Сканирующая электронная микроскопия является одним из наиболее широко используемых для диагностики наноматериалов и наноструктур методов. Предел разрешения сканирующего электронного микроскопа приближается к нескольким нанометрам, а увеличение легко варьируется от ~10 до более 300000. СЭМ не только предоставляет сведения о топографии поверхности, как обычные оптические микроскопы, но и обеспечивает информацией о химическом составе приповерхностной области.
В типичном сканирующем электронном микроскопе пучок электронов с энергией в диапазоне от нескольких сотен эВ до 50 кэВ фокусируется на поверхности образца в очень маленькое пятно диаметром примерно 5 нм, которое сканирует поверхность с помощью системы отклоняющих катушек. Когда электроны сталкиваются с поверхностью и проникают в нее, происходит ряд взаимодействий, которые приводят к эмиссии электронов и фотонов из образца, и при попадании эмитированных электронов в катодно-лучевую трубку в ней формируются СЭМ- изображения.
Методы сканирующих электронных микроскопов
Различные методы сканирующей электронной микроскопии различаются по тому, что именно детектируется и изображается, а основные изображения, формируемые в СЭМ, относятся к одному из трех типов: изображения, создаваемые вторичными электронами, обратно рассеянными электронами и карты рентгеновского излучения элементов. Когда высокоэнергетичный первичный электрон взаимодействует с атомом, он претерпевает либо неупругое столкновение с электронами, находящимися в атоме, либо упругое столкновение с атомным ядром. В процессе неупругого столкновения с электроном налетающий электрон передает часть своей энергии другому электрону. Когда переданная энергия достаточно велика, второй электрон вылетает из образца. Если вылетевший электрон обладает энергией, меньшей 50 эВ. он называется вторичным электроном.
Обратно рассеянные электроны - это высокоэнергетичные электроны, которые претерпели упругое рассеяние и по существу обладают такой же энергией, как падающие, или первичные, электроны. Вероятность обратного рассеяния увеличивается с атомным номером элемента образца. Хотя изображения, созданные обратно рассеянными электронами, нельзя использовать для элементного анализа, между областями образца, заметно различающимися по атомному номеру Z, может наблюдаться заметный контраст.
Другой процесс взаимодействия электронов в сканирующей электронной микроскопии заключается в том, что первичный электрон сталкивается с электроном глубокого внутреннего уровня и «выбивает» его из атома образца. Возбужденный атом релаксирует в основное состояние с испусканием либо характеристического рентгеновского излучения, либо оже- электрона, которые используются для химического анализа и будут обсуждаться позже в данной главе. Благодаря своим химическим аналитическим возможностям, СЭМ предоставляет не только картину морфологии и микроструктуры массивных и наноструктурированных материалов и устройств, но и детальную информацию об их химическом составе и его распределении.
Теоретический предел разрешающей способности сканирующего электронного микроскопа определяется длинами волн используемых электронов и числовой апертурой системы. Разрешающая способность R микроскопа равна:
где - λ длина волны используемых электронов, NA - числовая апертура, которая выгравирована на каждом объективе и конденсорной линзовой системе и является мерой способности объектива фокусировать электроны или мерой светосилы конденсора.
Гочжун Цао Ин Ван, Наноструктуры и наноматериалы: синтез, свойства и применение – М.: Научный мир, 2012