Ионная и электронная микроскопия, электронография, страница 2

Приготовление качественных образцов в электронной микроскопии - довольно трудный этап исследования, требующий терпения и внимания. Применяются образцы в виде реплик-оттисков от исследуемой поверхности, в виде тонких фольг, отщепляемых или вытравливаемых от макроскопического образца, в виде порошков и суспензий.

Метод реплик пригоден, когда, после травления предварительно полированной поверхности, на ней выявляется рельеф, обусловленный различной химической активностью фаз или компонентов смеси, составляющих объем образца. В таком случае на протравленную поверхность   термическим распылением в вакууме напыляют тонкую пленку, чаще всего углерода, или на поверхность наносят каплю коллодия или нитроцеллюлозы. Применяют и другие пластики, например, фомвар. Полученные пленки отделяют, часто оттеняют нанесением на пластиковую реплику углерода с последующим растворением коллодия ("двухступенчатая технология") и размещают на специальных мелкоячеистых сеточках из меди, никеля, титана, золота. На таких же сеточках размещаются порошки, осажденные на пленки-подложки из углерода или коллодия.

Иногда в процессе отделения пленки удается оторвать (экстрагировать) микрочастицы поверхности - слабосвязанные фрагменты, включения другой фазы и т.п., и исследовать их электронным пучком.

Большую ценность имеют исследования тонких слоев самого изучаемого объекта, хотя необходимо иметь в виду, что образец в пленочном состоянии не всегда адекватно отражает свойства макроскопического тела, из которого он изготовлен. Однако именно фольговые образцы позволяют наблюдать непосредственно в микроскопе существование и движение точечных и линейных дефектов, подробности строения границ зерен, блоков мозаичной структуры, изменение структуры в процессе пластической деформации, взаимодействие дислокаций друг с другом и с другими дефектами, и многое другое.

3.6.3. Электронограммы и их элементарная интерпретация

          Электронография с применением специализированных приборов или электронных микроскопов дает уникальную информацию о типе и параметрах кристаллической или аморфной структуры, о степени ее дефектности и искаженности. Так, уже простое сравнение электронограмм (рис.3.6.2,а,в,г) позволяют отличить поликристаллическое строение от монокристаллического и аморфного. Уже по виду дифракционной картины опытный исследователь может оценить размеры кристаллитов: при размере кристаллитов от 75Å и до ~ 0,1 мкм кольца сплошные, при размере больше ~ 0,1 мкм - фрагментированные.

Если дифракционные кольца не непрерывны, а представляют собой ряд отдельных дуг, то кристаллиты образца имеют некоторую предпочтительную ориентацию или текстурированы. По закономерностям возрастания диаметров колец и их группировке часто можно сразу же определить тип решетки - ГЦК, ОЦК, ГПУ. Для ГЦК решетки характерно наличие групп спаренных колец (рис.3.6.3,а), в электронограммах ОЦК- структур радиусы колец увеличиваются монотонно.

Электронограммы могут иметь довольно сложный вид, особенно если получены от многофазной системы, и не всегда поддаются легкой дешифровке. Дешифровка облегчается при возможности сравнения вновь полученной электронограммы с эталонными электронограммами известных структур. Не всегда однозначна информация, получаемая из анализа интенсивностей рефлексов. Однако уже изучение симметрии и расстояний между элементами дифракционных картин с использованием закона Вульфа-Брэггов и представлений элементарной кристаллографии позволяет получить ценную информацию.

Рис. 3.6.3. Вид электронограмм, полученных от различных образцов: а - поликристалл МgО на просвет, б- поликристалл Mg0 на отражение, в - монокристалл на просвет, г - аморфная пленка на просвет

Рассмотрим принципы этого первичного анализа на примере определения параметров структур трех типов – ГЦК, ОЦК и алмазной.

Для определения параметра кубической решетки а₀ используется соотношение

                                                           (3.6.1)

где R - радиусы колец дифракционной картины, h, k, l – индексы Миллера плоскостей семейства {hkl} , а C=Ll - постоянная прибора, l - длина волны Де Бройля для электронов, контролируемая ускоряющим напряжением, L - расстояние от объекта до апертурной плоскости (фактор, определяемый конструкцией прибора).

Для определения постоянной прибора производят специальную съемку объекта с хорошо известным параметром решетки, например, чистый А1, Аu, хорошие результаты дает TlCl, но он ядовит. Иногда тонкую пленку вещества-эталона наносят прямо на исследуемый объект и получают совмещенную дифракционную картину. В целях удобства расчетов величину С часто выражают в единицах мм×Å. В этом случае, измеряя R в мм, ответ о величине параметра решетки a₀ получают непосредственно в ангстремах.

Поскольку между межплоскостным расстоянием d и параметром решетки a₀ существует простое соотношение

                                                             (3.6.2)

то, измерив R в миллиметрах и зная С, можно легко найти d = C/R. В формуле (6.2) H = nh, К = nk, L = nl  - индексы интерференции семейства плоскостей {hkl}, n - порядок интерференции. Поскольку a₀ - величина для данной кубической решетки неизменная, то из формулы (3.6.2) следует сделать вывод о соответствии каждому d_HKL набора индексов интерференции (HKL). Каждому i-ому кольцу с радиусом R_i в формуле (3.6.1.) соответствует набор индексов интерференции . Поэтому при первичной дешифровке электронограмм важнейшей задачей является правильное индицирование колец.

Непосредственные измерения заключаются в определениях радиусов колец по электронограмме с точностью до 0,5 мм. Удобнее и точнее измерять диаметры колец. В специализированных лабораториях точные положения максимумов почернения определяются с помощью спектрофотометров.

При расчетах удобно пользоваться данными, приведенными в табл. 3.6.1 и 3.6.2 для наиболее ярких линий с малыми индексами.

Для определения типа решетки по табл. 3.6.1  необходимо найти значение параметра Q_i - отношения квадрата радиуса  R²_i-го кольца к квадрату радиуса R²₁  первого дифракционного кольца (не радиуса сплошного центрального рефлекса от недифрагирующего пучка!) по формуле

                                                                               (3.6.3)

                                                                                     Таблица 3.6.1

Значения Q_i - для электронограмм кубических решеток

Номер дифракционного кольца	Типы кубических решеток
	объемно-центрированная, ОЦК	гранецентрированная, ГЦК	типа алмаза
1	1	1	1
2	2	1,33	2,66
3	3	2,67	3,67
4	4	3,67	5,33
5	5	4	6,33
6	6	5,33	8
7	7	6,33	9
8	8	6,67	10,67
9	9	8	-
10	10	9	-