Электронная микроскопия материалов

Электронная микроскопия использует сфокусированные пучки электронов для получения изображений микроструктуры материалов со значительно более высоким разрешением, чем световая микроскопия, а также для анализа локального состава и кристаллографии с помощью сигналов, генерируемых электронами.

Definition

Электронная микроскопия материалов — это использование электронных пучков для формирования увеличенных изображений микроструктуры и выполнения пространственно-разрешенного анализа состава и кристаллической структуры, использующее короткую длину волны электронов для достижения разрешения, недостижимого с помощью видимого света.

Scope

Эта тема охватывает просвечивающую и сканирующую электронную микроскопию материалов: формирование изображения проходящими и рассеянными электронами, дифракционный контраст и получение изображений высокого разрешения в просвечивающей микроскопии, поверхностное изображение вторичными и обратно рассеянными электронами в сканирующей микроскопии, а также рентгеновские и электронные сигналы, используемые для элементного микроанализа. В ней рассматриваются доступные масштабы длин, подготовка образцов и способы комбинирования режимов получения изображений и анализа.

Core questions

• Как формируются изображения в просвечивающей и сканирующей электронной микроскопии?
• Почему электроны достигают гораздо более высокого разрешения, чем свет?
• Как измеряется локальный состав с помощью электронной микроскопии?
• Как комбинируются режимы получения изображений и анализа для характеризации микроструктуры?

Key concepts

• Просвечивающая электронная микроскопия
• Сканирующая электронная микроскопия
• Дифракционный и фазовый контраст
• Вторичные и обратно рассеянные электроны
• Энергодисперсионный рентгеновский анализ
• Электронная спектроскопия потерь энергии

Key theories

Формирование изображения в электронной микроскопии

В просвечивающей микроскопии электроны, проходящие через тонкий образец, формируют изображения посредством дифракционного и фазового контраста, которые выявляют дефекты и атомные колонки; в сканирующей микроскопии сфокусированный пучок, сканирующий поверхность, генерирует вторичные и обратно рассеянные электроны, которые отображают топографию и состав.

Микроанализ по сигналам взаимодействия пучка с образцом

Электронный пучок возбуждает характеристические рентгеновские лучи и сигналы потери энергии, энергии которых идентифицируют присутствующие элементы, поэтому микроскоп может отображать состав в том же мелком масштабе, что и его изображения, связывая структуру с химией точка за точкой.

Mechanisms

Ускоренные электроны с длинами волн, значительно более короткими, чем у света, взаимодействуют с образцом посредством упругого рассеяния, которое дает дифракцию и контраст изображения, и неупругого рассеяния, которое генерирует рентгеновские лучи и сигналы потери энергии; сбор этих сигналов позволяет получать изображения и карты состава с нанометровым и атомным разрешением.

Clinical relevance

Электронная микроскопия выявляет микроструктуру — зерна, фазы, границы раздела и дефекты — которая контролирует свойства материала, определяет состав и распределение фаз и загрязняющих веществ, а также диагностирует процессы обработки и разрушения, что делает ее центральным инструментом в химии и инженерии материалов.

History

Руска построил первый просвечивающий электронный микроскоп в начале 1930-х годов, превзойдя разрешение световой микроскопии, а фон Арденне вскоре после этого разработал сканирующую электронную микроскопию. Десятилетия усовершенствований в линзах, детекторах и коррекции аберраций с тех пор привели к рутинному получению изображений с атомным разрешением и мелкомасштабному микроанализу в характеризации материалов.

Key figures

• Ernst Ruska
• Manfred von Ardenne

Seminal works

• williams2009
• goldstein2018

Frequently asked questions

Почему электронные микроскопы могут видеть гораздо меньшие объекты, чем световые микроскопы?

Разрешение ограничено длиной волны зонда. Электроны, ускоренные до высокой энергии, имеют длины волн в тысячи раз короче видимого света, поэтому электронный микроскоп может разрешать объекты вплоть до нанометрового или даже атомного масштаба, что невозможно для света.

Как электронный микроскоп определяет, какие элементы присутствуют?

Когда пучок попадает в образец, он выбивает электроны внутренних оболочек, и атомы испускают рентгеновские лучи с энергиями, характерными для каждого элемента. Обнаружение этих рентгеновских лучей, часто вместе с сигналами потери энергии электронов, позволяет микроскопу идентифицировать и картировать элементы в том же мелком масштабе, что и его изображения.