Физические основы электронной микроскопии Электронный микроскоп

10.2 Физические основы электронной микроскопии. Электронный микроскоп – прибор для наблюдения и фотографирования увеличенного (коэффициент увеличения достигает и больше) изображения объекта, в котором вместо световых лучей используются пучки электронов, ускоренных до энергий в условиях глубокого вакуума.

Благодаря малой длине волны де Бройля электронов просвечивающие электронные микроскопы имеют разрешение до и могут сформировать изображение отдельного атома.

Разрешающая сила электронного микроскопа определяется главным образом сферическими аберрациями магнитных линз, которые практически вытеснили электрические линзы, приводящими к размытию фокальной точки в пятно конечных размеров. Кроме того, необходимо обеспечить очень высокую стабильность ускоряющего напряжения () и тока питания магнитных линз ().

Электронный пучок, сформированный осветительной системой, попадает на объект и рассеивается им. Рассеянная волна де Бройля преобразуется объективной линзой в изображение, которое с последующим увеличением переносится на экран системой проекционных линз. «Рассеивающей материей» для электронов является электростатический потенциал, образованный суперпозицией потенциалов атомов объекта. Изображение выявляет проекцию этого суммарного электростатического потенциала объекта на плоскость, перпендикулярную направлению распространения электронного пучка.

В экспериментальной электронной микроскопии как правило ограничиваются фиксацией положений атомов или групп атомов, а также информацией о дефектах кристаллической решётки. Первые изображения отдельных атомов впервые были получены в начале 70-х годов ХХ века. Предельное пространственное разрешение электронного микроскопа можно оценить с помощью формулы:

, (10.2)

где - величина сферических аберраций магнитных линз, - длина волны де Бройля ускоренных электронов. Например, для ускоряющего напряжения .

В электронной микроскопии изображение формируется с помощью дифракционных пучков путём физической реализации двойного (прямого и обратного) преобразования Фурье волн де Бройля с учётом фаз дифрагированных волн. В электронографическом структурном анализе, как и в случае рентгеноструктурного анализа, измеряются только интенсивности дифрагированных пучков, затем с помощью расчёта определяются их фазы и выполняется компьютерный синтез Фурье. Иными словами, в структурном анализе система, формирующая изображение, заменяется математическим суммированием рядов Фурье («математический микроскоп»). Возможности такого математического микроскопа очень велики и позволяют получить разрешение до при полном отсутствии аппаратных искажений, исключая обрыв ряда Фурье.

Таким образом, возможно получение объёмного распределения рассеивающей способности атомов, определение координат атомов с точностью до , измерение параметров анизотропного теплового движения атомов, распределения электронной плотности между атомами, т.е. характеристик химической связи. Следует отметить, что в структурном анализе для выполнения синтеза Фурье используется только периодическая составляющая картины рассеяния, причём рассеивающая электронная плотность усредняется по элементарной ячейке кристалла.