Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
2.4. Электронная микроскопия
Электронная микроскопия – это единственный прямой метод, позволяющий определять размер, форму и строение наночастиц. Современные просвечивающие электронные микроскопы высокого разрешения позволяют получать увеличение до 1500000 раз, наблюдать распределение атомов в кристаллических решетках.
В случае если изображение формируется в результате прохождения электронного пучка через прозрачный для электронов образец, имеет место так называемая просвечивающая электронная микроскопия – ПЭМ (Transmission Electron Microscopy – ТЕМ). Резкое расширение возможностей обработки сигналов позволило развить целый комплекс методов, основанных на использовании принципов ПЭМ и объединенных под общим названием просвечивающей растровой электронной микроскопии – ПРЭМ (Scanning Transmission Electron Microscopy – STEM): энергетический дисперсионный анализ рентгеновского излучения (X-ray Energy Dispersed Spectroscopy – XEDS), спектроскопия вторичных электронов (Secondary Electron Spectroscopy – SES), анализ энергетических потерь проходящих электронов (Parallel Electron Energy Loss Spectroscopy – PEELS).
В результате взаимодействия пучка первичных электронов с поверхностью образца может возникнуть вторичная электронная или электромагнитная эмиссия (в рентгеновской или оптической области спектра). В этом случае для получения информации об исследуемых объектах используется сканирующая (растровая) электронная микроскопия – СЭМ (или РЭМ) (Scanning Electron Microscopy – SEM), позволяющая получать изображения объектов в результате регистрации потока вторичных электронов, а также рентгеноспектральный микроанализ, регистрирующий эмитируемый образцом рентгеновский сигнал, что позволяет проводить качественный и количественный фазовый анализ исследуемых объектов.
Рассмотрим ниже кратко основные принципы и возможности двух наиболее распространенных методов электронной микроскопии – ПЭМ и СЭМ.
Просвечивающая электронная микроскопия. Для проведения исследований метолом ПЭМ используют просвечивающие электронные микроскопы, представляющие собой высоковакуумные высоковольтные устройства, позволяющие определять размер, форму и строение вещества путем анализа углового распределения электронов, прошедших через образец.
Изображение формируется в результате происхождения пучка электронов через анализируемый образец. При этом используются быстрые электроны, для получения которых в современных моделях применяют ускоряющее напряжение порядка 100–200 кВ. Сдвижением быстрых электронов связано распространение волны. По уравнению Де Бройля при ускоряющем напряжении 100 кВ длина волны электрона составляет 0,0037 нм. Поэтому с помощью просвечивающего электронного микроскопа можно получать картины дифракции электронов – электронограммы, используемые для идентификации фаз при проведении качественного фазового анализа. Быстрый переход от ПЭМ изображения к микродифракционным картинам (электроно-граммам) традиционно является сильной стороной ПЭМ.
В просвечивающем электронном микроскопе применяют два основных вида съемки:
– светлопольное изображение, отображающее морфологию исследуемого объекта и формируемое центральным пучком прошедших электронов;
– темнопольное изображение. В этом случае изображение формируется не центральным пучком, а одним или несколькими дифракционными пучками. На изображении светятся только те области кристалла, которые рассеивают электроны в данном дифракционном направлении. Обычно такое изображение имеет низкое разрешение, но оно очень информативно, поскольку позволяет качественно оценить в анализируемом образце наличие и размеры закристаллизованных областей с одинаковыми параметрами кристаллической решетки (размер кристаллитов).
Для получения информации о структуре исследуемых образцов на уровне атомного разрешения используют просвечивающую электронную микроскопию высокого разрешения – ВРПЭМ (High Resolution Transmission Electron Microscopy – HRTEM) [77]. Данный метод получил широкое распространение только в последние 10–15 лет и является очень эффективным для определения строения наночастиц (обнаружения микродефектов, границ псевдоморфного сопряжения нескольких кристаллических модификаций в объеме одной наночастицы и т.д.).
Сканирующая (растровая) электронная микроскопия. В СЭМ (или РЭМ) сфокусированный пучок электронов отклоняют с помощью магнита и сканируют по поверхности образца, подобно пучку электронов, пробегающих строку за строкой на экране телевизионной трубки. При этом детектируются низкоэнергетические (< 100 эВ, обычно 20–50 эВ) вторичные электроны, возникающие в результате взаимодействия сканирующего пучка с поверхностью твердого тела.
Поскольку вторичные электроны характеризуются очень малой энергией, то они способны выходить из поверхностных участков с глубиной порядка 1–10 нм, что позволяет качественно характеризовать исследуемую поверхность образца.
Кроме топографического контраста существует контраст от состава, зависящий от атомного номера. При этом участки с высоким атомным номером в изображении будут более яркими.
Методика фазового контраста в СЭМ (РЭМ) позволяет очень эффективно исследовать нанокомпозиты состоящие из нескольких различных веществ [2, 77, 78, 79].