ЭЛЕКТРОННЫЙ СКАНИРУЮЩИЙ МИКРОСКОП

Основные мировые производители сканирующих электронных микроскопов

• Carl Zeiss Microscopy (часть Carl Zeiss Group
  ^[11]
  
  ) — Германия
• FEI Company
   — США (часть Thermo Fisher Scientific
  ^[12]
  
  )
• Hitachi
   — Япония
• JEOL
   — Япония ( J
  apan E
  lectron O
  ptics L
  aboratory)
• Tescan
   — Чехия
• KYKY
   — Китай
• Сoxem
  — Корея

Текущая версия страницы пока не проверялась
опытными участниками и может значительно отличаться от версии
, проверенной 4 августа 2023 года; проверки требуют 3 правки
.

Электро́нный микроско́п
(ЭМ) — прибор ( микроскоп
), позволяющий получать изображение объектов с максимальным увеличением до 10 ⁶
раз, благодаря использованию, в отличие от оптического микроскопа
, вместо светового потока, пучка электронов
с энергиями 200 эВ
 — 400 кэВ и более (например, просвечивающие электронные микроскопы
высокого разрешения с ускоряющим напряжением 1 М В
).

Растровый электронный микроскоп
( РЭМ
) или сканирующий электронный микроскоп
( СЭМ
) ( англ.
  scanning electron microscope, SEM
) — прибор класса электронный микроскоп
, предназначенный для получения изображения поверхности объекта с высоким (до 0,4 нанометра
) пространственным разрешением
, также информации о составе, строении и некоторых других свойствах приповерхностных слоёв. Основан на принципе взаимодействия электронного пучка
с исследуемым объектом.

Современный РЭМ позволяет работать в широком диапазоне увеличений приблизительно от 3—10 раз (то есть эквивалентно увеличению сильной ручной линзы
) до 1 000 000 раз, что приблизительно в 500 раз превышает предел увеличения лучших оптических микроскопов
.

Сегодня возможности растровой электронной микроскопии используются практически во всех областях науки и промышленности, от биологии
до наук о материалах
. Существует огромное число выпускаемых рядом фирм разнообразных конструкций и типов РЭМ, оснащённых детекторами различных типов.

Первая микрофотография, полученная на СПЭМ, зафиксировала увеличенный в 8000 раз кристалл оксида цинка ( Zn
O) с разрешением от 50 до 100 нанометров
. Изображение составлялось из растра 400х400 точек и для его накопления было необходимо 20 минут. Микроскоп имел две электростатические линзы
, окружённые отклоняющими катушками.

В 1942 году
, русский эмигрант, физик и инженер Владимир Зворыкин
, работавший в то время в лаборатории Radio Corporation of America
в Принстоне
в США
, опубликовал детали первого сканирующего электронного микроскопа, позволяющего проанализировать не только тонкий образец на просвет, но и поверхность массивного образца. Электронная пушка с вольфрамовым катодом эмиттировала электроны, которые затем ускорялись напряжением 10 киловольт. Электронная оптика аппарата была составлена из трёх электростатических катушек, а отклоняющие катушки размещались между первой и второй линзой. Чтобы обеспечить удобство размещения образца и манипулирования им в конструкции РЭМ, электронная пушка располагалась внизу микроскопа (у этой конструкции была неприятная особенность — риск падения образца в колонну микроскопа).

В 1960 году
Томас Эверхарт
и Ричард Торнли
, изобретя новый детектор
(«детектор Эверхарта — Торнли»), ускорили развитие растрового электронного микроскопа. Этот детектор, крайне эффективный для сбора как вторичных, так и отражённых электронов, становится очень популярным и встречается сейчас на многих РЭМ.

Растровые микроскопы применяются как исследовательский инструмент в физике
, электронике
, биологии
, фармацевтике
, медицине
, материаловедении
, и т. д. Их главная функция — получение увеличенного изображения исследуемого образца и/или изображений образца в различных регистрируемых сигналах. Сопоставление изображений, полученных в разных сигналах, позволяют делать вывод о морфологии и составе поверхности.

Обычно для получения информации о структуре поверхности используются вторичные и/или отражённые (обратно-рассеянные) электроны. Контраст во вторичных электронах сильнее всего зависит от рельефа поверхности, тогда как отражённые электроны несут информацию о распределении электронной плотности (области, обогащённые элементом с бо́льшим атомным номером
выглядят ярче). Поэтому обратно-рассеянные электроны, которые генерируются одновременно со вторичными, кроме информации о морфологии поверхности содержат дополнительную информацию и о составе образца. Облучение образца пучком электронов приводит не только к образованию вторичных и отражённых электронов, но также вызывает испускание характеристического рентгеновского излучения
. Анализ этого излучения позволяет определить элементный состав микрообъёма образца (разрешение для массивных образцов обычно не лучше 1 мкм
).

Детектирование вторичных электронов

В качестве детектора вторичных электронов используется детектор Эверхарта — Торнли
, позволяющий эффективно собирать электроны с энергией порядка 50 эВ.

Детектирование отражённых электронов

Многие РЭМ оснащены высокочувствительным полупроводниковым детектором обратно-рассеянных электронов. Детектор смонтирован на нижней поверхности объективной линзы либо вводится на специальном стержне под полюсной наконечник. Это позволяет путём выбора режима из меню получить изображения топографии поверхности, изображение в композиционном контрасте или в темном поле.

Для анализа элементного состава применяется рентгеноспектральный микроанализ
, в котором детектируется характеристическое рентгеновское излучение вещества, возникающее при облучении поверхности образца электронами. Существует энергодисперсионные
(EDX или EDS) и волнодисперсионные
(WDX) анализаторы.

До настоящего времени используются энергодисперсионные спектрометры с азотным охлаждением, однако в последние годы производители переходят на безазотные детекторы.

Работа при низких ускоряющих напряжениях

Современные микроскопы способны работать при низких ускоряющих напряжениях, до 200 вольт. Приложение замедляющего потенциала позволяет уменьшать ускоряющее напряжение до 10 вольт. Низкие напряжения имеют ряд преимуществ. При низком напряжении можно достичь состояние равновесия, когда количество электронов пучка поглощённых образцом равно количеству электронов, эмитированных образцом. В этих условиях нанесение проводящих покрытий на образец не требуется. При низких напряжениях повреждение образца электронами пучка минимально, что важно для деликатных образцов. И, наконец, при низких напряжениях зона взаимодействия электронов пучка с образцом резко уменьшается, что ведёт к существенному увеличению пространственного разрешения при работе с отражёнными электронами и с рентгеновским излучением.

Часть современных микроскопов оборудована вакуумной системой, способной поддерживать высокий (и сверхвысокий) 10 ⁻³
Па вакуум в электронной колонне, и относительно плохой вакуум до 5 — 2000 Па в камере образцов. В результате образец находится в хотя и разреженной, но достаточно плотной для нейтрализации поверхностного заряда, атмосфере (обычно состоящей из паров воды или азота). Молекулы газов ионизируются под воздействием первичных электронов, испускаемых катодом. Образовавшиеся положительные ионы взаимодействуют с электронами, которые накапливаются на образце и нейтрализуют поверхностный заряд.

В результате диэлектрические образцы можно наблюдать без проводящего покрытия. Если микроскоп оборудован также и охлаждающим держателем образцов, то появляется возможность работы с влажными образцами и даже с водой. Например, можно наблюдать непосредственно в микроскопе за растворением и рекристаллизацией поваренной соли (или других кристаллов).

1. Яворский Б. М.
   , Пинский А. А.
   Основы физики. Том 2. — М., Наука
   , 1974. — Тираж 169000 экз. — с. 180
2. Rachel Courtland.
   The microscope revolution that’s sweeping through materials science
   (EN) // Nature. — 2018-11-21. — . — . — doi
   : 10.1038/d41586-018-07448-0
   .
   
3. Burgess, Jeremy.
   Under the Microscope: A Hidden World Revealed
     (англ.)
   . — Cambridge University Press
   , 1987. — P. 11. — ISBN 0-521-39940-8
   .
   
4. Introduction to Electron Microscopy
   
   15. F EI Company. Дата обращения: 12 декабря 2012.
   
   
5. Antonovsky, A.
   The application of colour to sem imaging for increased definition  (англ.)
    // Micron and Microscopica Acta : journal. — 1984. — , . — . — doi
   : 10.1016/0739-626090005-4
   .
   
6. Danilatos, G. D.
   Colour micrographs for backscattered electron signals in the SEM  (англ.)
    // Scanning : journal. — 1986. — , . — . — doi
   : 10.1111/j.1365-2818.1986.tb04287.x
   .
   
7. Danilatos, G. D.
   Environmental scanning electron microscopy in colour  (неопр.)
    // J. Microscopy. — 1986. — . — . — doi
   : 10.1002/sca.4950080104
   .
   
8. KYKY TECHNOLOGY CO., LTD.
   
9. Nion Company — Electron Microscopy Instrumentation
   

1. H. Busch. Berechnung der Bahn von Kathodenstrahlen im axialsymmetrischen elektromagnetischen Felde
   // dans Annalen der Physik, vol. 386, no 25, 1926, p. 974—993
   
   . Дата обращения: 21 февраля 2010.
   Архивировано
   1 декабря 2014 года.
   
   
2. M. Knoll, E. Ruska. Das Elektronenmikroskop
   // dans Zeitschrift für Physik A Hadrons and Nuclei, vol. 78, 1932, p. 318—339
     (недоступная ссылка)
   
3. M. Knoll. Aufladepotentiel und Sekundäremission elektronenbestrahlter Körper
   // Zeitschrift fur technische Physik. 16, 467—475 (1935)
4. M. von Ardenne. Das Elektronen-Rastermikroskop
   // Zeitschrift für Physik A Hadrons and Nuclei, 108 (9-10) :553-572, 1938
5. E. Ruska. The Early Development of Electron Lenses and Electron Microscopy
   . Hirzel
   , Stuttgart, 1980, ISBN 3-7776-0364-3
   
6. K. C. A. Smith, Charles Oatley: Pioneer of scanning electron microscopy
   , EMAG ’97 Proceedings
   , IOP Publishing Lt, 1997
   
   . Дата обращения: 21 февраля 2010.
   Архивировано из оригинала
   8 сентября 2009 года.
   
   
7. Дэннис МакМиллан. Сканирующая электронная микроскопия в период с 1928 по 1965 годы
   
   
   . Дата обращения: 21 февраля 2010.
   Архивировано
   22 января 2018 года.
   
   
8. Principes de fonctionnement du microscope photonique
   Архивная копия
   от 9 октября 2010 на Wayback Machine
   , Centre national de la recherche scientifique
   
9. ↑ <sup>1
   
   
   
   2
   
   
   
   3</sup>
   
   
   
   
   Гоулдстейн Дж., Ньюбери Д., Эчлин П., Джой Д., Фиори Ч., Лифшин Ф. Растровая электронная микроскопия и рентгеновский микроанализ
   : в двух книгах. Пер. с англ. — М.: Мир, 1984. 303 с.
10. Hitachi преодолевает предел разрешения РЭМ
    
    
    , www.labtechnologist.com, 10.03
    . 2005
    
11. Carl Zeiss Microscopy — Company Presentation
    
    . Дата обращения: 22 июля 2017.
    Архивировано
    1 сентября 2019 года.
    
    
12. Thermo Fisher Scientific Completes Acquisition of FEI Company
    
    . Дата обращения: 22 июля 2017.
    Архивировано
    19 июля 2017 года.
    
    

Электронные микроскопы дороги в производстве и обслуживании, но общая и эксплуатационная стоимость конфокального оптического микроскопа
сравнима с базовыми
электронными микроскопами.
Микроскопы, направленные на достижение высоких разрешений, должны быть размещены в устойчивых зданиях (иногда под землёй) и без внешних электромагнитных полей.
Образцы в основном должны рассматриваться в вакууме
, так как молекулы, составляющие воздух, будут рассеивать электроны.

Нижеследующий рисунок иллюстрирует принципиальную схему РЭМ: электронный пучок направляется на анализируемый образец. В результате взаимодействия генерируются низкоэнергетичные вторичные электроны, которые собираются детектором вторичных электронов
. Интенсивность электрического сигнала детектора зависит как от природы образца (в меньшей степени), так и от топографии (в большей степени) образца в области взаимодействия. Таким образом возможно получить карту рельефа проанализированной зоны.

Тонкий электронный зонд генерируется электронной пушкой, которая играет роль источника электронов, и фокусируется электронными линзами (обычно электромагнитными, иногда электростатическими). Сканирующие катушки отклоняют зонд в двух взаимоперпендикулярных направлениях, сканируя поверхность образца зондом, подобно сканированию электронным пучком экрана электронно-лучевой трубки телевизора
. Источник электронов, электронные линзы (обычно тороидальные магнитные) и отклоняющие катушки образуют систему, называемую электронной колонной
.

В современных РЭМ изображение регистрируется в цифровой форме, но первые РЭМы появились в начале 1960 годов
задолго до распространения цифровой техники и поэтому изображение формировалось способом синхронизации развёрток электронного пучка в кинескопе с электронным пучком в РЭМ и регулировки интенсивности трубки вторичным сигналом. Изображение образца тогда появлялось на фосфоресцирующем экране кинескопа и могло быть зарегистрировано на фотоплёнке
.

Взаимодействие электронов с веществом

В результате взаимодействия с атомами
образца электроны
первичного пучка могут передать часть своей энергии электронам образца. В результате такого взаимодействия может произойти отрыв электронов. Такие электроны называются вторичными. Эти электроны обычно обладают небольшой энергией (порядка 50 эВ
). Часто электрон первичного пучка обладает энергией, достаточной для появления нескольких вторичных электронов.

Характеристики современного растрового микроскопа

Характеристики растрового электронного микроскопа Magellan XHR SEM

• Разрешение при оптимальной рабочей дистанции

 0,8 нм при 15 кВ

 0,8 нм при 2 кВ

 0,9 нм при 1 кВ

 1,5 нм при 200 В

• Разрешение в точке схождения

 0,8 нм при 15 кВ

 0,9 нм при 5 кВ

 1,2 нм при 1 кВ

Пространственное разрешение сканирующего электронного микроскопа зависит как от диаметра электронного пучка, так и от размера области взаимодействия электронного зонда с образцом. Размер электронного зонда и размер области взаимодействия зонда с образцом намного больше расстояния между атомами
мишени. Хотя разрешение растровых электронных микроскопов уступает разрешению просвечивающих микроскопов
, они имеют ряд преимуществ, таких как возможность изучения топографии образца, визуализация сравнительно большой области образца, исследование массивных объектов (а не только тонких плёнок), набор аналитических методов, позволяющих измерять состав и свойства изучаемого объекта.

Как правило, наилучшее разрешение может быть получено при использовании вторичных электронов, наихудшее — в характеристическом рентгеновском излучении. Последнее связано с большим размером области возбуждения излучения, в несколько раз превышающим размер электронного зонда. При использовании режима низкого вакуума разрешение несколько ухудшается.

Основа сканирующего электронного микроскопа — электронная пушка
и электронная колонна, функция которой состоит в формировании остросфокусированного электронного зонда средних энергий (200 эВ — 50 кэВ
) на поверхности образца. Прибор обязательно должен быть оснащен вакуумной системой. Также в каждом РЭМ есть предметный столик, позволяющий перемещать образец минимум в трёх направлениях. При взаимодействии электронов с объектом возникают несколько видов сигналов, каждый из которых улавливается специальным детектором (см. ниже). Соответственно, изображения, продуцируемые микроскопом, могут быть построены с использованием различных сигналов, часто нескольких сигналов одновременно (например, изображение во вторичных электронах, изображение в отражённых электронах, рентгеновское изображение (карта)).

Основные типы сигналов
, которые генерируются
и детектируются в процессе работы РЭМ:

• вторичные электроны (ВЭ, режим рельефа)
• отражённые электроны (ОЭ, режим контраста по среднему атомному номеру, а также режим рельефа)
• прошедшие через образец электроны, в случае установленной STEM-приставки (чаще используется для исследования органических объектов)
• дифракции отражённых электронов
  (ДОЭ)
• потери тока на образце (ПЭ или детектор поглощённых электронов)
• ток, прошедший через образец (ТЭ или детектор прошедших электронов)
• характеристическое рентгеновское излучение ( Рентгеноспектральный анализ
  )
• световой сигнал ( КЛ или катодолюминесценция
  ).

Все возможные типы детекторов, установленные на одном приборе, встречаются крайне редко.

Детекторы вторичных электронов — первый и традиционно устанавливаемый на большинство РЭМ тип детекторов (в некоторых упрощённых настольных моделях используется только детектор отражённых электронов). В этом режиме разрешающая способность РЭМ максимальна. Из-за очень узкого электронного луча РЭМ обладают очень большой глубиной резкости
, примерно на два порядка выше, чем у оптического микроскопа и позволяет получать четкие микрофотографии с характерным трехмерным эффектом для объектов со сложным рельефом. Это свойство РЭМ крайне полезно для понимания поверхностной структуры образца. Микрофотография пыльцы демонстрирует возможности режима ВЭ РЭМ.

Отражённые электроны (ОЭ) — это электроны пучка, отражённые от образца упругим рассеиванием. В зависимости от конфигурации детектора они могут отображать либо композицию (состав) образца, либо его топографию (рельеф поверхности). В композиционном режиме ОЭ часто используются в аналитическом РЭМ совместно с анализом характеристических спектров рентгеновского излучения. Поскольку интенсивность сигнала ОЭ напрямую связана со средним атомным номером (Z) облучаемой в данным момент электронным пучком области образца, изображения ОЭ несут в себе информацию о распределении различных элементов в образце. Например, режим ОЭ позволяет обнаружить коллоидные золотые иммунные метки диаметра 5-10 нм, которые очень тяжело или даже невозможно обнаружить в биологических объектах в режиме ВЭ. Микрофотография поверхности аншлифа металл-оксидной системы демонстрирует возможности режима ОЭ РЭМ. В топографическом режиме ОЭ могут использоваться в условиях, когда традиционные детекторы вторичных электронов не работают, как например в РЭМ с переменным вакуумом.

Характеристическое рентгеновское излучение генерируется, когда электрон пучка выбивает электрон с внутренней оболочки одного из атомов образца, заставляя электрон с более высокого энергетического уровня перейти на нижний уровень энергии с одновременным испусканием кванта рентгеновского излучения. Обработка спектра характеристического рентгеновского излучения позволяет осуществлять качественный и количественный элементный анализ состава образца.

Проводящие (металлические) образцы обычно не требуют специальной подготовки, и могут быть непосредственно помещены в камеру микроскопа. Если требуется, образцы могут подвергаться очистке. Для обозрения внутренней структуры и (или) использования микрорентгеноспектрального анализа могут быть приготовлены шлифы.

Порошки и наночастицы наносятся на зеркального качества поверхности (стекло, пластик, слюда и др.) в виде взвеси в воде или органическом растворителе. После высыхания жидкости образец может быть использован в микроскопе. Порошки с более крупными частицами могут наноситься на проводящий углеродный скотч.

Непроводящие образцы обычно подвергаются напылению тонкого проводящего слоя для снятия заряда и экранирования падающего пучка от накопленного в объёме материала заряда. Для проводящих покрытий чаще всего используют углерод, золото или сплав золота с палладием. Первый полезен для рентгеновского микроанализа. Напыление золота или сплава на его основе позволяет получать микрофотографии с бо́льшим увеличением и контрастом (чаще всего без собственной визуализации). Если невозможно напыление плёнки на образец, то в РЭМ с переменным вакуумом возможно снятие заряда с образца ионами вводимых в камеру газов (обычно водяные пары или азот). Накопления заряда на образце так же можно избежать при работе при низких ускоряющих напряжениях (обычно порядка 1 кВ).

Биологические образцы должны быть химически зафиксированы, дегидратированы в сериях растворов спирта или ацетона с увеличивающейся от 30-50 % до 100 % концентрацией, затем спирт (или ацетон) должен быть удален из образца в специальном аппарате, в котором спирт замещается на жидкую двуокись углерода, которая переводится в газообразное состояние посредством перехода через критическую тройную точку.

Просвечивающая электронная микроскопия

В просвечивающем электронном микроскопе (ПЭМ) для формирования изображения используется высокоэнергетический электронный пучок. Электронный пучок создается посредством катода (вольфрамового, LaB ₆
, Шоттки или холодной полевой эмиссии). Полученный электронный пучок ускоряется обычно до 80—200 кэВ (используются различные напряжения от 20 кВ до 1 МВ), фокусируется системой магнитных линз
(иногда электростатических линз
), проходит через образец так, что часть электронов рассеивается на образце, а часть — нет. Таким образом, прошедший через образец электронный пучок несет информацию о структуре образца. Далее пучок проходит через систему увеличивающих линз и формирует изображение на люминесцентном экране (как правило, из сульфида цинка), фотопластинке или ПЗС
-камере.

Разрешение ПЭМ лимитируется в основном сферической аберрацией
. Некоторые современные ПЭМ имеют корректоры сферической аберрации
.

Основными недостатками ПЭМ являются необходимость в очень тонком образце (порядка 100 нм) и неустойчивость (разложение) образцов под пучком.

Просвечивающая растровая (сканирующая) электронная микроскопия (ПРЭМ)

Один из типов просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ); однако, есть приборы, работающие исключительно в режиме ПРЭМ. Пучок электронов пропускается через относительно тонкий образец, но, в отличие от обычной просвечивающей электронной микроскопии, электронный пучок фокусируется в точку, которая перемещается по образцу по растру.

Растровая (сканирующая) электронная микроскопия

В основе лежит телевизионный принцип развёртки тонкого пучка электронов по поверхности образца.

Некоторые типы детекторов, используемых в СЭМ, имеют аналитические возможности и могут обеспечить несколько элементов данных на каждом пикселе. Примерами являются детекторы
, используемые в элементном анализе, и системы катодолюминесцентных микроскопов, которые анализируют интенсивность и спектр электронно-стимулированной люминесценции
(например, в геологических образцах). В системах СЭМ использование этих детекторов является общим для цветового кода сигналов и накладывают их в единое цветное изображение, так что различия в распределении различных компонентов образца можно ясно видеть и сравнивать. Дополнительно, стандарт вторичных электронных изображений может быть объединен с одним или более композиционными каналами, так что можно сравнить структуру и состав образца. Такие изображения могут быть сделаны с сохранением полной целостности исходного сигнала, который не изменяется в любом случае.

История развития электронного микроскопа

В 1931 году Р. Руденберг получил патент на просвечивающий электронный микроскоп
; в 1932 году М. Кнолль и Эрнст Руска
построили первый прототип современного прибора. Эта работа Руски в 1986 году была отмечена Нобелевской премией по физике, которую присудили ему и изобретателям сканирующего зондового микроскопа
Герду Карлу Биннигу
и Генриху Рореру
. Использование просвечивающего электронного микроскопа для научных исследований было начато в конце 1930-х годов, и тогда же появился первый коммерческий прибор, построенный фирмой Siemens
.

В конце 1930-х — начале 1940-х годов появились первые растровые электронные микроскопы, формирующие изображение объекта при последовательном перемещении электронного зонда малого сечения по объекту. Массовое применение этих приборов в научных исследованиях началось в 1960-х годах, когда они достигли значительного технического совершенства.

Значительным скачком (в 1970-х годах) в развитии было использование вместо термоэмиссионных катодов — катодов Шоттки
и катодов с холодной автоэмиссией, однако их применение требует значительно большего вакуума
.

В конце 1990-х — начале 2000-х компьютеризация и использование ПЗС-детекторов
значительно упростили получение изображений в цифровом виде.

В последнее десятилетие в современных передовых просвечивающих электронных микроскопах используются корректоры сферических и хроматических аберраций, вносящих основные искажения в получаемое изображение. Однако их применение может значительно усложнять использование прибора.