Методы электронной микроскопии

 

 

Федеральное агентство связи 

 

Федеральное государственное бюджетное 

образовательное учреждение высшего образования 

«Сибирский государственный университет 

телекоммуникаций и информатики» 

(СибГУТИ) 

 
 
 
 
 
 
 

Н. И. Филимонова  

А. А. Величко 

Н. Е. Фадеева  

 
 
 
 

МЕТОДЫ ЭЛЕКТРОННОЙ МИКРОСКОПИИ 

 
 
 

Учебное пособие 

 

 

 

Новосибирск 

2016  

 
 

 

 

УДК [543.456: 621.38](075.8) 
 

 
 
Утверждено редакционно-издательским советом СибГУТИ 

 

Рецензенты:  

к.ф-м.н., руководитель группы электронной микроскопии  

ИФП СО РАН А. К. Гутаковский 

к.т.н, доцент, зав. кафедрой наносистем и оптотехники  

СГУГ Д. В. Чесноков 

 
 

Филимонова Н. И., Величко А. А., Фадеева Н. Е. Методы электронной 

микроскопии : Учебное пособие / Сибирский государственный университет 
телекоммуникаций и информатики. – Новосибирск, 2016. – 61 с. 
 

Учебное 
пособие 
«Методы 
электронной 
микроскопии» 
содержит 

подробное описание физических основ и экспериментальных методов 
электронной микроскопии определения физических и структурных свойств 
материалов. Рассматриваются вопросы применения данных методов в 
современной науке, технике и технологии. 

Пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлению 

11.03.04 
«Электроника 
и 
наноэлектроника», 
профиль 
«Интегральная 

электроника и наноэлектроника» для дисциплины «Методы диагностики и 
анализа микро и наноструктур». 

 
 

Кафедра технической электроники 
 
В авторской редакции 
 
 
 
 
 
 

© Филимонова Н. И., Величко А. А., Фадеева Н. Е., 2016 
 Сибирский государственный университет  
телекоммуникаций и информатики, 2016 

 
 
 
 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

В предлагаемом учебном пособии описаны методы электронной 

микроскопии, применяемые для исследования поверхностных и объемных 
свойств твердых тел. Эти аналитические методы широко используются при 
создании 
новых 
полупроводниковых 
и 
диэлектрических 
материалов, 

наноструктур, новых типов приборов. Предлагаемое пособие будет полезным 
для направлений подготовки бакалавров, обучающихся по направлению 
11.03.04 «Электроника и наноэлектроника».   

Важно отметить, что при формировании структуры и содержания 

учебного пособия были приняты во внимание программы учебных курсов в 
рамках ГОС 3 и ГОС 3+. 
 

 
 
  
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
 

МЕТОДЫ ЭЛЕКТРОННОЙ МИКРСКОПИИ 

ВВЕДЕНИЕ 

Методы микроскопии традиционно служат для получения увеличенных 

изображений 
объектов. 
По 
сравнению 
со 
световыми 
микроскопами 

использование 
электронного 
луча 
с 
малой 
длиной 
волны 
позволяет 

существенно 
увеличить 
разрешающую 
способность. 
В 
общем 
случае 

информация, получаемая с помощью микроскопии, служит для решения 
следующих задач: 1) определения кристаллографии поверхности (то есть, как 
атомы располагаются на поверхности), 2) определения морфологии поверхности 
(то есть формы и размера морфологических элементов поверхности) и 3) 
определение состава поверхности (то есть пространственного распределения 
элементов и соединений, из которых состоит поверхность). 

Принципы действия разных типов микроскопов сильно отличаются друг 

от друга. Они включают следующие процессы:  

1. прохождение 
электронов 
через 
образец 
(просвечивающая 

электронная микроскопия (ПЭМ));  

2. отражение электронов от образца (отражающая электронная 

микроскопия, микроскопия медленных электронов);  

3. полевую эмиссию электронов (полевая эмиссионная микроскопия, 

сканирующая туннельная микроскопия);  

4. полевую эмиссию ионов (полевая ионная микроскопия);   
5. сканирование поверхности электронным пучком (сканирующая 

электронная микроскопия) или зондирующей иглой (сканирующая 
туннельная микроскопии, силовая атомная микроскопия). 

Большинство 
методов 
микроскопии 
используется 
для 
анализа 

поверхности и обеспечивает разрешение нанометрового масштаба, а полевая 
ионная микроскопия, сканирующая туннельная микроскопия и атомная силовая 
микроскопия позволяют получать микроскопические изображения с атомным 
разрешением. Метод ПЭМ может быть использован для анализа структуры 
материала, как в приповерхностной области, так и в объёме образца и является 
одним из наиболее информативных методов исследования, используемых в 
физике конденсированного состояния, биологии и материаловедении. 

К недостаткам электронной микроскопии следует отнести:  

1. необходимость достаточно высокого вакуума для получения 

хорошего разрешения;  

2. отсутствие возможности просмотра больших образцов;  
3. отсутствие возможности достижения атомного разрешения в 

критических для поверхности условиях, когда энергия пучка 
электронов достигает 300 кэВ;  

4. сложности при исследовании непроводящих образцов. 

В настоящее время наибольшее применение при исследованиях 

наноматериалов 
нашли 
методы 
сканирующей 
(растровой) 
электронной 

микроскопии и просвечивающей электронной микроскопии. 

ЧАСТЬ 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОННОЙ 

МИКРОСКОПИИ 

В 
основе 
принципа 
действия 
электронных 
микроскопов, 
как 

сканирующего, так и просвечивающего, лежит взаимодействие электронного 
пучка (зонда) с веществом. Всё многообразие процессов, происходящих при 
данном взаимодействии, приведено на рис. 1.1 и может быть разбито на два 
основных класса: 1) упругие взаимодействия, приводящие к изменению 
траектории электронов внутри вещества без существенного изменения их 
энергии и 2) неупругие взаимодействия, при которых происходит передача 
энергии электронов твердому телу. 

В 
результате 
неупругих 
взаимодействий 
происходит 
генерация 

вторичных электронов, Оже-электронов, характеристическое и непрерывное 
рентгеновское излучения; длинноволновое электромагнитное излучение в 
видимой, ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра, генерация 
электронно-дырочных пар. Неупругое рассеяние первичных электронов может 
также привести к генерации фононов (колебаний решетки) и плазмонов 
(электронных колебаний) [1]. 

Все эти процессы несут информацию о составе, кристаллической и 

электронной структуре, морфологии поверхности, внутренних электрических и 
магнитных полях исследуемого образца. Соответствующим детектором можно 
регистрировать 
сигнал 
электронов 
соответствующего 
энергетического 

диапазона, рентгеновское излучение, катодолюминесценцию или ток через 
образец. 

 

Рис. 1.1. Взаимодействие электронов с веществом: 1- электронный луч, 2- 

образец, 3- отраженные электроны, 4- вторичные электроны, 5- ток от 
поглощенных электронов, 6- катодолюминесценция, 7- рентгеновское 

излучение, 8- электроны, 9- наведенный ток, 10- электроны, прошедшие через 

образец [1] 

1.1. Упругое рассеяние 

Под рассеянием электронов понимают их взаимодействие с атомами и 

электронами образца. Параметром, количественно характеризующим процессы 
рассеяния, является сечение рассеяния σ, которое может быть определено [2]: 

=

∙, 

где N – число взаимодействий в единице объема (см-3), nS  - число атомов 

в единице объема образца (см-3), nn – число частиц (в данном случае первичных 
электронов), падающих на единицу площади образца (см-2). 

Если образец имеет толщину t, плотность атомов nS, плотность вещества 

образца ρ (г/см3), и атомный вес A (г/моль), то интенсивность процесса 
рассеяния QТ будет: 

= ∙ =

∙∙, 

где N0 – число Авогадро (6,02 1023 атом/моль). Индекс T означает 

интенсивность 
полного 
или 
интегрального 
сечения, 
в 
отличие 
от 

дифференциального, описывающего угловое распределение:  

Ω =

. 

Зная сечение рассеяния для данного процесса, можно рассчитать 

среднюю длину свободного пробега λ электрона между определёнными 
соударениями: 

=

∙∙.  
 
 
 
 
 
 
 (1) 

Упругое рассеяние электронов, как правило, возникает в результате 

кулоновского взаимодействия электронов с полем ядра атома вещества, 
частично экранированного электронами, и обычно происходит практически без 
изменения энергии. Сечение упругого рассеяния описывается формулой 
Резерфорда [2]: 

(> ) = 1,62 ∙ 10(число 
соударений/(электрон) 

(атом/см2)),             
 
 
 
 
 
 
 
 
 
(2) 

где 
)
(
0

 
 - сечение рассеяния на угол, превосходящий угол 

диафрагмы объективной линзы φ0, Z –атомный номер рассеивающего атома и Е 
– энергия электрона (кэВ). 

Насколько угол рассеяния θ превышает угол φ0, зависит только от того, 

как близко электрон подходит к атому: 

Θ = ∙ ∙ ∙ , 

где b – прицельный параметр столкновения; К=1/(4πε0)=9·109 Нм2,  С-2 

постоянная Кулона.  

Прицельный параметр b определяется как расстояние предельного 

сближения с ядром атома, если бы электрон 
продолжал двигаться 

прямолинейно.  

Как можно видеть из формулы (1), сечение упругого рассеяния возрастает 

пропорционально 
квадрату 
атомного 
номера 
и 
уменьшается 
обратно 

пропорционально квадрату энергии электронного пучка. При упругом 
рассеянии угол может принимать значения от 0 до 1800, но типичное значение 
составляет 50 [2]. В случае упругого рассеяния на углы, превышающие 20, 
можно рассчитать длину свободного пробега λ электрона между актами 
рассеяния, используя уравнения (1) и (2).  

 

1.2. Неупругое рассеяние 

 На практике электрон, проходящий через твердое тело, испытывает 

действие как сил притяжения (со стороны ядер), так и сил отталкивания (со 
стороны электронов вещества). Но в теории предполагают, что преобладает 
какая-либо одна сила и различают упругую и неупругую компоненты 
рассеяния. 
Упругая, 
как 
было 
рассмотрено 
выше, 
обусловлена 

взаимодействием электронов с атомным ядром, а неупругая – взаимодействием 
быстрых электронов с электронами атома.  

При неупругом рассеянии энергия первичного электронного пучка 

уменьшается от столкновения к столкновению. Процесс потерь энергии 
электронами 
связан 
с 
многократными 
актами 
их 
взаимодействия 
с 

кулоновскими полями ядер и электронами атомных оболочек и носит 
многоступенчатый характер. Основными процессами, в которых первичные 
электроны могут потерять свою энергию, являются: 

1. эмиссия вторичных электронов; 
2. тормозное рентгеновское излучение; 
3. характеристическое рентгеновское излучение; 
4. катодолюминесценция; 
5. электроны, прошедшие через образец; 
6. ток поглощенных электронов; 
7. ток, индуцированный электронным пучком. 

 

Вторичные электроны (ВЭ). Вторичными электронами обычно называют 

электроны, эмитированные образцом при бомбардировке его первичным 
электронным пучком. Возбужденный первичным пучком электрон атома 
образца двигается к поверхности образца, испытывая упругие и неупругие 
взаимодействия, достигает поверхности и, если у него останется достаточно 
энергии, покидает поверхность образца. Энергетический спектр электронов, 
покидающих поверхность образца в результате воздействия на него первичного 
пучка электронов, простирается от 0 до энергии электронов первичного пучка – 
ЕР и состоит из упруго и неупругоотраженных электронов. 

Образование вторичных электронов происходит во всей области 

взаимодействия электронов зонда с образцом, но покидают поверхность