Электронная микроскопия в исследовании различных этапов получения металлических наноструктур
Дипломная работа - Физика
Другие дипломы по предмету Физика
х случаях результат заполнения поры зависит от продолжительности процесса - на начальных стадиях процесса образуются сферические частицы, кристаллы, короткие столбики или трубки, которые являются наночастицами. Затем происходит более или менее полное заращивание, заполнение поры по длине и образующуюся структуру можно назвать микро- или нанопроволокой, нанотрубкой или нитью.
Для исследования как ТМ, так и полученных на их основе нанопроволок, используются различные виды микроскопии.
. Микроскопия
Основная задача любого микроскопа - сделать видимым то, что не видит невооруженный глаз человека. В оптическом микроскопе задача решается с помощью преобразования светового пучка, отражающегося от исследуемого объекта или проходящего сквозь него. Световой пучок после взаимодействия с образцом несет информацию о нем. Разрешение оптического микроскопа (в первом приближении) определяется длиной волны света и не может быть меньше её. Поскольку длины волн видимого света лежат в пределах 350 - 750 нанометров, то и разрешение имеет тот же порядок. Т.е. объекты с размерами в несколько десятых микрона уже не могут быть исследованы с помощью оптического микроскопа. Революционным шагом в этом направлении было изобретение (в 30-х- 50-х годах ХХ века) электронного микроскопа: исследуемым объектом взаимодействовал уже не пучок света, а электронный луч. (В этом случае длина волны составляет доли нанометра и , следовательно, разрешение в принципе может быть гораздо выше) [24] . Другим громадным шагом было изобретение туннельного (зондового) микроскопа (80-е годы ХХ века). В нем вообще не используется волновое излучение, а информацию об объекте получают ощупывая его с помощью тончайшей иглы- зонда.
Исследование структуры, получаемых в данной работе нанопроволок, будет преимущественно проводится методами микроскопии - РЭМ. Применение методов зондовой микроскопии будет также описано, при этом из зондовых методов особое внимание уделяется, в настоящее время, магнитной АСМ.
.1 Растровая электронная микроскопия
В основе работы всех электронных микроскопов лежит взаимодействие электронного пучка с веществом. При проникновении пучка электронов в образец, в веществе протекают физические процессы, являющиеся источниками различных сигналов, которые могут быть зарегистрированы детекторами и составить основу информации, получаемой в растровом микроскопе [25] .
. Часть падающих электронов отражается от образца. Они имеют энергию, примерно равную энергии падающих электронов (т.е. порядка десятков КэВ) и называются отражёнными.
. Другая часть падающих электронов выбивает из верхних орбитальных уровней атомов образца так называемые вторичные электроны. Энергия вылетевших из вещества вторичных электронов равна их энергии связи с ядрами атомов образца, которая колеблется в зависимости от вещества от 1 до 50 эВ.
. Часть электронов поглощается, образуя так называемый ток поглощенных электронов.
. Вакансии на верхних уровнях, образовавшиеся на месте выбитых электронов, заполняются свободными электронами. При этом возникает флюоресцентное излучение. Образец может изучать фотоны различных энергий.
. Часть быстрых электронов выбивает электроны из нижних электронных уровней атома вещества, например, из К-уровня. Для того чтобы понизить свою энергию, атом перебрасывает электрон с более высокого энергетического уровня L или M на освободившееся место на K уровне. Высвободившаяся при этом энергия либо испускается атомом в виде эмиссии еще одного электрона, скажем, с L-уровня (обычно более высокого, чем уровень, с которого был выбит электрон), называемого Ожэ-электроном (имеющих очень малую энергию, атом при этом вторично ионизируется), либо излучается в виде кванта характеристического рентгеновского излучения.
. Быстрый электрон, сталкиваясь с ядрами атомов, может потерять как всю, так и часть своей кинетической энергии. Возникает тормозное рентгеновское излучение.
Регистрируя и анализируя эти сигналы мы можем поучать информацию об образце. Важно то, что сигналы эти возбуждаются в различных областях, размеры и глубина которых зависят от размеров падающего пучка электронов, их энергии и от атомного номера атомов образца. Схематично взаимодействие пучка с образцом представлено на Рис. 4. : изображена область генерации различных сигналов по форме напоминающая грушу- т. н. грушевидная область
Рис.4 . Области сигналов и пространственное разрешение при облучении поверхности объекта потоком электронов. Области генерации: 1 - Оже-электронов, 2 - вторичных электронов, 3 - отраженных электронов, 4 - характеристического рентгеновского излучения, 5 - тормозного рентгеновского излучения, 6 - флуоресценции
.2 Устройство микроскопа и принцип его работы
Растровый электронный микроскоп (РЭМ, Рис. 5) состоит из двух основных частей:
а) колонны прибора с электронно - оптической системой, камерой образцов и детектором электронов (1-13);
б) системы индикаций изображений с монитором и устройством для фотографирования (14-17).
Рис.5 . Схема растрового электронного микроскопа.
Важнейшими частями являются также источники питания и вакуумная система. Источники питания обеспечивают высокое стабильное напряжение для электронной пушки (до 40 кВ), а также напряжение питания магнитных линз, фотоэлектронного умножителя и электронно-лучевых трубок (мониторов). Задачей вакуумной системы яв