ЭЛЕКТРОННО-ЗОНДОВЫЕ МЕТОДЫ


ЭЛЕКТРОННО-ЗОНДОВЫЕ МЕТОДЫ

, физ. методы исследования и локального анализа пов-сти твердых тел с помощью пучка сфокусированных электронов (зонда). Пучки электронов получают с помощью электронной пушки - вакуумного устройства, обычно диода, в к-ром электроны вылетают из катода благодаря гл. обр. термоэлектронной эмиссии и ускоряются электрич. полем. Фокусировку пучков осуществляют электронными линзами, создающими необходимые электрич. и магн. поля. В Э.-з. м. используют первичные медленные (с энергией Е 0 10-103 эВ) и быстрые (Е 0 103-106 эВ) электроны.
После взаимод. пучка первичных электронов с пов-стью исследуемого образца можно регистрировать упруго или неупруго рассеянные электроны, вторичную электронную эмиссию, эмиссию десорбированных атомов или ионов, электромагн. излучение в рентгеновской или оптич. области, наведенный в образце электрич. ток или эдс.
По характеру получаемой информации Э.-з. м. можно разделить на 3 группы: 1) методы исследования топографии пов-сти и кристаллич. структуры твердых тел; 2) методы локального анализа; 3) методы исследования электрофиз. характеристик и электронной структуры твердых тел. К первой группе относятся, в частности, электронная микроскопия - трансмиссионная (просвечивающая) (ТЭМ) и растровая (РЭМ), методы дифракции медленных (ДМЭ) и быстрых ДБЭ) электронов; ко второй - рентгеноспектральный микроанализ (РСМА; см. ниже), катодолюминесцентный микроанализ (КЛМА), электронно-зондовая масс-спектрометрия (ЭМС), оже-спектроскопия (ОС), спектроскопия характеристич. потерь энергии электронов (СХПЭ), спектроскопия пороговых потенциалов (СПП); к третьей - наряду с последними тремя из перечисленных методов относятся методы ДБЭ, ДМЭ, наведенной эдс и др. Одной из основных характеристик Э.-з. м. является локальность L - размер зоны, о составе и строении к-рой получают информацию. Значения этой величины как в поперечном (по пов-сти,6033-78.jpg), так и в продольном (по глубине,6033-79.jpg) направлениях существенно различаются для разных методов, что видно из таблицы. В последней приведены также значения относит. (С мин) и абсолютных (q мин) пределов обнаружения элементов и относит. стандартные отклонения r (см. Метрология химического анализа).

МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОННО-ЗОНДОВЫХ МЕТОДОВ И ОБЛАСТИ ИХ ПРИМЕНЕНИЕЯ

Электронно -зоидовые методы
6033-76.jpg

нм

6033-77.jpg

нм

С мин, %
q мин,

г

r
Осн. области и объекты исследования
РЭМ
2
5
Ч
10-19
Ч
Топография шлифов, изломов
ТЭМ
0,2
10
Ч
10-20
Ч
Микродефекты кристаллич. структуры
РСМА
103
5 x 102
10-2
10-15
0,01
Локальный элементный состав
КЛМА
103
103
10-5
10-18
0,10
Распределение примесей в полупроводниках и диэлектриках
ОС
50
5
10-1
10-20
0,10
Локальный элементный состав
СХПЭ
2
10
1
10-20
0,20
Микродефекты кристаллич. структуры
ДМЭ
106
0,5
Ч
10-7
Ч
Адсорбированные газы
ДБЭ
105
102
Ч
10-6
Ч
Кристаллич. структура пов-сти
СПП
105
1
1
10-12
0,30
Состав и электронная структура пов-сти
ЭМС
105
10
10-4
10-16
0,10
Поверхностные загрязнения

В хим. исследованиях наиб. важны аналит. Э.-з. м., относящиеся ко второй группе. Среди них самый распространенный - метод рентгеноспектрального микроанализа, основанный на генерировании в выбранном локальном участке анализируемого образца характеристич. рентгеновского излучения (см. Рентгеновская спектроскопия), по спектру к-рого устанавливают качеств. и количеств. элементный состав выбранного участка.
Характеристич. рентгеновское излучение получают облучением образца электронным зондом со след. параметрами: диаметр зонда 6033-80.jpg1 мкм, сила тока i3 10-7-10-9 А, энергия E0 1-50 кэВ. При взаимод. первичных электронов с атомами пробы происходят возбуждение и ионизация последних вследствие удаления электронов с ближайших к ядру оболочек - К, L и т. д. (при этом энергия первичных электронов уменьшается на определенную величину, что используется в СХПЭ). Возбужденные и ионизованные атомы релаксируют за время ~ 10-15 с по излучат. или безызлучат. механизму. В первом случае генерируется характеристич. рентгеновское излучение, во втором - образуются оже-электроны. Вероятность излучат. перехода характеризуют отношением wчисла атомов, релаксирующих по излучат. механизму, к общему числу возбужденных атомов. Эта величина растет с ростом атомного номера Z элемента и существенно зависит от того, с какой оболочки выбивается электрон при ионизации атома. Напр., для Na, Ti и Br K соотв. равно 0,02, 0,20 и 0,60; L для Вr составляет 0,02. Поэтому методом РСМА целесообразно определять элементы с Z> 11, хотя возможно определение элементов с Z> 3.
Характеристич. рентгеновское излучение с интенсивностью I о частично поглощается и выходящее из анализируемого образца излучение имеет интенсивность 6033-81.jpg где 6033-82.jpg - плотность образца; х - путь, пройденный излучением в образце;6033-83.jpg- массовый коэф. поглощения, нелинейно зависящий от энергии квантов характеристич. рентгеновского излучения.
Выходящее из образца излучение разлагают в спектр (т. е. получают зависимость интенсивности / от энергии Е)с помощью рентгеновских спектрометров с волновой (ВДС) или энергетич. (ЭДС) дисперсией. Действие ВДС-спектро-метров (рис. 1) основано на условии Вульфа-Брэгга:6033-86.jpg где 6033-87.jpg- длина волны характеристич. рентгеновского излучения; п - целое положит. число, называемое порядком отражения; d - межплоскостное расстояние в кристалле-анализаторе;6033-88.jpg- брэгговский угол (угол падения и отражения рентгеновского излучения от кристалла-анализатора).

6033-84.jpg

Рис. 1. Схема ВДС-спектрометра: О -анализируемый образец; К- А - кристалл-анализатор; Д - детектор; е -электронный зонд; Р. И.- рентгеновское излучение;6033-85.jpg - брэгговский угол; R- радиус окружности Роуланда.

Для разл. диапазонов 6033-89.jpg используют кристаллы-анализаторы с разными d(напр., LiF, кварц, фталат таллия). Увеличение R - радиуса окружности Роуланда, проведенной через три точки в образце, кристалле-анализаторе и детекторе, повышает спектральное разрешение 6033-90.jpg но при этом уменьшает интенсивность I. Величина 6033-91.jpg достигает обычно 10 эВ. В качестве детектора чаще всего используют проточные пропорциональные счетчики.
ЭДС-спектрометры снабжены охлаждаемыми 81(Li)-детекторами, позволяющими работать при существенно более низких i3, чем в ВДС-спектрометрах, но имеющими худшее разрешение (6033-92.jpgок. 150 эВ). Одно из достоинств ЭДС-спектрометров - отсутствие наложения аналит. линий с разными и, что возможно в ВДС-спектрометрах.
По положению линий характеристич. рентгеновского излучения в спектре (рис. 2) идентифицируют атомы, входящие в состав анализируемой пробы (качеств. анализ), по интенсивности выбранных аналит. линий определяют их содержание (количеств. анализ). При этом относит. предел обнаружения (C мин) определяется соотношением величин полезного сигнала и фона. Фон в РСМА самый высокий по сравнению с др. методами рентгеновской спектроскопии, вследствие генерирования непрерывного рентгеновского излучения при торможении первичных электронов в пробе. Верхняя энергетич. граница непрерывного рентгеновского излучения определяется энергией Е 0 первичных электронов, нижняя - сильным самопоглощением рентгеновского излучения в образце (при Е 6033-93.jpg1 кэВ).

6033-94.jpg

Рис. 2. Рентгеновский спектр в РСМА: 1 - линии характеристич. рентгеновского излучения; 2 -непрерывное рентгеновское излучение без поглощения (фон); 3 -область самопоглощения непрерывного рентгеновского излучения.

При проведении количеств. анализа сопоставляют измеренную интенсивность ( Х )характеристич. рентгеновского излучения определяемых атомов (концентрация к-рых С х) в анализируемой пробе с интенсивностью I ст характеристич. рентгеновского излучения тех же атомов (концентрация С ст) в образце известного состава, т. е. стандартном образце: Х/I ст = FCx/C ст, где F- поправочный коэф., учитывающий разл. поглощение выходящего излучения в анализируемом и стандартном образцах, разл. рассеяние и торможение первичных электронов в них, а также различие в эффектах возбуждения рентгеновской флуоресценции характеристич. и непрерывным излучением. Для расчетов F чаще всего используют микро-ЭВМ, установленные на выходе рентгеновских микроанализаторов.
Погрешности количеств. РСМА в лучших случаях не превышают 1-2%. При этом случайные погрешности, связанные с измерениями интенсивности I, м. б. снижены до величины относит. стандартного отклонения sr< 0,01. Систематич. погрешности, определяемые в осн. величиной F, также м. б. меньше 1%. Осн. источник погрешностей в количеств. РСМА - процесс подготовки пробы к анализу. Поэтому важнейшими операциями являются шлифовка и полировка анализируемых и стандартных образцов, хим. обработка или "металлизация" их пов-сти (для образцов с низкой электро-или теплопроводностью).
Хотя относит. пределы обнаружения высоки (10-1-10-2 %), абсолютные пределы обнаружения достигают очень низких значений - 10-14-10-15 г благодаря высокой локальности 6033-95.jpg В спец. методах РСМА удается проводить количеств. анализ субмикронных слоев и послойный анализ с разрешением по глубине 6033-96.jpg<0,1 мкм. При количеств. анализе гетерогенных материалов необходимо учитывать эффекты гетерогенного фона (см. Локальный анализ )вблизи межфазных границ (причем зона действия таких эффектов может существенно превышать 6033-97.jpg и достигать десятков и даже сотен мкм).
РСМА применяют для анализа индивидуальных частиц (в порошках, аэрозолях), микровключений в чистых материалах, определения состава фаз в минералах и сплавах, распределения элементов в тонких слоях и гетероструктурах. РСМА используют для исследования процессов диффузии, кристаллизации, коррозии, получения композиционных материалов и т. д.

Лит.: Рид С., Электронно-зондовый микроанализ, пер. с англ., М., 1979; Черепин В. Т., Васильев М. А., Методы и приборы для анализа поверхности материалов, К., 1982; Количественный электронно зовдовый микроанализ, пер. с англ., М., 1986; Гимельфарб Ф. А., Рентгеноспектральный микроанализ слоистых материалов, М., 1986.

Ф. А. Гимельфарб.


Химическая энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия. . 1988.

Смотреть что такое "ЭЛЕКТРОННО-ЗОНДОВЫЕ МЕТОДЫ" в других словарях:

  • Методы диагностики и исследования наноструктур и наноматериалов — ПодразделыЗондовые методы микроскопии и спектроскопии: атомно силовая, сканирующая туннельная, магнитно силовая и др.Сканирующая электронная микроскопияПросвечивающая электронная микроскопия, в том числе высокого разрешенияЛюминесцентная… …   Энциклопедический словарь нанотехнологий

  • ЛОКАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ — определение хим. состава микрообъемов или тонких слоев твердого тела. Осн. метрологич. характеристика локальность, т. е. площадь или объем области, в к рой возможно обнаружение или определение хим. элемента с заданной погрешностью. Размер этой… …   Химическая энциклопедия

  • КОЛЛОИДНАЯ ХИМИЯ — область химии, изучающая дисперсные системы и поверхностные явления, возникающие на границе раздела фаз. Поскольку частицы дисперсной фазы и окружающая их дисперсионная среда имеют очень большую пов сть раздела фаз (в высокодисперсных системах… …   Химическая энциклопедия

  • ФАЗОВЫЙ АНАЛИЗ — определение хим. состава и кол ва отдельных фаз в гетерогенных системах или индивидуальных форм соед. элементов в рудах, сплавах, полупроводниках и др. Объектом Ф. а. всегда является твердое тело. Название Ф. а. стало доминирующим, хотя нек рые… …   Химическая энциклопедия

  • КАТОДОЛЮМИНЕСЦEНТНЫЙ МИКРОАНАЛИЗ — неразрушающий метод локального анализа полупроводников и диэлектриков, основанный на катодолюминесценции разновидности люминесценции, к рая возбуждается первичным пучком электронов (микрозондом) и возникает вследствие излучат, рекомбинации… …   Химическая энциклопедия

  • РЕНТГЕНОВСКАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ — раздел спектроскопии, изучающий спектры испускания (эмиссионные) и поглощения (абсорбционные) рентгеновского излучения, т. е. электромагн. излучения в области длин волн 10 2 102 нм. Р. с. используют для изучения природы хим. связей и количеств.… …   Химическая энциклопедия

  • НЕРАЗРУШАЮЩИЙ АНАЛИЗ — (недеструктивный анализ), качеств. и количеств. анализ в ва, в ходе к рого геом. размеры, масса, хим. состав, структура и св ва исследуемого объекта не изменяются или изменяются настолько незначительно, что это не влияет на возможность его… …   Химическая энциклопедия

  • Кудрявцева, Галина Петровна — (08.03.1947, Москва) минералог, доктор геолого минералогических наук (1984), ведущий научный сотрудник кафедры минералогии геологического факультета МГУ (1986), член Всесоюзного минералогического общества (1978), член Ученого совета отделения… …   Большая биографическая энциклопедия

  • Получение, диагностика и сертификация наноразмерных систем — ПодразделыМетоды нанесения элементов наноструктур и наноматериаловФизические методы (лазерные, электронно лучевые, ионно плазменные) осаждения слоев нанометровых толщинХимическое, термическое и электродуговое ocаждение из газовой фазы (в том… …   Энциклопедический словарь нанотехнологий

  • биосовместимые покрытия — Термин биосовместимые покрытия Термин на английском biocompatible coating Синонимы Аббревиатуры Связанные термины адгезия, белки, биодеградируемые полимеры, биоинженерия, биологическая мембрана, биомиметические наноматериалы, биосовместимость,… …   Энциклопедический словарь нанотехнологий

Книги