19859

Понятие контраста в растровом электронном микроскопе. Определение предельного разрешения РЭМ. Формирование топографического контраста в РЭМ

Лекция

Физика

Лекция 24 Понятие контраста в растровом электронном микроскопе. Определение предельного разрешения РЭМ. Формирование топографического контраста в РЭМ. Для того чтобы на экране ЭЛТ можно было наблюдать картину отображения образца необходимо чтобы интенсивность свеч

Русский

2013-07-18

553 KB

5 чел.

Лекция 24

Понятие контраста в растровом электронном микроскопе. Определение предельного разрешения РЭМ. Формирование топографического контраста в РЭМ.

Для того чтобы на экране ЭЛТ можно было наблюдать картину отображения образца, необходимо, чтобы интенсивность свечения соседних пикселей была различной. Для того чтобы количественно описать это требование необходимо ввести понятие контрастности изображения.

Если в двух пикселях экрана 1 и 2 (для глаза это соответственно точки) величина одного и того же вторичного излучения, в котором формируется отображение образца, различна по величине и, соответственно различен сигнал S, модулирующий яркость ЭЛТ, то принимается, что существует контрастность изображения между этими точками и мерой контраста является величина

(24.1)

где S1 и S2 – сигнал от элементов изображения 1 и 2, Sср – усредненный по всем элементам уровень сигнала.

Так как картинка на экране ЭЛТ предназначена для человеческого глаза, то применим критерий Рэлея: точки разрешаются (т.е. воспринимаются раздельно), если минимальная интенсивность в промежутке не больше ¾ максимальной интенсивности, т.е. S должно быть > ¼ Smax. Отсюда следует, что два соседних пикселя на ЭЛТ будут восприниматься раздельно, если их контрастность С не меньше 0,25.

При сканировании электронного зонда по одному и тому же участку образца величина  будет меняться, так как коэффициент отражения и коэффициент вторичной электронной эмиссии являются статистическими величинами. Необходимо четко понимать: РЭМ – считывающее устройство дискретных событий. Для дискретных событий всегда существуют флуктуации в счете. Если n – среднее число отсчетов, то отклонение от среднего есть . Подобное случайное изменение полезных сигналов называется шумом. Мера качества сигнала – отношение величины сигнала к шуму. Для рассматриваемого случая сигнал есть n – среднее число электронов с элемента изображения, а шум – . Поэтому должно выполняться условие

dS  5.

Таким образом, для того чтобы контраст С имел место необходимо условие

(24.2)

Величина n определяет минимальное значение среднего числа электронов, которые должны попасть за время t0 на каждый элемент изображения, при условии, что = 1 и все вышедшие из образца электроны попали в детектор, для того чтобы наблюдался заданный контраст.

Считая, что отношение сигнал/шум не меняется на этапах усиления сигнала и воспроизведения на экране ЭЛТ, можно оценить минимально необходимый ток электронного зонда.

Время нахождения зонда на элементе изображения t0 = tк /106, где tк – время сканирования зонда по всему растру. Отсюда, считая, что образец обеспечивает контраст ¼, минимальный ток зонда

(24.3)

где Imin – в А, tк – в секундах.

Яркость электронных пушек = 4I /2d 22 в настоящее время ~ 105 А/см2ср. Отсюда можно оценить диаметр пучка, т.е. размер элемента изображения. Для угла расходимости = 510-3 радиан, tк = 100 с (больше сделать затруднительно из-за временной нестабильности тока зонда), получаем d = 30 Å. Такому размеру элемента изображения отвечает увеличение М = 30 000.

Еще раз отметим, что приведенная оценка базировалась на следующих основных предположениях:

  1.  Образец способен создать контраст ¼.
  2.  Коэффициент электрон-электронной эмиссии = 1 и эффективность сбора электронов = 1.

Если любое из них не выполняется, то необходим больший ток электронного зонда, что автоматически приводит к большим размерам элемента изображения, т.е. к худшей разрешающей способности РЭМ. Уменьшение d возможно при увеличении яркости. Именно по этому пути эволюционируют растровые электронные микроскопы. Использование автоэмиссионных катодов, имеющих большие значения яркости, выигрыша не дает из-за их временной нестабильности (маленькие tк).

Формирование топографического контраста в РЭМ обусловлено угловыми характеристиками отраженных и вторичных электронов. На рис. 24.1. показано формирование контраста в отраженных электронах. Для того чтобы исключить попадание в детектор вторичных электронов на его экран подается потенциал – 50 В. Так как максимальный выход отраженных электронов в случае наклонного падения направлен в направлении зеркального отражения, то с участков образца 1 и 3 сигнала в отраженных электронах практически не будет. С участков 2 и 4 сигнал будет максимальным при расположении детектора, показанного на рисунке. Перемещая детектор, можно добиться того, что сигнал с участков 2 и 4 практически пропадет, а с участка 3, наоборот, сделается максимальным. Величина контраста в приведенном примере определяется различием в числе электронов, отраженных различными участками образца.

Формирование контраста во вторичных электронах показано на рис. 24.2. В этом случае на экран детектора подается потенциал + 250 В, который втягивает вторичные электроны (синие стрелки) в детектор.

Рис.24.2

Контраст во вторичных электронах формируется за счет того, что коэффициент выхода вторичных электронов зависит от угла падения первичного пучка на образец () = /cos, где – коэффициент выхода вторичных электронов при облучении по нормали к поверхности. Поэтому количество вторичных электронов с участка 1 максимально, а с участков 2 и 3 примерно равны друг другу. Следует иметь в виду, что отраженные электроны также попадут в детектор, поэтому к контрасту во вторичных электронах добавляется контраст в отраженных электронах. Поэтому максимальный сигнал с детектора даст участок 4 – большое количество как вторичных, так и отраженных электронов. Если переместить детектор, то ситуация может измениться.

Вторичные электроны способны создать очень большой топографический контраст. Посчитаем контраст во вторичных электронах для двух участков образца, наклоненных относительно нормали к поверхности под углами 1 и 2. В этом случае контраст

.

При 1 = 30о и 2 = 60о получается величина контраста C = 0,54. Даже при близких углах, например, 1 = 60о и 2 = 65о C = 0,17.

Вышеприведенные выводы проиллюстрированы микрофотографиями, полученными при разных режимах работы РЭМ.

На рис. 24.3 приведены фотографии одного и того же участка напыленной золотой пленки, снятые при одинаковом увеличении М = 36 000 при различных ускоряющих напряжениях.

Видно, что разрешение лучше при большем ускоряющем напряжении.

Рис. 24.3

На рис. 24.4 приведены фотографии одного и того же участка керамического образца, снятые при одинаковом увеличении М = 5400 и ускоряющем напряжении 10 кВ при различных значениях Iз.

Видно, что большим значениям тока соответствует лучшее разрешение.

Рис. 24.4

Влияние расположения детектора показано на фотографиях, приведенных на рис. 24.5.

Снят один и тот же участок поверхности асбестовой нити при увеличении М = 2 200, ускоряющем напряжении 7 кВ при различных ориентациях детектора.

Рис. 24.5


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

76746. Н.И Пирогов и его вклад в анатомию человека 181.28 KB
  И Пирогов и его вклад в анатомию человека Николай Иванович Пирогов 1810–1881 обучался медицине в Московском и Дерптском университетах выезжал в научные командировки в германские французские университеты и клиники работал руководителем хирургической клиники в СанктПетербургской медикохирургической академии где основал Анатомический институт. Пирогова которое хранится в настоящее время в музее г. Пирогов предложил новый способ по изучению взаимного расположения синтопии органов сосудов нервов; проекции их на кости скелетотопии и...
76747. П.Ф. Лесгафт - представитель функциональной анатомии 183.2 KB
  Лесгафт представитель функциональной анатомии П. Лесгафт как представитель функционального направления в анатомии и значение его работ для теории предмета и развития физического воспитания. П Петр Францевич Лесгафт 1837-1909 гг. Лесгафт считал что в жизнедеятельности всех органов и систем эффективная работа функция соотносится с рациональным устройством т.
76748. Отечественные анатомы XX века 185.74 KB
  Открылись новые кафедры анатомии человека лаборатории и институты морфологии. Большую роль в обмене опытом и консолидации морфологов сыграл журнал Архив анатомии гистологии эмбриологии основанный в 1916 г. Целая плеяда выдающихся российских ученыханатомов заняла лидерские позиции и сделала огромный вклад в развитие анатомии советского периода.
76749. Индивидуальная изменчивость органов 186.7 KB
  При этом индивидуальный соматотип и характер реактивности окончательно складываются в пубертатном периоде что по В. Возрастная периодизация человека Внутриутробное антенатальное развитие. Зародышевый эмбриональный период 0–2 месяца: период оплодотворения дробления и образования бластоцисты имплантация в стенку матки первая неделя 6–7 дней; период гаструляции и формирования трех первичных зародышевых листков: экто энто и мезодермы 2–4–я недели; период обособления тела зародыша с развитием органов и тканей и образованием...
76750. Кость как орган: ее развитие, строение, рост 186.52 KB
  Как орган кость обеспечена сосудами и нервами находящимися в надкостнице а вглубь кости проникающими через питательные отверстия. На 6–8 неделе эмбрионального развития из соединительной ткани начинает формироваться костная например в костях свода черепа такие кости называют первичными покровными. При хрящевом остеогенезе в соединительной ткани появляется хрящ а потом в нем развивается костная ткань что характерно для большинства костей скелета – и такие кости называют вторичными. Разрастание костной ткани в хряще осуществляется...
76751. Позвонки: их строение в различных отделах 191.33 KB
  Отростки processi: поперечные: правый и левый processus trnsversus – для прикрепления мышц и связок; суставные верхние и суставные нижние – processus rticulre superiores et inferiores – для образования межпозвоночных суставов; остистый – processus spinlis – для прикрепления связок и мышц. Атлант tls – первыйшейный позвонок отличительные признаки передняя и задняя дуга – rcus nterior et rcus posterior – для прикрепления мембран и связок; борозды позвоночной артерии – на задней дуге сверху – sulci . vertebrle; передний и задний...
76752. Позвоночный столб в целом 188.39 KB
  Грудной отдел – 12 позвонков – наличие реберных ямок на телах для суставов головки ребра и суставных поверхностей на поперечных отростках для ребернопоперечных суставов Поясничный отдел – 5 позвонков – массивность тела специфическое положение отростков сосцевидные бугорки на верхних суставных отростках. Величина изгибов меняется в зависимости от массы тела и его отдельных частей физической нагрузки мышечного напряжения возраста пола наконец от положения тела при вертикальном она увеличивается горизонтальном уменьшается. С...
76753. Ребра и грудина. Грудная клетка в целом 184.3 KB
  На позвоночном конце ребра находятся: головка с гребнем у IIX ребер и верхней нижней суставными поверхностями покрытыми гиалиновым хрящом у I XI и XII ребер гребень отсутствует; шейка переходящая углом в тело; на переходе – бугорок на 10 верхних ребрах с двумя возвышениями: медиальнонижнее имеет суставную ямку для сочленения с поперечным отростком позвонка к другому возвышению прикрепляется связка; последние два ребра бугорка не имеют у первого ребра бугорок совпадает с вершиной угла. Тело ребра изогнутое у позвоночного конца...
76754. Развитие черепа в онтогенезе 191.91 KB
  Кости лицевого черепа развиваются на основе висцеральных дуг которых закладывается 5 пар а между ними – 5 пар висцеральных карманов старое название жаберные дуги и жаберные карманы. Висцеральные дуги для лицевого черепа. Ядра точки окостенения подразделяются на: первичные 4150 появляющиеся во внутриутробном периоде в костях мозгового черепа их больше всего начало появления 78 недели к рождению они образуют 20 крупных очагов оссификации; вторичные появляющиеся после рождения; в больших костях черепа их мало но между костями в...