Материал: Перспективные композиционные и керамические материалы

6.2.Методы нанесения покрытий для объектов СЭМ

ирентгеновского микроанализа

Почти все непроводящие образцы, которые исследуются в СЭМ или анализируются в рентгеновском микроанализаторе, необходимо покрывать тонкой пленкой проводящего материала. Такое покрытие необходимо для того, чтобы исключить или уменьшить электрический заряд, который быстро скапливается на непроводящем образце при сканировании его пучком электронов с высокой энергией. На рис. 6.3 показаны примеры эффектов резко выраженной и незначительной зарядки, наблюдаемых в СЭМ. При исследовании непроводящих образцов без покрытия в СЭМ при оптимальных параметрах прибора неизменно проявляется явление зарядки, которое приводит к искажению изображения и термическому и радиационному повреждению образца, что может повлечь за собой значительную потерю материала из образца. В исключительных случаях на образце может накопиться достаточно высокий заряд, и образец может действовать как электронное зеркало, затормаживая первичный пучок.

Рис. 6.3. Эффекты зарядки при исследовании диэлектриков: а – сильная зарядка при исследовании ненапыленного тефлона, энергии пучка 30 кэВ; б – незначительные эффекты зарядки (образец – покрытое углеродом стекло с процарапанным проводящим слоем. Видны эффекты локальной зарядки (обведенокружком), обусловленныеоблучениемсзапыленногостеклавтрещине)

226

6.2.1. Характеристики образца. Проводимость

Единственным наиболее важным доводом в пользу нанесения покрытия является увеличение электрической проводимости образца. Материалы, обладающие высоким сопротивлением, т.е. выше 1010 Ом м, будут быстро заряжаться под падающим пучком и могут зарядиться до потенциала, достаточного для того, чтобы вызвать пробой диэлектрика в некоторых областях образца. Это приводит к изменению поверхностного потенциала, вызывающего сложные артефакты на изображении, обычно называемые «зарядкой». Эти артефакты проявляются в виде отклонения низкоэнергетических вторичных электронов, повышения вторичной электронной эмиссии из трещин на образце с грубым рельефом, периодических всплесков вторичной электронной эмиссии и отклонения первичного электронного пучка и приводят к ухудшению разрешающей способности и аналитических возможностей системы изза нестабильностей, связанных с астигматизмом, чрезмерной яркостью и ложным сигналом рентгеновского излучения (рис. 6.4). Такая нежелательная ситуация часто встречается, поскольку многие клейкие вещества, используемые для укрепления образца на подложке, сами не являются проводниками и могут являться препятствием для стока любого электрического заряда даже от проводящих образцов. Подходящий канал стока для тока можно создать с помощью серебряной или углеродной пасты. Если касаться только электрической проводимости, то тонкого слоя золота, серебра или меди будет достаточно для исключения проблем, связанных с зарядкой. Даже если металлические образцы обычно являются проводящими, возникают ситуации, в которых желательно исследовать непроводящие области, например включения, и в этих случаях необходимо наносить тонкие проводящие слои. Проводимость тонкой пленки должна быть достаточной для того, чтобы обеспечить отвод тока с образца на землю, не заряжая поверхность до значительного потенциала.

Термическое разрушение. Нагрев образца обычно не является проблемой для большинства образцов, исследуемых в СЭМ, поскольку величина тока пучка обычно лежит в диапазоне пикоампер. Хотя для телевизионной развертки часто требуются более высокие токи, маловероятно, чтобы это привело к заметному разрушению образца. Термические эффекты потенциально значительно более серьезны в режимах катодолюминесценции и рентгеновского микроанализа, когда величина тока

227

пучка лежит в диапазоне наноампер и даже микроампер. Избыточный нагрев в СЭМ может вызвать смещение образца и нестабильность, а в исключительных ситуациях пробой и разрушение объекта. Явление, описываемое как повреждение под пучком, является, конечно, в наибольшей степени тепловым эффектом и проявляется в виде пузырей, трещин и даже дырок внутри и на поверхности образца (рис. 6.4, а). В рентгеновском микроанализаторе использование более высоких токов пучка может вызывать быструю потерю органического материала из пластиков, полимеров и биологических образцов и даже приводить к существенным потерям элементов.

Термическое разрушение можно уменьшить, работая с низкими токами пучка и используя тонкие образцы, находящиеся в хорошем тепловом контакте с хорошим проводником тепла, или же покрывая образцы тонкой пленкой хорошо проводящего тепло материала, например меди, алюминия, серебра или золота.

аб

вг

Рис. 6.4. Артефакты, наблюдаемые на изображении при исследовании в СЭМ: а – разрушение пучком, вызывающее образование трещин на поверхности пыльцы; б – линии на изображении, обусловленные дефектами работы генератора развертки, волокна дерева; в – зарядка, приводящая к появлению маленьких шнуров на изображении пыльцы; г – зарядка, вызывающая сдвиг

изображения

228

Эмиссия вторичных и отраженных электронов. Тонкий слой металла, который обычно используется для создания электрической и термической проводимости у изоляторов, является также источником общей массы вторичных электронов. Слой металла, например золота, толщиной 10 нм, конечно, повышал бы коэффициент вторичной электронной эмиссии δ для органического образца, исследуемого при низком ускоряющем напряжении, но мог бы сильно снижать δ для керамики, содержащей значительное количество окислов щелочно-земельных элементов.

Отраженные электроны также используются в сочетании с обычными цитологическими методами для локализации в биологических тканях областей, представляющих интерес для физиологов. Так, если нахождение отложений свинца или серебра в специфических местах кусочков ткани сопряжено со значительными сложностями, по-видимо- му, нецелесообразно покрывать образцы слоем тяжелого металла и маскировать контраст за счет атомного номера, который будут давать эти области. Подходящим методом в этом случае является нанесение тонкого слоя проводящего материала с низким атомным номером, например углерода, который не должен заметно рассеивать падающий пучок, позволяя ему достигать образца.

Для сканирующей электронной микроскопии высокого разрешения, использующей электроны, потерявшие малую часть энергии, где контраст зависит от рассеяния высокоэнергетических электронов от поверхности образца, образец следует покрывать тонким слоем тяжелого металла, который не дает структуры на уровне разрешения 1 нм. Экспериментальная проверка подтверждает, что тугоплавкие металлы, такие как тантал или вольфрам, обеспечивают такое покрытие.

Механическая стабильность. Микрочастицы и хрупкий материал более прочно закрепляются в определенном положении на держателе образца после покрытия их тонким слоем углерода. Во многих случаях можно помещать такой материал прямо на держатель и фиксировать его очень тонким слоем углерода, наносимого с двух направлений. Такой простой метод позволяет избежать использования клейких веществ, большинство из которых являются непроводящими. Металлические покрытия, в частности, те, которые наносятся катодным распылением, являются достаточно прочными и способствуют повышению механической прочности любого хрупкого материала.

229

6.2.2. Образцы без покрытия

Для исследования образцов без покрытия в СЭМ можно применять несколько методов, включая работу при низких энергиях пучка, использование второго пучка электронов или ионов для снятия заряда с образца и исследование образца в присутствии воды.

Уменьшение зарядки при низких ускоряющих напряжениях связано с особенностями электронной эмиссии с твердых тел и может быть объяснено следующими соображениями. Если коэффициент электронной эмиссии, включающий как отраженные первичные, так и вторичные электроны, построить как функцию энергии падающего пучка Е0, то получим график, показанный на рис. 6.5.

Для диэлектриков существует область, где количество испускаемых электронов превышает количество падающих электронов, т.е. δ+η>1. Эта область ограничена двумя значениями энергии ЕI и ЕII, для которых δ+η=1; эти значения называются первой и второй характерными точками. Значения ЕI по порядку составляют несколько сотен электронвольт, ЕII лежат в диапазоне 1–5 кэВ в зависимости от материала. Если энергия падающего пучка электронов меньше ЕI, то δ+η<1, и образец покидает меньшее число электронов, чем попадает на него, приводя к накоплению отрицательного заряда. Этот заряд понижает эффективную энергию падающего пучка, приводя к дальнейшему понижению δ+η.

Такая ситуация продолжается до тех пор, пока образец не зарядится до такой величины, чтобы полностью отразить первичный пучок. Если энергия пучка заключена между ЕI и ЕII, то образец покидает большее число электронов, чем попадает на него, т. е. δ+η>1. При этом образец заряжается положительно, и положительный заряд приводит к уменьшению эффективного значения δ, так как низкоэнергетические вторич-

230