер (непрерывный спектр) и не зависит от вещества, так как движение первичного электрона в твердом теле не является периодическим. Энергетический спектр простирается до энергии квантов, равной энергии налетающего электрона (в соответствии с законом сохранения энергии).

Ионизационные потери.

Основной механизм торможения электронов связан с возбуждением и ионизацией атомов твердого тела, то есть с неупругими процессами взаимодействия первичных электронов с электронами твердого тела. Различают два механизма электронно-электронных взаимодействий: коллективные и одиночные.

При одиночных взаимодействиях часть энергии первичных электронов передается электронам атома вещества, что приводит к возбуждению и ионизации атомов. Направление движения первичного электрона изменяется. Эти процессы сопровождаются появлением вторичных электронов (вторичной электронной эмиссии) и квантов электромагнитного излучения с поверхности облучаемой мишени.

При коллективных возбуждениях налетающий электрон взаимодействует с системой валентных электронов твердого тела, которую можно рассматривать как плазму свободных электронов в поле однородно распределенного положительного заряда. При возбуждении такой плазмы возникают колебания электронной плотности на дискретных квантованных частотах, зависящих от концентрации электронов и свойств материала. Квант энергии плазменных колебаний - плазмон - считают квазичастицей твердого тела, обладающей определенной энергией и импульсом. Время жизни не более 10^-16 с. При распаде плазмона выделяется энергия, которая либо уносится электромагнитным излучением (излучение Лилиенфельда), либо передается одному из электронов твердого тела, либо переходит в теплоту. Различным веществам соответствуют свои значения энергии плазмонов, лежащие обычно в диапазоне от 3 до 30 эВ. Излучение спектра плазменных колебаний в твердых телах позволяет получить ценную информацию об электронной структуре металлов, диэлектриков, полупроводников, о состоянии их поверхности. Первичные электроны в этом процессе рассеиваются на малые углы.

Процессы, возникающие при взаимодействии электронов с твердым телом, показаны на рис. 1. Эти процессы вызывают изменение состояния электронов и атомов вещества (ионизация, возбуждение, образование дефектов), а также сопровождается появлением вне твердого тела эмиссии электронов (вторичная электронная эмиссия, неупругоотраженные, упругоотраженные), фотонов (тормозное и характеристическое рентгеновское излучение) и атомных частиц. Процессы 1, 2, 3, 7, 8, 11, 12, 14 используются в электронно-зондовых методах анализа.

Рис. 1 Основные процессы, вызванные взаимодействием электронов с твердым телом

Электрон обладает как свойствами частицы, так и свойствами волны. Движущийся электрон можно представить в виде электромагнитной волны. С увеличением скорости первичных электронов соответственно уменьшается длина их волны согласно соотношений и (где h - постоянная Планка, - скорость, e и m - заряд и масса электрона, - длина волны, U - ускоряющее напряжение, с - скорость света) и увеличивается количество прошедших упруго- и неупругорассеянных электронов. При прохождении электронов через твердое тело наблюдается дифракция (отклонение лучей от прямолинейного пути при прохождении вблизи краев экранов, отверстий или других неоднородностей) этих электронов. Дифракционную решетку нанометрических размеров представляет собой кристаллическая решетка твердого тела. Геометрическое расположение атомов кристаллической решетки приводит к появлению нанометрических щелей в определенных направлениях пространства. На этих щелях и происходит дифракция электронного пучка. По виду дифракционной картины можно рассчитать параметры кристаллической решетки. Так как кристаллические решетки разных тел отличаются друг от друга, то возможна идентификация химического состава твердого тела по виду дифракционных картин.

При электронной бомбардировке (электроны с энергией 0,01-10 кэВ) с поверхности возникает встречный поток электронов с различными энергиями, то есть наблюдаются вторичные электроны различного происхождения (рис. 2). Относительная интенсивность составляющих спектра зависит от энергии падающего электрона E_e, угла падения и угла вылета. Электроны, вылетающие из мишени, можно разделить на две группы: обратнорассеянные электроны (E= c 50 до E_e) и «истинные» вторичные электроны (Е=0-50 эВ).

Рис. 2 Энергетический спектр вторичных электронов (N(E) - интенсивность электронов)

Истинно вторичные электроны, возникшие в результате лавинных соударений первичных электронов и электронов мишени (рис. 2 - сплошная линия), имеют наиболее вероятную энергию 3-5 эВ. Верхний энергетический предел для них не может быть достаточно точно определен, обычно его считают равным 50 эВ (диапазон 4).

Обратнорассеянные электроны имеют энергию более 50 эВ. Они могут быть разделены на две подгруппы:

- упругоотраженные первичные электроны, покидающие мишень большими потерями энергии (Е=E_e) (диапазон 1). Узкий пик при энергии, равной энергии, равной энергии падающего электрона обуславливается упругорассеянными электронами (упругоотраженные от мишени первичные электроны).

- неупругоотраженнные электроны - диффузные электроны, покидающие мишень с большими потерями энергии (первичные электроны, неупругорассеянные в объеме мишени в результате многократных столкновений). Неупругоотраженные электроны делятся на две области (диапазон 2 и 3).

Диапазон 2. Энергия, теряемая в этом диапазоне, идет на возбуждение электронов и на ионизационные потери. Эта энергия передается электронам проводимости или валентным электронам путем индивидуального или коллективного возбуждения (плазменные колебания). Типичные значения энергетических потерь из-за возбуждения плазменных колебаний составляют 10-20 эВ.

Диапазон 3. Потери связаны с механизмом возбуждения атома. Потери энергии свыше 50 эВ.

1. Возбуждение электронов внутренних оболочек атома с последующей эмиссией в свободное пространство. Потери энергии идут на ионизацию атомов и поэтому соответствующие потери энергии зависят от атомного номера (Z).

2. В этих процессах первичным или вторичным электроном на внутренней оболочке создается дырка, которая затем заполняется либо электроном с соседней оболочки атома, либо валентным электроном (Оже-эффект). Механизм Оже следующий: дырка заполняется одним электроном, в результате этого выделяется энергия, которая передается другому электрону (Оже-электрону) с его последующей эмиссией из тела. В случае рентгеновского излучения (рентгеновской флуоресценции) вместо второго электрона испускается фотон. Энергия Оже-электронов определяется материалом мишени (100-400 эВ).

На рис. 2 изображена идеализированная зависимость. Штриховая линия на рис. 2 в диапазоне 2 и в прилегающих областях границы диапазонов 3 и 4 содержит незначительные пики (выбросы) в пределах 10%. В диапазоне 2 пики связаны с плазменными колебаниями, а в прилегающих областях границы диапазонов 3 и 4 пики связаны с Оже-процессами.

Вторичная электронная эмиссия (ВЭЭ) характеризуется коэффициентом ВЭЭ (полный коэффициент ВЭЭ), который определяется как отношение полного электронного тока, испускаемого мишенью (I₂) к току первичных электронов (I₁), соударяющихся с мишенью за то же время.

Коэффициент ВЭЭ обычно представляют в виде:

где - коэффициент неупругого отражения, это отношение тока отраженных электронов (I_НО) к току первичных электронов (I₁); Е=50<E>E_e; - коэффициент истинной ВЭЭ, это отношение тока истинных вторичных электронов (I_О) к току первичных электронов (I₁); Е<50 эВ; R - коэффициент упругоотраженных электронов, это отношение тока упругоотраженных электронов (I_УО) к току первичных электронов (I₁).

Значение R в области энергий первичных электронов до 1 кэВ не превышает 0,05%. Они имеют глубину выхода, не превышающую нескольких постоянных решетки, то есть приповерхностный слой вещества. Величина зависит от энергии первичных электронов и атомного номера (Z) материала мишени. Начиная с энергий первичных электронов 0,5 кэВ, коэффициент слабо зависит от энергии, но сильно от материала мишени (рис. 3). Величина возрастает с возрастанием угла падения первичных электронов на поверхности вещества. Это можно объяснить тем. Что электронов начинают углубляться в среднем по нормали к поверхности вещества на меньшие расстояния, что приводит к увеличению числа отраженных электронов.

Значение не возрастает монотонно с увеличением Z, как это было с . На его величину влияют изменение работы выхода и состояние поверхности. Глубина выхода вторичных электронов не превышает 10 нм и обычно лежит в интервале 1-5 нм.

Рис. 3 Зависимость коэффициента от атомного номера мишени



Эмиссионная растровая электронная микроскопия

Эмиссионная растровая электронная микроскопия (ЭРЭМ) - метод электронной микроскопии при помощи локального взаимодействия с материалом сканирующего остросфокусированного электронного луча и регистрации эмиттированных из материала электронов. Часто ЭРЭМ называют просто растровой электронной микроскопией.

В эмиссионном растровом электронном микроскопе электронный луч проходит «строчка за строчкой» весь участок поверхности образца (сканирование участка), а эмиттируемые электроны (либо вторичные, либо упругорассеянные электроны) с поверхности собираются коллектором электронов.

Блок-схема растрового электронного микроскопа приведена на рис. 4.

Вторичный сигнал, несущий информацию об объекте, после детектирования должен быть усилен и использован для модуляции силы тока луча в видеоконтрольном устройстве (ВКУ). Развертка электронного зонда и электронного луча трубок ВКУ осуществляется синхронно, поэтому на экранах ВКУ изображение объекта строится от точки к точке. Число строк сканирования в кадре обычно составляет от 500 до 1000, а время сканирования - от единиц секунд (с регистрацией изображения на трубке 18 с длительным послесвечением) до единиц минут (с целью фотографирования с экрана трубки 19 с кратковременным свечением).

В качестве эмиттера электронов в ранних конструкциях ЭРЭМ использовался V-образный вольфрамовый катод. С такими катодами в ЭРЭМ достигалось разрешение на объекте 10 нм. В более поздних конструкциях стали применяться гексаборидлантановые катоды (LaB₆) эмиттеры; они позволили повысить разрешение до 5 нм. Еще более высокое разрешение получено с автоэмиссионными катодами. Однако эти катоды не позволяют получать большой силы тока пучка, что весьма существенно при исследовании малоконтрастных объектов, и требуют сверхвысокого вакуума. Поэтому применяют медленную развертку, позволяющую эффективно работать с автоэмиссионными пушками в режимах с максимальным разрешением. Перспективно использование эмиттера с одновременной работой в режиме термо- и автоэлектронной эмиссии.

Рис. 4 Блок-схема эмиссионного растрового электронного микроскопа 1 - анализируемый образец; 2 - устройсво перемещения образца; 3 - шлюз; 4 - катушки растровой развертки; 5 - зондоформирующая линза; 6 - патрубки высоковакуумной системы откачки; 7 - вторая конденсорная линза; 8 - электронный луч; 9 - апертурная диафрагма; 10 - первая конденсорная линза; 11 - анод; 12 - V-образный катод; 13 - блок питания катода; блок питания анода; 15 - блок питания магнитных катушек линз; 16, 17 - блоки разверток по осям координат; 18 - телевизионная трубка с длительным послесвечением; 19 - телевизионная трубка с повышенной яркостью; 20 - фотоаппарат; 21 - усилитель; 22 - сцинтиллятор; 23 - фотоэлектронный умножитель (ФЭУ); 24 - устройство воздействия на образец; 25 - детектор прошедших электронов

В ЭРЭМ различают два вида контраста (неоднородности освещения в изображении объекта) изображения: топографический и композиционный.

Топографический контраст позволяет изучать топографию (геометрию) поверхности и определяется изменением интенсивности эмиттированных электронов в зависимости от положения элемента поверхности по отношению к лучу первичных электронов.

Вторичные электроны движутся с малыми скоростями, поэтому поле коллектора искривляет траектории их движения, то есть электроны попадают на коллектор, несмотря на препятствия (рис. 5). Таким образом, регистрируются электроны и из впадин на поверхности, что позволяет наблюдать структуру трещин и углублений на поверхности образца. При максимальном горизонтальном разрешении 10 нм вертикальное разрешение составляет единицы микрометров, а при горизонтальном разрешении 1-2 мкм - сотен микрометров.

Упругоотраженные электроны движутся с большой скоростью и их траектории практически не искажаются полем коллектора, то есть эти электроны двигаются по прямолинейно. Если на их пути встречаются препятствия, например выступ на поверхности, то они либо поглощаются, либо вызывают очередной акт эмиссии электронов и в итоге не попадают на коллектор. В отраженных электронах наблюдается характерное теневое изображение рельефа поверхности (эффект «затенения» или косого освещения).

Композиционный контраст позволяет различать фазы образцов сложного фазового состава и определяется изменением интенсивности вторичных электронов, вследствие различных значений коэффициента ВЭЭ различных фаз.

В узле регистрации вторичных электронов могут быть использованы различные способы их детектирования:

1) Под углом к образцу расположен металлический коллектор с положительным потенциалом силу тока вторичных электронов измеряют с помощью вторично-электронного умножителя (ВЭУ) и усилителей тока.

2) Непосредственно у образца смонтирован каналовый электронный умножитель. При этом необходима экранировка, чтобы не искажать информационный сигнал высоковольтным полем умножителя.

3) Коллектор выполнен в виде полупроводникового детектора, представляющего собой высокоомную полупроводниковую пластину с заранее сформированным в поверхностном слое диффузионным p-n-переходом. Вторичные электроны генерируют в таком коллекторе электронно-дырочные пары в обедненном слое основного объема. Перемещение носителей тока под действием приложенного к p-n-переходу напряжения создает ток по внешней цепи, который затем усиливается. Детектор регистрирует силу 10^-10-10^-9 А, но ему свойственны повышенные шумы.

4) С помощью сцинтиллятора и фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) выносят из аналитической камеры часть регистрирующего тракта. На рис. 5 представлена схема регистрации с использованием сцинтиллятора и ФЭУ.

Рис. 5 Схема детектирования вторичных электронов с использованием сцинтиллятора и ФЭУ 1 - объект; 2 - электроны зонда; 3 - вторичные электроны; 4 - сетка; 5 - сцинтиллятор; 6 - изолятор; 7 - световод; 8 - ФЭУ; 9 - высоковольтный ввод

Алюминированный полусферический сцинтиллятор монтируется внутри цилиндрической экранирующей камеры. На ее входе установлена сетка под регулируемым от -50 до +500 В потенциалом по отношению к объекту исследования. Это позволяет менять соотношение детектируемых истинно вторичных и упругорассеянных электронов, то есть изменять контраст изображения. Если коллектор размещен вне прямого пути движения электронов к нему, то можно обеспечить сбор только истинно вторичных электронов. Удары ускоряемых затем до энергий 10-12 кэВ электронов о поверхность сцинтиллятора вызывают световые вспышки. Световые кванты через световод передаются на ФЭУ, который преобразует их в электрические сигналы и усиливает последние. Регистрируемая сила тока 10^-1310^-12А, полоса пропускания 10 МГц; шумы относительно небольшие, но узел сцинтиллятора обладает собственным газовыделением. Кроме того, по поверхности сцинтиллятора иногда наблюдаются пробои.

В табл. 1 приведены основные технические характеристики некоторых отечественных и зарубежных ЭРЭМ.

Таблица 1

Технические характеристики отечественных и зарубежных ЭРЭМ

Марка	Страна-изготовитель	Разрешение, нм	Увеличение изображения на экране	Ускоряющее напряжение, кВ	Рабочее давление в колонне, Па	Размер образца, мм	Перемещение по оси, мм
							x	y	z
РЭМ-100	Россия	10	80-105	5-50	6,710-3	101010	7,5	10	25
РЭМИ-2	Россия	500	150-5103	0,5-5	6,710-3	10103	5	5	50
МРЭМ-100	Россия	6	20-2105	0,75-30	510-4	5050	30	30	30
МРЭМ-200	Россия	20	30-5104	15	610-3	10103	7,5	7,5	30
РЭММА-200	Россия	30	30-5104	15-30	610-3	10103	7,5	7,5	30
MSM-5	Япония	25	30-8104	15	10-4	15	7,5	7,5	10
JSM-840	Япония	4	10-3105	0,2-40	10-5	12,5	7,5	12,5	31
JFSM-30	Япония	3	20-25104	1-40	10-5	12,5	7,5	12,5	31
S'-570	Япония	2,5	12-2105	1-35	10-5	12,5	7,5	12,5	31
Stereoscan 600	Великобритания	25-10	7-5104	5-26	10-4	50	-	-	20
Stereoscan 180	Великобритания	10	10-105	0,9-60	10-4	50	10	10	20
Stereoscan 100	Великобритания	7	25-2105	0,5-25	10-4	177	-	-	30
Camebax	Франция	10	100-105	1-40	10-4	5050	10	10	20
BS-350	ЧССР	5	100-106	1-25	10-4	18 и 25	8	8	6

Просвечивающая электронная микроскопия

Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) - метод электронной микроскопии при помощи локального взаимодействия с материалом остросфокусированного электронного луча и регистрации изменения количественного и пространственного распределения прошедших через материал электронов.

Различают два вида ПЭМ (два режима работы): проекционная (ППЭМ) и растровая (ПРЭМ).

Образец, подлежащий исследованию методом ПЭМ, должен быть прозрачным для электронов. Толщина образца должна быть порядка 0,001-10 мкм. Поглощение электронов недопустимо, так как может вызвать перегрев и разрушение образца. Электроны, проходя сквозь образец, соударяются с атомами вещества и вследствие этого рассеиваются. Угол, на который отклоняются при этом электроны, изменяется в зависимости от плотности и толщины образца. При одинаковой плотности тонкие участки образца меньше рассеивают электроны (на меньший угол), а толстые участки рассеивают электроны на большие углы. Электронный микроскоп выделяет электроны, отклоненные на различные углы и направляет их на флуоресцентный экран.

Просвечивающий проекционный электронный микроскоп.

ППЭМ состоит из осветительной системы расположенной в колонне, в которой поддерживается вакуум 10^-2-10^-3 Па (рис. 6, 7). Осветительная система состоит из электронной пушки, в которую входит катод, эмитирующей электроны, фокусирующий электрод с еще более отрицательным потенциалом и анод в виде пластинки с отверстием. Между катодом и анодом создается мощное электрическое поле, увеличивающее скорость электронов. Величина ускоряющего напряжения чаще всего находится в пределах 100-200 кВ, но известны микроскопы с напряжением до 5000 кВ. С ростом ускоряющего напряжения возрастает проникающая способность электронов и поэтому возможно увеличение толщины изучаемых объектов. Далее электроны проходят через отверстие анода и через конденсор (рис. 7). Конденсор состоит из двух электромагнитных линз. Электромагнитные линзы состоят из катушки с большим количеством витков проводника, заключенные в железный панцирь. Внутри катушек установлены полюсные наконечники специальной формы, в зазоре между которыми создается магнитное поле высокой напряженности. Фокусирующее действие электромагнитных линз основано на взаимодействии электронов с магнитным полем. Первая линза конденсора создает уменьшенное изображение источника электронов, а вторая перебрасывает это изображение в плоскость объекта. Малый апертурный угол падающего электронного луча создается конденсорными диафрагмами. Апертура - угол между крайними лучами, падающими от точки предмета на объектив и достигающими глаза наблюдателя или экрана.

Проходя через объект, электроны рассеиваются и далее фокусируются объективной линзой также электромагнитного типа, формирующей первичное изображение. Фокусировка изображения определяется изменением фокусного расстояния объективной линзы. Следующая за объективной так называемая промежуточная линза перебрасывает первичное изображение в предметную плоскость проекционной линзы, формирующей окончательное изображение на флуоресцентном экране. Это изображение рассматривают с помощью оптического микроскопа установленного против экрана.

Рис. 6 Просвечивающий проекционный электронный микроскоп (ППЭМ) 1- электронная пушка; 2 - конденсорные линзы; 3 - объектив; 4 - проекционные линзы; 5 - световой микроскоп дополнительно увеличивающий изображение, наблюдаемое на экране; 6 - тубус со смотровыми окнами, через которые можно наблюдать изображение; 7 - высоковольтный кабель; 8 - вакуумная система; 9 - пульт управления; 10 - стенд; 11 - высоковольтное питающее устройство; 12 - источник питания линз



В задней фокальной плоскости объективной линзы расположена апертурная диафрагма, которая выделяет из всех электронов, рассеянных объектом, узкий пучок. При помощи апертурной диафрагмы на флуоресцентном экране можно создавать два вида изображения: темнопольное и светлопольное.

При темнопольном изображении апертурная диафрагма выделяет только рассеянные объектом электроны. На полученном изображении получаются более светлыми те участки объекта, которые больше рассеивают электроны. Особенность темнопольного изображения - повышенная контрастность изображения. Пользуясь темнопольным изображением, можно более отчетливо определить принадлежность рассматриваемого материала к кристаллическому или аморфному классу веществ. Доказано, что интенсивные и резкие изображения деталей структуры на темнопольном изображении создаются электронами от определенных кристаллографических плоскостей. Разрешающая способность темнопольного метода составляет около 5 нм.

При светлопольном изображении через диафрагму при измененном ее положении или падающего луча будут проходить лишь нерассеянные и слабо рассеянные электроны, то в этом случае участки объекта с меньшей рассеивающей способностью будут получаться более светлыми. При светлопольном изображении достигается максимальное увеличение микроскопа. Фокусировка изображения определяется изменением фокусного расстояния объективной линзы. Для фотографирования изображения экран отводят в сторону, и поток электронов воздействует на фотопластинку или фотопленку. Увеличение, достигаемое в электронном микроскопе, определяется произведением увеличений линз (объективной, промежуточной и проекционной), а степень увеличения каждой из них - изменением соответствующих фокусных расстояний. Это последнее достигается в результате изменения напряженности магнитного поля в катушках.

Рис. 7 Схема просвечивающего проекционного электронного микроскопа (ППЭМ) 1 - катод; 2 - фокусирующий электрод; 3 - анод; 4 - первый конденсор; 5 - диафрагма первого конденсора; 6 - второй конденсор; 7 - диафрагма первого конденсора; 8 - стигматор второго конденсора; 9 - корректор юстировки; 10 - объект; 11 - столик для объектов; 12 - объективная линза; 13 - апертурная диафрагма; 14 - стигматор объективной линзы; 15 - секторная диафрагма; 16 - стигматор промежуточной линзы; 17 - промежуточная линза; 18 -диафрагма поля зрения; 19 - проекционная линза; 20 -экран

Из-за малой длины волны электронов (при ускоряющем напряжении 100 кэВ - длина волны 0,0037 нм) электронные микроскопы характеризуются высокой разрешающей способностью. Увеличение электронного микроскопа по расчету может быть в 1000000 раз больше, чем оптического, но практически из-за некоторых явлений, сопутствующих прохождению потока электронов - сферической и хроматической аберраций, а также астигматизма линз, оно на 1-2 порядка ниже. Сферическая аберрация является следствием того, что электроны проходят на разных угловых расстояниях от оптической оси, ахроматическая - следствием колебаний значений длины волны (скорости электронов) и фокусного расстояния линз (из-за нестабильности напряжения и потерь энергии электронов при их прохождении через изучаемый объект). Астигматизм возникает в результате отклонений в симметрии магнитного поля электромагнитных линз и нарушения геометрической формы таких деталей, как полюсные наконечники. Для уменьшения астигматизма используют специальные корректирующие устройства - стигматоры (рис. 7).

При просвечивающей электронной микроскопии различают прямые и косвенные методы исследования. Прямые методы применимы при исследовании объектов, которые можно получить в виде мелких частиц или тонких слоев (фольги и тонкие пленки). Интерпретация изображения, являющаяся одним из наиболее сложных вопросов в электронно-микроскопических исследованиях, еще более затрудняется при использовании косвенных способов.

Косвенные методы широко распространены в электронной микроскопии; при этом исследуется не сам объект, а копия (слепок, отпечаток) с его рельефа - реплика. Подлежащий исследованию шлиф просматривается в обычном оптическом микроскопе, и нужное место очерчивают алмазным отметчиком. С размеченного шлифа приготавливают реплику. Реплики можно получать и со специально подготовленной поверхности микрошлифа. Получаемый при этом микрорельеф отражает микроструктуру. Этот микрорельеф получается в результате специального травления.

...