Растрові електронні мікроскопи

Размещено на http://www.allbest.ru/

План

Вступ

1. Фізичні основи растрової електронної мікроскопії

2. Принцип роботи РЕМ

3. Основні джерела сигналів, що використовуються в РЕМ для формування зображення

4. Основні механізми отримання зображення

5. Методи обробки відеосигналів в РЕМ

6. Приклади застосування растрової електронної мікроскопії

Висновок

Список використаної літератури

Вступ

Швидкий розвиток методів дослідження і аналізу, заснованих на використанні електронно-зондового і різних сигналів, випромінюваних речовиною при взаємодії з електронами зонда, привело до того, що техніка, яка ще зовсім недавно була привілеєм окремих лабораторій, стала загальнодоступною. Таке розширення роботи в цьому напрямку було обумовлено досягненнями в растровій електронній мікроскопії та створенням різних приставок для хімічного рентгенівського аналізу. Якщо технічний прогрес дозволив швидко створити необхідне обладнання, то виникла природна необхідність знайти правильний підхід до докладної характеристики матеріалів, ґрунтуючись на нових можливостях методу. Стає все більш очевидним, що для характеристики матеріалу недостатньо тільки хімічного аналізу. Характеристика вимагає якісного і кількісного опису деякого числа властивостей , особливо на мікрорівні (або точніше на декількох мікрорівнях), відповідно, з макроскопічними характеристиками , такими як хімічний склад і передісторія (термічна або механічна) зразка незалежно від природи матеріалу (металу , кераміки , мінералу або напівпровідника).

Растрові (РЕМ) електронні мікроскопи дозволяють вивчати зразки - у вторинних або розсіяних об'єктом електронах. Растровий електронний мікроскоп - це прилад з великими можливостями , що дозволяє на такому рівні спостерігати і вивчати неоднорідні органічні і неорганічні матеріали і поверхні.

1. Фізичні основи растрової електронної мікроскопії

Принцип дії заснований на використанні деяких ефектів, що виникають при опроміненні поверхні об'єктів тонко сфокусованим пучком електронів - зондом. Як показано на рис1. в результаті взаємодії електронів 1 із зразком (речовиною) 2 генеруються різні сигнали. Основними з них є потік електронів: відображених 3, вторинних 4, Ожеелектронів 5, поглинених 6, що пройшли через зразок 7, а також випромінювань: катодолюмінесцентному 8 і рентгенівського 9.

Рис. 1 - Ефекти взаємодії електронного променя з об'єктом

Для отримання зображення поверхні зразка використовуються вторинні, відображені і поглинені електрони. Решта випромінювання застосовуються в РЕМ як додаткові джерела інформації. Найважливішою характеристикою будь-якого мікроскопа є його роздільна здатність. Вона визначається : 1 - площею перетину або діаметром зонда, 2 - контрастом, створюваним зразком і детекторною системою, 3 - областю генерації сигналу в зразку. Діаметр зонда в основному залежить від конструктивних особливостей і якості вузлів мікроскопа і насамперед електронної оптики. У сучасних РЕМ досягнуто високу досконалість компонентів конструкції, що дозволило зменшити діаметр зонда до 5... 10 нм. Формування контрасту в РЕМ визначається різницею детектуючих сигналів від сусідніх ділянок зразка, чим вона більша, тим вище контраст зображення. Контраст залежить від кількох факторів: топографії поверхні, хімічного складу об'єкту, поверхневих локальних магнітних і електричних полів, кристалографічної орієнтації елементів структури. Найважливішими з них є топографічний, що залежить від нерівностей поверхні зразка, а також композиційний, що залежить від хімічного складу. Рівень контрасту визначається також і ефективністю перетворення падаючого на детектор випромінювання, яке створює сигнал на його виході. Якщо отримується в результаті контраст недостатній, то його можна підвищити, збільшивши струм зонда. Однак великий потік електронів в силу особливостей електронної оптики не може бути добре сфокусований, тобто діаметр зонда зросте і, відповідно, знизиться роздільна здатність. Інший фактор, що обмежує дозвіл, залежить від розмірів області генерації сигналу в зразку.

Схема генерації різних випромінювань при впливі електронного пучка на зразок представлена на рис.2. При проникненні первинних електронів в зразок вони розсіюються в усіх напрямках, тому всередині зразка відбувається розширення пучка електронів. Ділянка зразка, в якому первинні електрони гальмуються до енергії Е = 0, має грушоподібну форму. Бокове розширення електронного пучка в зразку в цьому випадку має величину від 1 до 2 мкм, навіть коли зонд має діаметр 10 нм. Розбіжність електронів призводить до того, що площа виходу на поверхню зразка електронів буде більше фокусу електронного пучка. У зв'язку з цим процеси розсіювання електронів усередині зразка мають вплив на роздільну здатність зображень, одержуваних у відбитих , вторинних і поглинених електронах.

Рис. 2 - Області сигналів і просторовий дозвіл при опроміненні поверхні об'єкта потоком електронів (зонд). Області генерації:1-Оже- електронів, 2 - вторинних електронів, 3 - відбитих електронів, 4 - характеристичного рентгенівського випромінювання, 5 - гальмівного рентгенівського випромінювання, 6 - флуоресценції

Відбиті електрони. Вони утворюються при розсіюванні первинних електронів на великі (до 9) кути в результаті однократного пружногорозсіювання або в результаті багаторазового розсіювання на малі кути. Зрештою первинні електрони, випробувавши ряд взаємодій з атомами зразка і втрачаючи при цьому енергію, змінюють траєкторію свого руху і залишають поверхню зразка. Розміри області генерації відбитих електронів (рис.2) значні і залежать від довжини пробігу електронів в матеріалі зразка. Протяжність області може змінюватися від 0,1 до 1 мкм. Електрони, що втратили в процесі відображення частину енергії, залишають зразок на відносно великих відстанях від місця падіння електронного зонда. Відповідно перетин, з якого отримують сигнал (рис. 2), буде істотно більше перетину зонда. Важливою особливістю емісії відбитих електронів є її залежність від атомного номера елементів. Якщо атомний номер атомів матеріалу в точці падіння первинного пучка електронів малий (легкі атоми), то утворюється менша кількість відбитих електронів з малим запасом енергії. В областях зразка, що містять високу концентрацію атомів з великим атомним номером (важкі атоми), більше число електронів відбивається від цих атомів і на меншій глибині в зразку, тому втрати енергії при їх русі до поверхні менше. Ці закономірності використовуються при отриманні зображень у відбитих електронах.

Первинні електрони, проникаючі в зразок, взаємодіють з електронами зовнішніх оболонок атомів об'єкта, передаючи їм частину своєї енергії. Відбувається іонізація атомів зразка, а вивільнені в цьому випадку електрони можуть покинути зразок і бути виявлені у вигляді вторинних електронів. Вони характеризуються дуже малою енергією до 50 еВ і тому виходять з дільниць зразка дуже близьких до поверхні (рис. 2). Глибина шару, що дає вторинні електрони, становить 1... 10 нм. У межах цього шару розсіювання електронів нехтовно мале, і тому при отриманні зображень у вторинних електронах роздільна здатність визначається насамперед діаметром первинного зонда.

Вторинні електрони забезпечують максимальну в порівнянні з іншими сигналами роздільну здатність близько 5... 10 нм. Тому вони є вРЕМ головним джерелом інформації для отримання зображення поверхні об'єкта, і саме для цього випадку наводяться паспортні характеристики приладу. Кількість вторинних електронів слабо залежить від атомного номера елемента. Основним параметром, що визначає вихід вторинних електронів, є кут падіння пучка первинних електронів на поверхню об'єкта. Таким чином, варіації нахилу мікроучастків поверхні викликають різко виражені зміни у виході вторинних електронів. Цей ефект використовується для отримання інформації про топографію поверхні. З метою збільшення емісії вторинних електронів часто зразок встановлюється під кутом до осі зонда. При цьому буде погіршуватися різкість зображення - його нечіткість по краях. Для її виправлення в РЕМ передбачена система компенсації кута нахилу. Метод нахилу зразка застосовують придослідженні плоских об'єктів (металографічних шліфів та ін.). Для зразків з сильно розвиненим рельєфом повністю провести корекцію кута нахилу не вдається.

При впливі зонда частина генеруються електронів залишається в обсязі зразка (рис.2). При енергіях первинного пучка 10... 20 кеВ приблизно 50% від загального числа утворюються вторинних і відбитих електронів досягають поверхні зразка і залишають її. Решта електронів утворюють струм поглинених електронів (рис.1). Його величина дорівнює різниці між струмом зонда і струмами відображених і вторинних електронів. Ця різниця є сигналом для отримання зображення , на яке впливають як топографічний, так і композиційний ефекти. Поглинуті електрони генеруються у великому обсязі (рис.2). Роздільна здатність при отриманні зображень у цьому випадку має такий же порядок, як і для відбитих електронів. Даний метод отримання зображень використовується рідко через малу роздільну здатність.

2. Принцип роботи РЕМ

Схема растрового електронного мікроскопа наведена на рис. 3.Він складається з основних вузлів: електронної гармати 1... 3 , емітує електрони ; електроннооптичної системи 4... 10 , формує електронний зонд і забезпечує його сканування на поверхні зразка 12 ; системи, формує зображення 11... 17. РЕМ має вакуумну камеру, яка служить для створення необхідного розрядження (~ 10-3 Па) в робочому обсязі електронної гармати та електронно-оптичної системи. Складовими частинами мікроскопа є механічні вузли (шлюзи, гоніометричний стіл і т.д.) , щоб забезпечити установку і переміщення зразка.

Рис. 3 - Принципова схема растрового електронного мікроскопа

Електронна гармата складається з катода 1, циліндра Венельта 2 і анода 3. Зазвичай в якості катода використовується вольфрамовий V -подібна дріт, зігнутий під кутом , як це показано на малюнку. При нагріванні катода прямим пропусканням струму відбувається термоеміссія електронів. Електрони прискорюються напругою, прикладеним між катодом і анодом, яку можна змінювати від 1 до 50 кВ. Циліндр Венельта має високий негативний потенціал і служить для регулювання потоку електронів. Пучок електронів від гармати проходить через три електромагнітні лінзи 5 , 6 , 9. Фокусування потоку електронів здійснюється магнітним полем, які мають осьову симетрію. Воно створюється електромагнітної лінзою, яка являє собою соленоїд. Магнітне поле виникає при пропущенні електричного струму через обмотку соленоїда, концентрується за допомогою так званого полюсного наконечника і впливає на проходження через нього потоку електронів. Фокусна відстань лінзи можна плавно регулювати шляхом зміни сили струму в обмотці соленоїда. У системі є дві діафрагми 4, 10, обмежують розбіжність пучка електронів. Недосконалості електронної оптики, як вказувалося раніше, впливають на роздільну здатність мікроскопа. До недосконалостей оптики відносяться хроматична, сферична аберація і астигматизм. Хроматична аберація виникає через різні швидкості (тобто довжини хвилі) електронів і зміни їх за часом, що призводить до непостійності фокусних відстаней лінз. Сферична аберація виникає внаслідок того, що електрони проходять на різних кутових відстанях від оптичної осі лінзи і тому по різному фокусуються. Сферичну аберацію зменшують накладенням строгих обмежень на геометрію полюсних наконечників лінз, збільшенням прискорення напруги і зменшенням діафрагми. У цьому випадку потік формується електронами, меншою мірою відхиленими від оптичної осі лінзи. Виникнення астигматизму пов'язано з порушенням магнітної або геометричної симетрії лінзи. Усунення асиметрії досягається забезпеченням високої геометричної точності виготовлення полюсного наконечника лінзи і введенням спеціальної системи, званої стігматором 8, який коригує магнітне поле лінзи, відновлюючи його симетрію. Стігматор розташований в об'єктивній лінзі 9. Всередині неї також знаходяться дві пари електромагнітних котушок, що відхиляють 7 , кожна з яких служить для відхилення зонда відповідно в х і y напрямках у площині перпендикулярній осі потоку електронів. Котушки з'єднані з генератором 16 , що забезпечує синхронність пересування електронного зонда за зразком і електронного променя по екрану електронно-променевої трубки 15.Зразок 12 кріпиться на предметному столику, який може переміщатися в трьох взаємно перпендикулярних напрямках, допускає нахил зразка до 90 до електронно - оптичної осі і обертання навколо осі від 0 до 360. Електронний пучок, сфокусований на поверхні зразка, викликає появу відображених, вторинних і поглинених електронів, які використовуються для одержання зображення поверхні зразка. Ці сигнали уловлюються спеціальними детекторами. В якості детектора вторинних електронів використовується детектор Еверхарт - Торнлі.

Велика роздільна здатність РЕМ при роботі в режимі реєстрації вторинних електронів служить причиною того, що саме він використовується при вивченні топографії поверхні (поверхня зламу , протравленого шліфа та ін.) При формуванні зображення в режимі детектування вторинних електронів можлива поява композиційного контрасту. Однак він відносно невеликий. Для реєстрації відбитих електронів можуть використовуватися різні типи детекторів, в тому числі і детектор Еверхарт - Торнлі , але з деякою зміною. Це викликано тим, що відбиті електрони мають високу енергію, рухаються прямолінійно, не відхиляючись електричним полем на відміну від вторинних електронів. Тому немає необхідності використовувати в детекторі високі напруги і, колектор. Ефективність збору відбитих електронів залежить від кута нахилу детектора до поверхні генерації електронів і відстані між ними. Отримання зображення у відбитих електронах викликано тим, що емісія цих електронів залежить від порядкового номера хімічного елемента. Тому, наприклад, на плоскій поверхні зразка ділянку матеріалу з більш високим середнім порядковим номером атомів відображає більшу кількість електронів. Він виглядає на екрані більш світлим щодо інших ділянок зразка. Отриманий контраст називають композиційним. Зображення у відбитих електронах дозволяє визначити кількість фаз в матеріалі, спостерігати мікроструктуру матеріалу без попереднього травлення шліфа та ін. Виявлення структури матеріалу стає можливим, оскільки хімічний склад зерен в багатокомпонентних системах відрізняється від хімічного складу їх кордонів. У тому випадку, коли поверхня зразка має яскраво виражені нерівності, то додатково до композиційної виникає топографічний контраст. Для розділення композиційного і топографічного контрастів застосовують два детектора відбитих електронів Еверхарт - Торнлі.

3. Основні джерела сигналів, що використовуються в РЕМ для формування зображення

Відбиті електрони. Раніше вжезазначалося, що відбиті електрони можуть виникати як в результатіодноразового пружного відбиття, так і в актах малокутового багаторазовогорозсіювання. Оцінки показують, що для енергії падаючих електронів 10 ч 30кеві мішеней, що містять легкі елементи (з малим атомним номером),трохи більше половини всіх відбитих електронів народжується в результаті багаторазових малокутових актів взаємодії. Для важких елементів ситуація змінюється на зворотну.

Вторинні електрони. Вторинними електронами зазвичай називають електрони, емітовані мішенню при бомбардуванні її первинним електронним пучком. Вони мають безперервний енергетичний спектр від 0 до енергії електронів зонда - Ez і складаються з пружно і непружно-відображених електронів і істинно вторинних електронів, що утворилися в процесів заємодії електронів зонда з електронами зони провідності.

Рентгенівське випромінювання. Поряд з відбитими і вторинними електронами в матеріалі мішені за рахунок непружних втрат енергії електронів зонда виникає рентгенівське випромінювання. Відомо, що можливо два принципово різних шляхи виникнення рентгенівських квантів.

Оже-електрони. Цей ефект був відкритий П. Оже в 1925 році. Суть явища полягає в тому, що атом, збуджений в результаті іонізації внутрішніх електронних оболонок електронами зонда, може повернутися в основний стан шляхом без випромінюваного переходу. Енергія збудженняEK-EL1 передається іншому електрону, наприклад, що розмістився сусіднійрівень L2. Цей електрон виходить за межі мішені і реєструється, якОже електрон.

Катодолюмінесценція - це люмінесценція, що виникає при порушеннях кристалічної решітки мішені під дією електронів зонда. Прискорені електрони, потрапляючи в кристалічну решітку діелектрика або напівпровідника, викликають іонізацію атомів, виникають вторинні електрони, які в свою чергу можуть виробляти іонізацію,поки остаточно не розтратять всю енергію або не підуть в мішень. Дірки, що утворилися, переміщаючись по решітці, захоплюються центрами люмінесценції, де через якийсь час відбувається рекомбінація електронів і дірок, що приводить до утворення фотонів, спектр яких аналогічний спектру фотолюмінесценції для даної решітки. Спектр катодолюмінісценції розташовується зазвичай в ультрафіолетовій або видимій частині спектру і характеризує тип центру рекомбінації. Вивчення спектрів катодолюмінісценції дозволяє досліджувати розподіл і тип центрів рекомбінації в кристалічній решітці.

Наведений струм - це збільшення електропровідності діелектриків і напівпровідників, що виникає при бомбардуванні поверхні мішені електронами зонда, в результаті чого в кристалічній решітці за рахунок не пружних процесів втрат енергії електронами зонда генеруються електронно-діркові пари. Якщо в кристалічній решітці присутні будь-які електрично-активні дефекти, вони будуть служити центрами рекомбінації, при цьому буде змінюватися струм, що знімається з мішені. Картини розподілу наведеного струму по поверхні зразка будуть містити інформацію про розподіл електрично-активних дефектів у зразку.

4. Основні механізми отримання зображення

Механізми формування зображення в РЕМ відрізняються від формування зображення в оптичному або просвітлюючому електронних мікроскопах. В оптичному і просвітлюючому ЕМ зображення формується за допомогою лінз і носить, таким чином, дифракційний характер. Зображення в РЕМ - це результат відображення змін від точки до точки в характер взаємодії електронів зонда з поверхнею мішені. Якщо в точці А1вторинний сигнал має величину S1, А в сусіднійточці А2- відповідно S2, то говорять, що існує контрастність між цими точками, яка характеризується коефіцієнтом контрасту

C=2=

Контраст між двома точками на зображенні може відрізнятися внаслідок відмінності у взаємодії електронів зонда з матеріалом мішені.

Контраст, який визначається атомним складом мішені.

Розглянемо,наприклад, формування контрасту на зразку, що має області які,розрізняються по атомному складу. Раніше зазначалося, що коефіцієнт відбиття електронів з залежить від атомного номера і росте з його ростом. Тому на екрані монітора РЕМ області, що містять елементи з високим атомним номером, будуть мати більш світлий контраст у порівнянні з більш легкими елементами. Таким чином можна проводити якісний аналіз атомного складу поверхні, використовуючи поліровані і навіть не травлені зразки. Слід підкреслити, що коефіцієнт вторинної емісії слабо залежить від атомного номера і, отже, на вторинних електронах такий контраст спостерігатися не буде.

Топографічний контраст.

Найбільше застосування методи РЕМ отримали для вивчення топографії поверхні. Цей тип контрасту виникає за рахунок впливу рельєфу поверхні на відбиті, і вторинні електрони і має велику схожість із зображенням, формованим в світловому мікроскопі, і тому інтерпретація його багато в чому аналогічна опису контрасту в оптичному мікроскопі. Вище зазначалося, що коефіцієнт вторинної емісії істотно залежить від орієнтації зразка по відношенню до падаючого пучка, причому з ростом кута падіння зростає і коефіцієнт вторинної емісії. З іншого боку, в розсіянні електронів присутній орієнтаційний ефект - найбільше число відбитих електронів лежить в площині падіння і направлено у бік руху первинних електронів(кут падіння приблизно дорівнює куту відбиття). Слід підкреслити,що при формуванні топографічного контрасту у відбитих електронах переважну роль відіграє орієнтаційний ефект, в той час як контраст у вторинних електронах обумовлений в основному залежністю з (и). Інтерпретація зображень рельєфу поверхні, одержуваних за допомогою РЕМ, відносно проста і може бути заснована на звичайних прийомах,використовуваних при аналізі оптичних мікрофотографій. Проте якість зображень, одержуваних за допомогою РЕМ, завжди вище, ніж на оптичних фотографіях, так як в РЕМ значно вище глибина різкості. При збільшенні Ч 500 глибина фокуса може досягати ~0.5мм , що в тисячі разів більше, ніж в оптичному мікроскопі. Цей факт є дуже важливою відмітною особливістю растрового мікроскопа.

Контраст каналування електронів.

Як вже зазначалося вище,кількість електронів, що покинули мішень швидко зменшується зі збільшенням глибини на якій стався останній перед виходом електрона акт взаємодії. З іншого боку відомо, що електрони при певних кутах падіння можуть захоплюватися каналами,які утворюються системами кристалографічних площин. Для простоти міркувань будемо розглядати тільки системи кристалографічних площин перпендикулярні поверхні кристала. Зрозуміло, що кут входу електронів визначається відхиленням пучка від осі приладу і в процесі сканування змінюється. З теорії дифракції відомо,що для електронів падаючих на кристал під точним Бреггівським кутом для даної системи площин відбувається різке збільшення глибини проникнення електронів в матеріал мішені (ефект Бормана). Тому в цій точці поверхні кристала відбувається різке зменшення виходу електронів, що відповідає зменшенню її контрасту на зображенні. Отже, якщо електронний зонд в процесі сканування проходить кутовий інтервал від и<иB через и = иB до и>иB, на екрані монітора в місці відповідному умові и = иB виникне вузька темна смуга паралельна даній системі кристалографічних площин. При малих збільшеннях приладу (10 ч 20 Ч) максимальний кут відхилення пучка від оптичної осі при скануванні становить приблизно ± 10°. Якщо величина брегівського кута для якогось сімейства площин лежить в цьому інтервалі кутів,виникне контраст каналування у вигляді смуги відтворюючи це сімейство площин. У разі коли ця умова задовольняється для декількох сімейств площин, на екрані монітора формується зображення пересічних смуг, кожна з яких пов'язана зі своїм певним сімейством кристалографічних площин. Цей контраст отримав назву контрасту каналування. Зазвичай він використовується для визначення просторового орієнтування кристала або окремих його ділянок.

Магнітний контраст.

Так як на траєкторії руху електронів впливають магнітні поля, наявні у зразку або поблизу його поверхні,растрова мікроскопія дозволяє досліджувати розподіл магнітних полів на поверхні магнітних матеріалів. Всі магнітні матеріали можна умовно розділити на дві групи: одновісні кристали, у яких магнітні поля доменів замикаються зовнішніми полями поблизу зразка; і кристали більш високої магнітної симетрії з дуже малими зовнішніми полями завдяки присутності в при поверхневому шарі спеціальних замикаючих доменів. З електродинаміки добре відомо, що на електрон, що рухається в магнітному полі, діє сила Лоренца

F = -eЧ,

Де B - магнітна індукція; v - швидкість електрона; e - заряделектрона.

Розрізняють магнітний контраст 1-ого і другого роду. Контраст, який виникає через перерозподіл вторинних низькоенергетичних електронів в зовнішньому магнітному полі над поверхнею зразка, отримав в літературі назвумагнітного кантраста першого роду. Магнітний контраст другого роду утворюється в результаті взаємодії первинних електронів з магнітним полем всередині зразка, коли під дією сили Лоренца відбувається відхилення електронів, причому в сусідніх 180 - градусних доменах - в протилежну сторону. Відповідним нахилом зразка можна так змінити шлях електронів, що виникне асиметрія контрасту в сусідніх доменах.

Потенційний контраст.

Цілком очевидно, що аналогічні ефекти повинні виникати і під дією неоднорідностей електростатичних полів на поверхні зразка. Однак слід зазначити,що помітний ефект можливий тільки для низькоенергетичних електронів з енергією порядку декількох десятків ев. Механізм такого контрасту пов'язаний з зміною числа вторинних електронів, що потрапляють в детектор з різних точок зразка за рахунок зміни їх траєкторій під дією розподіл еногопотенціалу на поверхні. Цей тип контрасту особливо ефективно використовується для спостереження інтегральних схем різного ступеня складності в процесі їх роботи, і дозволяє спостерігати за змінами потенційного рельєфу.

5. Методи обробки відеосигналу у РЕМ

Як показують спеціальні дослідження, людське око може сприймати приблизно 12 градацій яскравості (рівнів сірого) у шкалі почорніння (0 ч 1) від абсолютно білого до абсолютно чорного. Це становить приблизно 5 % всієї динамічної широти фотоматеріалу. У той же час, як вже зазначалося раніше, величина струму вторинної емісії мала і для управління яскравістю монітора потрібно значне посилення відеосигналу. При чомунавіть після необхідного посилення корисну інформацію (змінна складова сигналу) може бути не видно на екрані, так як вона може міститися в інтервалі змін, значно меншою 5 % від повного діапазону сигналу. У цих випадках виникає необхідність такого перетворення відеосигналу, при якому корисна інформація буде видна на екрані монітора. Так як в РЕМ сигнали, що йдуть від кожної точки об'єкта розділені в часі, це завдання може бути легко вирішене радіотехнічними засобами. По суті завдання зводиться до перетворення функції зображення f (x,y) (картинки) за допомогою деякого оператора G таким чином, щоб змінна, складова сигналу, стала доступна спостереженню. Для цієї мети розроблено декілька прийомів.

Звернення контрасту. Іноді при аналізі складних зображень буває зручно змінити знак контрасту на зворотний. Це легко досягається відніманням відеосигналу з деякої постійної складової

f'(x,y)= A- f(x,y).

У сучасних растрових мікроскопах зазвичай є такий режим роботи.

Диференціальне посилення. Цей метод обробки зображення іноді називається в літературі "методом придушення постійної складової"і полягає в відніманні з функції зображення деякої постійної складової (п'єдесталу) і наступного посилення в K раз отриманої різниці

електронний мікроскопія зображення

f'(x,y)=K*[f(x,y)-a].

Нелінійне посилення (гамма - режим обробки). У цілому ряді випадків виникає ситуація, коли деяка частина деталей зображення укладена в дуже вузькому інтервалі динамічного діапазону, в той час як інша частина зображення охоплює весь динамічний діапазон. У цьому випадку єдиним способом спостереження є нелінійне посилення відеосигналу, тобто штучне "деформування" зображення

f'(x,y)=

Змінюючи величину г від декількох десятих долей до декількох одиниць, можна переміщати область підвищеного контрасту по всьому динамічному діапазону.

Диференціювання сигналу. Диференціювання зображення дозволяє виділити високочастотні складові сигналу і таким чином зробити більш рельєфними швидкі зміни контрасту, наприклад, краю зерен,приводячи до "обконтурення" різноманітних деталей зображення. Повільні зміни сигналу відображаються при диференціюванні середніми значеннями динамічного діапазону.

Томуобробказображенняшляхомйогодиференціюванняособливокориснапривизначенніположення, розмірів і форми деталей досліджуваного об'єкта. Оскількидиференціюваннязачасомпосутівідповідаєдиференціюваннюпокоординатіx, зображення набуває певну анізотропію, яка відсутня в реальному об'єкті. Це слід мати на увазі особливо при відображенні деталей, паралельних осі x.

Y- модуляція. Цей спосіб обробки відеозображення дозволяє отримати на екрані псевдо-просторове зображення об'єкта за рахунок того,що відеосигнал керує не яскравістю на моніторі, а величиною зміщення покоординаті y. При цьому виходить ніби рельєфне зображення поверхні і посилюється (поліпшується) зображення дрібномасштабної структури зразка. Необхідно відзначити, що обробка зображення за допомогою Y- модуляції спотворює просторове розташування деталей на зображенні зображення і тому не може бути використано для вимірювання положення останніх. Розглянуті вище приклади обробки зображення показують,які широкі можливості одержання та представлення зображення в РЕМ по порівняно з традиційною оптичною мікроскопією. Звісно, що наведені приклади не вичерпують усього різноманіття застосовуваних сьогоднішніх методів обробки відеозображення.

6. Приклади застосування растрової електронної мікроскопії

Електронний мікроскоп дозволяє: безпосередньо досліджувати великі площі поверхонь на масивних зразках і навіть деталях в широкому діапазоні збільшень від 10 до 50000 і вище з досить високою роздільною здатністю. При цьому не потрібно як для ПЕМ виконання складних і тривалих операцій з виготовлення спеціальних об'єктів - реплік, прозорих для електронного променя. Виключається можливість похибок внаслідок деформації реплік при знятті їх з об'єкта і під дією електронного променя.. Створюються умови прямого вивчення структури поверхонь з сильно розвиненим рельєфом, наприклад, зламів. РЕМ зазвичай забезпечений мікроаналізаторами хімічного складу, що дозволяє отримувати більш повну інформацію про поверхні виробу. РЕМ забезпечує широкі можливості для вивчення структури матеріалів: висока роздільна здатність РЕМ робить доцільним його використання для металографічного дослідження дисперсних елементів структури: частинок другої фази, ямок травлення, пор, а також початкових вогнищ руйнування металу при корозії, ерозії, зносі та інших видах зовнішньої дії.

Сучасні РЕМ забезпечені програмним забезпеченням, що дозволяє проводити автоматизовану обробку зображень, що включає оцінку дисперсності середнього розміру, протяжності кордонів, форми та інших параметрів структури матеріалів. Варіювання збільшень в широкому діапазоні і велика глибина різкості, що досягається в мікроскопі, значно спрощують дослідження поверхонь тонких об'єктів - торцевої поверхні тонкого листата ін. На РЕМ успішно вивчають порошки, в яких важливо оцінити морфологію частинок, їх дисперсію і інші параметри, що вимагають отримання об'ємної інформації. Велика глибина фокусу РЕМ дозволяє чітко і одночасно спостерігати частинки порошку, що сильно відрізняються за розмірами, наприклад, з радіусом частинок 0,05 мкм і 1 мм. Велика кількість півтонів на зображеннях, одержуваних в РЕМ, створює враження об'ємності і часто дозволяє правильно уявити собі просторову конфігурацію елементів структури досліджуваного об'єкта. Для більш складних випадків можна використовувати метод стереопар, що забезпечує об'ємне зображення. Як приклад наведено фотографії порошків, що відрізняються хімічним складом і технологією отримання (рис.4). Сплав Ni- Co- Cr- Al -Y - розпорошення в інертному середовищі , х1000Al2O3 - механічне подрібнення , х150Al2O3 - спалювання розчину, х500.

Рис. 4

Фотографії порошків. На відміну від інших видів мікроскопів РЕМ дозволяє спостерігати високопористу структуру порошкових матеріалів на різних технологічних стадіях отримання.

Рис. 5

Методне вимагає попереднього травлення шліфа, що дозволяє одночасно здійснювати локальний мікрорентгеноспектральний аналіз хімічного складу зразка. В даний час практично всі РЕМ мають приставки - мікроаналізатори. Використовуючи композиційний контраст виявляють фази, межі зерен і, досліджуючи їх за допомогою мікроаналізатора, встановлюють характер розподілу елементів по перерізу зерна, хімічний склад різних включень. Комп'ютерна система РЕМ з використанням банку даних дозволяє за хімічним складом ідентифікувати фази.

ОМ у системі РЕМ дозволяє кількісно аналізувати зображення зламів методами математичної статистики, кореляційного аналізу та ін. На РЕМ можливе отримання картин каналювання електронів, що дають унікальну інформацію про структуру матеріалів. Що лежить в основі цього методу ефект каналювання проявляється в наступному.

Якщо первинні електрони при опроміненні об'єкта рухаються між рядами атомів (по " каналах "), то ймовірність їх взаємодії з атомами мала і вони проникають на велику глибину. У цьому випадку вихід вторинних електронів знижується і на екрані виникає темна лінія.

Змінюючи нахил зонда до поверхні зразка на різні кути отримують картину каналювання електронів, що представляє собою сітку темних ліній, що перетинають світле поле в різних напрямках.

Порівнюючи отриману картину з атласом карт, розрахованих на ЕОМ, визначають кристалографічну орієнтацію зерен і параметри кристалічної решітки. За картинами каналювання виявляють також дислокації, блочну структуру і ступінь її розорієнтаціі.

Оскільки кожне зерно має певну картину каналювання, виникає зерен контраст, який використовується для виявлення різних дисперсних фаз.

У РЕМ передбачається установка різних приставок для отримання додаткової інформації про матеріали.

Характеристичне рентгенівське випромінювання служить для оцінки хімічного складу матеріалу, в тому числі його локальних областей.

Катодолюмінісценція дозволяє визначати включення і фазовий склад неметалевих і напівпровідникових матеріалів. Аналіз потоку пройшли через зразок електронів дає уявлення про структуру фольги, подібно ПЕМ. РЕМ дозволяє реєструвати магнітні поля і виявляти доменну структуру.

Великі камери для зразків в РЕМ дають можливість монтувати в них пристосування для проведення різних випробувань.

Велика глибина фокусу РЕМ дозволяє досліджувати кінетику процесів у зразку під дією механічних навантажень, магнітного та електричного полів, хімічних реактивів, нагрівання і охолоджування.

Висновок

На РЕМ можна досліджувати загальний характер структури всієї поверхні об'єкта при малих збільшеннях і детально вивчити будь-яку цікаву досліднику ділянку при великих збільшеннях. При цьому відпадає необхідність у розробці спеціальних прицільних методів. Потрібно також мати на увазі, що зображення буде точно сфокусовано, коли область зондування пучком на зразку менше, ніж розмір елемента зображення. Перехід від малих збільшень до великих на РЕМ здійснюється швидко і просто. Можливість швидкого зміни збільшення в процесі роботи мікроскопа від 10 до 50000 дозволяє легко встановлювати корисне збільшення.

РЕМ має велику глибину фокусу, що дозволяє спостерігати об'ємне зображення структури з можливістю її кількісної оцінки. Створюються умови прямого вивчення структури поверхонь з сильно розвиненим рельєфом.

Тому, растрова електронна мікроскопія є досить серйозним методом дослідження різних об'єктів.

Список використаної літератури

1. Практическая растровая электронная микроскопия / Под ред. Дж. Гоулдстейна и Х. Яковица. - М.: Мир, 1978.

2. Растрова Електронна мікроскопія/П. Енгель, Г. Клінгеле.

3. Сергеева Н. Е. Введение в электронную микроскопию минералов -- М.: Изд-во Моск. ун-та, 1977.

4. Гоулдстейн Дж., Ньюбери Д., Эчлин П., Джой Д., Фиори Ч., Лифшин Э.Растровая электронная микроскопия и рентгеновский микроанализ: В 2-х книгах. Книга 1. Пер. с англ. - М.: Мир, 1984.

5. Микроанализ и растровая электронная микроскопия / Под ред. Морис Ф., Мени Л., Тиксье Р./, Франция, 1978: пер. с франц.: М.: Металлургия, 1985.

Размещено на Allbest.ru