Электронная микроскопия

Курс электронной микроскопии включает, во-первых, лекционный курс, в котором даются основы электронной оптики, теории рассеяния электронов в твердом теле и основы теории дифракционного электронномикроскопического контраста при исследовании кристаллических объектов. Во-вторых, лабораторные работы, позволяющие студентам познакомиться с наиболее важными электронномикроскопическими методами исследования структуры вещества: электронографическим фазовым анализом сплавов и методами исследования дефектов кристаллической решетки.
 

I раздел. Основы электронной оптики и устройство электронного микроскопа

Электронные линзы. Принцип действия электростатической и магнитной линзы. Движение электронов в длинной магнитной линзе. Аберрации электронных линз (сферическая, хроматическая, астигматизм) и разрешающая способность электронных микроскопов.
Ход лучей в электронном микроскопе. Устройство электронной пушки. Принцип действия однолинзового и двухлинзового конденсора, устройство наклона и перемещения электронного луча. Ход лучей в объективной линзе. Принципы формирования дифракционного и амплитудно-фазового контраста. Ход лучей в проекционной и промежуточной линзах в режимах изображения и микродифракции. Изображения в темном и светлом поле. Глубина поля и глубина фокуса в электронной микроскопии. Принципы юстировки электронного микроскопа.
 

II раздел. Теория рассеяния электронов в твердом теле

Электронномикроскопический контраст некристаллических объектов. Резерфордовский закон рассеяния электронов. Полное сечение рассеяния и критическая эффективная толщина образца.
Волновая функция и волновой вектор электрона. Преломление электронной волны. Рассеяние электронов на атоме. Амплитуда атомного рассеяния. Рассеяние на элементарной ячейке. Структурный фактор элементарной ячейки. Рассеяние на совершенном кристалле.
Обратная решетка. Условия Лауэ. Закон Брегга. Сфера отражения. Влияние структурного фактора на дифракционную картину. Влияние размеров и формы кристаллов на форму узлов обратной решетки. Угловые размеры дифракционных максимумов.
Геометрия электронограмм. Постоянная прибора. Кольцевые электронограммы (примеры анализа). Принципы анализа электронограмм от монокристаллических объектов. Особенности электронной дифракции на металлических стеклах.
 

III раздел. Основы электронномикроскопического контраста

Эффект двух пучков, формирующих изображение. Амплитудно-фазовый контраст и прямое разрешение решетки. Влияние качества фольги (упругого изгиба, изменения толщины) на закономерности формирования амплитудно-фазового контраста. Влияние ускоряющего напряжения на разрешающую способность при прямом разрешении решетки.
Кинематическая теория электронномикроскопического контраста. Суть кинематического приближения. Колонковое приближение. Экстинкционная длина. Амплитуда рассеяния на идеальном кристалле. Толщинные и изгибные контуры экстинкции. Измерение толщины фольги.
Контраст от несовершенных кристаллов. Контраст смещения на плоских дефектах: дефекты упаковки, границы разориентации, межфазные границы. Муаровый узор.
Электронномикроскопический контраст от дислокаций. Контраст от винтовой дислокации, параллельной плоскости фольги. Особенности контраста от краевых и смешанных дислокаций; дислокаций, наклонных поверхности фольги; парных дислокаций и дислокационных диполей. Определение векторов Бюргерса дислокаций.
Типы электронномикроскопического контраста на частицах вторичных фаз: абсорбционный, деформационный, ориентационный, по структурному фактору, различные типы контраста на межфазных границах.
Приближения и некоторые следствия динамической теории контраста.
 

ЛИТЕРАТУРА

  1. Хирш П., Хови А., Николсон Р., Пэшли Д., Уэлан М. Электронная микроскопия тонких кристаллов. - Изд. “Мир”. - Москва, 1968. - 576 с. Главы 1-7.
  2. Утевский Л. М. Дифракционная электронная микроскопия в металловедении. - Изд. “Металлургия. - Москва, 1973. - 584 с.
  3. Бушнев Л.С., Колобов Ю.Р., Мышляев М.М. Основы электронной микроскопии. - Изд. Томского университета. - Томск, 1990. - 220 с.
  4. Томас Г. Электронная микроскопия металлов. - Изд. иностранной литературы. - Москва, 1963. - 352 с.
  5. Спенс Дж. Экспериментальная электронная микроскопия высокого разрешения. - Изд. “Наука”. - Москва, 1983. - 320 с.
     
Вопросы экзаменационных билетов
  1. Формула Аббе, сферическая аберрация и разрешающая способность электронного микроскопа.
  2. Электронномикроскопический контраст некристаллических объектов. Резерфордовский закон рассеяния электронов. Полное сечение рассеяния и критическая эффективная толщина образца.
  3. Принцип действия электростатической и магнитной линзы. Движение электронов в длинной магнитной линзе – условие фокусировки и его связь со сферической аберрацией.
  4. Рассеяние электронов на атоме. Амплитуда атомного рассеяния.
  5. Ход лучей в электронном микроскопе. Устройство электронной пушки.
  6. Рассеяние электронов на элементарной ячейке. Структурный фактор элементарной ячейки.
  7. Ход лучей в объективной линзе. Принципы формирования дифракционного и амплитудно-фазового контраста.
  8. Обратная решетка. Условия Лауэ. Закон Брегга.
  9. Принцип действия однолинзового и двухлинзового конденсора.
  10. Волновая функция и волновой вектор электрона. Преломление электронной волны.
  11. Влияние размеров и формы кристаллов на форму узлов обратной решетки. Угловые размеры дифракционных максимумов.
  12. Кинематическая теория электронномикроскопического контраста. Суть кинематического приближения. Колонковое приближение.
  13. Геометрия электронограмм. Постоянная прибора. Анализ электронограмм.
  14. Амплитуда рассеяния на идеальном кристалле. Толщинные и изгибные контуры экстинкции.
  15. Контраст от несовершенных кристаллов, общее выражение.
  16. Контраст от винтовой дислокации, параллельной плоскости фольги – анализ контраста методом амплитудно-фазовых диаграмм. Результаты расчета профиля изображения.
  17. Экстинкционная длина, ее оценка для случая точного Брегговского отражения.
  18. Электронномикроскопический контраст (полосы смещения) от плоских дефектов.
  19. Типы электронномикроскопического контраста на частицах вторичных фаз.
  20. Амплитудно-фазовый контраст – прямое разрешение кристаллической решетки.
Фонд контрольных заданий
  1. Почему разрешающая способность электронного микроскопа увеличивается при увеличении энергии электронов (ускоряющего напряжения)? Рассмотреть варианты разрешаюшей способности в условиях дифракционного и амплитудно-фазового контраста.
  2. Какой из видов аберраций (сферичечкая, хроматическая или астигматизм) контролирует величину разрешающей способности современных электронных микроскопов? Проанализировать случаи получения изображений кристаллических (дифракционный или амплитудно-фазовый контраст) и аморфных объектов.
  3. В каких точках колонны электронного микроскопа (и почему) помещаются апертурная и селекторная диафрагмы?
  4. В чем заключается главное отличие в подходе к анализу электронномикроскопических изображений аморфных и кристаллических объектов?
  5. Каковы основные приближения кинематической теории дифракционного электронномикроскопического контраста? Как условия формирования такого контраста достигаются практически?
  6. Каковы характерные угловые размеры дифракционных максимумов на электронограммах от бездефектного кристалла? Чем они определяются и как связаны с поведением контуров экстинкции при изменении ориентации кристаллических объектов в электронном микроскопе?
  7. Как можно практически отличить изгибные контуры экстинкции от толщинных?
  8. Каким образом при наличии на электронограммах нескольких интенсивных дифракционных максимумов можно в заданном участке образца получить электронномикроскопическое изображение в двухлучевом приближении, не меняя ориентации объекта в микроскопе?
  9. Перечислите не менее 4-х различных типов контраста, которые могут формироваться в кристаллах кристаллическими частицами вторичных фаз.
  10. Укажите основное (легко обнаруживаемое без дополнительного анализа) отличие в изображении дислокаций в темном поле при реализации кинематических и динамических условий формирования электронномикроскопического контраста

Вопросы экзаменационных билетов
Фонд контрольных заданий

Сайт в настоящее время находится в процессе разработки. Принимаются предложения по улучшению и наполнению сайта. Ваши отзывы и предложения высылать администратору сайта Смирнову Ивану Владимировичу (smirnov_iv@bk.ru).