Теневой микроскоп

АНОТАЦІЯ

   У даній курсовій роботі розглядаються електронні мікроскопи, проводиться їх порівняльний аналіз. Особлива увага звертається на тіньовий електронний мікроскоп. Наводиться конструкція тіньового  електронного мікроскопа та виконується розрахунок основних параметрів проекційної лінзи тіньового електронного мікроскопа.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗМІСТ

ВСТУП...............................................................................................................5

1 АНАЛІЗ СТАНУ ПИТАННЯ.......................................................................6

1.1 Зародження електронної оптики.......................................................6

1.2 Хвильові властивості електронів.....................................................12

1.3 Роздільна здатність............................................................................14

1.4 Електромагнітні лінзи.......................................................................16

1.5 Електронний мікроскоп....................................................................22

1.6 Тіньовий електронний мікроскоп…………………….…………...36

2 РОЗРАХУНОК ОСНОВНИХ ПАРАМЕТРІВ ПРОЕКЦІЙНОЇ ЛІНЗИ..............................................................................................................39

ВИСНОВКИ...................................................................................................42

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ................................................................................43

ДОДАТКИ......................................................................................................44

Додаток А – Креслення ТЕМ………....................................................45    

    Додаток Б – Специфікація.....................................................................46

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВСТУП

 

Актуальність теми

Електронна мікроскопія, отримавши за короткий період загальне визнання, широко застосовується в різних областях науки і техніки. Появу перших електронних мікроскопів можна віднести до початку 30-х років.

 

Мета дослідження

Метою роботи є розробка конструкції тіньового електронного мікроскопа.

 

Об’єкт дослідження

Об’єктом дослідження  є тіньовий електронний мікроскоп.

 

Структура курсової роботи

Курсова робота складається з двох основних розділів. Перший розділ містить  огляд літературних джерел про електронні мікроскопи і тіньовий електронний мікроскоп, також подаються їх основні параметри, характеристики та застосування. У другому розділі здійснюється розрахунок основних параметрів проекційної лінзи тіньового електронного мікроскопа. Крім того, у додатку наводиться креслення тіньового мікроскопу.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 АНАЛІЗ СТАНУ  ПИТАННЯ 

1. Зародження електронної оптики.

Зародження електронної  оптики пов'язане із створенням в кінці 19 століття електронно-променевої трубки. У першій осцилографічній електронно-променевій трубці (німецький фізик К.Ф. Браун, 1897 р.) електронний пучок відхилявся магнітним полем. Відхилення заряджених частинок електростатичним полем разом з магнітним використовував англійський фізик Дж. Дж. Томсон в дослідах по визначенню відношення заряду електрона до його маси, пропускаючи пучок між пластинами плоского конденсатора, поміщеного усередині електронно-променевої трубки. У 1899 році німецький фізик І.Э. Віхерт застосував для фокусування електронного пучка в електронно-променевій трубці магнітне поле котушки із струмом. Проте лише в 1926 році німецький учений X. Буш теоретично розглянув рух заряджених частинок в магнітному полі такої котушки і показав, що вона придатна для отримання правильних електронно-оптичних зображень і, отже, є електронною лінзою. Подальша розробка електронних лінз (магнітних і електростатичних) відкрила шлях до створення електронного мікроскопа, електронно-оптичного перетворювача і інших приладів, в яких формуються електронно-оптичне зображення об'єктів, що випускають електрони, або тим або іншим чином впливають на електронні пучки. Конструювання спеціальної електронно-променевої трубки для телевізійної і радіолокаційної апаратури, для запису, зберігання і відтворення інформації і т.д. привело до подальшого розвитку розділів електронної оптики, пов'язаних з управлінням пучками заряджених частинок. Значний вплив на розвиток електронної оптики зробила розробка апаратури для аналізу потоків електронів (бета-спектрометрів і інших аналітичних приладів).

Електронна мікроскопія - сукупність методів дослідження за допомогою електронних мікроскопів мікроструктур тіл (аж до атомно-молекулярного рівня), їх локального складу і локалізованих на поверхнях або в мікрооб'ємах тіл електричних і магнітних полів («мікрополів»). Електронна мікроскопія включає також удосконалення і розробку нових електронних мікроскопів і інших корпускулярних мікроскопів (напр., протонного мікроскопа) і приставок до них; розробку методик підготовки зразків, досліджуваних в електронних мікроскопах; вивчення механізмів формування електронно-оптичних. зображень; розробку способів аналізу одержуваної інформації.

Об'єкти дослідження в  електронній мікроскопії – звичайно тверді тіла. У просвічуючих електронних мікроскопах електрони з енергіями від 1 кеВ до 5 МеВ проходять крізь об'єкт, тому вивчаються зразки у вигляді тонких плівок, фольги (рисунок. 1.1), зрізів і т.д. товщиною від 1 нм до 10 мкм (від 10 Ǻ до 10⁵ Ǻ). Мікрокристали, порошки, аерозолі і т.д. можна вивчати, нанісши їх заздалегідь на підкладку: тонку плівку для дослідження в просвічуючих електронних мікроскопах, або масивну підкладку для дослідження в растрових електронних мікроскопах. Поверхневу і приповерхневу структуру масивних тіл товщиною істотно більше 1 мкм досліджують за допомогою растрових електронних мікроскопів (рис. 1.2), відбивних, дзеркальних електронних мікроскопів, іонних проекторів і електронних проекторів. Поверхнева геометрична структура масивних тіл вивчається також і методом реплік: з поверхні такого тіла знімається відбиток в вигляді тонкої плівки вуглецю, колодія і т.д., що повторює рельєф поверхні і розглядається в електронних мікроскопах, що просвічують. Звичайно заздалегідь на репліку у вакуумі напилюється під ковзаючим (малим до поверхні) кутом шар сильно розсіюючого електрони важкого металу (наприклад, Pt), що відтіняє виступи і западини геометричного рельєфу– метод декорування. Цей метод дозволяє досліджувати не тільки геометричні. структури поверхонь, але і мікрополя, обумовлені дислокаціями (рис. 1.3), скупченнями точкових дефектів, ступенями зростання кристалічних граней, доменною структурою і т.д. В цьому випадку на поверхню зразка спочатку напилюється дуже тонкий шар декоруючих частинок (атоми Au, Pt, молекули напівпровідників або діелектриків), що осідають на ділянках зосередження мікрополів, а потім знімається репліка з включеннями декоруючих частинок.

 

 

 

Рисунок 1.1 - Одержане в просвічуючому електронному мікроскопі, зображення сітки дислокацій на межах зерен в тонкій молібденовій фользі, деформованій при високотемпературному нагріві.

 

Рисунок 1.2 - Зображення заздалегідь відполірованої, а потім підданої іонному бомбардуванню поверхні монокристала міді. Знято в растровому електронному мікроскопі. Збільшення 3000.

 

 

Рисунок 1.3 - Гвинтові дислокації на поверхні кристала NaCl, підданого термічному травленню при температурі 773 К. Зображення одержане методом декорування.

 

За допомогою газових  мікрокамер – приставок до просвічуючих електронних мікроскопів, або растрових електронних мікроскопів – можна вивчати рідкі і газоподібні об'єкти, нестійкі до дії високого вакууму, в т.ч. вологі біологічні препарати. Радіаційна дія опромінюючого електронного пучка досить велика, тому при дослідженні біологічних, напівпровідникових, полімерних і т.д. об'єктів необхідно ретельно вибирати режим роботи електронного мікроскопа, що забезпечує мінімальну дозу опромінювання.

Разом з дослідженням статичних, не змінних в часі об'єктів електронна мікроскопія дає можливість вивчати різні процеси в динаміці їх розвитку: зростання плівок, деформацію кристалів під дією змінного навантаження, зміну структури під впливом електронного або іонного опромінювання і т.д.

 Завдяки малій інерційності електронів можна досліджувати періодичні в часі процеси, наприклад перемагнічування тонких магнітних плівок, зміна поляризації сегнетоелектриків, розповсюдження ультразвукових хвиль і т.д. Ці дослідження проводять методами стробоскопічної електронної мікроскопії (рис. 1.4): зразок «освітлюється» електронним пучком не безперервно, а імпульсами, синхронно з подачею імпульсної напруги на зразок, що забезпечує фіксацію на екрані приладу певної фази процесу точно так, як і це відбувається в світлооптичних стробоскопічних приладах. Гранична тимчасова роздільна здатність при цьому може у принципі складати близько 10^-15 с для просвічуючих електронних мікроскопів.

Аморфні і квазіаморфні тіла, розміри частинок яких менше роздільної в електронних мікроскопах відстані, розсіюють електрони дифузно. Для їх дослідження використовуються прості методи амплітудної електронної мікроскопії. Наприклад, в електронних мікроскопах, що просвічують, контраст зображення, тобто перепад яскравості зображення сусідніх ділянок об'єкту, в першому наближенні пропорційний перепаду товщини цих ділянок. Для розрахунку контрасту зображень кристалічних тіл і вирішення зворотної задачі – розрахунку структури об'єкту по спостережуваному зображенню – притягуються методи фазової електронної мікроскопії: розв'язується завдання про дифракцію електронів на кристалічній решітці. При цьому додатково враховуються непружні взаємодії електронів з об'єктом: розсіювання на плазмонах, фононах і т.д.

Рисунок 1.4 - Зображення поверхні кремнієвого діода, одержані в стробоскопічному емісійному електронному мікроскопі:

а) – напруга на діоді відсутня;

б) – на діод подано замикаючу  напругу 40 В, темна область – падіння напруги на p – n-переході;

в) – короткочасне (менше 40 нс) пряме падіння напруги (широка темна область) на базі діода при перемиканні його в стан, при якому він «відкритий».

У електронних мікроскопах, що просвічують, і растрових електронних  мікроскопах високої роздільної здатності, одержують зображення окремих молекул або атомів важких елементів; користуючись методами фазової електронної мікроскопії, відновлюють по зображеннях тривимірну структуру кристалів і біологічних макромолекул. Для вирішення подібних завдань застосовують, зокрема, методи голографії, а розрахунки проводять на ЕОМ.

Різновид фазової електронної  мікроскопії – інтерференційна  електронна мікроскопія, аналогічна оптичній інтерферометрії: електронний пучок розщеплюється за допомогою електронних призм, і в одному з плечей інтерферометра встановлюється зразок, що змінює фазу електронної хвилі, що проходить крізь нього. Цим методом можна виміряти, напруженість або потенціал зразка.

З допомогою лоренцової електронної мікроскопії, в якій вивчають явища, обумовлені силою Лоренца, досліджують внутрішні магнітні і електричні поля або зовнішні поля розсіювання, наприклад поля магнітних доменів в тонких плівках (рис. 1.5), сегнетоелектричних доменів, поля головок для магнітного запису інформації і т.д.

Склад об'єктів досліджується  методами мікродифракції, тобто електронографії локальних ділянок об'єкту; методами рентгенівського і катодолюмінесцентного локального спектрального аналізу; реєструється рентгенівське випромінювання на характеристичних частотах або катодолюмінесценція, що виникають при бомбардуванні зразка сфокусованим пучком електронів (діаметр електронного «зонда» менше 1 мкм).

 

 

 

Рисунок 1.5 - Зображення доменної структури тонкої, однорідної по товщині  пермалоєвої плівки. Знято в електронному мікроскопі, що просвічує, при дефокусуванні зображення (метод лоренцової електронної мікроскопії). Світлі і темні вузькі смуги – межі доменів. Видно «брижі» намагніченості, що виникають унаслідок малих змін напрямів векторів намагніченості (відмічені стрілками) усередині доменів.

 

Інтенсивно розробляються  методи кількісної електронної мікроскопії  – точного вимірювання різних параметрів зразка або досліджуваного процесу, наприклад, вимірювання локальних електричних потенціалів, магнітних полів (рис. 1.6), мікрогеометрії поверхневого рельєфу і т.д. Електронні мікроскопи використовуються і в технологічних цілях (наприклад, для виготовлення мікросхем методом електронолітографії).

 

 

Рисунок 1.6 - Зображення ліній  рівної напруженості поля над зазором  магнітної головки запису інформації. Одержано в растровому електронному мікроскопі із спеціальною приставкою.

 

1.2 Хвильові  властивості електронів.

У 1924 французький фізик  Л. де Бройль (L. de Broglie) висловив гіпотезу про те, що встановлений раніше для фотонів корпускулярно-хвильовий дуалізм (що полягає в тому, що фотони володіють і властивостями частинок, корпускул, і хвильовими властивостями) властивий всім частинкам – електронам, протонам, атомам і т.д., причому кількість співвідношення між хвильовими і корпускулярними властивостями частинок ті ж, що для фотонів. Тобто, якщо частинка має енергію Ε і імпульс, абсолютне значення якого рівне р, то з нею пов'язана хвиля, частота якої v=Ε/h і довжина l=h/p. Ці хвилі і одержали назву хвиль де Бройля.

Для частинок не дуже високої енергії (v<<c) l=h/mv, де m і v – маса і швидкість частинки. Отже, довжина хвиль де Бройля тим менше, чим більше маса частинки і її швидкість. Наприклад, частинці з масою в 1 г, яка рухається з швидкістю 1 м/с, відповідає хвиля де Бройля з l=10-18 Ǻ, що лежить за межами доступної спостереженню області. Тому хвильові властивості неістотні в механіці макроскопічних тіл. Для електронів же з енергіями від 1 еВ до 10 000 еВ довжини хвиль де Бройля лежать в межах від 10Ǻ до 0,1Ǻ, тобто в інтервалі довжин хвиль рентгенівського випромінювання. Тому хвильові властивості електронів повинні виявитися, наприклад, при їх розсіюванні на тих же кристалах, на яких спостерігається дифракція рентгенівських променів.

Перше експериментальне підтвердження гіпотези де Бройля було одержано в 1927 році в дослідах американських фізиків К. Девіссона і Л. Джермера. Пучок електронів прискорювався в електричному полі з різницею потенціалів 100–150 В (енергія таких електронів 100–150 еВ, що відповідає l»1Ǻ) і падав на кристал нікелю, що грає роль просторової дифракційної решітки. Було встановлено, що електрони дифрагують на кристалі, причому саме так, як повинно бути для хвиль, довжина яких визначається співвідношенням де Бройля. Хвильові властивості електронів, нейтронів і інших частинок, а також атомів і молекул тепер не тільки надійно доведені прямими дослідами, але і широко використовуються в установках з високою роздільною здатністю, так що можна говорити про інженерне використання хвиль де Бройля

Підтверджена на досвіді ідея де Бройля про подвійну природу мікрочасток – корпускулярно-хвильовому дуалізмі – принципово змінила уявлення про зовнішність мікросвіту. Оскільки всім мікрооб'єктам (за традицією за ними зберігається термін «частинки») властиві і корпускулярні і хвильові властивості, то, очевидно, будь-яку з цих «частинок» не можна вважати ні частинкою, ні хвилею в класичному розумінні. Виникла потреба в такій теорії, в якій хвильові і корпускулярні властивості матерії виступали б не як виключаючі, а як взаємно доповнюючі один одного. У основу такої теорії – хвильової, або квантової, механіки і лягла концепція де Бройля. Вона відображається навіть в назві, хвильова функція для величини, що описує в цій теорії стан системи. Квадрат модуля хвилевої функції визначає вірогідність стану системи, і тому про хвилі де Бройля часто говорять як про хвилі вірогідності (точніше, амплітуд вірогідності). Для вільної частинки з точно заданим імпульсом, рухомої уздовж осі х, хвилева функція має вигляд: