Основы сканирующей зондовой микроскопии. (4,8 Мбайт)

1. Введение.

1. Принципы сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ).
2. Конструктивные особенности и режимы работы зондовых микроскопов.
3. Комбинации различных типов микроскопов в одном приборе.

2. Сканирующая туннельная микроскопия.

1. Конструкции сканирующих туннельных микроскопов (СТМ).
2. Системы сближения иглы и образца.
3. Сканирующие элементы.
4. Способы изготовления СТМ зондов.

3. Режимы работы СТМ.

1. Получение изображений поверхности в режимах постоянного туннельного тока и постоянной средней высоты.
2. Получение информации о распределении локальной работы выхода электронов вдоль поверхности.

4. Система автоматизации СТМ.

1. Система сбора и обработки информации.
2. Характерные искажения СТМ изображений и методы их устранений.
3. Спектральный и корреляционный анализ изображения поверхности.

5. Туннельная спектроскопия.

1. Вольт-амперные характеристики туннельных контактов.
2. Зависимость туннельного тока от расстояния зонд-образец .
3. Резонансные эффекты в СТМ.
4. Низкотемпературный СТМ. Спектроскопия сверхпроводников.

6. Атомно-силовая микроскопия.

1. Принципы работы и конструкции атомно-силовых микроскопов (АСМ).
2. Силы, действующие на зонд АСМ (Ван-дер-Ваальса, капиллярные, электростатические).
3. Режимы работы АСМ. Методы регистрации сигнала пропорционального рельефу поверхности.
4. Электросиловая микроскопия.

7. Магнитно-силовая микроскопия.

1. Принципы работы и конструкции магнитно-силовых микроскопов (МСМ).
2. Взаимодействие зонда с магнитными полями образца.
3. Особенности формирования МСМ контраста от различных структур.
4. Регистрация магнитострикционного отклика поверхности.

8. Ближнепольная оптическая микроскопия.

1. Прохождение света через отверстия с размерами меньшими длины волны.
2. Принципы работы ближнепольных оптических микроскопов (СБОМ).
3. Режимы работы СБОМ: коллекторная мода, излучательная мода на отражение и на прохождение.
4. Эванесцентные волны.
5. Типы ближнепольных оптических зондов и методы их изготовления.
6. Ближнепольная спектроскопия полупроводниковых структур. Исследование фотолюминесценции квантовых точек, нитей и ям с высоким пространственным разрешением.

9. Пространственное разрешение зондовых микроскопов.

1. Связь разрешения СЗМ с размером зонда и расстоянием между зондом и образцом.
2. Искажения, вносимые зондом в изображение рельефа и свойств поверхности. Методы восстановления истинного рельефа поверхности.

10. Модификация свойств поверхности с помощью СТМ/АСМ/МСМ.

1. Механические воздействия зонда на поверхность.
2. Тепловое воздействие электрического тока через контакт зонд-поверхность .
3. Термохимические процессы на поверхности, стимулированные протеканием тока через контакт.
4. Магнитное воздействие зонда на поверхность магнитных образцов.
5. Создание поверхностных структур нанометрового масштаба.
6. Сверхплотная запись информации методом МСМ.

11. Модификация свойств поверхности с помощью СБОМ.

1. Инициирование фотохимических, термохимических реакций и процессов диффузии под действием оптического излучения.
2. Ближнепольная фотолитография. Физические и технологические ограничения метода.
3. Сверхплотная запись информации методом СБОМ. Реверсивная и нереверсивная запись.

1. В.Л.Миронов — Основы сканирующей зондовой микроскопии . М.: Техносфера, 2004, 143 стр.
2. Сканирующая зондовая микроскопия биополимеров. Под ред. И. Г. Яминского, М.: Научный мир, 1997, 88 стр.
3. В.К.Неволин — Основы туннельно-зондовой нанотехнологии . М.: МГИЭТ (ТУ), 1996, 91 стр.
4. В.С.Эдельман — Сканирующая туннельная микроскопия (обзор). // Приборы и техника эксперимента, 1989, № 5, стр. 25 — 49.

Дополнительная литература

1. В.И.Панов — Сканирующая туннельная микроскопия и спектроскопия поверхности . // УФН, 1988, т.155, № 1, стр. 155 — 158.
2. В.А.Быков, М. И. Лазарев, С. А. Саунин — Сканирующая зондовая микроскопия для науки и промышленности . // «Электроника: наука, технология, бизнес”., 1997, № 5, стр. 7 — 14.
3. А.П.Володин — Новое в сканирующей микроскопии . // Приборы и техника эксперимента, 1998, № 6, стр. 3 — 42.

Вопросы для контроля

1. Сканирующие элементы зондовых микроскопов. Конструкции, принципы работы и основные характеристики.
2. Системы прецизионного сближения зонда и образца в зондовых микроскопах.
3. Виброзащита и термостабилизация зондовых микроскопов.
4. Методы изготовления зондов для туннельного и атомно-силового микроскопов.
5. Принципы работы сканирующего туннельного микроскопа. Основные режимы получения СТМ изображений рельефа поверхности.
6. Принципы регистрации распределения локальной работы выхода электронов с помощью туннельного микроскопа.
7. Организация системы обратной связи сканирующего туннельного микроскопа.
8. Туннельная спектроскопия. Методы снятия вольт-амперных характеристик туннельного контакта СТМ. Основные типы ВАХ контактов металл-металл , металл-полупроводник , металл-сверхпроводник .
9. Принципы работы атомно-силового микроскопа. Основные режимы получения АСМ изображений рельефа поверхности.
10. Колебательные методики атомно-силовой микроскопии.
11. Организация системы обратной связи атомно-силового микроскопа.
12. Силовая спектроскопия свойств поверхности с помощью атомно-силового микроскопа.
13. Принципы работы электросилового микроскопа. Режимы измерения распределения потенциала вдоль поверхности, локальной емкости контакта зонд-поверхность .
14. Принципы работы магнитно-силового микроскопа. Магнитное взаимодействие зонда МСМ и образца. Методы получения МСМ контраста. Интерпретация МСМ контраста простейших распределений намагниченности образцов.
15. Принципы работы ближнепольного оптического микроскопа. Shear-force контроль расстояния зонд-поверхность . Основные конфигурации БОМ.
16. Модификация свойств поверхности с помощью СТМ/АСМ/МСМ/БОМ.

К сожалению, электронная микроскопия ограничена в своих возможностях по исследованию и диагностике поверхности. Наряду с огромными плюсами, которые она имеет (например, возможность иметь в каждый момент информацию о всей поверхности, возможность реализации in-situ экспериментов), существует несколько неоспоримых недостатков. К таковым относятся, в первую очередь, необходимость достаточного вакуума для получения относительно хорошего разрешения (нет возможности исследовать жидкостные объекты), отсутствие возможности просмотра больших образцов, достижение атомного разрешения в критических для поверхности условиях, когда энергия пучка электронов достигает величины до 300 КэВ.
В связи с этим, неоспоримым достижением стало открытие 1981 году (момент опубликования в Phys. Rev. Lett.) Генрихом Рорером и Гердом Биннигом метода сканирующей туннельной микроскопии, которая положила начало развитию сканирующей зондовой микроскопии. Работая над микроскопическими исследованиями роста и электрических свойств тонких диэлектрических слоев в лаборатории IBM в Рюмликоне в Швейцарии, авторы думали использовать туннельную спектроскопию. В то время были известны работы Янга о полевом излучающем микроскопе, Томпсона по туннелированию в вакууме с управляемым остриём, так что мысль о способности измерения с помощью эффекта туннелирования не только спектроскопических свойств поверхности, но и её рельефа, была основана на трудах немалого количества исследователей.
Необходимо было решить множество технических проблем: как избежать механических вибраций, приводящих к столкновению острия с поверхностью (мягкая подвеска), какие силы действуют между образцом и остриём (к созданию АСМ), как перемещать остриё с такой высокой точностью (пьезоэлектрик), как приводить образец и остриё в контакт (специальный держатель), как избежать тепловых флуктуаций (использование не нитевидных кристаллов с большими упругими константами, низкие темепературы), форма острия и её получение (на поверхности основного острия существуют миниострия - сначала использовались они, потом с помощью самого процесса туннелирования - сильное вакуумное электрическое поле при напряжении всего лишь несколько вольт вызвало миграцию ионов (испарение)).
И вот когда авторы получили атомное изображение давно волновавшей всех поверхности кремния с периодом 7 на 7, - в 1986 году мир отметил их Нобелевской премией. Множество трудностей, которые усложняли исследование образцов в СТМ, побудили к 1986 году разработать их первый атомно-силовой микроскоп, который мог использовать те самые силы взаимодействия между образцом и остриём, которые так мешали в случае СТМ. Атомно-силовой микроскоп позволял проводить измерения не только в вакууме, но и в атмосфере, заранее заданном газе и даже сквозь плёнку жидкости, что стало несомненным успехом для развития биологической микроскопии. Так была положено начало эры сканирующей зондовой микроскопии. Вскоре была представлена микроскопия ближнего поля, которая задействовала оптические волны для разрешения объектов до 10 ангстремм.
Современная атомно-силовая микроскопия активно используется во всем мире для исследования как полимеров, так и любых других материалов. Очень широкое развитие она получила по исследованию вирусов, клеток, генов в биологии, - там с ней связывают большие надежды.

Преимущества и недостатки сканирующей зондовой микроскопии
по отношению к другим методам диагностики поверхности

Принципиальным свойством электронной, оптической, ядерной микроскопий является, то что каждая частица, провзаимодействовавшая с образцом, будь то атом или субатомные объекты, является зондом. Однако, у данного метода есть свои минусы и плюсы. Так квантовый принцип неопределённости, гласящий, что определение одновременно импульса и координаты объекта исследования, возможно только с определённой точностью, заставляет увеличивать импульс регистрирующих частиц (энергию), что связано с созданием специальных технологий. Увеличение импульса регистрирующих частиц (например, электроны в ПЭМ достигают энергий до 1000 КэВ) создаёт проблемы с устойчивостью объекта к разрушению. Однако плюсом является тот факт, что одновременно получается информация сразу с относительно большого участка поверхности, что позволяет использовать данный метод для in-situ исследований. Так же главным недостатком данного вида микроскопии можно назвать условие относительного вакуума, для получения более менее качественного изображения.
Атомно-силовая микроскопия позволяет обрабатывать образцы в атмосфере, однако, главным её недостатком является отсутствие одновременной информации о всей поверхности, - в каждый момент времени мы имеем информацию только от участка непосредственно регистрируюемого зондом. Но несмотря на это АСМ позволяет использовать in-situ измерения. Атомно-силовая микроскопия позволяет получать информацию о поверхностном заряде, о поверхностной емкости, о поверхностной проводимости, о магнитных свойствах. Позволяет измерять эти параметры даже сквозь плёнку жидкости.

Принципиальное устройство микроскопа АСМ

Сканирующая зондовая микроскопия - это метод исследования поверхности, основанный на взаимодействии микрозонда (кантилевера в случае АСМ) с поверхностью образца. Микрозонд или кантилевер (англ. - балка) представляет собой кремниевую пластинку (3х1.5х0.3 мм) с торчащей из торца балкой (как прямоугольной, так и треугольной формы), - на конце балки находится шип, конец которого и зондирует поверхность.
Кантилеверы разделяются на жёсткие и мягкие, - по длине балки, а характеризуется это резонансной частотой колебаний кантилевера. Процесс сканирования микрозондом поверхности может происходить как в атмосфере или заранее заданном газе, так и в вакууме, и даже сквозь плёнку жидкости. СЗМ измеряет как нормальное к поверхности отклонение зонда (субангстремное разрешение) так и латеральное - одновременно.Для
детектирования отклонения используется полупроводниковый лазер с длинной волны 670 нм и оптической мощностью 0,9 мВт. Лазерный луч направляется на обратную к по отношению к поверхности сторону кантилевера (на самый кончик), которая покрыта специальным алюминиевым зеркальным слоем для наилучшего отражения, и отраженный луч попадает в специальный четырёхсекционный фотодиод. Таким образом, отклонения кантилевера приводят к смещению луча лазера относительно секций фотодиода, - изменение разностного сигнала с фотодиода и будет показывать амплитуду смещения кантилевера в ту или иную сторону. Такая система позволяет измерять отклонения лазера в угле 0,1", что соответствует отклонению кантилевера на угол 2o10-7 рад.
Сканирование поверхности может происходить двумя способами, - сканирование кантилевером и сканировение подложкой. Если в первом случае движения вдоль исследуемой поверхности совершает кантилевер, то во втором относительно неподвижного кантилевера движется сама подложка. Для сохранения режима сканирования, - кантилевер должен находиться вблизи поверхности, - в зависимости от режима, - будь то режим постоянной силы, или постоянной высоты, существует система, которая могла бы сохранять такой режим во время процесса сканирования. Для этого в электронную схему микроскопа входит специальная система обратной связи, которая связана с системой отклонения кантилевера от первоначального положения. Уровень связи (рабочая точка) кантилевер-подложка задается заранее, и система обратной связи отрабатывает так, чтобы этот уровень поддерживался постоянным независимо от рельефа поверхности, а сигнал, характеризующий величину отработки и является полезным сигналом детектирования.
Образец (поверхность) и кантилевер сближаются с помощью шагового двигателя до тех пор пока поверхность и кантилевер не начнут взаимодействовать, что приведёт к такому смещению лазерного луча на секциях фотодиода,а значит к такому разностному току, что обратная связь прекратит сближение.

Кантилевер непосредственно связан с четырёхобкладочной пьезотрубкой, подавая напряжение на противоположные обкладки, можно соответственно менять изгиб трубки, а значит и область сканирования кантилевера (горизонтальтное отклонение пьезотрубки) вдоль соответственно оси абсцисс и оси ординат. Внутри трубки находиться также пьезоэлемент, который отвечает за смещение кантилевера вдоль нормали к поверхности, то есть оси аппликат. При сканировании поверхности задается рабочая точка, физический смысл которой есть величина выдвижения пьезотрубки по отношению в максимальной амплитуде (обычно около 50 %). Обратная связь отрабатывает величину выдвижения пьезотрубки для поддержания режима (постоянной силы или постоянной высоты, в случае СТМ - постоянного туннельного тока) сканирования. В случае сканирования подложкой такая система присоединена к подложке.
Существуют контактный, безконтактный и полуконтактный или резонансный режимы сканирования поверхности. Контактный метод заключается в том, что кантилевер непосредственно касается поверхности и повторяет её форму по мере прохождения поверхности. Бесконтактный и полуконтактный режим характеризуются дополнительным условием сканирования, которое позволяет осуществить более щадящее и более тонкое сканирование поверхности. Кантилевер жестко связывается с отдельным пъезоэлементом и колеблется со своей резонансной частотой. При взаимодействии с поверхностью сбивается фаза, и специальный синхронный детектор старается выровнять частоту с помощью сигнала обратной связи. Таким образом, теперь детектируется кроме отклонения амплитудного также отклонение фазовое. В этом режиме кантилевер как бы постукивает по поверхности.

СКАНИРУЮЩИЕ ЗОНДОВЫЕ МИКРОСКОПЫ: ВИДЫ И ПРИНЦИП РАБОТЫ

Кувайцев Александр Вячеславович
Димитровградский инженерно-технологический институт филиал национального исследовательского ядерного университета «МИФИ»
студент

SCANNING PROBE MICROSCOPY: TYPES AND OPERATING PRINCIPLES

Kuvaytsev Aleksandr Vyacheslavovich
Dimitrovgrad Engineering and Technological Institute of the National Research Nuclear University MEPHI
student

В 21-м веке стремительно набирают популярность нанотехнологии, которые проникают во все сферы нашей жизни, но прогресса в них не было бы без новых, экспериментальных методов исследований, одним из наиболее информативных является метод сканирующей зондовой микроскопии, которую изобрели и распространили нобелевские лауреаты 1986 года – профессор Генрих Рорер и доктор Герд Бинниг.

В мире произошла настоящая революция с появлением методов визуализации атомов. Стали появляться группы энтузиастов, конструировавшие свои приборы. В итоге получилось несколько удачных решений для визуализации результатов взаимодействия зонда с поверхностью. Были созданы технологии производства зондов с необходимыми параметрами.

Так что же представляет из себя зондовый микроскоп? В первую очередь это непосредственно зонд, который исследует поверхность образца, так же необходима система перемещения зонда относительно образца в двумерном или трехмерном представлении (перемещается по X-Y или X-Y-Z координатам). Все это дополняет регистрирующая система, которая фиксирует значение функции, зависящей от расстояния от зонда до образца. Регистрирующая система фиксирует и запоминает значение по одной из координат.

Основные типы сканирующих зондовых микроскопов можно разделить на 3 группы:

1. Сканирующий туннельный микроскоп – предназначен для измерения рельефа проводящих поверхностей с высоким пространственным разрешением.
   В СТМ острая металлическая игла проводится над образцом на очень малом расстоянии. При подаче на иглу небольшого тока между ней и образцом возникает туннельный ток, величину которого фиксирует регистрирующая система. Игла проводится над всей поверхностью образца и фиксирует малейшие изменение тоннельного тока, благодаря чему вырисовывается карта рельефа поверхности образца. СТМ первый из класса сканирующих зондовых микроскопов, остальные были разработаны позднее.
2. Сканирующий атомно-силовой микроскоп – используется для построения структуры поверхности образца с разрешением до атомарного. В отличии от СТМ с помощью этого микроскопа можно исследовать как проводящие так и непроводящие поверхности. Из-за способности не только сканировать но и манипулировать атомами, назван силовым.
3. Ближнепольный оптический микроскоп – «усовершенствованный» оптический микроскоп, обеспечивающий разрешение лучше чем у обычного оптического. Повышение разрешения БОМа было достигнуто путем улавливания света от изучаемого объекта на расстояниях меньших, чем длинна волны. В случае если зонд микроскопа снабжен устройством для сканирования пространственного поля, то такой микроскоп называют сканирующим оптическим микроскопом ближнего поля. Такой микроскоп позволяет получить изображения поверхностей и с очень высоким разрешением.

На изображении (рис. 1) показана простейшая схема работы зондового микроскопа.

Рисунок 1. - Схема работы зондового микроскопа

Его работа основана на взаимодействии поверхности образца с зондом, это может быть кантилевер, игла или оптический зонд. При малом расстоянии между зондом и объектом исследования действия сил взаимодействия, такие как отталкивания притяжение и т.д., и проявление эффектов, таких как, туннелирование электронов, можно зафиксировать с помощью средств регистрации. Для детектирования этих сил используются очень чувствительные сенсоры способные уловить малейшие изменения. Пьезотрубки или плоскопараллельные сканеры используются как система развертки по координатам для получения растрового изображения..

К основным техническим сложностям при создании сканирующих зондовых микроскопов можно отнести:

1. Обеспечение механической целостности
2. Детекторы должны иметь максимальную чувствительность
3. Конец зонда должен иметь минимальные размеры
4. Создание системы развертки
5. Обеспечения плавности зонда

Почти всегда полученное сканирующим зондовым микроскопом изображение плохо поддается расшифровке из-за искажений при получении результатов. Как правило необходима дополнительная математическая обработка. Для этого используется специализированное ПО.

В настоящее время, сканирующая зондовая и электронная микроскопия используются как дополняющие друг друга методы исследования из-за ряда физических и технических особенностей. За прошедшие годы применение зондовой микроскопии позволило получить уникальные научные исследования в областях физики, химии и биологии. Первые микроскопы были всего лишь приборами – индикаторами, помогающими в исследованиях, а современные образцы это полноценные рабочие станции, включающие в себя до 50 различных методик исследования.

Главной задачей этой передовой техники является получение научных результатов, но применение возможностей этих приборов на практике требует высокой квалификации от специалиста.

Для детального исследования поверхности твердых тел существует много разнообразных методов. Микроскопия, как средство получения увеличенного изображения, зародилась еще XV в. когда впервые были изготовлены простые увеличительные стекла для изучения насекомых. В конце XVII в. Антонио ван Левенгук изготовил оптический микроскоп, который позволял установить существование отдельных клеток, болезнетворных микробов и бактерий. Уже в 20 веке были разработаны методы микроскопии с помощью электронных и ионных пучков.

Во всех описанных методах применяется следующий принцип: освещение исследуемого объекта потоком частиц и его последующее преобразование. В сканирующей зондовой микроскопии использован другой принцип - вместо зондирующих частиц в ней используется механический зонд, игла. Образно выражаясь, можно сказать, что, если в оптическом или электронном микроскопах образец осматривается, то в СЗМ - ощупывается.

Другим важным принципом, отраженным в названии метода СЗМ, является принцип сканирования, т.е. получение не усредненной информации об объекте исследования, а дискретное (от точки к точке, от линии к линии) перемещение зонда и считывание информации в каждой точке.

Общая конструкция сканирующего зондового микроскопа представлена на рис 1.

Виды сенсоров.

В основе сканирующей зондовой микроскопии лежит детектирование локального взаимодействия, возникающего между зондом и поверхностью исследуемого образца при их взаимном сближении до расстояния ~л, где л- характерная длина затухания взаимодействия «зонд-образец». В зависимости от природы взаимодействия «зонд-образец» различают: сканирующий туннельный микроскоп (СТМ, детектируется туннельный ток), сканирующий силовой микроскоп (ССМ, детектируется силовое взаимодействие), ближнепольный сканирующий оптический микроскоп (БСОМ, детектируется электромагнитное излучение) и т.п. Сканирующая силовая микроскопия в свою очередь подразделяется на атомно-силовую микроскопию (АСМ), магнитно-силовую микроскопию (МСМ), электро-силовую микроскопию (ЭСМ) и другие, в зависимости от вида силового взаимодействия.

Рис. 2.

При измерении туннельного тока в туннельном сенсоре (рис. 2) используется преобразователь ток-напряжение (ПТН), включенный в цепь протекания тока между зондами образцом. Возможны два варианта включения: с заземленным зондом, когда напряжение смещения подается на образец относительно заземленного зонда или с заземленным образцом, когда напряжение смещения прикладывается к зонду относительно образца.

Рис. 2.

Традиционным датчиком силового взаимодействия является кремниевая микробалка, консоль или кантилевер (от англ. cantilever - консоль) с оптической схемой регистрации величины изгиба кантилевера, возникающего вследствие силового взаимодействия между образцом и зондом, расположенным на конце кантилевера (рис. 3).

Различают контактный, неконтактный и прерывисто-контактный («полуконтактный») способы проведения силовой микроскопии. Использование контактного способа предполагает, что зонд упирается в образец. При изгибе кантилевера под действием контактных сил отраженный от него луч лазера смещается относительно центра квадрантного фотодетектора. Таким образом, отклонение кантилевера может быть определено по относительному изменению освещенности верхней и нижней половинок фотодетектора.

При использование неконтактного способа зонд удален от поверхности и находится в области действия дальнодействующих притягивающих сил. Силы притяжения и их градиенты слабее отталкивающих контактных сил. Поэтому для их детектирования обычно используется модуляционная методика. Для этого с помощью пьезовибратора кантилевер раскачивается по вертикали на резонансной частоте. Вдали от поверхности амплитуда колебаний кантилевера имеет максимальную величину. По мере приближения к поверхности вследствие действия градиента сил притяжения резонансная частота колебаний кантилевера изменяется, при этом уменьшается амплитуда его колебаний. Эта амплитуда регистрируется с помощью оптической системы по относительному изменению переменной освещенности верхней и нижней половинок фотодетектора.

При «полуконтактном» способе измерений также применяется модуляционная методика измерения силового взаимодействия. В «полуконтактном» режиме зонд частично касается поверхности, находясь попеременно как в области притяжения, так и в области отталкивания.

Существуют и другие, более простые, способы детектирования силового взаимодействия, при которых происходит прямое преобразование силового взаимодействия в электрический сигнал. Один из таких способов основан на использовании прямого пьезоэффекта, когда изгиб пьезоматериала под действием силового взаимодействия приводит к появлению электрического сигнала.

(англ. Scanning Electron Microscope, SEM) — это прибор, позволяющий получать изображения поверхности образца с большим разрешением (менее микрометра). Изображения, полученные с помощью растрового электронного микроскопа, являются трехмерными и удобными для изучения структуры сканированной поверхности. Ряд дополнительных методов (EDX, WDX- методы), позволяет получать информацию о химическом составе приповерхностных слоев.

Принцип работы

Исследуемый образец в условиях промышленного вакуума сканируется сфокусированным электронным пучком средних энергий. В зависимости от механизма регистрации сигнала различают несколько режимов работы сканирующего электронного микроскопа: режим отраженных электронов, режим вторичных электронов, режим катодолюминесценции и т. Д. Разработанные методики позволяют исследовать не только свойства поверхности образца, но также визуализировать и получать информацию о свойствах подповерхностных структур, расположены на глубине несколько микрон от сканированной поверхности.

Режимы работы

Детектирования вторичных электронов

Излучением формирующее картинку поверхности образца в большинстве моделей приборов является именно вторичные электроны, которые попадают в детектора типа Эверхарт-Торнли, где и формируется первичное изображение, которое после программно-процессорной обработки попадает на экран монитора. Как и в трансмиссионных электронных микроскопах для фотографирования, ранее, использовали пленку. Фотокамерой снимали изображения в черно-белом экране электронно-лучевой трубки высокой четкости. Сейчас, сформированная картинка просто отображается в интерфейсном окне управляющей микроскопом компьютерной программы и после фокусировки оператором может быть сохранена на жесткий диск компьютера. Изображение, формируемое с помощью сканирующих микроскопов отличается высокой контрастностью и глубиной фокуса. В некоторых моделях современных приборов, благодаря применению технологии multibeam и использования специального программного обеспечения, можно получить 3D изображение поверхности исследуемого объекта. Например, такие микроскопы производит японская фирма JEOL.

разрешение

Пространственное разрешение сканирующего электронного микроскопа зависит от поперечного размера электронного пучка, который в свою очередь зависит от характеристик электронно-оптической системы, фокусирует пучок. Разрешение также ограничена размером области взаимодействия электронного зонда с образцом, то есть от материала мишени. Размер электронного зонда и размер области взаимодействия зонда с образцом гораздо большие расстояния между атомами мишени, таким образом, разрешение сканирующего электронного микроскопа не достаточно большой, чтобы отображать атомарные масштабы, как это возможно, например, в электронном микроскопе, работающий по принципу просвечивание. Однако, сканирующий электронный микроскоп имеет свои преимущества, включая способность визуализировать сравнительно большую область образца, способность исследовать массивные мишени (а не только тонкие пленки), а также разнообразие аналитических методов, позволяющих исследовать фундаментальные характеристики материала мишени. В зависимости от конкретного прибора и параметров эксперимента, можно достичь значения разрешения от десятков до единиц нанометров.

Применение

Сканирующие микроскопы применяются в первую очередь как исследовательский инструмент в физике, материаловедении, электронике, биологии. В основном для получения изображения исследуемого образца, которое может сильно изменяться в зависимости от типа детектора, который используется. Эти различия полученных изображений позволяют делать выводы о физических свойствах поверхности, проводить исследования рельефа поверхности. Электронный микроскоп практически единственный прибор, который может дать изображение поверхности современной микросхемы или промежуточной стадии процесса фотолитографии.