Роль напыления в электронной микроскопии

Как было показано в нашей статье «Что такое растровый электронный микроскоп?», сканирующие электронные микроскопы (СЭМ) и просвечивающие электронные микроскопы (ПЭМ) условно функционируют аналогично оптическим микроскопам, но вместо использования света в них используются пучки электронов различных энергий. Оптические микроскопы ограничены пределом дифракции (максимальное разрешение около 200 нм), тогда как электронные микроскопы могут создавать пучки электронов с гораздо меньшей длиной волны и на несколько порядков превосходить разрешающую способность оптических микроскопов.

Однако использование пучка электронов приводит к некоторым особенностям в процессе исследований. Оба метода (СЭМ и ПЭМ) основаны на взаимодействии электронов первичного пучка с образцом, при котором должен быть обеспечен сток заряда с образца, т.е. перенос электронов с целью исключения или уменьшения накопления электрического заряда на исследуемой поверхности. Поэтому довольно трудно, а порой невозможно, получить полезный сигнал от полностью непроводящих образцов и образцов с плохой проводимостью, таких как, керамика, полимеры, ряд биологических образцов и т.д. Эти проблемы особенно сильно проявляются для сканирующей электронной микроскопии, где поверхность исследуемых сравнительно больших образцов бомбардируются электронным пучком; эффект менее заметен в ПЭМ, где объекты имеют меньшие габариты и электроны проходят их насквозь. В подобных условиях плохо проводящие или непроводящие образцы в СЭМ быстро накапливают заряд, что приводит к появлению различных искажений и артефактов на получаемых изображениях, так называемый эффект «зарядки», а также к тепловому и радиационному повреждению образца. В некоторых случаях на образце может скопиться достаточно высокий избыточный отрицательный заряд, который замедляя первичны пучок, создает эффект «электронного зеркала» и делает полностью невозможным получение изображений.

Чтобы уменьшить или полностью убрать влияние указанных эффектов, плохо проводящие образцы покрывают тонким слоем металла или углерода. Получившийся слой на поверхности образца обладает достаточной проводимостью, чтобы обеспечить сток заряда, позволяя получать полезный сигнал, образовавшийся в результате взаимодействия первичного пучка с образцом. Такое напыление регулярно используют и для, казалось бы, проводящих образцов с непроводящими областями/включениями, например, неметаллические включения в сталях. Кроме того, нанесение покрытий особенно часто применяется при изучении биологических или органических образцов, поскольку они, как правило, не проводят ток и легко повреждаются электронным пучком.

Хотя основная роль напыления (нанесения проводящего покрытия) при исследовании образца в СЭМ заключается в увеличении электропроводности и предотвращении появления эффекта «зарядки», оно привносит ряд других полезных эффектов:

• Напыление образца материалом с высокой теплопроводностью, например, золото, серебро, медь, алюминий, может уменьшить термическое повреждение от первичного пучка электронов;
• Маленькие частицы на поверхности и деликатные органические образцы можно механически стабилизировать, зафиксировав их напыленным тонким слоем углерода. Металлические же покрытия обладают достаточной прочностью и способствуют повышению механической прочности любого хрупкого материала;
• Напыление габаритных образцов, содержащих в своей внутренней структуре (поры) газ или влагу, позволяет защитить как камеру микроскопа, так и сами образцы, от загрязнения выделяющимися газами в процессе набора рабочего вакуума;
• Металлические покрытия позволяют минимизировать глубину проникновения пучка электронов в толщу образца, таким образом локализуя сканирование по приповерхностному слою;
• Увеличение коэффициента вторичной эмиссии для некоторых образцов позволяет получать изображения более высокого качества с лучшим соотношением сигнал/шум.

При исследовании напыленного образца в сканирующем электронном микроскопе мы по сути получаем изображения непосредственно самого покрытия. Таким образом, качество созданных покрытий напрямую влияет на получаемые изображения.

При визуализации очень маленьких структур (например, деталей поверхности панциря диатомовой водоросли) нанесение слишком толстого покрытия может легко скрыть искомую информацию о рельефе образца. Поэтому так важно иметь возможность точно контролировать толщину напыляемого покрытия.

В худшем случае несбалансированная методика напыления покрытий приводит к банальному загрязнению поверхности и может нанести непоправимый ущерб образцам. Порой выбирая дешевое оборудование и непроработанные методики напыления, исследователи сталкиваются с большими затратами в виде дополнительного времени исследования и испорченных образцов.

Поэтому так важно разобраться в том, какой материал и какую методику использовать при создании напыления для разных задач и образцов.

Для задач получения изображений в СЭМ и ПЭМ используются металлические покрытия, например, хром и золото. Наиболее распространённым методом является — магнетронное распыление.

Однако, при исследованиях в СЭМ одним из главных направлений является проведения рентгеновского микроанализа. Для этих задач крайне желательно иметь тончайшее покрытие, обеспечивающее стабильных ток образца и поток рентгеновского излучения. Чем тоньше покрытие, тем меньше поглощение рентгеновского излучения в нем и тем меньше потери первичного пучка электронов при попадании на образец. Кроме того, чем тоньше покрытие, тем меньше будет генерация рентгеновского излучения из самого покрытия. Для пленок из большинства металлов, используемых в СЭМ для увеличения коэффициента вторичной электронной эмиссии (для получения высококачественных контрастных изображений), генерируемое характеристические и непрерывное излучение могут налагаться и взаимодействовать с анализируемыми линия исследуемого характеристически рентгеновского излучения. Дополнительные проблемы могут возникать в том случае, если анализируемый элемент присутствует в следовых количествах.

Проведенные исследования показали, что для углеродного напыления потери первичного пучка оказываются малыми даже при низких ускоряющих напряжениях, что для него характерен наиболее низкий коэффициент ослабления для выходящего рентгеновского излучения. Учитывая приведенные обстоятельства для задач, связанных с рентгеновским микроанализом крайне желательно использовать углеродное напыление.

Основными методами получения высококачественных углеродных покрытий является термическое испарения углерода в вакууме. Для этого используются два схожих метода — напыление с использованием углеродного нити/шнура и напыление с использованием углеродных стержней.

При создании покрытия с помощью углеродных стержней используются два заточенных углеродных стержня; заточенные края являются местом контакта между стержнями. Этот способ напыления называется методом Брэндли (Brandley method). В процессе между стержнями пропускается ток, создавая крайне высокую плотность тока в точке контакта заточенных краев стержней, что приводит к очень высокому уровню резистивного нагрева. Это в свою очередь приводит к испарению углерода с поверхности и переносу материала на образец.

В втором методе углеродная нить/шнур крепится между двумя электродами и по ним пропускается ток высокой плотности. Это также приводит к испарению углерода с поверхности нити/шнура и последующему переносу на образец.

Несмотря на принципиальную схожесть методов, они приводят к разным результатам. Технология распыления углеродной нити/шнура позволяет проще контролировать толщину покрытия путем настройки количества импульсов тока и длины импульса. Это делает его подходящим для создания сеток для ПЭМ и базовых аналитических приложений СЭМ, таких как ЭДС. Тем не менее, покрытия такого типа содержат более высокий уровень загрязнений.

Углеродные покрытия, полученные при распылении стержней, как правило имеют меньше нежелательных загрязнений и более качественную структуру. Покрытия, полученные распылением углеродных стержней в высоком вакууме в импульсном режиме, обеспечивают напыление максимального качества, подходящее для ПЭМ высокого разрешения и продвинутых приложений в СЭМ. В импульсном режиме этот метод максимально подходит для получения покрытий для рентгеновской спектроскопии с дисперсией по длине волны (WDS) и получения картин дифракции отраженных электронов (EBSD). Для таких применений важно использовать углеродные стержни высокой чистоты для достижения максимально возможного качества покрытия.