Что такое "Наноэлектронная элементная база информатики"? Как "увидеть" наноразмерные элементы?

Растровые электронные микроскопы

В 1931 г. был выдан первый патент на просвечивающий электронный микроскоп. Начала быстро развиваться электронная оптика. В конце 30-х годов появились первые серийные просвечивающие электронные микроскопы. Длина волны де Бройля для электронов с энергией (здесь – электрический заряд электрона, – электрическое напряжение, используемое для ускорения электронов) задается формулой

где – постоянная Планка, – масса электрона. По этой формуле легко подсчитать, что электрон, ускоренный в электрическом поле с разностью потенциалов 100 В, имеет длину волны , а при разности потенциалов 10 кВ – длину волны . Благодаря этому разрешающая способность просвечивающих электронных микроскопов по сравнению с оптическими возросла сразу на много порядков величины.

Однако просвечивающие электронные микроскопы позволяли исследовать лишь относительно тонкие пленки. Нанообъекты на поверхности относительно толстых образцов можно было исследовать лишь методом реплик. Поэтому уже к началу 40-х гг. были изобретены растровые электронные микроскопы. Однако их серийное производство началось лишь в 1965 г. – аж четверть столетия спустя.

Функциональная схема современного растрового электронного микроскопа (РЭМ) показана на рис. 1.1.

РЭМ состоит из электронно-оптической колонны (1), рабочей камеры (2), персонального компьютера (ПК) и ряда электронных блоков. В состав электронно-оптической колонны (1) входят:

• электронная пушка, которая состоит из катода (3) и анода (4);
• блок питания электронной пушки (5);
• блок регулирования интенсивности электронного пучка (6)
• электронно-оптическая система (7) и блок ее питания (8);
• катушки отклонения электронного пучка в двух ортогональных направлениях (Х) и (Y) и блок сканирования (9);
• система фокусировки (10).

В состав рабочей камеры (2) входят:

• координатный (предметный) стол (11) с прецизионным электромеханическим приводом (12);
• место крепления и исследуемый образец (13);
• набор детекторов (14);
• блок усиления и преобразования сигналов (15).

Внутри электронно-оптической колонны (1) и рабочей камеры (2) создается и поддерживается вакуум, – для того, чтобы свести на нет столкновения электронов с молекулами и атомами газа и обеспечить электронам достаточно длинный (0,2-0,5 м) свободный пробег. Блок питания электронной пушки (5) подает на катод (3) ток накала, вследствие чего из нагретого до высокой температуры катода начинается термоэмиссия электронов. Этот же блок подает на анод (4) высокое положительное напряжение, вследствие чего электроны ускоряются электрическим полем до значительных энергий. Интенсивность электронного пучка регулируется блоком (6) с помощью т.н. "цилиндра Венельта", размещенного вокруг катода. Электронно-оптическая система (7) и блок ее питания (8) формируют осесимметричные магнитные поля специальной формы, – "электронные линзы", – благодаря которым образованный пушкой пучок электронов, условно показанный штриховыми линиями, превращается в сходящийся остро сфокусированный монохроматический луч. С помощью катушек отклонения (Х) и (Y) и блока сканирования (9) электронный луч малыми шагами перемещается вдоль строки (по координате Х) и от строки к строке (по координате Y). Траектория его перемещения вдоль поверхности исследуемого образца напоминает растр, изображенный справа внизу. Отсюда и название "растровый" электронный микроскоп. Прецизионный координатный стол (11) и электромеханический привод (12) позволяют точно выставить под электронный луч нужный участок исследуемого образца (13) и наклонить последний под заданным углом к оси электронного пучка.

В каждой точке исследуемого образца (13) электронный луч локально взаимодействует с веществом. Размещенные рядом с образцом детекторы (14) воспринимают результаты этого взаимодействия. Сигналы от них усиливаются и фильтруются от помех в электронном блоке (15). Там же они проходят аналоговую обработку и превращаются в цифровые коды, которые передаются в компьютер (ПК). В компьютере накапливается и формируется соответствующая информация об исследуемом участке. В информационном массиве каждой точке растра ставится в соответствие величина сигнала от этой точки. Это может быть сигнал от одного из детекторов или совокупность сигналов от нескольких детекторов, а также определенная комбинация этих сигналов. Накопленный информационный массив может быть визуализирован на мониторе (М) в виде черно-белого или цветного изображения.

Взаимодействуя с материалом образца, быстрые электроны пучка рассеиваются и постепенно теряют свою энергию. Эта энергия идет на

• ионизацию внешних электронных оболочек атомов или молекул (часть "выбитых" из них электронов выходит через поверхность образца наружу; такие электроны называют "вторичными");
• возбуждение внешних электронных оболочек атомов или молекул (возвращаясь в основное состояние, атомы (молекулы) вещества излучают кванты света; это называют катодолюминесценцией);
• ионизацию внутренних электронных оболочек атомов (это становится причиной спонтанного перехода одного из электронов внешней оболочки на освободившееся место на внутренней и сопровождается излучением рентгеновских квантов, энергия которых является специфической для каждого вида атомов; такое рентгеновское излучение называют "характеристическим").

В процессе взаимодействий с электронами и ядрами атомов образца быстрые электроны первичного пучка рассеиваются, изменяя направление своего движения, и часть из них выходит в обратном направлении наружу, имея еще значительную энергию. Такие электроны называют "отраженными" или, что точнее, "обратно рассеянными". Число обратно рассеянных электронов намного меньше числа вторичных электронов.

Пробег быстрых электронов в веществе в зависимости от их начальной энергии составляет от единиц до сотен микрометров.

В РЭМ, как правило, имеется несколько детекторов (14): детектор вторичных электронов, детектор катодолюминесценции, детектор обратно рассеянных электронов и детектор характеристического рентгеновского излучения. Используют также датчик электрического тока в образец.

Наибольшую разрешающую способность обеспечивают детекторы вторичных электронов. Это обусловлено тем, что такие электроны имеют малую энергию (от 0 до 50 эВ) и поэтому могут вырваться на поверхность образца лишь из приповерхностных слоев глубиной в единицы нанометров. Ведь детектор вторичных электронов "видит" лишь электроны, которые выходят непосредственно из-под электронного пучка. При диаметре пучка, например, 3 нм обеспечивается разрешающая способность приблизительно 4 нм. Величина сигнала от детектора вторичных электронов зависит от материала, из которого состоят приповерхностные слои исследуемого образца, а еще больше – от рельефа его поверхности. Поэтому изображения, которые формируются в режиме наблюдения вторичных электронов, имеют значительный контраст и большую глубину резкости. Качество этих изображений иллюстрирует рис. 1.2, на котором показана одна из полученных в РЭМ микрофотографий мельчайшей пыльцы от разных цветов.

РЭМ может обеспечить очень широкий диапазон увеличений – от 10х, как обычная оптическая лупа, до 1000000х, как просвечивающий высоковольтный электронный микроскоп. С помощью РЭМ удалось визуализировать вирусы гриппа и другие вирусы размером меньше 100 нм, двойную спираль ДНК, наночастицы металлов, полупроводников, диэлектриков размерами 5-500 нм. РЭМ позволил надежно контролировать элементы интегральных схем указанного размера.

В детекторах обратно рассеянных электронов используют тормозное электрическое напряжение, которое позволяет отклонить и не пропустить на детектор электроны с энергией ниже 100-1000 эВ. В результате такие детекторы формируют сигнал, пропорциональный числу лишь высокоенергичных обратно рассеянных электронов. Этот сигнал позволяет обнаруживать на поверхности исследуемого образца и под ней наличие микро - и нанокластеров с большей плотностью вещества. Например, легко можно выявить наличие и локализацию наночастиц золота размером 5-50 нм в биологических объектах. (Когда они находятся на глубине свыше 50 нм под поверхностью, то в режиме регистрации вторичных электронов их "увидеть" очень тяжело).

Разрешающая способность РЭМ в режиме наблюдения обратно рассеянных электронов, а также в режимах наблюдения характеристического рентгеновского излучения и катодолюминесценции значительно ниже, чем в режиме вторичных электронов. Ведь при этом фиксируются сигналы от всей области проникновения электронов в вещество, а она имеет размеры порядка микрометров. Зато в таких режимах наблюдения можно анализировать локальный состав вещества образца. Режим характеристического рентгеновского излучения позволяет, например, определить химический состав вещества, а режим наблюдения катодолюминесценции – обнаруживать области с повышенным или пониженным квантовым выходом люминесценции.