Программа курса «Современные методы диагностики в наноматериалах. Часть 2» (стр. 10 )

Результаты электронно-микроскопических исследований получаются из рассмотрения процессов рассеяния при прохождении пучка электронов сквозь образец. Существует два основных типа рассеяния: а) упругое рассеяние - взаимодействие электронов с полем эффективного потенциала ядер, при котором не происходит энергетических потерь, и б) неупругое рассеяние - взаимодействие электронов пучка с электронами образца, при котором имеет место поглощение и происходят энергетические потери. Именно упругое рассеяние дает информативную дифракционную картину. В случае, когда рассеивающие центры расположены в образце упорядоченно, т. е. образец является монокристаллом, такое рассеяние когерентно и дает точечную дифракционную картину, если же образец представляет собой поликристалл, — то дифракционную картину в виде колец. На практике имеет место также и неупругое рассеяние, что приводит к получению информативных дифракционных эффектов, например, дифракционных картин Кикучи. Неупругое рассеяние приводит к поглощению, следовательно, и к характерным энергетическим потерям и эмиссии (рентгеновской, Оже и т. д.), что позволяет получить спектроскопические данные. Таким образом, электронный микроскоп является чрезвычайно гибким аналитическим инструментом.

Основой метода просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) служит явление дифракции, отражающее волновые свойства электрона. Первая дифракционная теория была разработана Аббе для оптического микроскопа.

Рассматривая падение плоской волны на тонкий фазовый объект, Аббе показал, что на нижней поверхности образца существуют первичная волна и одна или несколько рассеянных волн, прошедшие через кристалл и несущие информацию о его структуре.

В электронном микроскопе почти параллельный падающий пучок электронов рассеивается образцом. В кристаллическом материале эти рассеянные электроны, при выполнении условий Брэгга, формируют один или более дифракционных пучков, образующих с падающим пучком малые углы (~1 или 2°) . Прошедшая и дифрагированные волны далее, взаимодействуя, образуют изображение дифракционной картины в фокальной плоскости линзы и увеличенное изображение образца в плоскости изображения. Следует отметить, что условия формирования изображения зависят как от совокупности рабочих параметров (когерентности и направления падающего пучка, размеров апертурной диафрагмы и т. п.), так и от взаимодействия электронов с образцом. Последнее, в первую очередь, определяется взаимной ориентацией падающего пучка и кристаллографических осей образца. В зависимости от выбора условий интерференции электронных волн различают два метода формирования изображения: метод дифракционного или амплитудного контраста и метод фазового контраста. На рис.1 можно видеть разницу в характере изображения, полученного двумя методами: дифракционного (а) контраста и фазового (б).

Рис.1 Изображение сверхрешетки AlN/GaN, полученное в дифракционном (а) и фазовом (б) контрастах.

На рисунке представлены выбранные дифракционные условия:

(а) - два сильных пучка (прошедший и дифрагированный) формируют изображение, отражающее распределение интенсивности на изображении в зависимости от выполнения условий Брэгга, все области, где из-за наличия деформации скрыты напряжения (в данном случае это слои сверхрешетки), выявляются темным на общем светлом фоне.

(б) - интерференция многих дифрагированных пучков формирует изображение атомных плоскостей структуры.

Принципиальное устройство микроскопа приведено на рис 2.:

Требования к отчёту

Отчёт должен содержать:

1.  Титульный лист, содержащий:

е.  Название

ж. Фамилии исполнителей

з.  Фамилию руководителя

и.  Название ВУЗа, факультета, кафедры, номер группы

к.  Даты выполнения работы и сдачи отчёта

2.  Цель работы

3.  Задачи – этапы выполнения работы

4.  Параметры/условия экспериментов

5.  Результаты

6.  Выводы

Отчёт должен быть сдан перед защитой работы в бумажном и электронном виде.

Пример отчета по выполнению работы

Исследование образцов проводилось на электронных микроскопах производства фирм Phillips и JEOL. Образцы исследовались при ускоряющем напряжении 80 и 200 кВ соответственно. Получаемые изображения фиксировались на фотопленке, или же захватывались с помощью CCD-камеры, после чего производилась их обработка для повышения информативности картинки и для определения желаемых параметров (характерные размеры частиц и т. п.)

Образец K-451

На рисунках ниже представлены изображения двух участков образца.

 

Светлопольные изображения K-451. Заполнение пустот имеет темный контраст.

Средний размер опаловых сфер варьируется по образцу и составляет величину от 210 до 230 нм. Исходный размер опаловых сфер — 245 нм. Уменьшение размеров предположительно связано с взаимодействием вводимых прекурсоров с SiO2. Исходная матрица опала имеет ГЦК-упаковку. На представленных выше светлопольных изображениях видна зернистая структура заполнения опаловых пустот.

Для детального анализа состава образца были получены снимки микродифракционной картины от одного из заполнений пустот.

№ кольца	d, A	материал
1	3,01	ZnS
2	2,5	GaN
3	2,03	ZnS
4	1,908	ZnS
5	1,761	ZnS
6	1,607	ZnS/GaN

Микродифракция заполнения K-451

Нумерация колец соответствует маркировке на микродифракции, считая от центра. Внутренние рефлексы высокой интенсивности соответствуют ортосиликату цинка, который в данном случае является паразитным артефактом измерений. Более интенсивные рефлексы отвечают сульфиду цинка, что согласуется с большим введением исходных прекурсоров в опаловую матрицу (~70% заполнения). Так же стоит заметить, что подобная картина дифракции характерна для поликристалла.

Темнопольное изображение образца K-451

Для подтверждения состава были проведены измерения в темном поле. Для этого один из интересующих рефлексов выводится в центр объективной диафрагмы, после чего проводится фиксация полученного изображения образца.

Светлопольное и темнопольное изображение другого участка K-451.

На темнопольных изображениях белым изображены включения, попавшие под условие Брэгга. Для них наблюдается максимум интенсивности. Темнопольные изображения подтверждают существование включений ZnS и GaN в заполнении пустот. Характерный размер зерен — 5-10 нм.

Высокое разрешение

Для более детального анализа включений были получены изображения с высоким разрешением.

Светло - и темнопольное изображение участка K-451. В темном поле светлый контраст имют частицы ZnS.

Изображения отдельных включений с высоким разрешением

На полученных изображениях с высоким разрешением видно, что включения являются монокристаллами и не имеют выраженного направления ориентации. Размер кристаллитов составляет величину около 10 нм.

Образец K-601

Образец представляет собой заполнение опаловой матрицы вольфрамом.

Светлопольное изображение K-601

На светлопольном изображении хорошо видна однородность заполнения пустот опала. Размытость некоторых отдельных фрагментов обусловлена тем, что мы наблюдаем изображение одновременно от нескольких слоев образца. Для подтверждения состава и определения однородности/неоднородности была получена микродифракция заполнения одной из пустот.

d, A	<hkl>
1.577	<002>
1.295	<112>
0.84	<123>

Микродифракция K-601

Как можно заметить, на микродифракции мы наблюжаем отдельные точечные рефлексы, которые связаны с вольфрамовым заполнением, что свидетельствует о монокристалличности заполнения.

Высокое разрешение

Для подтверждения гипотезы получены темнопольные изображения данного участка образца.

Темнопольные изображения K-601

На темнопольных изображениях можно заметить большие светлые области. Их наличие свидетельствует о монокристалличности заполнения. Так же следует отметить, что при переходе из одной пустоты в другую монокристалличность сохраняется.