Электронная микроскопия

Федеральное государственное автономное

образовательное учреждение

высшего профессионального  образования

«СИБИРСКИЙ  ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 

Цветных металлов и материаловедения

институт

Композиционных материалов и физико-химических процессов

кафедра

 

 

РЕФЕРАТ

по теории и истории науки о материалах

наименование  дисциплины

Электронная микроскопия

тема 

 

Преподаватель                         __________             Шиманский А.Ф

                                                              подпись, дата             инициалы, фамилия

 

         Студент   ЦМ12-05Б      061202909______  13.12.2012    Лавшук  Ю.А

                            номер группы      номер  зачетной книжки         дата      инициалы, фамилия

 

 

 

Красноярск 2012

Содержание:

Введение……………………………………………………………………3

1.Основные характеристики оптических систем…………………………………………………………………..……5

      1.1Основы оптической     микроскопии………………………………………………………………..5

2. Формирование изображения в оптической системе……………………………………………………………..………11

      2.1. Микроскоп,как дифракционный прибор. Подход    Аббе………………………………………………………………….……..11

3.Передаточная функция оптической системы………………………………………………………………….…..13

4. Принцип действия электронных микроскопов………………………………………………………………14

5.Принцип действия  ионных микроскопов……………………………………………………………..…23

      5.1Полевой ионизационный микроскоп (ПИМ)…………………………………………………………………..…23     5.2.Растровый туннельный микроскоп (РТМ)……………………………………………………………………….25 Используемая литература………………………………………………………………...28

 

 

 

 

 

 

Введение

Идея первого электронного микроскопа с магнитными линзами  была

высказана,  а затем и осуществлена Кнолем и Руска в 1931  году.  Физической

основой этой фундаментальной  работы послужил целый ряд выдающихся

открытий, сделанных, начиная  с конца прошлого столетия. Перечислим хотя бы

некоторые из работ того периода:  открытие катодных лучей,  электронов,

определение их заряда (J.Thomson,1897);  Исследование взаимодействия

электронных пучков с магнитными полями и открытие магнитной фокусировки

(H.Busch,1926);  открытие волновой  природы материи (L.de-Broglie,1924);

открытие явления дифракции  электронов (C.Davisson, L.Germer

G.Thomson,1927);  создание теории  динамической дифракции электронов

(H.Bethe,1928). Этот список можно  было бы легко продолжить. 

В 1934 году была опубликована работа (L.Marton), в которой приведены

первые электронно-микроскопические снимки биологических объектов.  На

первом этапе электронная  микроскопия применялась в основном для

наблюдения биологических  объектов,  причем для интерпретации  снимков

использовался лишь адсорбционный  контраст.  Однако,  появление  метода

реплик -  отпечатков,  сделанных с поверхности (H.Mahl,1940; C.Hall,1956),  и

особенно декорирование  их металлами (H.Muller,1942)  позволило  успешно

изучать неорганические материалы -  сколы и изломы кристаллов. Примерно с

начала 50-х годов начинаются интенсивные попытки исследования тонких

фольг материалов на просвет.  Это стало возможным в результате

существенного повышения  до 100kv ускоряющего напряжения в  электронных

микроскопах.  По-видимому,  первой успешной в этом плане работой явилось

наблюдение дислокаций и  дефектов упаковки в металлических  фольгах

(P.Hirsch,1956).  Для интерпретации  наблюдаемого контраста авторам  в

дальнейшем пришлось использовать результаты динамической дифракции

электронов,  разработанной ранее (H.Bethe,1928).  С этого периода начинается

бурное развитие электронно-микроскопической техники,  появляются

разнообразные методики приготовления  тонких фольг, интенсивно развивается

теория дифракционного контраста. Электронная микроскопия находит  все более

широкое применение в физическом материаловедении.  Одной из важнейших

причин этого по-видимому является уникальная возможность наблюдать в

одном эксперименте, как  изображение объекта в реальном пространстве, так и

его дифракционную картину.  Поэтому ЭМ является наиболее подходящим и

привлекательным методом  исследования структуры сложных кристаллических

объектов. 

Постоянное совершенствование  электронных микроскопов дало

возможность к настоящему времени довести разрешение по точкам в рядовых

приборах до 0.3-0.5нм.  Это позволяет вплотную подойти к интереснейшей

проблеме -  непосредственному  наблюдению стуктуры дефектов

кристаллической Последние два десятилетия различными фирмами,  выпускающими

электронные микроскопы,  велись целенаправленные работы по улучшению

разрешения по точкам.  По-видимому,  наибольшие успехи здесь  достигнуты

Японской фирмой JEOL,  освоившей  несколько лет назад серийный выпуск

серии приборов JEM-4000  с  разрешением 0.12-0.15нм.  На этих приборах к

настоящему времени накоплен большой экспериментальный материал по

прямому наблюдению структуры  дислокаций, дефектов упаковки, двойниковых

границ,  большеугловых границ,  структурных модуляций и пр.  на атомном

уровне.  решетки на атомном уровне

 

 

1.ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ  ОПТИЧЕСКИХ

СИСТЕМ

1. ОСНОВЫ ОПТИЧЕСКОЙ МИКРОСКОПИИ

Для описания основных процессов,  происходящих,  при формировании

изображения в микроскопе,  удобно воспользоваться классической схемой

оптического микроскопа. На ри 1 показана схема простейшего

прибора,  работающего  на просвет.  Для освещения объекта  должен быть

сформирован определенным образом  световой поток  (параллельный или

сходящийся пучок). Эта  задача решается при помощи апертурной диафрагмы,

вырезающей необходимую часть светового пучка источника света,  и

специальной линзой  (в  более общем случае системы линз),  называемой

конденсорной линзой или просто конденсором.  Апертурная диафрагма,

ограничивающая световой поток,  называется апертурной диафрагмой

конденсора.  Сформированный таким образом световой пучок  проходит далее

еще через одну диафрагму,  ограничивающую освещаемое поле объекта.

Поэтому эта диафрагма  называется полевой.  Наблюдаемый  объект рассеивает

свет,  который далее  попадает в объективную линзу  (в более общем случае

систему линз,  называемую объективом),  в плоскости изображения  которой

формируется первое увеличенное  изображение объекта.  Это изображение

может затем наблюдаться  при помощи окулярной линзы или  проектироваться

на экран проекционной линзой.  Качество изображения определяется главным

образом параметрами объективной линзы . 

Рассмотрим основные характеристики,  которыми должна обладать

объективная линза. Основной функцией объективной линзы является создание

действительного увеличенного изображения образца в плоскости  объекта

окулярной или проекционной линзами.  Увеличение объективной  линзы

определяется отношением размера промежуточного изображения, которое она

формирует,  к истинному  размеру объекта.  Увеличение объективных  линз

оптических микроскопов  может составлять от нескольких единиц до сотни.

Полное увеличение такой  системы определяется выражением 

 

Здесь  f₁ и f₂-  фокусные расстояния объективной и окулярной линз,  Δ -

расстояние между фокусами этих линз,  D  -  расстояние наилучшего зрения.

Например,   если    для    типичного    случая f1=2mm, f2=15mm,  Δ=1,0mm,

D=250mm, коэффициент увеличения  такого микроскопа K=1335.

 

 

Объектив может собрать  лишь часть света,  рассеиваемого  образцом,

ограниченную конусом, образованным диаметром линзы и расстоянием между

плоскостью линзы и  образцом.  Эта особенность линзы  называется числовой

апертурой линзы и характеризует  способность линзы собирать световые пучки.

Числовая апертура определяется формулой 

A n = ⋅ sinβ,  

где λ - длина волны света, используемого для освещения  объекта, а A - числовая

апертура объективной  линзы. 

Другой характеристикой  линзы является глубина резкости.  Она

характеризует величину смещения образца вдоль оптической оси,  которое

может быть произведено без  заметного ухудшения фокусировки  изображения.

Глубина резкости обратно  пропорциональна квадрату числовой апертуры т.е.

, а это означает, что при значительных неровностях  поверхности образца

целесообразно использовать объективы с малой числовой апертурой. 

Наряду с дифракционными ограничениями разрешающую способность

линз ухудшают различного рода дефекты,  называемые в оптике аберрациями.

Наиболее распространенными  считаются пять типов аберраций: сферическая и

хроматическая аберрации,  астигматизм,  кома,  и дисторсия.

Сферическая аберрация обусловлена  тем,  что лучи,  проходящие через

участки линзы,  расположенные  на различных расстояниях от оптической оси,

фокусируются на различных  расстояниях от центра линзы,  т.е.  имеют слегка

отличные фокусные расстояния.  Поэтому фокус линзы будет  размыт вдоль

оптической оси.  Это  главный дефект объективных линз,  в особенности в

электронной микроскопии.  Если рассматривать изображения  точек образца,

располагающихся на некотором расстоянии от оптической оси линзы,  то

изображения их будут размытыми  даже в случае полной компенсации

сферической аберрации. Такие  искажения получили название кома.

Хроматическая аберрация  возникает в случае освещения  объекта

немонохроматическим светом.  Световые лучи более короткой длины  волны

преломляются меньше,  чем лучи более длинноволновые,  отсюда возникает

цветовое размытие фокуса вдоль оптической оси. 

Более сложным видом искажений  является астигматизм. Он обусловлен

нарушением осевой симметрии  линзы и приводит к отличию  фокусных

расстояний для лучей,  проходящих в плоскости рисунка,  и лучей,

располагающихся в перпендикулярной плоскости.  Искажения этого типа

особенно существенны  для электронной микроскопии,  т.к.  изготовить

магнитную линзу  (диаметры полюсных сердечников такой линзы  могут

составлять 10см.  и более)  с высокой степенью осевой симметрии  достаточно

сложно.

И,  наконец,  аберрация,  называемая дисторсией,  возникает,  когда

отдельные точки объекта,  располагающиеся на разных расстояниях  от

оптической оси,  имеют  разное увеличение.  В случае,  когда увеличение

уменьшается с увеличением  расстояния от оптической оси,  дисторсия

называется бочковидной, в противоположном случае - подушковидной. 

В оптической микроскопии  перечисленные виды аберраций в

значительной степени  удается скорректировать высоким  качеством

изготовления оптики и  применением специальных сложных объективов

(ахроматические,  апохроматические).  Однако,  полностью исправить все

аберрации линз практически  невозможно. 

В зависимости от характера  освещения объекта различают  два типа

микроскопов -  микроскопы,  работающие с прозрачными объектами,  их

называют просвечивающими  (иногда биологическими),  и приборы,

предназначенные для изучения непрозрачных объектов,  называемые обычно

отражательными  (иногда металлографическими).  В современных

универсальных приборах эти возможности обычно совмещаются в виде двух

режимов освещения - "на просвет"  и  "на отражение".

В зависимости от решаемых задач могут использоваться различные

источники света:  различной  степени яркости,  моно-  и полихроматические,

плоско-поляризованные и  с более сложной структурой света, ультрафиолетовые

и инфракрасные и пр.  Для  этих целей применяются лампы  накаливания с

вольфрамовой нитью  (в  виде плоской ленты или спирали),  ксеноновые,

циркониевые,  ртутные  и дуговые лампы,  каждая из которых  имеет и свои

преимущества,  и определенные недостатки,  а их выбор определяется

конкретной исследовательской  задачей. 

Характер контраста и  его качество существенным образом  зависят от

выбора режима и правильности настройки освещения.  В зависимости  от

способа освещения различают  два типа контраста -  светлопольный и

темнопольный. Если прямые лучи светового потока от источника, освещающего

объект,  близки по направлению  к оптической оси прибора -  такое  освещение

называют светлопольным. 

В целом ряде случаев для  усиления контраста применяется  метод косого

освещения,  которое может  быть достигнуто смещением оси конденсора

относительно оптической оси микроскопа,  или  (как    это обычно делается)

некоторым смещением апертурной диафрагмы конденсора относительно

главной оси. 

Наиболее часто для  усиления контраста используется другой прием -