close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Mishura 0D8E5DA1A5

код для вставкиСкачать
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное
образовательное учреждение высшего образования
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
Т. П. Мишура, А. Г. Грабарь
СКАНИРУЮЩАЯ МИКРОСКОПИЯ
Учебное пособие
Санкт-Петербург
2016
УДК 620.186(075)
ББК 34.4я73
М71
Рецензенты:
доктор технических наук, профессор В. Ш. Сулаберидзе
кандидат технических наук, доцент С. Г. Бурлудский
Утверждено
редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
Мишура, Т. П.
М71 Сканирующая микроскопия: учеб. пособие / Т. П. Мишура, А. Г. Грабарь. – СПб.: ГУАП, 2016. – 176 с.
ISBN 978-5-8088-1150-8
Рассмотрены основные виды сканирующей микроскопии.
Предназначено для студентов очной и заочной формы обучения по
направлению «Стандартизация и метрология».
УДК 620.186(075)
ББК 34.4я73
Учебное издание
Мишура Тамара Прохоровна,
Грабарь Анатолий Григорьевич
СКАНИРУЮЩАЯ МИКРОСКОПИЯ
Учебное пособие
Редактор А. В. Подчепаева
Компьютерная верстка Ю. В. Умницыной
Сдано в набор 25.05.16. Подписано к печати 07.12.16. Формат 60 × 84 1/16.
Бумага офсетная. Усл. печ. л. 10,2. Уч.-изд. л. 11,0.
Тираж 50 экз. Заказ № 476.
Редакционно-издательский центр ГУАП
190000, Санкт-Петербург, Б. Морская ул., 67
ISBN 978-5-8088-1150-8
©
©
Мишура Т. П., Грабарь А. Г., 2016
Санкт-Петербургский государственный
университет аэрокосмического
приборостроения, 2016
УСЛОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ
АСМ – атомно-силовая микроскопия
БСОМ – ближнепольный сканирующий микроскоп
БСО – ближнепольная оптика
ИОС – ионная оже-спектроскопия
МСМ – магнитная силовая микроскопия
ПУРР – поверхностно-усиленное рамановское рассеяние
ПЭМ – просвечивающая электронная микроскопия
РОС – рентгеновская оже-спектроскопия
РПЭМ – растровый просвечивающий электронный микроскоп
РУРР – резонансно-усиленное рамановское рассеяние
РЭМ – сканирующий (растровый) электронный микроскоп
СЕМ – сканирующая емкостная микроскопия
СЗМ – сканирующая зондовая микроскопия
СОМБП – сканирующая оптическая микроскопия ближнего
поля
СТМ – сканирующая туннельная микроскопия
ТЭМ – трансмиссионная электронная микроскопия
УФЭС – ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопия
ФЭС – фотоэлектронная микроскопия
ЭЛТ – электронно-лучевая трубка
ЭМ – электронный микроскоп
ЭОС – электронная оже-спектроскопия
ЭСМ – электростатическая силовая микроскопия
ЭСХА – электронная спектроскопия для химического анализа
3
ПРЕДИСЛОВИЕ
Учебное пособие разработано в соответствии с содержанием и
структурой дисциплин «Теоретические основы нанодиагностики» и «Физико-технические измерения» для студентов СанктПетербургского государственного университета аэрокосмического
приборостроения. Выбор содержания обусловлен тем, что проблемы, относящиеся к развитию нанотехнологий, занимают в настоящее время доминирующее положение практически во всех областях современной науки и техники. В свою очередь нанодиагностика является основным инструментом познания сравнительно новой
междисциплинарной и межотраслевой науки.
Пособие состоит из 5 глав, которые содержат большой объем
актуальной и доступной информации для современного студента.
Просвечивающая электронная микроскопия, растровая (сканирующая) электронная микроскопия, принципы сканирующей зондовой микроскопии и косвенные измерения свойств наночастиц и наноматериалов представляют собой костяк нанодиагностики. В заключительной главе пособия освещена одна из передовых отраслей
интеграции естественных и инженерных наук – биотехнология.
Данное издание поможет преподавателю раскрыть основные понятия нанодиагностики и познакомить студентов с фундаментальными принципами, лежащими в основе нанотехнологий.
4
ВВЕДЕНИЕ
Быстрое развитие методов исследования и анализа, основанных
на использовании электронной мкроскопии и различных сигналов,
излучаемых веществом при взаимодействии с электронами зонда,
привело к тому, что техника, которая еще совсем недавно была
привилегией отдельных лабораторий, стала общедоступной.
Такое расширение работы в этом направлении было частично обусловлено достижениями в растровой электронной микроскопии и
созданием различных приставок для химического рентгеновского
анализа с помощью твердотелых детекторов с энергетической дисперсией. В настоящее время многие исследователи располагают
мощными техническими средствами, но не имеют соответствующей подготовки для работы с ними. Поскольку эти методы исследования и анализа, применение которых значительно облегчилось
благодаря техническому прогрессу и взаимопониманию, достигнутому между конструкторами, основаны на использовании физических процессов, то законы их должны быть познаны, чтобы получать полезные и важные результаты.
Если технический прогресс позволил быстро создать необходимое оборудование, то возникла естественная необходимость найти
правильный подход к подробной характеристике материалов, основываясь на новых возможностях метода. Становится все более
очевидным, что для характеристики материала недостаточно только химического и гранулометрического анализа. Характеристика требует качественного и количественного описания некоторого
числа свойств, особенно на микроуровне (или точнее на нескольких
микроуровнях), в соответствии, разумеется, с макроскопическими
характеристиками, такими как химический состав и предыстория
(термическая или механическая) образца независимо от природы
материала (металла, керамики, минерала или полупроводника) [1].
5
Глава 1. ПРОСВЕЧИВАЮЩАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ
МИКРОСКОПИЯ
Просвечивающий электронный микроскоп (ЭМ) – это устройство, в котором изображение от ультратонкого образца (толщиной
порядка 0,1 мкм) формируется в результате взаимодействия пучка электронов с веществом образца с последующим увеличением
магнитными линзами (объектив) и регистрацией на флуоресцентном экране, фотопленке или сенсорном приборе с зарядовой связью (ПЗС-матрице). Первый такой микроскоп создан немецкими
инженерами-электронщиками Максом Кноллем и Эрнстом Руской 9 марта 1931 года. Первый практический просвечивающий
(трансмиссионный) электронный микроскоп был построен Альбертом Пребусом и Дж. Хиллиером в университете Торонто (Канада)
в 1938 году на основе принципов, открытых ранее Кноллем и Руской. Эрнсту Руске за его открытие в 1986 году присуждена Нобелевская премия по физике.
Просвечивающий электронный микроскоп дает возможность
«заглянуть» во внутренний мир строения материала изделия, наблюдать очень мелкие частицы включений, несовершенства кристаллического строения – субзерна, дислокации, которые невозможно разглядеть с помощью светового оптического микроскопа.
Просвечивающий электронный микроскоп работает по схеме
проходящих электронных лучей в отличие от светового металлографического микроскопа, в котором изображение формируется
отраженными световыми лучами. Источник света в электронном
микроскопе заменен источником электронов, вместо стеклянной
оптики используются электромагнитные линзы (для преломления
электронных лучей).
1.1. Упрощенная схема просвечивающего
электронного микроскопа
Микроскоп состоит из электронной пушки-устройства для получения пучка быстрых электронов и системы электромагнитных
линз. Электронная пушка и система электромагнитных линз размещены в колонне микроскопа, в которой в процессе работы микроскопа поддерживается вакуум 10–2–10–3 Па.
Принципиальная оптическая схема микроскопа показана на
рис. 1.1. Электроны ускоряются, а затем фокусируются магнитными линзами. Увеличенное изображение, создаваемое электронами,
которые проходят через диафрагму объектива, преобразуется лю6
минесцентным экраном в види1
мое или регистрируется на фотопластинке. Здесь можно получить
2
увеличение до 1 млн. В электронной пушке 1 катод – раскаленная
3
вольфрамовая нить испускает
4
электроны, которые ускоряются
на пути к аноду мощным элек5
трическим полем, проходят через
отверстие анода 2. Полученный
узкий интенсивный пучок быстро
6
летящих электронов вводится
в систему электромагнитных линз
7
электронного микроскопа. После
фокусирования двухступенчатой
электромагнитной линзой (конденсором) 3, 4 электронные лучи,
8
проходя через образец 5, рассеиваются и далее фокусируются
объективной линзой 6, формирую10
щей первичное изображение про9
свечиваемой электронами части
образца. Объективная линза дает
Рис. 1.1. Просвечивающий
увеличение примерно в 100 раз.
электронный микроскоп: 1 – исСледующая за объективной проточник электронов (электронмежуточная линза 6, 7 перебрасыная пушка); 2 – ускоряющая
вает промежуточное изображение
система; 3 – диафрагма;
с небольшим увеличением (обычно
4 – конденсорная линза; 5 – образец; 6 – объективная линза;
до 10 раз) в предметную плоскость
проекционной линзы 8, а проек- 7 – диафрагма; 8 – проекционная
линза; 9 – экран или пленка;
ционная линза формирует окон10 – увеличенное изображение
чательное сильно увеличенное
изображение 10 (проекционная линза дает увеличение до 100 раз).
Таким образом, общее увеличение электронного микроскопа может
достигать 100 000 раз.
Контраст в микроскопе обусловлен рассеянием электронов при
прохождении электронного пучка через образец. Если образец достаточно тонок, то доля рассеянных электронов невелика. При
прохождении электронов через образец одни из них рассеиваются
из-за столкновений с ядрами атомов образца, другие – из-за столкновений с электронами атомов, а третьи проходят, не претерпевая
7
рассеяния. Степень рассеяния в какой-либо области образца зависит от толщины образца в этой области, его плотности и средней
атомной массы (числа протонов) в данной точке. Электроны, выходящие из диафрагмы с угловым отклонением, превышающим
некоторый предел, уже не могут вернуться в пучок, несущий изображение, а поэтому сильно рассеивающие участки повышенной
плотности, увеличенной толщины, места расположения тяжелых
атомов выглядят на изображении как темные зоны на светлом
фоне. Такое изображение называется светлопольным, поскольку
на нем окружающее поле светлее объекта. Но можно сделать так,
чтобы электрическая отклоняющая система пропускала в диафрагму объектива только те или иные из рассеянных электронов. Тогда
образец выглядит светлым на темном поле. Слабо рассеивающий
объект часто бывает удобнее рассматривать в режиме темного поля.
Окончательное увеличенное электронное изображение преобразуется в видимое посредством люминесцентного экрана 9, который
светится под действием электронной бомбардировки. Это изображение, обычно слабоконтрастное, как правило, рассматривают через бинокулярный световой микроскоп. При той же яркости такой
микроскоп с увеличением 10 может создавать на сетчатке глаза
изображение, в 10 раз более крупное, чем при наблюдении невооруженным глазом. Иногда для повышения яркости слабого изображения применяется люминофорный экран с электронно-оптическим преобразователем. В этом случае окончательное изображение
может быть выведено на обычный телевизионный экран, что позволяет записать его на видеоленту. Видеозапись применяется для
регистрации изображений, меняющихся во времени, например,
в связи с протеканием химической реакции. Чаще всего окончательное изображение регистрируется на фотопленке или фотопластинке. Фотопластинка обычно позволяет получить более четкое
изображение, чем наблюдаемое простым глазом или записанное на
видеоленте, так как фотоматериалы, вообще говоря, более эффективно регистрируют электроны. Кроме того, на единице площади
фотопленки может быть зарегистрировано в 100 раз больше сигналов, чем на единице площади видеоленты. Благодаря этому изображение, зарегистрированное на фотопленке, можно дополнительно
увеличить примерно в 10 раз без потери четкости.
Электронные пучки имеют свойства, аналогичные свойствам
световых пучков. В частности, каждый электрон характеризуется определенной длиной волны. Разрешающая способность ЭМ
определяется эффективной длиной волны электронов. Длина вол8
ны зависит от скорости электронов, а следовательно, от ускоряющего напряжения; чем больше ускоряющее напряжение, тем
больше скорость электронов и тем меньше длина волны, а значит,
выше разрешение. Столь значительное преимущество ЭМ в разрешающей способности объясняется тем, что длина волны электронов намного меньше длины волны света. Но поскольку электронные линзы не так хорошо фокусируют, как оптические (числовая
апертура хорошей электронной линзы составляет всего лишь 0,09,
тогда как для хорошего оптического объектива эта величина достигает 0,95), разрешение ЭМ равно 50–100 длинам волн электронов.
Даже со столь слабыми линзами в электронном микроскопе можно
получить предел разрешения около 0,17 нм, что позволяет различать отдельные атомы в кристаллах. Для достижения разрешения
такого порядка необходима очень тщательная настройка прибора;
в частности, требуются высокостабильные источники питания, а
сам прибор (который может быть высотой около 2,5 м и иметь массу в несколько тонн) и его дополнительное оборудование требуют
монтажа, исключающего вибрацию.
1.2. Некоторые основные понятия
Электронный луч – направленный пучок ускоренных электронов, применяемый для просвечивания образцов или возбуждения
в них вторичных излучений (например, рентгеновского). Ускоряющее напряжение – напряжение между электродами электронной
пушки, определяющее кинетическую энергию электронного луча.
Разрешающая способность (разрешение) – наименьшее расстояние
между двумя элементами микроструктуры, видимыми на изображении раздельно (зависит от характеристик микроскопа, режима
работы и свойств образцов). Светлопольное изображение – увеличенное изображение микроструктуры, сформированное электронами, прошедшими через объект с малыми энергетическими потерями (структура изображается на экране электроннолучевой
трубки (ЭЛТ) темными линиями и пятнами на светлом фоне). Темнопольное изображение формируется рассеянными электронами
(основной пучок электронов при этом отклоняют или экранируют)
и используется при изучении сильнорассеивающих объектов (например, кристаллов); по сравнению со светлопольным выглядит
как негативное.
Хроматическая аберрация – снижение скорости электронов после просвечивания объекта, приводящее к ухудшению разреше9
ния, усиливается с увеличением толщины объекта и уменьшением
ускоряющего напряжения. Контрастирование (химическое и физическое) – обработка исследуемых образцов для повышения общего
контраста изображения и (или) выявления отдельных элементов их
структуры. Оттенение – физическое контрастирование микрочастиц, макромолекул, вирусов, состоящее в том, что на образец в вакуумной установке напыляется тонкая пленка металла. При этом
«тени» (ненапыленные участки) прорисовывают контуры частиц и
позволяют измерять их высоту. Негативное контрастирование – обработка микрочастиц или макромолекул на пленке-подложке растворами соединений тяжелых металлов (уран и др.), в результате
чего частицы будут видны как светлые пятна на темном фоне (в отличие от позитивного контрастирования, делающего темными сами
частицы). Ультрамикротом (ультратом) – прибор для получения
ультратонких (0,01–0,1 мкм) срезов объектов с помощью стеклянных или алмазных ножей. Реплика – тонкая, прозрачная для электронов пленка из полимерного материала либо аморфного углерода,
повторяющая микрорельеф массивного обьекта или его скола. Сканирование – последовательное облучение изучаемой поверхности
узким электронным лучом-зондом с помощью развертки (в трансмиссионных приборах все поле зрения облучается одномоментно).
Развертка – периодическое отклонение электронного луча по осям
X и Y с целью формирования электронного растра. Растр – система
линий сканирования на поверхности образца и на экране ЭЛТ.
1.3. Конструкция современного просвечивающего
электронного микроскопа
Познакомимся с конструкцией современного просвечивающего
электронного микроскопа. Его внешний вид изображен на рис. 1.2.
Принцип его построения в общем аналогичен принципу микроскопа оптического: имеются осветительная (электронная пушка),
фокусирующая (линзы) и регистрирующая (экран) системы. Тем
не менее он сильно отличается в деталях. Например, свет беспрепятственно распространяется в воздухе, тогда как электроны легко
рассеиваются при взаимодействии с любым веществом и, следовательно, беспрепятственно могут перемещаться только в вакууме.
Иными словами, микроскоп помещают в вакуумную камеру.
Рассмотрим более детально узлы микроскопа (рис. 1.1). Система
из нити накала и ускоряющих электродов носит название электронной пушки. В сущности, пушка напоминает триодную лампу. Поток
10
Рис. 1.2. Просвечивающий электронный микроскоп
(JEOL JEM-2100 LaB6)
электронов испускается раскаленной вольфрамовой проволочкой
(катодом), собирается в пучок и ускоряется в поле двух электродов.
Первый – управляющий электрод, или так называемый «цилиндр
Венельта», окружает катод, и на него подается напряжение смещения, небольшой отрицательный относительно катода потенциал
в несколько сотен вольт. Благодаря наличию такого потенциала
на «цилиндре Венельта» фокусируется электронный пучок, выходящий из пушки. Второй электрод – анод, пластинка с отверстием в центре, через которое электронный пучок попадает в колонну
микроскопа. Между нитью накала (катодом) и анодом приложено
ускоряющее напряжение, обычно до 100 кВ. Как правило, имеется
возможность ступенчато менять напряжение от 1 до 100 кВ.
Задача пушки – создание стабильного потока электронов при
малой испускающей области катода. Чем меньше площадь, испускающая электроны, тем проще получить их тонкий параллельный пучок. Для этого применяют V-образные или специально остро
заточенные катоды.
Далее в колонне микроскопа размещены линзы. Большинство
современных электронных микроскопов имеют от четырех до шести линз. Выходящий из пушки электронный пучок направляется
через пару конденсорных линз на объект. Конденсорная линза позволяет в широких пределах изменять условия освещения объекта.
Обычно конденсорные линзы представляют собой электромагнитные катушки, в которых токонесущие обмотки окружены (за исключением узкого канала диаметром около 2–4 см) сердечником из
мягкого железа (рис. 1.3).
11
Железо
Обмотка
S
При изменении тока, протекающего через катушки, изR1
меняется фокусное расстояние
Bp
линзы, вследствие этого пучок
расширяется или сужается, увеR2
личивается или уменьшается
площадь объекта, освещаемая
электронами.
Обозначены геометрические
размеры полюсного наконечника (рис. 1.4). Штриховой линией
показан контур, фигурирующий
Рис. 1.3. Упрощенная схема магв законе Ампера. Штриховой линитной электронной линзы
нией показана также линия магнитного потока, которая качественно определяет фокусирующее
действие линзы. Вр – напряженность поля в зазоре вдали от оптической оси. На практике обмотки линзы имеют водяное охлаждение,
а полюсный наконечник съемный.
Чтобы получить большое увеличение, необходимо облучать объект потокам большой плотности. Конденсор (линза) обычно освещает площадь объекта, много большую интересующей нас при данном
увеличении. Это может привести к перегреву образца и загрязнению
его продуктами разложения масляных паров. Температуру объекта
12
7
1
2
3
8
4
5
9
11
10
6
Рис. 1.4. Конфигурация полюсного наконечника высокоразрешающего
объектива электронного микроскопа Siemens-102: 1 – объектодержатель, 2 – столик образца, 3 – образец, 4 – объективная диафрагма,
5 – термисторы, 6 – обмотка линзы, 7 – верхний полюсный наконечник,
8 – охлаждаемый стержень, 9 – нижний полюсный наконечник,
10 – стигматор, 11 – каналы системы охлаждения,
12 – охлаждаемая диафрагма
12
можно снизить, уменьшая приблизительно до 1 мкм облучаемую область с помощью второй конденсорной линзы, которая фокусирует
изображение, образуемое первой конденсорной линзой. При этом увеличивается поток электронов через исследуемую площадь образца,
повышается яркость изображения, образец меньше загрязняется.
Образец (объект) обычно помещают в специальный объектодержатель на тонкой металлической сетке диаметром 2–3 мм. Объектодержатель перемещается системой рычагов в двух взаимо перпендикулярных направлениях, наклоняется в разные стороны, что
особенно важно при исследовании среза тканей либо таких дефектов кристаллической решетки, как дислокации и включения.
В этой удачной промышленной конструкции диаметр отверстия
верхнего полюсного наконечника 2R1 = 9 мм, диаметр отверстия
нижнего полюсного наконечника 2R2 = 3 мм и межполюсный зазор
S = 5 мм (R1, R2 и S определены на рис. 1.3).
В колонне микроскопа с помощью вакуумной системы откачки
создается относительно низкое давление, примерно 10–5 мм рт. ст.
На это уходит довольно много времени. Чтобы ускорить подготовку
прибора к работе, к камере объектов присоединяется специальное
устройство для быстрой смены объекта. В микроскоп при этом попадает лишь очень небольшое количество воздуха, которое удаляется вакуумными насосами. Смена образца обычно занимает 5 мин.
1.4. Изображение
При взаимодействии электронного пучка с образцом электроны,
проходящие вблизи атомов вещества объекта, отклоняются в направлении, определяемом его свойствами. Этим главным образом и
обусловлен видимый контраст изображения. Кроме того, электроны
могут еще претерпеть неупругое рассеяние, связанное с изменением
их энергии и направления, пройти через объект без взаимодействия
или быть поглощенными объектом. При поглощения электронов веществом возникает световое или рентгеновское излучение либо выделяется тепло. Если образец достаточно тонок, то доля рассеянных
электронов невелика. Конструкции современных микроскопов позволяют использовать для формирования изображения все эффекты,
возникающие при взаимодействии электронного луча с объектом.
Электроны, прошедшие через объект, попадают в объективную
линзу (рис. 1.5), предназначенную для получения первого увеличенного изображения. Объективная линза – одна из наиболее важных
частей микроскопа, «ответственная» за разрешающую способность
13
Фокальная
Объективная
плоскость
линза
параксиальных
лучей
Образец
y = Csα3
α
Избранная область
Падающий пучок
Плоскость
диафрагмы
Селекторная
диаграма
α
Фокальная плоскость «α»
Рис. 1.5. Образование первого промежуточного изображения
объективной линзой и эффект аберрации
прибора. Эта связано с тем, что электроны входят под сравнительно
большим углом наклона к оси и вследствие этого даже незначительные аберрации существенно ухудшают изображение объекта.
Электронные линзы, как магнитные, так и электростатические,
несовершенны. Они имеют те же дефекты, что и стеклянные линзы
оптического микроскопа – хроматическая, сферическая аберрация
и астигматизм. Хроматическая аберрация возникает из-за непостоянства фокусного расстояния при фокусировке электронов с различными скоростями. Эти искажения уменьшают, стабилизируя
ток электронного луча и ток в линзах.
Сферическая аберрация обусловлена тем, что периферийные и внутренние зоны линзы формируют изображение на разных фокусных
расстояниях. Намотку катушки магнита, сердечник электромагнита
и канал в катушке, через который проходят электроны, нельзя выполнить идеально. Асимметрия магнитного поля линзы приводит к значительному искривлению траектории движения электронов.
1.5. Работа в режимах микроскопии и дифракции
Затененные области отмечают ход эквивалентных пучков в обоих режимах (рис. 1.6). Если магнитное поле несимметрично, то
линза искажает изображение (астигматизм). То же самое можно
14
Микроскопия
Первая
дифракционная
картина
Первое промежуточное
изображение
Вторая
дифракционная
картина
Второе промежуточное
изображение
Третья
дифракционная
картина
Третье
промежуточное
изображение
Четвертая
дифракционная
картина
Изображение
Микродифракция
Электронный пучок
Объект
Объективная линза
Диафрагма
объективной линзы
Селекторная
диафрагма
Первая
промежуточная линза
Вторая
промежуточная
линза
Проекционная
линза
Первая
дифракционная
картина
Первое
промежуточное
изображение
Вторая
дифракционная
картина
Второе
промежуточное
изображение
Третья
дифракционная
картина
Третье
промежуточное
изображение
Дифракционная
картина
Рис. 1.6. Ход лучей в электронном микроскопе
просвечивающего типа
отнести и к электростатическим линзам. Процесс изготовления
электродов и их центровка должны быть в высокой степени точны,
ибо от этого зависит качество линз.
В большинстве современных электронных микроскопов нарушения симметрии магнитных и электрических полей устраняют
с помощью стигматоров. В каналы электромагнитных линз помещают небольшие электромагнитные катушки. Изменение тока,
протекающего через них, исправляет поле. Электростатические
линзы дополняют электродами: подбирая потенциал, удается компенсировать асимметрию основного электростатического поля.
Стигматоры весьма тонко регулируют поля, позволяют добиваться
высокой их симметрии.
В объективе есть еще два важных устройства – апертурная диафрагма и отклоняющие катушки. Если в формировании конечного
изображения участвуют отклоненные (дифрагированные) лучи, то
15
качество изображения будет плохим вследствие сферической аберрации линзы. В объективную линзу вводят апертурную диафрагму
с диаметром отверстия 40–50 мкм, которая задерживает лучи, дифрагированные под углом более 0,5 градуса. Лучи, отклоненные на
небольшой угол, создают светлопольное изображение. Если апертурной диафрагмой заблокировать проходящий луч, то изображение формируется дифрагированным лучом. Оно в этом случае
получается в темном поле. Однако метод темного поля дает менее
качественное изображение, чем светлопольный, поскольку изображение формируется лучами, пересекающимися под углом к оси
микроскопа, сферическая аберрация и астигматизм проявляются
в большей степени. Отклоняющие же катушки служат для изменения наклона электронного луча. Для получения окончательного
изображения нужно увеличить первое увеличенное изображение
объекта. Для этой цели применяется проекционная линза. Общее
увеличение электронного микроскопа должно меняться в широких
пределах, от небольшого соответствующего увеличению лупы (×10,
×20), при котором можно исследовать не только часть объекта, но и
увидеть весь объект, до максимального увеличения, позволяющего
наиболее полно использовать высокую разрешающую способность
электронного микроскопа (обычно до ×200000). Здесь уже недостаточно двухступенчатой системы (объектив, проекционная линза).
Современные электронные микроскопы, рассчитанные на предельную разрешающую способность, должны иметь по крайней мере
три увеличивающие линзы – объектив, промежуточную и проекционную линзы. Такая система гарантирует изменение увеличения
в широком диапазоне (от ×10 до ×200000).
Изменение увеличения осуществляется регулировкой тока промежуточной линзы.
Еще один фактор, способствующий получению большего увеличения, – изменение оптической силы линзы. Чтобы увеличить оптическую силу линзы, в цилиндрический канал электромагнитной
катушки вставляют специальные так называемые «полюсные наконечники» (рис. 1.4). Они изготовляются из мягкого железа или
сплавов с большой магнитной проницаемостью и позволяют сконцентрировать магнитное поле в небольшом объеме. В некоторых
моделях микроскопов предусмотрена возможность смены полюсных наконечников, таким образом добиваются дополнительного
увеличения изображения объекта.
На конечном экране исследователь видит увеличенное изображение объекта. Различные участки объекта по-разному рассеивают
16
падающие на них электроны. После объективной линзы (как уже
указывалось выше) будут фокусироваться только электроны, которые при прохождении объекта отклоняются на малые углы. Эти же
электроны фокусируются промежуточной и проекционной линзами на экране для конечного изображения. На экране соответствующие детали объекта будут светлые. В том случае, когда электроны
при прохождении участков объекта отклоняются на большие углы,
они задерживаются апертурной диафрагмой, расположенной в объективной линзе, и соответствующие участки изображения будут на
экране темными.
Изображение становится видимым на флюоресцентном экране
(светящимся под действием падающих на него электронов). Фотографируют его либо на фотопластинку, либо на фотопленку, которые расположены на несколько сантиметров ниже экрана. Хотя
пластинка помещается ниже экрана, благодаря тому что электронные линзы имеют довольно большую глубину резкости и фокуса,
четкость изображения объекта на фотопластинке не ухудшается.
Смена пластинки – через герметичный люк. Иногда применяют фотомагазины (от 12 до 24 пластинок), которые устанавливают также
через шлюзовые камеры, что позволяет избежать разгерметизации
всего микроскопа.
1.6. Разрешение
Для достижения разрешения по точкам лучше чем 0,5 нм необходимо поддерживать прибор в отличном состоянии и, кроме того, использовать микроскоп, который специально предназначен для работ,
связанных с получением высокого разрешения. Нестабильность тока
объективной линзы и вибрации объектного столика следует свести
к минимуму. Исследователь должен быть уверен, что в полюсном наконечнике объектива отсутствуют остатки объектов, оставшихся от
предыдущих исследований. Диафрагмы должны быть чистыми. Микроскоп следует устанавливать в месте, удовлетворительном с точки
зрения вибраций, посторонних магнитных полей, влажности, температуры и пыли. Постоянная сферической аберрации должна быть
меньше 2 мм. Однако самыми важными факторами при работе с высоким разрешением являются стабильность электрических параметров и надежность микроскопа. Скорость загрязнения объекта должна быть меньше, чем 0,1 нм/мин, и это особенно важно для работы
с высоким разрешением в темном поле.
Температурный дрейф должен быть минимальным. Для того
чтобы свести к минимуму загрязнение и максимально увеличить
17
стабильность высокого напряжения, необходим вакуум, причем
его следует измерять в конце линии откачки. Внутренность микроскопа, в особенности объем камеры электронной пушки, должны
быть скрупулезно чистыми.
Удобными объектами для проверки микроскопа являются тестобъекты с маленькими частичками частично графитизированного угля, в которых видны плоскости кристаллической решетки.
Во многих лабораториях такой образец всегда держат под рукой,
чтобы проверять состояние микроскопа, и каждый день, прежде
чем начать работу с высоким разрешением, на этом образце получают четкие изображения системы плоскостей с межплоскостным
расстоянием 0,34 нм, используя держатель образца без наклона.
Такая практика проверки прибора настоятельно рекомендуется.
Больших затрат времени и энергии требует поддержание микроскопа в наилучшем состоянии. Не следует планировать исследования, требующие высокого разрешения, до тех пор пока не обеспечено поддержание состояния прибора на соответствующем уровне,
и, что еще более важно, до тех пор пока результаты, полученные
с помощью изображений высокого разрешения, оправдают затраченные время и усилия.
Современные электронные микроскопы оборудуются рядом
приспособлений. Весьма важна приставка для изменения наклона
образца во время наблюдения (гониометрическое устройство). Так
как контраст изображения получается главным образом за счет
дифракции электронов, то даже малые наклоны образца могут существенно влиять на него. Гониометрическое устройство имеет две
взаимно перпендикулярные оси наклона, лежащие в плоскости образца, и приспособленные для его вращения на 360°. При наклоне устройство обеспечивает неизменность положения объекта относительно оси микроскопа. Гониометрическое устройство также
необходимо при получении стереоснимков для изучения рельефа
поверхности излома кристаллических образцов, рельефа костных
тканей, биологических молекул и т. п.
Стереоскопическая пара получается съемкой в электронном микроскопе одного и того же места объекта в двух положениях, когда
он повернут на небольшие углы к оси объектива (обычно ±5°).
Интересная информация об изменении структуры объектов может быть получена при непрерывном наблюдении за нагревом объекта. С помощью приставки удается изучить поверхностное окисление, процесс разупорядочения, фазовые превращения в многокомпонентных сплавах, термические превращения некоторых
18
биологических препаратов, провести полный цикл термической
обработки (отжиг, закалка, отпуск), причем с контролируемыми
высокими скоростями нагрева и охлаждения. Вначале были разработаны устройства, которые герметично присоединялись к камере
объектов. Специальным механизмом объект извлекался из колонны, термообрабатывался, а затем вновь помещался в камеру объектов. Преимущество метода – отсутствие загрязнения колонны и
возможность длительной термообработки.
В современных электронных микроскопах имеются устройства
для нагревания объекта непосредственно в колонне. Часть объектодержателя окружена микропечью. Нагрев вольфрамовой спирали
микропечек осуществляется постоянным током от небольшого источника. Температура объекта изменяется при изменении тока нагревателя и определяется по градуировочной кривой. В устройстве
сохраняется высокое разрешение при нагреве вплоть до 1100 °С –
порядка 30 Å.
В последнее время разработаны устройства, позволяющие нагревать объект электронным пучком самого микроскопа. Объект
располагается на тонком вольфрамовом диске. Диск нагревается
расфокусированным электронным лучом, небольшая часть которого проходит через отверстие в диске и создает изображение объекта. Температуру диска можно менять в широких пределах, изменяя его толщину и диаметр электронного луча.
Есть в микроскопе и столик для наблюдения объектов в процессе охлаждения до –140 °С. Охлаждение – жидким азотом, который
заливается в сосуд Дьюара, соединенный со столиком специальным
хладопроводом. В этом устройстве удобно исследовать некоторые
биологические и органические объекты, которые без охлаждения
под воздействием электронного луча разрушаются.
С помощью приставки для растяжения объекта можно исследовать движение дефектов в металлах, процесс зарождения и развития трещины в объекте. Создано несколько типов подобных
устройств. В одних использовано механическое нагружение перемещением захватов, в которых крепится объект, или передвижением нажимного стержня, в других – нагрев биметаллических
пластин. Образец приклеивается или крепится захватами к биметаллическим пластинам, которые расходятся в стороны, когда их
нагревают. Устройство позволяет деформировать образец на 20% и
создавать усилие в 80 г.
Самой важной приставкой электронного микроскопа можно
считать микродифракционное устройство для электронографиче19
ских исследований какого-либо определенного участка объекта,
представляющего особый интерес. Причем микродифракционную
картину на современных микроскопах получают без переделки
прибора. Дифракционная картина состоит из серии либо колец,
либо пятен. Если в объекте многие плоскости ориентированы благоприятным для дифракции образом, то изображение состоит из
сфокусированных пятен. Если электронный луч попадает сразу на
несколько зерен беспорядочно ориентированного поликристалла,
дифракция создается многочисленными плоскостями, образуется
картина из дифракционных колец. По местоположению колец или
пятен можно установить структуру вещества (например, нитрид
или карбид), его химический состав, ориентацию кристаллографических плоскостей и расстояние между ними.
1.7. Источники электронов
Обычно используются четыре типа источников электронов: вольфрамовые V-образные катоды, вольфрамовые точечные (острийные)
катоды, источники из гексаборида лантана и автоэлектронные источники. В данной главе кратко рассматриваются преимущества
каждого вида источника электронов для просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения и их характеристики.
К источникам электронов, используемым в электронной микроскопии высокого разрешения, предъявляются следующие основные
требования.
1. Высокая яркость (плотность тока на единицу телесного угла).
Выполнение этого требования существенно для экспериментов при
получении изображений высокого разрешения с фазовым контрастом, когда необходимо сочетать малую апертуру освещения с достаточной величиной плотности тока, что дает возможность точно
фокусировать изображение при большом увеличении.
2. Высокая эффективность использования электронов (отношение яркости к полной величине тока первичного пучка электронов), которая достигается за счет малого размера источника.
Уменьшение освещаемой области образца снижает его нагревание
и тепловой дрейф в процессе экспозиции.
3. Большое время жизни при имеющемся вакууме.
4. Стабильная эмиссия при длительной (до минуты) экспозиции, характерной в микроскопии высокого разрешения.
Идеальной системой освещения для обычного просвечивающего
микроскопа высокого разрешения была бы система, позволяющая
20
оператору независимо контролировать размер освещаемой области
образца, интенсивность освещения и когерентность пучка. Такие
возможности достигаются только при работе с автоэлектронным
источником. Однако для большинства лабораторий использование
вольфрамового точечного катода является наилучшим компромиссом, приемлемым как по стоимости, так и по рабочим характеристикам для просвечивающей микроскопии высокого разрешения.
В настоящее время рассматривается также возможность использования источников из гексаборида лантана. Перспективным является также катод, нагреваемый лучом лазера, яркость которого,
как сообщается, в 3000 раз превосходит яркость V-образного катода при эффективном диаметре источника порядка 10 нм. Эти катоды работают при умеренном вакууме (10–4 Тор).
1.8. Система освещения
На рис. 1.7 показаны две конденсорные линзы, входящие в систему освещения электронного
микроскопа.
Система имеет две конденсорные линзы С1 (сильная линза) и
С2 (слабая линза). F – катод; W –
цилиндр Венельта; S – мнимый
источник электронов, S′ и S″ – его
изображения. СА2 – вторая конденсорная диафрагма. Расстояния U1, U2, V1, V2 являются электронно-оптическими параметрами, тогда как расстояния D1, D2,
D3 легко измеряются в колонне
микроскопа.
Обычно можно осуществить
независимое изменение фокусного расстояния этих линз (С1
и С2). Возбуждение первой конденсорной линзы изменяют с помощью регулировочной ручки,
называемой иногда «размер пятна». Обычно выбирается такое
возбуждение, при котором пло-
F
W
S
A
U1
D1
C1
V1
S’
D2
U2
C2
CA2
S’’
B1
V2
B2
D3
Рис. 1.7. Осветительная
система современного
электронного микроскопа
21
скости S, S′ и поверхность образца являются сопряженными, т. е.
чтобы сфокусированное изображение источника формировалось на
образце (сфокусированное освещение).
Для V-образного катода размер источника приблизительно равен
30 мкм. Для предотвращения нежелательного нагрева и радиационного повреждения образца на нем нужно сформировать уменьшенное изображение источника. Рабочее расстояние D3 также должно
быть достаточно большим, чтобы имелась возможность перемещения объектодержателя при смене образца. При использовании одной конденсорной линзы трудно удовлетворить этим противоречивым требованиям – малое увеличение при большом расстоянии D3 –
так как для этого необходимо, чтобы расстояние D1 было чрезмерно
большим. Поэтому обычно используется сильная первая конденсорная линза С1, служащая для уменьшения изображения источника
в 5–100 раз, а следующая за первой вторая слабая линза С2 с увеличением около 3 обеспечивает большое рабочее расстояние.
1.9. Коррекция астигматизма
Регулировка стигматора объективной линзы весьма критична для обеспечения высокого разрешения. В некоторых приборах
астигматизм регулируется как по направлению, так и по силе, в то
время как в других предусмотрена регулировка силы астигматизма в двух фиксированных ортогональных направлениях. Прежде
всего следует грубо скорректировать астигматизм с помощью стигматора до получения симметричности кольца Френеля. При работе
с высоким разрешением необходимо возможно более точно скорректировать астигматизм, что можно сделать по изображению структуры тонкой аморфной угольной пленки при большом увеличении.
Для тщательной корректировки астигматизма на деталях такого
изображения размером 0,3 нм необходимы увеличение микроскопа по крайней мере 400 000-кратное и оптический бинокуляр ×10.
С помощью ручек изменения фокуса и стигматора необходимо добиться минимального контраста, что достигается при использовании ручек наиболее тонкой регулировки. При недофокусировке
объектива в несколько десятков нанометров должна быть видна
однородная зернистая структура угольной пленки без анизотропии в каком-либо преимущественном направлении. Это – трудная
процедура, требующая значительных навыков. Оптическая дифрактограмма позволяет наиболее быстро проверить правильность
коррекции астигматизма, и ее использование особенно важно при
22
освоении процедуры корректировки астигматизма. Важны следующие моменты.
1. Глаза должны полностью адаптироваться к темноте. Для этого необходимо провести по крайней мере 20 мин в темноте.
2. Положение и чистота находящихся в поле линзы объективной диафрагмы и охлаждаемой диафрагмы критически влияют на
требуемую установку стигматора. Нельзя трогать ни ту, ни другую
диафрагму после корректировки астигматизма до фотографирования изображения. Самое важное, что астигматизм не меняется во
времени и его можно скорректировать. Небольшие загрязнения
объективной диафрагмы не создают помех, которые нельзя скорректировать с помощью стигматора. Грязная диафрагма, создающая флуктуации поля, является более серьезной помехой. Необходимо проверять степень загрязнения диафрагмы объектива,
смещая ее во время наблюдения изображения. При небольших смещениях диафрагмы не должно наблюдаться сильное ухудшение
астигматизма. Чистоту отверстия охлаждаемой диафрагмы можно
проверить при том увеличении, при котором она ограничивает поле
зрения. Проверку производят небольшим перемещением охлаждаемой диафрагмы, если это возможно, проводя наблюдение при малом увеличении.
3. Ток коррекции астигматизма изменяется в зависимости от
типа используемого объектодержателя, ускоряющего напряжения
и тока возбуждения объективной линзы. Последний слегка зависит
от увеличения, возможно, из-за магнитного взаимодействия линз.
4. Часто встречающейся причиной сильного астигматизма является присутствие кусочка от расколовшегося или частично испарившегося образца в полюсном наконечнике объектива.
5. Нет смысла корректировать астигматизм до тех пор, пока охлаждаемая диафрагма не достигнет температуры жидкого азота и
пока резервуар охлаждаемой диафрагмы приходится периодически доливать жидким азотом (лучше с помощью насоса). Астигматизм также быстро появляется, как только жидкий азот испаряется из резервуара, приводя к перемещению диафрагмы по мере ее
нагрева. На стабилизацию температуры диафрагмы может потребоваться по крайней мере полчаса с момента начала заполнения
резервуара.
О чувствительности изображений высокого разрешения к астигматизму можно судить, проводя наблюдение плоскостей графитизированного углерода в светлом поле с ненаклоненным освещением и при
этом регулируя стигматор. Чтобы получить изображения плоскостей
23
решетки, расположенных во всевозможных направлениях, нужно
точно скомпенсировать астигматизм по двум направлениям. Легче получить изображение плоскостей решетки одного направления, но оно
не обеспечивает контроля точной коррекций астигматизма.
Наконец стоит повторить, что астигматизм нужно корректировать после каждого перемещения диафрагмы объектива.
1.10. Применение просвечивающего электронного
микроскопа
Вряд ли остался какой-либо сектор исследований в области биологии и материаловедения, где бы не применялась просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ). Это обеспечено успехами
техники приготовления образцов.
Все применяемые в электронной микроскопии методики нацелены на получение предельно тонкого образца и обеспечение максимального контраста между ним и подложкой, которая необходима
ему в качестве опоры. Основная методика рассчитана на образцы
толщиной 2–200 нм, поддерживаемые тонкими пластмассовыми или
углеродными пленками, которые кладутся на сетку с размером ячейки около 0,05 мм. (Подходящий образец, каким бы способом он ни
был получен, обрабатывается так, чтобы увеличить интенсивность
рассеяния электронов на исследуемом объекте.) Если контраст достаточно велик, то глаз наблюдателя может без напряжения различить
детали, находящиеся на расстоянии 0,1–0,2 мм друг от друга. Следовательно, для того, чтобы на изображении, создаваемом электронным микроскопом, были различимы детали, разделенные на образце
расстоянием в 1 нм, необходимо полное увеличение порядка 100–200
тыс. Лучшие из микроскопов могут создать на фотопластинке изображение образца с таким увеличением, но при этом изображается
слишком малый участок. Обычно делают микроснимок с меньшим
увеличением, а затем увеличивают его фотографически. Фотопластинка разрешает на длине 10 см около 10 000 линий. Если каждая
линия соответствует на образце некой структуре протяженностью
0,5 нм, то для регистрации такой структуры необходимо увеличение
не менее 20 000, тогда как при помощи просвечивающего электронного микроскопа может быть разрешено около 1000 линий.
Небиологические материалы
Главной целью электронной микроскопии высокого разрешения на сегодняшний день является визуализация деталей ультра24
структуры несовершенных кристаллических материалов. В настоящее время не существует других методов, способных давать такую
информацию на атомном уровне разрешения или на уровне разрешения элементарной ячейки. Детальное понимание структуры
дефектов кристаллов определяет прогресс как в кристаллохимии,
так и в области исследования прочности материалов. Используя
электронный пучок для управления скоростью протекания химической реакции в кристаллах, можно также почти на атомном уровне изучать движение дефектов при фазовых переходах. Электронная микроскопия высокого разрешения находит также широкое
применение для исследования микроструктуры очень маленьких
кристаллов, от которых нельзя получить картину рентгеновской
дифракции. В последние годы этот метод широко применяется для
исследования минералов и керамических материалов.
Исследования минералов методом реплик начались несколько
десятков лет назад. Непосредственно методом ПЭМ первыми были
изучены слюда и глинистые минералы. Среди первых минералогов, которые использовали электронную микроскопию в своих исследованиях, можно назвать Риббе, Мак-Коннела и Флита [2].
Большое влияние на развитие электронной микроскопии применительно к минералогии оказали работы Мак-Ларена и Фейки
(с 1965 г.) и Ниссена (с 1967 г.); программа их исследований была
целиком посвящена электро-микроскопическому исследованию
минералов. В 1970 г. работы по исследованию лунных материалов
методами трансмиссионной (провечивающей) микроскопии (ТЭМ)
способствовали возникновению необыкновенного бума в электронной микроскопии минералов, в который наряду с минералогами
были вовлечены материаловеды и физики. Полученные ими в течение пяти лет результаты, оказавшие колоссальное влияние на современную минералогию, показали, что электронная микроскопия
является очень мощным инструментом в руках ученого. К настоящему времени новые данные внесли весомый вклад в расшифровку
строения полевых шпатов и пироксенов, и почти в каждой группе
минералов исследования с помощью электронной микроскопии
раскрывают ряд неожиданных свойств.
Электронная микроскопия применялась также для определения возраста земных, лунных и метеоритных пород. При этом было
использовано то обстоятельство, что во время радиоактивного распада ядра высвобождаются частицы, проникающие в окружающий
материал с высокой скоростью и оставляющие видимый «след»
в кристалле. Такие треки можно увидеть с помощью электронного
25
микроскопа, используя его в режимах сканирования или на просвет. Плотность треков распада вокруг радиоактивного включения
пропорциональна возрасту кристалла, а их длина является функцией энергии частицы. Длинные треки, указывающие на высокую
энергию частиц, были обнаружены вокруг включений витлокита в лунной породе; Хатчеон и Прайс приписали этот необычайно
длинный трек распаду элемента 244Ро, который из-за короткого
периода полураспада к настоящему времени исчез, но еще мог существовать 4 млрд лет назад. Треки в материале, взятом с поверхности Луны или из метеоритов (рис. 1.8) [2], дают информацию об
эволюции космической радиации и позволяют сделать выводы о
возрасте и составе Вселенной.
Высокая плотность треков вызвана наличием энергетически
более тяжелых ядер (главным образом Fе) в солнечной вспышке
перед образованием метеорита. Примечательна таблитчатая структура, обусловленная распадом твердых растворов.
ПЭМ применяется в исследованиях материалов для изучения
тонких кристаллов и границ между разными материалами. Чтобы
получить изображение границы раздела с большим разрешением,
образец заливают пластмассой, делают срез образца, перпендикулярный границе, а затем утоньшают его так, чтобы граница была
видна на заостренной кромке. Кристаллическая решетка сильно
рассеивает электроны в определенных направлениях, давая дифракционную картину. Изображение кристаллического образца
в значительной мере определяется этой картиной; контраст сильно
зависит от ориентации, толщины и совершенства кристаллической
Рис. 1.8. Темнопольная ТЭМ-картина зерна пироксена
из метеорита Пезиано
26
решетки. Изменения контраста на изображении позволяют изучать кристаллическую решетку и ее несовершенства в масштабе
атомных размеров. Получаемая при этом информация дополняет
ту, которую дает рентгенографический анализ объемных образцов,
так как электронный микроскоп дает возможность непосредственно видеть во всех деталях дислокации, дефекты упаковки и границы зерен. Кроме того, в электронном микроскопе можно снимать
электронограммы и наблюдать картины дифракции от выделенных участков образца. Если диафрагму объектива настроить так,
чтобы через нее проходили только один дифрагированный и нерассеянный центральный пучки, то можно получать изображение
определенной системы кристаллических плоскостей, которая дает
этот дифрагированный пучок. Современные приборы позволяют
разрешать периоды решетки величиной 0,1 нм. Исследовать кристаллы можно также методом темнопольного изображения, при
котором перекрывают центральный пучок, так что изображение
формируется одним или несколькими дифрагированными пучками. Все эти методы дали важную информацию о структуре очень
многих материалов и существенно прояснили физику кристаллов
и их свойства. Например, анализ ПЭМ-изображений кристаллической решетки тонких малоразмерных квазикристаллов в сочетании с анализом их электронограмм позволил в 1985 г. открыть
материалы с симметрией пятого порядка.
Биологические препараты
Электронная микроскопия широко применяется в биологических и медицинских исследованиях [2]. Разработаны методики
фиксации, заливки и получения тонких срезов тканей для исследования. Эти методики дают возможность исследовать организацию
клеток на макромолекулярном уровне. Электронная микроскопия
выявила компоненты клетки и детали строения мембран, митохондрий, эндоплазматической сети, рибосом и множества других
органелл, входящих в состав клетки. Образец сначала фиксируют
глутаральдегидом или другими фиксирующими веществами, а затем обезвоживают и заливают пластмассой. Методы криофиксации
(фиксации при очень низких – криогенных – температурах) позволяют сохранить структуру и состав без использования химических
фиксирующих веществ. Кроме того, криогенные методы позволяют получать изображения замороженных биологических образцов
без их обезвоживания. При помощи ультрамикротомов с лезвиями
из полированного алмаза или сколотого стекла можно делать сре27
зы тканей толщиной 30–40 нм. Смонтированные препараты могут
быть окрашены соединениями тяжелых металлов (свинца, осмия,
золота, вольфрама, урана) для усиления контраста отдельных компонентов или структур.
Биологические исследования были распространены на микроорганизмы, особенно на вирусы, которые не разрешаются световыми микроскопами. ПЭМ позволила выявить, например, структуры
бактериофагов и расположение субъединиц в белковых оболочках
вирусов. Кроме того, методами позитивного и негативного окрашивания удалось выявить структуру с субъединицами в ряде других
важных биологических микроструктур. Методы усиления контраста нуклеиновых кислот позволили наблюдать одно- и двунитные
ДНК. Эти длинные линейные молекулы распластывают в слой основного белка и накладывают на тонкую пленку. Затем на образец
вакуумным напылением наносят очень тонкий слой тяжелого металла. Этот слой тяжелого металла «оттеняет» образец, благодаря
чему последний при наблюдении выглядит как бы освещенным
с той стороны, с которой напылялся металл. Если же вращать образец во время напыления, то металл накапливается вокруг частиц
со всех сторон равномерно (как снежный ком).
Высоковольтная микроскопия.
Радиационное повреждение
В настоящее время промышленность выпускает высоковольтные варианты с ускоряющим напряжением от 300 до 400 кВ. Такие микроскопы имеют более высокую проникающую способность,
чем у низковольтных приборов, причем почти не уступают в этом
отношении микроскопам с напряжением 1 млн вольт, которые
строились в прошлом. Современные высоковольтные микроскопы
достаточно компактны и могут быть установлены в обычном лабораторном помещении. Их повышенная проникающая способность
оказывается очень ценным свойством при исследовании дефектов
в более толстых кристаллах, особенно таких, из которых невозможно сделать тонкие образцы. В биологии их высокая проникающая способность дает возможность исследовать целые клетки, не
разрезая их. Кроме того, с помощью таких микроскопов можно получать объемные изображения толстых объектов.
Поскольку электроны представляют собой ионизирующее излучение, образец постоянно подвергается его воздействию. Следовательно, образцы всегда подвергаются радиационному повреждению. Типичная доза излучения, поглощаемая тонким образцом
28
за время регистрации микрофотографии, примерно соответствует
энергии, которой было бы достаточно для полного испарения холодной воды из пруда глубиной 4 м с площадью поверхности 1 га.
Чтобы уменьшить радиационное повреждение образца, необходимо использовать различные методы его подготовки: окрашивание,
заливку, замораживание. Кроме того, можно регистрировать изображение при дозах электронов, в 100–1000 раз меньших, нежели
по стандартной методике, а затем улучшать его методами компьютерной обработки изображений.
1.11. Особенности работы с электронным
микроскопом
Остановимся кратко на основных приемах работы в электронной микроскопии. Естественно, что эти приемы своеобразны, учитывая сверхмалые размеры объектов, подлежащих исследованию.
Так, например, в биологических исследованиях находят применения «сверхтонкие ножи» – микротомы, позволяющие получать
срезы биологических объектов толщиной менее 1 мкм.
Главные особенности методики электронной микроскопии
определяются необходимостью помещения объекта исследования
внутрь колонны электронного микроскопа, т. е. в вакуум, и обеспечения условий высокой чистоты, так как малейшие загрязнения
могут существенно исказить результаты. Для просвечивающего
электронного микроскопа объект приготовляется в виде тонких
пленок, в качестве которых могут служить различного рода лаки,
пленки металлов и полупроводников, ультратонкие срезы биологических препаратов. Кроме того, объектами исследования могут
быть тонко измельченные (диспергированные) совокупности частиц. Обычно в просвечивающих микроскопах, работающих при
напряжениях 50–100 кВ, толщина объектов не может превышать
200 А°(для неорганических веществ) и 1000 А° (для органических).
Биологические объекты в большинстве случаев приходится контрастировать, т. е. «окрашивать» (солями тяжелых металлов),
оттенять напылением металлов (платиной, палладием и др.) и использовать ряд других приемов. Необходимость контрастирования
вызвана тем, что большинство биологических объектов содержит
атомы легких элементов (с малым атомным номером) – водород,
углерод, азот, кислород, фосфор и т. д. В то же время толщина объектов, интересных для биологии и медицины, составляет величину
порядка 50 А°. Без контрастирования при электронно-микроскопических исследованиях вирусов наблюдаются бесструктурные
29
пятна, а отдельные молекулы нуклеиновых кислот вообще неразличимы. Использование методов контрастирования позволяет эффективно применить электронную микроскопию в биологических
исследованиях и в том числе при исследованиях больших молекул
(макромолекул). В ряде случаев при исследовании, например, массивных объектов в технике широкое применение находит метод получения отпечатков, который заключается в изготовлении и последующем исследовании в микроскопе копий поверхностей объектов.
Используются как естественные отпечатки (тонкие слои окислов), так и искусственные, получаемые путем нанесения (напыления, осаждения) пленок кварца, углерода и других веществ.
Наибольшее разрешение (∼10 А°) позволяют получить угольные
реплики, которые находят широкое применение как в технике, так
и в биологии.
При наблюдении электронно-микроскопическими методами
влажных объектов (в том числе живых клеток) используются вакуумно-изолированные газовые микрокамеры. Объекты исследования помещаются в электронных микроскопах на тончайшие
пленки – подложки, которые крепятся на специальных сетках,
изготовляемых обычно из меди электролитическим способом. Эти
пленки должны удовлетворять целому ряду требований, поскольку
относительно большая толщина их, а также сильное рассеяние ими
электронов приводят к резкому ухудшению качества изображения
объекта. Кроме того, материал таких пленок должен обладать хорошей теплопроводностью и высокой стойкостью к электронной
бомбардировке. При попадании электронов на объект они выделяют энергию, примерно равную кинетической энергии их движения. В результате могут происходить местный разогрев и разрушение участков объекта.
Электронный микроскоп часто используется для микрохимического анализа исследуемого вещества согласно методу, предложенному М. И. Земляновой и Ю. М. Кушниром. По существу этот метод аналогичен методу микрохимического анализа с помощью оптического микроскопа. В данном случае электронный микроскоп
используется в качестве устройства, способного обнаружить малые
количества искомого вещества (по форме и структуре кристаллов и
т. п.). На поверхность водного раствора, в котором предполагается
наличие искомых ионов, наносится капля 1–1,5%-ного раствора
нитроклетчатки в амилацетате. Капля растекается по поверхности
жидкости и образует коллодиевую пленку, на которую наносится
капля реагента. Ионы реагента проникают (диффундируют) сквозь
30
пленку и, взаимодействуя с раствором, образуют на поверхности
пленки кристаллы, которые содержат ионы, подлежащие обнаружению. После специальной очистки кусочек пленки с кристалликами помещается в электронный микроскоп, и на основе изучения
этих кристалликов оказывается возможным дать ответ о наличии
искомых ионов, а в ряде случаев – и об их концентрации. Такой
метод микрохимического анализа характеризуется высокой чувствительностью (на 2–3 порядка большей по сравнению с другими
способами). Например, ионы марганца могут быть обнаружены
в растворе с концентрацией не ниже 10–11 нормального раствора
при содержании иона 10–11 г (по данным А. М. Решетникова).
Метод просвечивающей электронной микроскопии позволяет
изучать внутреннюю структуру исследуемых металлов и сплавов,
в частности:
– определять тип и параметры кристаллической решетки матрицы и фаз;
– определять ориентационные соотношения между фазой и матрицей;
– изучать строение границ зерен;
– определять кристаллографическую ориентацию отдельных зерен, субзерен;
– определять углы разориентировки между зернами, субзернами;
– определять плоскости залегания дефектов кристаллического
строения;
– изучать плотность и распределение дислокаций в материалах
изделий;
– изучать процессы структурных и фазовых превращений
в сплавах;
– изучать влияние на структуру конструкционных материалов
технологических факторов (прокатки, ковки, шлифовки, сварки
и т. д.).
1.12. Современные просвечивающие
электронные микроскопы
В настоящее время существуют разные типы просвечивающих
электронных микроскопов.
1. Микроскоп Titan 80–300. (рис. 1.9).
Современный просвечивающий электронный микроскоп Titan
80–300 дает изображение наноструктур на суб-ангстремном уровне. Электронный микроскоп Титан работает в диапазоне 80–300 кВ
с возможностями коррекции сферической аберрации и монохрома31
тичности. Данный электронный
микроскоп соответствует жестким
требованиям максимальной механической, тепловой и электрической стабильности, так же как
точным юстировкам усовершенствованных компонентов. Титан
расширяет разрешающие возможности спектроскопии при измерении запрещенных энергетических
зон и электронных свойств и позволяет пользователю получить четкие изображения границ раздела и
наиболее полно интерпретировать
Рис. 1.9. Просвечивающий
полученные данные.
электронный микроскоп
2. Микроскоп JEOL JEM –
Titan 80–300
3010 (рис. 1.10).
300-киловольтный аналитический электронный микроскоп высокой точности и сверхвысокого разрешения сконструирован таким
образом, чтобы одновременно можно было наблюдать изображение
на атомарном уровне и прицельно анализировать образец. В данном микроскопе использовано
много новых разработок, в том
числе компактная электронная
пушка на 300 кВ, осветительная
система с пятью линзами.
Использование встроенного
ионного насоса обеспечивает чистый и стабильно высокий вакуум.
Разрешение по точкам: 0,17 нм.
Ускоряющее напряжение: от 100
до 300 кВ. Увеличение: от ×50 до
×1 500 000.
3. Микроскоп JEOL JEМ –
3000FasTEM.
Просвечивающий электронный микроскоп, оборудованный
Рис. 1.10. Просвечивающий
электронный микроскоп
электронной пушкой высокой
JEOL JEM–3010
яркости с подогревным катодом
32
на полевой эмиссии, обладающим
повышенной стабильностью тока
эмиссии. Позволяет непосредственно наблюдать детали атомного строения и анализировать отдельные
атомные слои. Электронная пушка
с подогревным катодом на полевой
эмиссии, более всего подходящая
для анализа нанообластей, обеспечивает ток зонда 0,5 нА при его диаметре 1 нм и 0,1 нА при 0,4 нм. Разрешение в точке: 0,17 нм. Ускоряющее напряжение: 100, 200, 300 кВ.
Увеличение: от ×60 до ×1 500 000.
4. Микроскоп JEOL JEМ–
2100F (рис. 1.11).
Рис. 1.11. Просвечивающий
Электронная пушка с полевой
электронный микроскоп с полеэмиссией, обеспечивающая элеквой эмиссией JEOL JEМ–2100F
тронный пучок с высокой яркостью и когерентностью, играет ключевую роль в получении высокого разрешения и при анализе наноструктур. Прибор JEM–2100F
является комплексным ПЭМ, оснащенным развитой системой
электронного управления различными функциями.
Основные особенности данного прибора:
– Высокая яркость и стабильность электронной пушки с термополевой эмиссией обеспечивает анализ областей наноразмеров при
большом увеличении;
– Диаметр зонда меньше 0,5 нм позволяет уменьшить точку анализа до уровня нанометров;
– Новый высокостабильный столик образцов с боковой загрузкой обеспечивает простой наклон, поворот, нагрев и охлаждение,
программируемые установки и другое без механического дрейфа.
5. Микроскоп JEOL JEМ–2100 LaB6 (рис. 1.2).
Позволяет не только получать изображения на просвет и картины дифракции, но и включает в себя компьютерную систему контроля, которая может объединять TEM, устройство получения изображений в режиме сканирования (STEM), энергодисперсионный
спектрометр (JED–2300 T) и спектрометр энергетических потерь
электронов (EELS) в любых комбинациях.
Высокое разрешение (0,19 нм при 200 kV на катоде LaB 6 ) достигается благодаря стабильности высокого напряжения и тока пуч33
ка, вместе с превосходной системой линз. Новая структура рамы
колонны микроскопа мягко уменьшает эффект вибрации прибора. Новый гониометрический столик позволяет позиционирование образца с точностью до нанометров. Компьютерная система контроля
микроскопа обеспечивает подключение по сети других пользователей (компьютеров) и обмен информацией между ними.
1.13. Перспективные направления развития
К таким направлениям относятся: повышение разрешающей
способности ПЭМ; совершенствование способов подготовки образцов; разработка методов получения качественно новой информации и повышения чувствительности методов анализа с помощью
спектрометрических систем; разработка методов компьютерной
обработки полученных изображений с целью выявления содержащейся в них количественной информации о структуре объекта; автоматизация и компьютеризация просвечивающего электронного
микроскопа и соединенной с ними аналитической аппаратуры.
Повышение разрешающей способности микроскопов достигается главным образом совершенствованием электронной оптики и
применением новых видов электронных пушек. Замена традиционных вольфрамовых термокатодов на ориентир, катоды из LaB6
позволила повысить электронную яркость пушек в 5–7 раз, а переход к пушкам на полевой эмиссии (автоэмиссии) с холодными катодами из монокристаллического вольфрама – в 50–100 раз, что дало
возможность уменьшить диаметр электронного зонда и довести
разрешение растрового электронного микроскопа (РЭМ) до 1 нм,
существенно снизив при этом лучевую нагрузку на образец.
Развитие способов подготовки образцов наиболее активно происходит в области электронно-микроскопического исследования
структуры полимерных материалов и влагосодержащих объектов
и связано преимущественно с разработкой криогенных методов
(сверхбыстрое замораживание в струе хладона, прижим к металлическому блоку, охлаждаемому жидким He, низкотемпературное замещение воды органическими растворителями, криоультратомия,
криомикроскопия и др.). Эти методы позволяют избежать нарушений структуры и локального состава образцов, наблюдаемых при
химической фиксации и нанесении электропроводных покрытий.
Мощный прорыв в трансмиссионной электронной микроскопии
был сделан в 1980-х гг., когда удалось создать ТЭМ с компьютерным анализатором элементного состава на базе спектрометра энергетических потерь. Метод спектрометрии энергетических потерь
34
электронов (EELS – Electron Energy Loss Spectrometry) был известен давно и применялся для микроанализа в трансмиссионно-сканирующем режиме ТЭМ. Однако установка спектрометрической
системы из двух магнитных призм и электростатического зеркала
между двумя промежуточными линзами (а не под экраном и фотокамерой, как обычно) дала возможность гибко регулировать контраст ТЭМ-изображения, получать безаберрационные изображения
толстых (до 1 мкм) срезов, а главное, получить элементно-селективные изображения в диапазоне элементов от бора (B) до урана (U)
с разрешением порядка 0,5 нм и чувствительностью обнаружения
до 10–20 г элемента (что соответствует, например, 150 атомам Са).
Такое сочетание характеристик создает большие преимущества
электронной микроскопии перед традиционными методами рентгеноспектрального микроанализа при изучении срезов и пленок.
Развитие компьютерной техники обусловило значительный прогресс в области математической обработки электронных изображений (компьютерная морфометрия). Разработанные аппаратно-программные комплексы позволяют: запоминать изображения, корректировать их контраст; расширять диапазон яркостей путем введения
условных цветов; устранять шумы; подчеркивать границы микроучастков, выделять детали микроструктуры в заданном диапазоне
размеров и оптической плотности; проводить статистическую обработку изображений и строить гистограммы распределения микрочастиц по размерам, форме и ориентации; реконструировать объемные
изображения структуры композиционных материалов и иных объектов по микрофотографиям серийных срезов; реконструировать объемные изображения микрорельефа и строить профилограммы сечений по стереомикрофотографиям; рассчитывать локальные микроконцентрации элементов по элементно-селективным изображениям
и спектрам; определять параметры кристаллических решеток по
электронограммам и др. Кроме того, встроенные в ТЭМ и РЭМ процессоры позволяют гибко управлять микроскопами, значительно
снижают электроннолучевое повреждение образцов, повышают достоверность и воспроизводимость результатов анализа микроструктуры, облегчают труд исследователей.
Контрольные вопросы к главе 1
1. Какое изображение формируется рассеянными электронами?
а) светлопольное;
б) темнопольное;
в) уменьшенное;
35
г) а. и б.
2. Как называется тонкая, прозрачная для электронов пленка
из полимерного материала либо аморфного углерода, повторяющая
микрорельеф массивного обьекта или его скола?
а) реплика;
б) эталон;
в) образец;
г) аналог.
3. Система из нити накала и ускоряющих электродов носит название:
а) рентгеновская трубка;
б) цилиндр Венельта;
в) фокусирующий электрод;
г) электронная пушка.
4. Какая часть микроскопа отвечает за разрешающую способность прибора?
а) конденсорная линза;
б) промежуточная линза;
в) объективная линза;
г) проекционная линза.
5. Для повышения яркости слабого изображения применяется:
а) люминесцентный экран;
б) люминофорный экран;
в) главный экран;
г) магнитный экран.
6. Окончательное увеличенное электронное изображение преобразуется в видимое посредством:
а) люминесцентного экрана;
б) люминофорного экрана;
в) главного экрана;
г) магнитного экрана.
7. Что возникает из-за непостоянства фокусного расстояния при
фокусировке электронов с различными скоростями?
а) хроматическая аберрация;
б) сферическая аберрация;
в) астигматизм;
г) все вышеперечисленное.
8. В большинстве современных электронных микроскопов нарушения симметрии магнитных и электрических полей устраняют
с помощью:
а) стигматоров;
36
б) апертурной диафрагмы;
в) объективной диафрагмы;
г) всего вышеперечисленного.
9. Выберите неверное утверждение:
а) общее увеличение электронного микроскопа может достигать
100 000 раз;
б) электронные пучки имеют свойства, аналогичные свойствам
световых пучков;
в) большинство современных электронных микроскопов имеют
от двух до четырех линз;
г) конденсор (линза) обычно освещает площадь объекта, много
большую интересующей нас при данном увеличении.
10. Выберите неверное утверждение:
а) асимметрия магнитного поля линзы приводит к значительному искривлению траектории движения электронов;
б) уменьшение освещаемой области образца снижает его нагревание и тепловой дрейф в процессе экспозиции;
в) объективная линза дает увеличение примерно в 100 раз;
г) чем больше скорость электронов, тем больше длина волны.
37
Глава 2. РАСТРОВАЯ (СКАНИРУЮЩАЯ)
ЭЛЕКТРОННАЯ МИКРОСКОПИЯ
2.1. Электронно-микроскопический метод исследования
Электронно-микроскопический метод исследования получил широкое распространение в различных областях науки и техники [3].
Электронный микроскоп благодаря высокой разрешающей способности (более чем на два порядка выше по сравнению со световым микроскопом) позволяет наблюдать тонкие особенности и детали структуры
микрообъектов на атомно-молекулярном уровне. Эти приборы по своему назначению разделяются на просвечивающие и растровые электронные микроскопы. Первые позволяют изучать образцы в проходящих, а вторые – во вторичных или рассеянных объектом электронах.
Применение ПЭМ в минералогии началось со времени получения теневых изображений тонкодисперсных частиц глинистых минералов. Начиная с 50-х годов стали появляться работы, посвященные принципам действия, конструкции и техническим возможностям электронных микроскопов. Одновременно разрабатывались
различные методы исследования в электронном микроскопе. В настоящее время в комплекс электронно-микроскопических методов
входят просвечивающая и растровая электронная микроскопия,
микродифракция и электронно-зондовый анализ. С помощью этого комплекса методов решается широкий круг вопросов минералогии. В него входят исследование тонкой микроморфологии минеральных индивидов и агрегатов, определение различных типов
точечных дефектов и дислокаций, оценка степени неоднородности
минералов, выявление морфологических и структурных соотношений между различными фазами, прямое изучение периодичности и
дефектов кристаллических решеток минералов и др.
Растровый электронный микроскоп и рентгеновский микроанализатор – это два прибора с большими возможностями, позволяющие на таком уровне наблюдать и изучать неоднородные органические и неорганические материалы и поверхности. В обоих приборах
исследуемая область или анализируемый микрообъем облучаются
тонко сфокусированным электронным пучком, либо неподвижным, либо разворачиваемым в растр по поверхности образца.
2.2. Физические основы растровой электронной микроскопии
Принцип действия основан на использовании некоторых эффектов, возникающих при облучении поверхности объектов тон38
ко сфокусированным пучком электронов – зондом. Как показано
на рис. 2.1, в результате взаимодействия электронов 1 с образцом
(веществом) 2 генерируются различные сигналы. Основными из
них являются поток электронов: отраженных 3, вторичных 4, ожеэлектронов 5, поглощенных 6, прошедших через образец 7, а также
излучений: катодолюминесцентного 8 и рентгеновского 9.
Для получения изображения поверхности образца используются
вторичные, отраженные и поглощенные электроны. Остальные излучения применяются как дополнительные источники информации.
Важнейшей характеристикой любого микроскопа является его
разрешающая способность. Она определяется:
– площадью сечения или диаметром зонда;
– контрастом, создаваемым образцом и детекторной системой;
– областью генерации сигнала в образце.
Диаметр зонда в основном зависит от конструктивных особенностей и качества узлов микроскопа и прежде всего электронной
оптики. В современных РЭМ достигнуто высокое совершенство
компонентов конструкции, что позволило уменьшить диаметр зонда до 5–10 нм.
Влияние контраста на разрешающую способность проявляется
в следующем. Формирование контраста в РЭМ определяется разностью детектируемых сигналов от соседних участков образца; чем
3
9
4
1
5
8
6
2
7
Рис. 2.1. Эффекты взаимодействия электронного луча с объектом:
1 – электронный луч; 2 – объект; 3 – отраженные электроны;
4 – вторичные электроны; 5 – оже-электроны; 6 – ток поглощенных
электронов; 7 – прошедшие электроны; 8 – катодолюминесцентное
излучение; 9 – рентгеновское излучение
39
она больше, тем выше контраст изображения. Контраст зависит
от нескольких факторов: топографии поверхности, химического
состава объекта, поверхностных локальных магнитных и электрических полей, кристаллографической ориентации элементов
структуры. Важнейшими из них являются топографический, зависящий от неровностей поверхности образца, а также композиционный, зависящий от химического состава. Уровень контраста
определяется также и эффективностью преобразования падающего
на детектор излучения, которое создает сигнал на его выходе. Если
получаемый в итоге контраст недостаточен, то его можно повысить, увеличив ток зонда. Однако большой поток электронов в силу
особенностей электронной оптики не может быть хорошо сфокусирован, т. е. диаметр зонда возрастет и, соответственно, снизится
разрешающая способность.
Другой фактор, ограничивающий разрешение, зависит от размеров области генерации сигнала в образце. Схема генерации раз-
3
0,2...2 мкм
2
0,1...1 мкм
1
1...10 нм
Поверхность
Первичные
электроны
(зонд)
1 нм
d
4
5
6
Рис. 2.2. Области сигналов и пространственное разрешение при облучении поверхности объекта потоком электронов (зонд). Области генерации: 1 – оже-электронов, 2 – вторичных электронов, 3 – отраженных
электронов, 4 – характеристического рентгеновского излучения, 5 –
тормозного рентгеновского излучения, 6 – флуоресценции
40
личных излучений при воздействии электронного пучка на образец
приведена на рис. 2.2. При проникновении первичных электронов
в образец они рассеиваются во всех направлениях, поэтому внутри
образца происходит расширение пучка электронов. Участок образца, в котором первичные электроны тормозятся до энергии Е = 0,
имеет грушевидную форму. Боковое расширение электронного
пучка в образце в этом случае имеет величину от 1 до 2 мкм, даже
когда зонд имеет диаметр 10 нм. Расхождение электронов приводит к тому, что площадь выхода на поверхность образца электронов
будет больше фокуса электронного пучка. В связи с этим процессы
рассеивания электронов внутри образца оказывают большое влияние на разрешающую способность изображений, получаемых в отраженных, вторичных и поглощенных электронах.
Отраженные электроны. Они образуются при рассеивании первичных электронов на большие (до 90o) углы в результате однократного упругого рассеивания или в результате многократного рассеивания на малые углы. В конечном итоге первичные электроны,
испытав ряд взаимодействий с атомами образца и теряя при этом
энергию, изменяют траекторию своего движения и покидают поверхность образца. Размеры области генерации отраженных электронов (см. рис. 2.2) значительны и зависят от длины пробега электронов в материале образца. Протяженность области возрастает
с увеличением ускоряющего первичные электроны напряжения и
уменьшения среднего атомного номера Z элементов, входящих в состав образца. Протяженность области может изменяться от 0,1 до
1 мкм. Электроны, потерявшие в процессе отражения часть энергии, покидают образец на относительно больших расстояниях от
места падения электронного зонда. Соответственно сечение, с которого получают сигнал (см. рис. 2.2), будет существенно больше
сечения зонда. Поэтому разрешение РЭМ в режиме регистрации
отраженных электронов небольшое и изменяется от десятков нанометров при работе с невысокими ускоряющими напряжениями и
тяжелыми материалами до сотен нанометров при работе с большими ускоряющими напряжениями и легкими материалами.
Важной особенностью эмиссии отраженных электронов является ее зависимость от атомного номера элементов. Если атомный номер атомов материала в точке падения первичного пучка электронов мал (легкие атомы), то образуется меньшее количество отраженных электронов с малым запасом энергии. В областях образца,
содержащих высокую концентрацию атомов с большим атомным
номером (тяжелые атомы), большее число электронов отражается
41
от этих атомов и на меньшей глубине в образце, поэтому потери
энергии при их движении к поверхности меньше. Эти закономерности используются при получении изображений в отраженных
электронах.
Вторичные электроны. Первичные электроны, проникающие
в образец, взаимодействуют с электронами внешних оболочек атомов объекта, передавая им часть своей энергии. Происходит ионизация атомов образца, а высвобождающиеся в этом случае электроны могут покинуть образец и быть выявлены в виде вторичных
электронов. Они характеризуются очень малой энергией до 50 эВ
и поэтому выходят из участков образца очень близких к поверхности (см. рис. 2.2). Глубина слоя, дающего вторичные электроны,
составляет 1–10 нм. В пределах этого слоя рассеивание электронов пренебрежимо мало, и поэтому при получении изображений
во вторичных электронах разрешающая способность определяется
прежде всего диаметром первичного зонда. Вторичные электроны
обеспечивают максимальную в сравнении с другими сигналами
разрешающую способность порядка 5–10 нм. Поэтому они являются в РЭМ главным источником информации для получения изображения поверхности объекта, и именно для этого случая приводятся
паспортные характеристики прибора. Количество образующихся
вторичных электронов слабо зависит от атомного номера элемента.
Основным параметром, определяющим выход вторичных электронов, является угол падения пучка первичных электронов на поверхность объекта. Таким образом, вариации наклона микроучастков поверхности вызывают резко выраженные изменения в выходе
вторичных электронов. Этот эффект используется для получения
информации о топографии поверхности.
С целью увеличения эмиссии вторичных электронов часто образец устанавливается под углом к оси зонда. При этом будет ухудшаться резкость изображения – его размытие по краям. Для ее
исправления в РЭМ предусмотрена система компенсации угла наклона. Метод наклона образца применяют при исследовании плоских объектов (металлографических шлифов и др.). Для образцов
с сильно развитым рельефом полностью провести коррекцию угла
наклона не удается.
В растровом электронном микроскопе наибольший интерес
представляют сигналы, создаваемые вторичными и отраженными
электронами, поскольку они меняются при изменении топографии
поверхности по мере того, как электронный луч сканирует по образцу. Вторичная электронная эмиссия возникает в объеме вблизи
42
области падения пучка, что позволяет получать изображения с относительно высоким разрешением. Объемность изображения возникает за счет большой глубины фокуса растрового электронного
микроскопа, а также эффекта оттенения рельефа контраста во вторичных электронах. Возможны и другие типы сигналов, которые
оказываются также полезными во многих случаях [4, 5].
Поглощенные электроны. При воздействии зонда часть генерируемых электронов остается в объеме образца (см. рис. 2.2). Так,
при энергиях первичного пучка 10–20 кэВ примерно 50% от общего числа образующихся вторичных и отраженных электронов достигают поверхности образца и покидают ее. Оставшиеся электроны образуют ток поглощенных электронов (см. рис. 2.1). Его величина равна разности между током зонда и токами отраженных и
вторичных электронов. Эта разность является сигналом для получения изображения, на которое оказывают влияние как топографический, так и композиционный эффекты.
Поглощенные электроны генерируются в большом объеме (см.
рис. 2.2). Разрешающая способность при получении изображений
в этом случае имеет такой же порядок, как и для отраженных электронов. Данный метод получения изображений используется редко
из-за малой разрешающей способности.
2.3. Разновидности растрового электронного микроскопа
Отражательный растровый электронный
микроскоп
Отражательный микроскоп предназначен для исследования
массивных образцов. Поскольку контраст, возникающий при регистрации отраженных, т. е. обратно-рассеянных, и вторичных электронов, связан в основном с углом падения электронов на образец,
на изображении выявляется поверхностная структура.
Интенсивность обратного рассеяния и глубина, на которой оно
происходит, зависят от энергии электронов падающего пучка.
Эмиссия вторичных электронов определяется, в основном, составом поверхности и электропроводностью образца. Оба эти сигнала
несут информацию об общих характеристиках образца. Благодаря
малой сходимости электронного пучка можно проводить наблюдения с гораздо большей глубиной резкости, чем при работе со световым микроскопом, и получать прекрасные объемные микрофотографии поверхностей с весьма развитым рельефом. Регистрируя
рентгеновское излучение, испускаемое образцом, можно в допол43
нение к данным о рельефе получать информацию о химическом составе образца в поверхностном слое глубиной 0,001 мм [3].
О составе материала на поверхности можно судить и по измеренной энергии, с которой эмитируются те или иные электроны. Все
сложности работы с РЭМ обусловлены, в основном, его системами
регистрации и электронной визуализации. В приборе с полным комплексом детекторов, наряду со всеми функциями РЭМ, предусматривается рабочий режим электронно-зондового микроанализатора.
Растровый просвечивающий электронный
микроскоп
Растровый просвечивающий электронный микроскоп (РПЭМ) –
это особый вид РЭМ, рассчитанный на тонкие образцы. Поскольку
изображение формируется бегущим пучком (а не пучком, освещающим весь исследуемый участок образца), требуется высокоинтенсивный источник электронов, чтобы изображение можно было
зарегистрировать за приемлемое время. В РПЭМ высокого разрешения используются автоэлектронные эмиттеры высокой яркости.
В таком источнике электронов создается очень сильное электрическое поле вблизи поверхности заостренной травлением вольфрамовой проволочки очень малого диаметра. Это поле буквально вытягивает миллиарды электронов из проволочки без всякого нагрева.
Яркость такого источника почти в 10 000 раз больше, чем источника с нагреваемой вольфрамовой проволокой, а испускаемые им
электроны могут быть сфокусированы в пучок диаметром менее 1
нм. Были даже получены пучки, диаметр которых близок к 0,2 нм.
Автоэлектронные источники могут работать только в условиях
сверхвысокого вакуума (при давлениях ниже 10–6 Па), в которых
полностью отсутствуют такие загрязнения, как пары углеводородов и воды, и становится возможным получение изображений
с высоким разрешением. Благодаря таким сверхчистым условиям
можно исследовать процессы и явления, недоступные электронной
микроскопии с обычными вакуумными системами.
Исследования в РПЭМ проводятся на сверхтонких образцах.
Электроны проходят сквозь такие образцы почти без рассеяния.
Электроны, рассеянные на углы более нескольких градусов без замедления, регистрируются, попадая на кольцевой электрод, расположенный под образцом. Сигнал, снимаемый с этого электрода, сильно зависит от атомного номера атомов в той области, через
которую проходят электроны, – более тяжелые атомы рассеивают
больше электронов в направлении детектора, чем легкие. Если
44
электронный пучок сфокусирован в точку диаметром менее 0,5 нм,
то можно получить изображение отдельных атомов.
Реально удается различать на изображении, полученном в РПЭМ,
отдельные атомы с атомной массой железа (т. е. 26 и более). Электроны,
не претерпевшие рассеяния в образце, а также электроны, замедлившиеся в результате взаимодействия с образцом, проходят в отверстие
кольцевого детектора. Энергетический анализатор, расположенный
под этим детектором, позволяет отделить первые от вторых. Измеряя
энергию, потерянную электронами при рассеянии, можно получить
важную информацию об образце. Потери энергии, связанные с возбуждением рентгеновского излучения или выбиванием вторичных
электронов из образца, позволяют судить о химических свойствах вещества в области, через которую проходит электронный пучок.
2.4. Схема растрового электронного микроскопа,
назначение его узлов и их функционирование
Схема растрового электронного микроскопа приведена на рис. 2.3.
Он состоит из следующих основных узлов: электронной пушки 1–3,
1
2
3
4
5
6
7
8
9
11
10
14
16
17
12
13
15
Рис. 2.3. Принципиальная схема растрового электронного
микроскопа
45
эмитирующей электроны; электроннооптической системы 4–10, формирующей электронный зонд и обеспечивающей его сканирование
на поверхности образца 12; системы, формирующей изображение
11–17.
РЭМ имеет вакуумную камеру (рис. 2.4), которая служит для создания необходимого разряжения (~10–3 Па) в рабочем объеме электронной пушки и электронно-оптической системы. Составными частями
микроскопа являются механические узлы (шлюзы, гониометрический стол и т. д.), обеспечивающие установку и перемещение образца.
Электронная пушка состоит из катода 1, цилиндра Венельта 2
и анода 3. Обычно в качестве катода используется вольфрамовая
V-образная проволока, согнутая под углом, как это показано на рисунке. При нагреве катода прямым пропусканием тока происходит
термоэмиссия электронов. Электроны ускоряются напряжением,
приложенным между катодом и анодом, которое можно изменять
от 1 до 50 кВ.
Рабочая температура вольфрамовых катодов 2100–2300 °С, что
соответствует накалу до светло-желтого или белого цвета. Долговечность этих катодов определяется ослаблением эмиссии из-за
уменьшения толщины катода вследствие распыления вольфрама.
Рис. 2.4. Камера микроскопа и расположенные в ней
функциональные элементы
46
Достоинство вольфрамового катода – устойчивость эмиссии. После временного перекала она не уменьшается. Основной недостаток
вольфрамового катода – низкая эффективность (единицы миллиампер на ватт). Вследствие высокой температуры интенсивно испускаются тепловые и световые лучи, на что бесполезно расходуется
почти вся мощность накала.
Цилиндр Венельта имеет высокий отрицательный потенциал
и служит для регулировки потока электронов. Пучок электронов
от пушки проходит через три электромагнитные линзы 5, 6, 9. Фокусировка потока электронов осуществляется магнитным полем,
имеющим осевую симметрию. Оно создается электромагнитной
линзой, которая представляет собой соленоид. Магнитное поле
возникает при пропускании электрического тока через обмотку соленоида, концентрируется с помощью так называемого полюсного
наконечника и воздействует на проходящий через него поток электронов. Фокусное расстояние линзы можно плавно регулировать
путем изменения силы тока в обмотке соленоида. В системе имеются две диафрагмы 4, 10, ограничивающие расходимость пучка
электронов.
Устройство электронной пушки показано также на рис. 2.5.
Несовершенства электронной оптики оказывают влияние на
разрешающую способность микроскопа. К несовершенствам оптики относятся хроматическая, сферическая аберрации и астигматизм.
Рис. 2.5. Электронная пушка
47
Хроматическая аберрация возникает из-за различной скорости
(т. е. длины волны) электронов и изменении ее по времени, что приводит к непостоянству фокусных расстояний линз. Хроматическую
аберрацию уменьшают путем стабилизации ускоряющего электроны напряжения и электрического тока в линзах.
Сферическая аберрация возникает вследствие того, что электроны проходят на различных угловых расстояниях от оптической оси
линзы и поэтому по-разному фокусируются. Сферическую аберрацию уменьшают наложением строгих ограничений на геометрию
полюсных наконечников линз, увеличением ускоряющего напряжения и уменьшением диафрагмы. В этом случае поток формируется электронами, в меньшей степени отклоненными от оптической оси линзы.
Возникновение астигматизма связано с нарушением магнитной
или геометрической симметрии линзы. Устранение асимметрии
достигается обеспечением высокой геометрической точности изготовления полюсного наконечника линзы и введением специальной
системы, называемой стигматором 8, который корректирует магнитное поле линзы, восстанавливая его симметрию.
Стигматор расположен в объективной линзе 9 (см. рис. 2.3).
Внутри нее также находятся две пары электромагнитных отклоняющих катушек 7, каждая из которых служит для отклонения зонда соответственно в х и y направлениях в плоскости, перпендикулярной оси потока электронов. Катушки соединены с генератором
16, обеспечивающим синхронность передвижения электронного
зонда по образцу и электронного луча по экрану электронно-лучевой трубки 15.
Образец 12 крепится на предметном столике, который может
перемещаться в трех взаимно перпендикулярных направлениях,
допускает наклон образца до 90o к электронно-оптической оси и
вращение вокруг оси от 0 до 360o. Электронный пучок, сфокусированный на поверхности образца, вызывает появление отраженных,
вторичных и поглощенных электронов, которые используются для
получения изображения поверхности образца. Эти сигналы улавливаются специальными детекторами. На схеме (см. рис. 2.3) представлен только один из возможного набора тип детектора, используемый для регистрации вторичных электронов 13. В детекторе поток
электронов преобразуется в электрический сигнал (ток). После прохождения тока через усилитель 14 модулируется яркость экрана.
В качестве детектора вторичных электронов используется детектор Эверхарта–Торнли. Схема детектора приведена на рис. 2.6.
48
1
e
4
+12 кВ
2
3
+250 В
образец
Рис. 2.6. Схема детектора эмитированных электронов
Эвепхарта–Торнли: 1 – коллектор; 2 – световод;
3 – сцинтиллятор; 4 – фотоумножитель
Коллектор 1 имеет положительный потенциал, приблизительно
+ 250 В, благодаря чему траектории вторичных электронов искривляются и они попадают в коллектор. На первичные и отраженные
электроны, имеющие высокие значения энергии, этот потенциал
существенного влияния не оказывает.
Внутри коллектора электроны ускоряются. Для этого на сцинтиллятор 3 подается высокое напряжение порядка 12 кВ. Его влияние на электронный зонд экранируется корпусом коллектора.
Вследствие ускорения вторичные электроны получают достаточную энергию, чтобы вызвать световое излучение материала сцинтиллятора, которое по световоду 2 попадает на фотоумножитель 4,
где преобразуется в электрический сигнал. Мощность этого сигнала и, следовательно, яркость соответствующей точки на экране при
использовании вторичных электронов определяется топографическим контрастом. Характерная особенность топографического контраста в данном микроскопе – повышенная яркость изображения
острых вершин и выступов рельефа поверхности образца – вызывается увеличением выхода электронов с этих участков.
Большая разрешающая способность данного микроскопа при
работе в режиме регистрации вторичных электронов служит причиной того, что именно он используется при изучении топографии
поверхности (поверхность излома, протравленного шлифа и др.).
При формировании изображения в режиме детектирования вто49
ричных электронов возможно появление композиционного контраста. Однако он относительно невелик.
Для регистрации отраженных электронов могут использоваться
различные типы детекторов, в том числе и детектор Эверхарта–Торнли, но с некоторым изменением. Это вызвано тем, что отраженные
электроны имеют высокую энергию, движутся прямолинейно, не
отклоняясь электрическим полем в отличие от вторичных электронов. Поэтому нет необходимости использовать в детекторе высокие
напряжения и, следовательно, коллектор. Эффективность сбора отраженных электронов зависит от угла наклона детектора к поверхности генерации электронов и расстояния между ними.
Получение изображения в отраженных электронах (рис. 2.7) вызвано тем, что эмиссия этих электронов зависит от порядкового номера химического элемента. Поэтому, например, на плоской поверхности образца участок материала с более высоким средним порядковым номером атомов отражает большее количество электронов. Он
выглядит на экране более светлым относительно других участков
образца. Полученный контраст называют композиционным.
Изображение в отраженных электронах позволяет определить
количество фаз в материале, наблюдать микроструктуру материала без предварительного травления шлифа и др. Выявление струк-
Рис. 2.7. Изображение структуры материала в отраженных (а)
и вторичных (б) электронах
50
туры материала становится возможным, поскольку химический
состав зерен в многокомпонентных системах отличается от химического состава их границ.
В том случае, когда поверхность образца имеет ярко выраженные неровности, то дополнительно к композиционному возникает
топографический контраст. Для разделения композиционного и
топографического контрастов применяют два детектора отраженных электронов Эверхарта–Торнли.
На рис. 2.8 приведен пример разделения контрастов. В случае
сложения сигналов детекторов D1 и D2 усиливается композиционный и устраняется топографический контраст. При вычитании
сигналов аннулируется композиционный и усиливается топографический контраст.
При получении изображения в поглощенных электронах сигналом служит ток поглощенных электронов, который равен току
первичных электронов за вычетом тока отраженных и вторичных
электронов. В итоге он зависит от количества эмитированных отраженных и вторичных электронов. Соответственно в сигнале приD1
D2
D1
D2
Сигнал
D1
D2
D1+D2
D1–D2
Композиционный
контраст
Топографический
контраст
Рис. 2.8. Использование парного детектора (D1, D2) для разделения
композиционного и топографического контрастов
51
сутствуют как композиционная, так и топографическая составляющая, причем они не разделяются.
При сканировании зонда по поверхности образца, имеющего
химическую неоднородность и сильно выраженный рельеф, интенсивность сигнала будет меняться. Для улавливания сигнала
не требуется специальный детектор. Его роль выполняет образец,
в котором образуются поглощенные электроны. Поток поглощенных электронов только усиливается, а затем передается в блок изображения. Метод широко использовался в ранних конструкциях
сканирующих микроскопов.
Сигналы, преобразованные детектором в электрический ток, после
усиления служат для модулирования яркости точек на экране. Формирование изображения поверхности объекта на экране будет происходить следующим образом. С помощью отклоняющих катушек 7 (см.
рис. 2.3) осуществляется сканирование тонко сфокусированного зонда
по поверхности образца. Оно проходит по линии. Совокупность параллельных линий (растр) дает представление о площади объекта. Генератор развертки 16, соединенный с отклоняющими катушками и монитором, обеспечивает синхронность передвижения электронного зонда
по образцу и электронного луча по экрану. Благодаря этому, каждая
точка на образце соответствует определенной точке на экране. В свою
очередь, яркость точки на экране определяется интенсивностью сигнала, поступающего от соответствующей точки образца.
Совокупность сигналов различной интенсивности создает контраст
яркости (изображение) на экране трубки. Увеличение микроскопа
определяется соотношением амплитуд развертки луча L по экрану
ЭЛТ и зонда l по поверхности образца и равно L/l. Так как максимальная длина развертки L на экране фиксирована, то повышение увеличения микроскопа достигается путем уменьшения l. Изменение амплитуды колебания зонда задается с помощью блока управления увеличением 17 путем изменения тока в отклоняющих катушках. Обычно
рабочий диапазон изменения увеличений, обеспечивающий высокую
четкость изображения поверхности, составляет 10–50000. Увеличение, превышающее максимальное полезное увеличение микроскопа,
обычно используется только для его фокусирования.
2.5. Подготовка объектов для исследований
и особые требования к ним
На РЭМ могут исследоваться как шлифы, так и поверхности объектов без предварительной подготовки. Изготовление шлифов к ис52
следованию в общем осуществляется так же, как и для светомикроскопического исследования. Однако есть и некоторые особенности.
Большая глубина резкости изображения позволяет получать дополнительную информацию, проводя глубокое травление шлифов.
В то же время при получении изображений в отраженных электронах шлифы травлению не подвергаются. Размеры образцов определяются габаритами камеры микроскопа. Образцы должны быть
электропроводящими [4, 5]. Для обеспечения их хорошего электрического контакта с предметным столиком и для фиксации образцов
при наклоне стола используют специальные токопроводящие клеи.
При исследовании непроводящих ток материалов-диэлектриков на
их поверхность наносится напылением тонкая пленка электропроводников – золото, графит и т. д. При работе с органическими материалами нужно учитывать, что при длительном контакте зонда
с образцом возможно термическое разрушение образца.
Перед испытанием образцы должны быть тщательно очищены,
чтобы не образовывались газообразные продукты, затрудняющие
получение требуемого вакуума при откачке микроскопа и загрязняющие его колонну. Рекомендуется проводить очистку образцов
в различных растворителях с использованием ультразвука. При
проведении топографических исследований нельзя допускать
окисления поверхностей излома.
2.6. Технические возможности растрового
электронного микроскопа
РЭМ позволяет непосредственно исследовать большие площади
поверхностей на массивных образцах и даже деталях в широком
диапазоне увеличений от 10 до 50000 и выше с достаточно высоким разрешением. При этом не требуется как для ПЭМ выполнение
сложных и длительных операций по изготовлению специальных
объектов – реплик, прозрачных для электронного луча. Исключается возможность погрешностей вследствие деформации реплик
при снятии их с объекта и под действием электронного луча.
На данном микроскопе можно исследовать общий характер
структуры всей поверхности объекта при малых увеличениях и детально изучить любой интересующий исследователя участок при
больших увеличениях. При этом отпадает необходимость в разработке специальных прицельных методов. Нужно также иметь
в виду, что изображение будет точно сфокусировано, когда область
зондирования пучком на образце меньше, чем размер элемента изо53
бражения. Переход от малых увеличений к большим осуществляется быстро и просто. Возможность быстрого изменения увеличения в процессе работы микроскопа от 10 до 50000 позволяет легко
устанавливать полезное увеличение. Оно определяется как
Ìïîë =
200 ìêì
,
d
где d – диаметр соответствующего элемента изображения в мкм.
РЭМ имеет большую глубину фокуса, что позволяет наблюдать
объемное изображение структуры с возможностью ее количественной оценки. Создаются условия прямого изучения структуры поверхностей с сильно развитым рельефом.
Данный микроскоп обычно снабжен микроанализаторами химического состава, что позволяет получать более полную информацию о поверхности изделия.
2.7. Современные виды растровых электронных
микроскопов
Растровые электронные микроскопы JEOL
1. JEOL JSM-7700F относится к растровым электронным микроскопам с автоэмиссионным катодом.
Новый микроскоп JSM-7700F (рис. 2.9) – единственный коммерческий микроскоп, электронная оптическая система которого
обеспечивает коррекцию и хроматической и сферической абберации. Кроме того, этот прибор имеет разрешение 0.6 нм на ускоряющем напряжении 5 кВ, что открывает новые возможности для исследования вещества на наноуровне. JSM-7700F специально оптимизирован для работы на низких ускоряющих напряжениях, что
особенно актуально для полупроводниковой промышленности.
Основные характеристики:
– разрешение: 0,6 нм (при 5 кВ), 1,0 нм (при 1 кВ);
– ускоряющее напряжение: от 0,1 до 4,9 кВ (с шагом 10 В), от 5
до 30 кВ с шагом (100 В);
– увеличение: от ×25 до ×2 000 000.
2. JEOL JSM-7401F (рис. 2.10) относится к растровым электронным микроскопам с автоэмиссионным катодом.
Эта модель растрового электронного микроскопа с автоэмиссионным катодом оснащена абсолютно новыми разработками фирмы JEOL: системой «Gentle Beam» и R-фильтром. Система «Gentle
Beam» предназначена для наблюдения тонкой структуры поверх54
Рис. 2.9. Растровый электронный микроскоп
JSM-7700F
Рис. 2.10. Растровый электронный микроскоп
JSM-7401F
55
ности образца и предполагает получение изображений высокого
разрешения даже при очень низких энергиях электронов (вплоть
до 0,1 кВ). R-фильтр дает возможность произвольно смешивать сигналы обратно-рассеянных и вторичных электронов, что позволяет
наблюдать изображения в любых режимах от топографического до
композиционного контраста.
Основные характеристики:
– разрешение: 1,0 нм (при 15 кВ), 1,5 нм (при 1 кВ);
– ускоряющее напряжение: от 0,1 до 30 кВ;
– увеличение: от ×25 до ×1000000.
3. JEOL JSM-7000F относится к растровым электронным микроскопам с автоэмиссионным катодом.
Новейший микроском JEOL JSM-7000F позволяет получать
изображения с очень высоким разрешением. Он оснащен многоцелевой камерой образцов со шлюзом для быстрой смены образцов,
автоматическим моторизованным столиком и функционально наполненным программным обеспечением. При этом он имеет совершенную геометрию оптической колонны, обеспечивающую большой ток зонда (до 200 нА) при его минимальном диаметре, что делает этот прибор идеальным для работы с приставками EDS, WDS,
EBSP и CL.
Основные характеристики:
– разрешение: 1,2 нм (при 30 кВ) и 3,0 нм (при 1 кВ);
– ускоряющее напряжение: от 0,5 до 2,9 кВ (с шагом 10 В), от 3
до 30 кВ с шагом (100 В);
– увеличение: от ×10 до ×500 000.
4. Серия JEOL JSM-6490/JSM-6490LV – это растровые электронные микроскопы с большой камерой образцов.
Новейшие приборы серии JSM-6490 – надежные и неприхотливые растровые электронные микроскопы с гарантированным разрешением 3 нм. Модель JSM-6490LV оснащена системой низкого
вакуума, позволяющей наблюдать водонасыщенные или непроводящие образцы без напыления. Эвцентрический столик образцов,
которым комплектуются эти приборы, позволяет изучать объекты
диаметром до 8 дюймов.
Основными особенностями приборов этой серии являются:
– термоэмиссионная пушка с вольфрамовым или LaB6 катодом;
– автоматическая настройка для типовых образцов;
– подуманный и компактный дизайн;
– полностью настраиваемый интерфейс программного обеспечения;
56
– супер-коническая объективная линза;
– полностью автоматическая вакуумная система.
Растровый электронный микроскоп МикроСкан МС20
Растровый электронный микроскоп серии МикроСкан МС20
(рис. 2.11) является малогабаритным, полностью компьютеризированным прибором второго поколения и имеет следующие модификации:
– МС20.1 – микроскоп общего применения (базовая модель);
– МС20.2 – микроскоп – микролитограф;
– МС20.3 – измерительный микроскоп для диагностики и количественных измерений параметров микроструктур;
– МС20.4 – микроскоп для катодолюминесценции (КЛ) и КЛ –
спектроскопии;
– МС20.5 -микроскоп для измерения линейных размеров;
– МС20.6 – низковакуумный РЭМ для биологии и медицины.
Основные технические характеристики базовой модели приведены в табл. 1.
Микроскоп выполнен по модульному принципу, что позволяет
при комплектации и замене соответствующих модулей (вакуумная
система, электронная оптика, детекторы) создавать специализированные приборы по техническому заданию заказчика. Например, имеется возможность оснащения МС20 энергодисперсионным
спектрометром фирмы Grasham Instr. (Великобритания), столом
Рис. 2.11. Растровый электронный микроскоп серии
МикроСкан МС20
57
Таблица 1
Основные технические характеристики базовой модели
Разрешающая способность в режиме ВЭ
5–10 нм
Рабочий отрезок
5–40 мм
Диапазон ускоряющих напряжений
0,1–30 кВ
Диапазон увеличений
10–300 000 крат
Диапазон тока пучка
1 пА – 1 мкА
X = ± 40 мм, Y = ± 40 мм, Т = от –5
Перемещение объекта по осям x, y, мм
до + 60°, R = 360°, Z = 8 до 35 мм
Время получения рабочего вакуума
20 мин
Готовность прибора к работе после смены объекта
5 мин
Потребляемая мощность
220 В (± 10%), 50/60 Гц, 2 кВА
Водяное охлаждение
2 л/мин, давление: от 0,05
до 0,2 МПа, температура: 20 °С
± 5 °С
Размеры главной консоли прибора
(длина, ширина, высота)
650 × 650 × 850 мм
Масса
200 кг
объектов фирмы Delong Instruments (Чешская Республика) и другими импортными комплектующими.
Блок электроники МС20 состоит из двух основных частей – видео-контрольного устройства и электронно-оптической системы
(колонны). Электроника колонны позволяет управлять пушкой,
источником высокого напряжения, линзами, стигматорами, различными юстировочными катушками и вспомогательными элементами.
Особенности растрового электронного микроскопа
Quanta 200
Вакуумная система Quanta 200 свободно переключается между
различными вакуумными режимами из программной оболочки без
дополнительных настроек и юстировок. Прибор функционирует
в трех вакуумных режимах:
1) высокий вакуум (около 10–5 мбар или 1000–500 Па). Режим
предназначен для получения изображений и проведения микроанализа проводящих образцов и/или образцов, подготовленных
классическими методами;
58
2) низкий вакуум (<1,3 мбар или <130 Па). Режим предназначен для получения изображений и проведения микроанализа непроводящих образцов без пробоподготовки;
3) режим естественной среды (режим ESEM™) (<26 мбар или
<2600 Па). Режим предназначен для получения изображений и
проведения микроанализа образцов, не устойчивых в условиях высокого вакуума, таких как водных растворов, органических, водои нефтесодержащих образцов с высоким газовыделением и т. д.
Пробоподготовки не требует.
Контрольные вопросы к главе 2
1. Для получения изображения поверхности образца не используются:
а) вторичные электроны;
б) отраженные электроны;
в) поглощенные электроны;
г) прошедшие электроны.
2. Разрешающая способность РЭМ определяется:
а) площадью сечения или диаметром зонда;
б) контрастом, создаваемым образцом и детекторной системой;
в) областью генерации сигнала в образце;
г) всем вышеперечисленным.
3. Исследования в РПЭМ проводятся на:
а) тонких образцах;
б) массивных образцах;
в) все вышеперечисленное.
4. В качестве детектора вторичных электронов используется:
а) детектор Эверхарта-Торнли;
б) стигматор;
в) цилиндр Венельта;
г) электронно-захватный детектор.
5. Выберите неверное утверждение:
а) формирование контраста в РЭМ определяется разностью детектируемых сигналов от соседних участков образца, чем она больше, тем выше контраст изображения;
б) вторичные электроны являются в РЭМ главным источником
информации для получения изображения поверхности объекта;
в) вариации наклона микроучастков поверхности вызывают слабо выраженные изменения в выходе вторичных электронов;
г) важной особенностью эмиссии отраженных электронов является ее зависимость от атомного номера элементов.
59
6. Выберите неверное утверждение:
а) автоэлектронные источники могут работать только в условиях сверхвысокого вакуума;
б) хроматическую аберрацию уменьшают путем стабилизации
ускоряющего электроны напряжения и электрического тока в линзах;
в) возникновение сферической аберации связано с нарушением
магнитной или геометрической симметрии линзы;
г) на РЭМ могут исследоваться как шлифы, так и поверхности
объектов без предварительной подготовки.
60
Глава 3. ПРИНЦИПЫ СКАНИРУЮЩЕЙ ЗОНДОВОЙ
МИКРОСКОПИИ
В настоящее время существует целый ряд способов получения
информации о структуре вещества в нанометровом диапазоне размерностей. Среди них сканирующая зондовая и электронная микроскопии, различные виды спектроскопии, рентгеноструктурный
анализ, ядерный магнитный резонанс и др. Ограничимся описанием базовых на сегодняшний момент средств и методов сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ) [3].
СЗМ обладает достаточно широким набором методик для исследования поверхностей. Общим для всех методов является наличие
заостренного зонда как инструмента работы с поверхностью образцов. Существуют контактные, полуконтактные и бесконтактные
режимы работы, а также различные режимы работы, среди которых: туннельный режим, атомно-силовой режим, режим спектроскопии, метод зонда Кельвина, режимы электросиловой, магнитносиловой, ближнепольной оптической, конфокальной микроскопии и др. С помощью этих методик можно измерять не только
топологию структуры, но и множество специальных свойств, таких как модули упругости, распределение различных веществ по
поверхности, степень шероховатости поверхности, распределение
статического заряда, ориентация магнитных доменов и многое другое. (табл. 2).
Таблица 2
Характеристики основных методов и методик микроскопии
Наименование
Общие характеристики
1. Сканирующая туннельная микроскопия (СТМ)
1.1
Измерение рельефа поверхности при сканироМетод постоянно- вании образца проводящим зондом, при этом
го тока (Constant система обратной связи поддерживает постоянCurrent mode)
ной величину туннельного тока между зондами
и поверхностью
Метод постоянной
высоты
1.2
(Constant Height
mode)
Измерение рельефа поверхности при сканировании образца проводящим зондом, при этом
система обратной связи поддерживает постоянной величину туннельного тока между зондом
и поверхностью и z-координата сканера поддерживается постоянной
61
Продолжение табл. 2
Наименование
Общие характеристики
1.3
Метод
отображения
работы выхода
Измерение рельефа поверхности получается
путем поточечного измерения логарифмических изменений туннельного тока при изменении расстояния зонд-образец
1.4
Метод I(z)спектроскопии
Измеряет туннельный ток в зависимости от
расстояния зон-образец в каждой точке СТМ
изображения
Метод I(v)спектроскопии
Предполагает одновременное получение обыч(or Current
1.5
ного изображения рельефа при фиксированных
Imaging Tunneling
значениях тока Io и напряжения смещения Vo
Spectroscopy,
CITS)
2. Контактная сканирующая атомно-силовая микроскопия (КАСМ)
Измерение рельефа поверхности при сканиМетод постоянной
ровании образца зондом, находящимся с ним
силы
2.1
в непосредственном контакте, при этом система
(Constant Force
обратной связи поддерживает постоянной силу
mode)
прижима зонда к поверхности
Измерение рельефа поверхности при сканиМетод постоянной
ровании образца зондом, находящимся с ним
высоты
2.2
в непосредственном контакте, при этом система
(Constant Height
обратной связи разомкнута и z-координата скаmode)
нера поддерживается постоянной
Отображение сигнала рассогласования на входе
Контактный метод
системы обратной связи в процессе реализации
рассогласования
2.3
метода постоянной силы обеспечивает подчер(Contact Error
кивание малоразмерных деталей рельефа поmode)
верхности
2.4
Микроскопия латеральных сил
(Lateral Force
Microscopy)
2.5
Метод модуляции
силы
Отображение распределения локальной упру(Force Modulation гости по поверхности образца
mode)
2.6
Отображение силы
растекания
Отображение распределения локальной прово(Spreading Resist- димости образца
ance Imaging)
62
Отображение распределения локальной силы
трения по поверхности образца
Продолжение табл. 2
Наименование
Общие характеристики
Контактная электростатическая
Отображение распределения электрического
2.7 силовая микроско- потенциала по поверхности образца, характепия (ЭСМ)
ризуется повышенным разрешением
(Contact EFM)
2.8
Атомно-силовая
акустическая
микроскопия
(АСАМ) (Atomicforce acoustic
microscopy,
AFAM)
Отображение распределения локальной упругости по поверхности образца
2.9
АСАМ резонансная спектоскопия
(AFAM Resonance
Spectroscopy)
Отображение распределения локальной упругости по поверхности образца с возможностью
получения количественных данных по распределению приведенного модуля Юнга
3. Прерывисто-контактная сканирующая силовая микроскопия
Прерывисто-контактный метод
Измерение рельефа поверхности с использованием колеблющегося с резонансной частотой
зонда. В процессе сканирования острие зонда
в нижней точке колебаний слегка касается поверхности образца
Прерывисто-контактный метод
3.2 рассогласования
(Semicontact Error
mode)
Отображение сигнала рассогласования на входе
системы обратной связи в процессе реализации
прерывисто-контактного метода, обеспечивает
подчеркивание малоразмерных деталей рельефа поверхности
3.1
3.3
Метод отображения фазы
(Phase Imaging
mode)
Отображение особенностей рельефа, поверхностной адгезии и вязкоупругости, определяющих фазовую задержку колебаний зонда
4. Бесконтактная атомно-силовая микроскопия (Non Contact AFM)
Измерение рельефа поверхности с использованием колеблющегося с резонансной частотой
Бесконтактный
зонда. В процессе сканирования острие зонда
4.1
метод АСМ
не касается поверхности образца, а обратная
(Non-Contact mode)
связь поддерживает постоянную амплитуду колебания зонда
63
Окончание табл. 2
Наименование
Общие характеристики
5. Многопроходные методики (Many-pass techniques)
Статическая
магнитно-силовая микроскопия
5.1
(СМСМ)
(DC Magnetic Force
Microscopy, DC
MFM)
Отображает распределение магнитной структуры поверхности, связанной с локальными различиями распределения первой производной
магнитного поля
Динамическая
магнитно-силовая микроскопия
5.2
(ДМСМ)
(AC Magnetic Force
Microscopy, AC
MFM
Отображение распределения магнитной структуры поверхности, связанной с локальными
различиями распределения второй производной магнитного поля
Электростатическая силовая миОтображает распределение электрического по5.3 кроскопия (ЭСМ)
тенциала по поверхности образца
(Electrostatic Force
Microscopy, EFM)
5.4
Метод зонда
Кельвина
(Kelvin Probe
Microscopy)
Измерение распределения электрического потенциала по поверхности образца
5.5
Сканирующая
емкостная микроОтображение распределения локальной поскопия (СЭМ)
верхностной электрической емкости в системе
(Scanning
проводящий образец – проводящее острие
Capacitance
Microscopy, SCM)
6
Сканирующая ближнепольная оптическая микроскопия (СБОМ) –
это возможность изучать оптические свойства образца (его способность отражать, пропускать, рассеивать свет) с пространственным
разрешением несколько десятков нанометров
Представленные в сводной таблице методы являются базой для
реализации на их основе различных спектроскопических и нанолитографических операций. Возможности отдельных СЗМ, совокупности методик и оборудования для исследования и модификации
64
поверхности твердотельных объектов на наноразмерном уровне будут рассмотрены ниже более подробно.
Сканирующая зондовая микроскопия – это совокупность методов определения с помощью различных микрозондов локальных
механических, электрических, магнитных и других свойств поверхности. Соответствующие результаты измерений представляют
собой массивы измерительных данных, визуализируемые в виде
дву- или трехмерных изображений поверхности исследуемых объектов с пространственным разрешением в доли нанометров [6].
Сканирующие зондовые микроскопы как техническое решение
появились в 80-х годах прошлого столетия.
Являясь не только измерительными приборами, но и инструментами, с помощью которых можно формировать и исследовать
наноструктуры, зондовые микроскопы призваны стать базовыми
физическими метрологическими инструментами XXI века.
В настоящее время создано целое семейство сканирующих зондовых микроскопов – приборов, в которых исследуемая поверхность
сканируется специальной иглой-зондом, а результат регистрируется в виде туннельного тока (туннельный микроскоп), механического отклонения микрозеркала (атомно-силовой микроскоп), локального магнитного поля (магнитный силовой микроскоп), электростатического поля (электростатический силовой микроскоп) и
другими способами.
В настоящее время они объединены под общим названием – сканирующая зондовая микроскопия [7]. Этот термин относится к любым типам микроскопов, в которых изображение формируется за
счет перемещения (сканирования) острого микрозонда (иглы) над
исследуемой поверхностью.
СЗМ является одним из наиболее мощных современных методов
исследования морфологии (микро- и нанорельефа) и локальных
свойств поверхности твердого тела и наноструктур на этой поверхности с высоким пространственным разрешением.
Общим принципом их работы является наличие микрозонда
с весьма тонким наконечником, причем указанный наконечник
перемещается либо вблизи поверхности образца, либо касаясь этой
поверхности. Вертикальные отклонения микрозонда (его называют
иглой кантилевера), возникающие при огибании микро- и нанонеровностей поверхности, фиксируются с помощью лазерного луча.
Исследование морфологии и локальных свойств методами СЗМ
проводится с помощью специальным образом приготовленных зондов. Высота таких зондов (острие) составляет 3–15 мкм, типичный
65
P0
ОС
ИЭ
P
P
P0
Z
Z0
Рис. 3.1. Схема организации системы обратной связи зондового
микроскопа: ИЭ – исполнительный элемент;
ОС – обратная связь
радиус кривизны зонда – порядка 10 нм. Расстояние между зондом
и поверхностью образцов в зондовых микроскопах выдерживается
от 0,1 до 10 нм. В основе работы СЗМ лежат различные типы взаимодействия зонда с поверхностью. Работа туннельного микроскопа
основана на явлении протекания туннельного тока между металлической иглой и проводящим образцом. В основе работы атомно-силового, магнитно-силового, электро-силового и других силовых микроскопов лежат различные типы силового взаимодействия [6, 7].
Общие черты, присущие различным СЗМ, можно представить
следующим образом. Пусть взаимодействие зонда с поверхностью
характеризуется некоторым параметром Р. Если существует достаточно резкая и взаимно однозначная зависимость параметра Р от
расстояния между зондом и образцом Р = P(z), то данный параметр
может быть использован для организации системы обратной связи, контролирующей расстояние между зондом и образцом. Общий
принцип организации системы обратной связи схематично показан
на рис. 3.1.
Система обратной связи поддерживает значение параметра Р постоянным, равным величине Р0, задаваемой оператором. Если расстояние зонд-поверхность изменяется (например, увеличивается),
то происходит изменение (увеличение) параметра Р.
В системе обратной связи формируется разностный сигнал,
пропорциональный величине АР = Р – Р0, который усиливается до
нужной величины и подается на исполнительный элемент. Ис66
полнительный элемент отрабатывает данный разностный сигнал,
приближая зонд к поверхности или отодвигая его до тех пор, пока
разностный сигнал не станет равным нулю. Таким образом можно поддерживать расстояние зонд-образец с высокой точностью.
В существующих СЗМ точность удержания расстояния зондповерхность достигает величины 0,001 нм. При перемещении зонда вдоль поверхности образца происходит изменение параметра
взаимодействия Р, обусловленное рельефом поверхности. Система
обратной связи и отрабатывает эти изменения. При сканировании
зонд вначале движется над образцом вдоль определенной линии
(строчная развертка), при этом величина сигнала на исполнительном элементе, отражающая рельеф поверхности, записывается
в память компьютера. Затем зонд возвращается в исходную точку и
переходит на следующую строку сканирования (кадровая развертка), и процесс повторяется вновь. Записанный таким образом при
сканировании сигнал обратной связи обрабатывается компьютером, и затем СЗМ-изображение рельефа поверхности z = (x, у) строится с помощью средств компьютерной графики. Наряду с исследованием рельефа поверхности СЗМ позволяет изучать различные
свойства поверхности: механические, электрические, магнитные,
оптические и многие другие.
Информация, полученная с помощью СЗМ, хранится в виде двумерного массива целых чисел (матрицы). Физический смысл данных чисел определяется той величиной, которая оцифровывалась
в процессе сканирования. Каждому значению пары индексов х,
у соответствует определенная точка поверхности в пределах поля
сканирования. Как правило, такие массивы чисел представляют собой квадратные матрицы, имеющие размер 256 × 256 или 512 × 512
элементов. Визуализация СЗМ-данных производится средствами
компьютерной графики – в основном, в виде трехмерных и двумерных яркостных (или цветовых) изображений; в программном обеспечении микроскопов предусматривается набор средств представления графиков функций. В последнем случае яркость или цвет
однозначно связаны с представляемой величиной в данной точке
поверхности.
Локальные СЗМ-измерения, как правило, сопряжены с регистрацией зависимостей исследуемых величин от различных параметров. Это могут быть зависимости величины электрического
тока через контакт зонд-поверхность от приложенного напряжения, зависимости различных параметров силового взаимодействия
зонда и поверхности от расстояния зонд-образец и др.
67
Как правило, все СЗМ-изображения содержат постоянную составляющую, которая не несет полезной информации о рельефе
поверхности, а отражает точность подвода образца в середину динамического диапазона перемещений сканера по оси z. Постоянная
составляющая удаляется из СЗМ кадра программным способом.
Далее, почти все изображения поверхности, получаемые с помощью СЗМ, имеют общий наклон. Это может быть обусловлено несколькими причинами. Во-первых, наклон может появляться
вследствие неточной установки образца относительно зонда; вовторых, он может быть связан с температурным дрейфом, который
приводит к смещению зонда относительно образца; в-третьих, он
может быть обусловлен нелинейностью перемещений пьезосканера. На отображение наклона тратится большой объем полезного
пространства в СЗМ-кадре, так что становятся не видны мелкие детали изображения. Для устранения данного недостатка производят
операцию вычитания постоянного наклона.
3.1. Сканирующая туннельная микроскопия
Первым из класса СЗМ был создан сканирующий туннельный
микроскоп (рис. 3.2). Измерение линейных размеров с помощью
сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) основано на квантовом эффекте туннелирования электронов через узкий потенциальный барьер между исследуемой металлической поверхностью
и острием микрозонда. Туннелирование хорошо изучено в случае
плоских электродов, который на практике реализуется, например,
в системах металл-диэлектрик-металл. В случае данного микроскопа один из плоских электродов заменяется острием-иглой, которое крепится на X-, Y-, Z-позиционере (рис. 3.2).
Работа микроскопа осуществляется следующим образом.
1-й режим: острие линейно перемещается в латеральной плоскости образца. При этом при изменении высоты острия над текущей
точкой поверхности образца изменяется туннельный ток. Таким
образом, измеренное изменение силы тока отображает изменение
высот поверхности (рис 3.3).
2-й режим: острие перемещается над поверхностью, при этом
с помощью обратной связи, воздействующей на пьезоэлемент, на котором закреплено острие, туннельный ток поддерживается постоянным. Тогда в соответствии с рельефом поверхности исследуемого
образца меняется напряжение на управляющем пьезоэлементе. Получаемый при сканировании сигнал непосредственно дает информацию о топографии поверхности в атомном масштабе (рис 3.4).
68
Рис. 3.2. Сканирующий туннельный микроскоп
Следует подчеркнуть следующие достоинства метода измерений
линейных размеров с помощью СТМ:
– неразрушающий характер измерений, обусловленный отсутствием механического контакта и низкой энергией туннелирующих электронов;
– возможность проводить измерения как в вакууме, так и при
атмосферных условиях, а также в диэлектрических жидкостях;
– возможность работы в широком диапазоне температур;
– относительно высокая скорость формирования изображения
измеряемого объекта с атомным разрешением.
69
Рис.3.3. Работа сканирующего
туннельного микроскопа
(1-й режим)
Рис.3.4. Работа сканирующего
туннельного микроскопа
(2-й режим)
Получившая уже достаточно широкое распространение СТМ,
хотя и обладает значительно более высоким разрешением, чем РЭМ,
однако не позволяет напрямую получать изображение поверхности
непроводящих материалов. Кроме того, на точности отображения
рельефа поверхности в СТМ заметно сказываются плотность электронных состояний вблизи поверхности и работа выхода, наличие
природных и индуцированных током иглы СТМ-адсорбатов.
3.2. Атомно-силовая микроскопия
В отличие от СТМ метод атомно-силовой микроскопии (АСМ)
пригоден для проведения измерений как на проводящих, так и на
непроводящих поверхностях в вакууме, в воздухе и в жидкой среде.
Принципы действия атомно-силового и туннельного микроскопов практически одинаковы, только в отличие от туннельного работа атомно-силового микроскопа основана на использовании сил
межатомных связей. Эти приборы регистрируют очень малые силы
(10–8–10–13 Н), характерные для межатомного взаимодействия.
Этим они принципиально отличаются от обычных профилометров,
в которых сила взаимодействия зонда с поверхностью превышает
10–4 Н.
Обычно в атомно-силовых микроскопах используются зонды
кантилеверного типа. Такой зонд состоит из гибкого кантилевера,
острой иглы и подложки. Кантилевер является балкой, один конец
которой закреплен, а второй свободен. Острая игла находится на
70
свободном конце кантилевера. Кантилевер закреплен на твердой
подложке, которая вставляется в держатель зонда. Обычно кантилеверы имеют длину 80–350 мкм, а острие – длину 3–15 мкм;
радиус его кривизны составляет около 10 нм. Чем меньше радиус
кривизны острия, тем большее разрешение может быть получено.
Большинство кантилеверов имеет треугольную (V-образную) или
прямоугольную форму и изготовлены из кремния или нитрида
кремния. Важные параметры кантилевера – коэффициент упругости (жесткость) и резонансная частота. Величина коэффициента
упругости определяется геометрическими размерами и материалом кантилевера и для различных кантилеверов лежит в интервале
от 0,01 до 100 Н/м.
При приближении острия кантилевера к поверхности образца
на него начинает действовать Ван-дер-Ваальсова сила притяжения. Она достаточно дальнодействующая и заметна с расстояния
десятков ангстрем. Затем, на расстоянии в несколько ангстрем, начинает действовать сила отталкивания. Во влажном воздухе на поверхности образца присутствует слой воды. Возникают капиллярные силы, дополнительно прижимающие острие зонда к образцу и
увеличивающие минимально достижимую силу взаимодействия.
Между зондом и образцом довольно часто может возникать и электростатическое взаимодействие. Оно может носить как отталкивающий, так и притягивающий характер. Ван-дер-Ваальсовы силы
притяжения, капиллярные, электростатические силы, силы отталкивания в области касания иглы с поверхностью образца и силы,
действующие на иглу со стороны деформированного кантилевера,
уравновешивают систему.
Физической основой работы атомно-силового микроскопа является силовое взаимодействие острия зонда и поверхности. В общем
случае данная сила имеет как нормальную к поверхности, так и латеральную (лежащую в плоскости поверхности образца) составляющие. Реальное взаимодействие зонда с образцом имеет сложный
характер, однако основным является то, что зонд микроскопа испытывает притяжение со стороны образца на больших и отталкивание на малых расстояниях. Получение изображений рельефа поверхности связано с регистрацией малых изгибов кантилевера; для
этой цели широко используются оптические методы. Оптическая
система атомно-силового микроскопа юстируется таким образом,
чтобы излучение полупроводникового лазера фокусировалось на
консоли зондового датчика, а отраженный пучок попадал в центр
фоточувствительной области фотоприемника (рис. 3.5). В качестве
71
a)
Фотодиод
Лазер
б)
Фотодиод
(1)
(2)
(3)
(4)
Рис. 3.5. Схема оптической регистрации изгиба консоли зондового
датчика АСМ (а) и устройство фотодиода (б)
позиционно-чувствительных фотоприемников применяются четырехсекционные полупроводниковые фотодиоды.
AСM функционирует в двух режимах:
– управления с обратной связью;
– без управления с обратной связью.
Когда включена электронная цепь обратной связи, позиционер,
перемещающий образец (или наконечник) вверх или вниз, реагирует на любые изменения силы взаимодействия и изменяет зазор
между острием и поверхностью образца, восстанавливая силу взаимодействия до предписанного значения (рис. 3.6). Этот режим именуется режимом постоянной силы и обычно обеспечивает получение топографического изображения.
Без включения цепи обратной связи микроскоп функционирует в режиме постоянной высоты или режиме отклонения. Этот
режим, в частности, весьма полезен при получении изображений
с высоким разрешением особо плоских образцов. Часто желательно иметь незначительный коэффициент усиления в цепи обратной
связи во избежание теплового дрейфа или возможности серьезного
повреждения наконечника и/или консоли.
Существует три метода измерения топографии поверхности при
помощи атомно-силового микроскопа с точки зрения типа и степени взаимодействия (рис. 3.7):
– контактная АСМ – измерение топографии поверхности в контактном режиме, т. е. острие зонда непосредственно контактирует
с поверхностью образца в процессе сканирования;
– бесконтактная АСМ – измерение топографии поверхности
в бесконтактном режиме (острие зонда непосредственно не контак72
Рис. 3.6. Атомно-силовой микроскоп
Сила, F
тирует с поверхностью), основанном на использовании вибрационной методики;
– полуконтактная АСМ, называемая также прерывисто-контактной, которая соответствует измерению топографии поверхности на основе вибрационной методики, при которой колеблющееся
острие зонда слегка стучит по поверхности образца.
Контраст изображения достигается различными способами.
Контактный режим
Контактный режим. Наконечник и образец в процессе сканирования плотно контактируют
Расстояние, d
~2 нм
друг с другом. Однако при этом
возникают значительные поперечные усилия. Контактный
Бесконтактный
режим подразумевает отсутствие
режим
наведенных колебаний в вертикальной плоскости, а только
последовательное перемещение
Рис. 3.7. Режим работы
атомно-силового микроскопа
иглы кантилевера по поверхно73
сти образца. При этом зафиксированное системой лазерного съема
отклонение иглы кантилевера повторяет вертикальный профиль
поверхности образца при условии, что игла не деформирует образец.
Полуконтактный (ударный) режим или режим касания. При
работе в воздухе или в атмосфере других газов консоль вибрирует
с резонансной частотой (часто порядка сотен килогерц) и располагается над поверхностью образца таким образом, чтобы острие наконечника касалось ее на время, равное сверхмалой части периода
колебаний. Это обеспечивает значительное ослабление поперечных
усилий, присущих контактному режиму. Система лазерного съема
передает траекторию колебаний в систему обработки и, после детектирования, выдает вертикальный профиль поверхности исследуемого образца как среднее положение в каждом цикле колебаний
кантилевера. Этот метод щадящий как для исследуемого объекта,
так и для иглы кантилевера. Такой режим особенно предпочтителен в случае образцов из мягких материалов.
Бесконтактный режим. Консоль вибрирует над поверхностью
образца на расстоянии, не превышающем таковое в режиме отталкивания, определяемом зависимостью внутри молекулярных сил.
Для AСМ это весьма трудный режим функционирования в окружающей среде, поскольку тонкий водяной слой на поверхности
образца формирует небольшую капиллярную перемычку между
острием и поверхностью и порождает режим работы наконечника
«от прыжка к контакту».
Контактная атомно-силовая микроскопия
При использовании контактных методов кантилевер изгибается
под действием сил отталкивания, действующих на зонд.
Сила отталкивания F, действующая на зонд, связана с величиной отклонения
Величина вертикальных смещений кантилевера измеряется с помощью оптической системы регистрации и преобразуется
в электрический сигнал DFL. В контактных методах сигнал DFL
используется в качестве параметра, характеризующего силу взаимодействия между зондом и поверхностью образца. Величина DFL
прямо пропорциональна силе взаимодействия [8].
Метод постоянной силы
При использовании метода постоянной силы (рис. 3.8) величина изгиба кантилевера поддерживается в процессе сканирования
74
Рис.3.8. Метод постоянной силы
постоянной при помощи системы обратной связи. Таким образом,
вертикальные смещения сканера отражают рельеф поверхности
исследуемого образца.
Метод постоянной силы обладает определенными достоинствами и недостатками.
Основным достоинством метода постоянной силы является возможность наряду с измерениями рельефа поверхности проводить
измерения и других характеристик – сил трения, сопротивления,
растекания и др.
К числу недостатков метода постоянной силы относится ограничение скорости сканирования временем отклика системы обратной
связи.
При исследовании относительно мягких материалов (подобно полимерам, биологическим объектам, ЛБ-пленкам и т. д.) они
могут разрушаться (процарапываться), поскольку зонд в процессе
сканирования находится в непосредственном контакте с поверхностью исследуемого образца. При исследовании относительно
мягких неоднородных материалов локальный прогиб поверхности
образца меняется в процессе сканирования, что приводит к искажениям получаемого рельефа поверхности. Возможное наличие
существенных капиллярных сил, обусловленных наличием слоя
воды, также приводит к ухудшению разрешения.
75
Латерально-силовая микроскопия
Латерально-силовая микроскопия позволяет различать области
с различными коэффициентами трения, а также подчеркивать особенности рельефа поверхности. Латерально-силовая микроскопия
может быть полезна при исследовании полупроводников, полимеров, пленочных покрытий, запоминающих сред, при изучении
физико-химических свойств поверхности, в частности химических
особенностей (например, загрязнения), трибологических характеристик.
Физическая сущность латерально-силовой микроскопии заключается в следующем. При сканировании по методу постоянной
силы в направлении, перпендикулярном продольной оси кантилевера, кроме изгиба кантилевера в нормальном направлении возникает дополнительный торсионный изгиб кантилевера (рис. 3.9). Он
обусловлен моментом силы, действующей на острие зонда.
Угол закручивания при малых отклонениях зонда пропорционален латеральной силе. Величина угла закручивания кантилевера
измеряется оптической системой регистрации. Система регистрации формирует сигнал LF, изменение которого пропорционально
величине торсионного изгиба кантилевера. Данный сигнал используется для получения изображения локальной силы трения по поверхности образца.
При движении по плоской поверхности, на которой присутствуют участки с разным коэффициентом трения, угол закручивания
будет изменяться от участка к участку. Это позволяет говорить об
Рис. 3.9. Сканирование по методу постоянной силы
76
измерении локальной силы трения. Если присутствует развитый
рельеф, то такая интерпретация невозможна.
Тем не менее этот вид измерений позволяет получать изображения, на которых хорошо видны мелкие особенности рельефа. Например, при измерениях латеральных сил легко проводятся измерения параметров кристаллической решетки на слюде и некоторых
других слоистых материалах.
Метод постоянной высоты
В методе постоянной высоты (рис. 3.10) кончик зонда находится в контакте с поверхностью. При сканировании закрепленный
на чипе конец кантилевера поддерживается на постоянной высоте.
Таким образом, отклонения (изгиб) кантилевера отражают рельеф
поверхности исследуемого образца.
Отсутствие инерциальной системы обратной связи дает возможность сканировать с более высокими скоростями, чем в методе постоянной силы.
Поскольку для каждого типа используемого кантилевера известна зависимость изгиба кантилевера от расстояния между основанием балки кантилевера и поверхностью образца, по силе изгиба
можно определять рельеф поверхности.
Рис. 3.10. Метод постоянной высоты
77
Кроме того, если известны константа жесткости используемого
кантилевера и его геометрические размеры, изображение распределения сигнала нормального изгиба кантилевера можно преобразовать в изображение распределения локальной силы, действующей на кантилевер.
Однако нужно помнить, что при больших изгибах кантилевера зависимость сигнала DFL становится нелинейной. Примерный
диапазон линейности зависит от кантилевера: чем короче кантилевер, тем меньше диапазон.
К недостаткам метода относится требование достаточной гладкости поверхности образцов. Кроме того, при исследовании мягких
образцов (подобных полимерам, биологическим объектам и т. д.)
они могут разрушаться, поскольку зонд находится в непосредственном механическом контакте с поверхностью. При сканировании относительно мягких образцов с развитой поверхностью сила
давления зонда на поверхность варьируется, одновременно неравномерно прогибается и поверхность образца. В результате полученный рельеф поверхности может быть искажен.
Отображение сопротивления растекания
Наиболее простой способ визуализации электрических характеристик поверхности реализован методом отображения сопротивления растекания (рис. 3.11). Он является весьма продуктивным
АСМ-методом, используемым при различных исследованиях, например, при обнаружении дефектов в проводящих и слабо проводящих пленках, характеризации материалов в терминах локального
сопротивления. Отображение сопротивления растекания возможно при использовании проводящего зонда, находящегося в контакте с поверхностью образца. К зонду прикладывается напряжение
смещения, и проводятся измерения результирующего тока через
образец в зависимости от положения зонда одновременно с получением данных о рельефе по методу постоянной силы. Как легко показать, в предположении постоянного контактного сопротивления
зонд–поверхность при заданном смещении величина измеряемого
тока пропорциональна локальному сопротивлению исследуемого
образца.
Типичными применениями метода являются, например, определение реальных размеров зазора исток-сток МДП-транзистора,
глубины залегания p-n-перехода, определение распределения концентрации легирующих примесей в полупроводниковых структурах.
78
Рис. 3.11. Метод отображения
Контактный метод рассогласования
В процессе сканирования в соответствии с рельефом поверхности образца изменяется величина изгиба кантилевера. Цепь обратной связи стремится поддержать заданный уровень величины изгиба кантилевера, точнее, уровень сигнала, связанного с изгибом.
Однако цепь обратной связи не может мгновенно отработать резкие
изменения высоты рельефа, поскольку обладает некоторой инерционностью (характеризуемой постоянной времени).
Таким образом, возникают кратковременные импульсы рассогласования цепи обратной связи, которые и содержат дополнительную информацию о рельефе поверхности. Это явление может быть
использовано для более точного воспроизведения рельефа. Метод,
в котором одновременно с получением изображения рельефа поверхности по методу постоянной силы, производится измерение
сигнала цепи обратной связи называется контактным методом рассогласования (рис. 3.12).
Этот метод может быть полезен для отыскания мелких неоднородностей на фоне крупных и относительно гладких особенностей
рельефа.
79
Рис. 3.12. Контактный метод рассогласования
Полуконтактная атомно-силовая микроскопия
При реализации полуконтактных методов кантилевер, наряду
с поступательным движением, совершает колебательные движения в вертикальной плоскости таким образом, чтобы в нижней точке колебания игла касалась поверхности измеряемого объекта.
АСМ-методики, основанные на регистрации параметров взаимодействия колеблющегося кантилевера с поверхностью образца, позволяют существенно уменьшить механическое воздействие зонда
на поверхность в процессе сканирования. Кроме того, развитие колебательных методик существенно расширило арсенал возможностей АСМ по измерению различных свойств поверхности образцов.
Все это способствовало тому, что на практике чаще используется
полуконтактный режим. При работе в этом режиме возбуждаются
вынужденные колебания кантилевера вблизи резонанса с ампли80
тудой порядка 10—100 нм. Кантилевер подводится к поверхности
так, чтобы в нижнем полупериоде колебаний происходило касание
поверхности образца. При сканировании образца регистрируется
изменение амплитуды и фазы колебаний кантилевера. Взаимодействие кантилевера с поверхностью в полуконтактном режиме состоит из ван-дер-ваальсового взаимодействия, к которому в момент
касания добавляется упругая сила, действующая на кантилевер со
стороны поверхности.
Формирование АСМ-изображения поверхности в полуконтактном режиме происходит следующим образом. С помощью пьезовибратора возбуждаются колебания кантилевера на частоте, близкой
к резонансной частоте кантилевера. При сканировании система
обратной связи атомно-силового микроскопа поддерживает постоянной амплитуду колебаний кантилевера на уровне, задаваемом
оператором. Напряжение в петле обратной связи и записывается
в память компьютера в качестве АСМ-изображения рельефа поверхности. Одновременно при сканировании образца в каждой
точке может регистрироваться изменение фазы колебаний кантилевера, которое записывается в виде распределения фазового контраста.
Полуконтактный метод рассогласования
При работе по полуконтактному методу (рис. 3.13) при сканировании в соответствии с рельефом поверхности образца возникает
отклонение текущей величины амплитуды колебаний кантилевера. Обратная связь стремится поддержать заданный уровень амплитуды колебаний кантилевера, точнее, уровень сигнала, связанного с амплитудой. Однако цепь обратной связи обладает некоторой инерционностью (характеризуемой постоянной времени).
При сканировании текущее значение сигнала, связанного с амплитудой колебаний кантилевера, является сигналом рассогласования цепи обратной связи и содержит дополнительную информацию о рельефе поверхности. Этот сигнал может быть использован
для более точного воспроизведения рельефа. Метод, в котором одновременно с получением изображения рельефа поверхности по полуконтактному методу, производится измерение сигнала рассогласования, называется полуконтактным методом рассогласования.
Полуконтактный метод рассогласования аналогичен контактному методу рассогласования и может быть полезен для отыскания
мелких неоднородностей на фоне крупных и относительно гладких
особенностей рельефа.
81
Рис. 3.13. Полуконтактный метод
Многопроходные методы
Многопроходные методы обычно используются в задачах, где помимо рельефа поверхности образца необходимо определять также и
иные характеристики, при этом необходимо исключить влияние на
них рельефа поверхности. При сканировании строки производится
следующая процедура. На первом проходе сканируемой строки получаем рельеф поверхности с применением контактного или полуконтактного методов. На втором проходе проводим измерения электрических сил или потенциалов, магнитных полей, диссипаций,
распределений емкости и т. д. Для исключения влияния рельефа
поверхности на результаты измерений на втором проходе зондовый
датчик отодвигается от поверхности на расстояние dZ и движется
по траектории, повторяющей рельеф образца. Расстояние dZ подбирается таким образом, чтобы между колеблющимся зондом и образ82
цом оставалось достаточное расстояние, исключающее влияние рельефа на получаемый результат. Но это расстояние не должно быть
очень большим, так как в этом случае уменьшается измеряемый
сигнал и ухудшается латеральное разрешение. В некоторых случаях может быть необходимым и третий проход для исключения влияния не только рельефа, но и поверхностного электрического поля.
Магнитная силовая микроскопия
Магнитная силовая микроскопия (МСМ) позволяет получить
изображение пространственного распределения магнитных сил
по поверхности образца. МСМ позволяет изучать характеристики
магнитных носителей, магнитную структуру магнетиков, достигая при этом субмикронного разрешения, магнитные поля токовых
шин и пр. Наиболее важной задачей является минимизация влияния рельефа на изображение распределения магнитных сил по
поверхности образца. Для решения этой задачи магнитные измерения осуществляются с помощью двухпроходного метода.
Проведение магнитных измерений выполняется с помощью одного из двух методов: статического или динамического. Различия
между методами состоят в выполнении второго прохода. При работе в статической МСМ на втором проходе регистрируется отклонение неколеблющегося кантилевера, а при работе в динамической
МСМ регистрируется изменение фазы колеблющегося на резонансной частоте кантилевера.
В процессе сканирования производится следующая процедура.
На первом проходе сканируемой строки определяется рельеф по
контактному или полуконтактному методу (рис. 3.14).
Рис. 3.14. Первый проход. Определение рельефа поверхности
83
Затем зондовый датчик отводится от поверхности образца на
расстояние dZ. На втором проходе той же строки датчик движется
над поверхностью по траектории, повторяющей рельеф поверхности, т. е. во время второго прохода расстояние между сканируемой
поверхностью и зондовым датчиком поддерживается постоянным.
Это расстояние должно быть достаточно большим, чтобы исключить влияние рельефа поверхности. В этом случае зонд подвергается воздействию только дальнодействующих сил, основной вклад
в которые осуществляется магнитными силами образца.
При проведении магнитных измерений по статическому методу
(рис. 3.15), во время второго прохода неколеблющийся кантилевер
Рис. 3.15. Второй проход. F-отклонение кантилевера
Второй проход в динамической МСМ
методе Ψ – сдвиг фазы
Рис. 3.16. Второй проход в динамической МСМ. Сдвиг фазы
84
отклоняется под воздействием магнитных сил. Посредством регистрации отклонений кантилевера формируется изображение распределения z-составляющей градиента магнитных сил по поверхности образца.
При проведении магнитных измерений по динамическому методу (рис. 3.16), во время второго прохода с помощью пьезодрайвера кантилевер приводится в колебательное состояние на резонансной частоте. Посредством регистрации изменений фазы колебаний кантилевера формируется изображение распределения
z-составляющей градиента магнитных сил по поверхности образца.
Электростатическая силовая микроскопия
Электростатическая силовая микроскопия (ЭСМ) является эффективным средством для исследования распределения электрического
поля и зарядов по поверхности образца с субмикронным разрешением. Изображения, полученные с помощью этой методики, интера)
б)
Рис. 3.17. Метод ЭСМ: а – первый проход, получение рельефа
поверхности ; б – второй проход, ψ – сдвиг фазы
85
претируются как пространственное распределение z-составляющей
градиента электрического поля по поверхности образца. Для исключения влияния рельефа поверхности на результаты исследования используется двухпроходная методика.
В процессе сканирования производится следующая процедура.
На первом проходе сканируемой строки определяется рельеф поверхности по полуконтактному методу (рис. 3.17, а).
На втором проходе зонд отводится от поверхности образца на расстояние dZ. С помощью пьезодрайвера зонд приводится в колебательное состояние на резонансной частоте, между зондом и образцом
подается постоянное напряжение смещения U0, и осуществляется
повторное сканирование. Зондовый датчик движется над поверхностью по траектории, повторяющей рельеф поверхности образца
(рис. 3.17, б). Посредством регистрации изменений фазы колебаний
зонда формируется изображение распределения z-составляющей
градиента электрического поля по поверхности образца.
Сканирующая емкостная микроскопия
Сканирующая емкостная микроскопия (СЕМ) предназначена
для исследования распределения поверхностной емкости по образцу. С помощью СЕМ можно изучать локальные диэлектрические
свойства приповерхностных слоев образца. Например, распределения легирующих примесей в полупроводниках с ионной имплантацией. Для исключения влияния рельефа поверхности на результаты исследования используется двухпроходная методика.
В процессе сканирования производится следующая процедура.
На первом проходе снимается изображение рельефа по полуконтактному методу (рис 3.18, а).
Затем зондовый датчик отводится от поверхности на расстояние
dZ, между зондом и образцом подается напряжение смещения U0,
переменное напряжение U1·sin(ωt), и осуществляется повторное
сканирование. Для увеличения колебаний зонда на второй гармонике частота ω выбирается равной половине резонансной частоты
зондового датчика. На втором проходе датчик движется над поверхностью по траектории, повторяющей рельеф образца (рис 3.18, б).
Поскольку в процессе сканирования локальное расстояние между
зондовым датчиком и поверхностью в каждой точке постоянно, изменения амплитуды колебаний зонда на частоте 2ω будут связаны
с изменением емкости системы зонд–образец.
Во время второго прохода расстояние между сканируемой поверхностью и зондовым датчиком поддерживается постоянным.
86
а)
б)
Рис. 3.18. Метод СЕМ: а – первый проход, получение рельефа
поверхности; б – второй проход, Mag – токовый сигнал,
пропорциональный амплитуде колебаний зонда
Это расстояние должно быть достаточно большим, чтобы исключить влияние рельефа. В таком случае зонд подвергается воздействию только дальнодействующих сил, основной вклад в которые
осуществляется емкостными свойствами образца.
3.3. Сканирующая оптическая микроскопия
ближнего поля
Еще совсем недавно считалось, что предел возможному в оптике
ставит фундаментальный рэлеевский критерий разрешения оптических приборов. Он заключается в том, что минимальный размер
различимого объекта несколько меньше длины волны используемого света и принципиально ограничен дифракцией излучения.
Однако в последнее время появилась и вызывает все больший инте87
рес возможность изучения и формирования оптическими методами различных структур нанометровых размеров, которые во много
раз меньше длины световой волны λ. Такая возможность возникла
в связи с развитием ближнепольной оптики (БПО) – нового и чрезвычайно перспективного направления физической и прикладной
оптики. С физической точки зрения она основана на присутствии
в дальней зоне излучения вполне идентифицируемых следов взаимодействия света с микрообъектом, находящимся в ближнем световом поле, которое локализовано на расстояниях много меньших
λ. В техническом смысле БПО сочетает элементы обычной оптики и
сканирующей зондовой микроскопии. Отличительным элементом
ближнепольных приборов является оптический зонд (рис. 3.19),
обычно представляющий собой заостренное оптическое волокно 1,
наружная поверхность которого, за исключением вершины конуса, покрыта непрозрачным слоем металла 2.
Часть светового потока, распространяющегося по волокну, проходит через выходное сечение зонда как сквозь диафрагму в металлическом экране и достигает образца, расположенного в ближнем
поле источника. Если расстояние h до поверхности образца и радиус d диафрагмы удовлетворяют условию h, d«λ, то размер светового
пятна на образце близок к размеру диафрагмы. При перемещении
Рис. 3.19. Схема волоконно-оптического ближнепольного зонда:
1 – заостренное оптическое волокно; 2 – металлическое покрытие;
3 – проходящее через зонд излучение; 4 – выходная апертура зонда, d«λ;
5 – поверхность исследуемого образца; 6 – расстояние между
исследуемой поверхностью и апертурой зонда, h«λ. Пунктиром
очерчена область ближнепольного контакта
88
зонда вдоль образца возможна реализация разрешения, не ограниченного дифракцией, или сверхразрешения.
Подобная идея была предложена еще в 1928 году Сингхом (E.H.
Syngh), она намного опередила технические возможности своего
времени и осталась практически не замеченной. Ее первое подтверждение было получено Эшем (E.A. Ash) в опытах с микроволнами в 1972 году. В начале 80-х годов группа исследователей из Цюрихской лаборатории фирмы IBM во главе с Дитером Полем (D.W.
Pohl) проникла внутрь дифракционного предела и продемонстрировала разрешение λ/20 на приборе, работающем в видимом оптическом диапазоне и получившем название ближнепольного сканирующего оптического микроскопа (БСОМ). Чуть раньше в той же
лаборатории был создан первый сканирующий туннельный микроскоп, принесший ей всемирную известность.
В отличие от туннельного и атомно-силового микроскопов, сразу
завоевавших признание, БСОМ некоторое время оставался в тени.
Уникальные возможности БСОМ были убедительно продемонстрированы лишь в начале 90-х годов, когда удалось решить две важные
технические проблемы: существенно повысить энергетическую эффективность зондов и обеспечить надежный контроль расстояния
между острием и образцом. В последние годы в десятках лабораторий успешно ведутся работы по использованию БСОМ при решении
широкого круга задач физики поверхности, биологии, техники записи и считывания информации и др. С 1993 года в США ведется
промышленный выпуск приборов БПО.
Понятие ближнего поля
Критерий Рэлея является одной из иллюстраций принципа неопределенности Гейзенберга, согласно которому любая попытка повысить степень локализации или точность определения положения
Δх источника света приводит к возрастанию неопределенности Δрх
сопряженного импульса фотонов. При рассеянии фотонов в максимальном диапазоне углов
π
π
λ
4π
− ≤φ≤
= Δkx =
è Δx ≥ ,
λ
2
2Δpx
2
где  – постоянная Планка, kx – x-компонента волнового вектора
k. Возможность реализации разрешения Δх « λ/2, казалось бы, противоречит одному из основных физических принципов. Следует,
однако, иметь в виду, что соотношение неопределенности в самом
89
общем виде относится к положению частицы в импульсно-координатном пространстве. Поэтому, ограничивая одну из компонент
волнового вектора, оно позволяет варьировать другие. Можно принять, например, kу = 0, kz = –iγ где γ – вещественное положительное
число. Тогда при γ→∞ область допустимых значений kx неограниченно растет, а Δх может быть сколь угодно малым.
Мнимым kz соответствуют затухающие волны. Следовательно,
при реализации субволнового разрешения антенна-зонд должна
располагаться в пределах затухающего поля вблизи поверхности
образца, т. е. заведомо при z ≤ λ.
Мы можем теперь уточнить понятие ближнего поля, ассоциируя
его с областью существования затухающих и, следовательно, нерадиационных волн, амплитуда которых меняется с расстоянием z от
границы раздела сред или малого рассеивающего объекта по закону
E(z) = E(0)exp(–gz), где g>0. Величина g–1 характеризует глубину проникновения затухающей волны и по порядку соизмерима с размерами субволнового рассеивателя. В частности, для диафрагмы радиуса
a в тонком проводящем экране g–1 ≈ 2a. Для поверхности со сложным
рельефом величина g–1 определяется суммарным вкладом компонент
спектра пространственных частот, причем m-я компонента с периодом dm « λ обнаружима на расстоянии z ≤ γ–1m ≈ dm/(2π). В режиме сбора
фотонов точность воспроизведения профиля поверхности возрастает
с увеличением числа m компонент затухающего поля, участвующих
в образовании изображения, а значит, с уменьшением z. В дальнем
поле при z ≥ λ присутствуют лишь распространяющиеся волны, к которым применимы законы и ограничения обычной оптики. Естественно, что они также вносят вклад в результирующее поле в ближней волновой зоне. Структуру ближнего поля могут определять также
и различного рода поверхностные резонансные электромагнитные
моды, возбуждаемые светом вблизи выходного сечения зонда.
Решение задачи о прохождении света через диафрагму радиусом
a«λ в бесконечно тонком проводящем экране было впервые получено Г. Бете. Оказалось, что диафрагма такого размера пропускает значительно меньше света, чем можно ожидать, экстраполируя
результаты расчета при a > λ. В частности, сечение рассеяния σ неполяризованного света связано с величиной a и волновым числом
k = 2π/λ соотношением
=
σ
64 4 6 
3

k a  1 − sin2 Θ ,
27π

8

где Θ – угол падения излучения.
90
Данная формула помимо численного коэффициента отличается
от используемой в расчетах по методу Кирхгофа дополнительным
множителем (ka)2 « 1. Различие вызвано тем, что значительная
часть электромагнитной энергии переходит в нерадиационную
форму, которая не может быть воспринята удаленным наблюдателем. С точки зрения такого наблюдателя, диафрагма рассеивает
свет как пара взаимно перпендикулярных диполей: электрического, направленного вдоль оси диафрагмы, и магнитного, моменты
которых равны соответственно:
a2  
2a 

H0 ,
µe = E0 ,µm =−
3ρ
3ρ


где E0 , H0 – электрический и магнитный векторы поля перед экраном. Чисто качественно эта формула справедлива также и в случае,
когда вместо диафрагмы выступает сфера радиуса a; при этом для
количественного совпадения необходимо положить, что диэлектрическая проницаемость материала сферы ε ≈ 2.
Ближнепольный микроскоп
К настоящему времени создано около 20 типов подобных микроскопов, различающихся особенностями оптической схемы и функциональным назначением зонда. В зависимости от наличия или
отсутствия диафрагмы на конце зонда их можно разбить на две основные группы: апертурные и безапертурные. Принцип действия
апертурных микроскопов, составляющих преобладающее большинство современных приборов, поясняет приведенная на рис.
3.20 блок-схема микроскопа.
Луч лазера (обычно гелий-неонового или аргонового) через согласующий элемент попадает в заостренное металлизированное
волокно и на выходе сужается до размеров диафрагмы. Взаимное
перемещение острия и образца в трех измерениях x, y, z осуществляется с помощью пьезодвижителей. Прошедшие через образец
или отраженные и рассеянные фотоны улавливаются одним из
микрообъективов (2 или 1 соответственно, рис. 3.20) и направляются в регистрирующий прибор, обычно фотоумножитель. Такой
микрообъектив, как правило, входит в схему обыкновенного оптического микроскопа, что позволяет осуществить выбор исследуемого участка и его привязку к более широкому полю. Приведенная на
рис. 3.20 схема относится к приборам, работающим в режиме освещения (illumination mode). Широко распространены приборы, ра91
Рис. 3.20. Блок-схема ближнепольного микроскопа: 1 – микрообъектив,
работающий в отраженном свете; 2 – микрообъектив, работающий
в проходящем свете; 3 – пьезодвижитель для перемещения зонда.
Пунктиром очерчена область ближнепольного контакта
ботающие в режиме сбора фотонов (collection mode), когда зонд переносит фотоны от образца, освещенного, например, через микрообъектив, к детектору. В комбинированном режиме (освещение /
сбор) зонд выполняет одновременно обе функции.
Чтобы установить острие на нужной высоте над образцом, во всех
сканирующих зондовых микроскопах используют зависимость величины I регистрируемого сигнала от z. В большинстве типов данных микроскопов зависимость I(z) неоднозначна, поскольку наряду с ближнепольным сигналом I1 регистрируется также периодически изменяющийся с z сигнал I2, вызванный интерференцией
падающей и переотраженных в системе зонд-образец волн. Это затрудняет или делает полностью невозможным надежный контроль
z по величине I = I1 + I2 при сближении острия с образцом. Лучшим
решением проблемы является введение в микроскоп вспомогательных узлов, позволяющих им осуществлять также функции сканирующего туннельного или атомно-силового микроскопов, в которых определение z не вызывает существенных трудностей. В таких
92
комбинированных приборах запись изображения осуществляется
одновременно по двум каналам, один из которых воспроизводит рельеф поверхности, а другой – локальное распределение показателя
преломления в тончайшем приповерхностном слое. Возможность
различения оптического и топографического контрастов существенно упрощает интерпретацию изображения. Наибольшее распространение получил метод контроля z, основанный на изменении
тангенциальной составляющей силы физического взаимодействия
острия с образцом (shear force).
Разрешающая способность ближнепольных
микроскопов
Основной характеристикой данного микроскопа является пространственное разрешение, которое в сильной степени зависит от
условий освещения или в более общем случае – от наблюдения образца, структуры его поверхности и микрогеометрии зонда. Известно, что функция импульсного отклика дифракционно-ограниченной оптической системы описывается распределением Эри.
Полуширина главного максимума распределения соответствует
разрешению по Рэлею: Δх = 0,61λ/sinψ, где ψ – апертурный угол.
В пределе при ψ→π/2 Δx→Δxmin = 0,61λ. При прохождении света
через малую диафрагму с диаметром a из-за рассеяния и геометрических ограничений происходит искажение и расширение Δf спектра переносимых пространственных частот, которое также описывается распределением Эри Δf = 0,61/a. В результате при a→0 волновое поле непосредственно за диафрагмой содержит сколь угодно
большие пространственные частоты и как следствие этого Δxmin→0.
В реальной ситуации из-за конечной проницаемости металлического экрана (покрытия) минимальный эффективный радиус диафрагмы определяется глубиной проникновения света в металл или
толщиной Δ скин-слоя. С учетом этого ожидаемое предельное разрешение, например, для зонда с алюминиевым покрытием в видимом диапазоне спектра составляет Δxmin ≈ 2Δ ≈ 13 нм, что соответствует лучшим экспериментальным результатам.
Контрольные вопросы к главе 3
1. Информация, полученная с помощью СЗМ, хранится в виде:
а) одномерный массив целых чисел;
б) двумерного массива целых чисел;
в) трехмерного массива целых чисел;
г) функции.
93
2. Первым из класса СЗМ был создан:
а) ближнепольный микроскоп;
б) атомно-силовой микроскоп;
в) сканирующий туннельный микроскоп;
г) просвечивающий электронный микроскоп.
3. В каком методе СЗМ возникает торсионный изгиб кантилевера?
а) латерально-силовая микроскопия;
б) магнитная силовая микроскопия;
в) электростатическая силовая микроскопия;
г) сканирующая емкостная микроскопия.
4. Атомно-силовой микроскоп регистрирует силы порядка:
а) 10–13 – 10–17 Н;
б) 10–8 – 10–13 Н;
в) 10–1 – 10–4 Н;
г) 1 Н.
5. Величина коэффициента упругости кантилевера определяется:
а) геометрическими размерами кантилевера;
б) материалом кантилевера;
в) резонансной частотой кантилевера;
г) а. и б.
6. Электрический сигнал DFL отражает:
а) величину торсионного изгиба кантилевера;
б) величину наклона образца относительно зонда;
в) величину горизонтальных смещений кантилевера;
г) величину вертикальных смещений кантилевера.
7. Электрический сигнал LF отражает:
а) величину торсионного изгиба кантилевера;
б) величину наклона образца относительно зонда;
в) величину горизонтальных смещений кантилевера;
г) величину вертикальных смещений кантилевера.
8. К многопроходным методам не относится:
а) латерально-силовая микроскопия;
б) магнитная силовая микроскопия;
в) электростатическая силовая микроскопия;
г) сканирующая емкостная микроскопия.
9. Выберите неверное утверждение:
а) все СЗМ-изображения содержат постоянную составляющую,
которая не несет полезной информации о рельефе поверхности;
б) СТМ не позволяет напрямую получать изображение поверхности непроводящих материалов;
94
в) чем больше радиус кривизны острия кантилевера, тем большее разрешение может быть получено;
г) метод, в котором одновременно с получением изображения
рельефа поверхности по полуконтактному методу, производится
измерение сигнала рассогласования, называется полуконтактным
методом рассогласования.
10. Выберите неверное утверждение:
а) с помощью МСМ можно изучать распределения легирующих
примесей в полупроводниках с ионной имплантацией;
б) в СТМ возможно проводить измерения как в вакууме, так и
при атмосферных условиях, а также в диэлектрических жидкостях;
в) СТМ обладает значительно более высоким разрешением, чем
РЭМ;
г) зонд микроскопа испытывает притяжение со стороны образца
на больших и отталкивание на малых расстояниях.
95
Глава 4. КОСВЕННЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ СВОЙСТВ
НАНОЧАСТИЦ И НАНОМАТЕРИАЛОВ
4.1. Масс-спектрометрия
Масс-спектрометрия (масс-спектроскопия, масс-спектральный
анализ) – метод анализа вещества путем определения массы (чаще,
отношения массы к заряду m/z) и относительного количества ионов,
получаемых при ионизации исследуемого вещества или уже присутствующих в изучаемой смеси. Совокупность значений m/z и относительных величин токов этих ионов, представленная в виде графика или таблицы, называется масс-спектром вещества (рис. 4.1).
Начало развитию масс-спектрометрии положено опытами Дж.
Томсона (1910 г.), исследовавшего пучки заряженных частиц, разделение которых по массам производилось с помощью электрического и магнитного полей, а спектр регистрировался на фотопластинки. Первый масс-спектрометр построен А. Демпстером в 1918
г., а первый масс-спектрограф создал Ф. Астон в 1919 г.; он же
исследовал изотопный состав большого числа элементов. Первый
серийный масс-спектрометр создан А. Ниром в 1940 г.; его работы
положили начало изотопной масс-спектрометрии. Прямое соединение масс-спектрометра с газо-жидкостным хроматографом (1959
г.) дало возможность анализировать сложные смеси летучих соединений, а соединение с жидкостным хроматографом с помощью
термораспылительного устройства (1983 г.) -смеси труднолетучих
соединений.
Macс-спектральные приборы
Рис. 4.1. Масс-спектр метилсацилата
96
Для разделения ионов исследуемого вещества по величинам
m/z, измерения этих величин и токов разделенных ионов используют масс-спектральные приборы. Приборы, в которых регистрация осуществляется электрическими методами, называют массспектрометрами, а приборы с регистрацией ионов на фотопластинках – масс-спектрографами. Масс-спектральные приборы состоят
из системы ввода пробы (система напуска), ионного источника,
разделительного устройства (масс-анализатора), детектора (приемника ионов), вакуумных насосов, обеспечивающих достаточно
глубокий вакуум во всей вакуумной системе прибора, и системы
управления и обработки данных (рис. 4.2). Иногда приборы соединяют с ЭВМ.
Масс-спектральные приборы характеризуются чувствительностью, которая определяется как отношение числа зарегистрированных ионов к числу атомов введенной пробы. За абсолютный
порог чувствительности принимают минимальное количество исследуемого вещества (выраженное в г, молях), за относительный –
минимальную массовую или объемную долю вещества (выраженную в %), которые обеспечивают регистрацию выходного сигнала
при отношении сигнал-шум 1:1.
Ионный источник предназначен для образования газообразных
ионов исследуемого вещества и формирования ионного пучка, который направляется далее в масс-анализатор. Наиболее универсальный метод ионизации вещества – электронный удар. Впервые
осуществлен П. Ленардом (1902 г.). Современные источники такого типа построены по принципу источника А. Нира (рис. 4.3).
ЭВМ
Ввод
пробы
Ионный
источник
Масс анализатор
Детектор
Система
обработки
данных
Система
откачки
Рис. 4.2. Блок-схема масс-спектрометра
97
6
2
M
S
7
3 4
5
Рис. 4.3. Схема ионного источника типа источника А. Нира:
1 – постоянный магнит; 2 – катод; 3 – выталкивающий электрод;
4 – поток электронов; 5 – ловушка электронов; 6 – ионный луч;
7 – ввод вещества
Для ионизации молекул обычно используют электроны с энергиями 70–100 эВ, которые движутся со скоростью 108 см/с и проходят путь, равный диаметру молекулы органического соединения за
10–16 с. Этого времени достаточно для удаления электрона из молекулы вещества и образования иона – положительно заряженного
ион-радикала М + ›, имеющего энергию 2–8 эВ. Ионы с минимальным запасом энергии достаточно устойчивы и достигают приемника. Ионы с большим запасом внутренней энергии распадаются на
пути движения на ионы с меньшей молярной массой (так называемые осколочные ионы), характерные для вещества определенного строения. Для ионизации молекул энергия электронного пучка
должна превышать некоторую критическую для вещества величину, называемую потенциалом ионизации. Потенциалы ионизации
лежат в пределах 3,98 эВ (Fr) – 24,58 эВ (Не), для большинства органических соединений 7–11 эВ. Используя моноэнергетические
пучки электронов и снижая их энергию до пороговых значений,
можно определять потенциалы ионизации веществ и потенциалы
появления ионов – критическую энергию электронов, при которой
в спектре появляются линии соответствующих осколочных ионов.
При ионизации электронным ударом происходит перераспределение энергии возбуждения по колебательным степеням свободы
иона, прежде чем этот ион распадается. Предположение о квазиравновесном распределении энергии возбуждения позволяет полуэмпирическим путем рассчитать масс-спектры некоторых веществ,
согласующиеся с экспериментальным данными. Однако во многих
98
случаях, особенно для длинных молекул, эта теория не подтверждается. Для двухатомных молекул изменения колебательных состояний объясняются, исходя из принципа Франка – Кондона. При
взаимодействии низкоэнергетических электронов (менее 10 эВ)
с веществом могут осуществляться процессы резонансного захвата электронов молекулами с образованием отрицательно заряженных ионов М-. Масс-спектрометрия электронного удара – высокочувствительный метод анализа, позволяет анализировать пикомольные количества вещества, ее предпочитают для исследования
структуры соединений. Существуют «библиотеки» масс-спектров,
содержащие спектры более 70 000 органических соединений, по которым можно проводить их идентификацию с применением ЭВМ.
Недостатки метода: ионы образуются лишь у 20% органических соединений; метод применим только для определения легколетучих
термически стабильных соединений; в значениях полного ионного
тока на ионы с большими значениями m/z, дающие информацию
о молекулярной массе и наличии функциональных групп, приходится меньшая часть; отрицательно заряженные ионы, имеющие
большое значение в структурном анализе, образуются в очень небольшом количестве и ограниченным числом органических соединений. Химическая ионизация осуществляется при столкновении
молекул исследуемого вещества с ионами реагентного газа, в качестве которого могут быть индивидуальные вещества или их смеси.
Реагентный газ находится в источнике под давлением 65–130 Па,
парциальное давление исследуемого вещества 0,1–0,01 Па. При
бомбардировке такой смеси электронами с энергией 70–500 эВ преимущественно ионизируются молекулы реагентного газа; образовавшиеся положительно заряженные ионы в результате ионно-молекулярных столкновений с неионизированными молекулами реагентного газа преобразуются в реактантные ионы, которые в свою
очередь взаимодействуют с молекулами исследуемого вещества и
ионизируют их, образуя ионы МН+. Наиболее употребительные реагентные газы и их характеристики приведены в табл. 3.
Химическая ионизация с образованием положительно заряженных ионов может осуществляться также в результате переноса заряда с реактантных ионов, например, Не+ ′, Ar+′, N2+′, СО+′, NO+′
на молекулы исследуемого вещества; при этом образуется ион М+.
Масс-спектры химической ионизации с реагентными газами Ar и
N2 напоминают спектры электронного удара. Метод химической
ионизации позволяет оценивать кислотно-основные вещества органических соединений в газовой фазе. Химическая ионизация
99
Таблица 3
Реагентные газы и их характеристики
Газ-реагент
Сродство к про тону,
Реактантный ион
кДж/моль
536
CH3 + H2O
724
H3O + (CH3)3CH
828
(CH3)3C + 858
NH4 + CH4
NH3
Ион исследуемого
вещества
MH + MH + .
MH3O + MH + MH + .
MNH4 + с образованием отрицательно заряженных ионов осуществляется в результате взаимодействия исследуемых молекул с ионами
NH2, ОН-, СН3О- (сродство к протону соответственно 1682, 816 и
778 кДж/моль). Последние образуются при захвате молекулами
NH3, H2O и СН3ОН электронов с пониженной энергией (около 6 эВ)
с последующим распадом образовавшихся ионов М- (диссоциативный захват). Ионы ОН- и СН3О- образуются в значительном количестве при электронной бомбардировке соответствующих смесей
N2O с СН4 или (СН3)3СН, Н2О и N2O с СН3ОН. Часто метод химической ионизации более чувствительный, чем метод ионизации
электронным ударом, так как практически все имеющиеся в ионизационной камере электроны используются для ионизации. Метод
позволяет анализировать пространственные и оптические изомеры. Его важное достоинство – большой выход протонированных
ионов МН + при малом выходе осколочных ионов.
Полевая ионизация осуществляется в сильном электрическое
поле, образующемся в пространстве между полевым анодом (острие
или тонкая вольфрамовая проволока) и противоэлектродом (катодом), разность потенциалов между которыми 10 кВ. Молекула
в таком электрическое поле теряет электрон и превращается в положительно заряженный ион. Масс-спектры напоминают спектры
электронного удара.
При полевой десорбции труднолетучие органические и неорганические соединения наносятся на поверхность специально обработанного проволочного эмиттера, вблизи которого существует
сильное электрическое поле. В результате туннельного перехода
электрона молекулы к эмиттеру вещество на поверхности проволоки ионизируется; образовавшиеся ионы десорбируются и переходят в газообразное состояние. Для облегчения десорбции проволоку подогревают, пропуская через нее электрический ток. Применяется в анализе синтетических полимеров и углеводородов.
100
При фотоионизации молекулы ионизируются в результате поглощения единственного фотона, энергия которого должна превышать потенциал ионизации молекулы. Источники фотонов – газосветные лампы, разряды в водороде или инертных газах, синхротроны. Многофотонная ионизация газообразных веществ происходит
в результате одновременного поглощения молекулой нескольких
фотонов. Такие процессы наблюдаются при взаимодействии с веществом достаточно интенсивного пучка лазерного излучения,
энергия квантов которого меньше потенциала ионизации. Для этой
цели используют перестраиваемые лазеры на красителях, образующие излучения с длинами волн 250–700 нм. Для ионизации большинства молекул достаточно поглощение 2–3 фотонов с энергией
1,77–4,96 эВ.
Десорбционная ионизация основана на бомбардировке труднолетучего вещества, помещенного в матрицу (глицерин, монотиоглицерин, полиэтиленгликоли, этаноламины и другими жидкости),
пучками ускоренных частиц (атомы или ионы инертных газов Ar,
Кr, Хе, а также ионы щелочных металлов, например Cs). В результате диффузионного обмена в жидкости с облучаемой поверхности
непрерывно удаляются продукты деструкции вещества, что позволяет получать хорошо воспроизводимые масс-спектры. Применяют также метод ионизации тяжелыми продуктами деления
радиоактивного 252Cf и ионами тяжелых элементов, получаемыми на ускорителях. В местах попадания таких тяжелых частиц
в мишень, которая представляет собой пленку исследуемого вещества на металлической фольге, металлизированном пластике или
нитроцеллюлозе, за 10–11 с достигаются температуры до 3104 °С.
Такое быстрое нагревание позволяет ионизировать тяжелые молекулы без разложения. Лазерная десорбция применяется для ионизации и испарения конденсированных веществ и осуществляется
с помощью лазеров с модулированной добротностью, работающих
в импульсном (длительностью до 30 нc) или непрерывном режимах.
Характер масс-спектра обычно мало зависит от длины волны (265
нм – 10,6 мкм), удельной мощности (103–1010 Вт/см2) и длительности импульса лазерного излучения. Исследуемое вещество наносят на металлическую подложку и облучают фотонами с любой
стороны в зависимости от конструкции прибора. Использование
лазерных лучей разной степени сфокусированности позволяет проводить локальный анализ пробы в пятне диаметром 0,5 мкм – 4 мм.
Возможна ионизация вещества в искровом или тлеющем разряде. На электроды, один из которых изготовлен из исследуемого
101
вещества, подается напряжение (не более 15 кВ) в виде коротких
импульсов высокой частоты. Пробой между электродами приводит
к испарению материала электродов и его ионизации в образующейся плазме. Образовавшиеся положительно заряженные ионы, ускоряясь в сторону катода, которым служит исследуемое вещество,
бомбардируют его поверхность и распыляют образец. Распыленные
частицы, проходя сквозь разряд, ионизируются. Для элементного и изотопного анализов находят применение ионные источники
с ионизацией образца в индуктивно-связанной плазме Ar при атмосферном давлении. Поверхностная ионизация – основной метод
в изотопной масс-спектрометрии. Вещество наносится на поверхность ленты из Re, W или Та, которая нагревается до 2000–2500 К.
Если потенциал ионизации вещества меньше работы выхода электрона из металла ленты, то часть молекул или атомов покидает ее
поверхность в ионизированном состоянии. В некоторых случаях
молекула может захватывать электрон из металла и образовывать
отрицательно заряженные ионы.
Масс-анализаторы – устройства для пространственного или временного разделения ионов с различными значениями m/z в магнитном или электрическом полях или их комбинациях. Различают статические и динамические анализаторы. В статических ионы
разделяются в постоянных или практически неизменяющихся
за время их движения через анализатор магнитных полях. Ионы
с различными значениями m/z движутся в таком анализаторе по
разным траекториям и фокусируются либо в разных местах фотопластинки, либо последовательно на щель детектора в результате
плавного изменения напряженности электрических и магнитных
полей анализатора. В динамических анализаторах разделение ионов происходит под воздействием импульсных или радиочастотных
электрических полей с периодом изменения меньшим или равным
времени пролета ионов через масс-анализатор. Ионы с различными значениями m/z, как правило, разделяются по времени пролета определенного расстояния. Давление в анализаторах должно
быть достаточно низким (~10–5 Па), чтобы избежать рассеяния
ионов на молекулах остаточных газов. Основная характеристика
масс-анализатора – его разрешающая способность, или разрешающая сила R. Она характеризует способность анализатора разделять ионы с незначительно отличающимися друг от друга массами и определяется отношением значения массы иона М к ширине
его пика DМ (выраженной в атомных единицах массы) на определенном уровне высоты пика (обычно 50 или 10%): R = М/DМ.
102
Например, R = 10000 мм означает, что масс-анализатор может разделять ионы с массами 100,00 и 100,01. Hаиболее часто применяют статистические масс-анализаторы с однородным магнитным
полем (одинарная фокусировка) или комбинацией электрических
и магнитных полей (двойная фокусировка). В масс-анализаторах
с одинарной фокусировкой (рис. 4.4) ионный луч, сформированный в источнике ионов, выходит из щели шириной S1 в виде расходящегося ионного пучка и в магнитном поле разделяется на пучки
ионов с различными значениями m/z.
Под действием поля, силовые линии которых направлены перпендикулярно направлению движения ионного пучка, ионы двигаются по круговой траектории с радиусом r = (2Vmn/zH2)1/2, где
V – напряжение, ускоряющее ионы, mn – масса иона, z – заряд
иона, H – напряженность магнитного поля. Ионы с одинаковой кинетической энергией, но с разными массами или зарядами проходят через анализатор по различным траекториям. Обычно развертка масс-спектра (регистрация ионов с определенными значениями
m/z) осуществляется изменением Н при постоянном V. Разброс ионов, вылетающих из ионного источника, по кинетическим энергиям, а также несовершенство фокусировки по направлениям приводят к уширению ионного пучка, что сказывается на разрешающей
способности. Для статического масс-анализатора R = r/(S1 + S2 + d),
где S1 и S2 – соответственно ширина входной и выходной щелей, d –
уширение пучка в плоскости выходной щели. Уменьшение размера
щелей для увеличения разрешающей способности прибора трудно
A
B
H
m3/z
r
S1
r
X1
m2/z
S2
X2
0
m1/z
Рис. 4.4. Схема масс-анализатора с однородным магнитном полем:
S1 и S2 – щели источника и детектора ионов; ОAВ – область
однородного магнитного поля Н, перпендикулярного плоскости рисунка;
тонкие сплошные линии – границы пучков ионов с разными m/z;
r – радиус центральной траектории ионов
103
осуществимо технически и, кроме того, приводит к очень малым
ионным токам, поэтому обычно конструируют приборы с большим
радиусом траектории ионов (r = 200 – 300 мм). Разрешающая способность может быть повышена также при использовании массанализаторов с двойной фокусировкой. В таких приборах ионный
пучок пропускают сначала через отклоняющее электрическое поле
специальной формы, в котором осуществляется фокусирование
пучка по энергиям, а затем через магнитное поле, в котором ионы
фокусируются по направлениям (рис. 4.5).
Существует более 10 типов динамических масс-анализаторов:
квадрупольный, время-пролетный, циклотронно-резонансный,
магнитно-резонансный, радиочастотный, фарвитрон, омегатрон
и др. Ниже рассмотрены наиболее широко применяемые массанализаторы. Квадрупольный масс-анализатор представляет собой квадрупольный конденсатор (рис. 4.6), к парам параллельных
стержней которого приложены постоянное напряжение V и переменное высокочастотное V0cos wt (w – частота, t – время); их суммы
для каждой пары равны по величине и противоположны по знаку.
Ионы, вылетевшие из ионного источника, движутся в камере
анализатора вдоль оси z, параллельной продольным осям стержней, по сложным объемным спиралевидным траекториям, совершая поперечные колебания вдоль осей x и у. При фиксированных
значениях частоты и амплитуды переменного напряжения ионы
с определенными значениями m/z проходят через квадруполъный
конденсатор, у ионов с др. значениями m/z амплитуда поперечных
колебаний достигает такой величины, что они ударяются о стержни
и разряжаются на них. Развертка масс-спектра производится путем
2
+
60°
90°
1
–
S1
S2
Рис. 4.5. Схема масс-анализатора с двойной фокусировкой:
S1 и S2 – щели источника и детектора ионов; 1 – конденсатор;
2 – магнит
104
y
z
5
x
–
+
1
3
4
–
+
2
Рис. 4.6. Схема квадрупольного масс-анализатора:
1 – высокочастотный генератор; 2 – генератор постоянного
напряжения; 3 – генератор развертки;
4 и 5 – источник и детектор ионов
изменения постоянного и переменного напряжении или частоты.
Для современных квадрупольных масс-спектрометров R = 8000 мм.
Первый квадрупольный прибор построен В. Паули и X. Штайнведелем (ФРГ, 1953). Время-пролетный масс-анализатор представляет собой эквипотенциальное пространство, в котором дрейфуют
ионы, разделяясь по скоростям движения (рис. 4.7). Ионы, образующиеся в ионном источнике, очень коротким электрич. импульсом
«впрыскиваются» в виде «ионноL
го пакета» через сетку в анализаm1 m2
z
z
тор. В процессе движения исходный ионный пакет расслаивается
на пакеты, состоящие из ионов
с одинаковыми значениями m/z.
Скорость дрейфа отслоившихся ионных пакетов и, следовательно, время их пролета через
анализатор длиной L вычисляется по формуле: t = L m / 2eV
анализатор
(V – напряжение). Совокупность
1
2
таких пакетов, поступающих
в детектор, образует масс-спектр. Рис. 4.7. Схема время-пролетного
Для
современных
приборов
масс-анализатора: 1 – сетка;
2 – детектор
R = 5000–10000 мм. Первый при105
бор создан А. Камероном и Д. Эгтерсом (США, 1948 г.), а в СССР –
Н. И. Ионовым (1956 г.).
В 1973 г. Б. А. Мамыриным сконструирован прибор с электростатическим отражающим зеркалом, называемый масс-рефлектроном.
Циклотронно-резонансный масс-анализатор – ячейка в виде прямоугольного параллелепипеда или куба, помещенная в однородное
магнитное поле. Ионы, попадая в ячейку, движутся в ней по спиральной траектории (циклотронное движение) с частотой ω = 1/2pz,
H/m, где H – напряженность магнитного поля, т. е. ионы с одинаковыми значениями m/z имеют определенную циклотронную частоту. Действие прибора основано на резонансном поглощении энергии
ионами при совпадении частоты поля и циклотронной частоты ионов. На применении циклотронно-резонансного масс-анализатора
основан метод ион-циклотронного резонанса, который используют
для определения массы ионов, в частности ионов, образующихся
при ионно-молекулярных реакциях в газовой фазе; анализа структуры высокомолекулярных ионов; определения кислотно-основных
веществ. Для легких ионов R = 108 мм. Первый масс-спектрометр
ион-циклотронного резонанса построен Г. Соммером, Г. Томасом и
Дж. Хиплом (США, 1950 г.).
Детекторы (приемники) ионов помещают на выходе прибора.
Для детектирования используют электрометрические усилители,
позволяющие измерять ионные токи до 10–14 А. Электронные умножители и сцинтилляционные детекторы с фотоумножителем,
которые обеспечивают счет отдельных ионов (ток 10–19 А) и имеют
малую постоянную времени, а также фотопластинки, преимущество которых в возможности регистрации всех ионов масс-спектра
и накопление сигнала. Для введения вещества в ионный источник
существует специальная система, называемая системой напуска.
Она обеспечивает ввод строго дозированных количеств вещества,
его минимальное термическое разложение, кратчайшую доставку
к области ионизации и автоматическую смену образцов без нарушения вакуума. Система ввода газов и легколетучих веществ представляет собой холодные или обогреваемые стеклянные резервуары с вязкостными или молекулярными натекателями, через которое газообразное вещество поступает в область ионизации. При
соединении хроматографа с масс-спектрометром между ионным
источником и хроматографом помещается молекулярный сепаратор (струйный, пористый или мембранный), в котором удаляется газ-носитель и проба обогащается анализируемым веществом.
Система ввода труднолетучих веществ представляет собой чаще
106
всего вакуумный шлюз, из которого ампула с веществом вводится
непосредственно в ионизационную камеру. Ампула укреплена на
штоке, снабженном нагревателем, с помощью которого создается
необходимая температура для испарения вещества. В некоторых
случаях ампула нагревается за счет тепла ионизационной камеры.
Для уменьшения разложения вещества повышают скорость нагревания пробы, которая должна превышать скорость термического
разложения. Так действуют устройства, соединяющие жидкостной хроматограф с ионным источником. Наиболее распространено устройство, основанное на термораспылении раствора исследуемого вещества, при котором происходит его ионизация. Другой
тип – ленточный транспортер, на ленте которого вещество доставляется в ионный источник через систему шлюзов. При движении
ленты происходит удаление растворителя, а в ионном источнике
при быстром нагревании ленты вещество испаряется и ионизируется. В некоторых случаях возможны испарение и ионизация вещества в результате его бомбардировки ускоренными частицами
на поверхности ленты. Для труднолетучих неорганических соединений применяют специальный испаритель, называемый ячейкой
Кнудсена. Это – высокотемпературная печь с тиглем, имеющим
отверстие малого диаметра 0,1–0,3 мм, через которое испарение
протекает в условиях, близких к равновесным. Масс-спектрометр
работает в условиях глубокого вакуума (10–5–10–6 Па и выше), который позволяет свести к минимуму потерю разрешающей способности из-за столкновения ионного пучка с нейтральными молекулами. Ионный источник и масс-анализатор имеют разные системы
откачки и соединяются между собой каналом такого размера, который достаточен для прохождения ионного луча. Такая конструкция предохраняет падение вакуума в анализаторе при повышении
давления в источнике ионов. В источнике ионов необходима также
высокая скорость откачки для уменьшения эффекта памяти (удаление веществ, адсорбированных на внутренней поверхности прибора). Обычно вакуум в приборах создают диффузионные насосы.
Применяют также турбомолекулярные насосы, обеспечивающие
получение сверхвысокого вакуума (10–7 – 10–8 Па) и откачку со скоростью нескольких литров в секунду; эти насосы не требуют применения охлаждаемых ловушек. Сбор данных и управление массспектрометром требует автоматизации всех процессов с помощью
ЭВМ, которая позволяет проводить различные типы исследований
по заранее заданной программе с оптимизацией условий анализа
в процессе работы прибора.
107
Применение масс-спектрометрии
Масс-спектрометрию широко применяют в различных областях
науки и техники: в химии и нефтехимии, физике, геологии, биологии, медицине, в промышленности полимеров, в лакокрасочной
и химической промышленности, в производстве полупроводников
и сверхчистых материалов, в ядерной технике, в сельском хозяйстве и ветеринарии, в пищевой промышленности, при анализе продуктов загрязнения окружающей среды и многих других. Большие
успехи достигнуты при анализе биологически важных веществ; показана возможность структурного анализа полисахаридов с молекулярной массой до 15000, белков с молекулярной массой до 45000
и т. д. Масс-спектрометрия нашла применение как экспрессный
метод газового анализа в медицине; принципы масс-спектрометрии
лежат в основе устройства наибольшей чувствительности течеискателей. Отечественные масс-спектрометры, выпускаемые для
различных целей, имеют индексы: для исследования изотопного
состава – МИ, для исследования химического состава – MX, для
структурного анализа – МС. Macс-спектрометрия в органической
химии позволяет измерить точную молекулярную массу и рассчитать элементный состав исследуемого вещества, установить химическое и пространственное строение, определить изотопный состав,
провести качественный и количественный анализ сложных смесей
органических соединений. Одна из важнейших задач – нахождение зависимости между характером масс-спектра и строением исследуемой органической молекулы. При ионизации органической
молекулы образуется ион, в котором далее происходят процессы
гетеро- и гомолитического разрыва связей или разрыва связей с перегруппировкой молекулы и образование осколочных ионов, которые в свою очередь могут подвергаться дальнейшему распаду. Последовательные распады ионов, устанавливаемые из масс-спектра,
назназываются направлениями или путями распада. Направления
распада – важная характеристика каждого класса соединений. Совокупность всех направлений распада составляет характерную для
всех органических соединений схему фрагментации. Если массспектр прост, схема фрагментации сводится к одному пути распада, например при распаде иона СН3ОН + последовательно образуются ионы СН2 = ОН+ и Н–С = О+. В случае сложных масс-спектров
схема фрагментации отвечает многим, часто перекрывающимся
направлениям распада, например схема фрагментации полипептида (рис. 4.8).
108
Рис. 4.8. Фрагментация полипептида
Ион пептида распадается в результате разрыва связей СН–СО,
СО–NH, NH–СН и СН–R с образованием осколочных ионов соответственно Аn и Хn, Вn и Yn, Сn и Zn, Sn и Rn (n – номер аминокислотного остатка в пептидной цепи), которые далее распадаются
таким же образом. Общее количество пиков ионов в таком спектре
может достигать нескольких сотен. Количество фрагментов определяется строением исследуемой молекулы, запасом внутренней
энергии молекулярных и осколочных ионов и промежутком времени между образованием иона и его детектированием. Поэтому при
интерпретации масс-спектров необходимо учитывать как условия
измерений (энергию ионизирующих электронов, ускоряющее напряжение, давление паров в ионном источнике, температуру ионизационной камеры), так и конструктивные особенности прибора.
При максимальной стандартизации условий измерений удается
получать достаточно воспроизводимые масс-спектры. Сравнение
масс-спектра исследуемой системы со спектром, имеющимся в каталоге, – наиболее быстрый и простой способ структурного анализа, идентификации веществ при определении загрязнения окружающей среды, контроле продуктов питания человека и животных, изучении процессов метаболизма лекарственных препаратов,
в криминалистике и т. д. Однако идентификация лишь на основании масс-спектра не может быть однозначной, напр. не все изомерные вещества образуют различающиеся масс-спектры. В условиях
109
масс-спектрометрии часть возбужденных ионов распадается после
выхода из ионного источника. Такие ионы наз. метастабильными.
В масс-спектрах они характеризуются уширенными пиками при
нецелочисленных значениях отношения массы иона к его разряду
m/z. Один из методов изучения таких ионов – спектроскопия масс
и кинетической энергий ионов. Изучение распада метастабильных
ионов проводят на приборах, у которых магнитный анализатор
предшествует электрическому. Магнитный анализатор настраивают таким образом, чтобы он пропустил метастабильный ион,
который при определенном напряжении на электрическом анализаторе проходит в детектор. Если такой ион распадается в пространстве между анализаторами, то образующиеся вторичные
ионы не могут пройти через электрический анализатор при установленном напряжении из-за недостатка энергии. Для попадания
вторичных ионов в детектор изменяют напряжение электрического анализатора. Это напряжение связано с массой вторичного
иона соотношением m2 = Е2m*/Е0, где m* – метастабильный ион,
m2 – вторичный ион, Е0 и Е2 – начальное и конечное напряжение
электрического анализатора. Таким образом определяются массы
всех ионов, образующихся при распаде метастабильных ионов и
устанавливаются тем самым схемы их фрагментации. Если в области между двумя анализаторами создать область повышенного
давления (установить камеру столкновений, заполненную инертным газом), то в результате соударений ионов с молекулами газа
их внутренняя энергия будет увеличиваться и, следовательно, увеличится вероятность образования вторичных ионов. Такой метод,
называемый тандемным, используют для структурного анализа
индивидуальных компонентов сложных смесей без предварительного разделения. Наряду со структурными исследованиями массспектрометрию применяют для количественного анализа органических веществ. Количественный анализ основан на определении
интенсивностей пиков ионов с определенным значением m/z. Его
проводят хромато-масс-спектрометрически или в системе прямого ввода. Для повышения точности определения применяют внутренние стандарты, в качестве которых используют меченые соединения или соединения, близкие по строению к исследуемым,
например гомологи. В последнем случае необходимо построение
калибровочных кривых. Измерение содержания исследуемого вещества проводят с учетом количества добавляемого стандарта по
отношению площадей пиков, соответствующих определяемому веществу и внутреннему стандарту. Погрешность метода 7%, предел
110
определения 0,01 мкг/мл. Лучшие результаты дает применение
меченых соединений; при этом отпадает необходимость в построении калибровочных кривых. Количественное определение труднолетучих веществ проводят в системе прямого ввода, детектируя их
по одному или нескольким ионам, характерным для исследуемого
соединения. По мере плавного повышения температуры испарителя происходит испарение и частичное фракционирование исследуемых веществ. Таким образом, для каждого вещества получают
кривую испарения, площадь под которой прямо пропорциональна
количеству соединений, внесенного в масс-спектрометр. Абсолютная чувствительность метода, называемого методом интегрирования ионного тока, 10–7 г. Достоинство метода – отсутствие необходимости предварительной очистки исследуемых веществ. При
исследовании соединений с электрофизическими группировками,
изомерных органических молекул, полимеров, азокрасителей,
биологически активных веществ применяют масс-спектрометрию
отрицательно заряженных ионов. Эти ионы обладают меньшим запасом внутренней энергии, чем положительно заряженные ионы,
поэтому в масс-спектрах дают интенсивные пики ионов и малое количество осколочных ионов.
Macc-спектрометрию в неорганической химии применяют при
исследовании поверхности неорганических материалов, для анализа микропримесей в кристаллах, металлах, сплавах, изоляторах
и полупроводниках. Методом масс-спектрометрии определяют термодинамические параметры, парциальные давления компонентов
смесей со сложным составом пара, а также изучают металлические
кластеры – динамику их образования, химического вещества, фото-физические особенности, строение и устойчивость, что помогает понять механизм проводимости металлов, крайне важный для
микроэлектроники. Особое место занимает газовый анализ с применением масс-спектрометрии в различных технологических процессах (металлургия, угольная промышленность). Исследования
проводят при температурах от нескольких сотен до 2000–3000 К.
Изотопная масс-спектрометрия изучает природные и техногенные
вариации изотопного состава химических элементов (вариации,
вызванные ядерными или физико-химическими процессами). Такие исследования необходимы для решения проблем космохимии
и планетологии, изотопной геохронологии и геохимии, минералогии, гидрогеологии, геологии нефти и газа, биохимии, фармакологии, клинической медицины, сельского хозяйства, ядерной физики
и др. Вторая задача изотопной масс-спектрометрии – определение
111
концентрации химических элементов методом изотопного разбавления. Преимущество масс-спектрометрического варианта этого
метода – высокая чувствительность (до 10–12 г твердых веществ и
до 10–16 г газов), низкая погрешность (0,1–0,5%), допустимость
некоторых потерь части образца; недостаток – необходимость предварительной независимой ориентировочной оценки определяемой
концентрации для дозирования оптимального количества изотопного стандарта. Метод широко используют в изотопной геохронологии, иногда – в геохимии, ядерной физике, агрохимии, аналитической химии. Изотопная масс-спектрометрия со вторично-ионной
эмиссией применяется также для локального анализа твердых тел.
В этом случае для ионизации создают пучок первичных ионов (Ar+,
О2+, О-), который направляют на выбранный участок исследуемой
поверхности диаметром 1–500 мкм. Производится изотопный анализ локальных участков, и устанавливается распределение заданного изотопа и соответственно элемента в структуре зерна минерала или в породе. Масс-спектрометрия позволяет определять все
элементы периодической системы с чувствительностью 10–12 г;
при использовании лазерных источников ионизации могут быть
достигнута чувствительность 10–19 г. При анализе твердых проб
может быть определены примеси, содержание которых в 10–12
ниже содержания основных элементов. Масс-спектрометрия широко применяется в анализе особо чистых металлов (Ga, Al, In, Fe, Сu
и др.), полупроводниковых материалов (Si, GaAs, CdFe), сплавов
на основе Fe, Ni и Zr при производстве тонких пленок и порошкообразных веществ, например оксидов U и редкоземельных элементов. Масс-спектрометрия позволяет определять содержание С, N,
О, S, Р в сталях, анализировать керамику, стекла, различные изоляционные материалы, проводить локальный и послойный анализ
пробы (локальность по поверхности до 1 мкм, по глубине до 1 мм),
получать сведения о структуре и фазовом составе твердых тел. Для
определения элементов используют масс-спектрометры с ионизацией образцов в электрической дуге, искровом и тлеющем разряде или в индуктивно-связанной аргонной плазме при атмосферном
давлении.
4.2. Оже-электронная спектроскопия
Для исследования твердых тел используется множество различных методов, позволяющих получать исчерпывающую информацию о химическом составе, кристаллической структуре, распреде112
лении примесей и многих других свойствах, представляющих как
чисто научный, так и практический интерес. В настоящее время
особое значение придается методам анализа поверхности (под поверхностью подразумевается граница раздела фаз). Когда говорят
о поверхности твердого тела, то чаще всего имеется в виду граница
раздела между газообразной и твердой фазами. Столь пристальное
внимание к поверхности связано с ее уникальными свойствами, которые, с одной стороны, в сильной степени влияют на характеристики самого твердого тела, а с другой – могут быть использованы
для создания приборов и устройств нового поколения.
В подавляющем большинстве методов анализа поверхности используются различного рода явления, происходящие при воздействии на нее корпускулярных частиц и электромагнитных излучений. Если такого рода воздействия приводят, например, к испусканию электронов, а информацию о свойствах поверхности получают
при анализе электронных спектров, то говорят о методах электронной спектроскопии. В отличие от других частиц электроны не изменяют состава остаточной атмосферы сверхвысоковакуумных камер, в которых проводятся исследования, легко регистрируются и
поддаются счету. Последнее обстоятельство позволяет достаточно
просто проводить количественный анализ поверхности, т. е. получать, например, данные о концентрациях атомов различных элементов.
Среди всех электронно-спектроскопических методик особое место занимает оже-электронная спектроскопия (ОЭС), которая, пожалуй, является самой распространенной.
Эффект Оже
Эффект, на котором основана ОЭС, был открыт в 1925 г. французским физиком Пьером Оже (P. Auger) (отсюда и название метода). Суть его состоит в следующем.
Оже-процесс можно разделить на две стадии. Первая – ионизация атомов внешним излучением (рентгеновским, быстрыми электронами, ионами) с образованием вакансии на одной из внутренних
оболочек. Такое состояние атома неустойчиво, и на второй стадии
происходит заполнение вакансии электроном одной из вышележащих уровней энергии атома. Выделяющаяся при этом энергия
может быть испущена в виде кванта характеристического рентгеновского излучения, но может быть передана третьему атомному
электрону, который в результате вылетает из атома, т. е. наблюдается оже-эффект.
113
На рис. 4.9 показан фрагмент электронной структуры атома,
в состав которого входят три электронных уровня, частично или
полностью занятые электронами (на рис. 4.9 они обозначены как
К, L1, L2). Если атом обстреливается ускоренными электронами е,
энергия которых выше потенциала ионизации уровня К, то существует вероятность ионизации этого уровня, в результате чего на
нем образуется вакансия (обозначена светлым кружком). Такое состояние энергетически невыгодно для атома, поэтому через некоторое время вакансия заполняется за счет перехода электрона с вышележащего уровня L1 (переход обозначен стрелкой 1). При этом
выделяется энергия, равная разности энергий связи электрона на
уровнях К и L1 . В дальнейшем процесс может идти двумя путями:
либо будет испущен рентгеновский фотон, либо эта энергия безызлучательным способом будет передана другому электрону, находящемуся, например, на уровне L2 . Если этой энергии будет достаточно, то произойдет ионизация уровня L2, в результате чего будет
испущен электрон (стрелка 2 на рис. 4.9). Реализация второй возможности и есть собственно оже-процесс, а эмитируемый электрон
называют оже-электроном.
Оказывается, что, измерив энергию такого электрона, можно
определить, какому элементу периодической таблицы Менделеева
соответствуют обстреливаемые электронным пучком атомы. Такая
возможность объясняется тем, что энергия оже-электронов не зависит от энергии бомбардирующих электронов, а определяется
только электронной структурой атомов, которая хорошо известна.
Значения кинетической энергии Ek вылетающих электронов не
зависит от энергии частиц внешнего излучения. Значения Ek ха-
Рис. 4.9. Схематическое изображение оже-процесса
в атоме
114
рактерны для атомов определенного химического элемента и равны
разности энергий возбужденных состояний атома:
Ek = E1–E2–E3,
где E1 – энергия ионизированного атома с вакансией на внутренней
оболочке; E2 – энергия атома после заполнения вакансии одним из
электронов атома; E3 – пороговая энергия вылета оже-электронов
из однократно ионизированного атома. Значения Ek для различных
атомов и различных квантовых переходов в них лежат в пределах
от 50 до 3000 эВ.
Вследствие конечности времени жизни r возбужденного состояния атома, ионизированного на первой стадии, существует разброс
значений кинетической энергии оже-электронов:
2
ξ −1
ξ=
.
2
1+ ξ
Если обозначить оже-процесс обычным образом через последовательность уровней, принимающих в нем участие, КL1L2, то в первом приближении энергия оже-электронов Е(КL1L2) определяется формулой
Е(КL1L2) = Е(К)–Е(L1)–Е(L2), где Е(К), Е(L1) и Е(L2) – энергии связи электронов на уровнях
КL1L2.
При более строгом подходе для энергии оже-электронов вводят
поправку E, связанную с тем, что после оже-процесса в атоме образуются две дырки. Существуют различные способы определения
поправки E. Самым простым является способ, при котором наличие дырок учитывается привлечением данных для соседнего элемента с более высоким атомным номером. Тогда в общем случае для
любого оже-процесса AB, происходящего в атоме с порядковым номером Z, можно записать
Еz(ABC) = Е(А)я–E(B)z–E(C)z + 1, где через A, В и С по-прежнему обозначены уровни, участвующие
в процессе.
В твердых телах наличие двух дырок приводит к перераспределению зарядов и возникающая при этом поляризация увеличивает
энергию эмитируемых электронов по сравнению со свободными атомами. Этот сдвиг в некоторых случаях может достигать 10–20 эВ.
115
В оже-процессе с той или иной вероятностью могут принять участие электроны различных атомных оболочек, поэтому энергетический спектр вылетающих из атома оже-электронов (оже-спектр)
содержит до нескольких десятков перекрывающихся между собой
оже-линий.
Оже-эффект происходит не только в изолированных атомах, но
и в молекулах (число оже-линий значительно возрастает), а также
в твердых телах. В последнем случае наряду с переходами между
внутренними уровнями энергии наблюдаются переходы с участием
электронов валентной зоны, причем ширина зоны и плотность состояний в ней влияют на форму оже-линий. Изучение энергетической структуры и осуществление химического анализа вещества –
предмет оже-спектроскопии.
Для обозначения оже-переходов применяют правило: если первичная вакансия находилась в электронном К-слое, ее заполнение
произошло путем путем перехода электрона из L-слоя, а энергия
была передана электрону M-слоя, то оже-электрон называется
KLM-электроном (так же обозначают и соответствующий переход
и оже-линию в спектре). Переходы с участием электронов валентной зоны обозначают буквой V (например, переход LVV).
Особый случай оже-эффекта представляет собой процесс, при
котором вакансия заполняется электроном того же электронного
слоя (т. е. электроном с тем же главным квантовым числом). Такие переходы (например, L1L2M) называются переходами Костера-Кронига.
В ядерной физике эффект, аналогичный оже-эффекту, когда
энергия передается одному из атомных электронов, носит название
внутренней конверсии. В отличие от оже-электронов (50–3000 эВ),
кинетическая энергия конверсионных электронов составляет несколько МэВ.
Глубина выхода оже-электронов
Главным преимуществом ОЭС по сравнению с многими другими
методами является очень малая глубина анализа, что делает эту методику пригодной для исследования поверхности. В свою очередь,
глубина анализа определяется длиной свободного пробега электронов в твердом теле в смысле неупругих взаимодействий. Понятно,
почему это так. Если зародившийся в твердом теле оже-электрон
при движении к поверхности испытает хоть одно неупругое взаимодействие (например, совершит ионизацию атома), то он потеряет часть энергии и не будет зарегистрирован в интересующем нас
116
месте энергетического спектра вторичных электронов, который
формируется при бомбардировке твердого тела ускоренными электронами. То есть оже-электроны, рожденные на глубине большей,
чем длина свободного пробега, не будут нести информацию о нахождении атомов данного сорта. Длина свободного пробега в сильной степени зависит от скорости движения, а следовательно, и от
энергии электронов. Обычно исследуются оже-электроны с энергиями от нескольких десятков электронвольт до нескольких килоэлектронвольт. Во всех материалах длина свободного пробега
(а следовательно, и глубина анализа) таких электронов не превышает 2–3 нм, т. е. величины, сопоставимой с периодом кристаллической решетки твердого тела. При этом львиная доля информации
поступает с глубины 0,5–1,0 нм, что и делает ОЭС уникальным методом исследования поверхности.
Оже-спектроскопия. Регистрация оже-электронов
Оже-спектроскопия – область электронной спектроскопии, в основе которой лежат измерения энергии и интенсивностей токов
оже-электронов, а также анализ формы линий спектров оже-электронов, эмитированных атомами, молекулами и твердыми телами
в результате оже-эффекта. Энергия оже-электронов определяется
природой испускающих атомов, что приводит к небольшим изменениям энергии оже-электронов. Поэтому по оже-спектрам можно
определить элементарный состав приповерхностных слоев твердых тел, получать информацию о межатомных взаимодействиях,
осуществлять химический анализ газа. Оже-спектроскопия газов
используется также для исследования механизма оже-эффекта, основных и возбужденных состояний дважды ионизированных атомов, различных эффектов, связанных с процессом начального возбуждения атома. Анализ элементного состава производится путем
сопоставления оже-спектров с табличными данными. Расположение пика в энергетическом спектре оже-электронов несет информацию о химической природе атомов, его амплитуда – об их концентрации. Взаимодействия атома с его окружением проявляются
в форме оже-пиков и их энергетических сдвигах.
Если оже-эффект был открыт в 1925 г., то первые приборы, в которых он был использован для исследования поверхности, появились лишь в 60-х годах XX века. Для того чтобы объяснить такую
большую задержку во времени, нам придется узнать, что представляет собой спектр вторичных электронов, образующихся при
бомбардировке твердого тела ускоренными электронами. Оказыва117
A
Фон
ется, что в области энергий, в которой находятся оже-электроны,
существует большое количество неупругорассеянных первичных
электронов, образующих сплошной спектр, являющийся фоном,
на котором приходится выделять оже-электроны. Ток неупругорассеянных электронов на несколько порядков превышает ток ожеэлектронов, поэтому возникает обычная труднорешаемая задача
выделения полезного сигнала на уровне большого фона. Эта задача
впервые была решена в 1962 году Л. А. Харрисом, после чего начался период бурного развития оже-электронной спектроскопии.
Чтобы понять, как была решена эта задача, обратимся к рис. 4.10,
а, на котором изображен участок энергетического спектра (N – число
электронов; Е – их энергия) вторичных электронов, в который попадают и оже-электроны с энергией Е1.
Как видно из рис. 4.10, а, оже-электроны образуют однополярный пик очень малой интенсивности, который накладывается на
большой фоновой ток неупругорассеянных электронов, при этом
последний относительно слабо зависит от энергии. Харрис предложил
продифференцировать
а)
спектр N(Е), т. е. превратить
N Оже-сигнал
dN
его в , в результате чего фон
dE
практически исчезает, а на месте
слабого оже-сигнала колоколообразной формы появляется интенсивный двухполярный пик
с амплитудой А (рис. 4.10, б),
0
который легко может быть заE1
E
б)
регистрирован. При этом диффеdN
ренцирование
осуществляется
dE
электрическими методами непосредственно в процессе записи
E1
спектра.
E
Энергоанализаторы
оже-электронов
Рис. 4.10. Участок энергетического спектра вторичных
электронов: а – до дифференцирования, N(Е); б – после диффеdN
ренцирования,
( E)
dE
118
В оже-спектроскопии атомы
возбуждают электронным, фотонным (рентгеновским) и ионным
пучками, соответственно различают электронную (ЭОС), рентгеновскую (РОС) и ионную (ИОС)
оже-спектроскопию. Регистра3
ция оже-спектров производится
с помощью оже-спектрометров,
близких по конструкции в слу1
2
чае ЭОС, РОС и ИОС (рис. 4.11).
Исследумый образец поме4
5
щают в вакуумную (до 10–11 мм
рт.ст.) камеру и облучают элекРис. 4.11. Блок-схема оже-спектронными пучками первичных
трометра: 1 – источник первиччастиц, источниками которых
ных частиц (электронов, фотослужат электронная пушка, рентнов, ионов); 2 – исследуемый
геновская трубка и ионная пушка;
образец; 3 – ионная пушка для
они должны обеспечивать потоки
прослойного распыления образца;
4 – энергетический анализатор
частиц, интенсивность которых
электронов; 5 – система регидостаточна для эмиссии оже-элекстрации и обработки данных.
тронов в количестве, надежно
Пунктиром обведена вакуумная
регистрируемом измерительной
часть прибора
аппаратурой. Электронные и ионные пучки легко фокусируются, их можно развернуть в растр по поверхности образца (сканирующие оже-спектрометры), что позволяет
изучать распределение по поверхности образца атомов различных
химических элементов с высоким пространственным разрешением
(~30 нм). Рентгеновский зонт имеет минимальный диаметр ~150 мкм,
сканирующая РОС пока не используется.
Основной узел оже-спектрометра – энергоанализатор оже-электронов. Чаще всего используются электростатические анализаторы с продольными и поперечными энергетическими полями (рис.
4.12). В анализаторах первого типа направления электрического
поля и движения электронов совпадают. К этому типу анализаторов относится многосеточный анализатор с тормозящим полем
(рис. 4.12, а); в нем максимальная энергия электронов, попадающих на коллектор анализатора, определяется по задерживающему
потенциалу на сетках 3.
В анализаторе второго типа (с дисперсией по энергии) электрон
движется в поперечном электрическом поле по окружности, радиус
которой зависит от его энергии (рис. 4.12, б, в, г, д). Выделив с помощью диафрагм траекторию определенного радиуса и регистрируя
ток электронов, движущихся по этой траектории в зависимости от
напряженности электрического поля (изменяя разность потенциалов между внешними и внутренними электродами 3 анализатора),
измеряют распределение электронов по энергиям. К анализаторам
119
а)
б)
1
2
1
3
в)
3
1
3
3
3
127°
4
4
2
2
г)
3
2
4
д) 1
4
1
3
3
3
2
4
Рис. 4.12. Энергоанализаторы оже-электронов с продольным (а)
и поперечным (б, в, г, д) электрическими полями: а – четырехсеточный
анализатор с тормозящим полем; б – 127-градусный анализатор
Юза – Рожанского; в, г – плоские, цилиндрические зеркала;
д – сферический дефлектор. 1 – источник первичных частиц;
2 – образец; 3 – электроды анализатора – сетки (а), цилиндрические
(б, г), плоские (в), сферические (д) поверхности; 4 – коллектор
электронов – сферический электрод (а) или электронный
умножитель (б, в, г, д)
такого типа относятся, например, 127-градусный цилиндрический
анализатор Юза – Рожанского (рис. 4.12, б), плоское (рис. 4.12, в),
цилиндрическое (рис. 4.12, г) и сферическое (рис. 4.12, д) зеркала. Они обеспечивают чувствительность на два порядка выше по
сравнению с многосеточным анализатором с тормозящим полем,
однако последний позволяет сочетать методы оже-спектроскопии
с дифракцией медленных электронов, что дает возможность наряду с элементарным составом приповерхностных слоев монокристаллических образцов получать сведения об их кристаллической
структуре. Обычно регистрируют не энергитическое распределение
числа N эмитированных электронов по энергиям E, а производную
dN ( E ) dE (Е – энергия электронов), что позволяет не только более
четко выделить линии оже-спектра (повысить чувствительность метода), но и более детально анализировать их структуру.
Методами ЭОС и РОС осуществляют анализ для всех элементов
периодической системы, за исключением Н и Не. Метод ИОС обладает селективностью: определенные ионы способны возбуждать
120
эмиссию оже-электронов лишь в атомах определенных элементов,
что обусловлено механизмом обменной генерации вакансий во внутренних электронных оболочках атомов ионным пучком. Поэтому
применение метода ИОС целесообразно, когда необходимо регистрировать наличие на поверхности того или иного элемента, а не
проводить полный анализ элементного состава поверхности.
Получение энергетического спектра
Для обнаружения оже-электронов необходимо уметь выделять
электроны, находящиеся в очень узком интервале энергий. В ожеспектроскопии чаще всего используют электростатические анализаторы, и в частности анализаторы типа «цилиндрическое зеркало». На рис. 4.13 приведено схематическое изображение такого
анализатора, позволяющее понять принцип его действия.
Одновременно с этим показан образец 1, бомбардируемый ускоренными электронами, который в данном случае является источником вторичных электронов, в том числе и оже-электронов.
Основными элементами анализатора служат два металлических
коаксиальных цилиндра 2 и 3 с радиусами r1 и r2. Внутренний цилиндр обычно заземляют, а на внешний подается отрицательный
(относительно земли) потенциал, который может быть изменен
в достаточно широких пределах. Таким образом, между цилиндрами формируется анализирующее поле. Вторичные электроны
U
5
4
r1
1
r2
e
2
3
6
Рис. 4.13. Схематическое изображение энергоанализатора типа
«цилиндрическое зеркало»: 1 – образец; 2 – внутренний цилиндр;
3 – внешний цилиндр; 4 – окна для входа и выхода электронов;
5 – коллектор; 6 – магнитный экран
121
через специальные входные окна во внутреннем цилиндре попадают в это поле и при своем движении отклоняются к оси цилиндра.
При некотором значении потенциала U на внешнем цилиндре только электроны с энергией Е проходят в выходные окна во внутреннем цилиндре и попадают на коллектор. Изменение потенциала U
приведет к тому, что на коллекторе будут собираться электроны
с другим значением энергии. Если осуществить медленную развертку напряжения между цилиндрами, то будет записан непрерывный спектр вторичных электронов. Это сильно упрощенное
описание принципа работы анализатора. На самом деле движение
электронов происходит по достаточно сложным траекториям, а регистрируются электроны не с фиксированной энергией (даже при
U = const), а в некотором интервале энергий, который определяется
конструкцией анализатора, качеством его изготовления и другими
факторами. Этот интервал определяет энергетическое разрешение
анализатора, т. е. минимальное расстояние между двумя близко
лежащими пиками в спектре, которые еще могут быть различимы.
На точность измерений энергий влияют внешние магнитные
поля (в том числе и магнитное поле Земли). Это связано с тем, что
легкие электроны сильно отклоняются даже в слабых магнитных
полях. Для защиты от них используется специальный магнитный
экран 6 ( см. рис. 4.13).
Количественная оже-спектроскопия. Факторы, влияющие
на интенсивность оже-сигналов
Основной задачей количественной ЭОС является определение
концентраций атомов, входящих в состав многокомпонентных образцов. Понятно, что интенсивность оже-сигналов (ток электронов,
появляющихся в результате оже-процесса АВС в атомах какого-либо сорта) и концентрация атомов взаимосвязаны. Для того чтобы
установить эту связь, коротко рассмотрим основные факторы, влияющие на величину этого тока.
Первым и необходимым этапом любого оже-процесса является
ионизация внутреннего уровня первичным электроном. В качестве
характеристики эффективности ионизации используют величину
сечения ионизации s, которая зависит как от глубины залегания
уровня, так и от энергии первичного электрона. Сечение ионизации есть не что иное, как вероятность ионизации в расчете на один
атом. Зависимость s от энергии имеет достаточно сложный характер, и универсальной формулы для его определения не существует.
Чаще всего пользуются полуэмпирическими формулами, которые
122
хорошо согласуются с экспериментальными данными. Согласно
этим выражениям существует энергетический порог, совпадающий с энергией связи электрона Е(А) на уровне А. При энергии первичного электрона Ef, равной (3–4)Е(А), характерен максимум, после которого наблюдается медленный спад. Из такого упрощенного
описания уже можно сделать вывод о том, что максимальное число
оже-электронов, а следовательно, и максимальная чувствительность метода реализуется в случае, когда Ef = (3–4)·E(A).
Следующий этап – сам оже-процесс, характеризуемый вероятностью γ, от которой также зависит количество образующихся ожеэлектронов. Вспомним, что конкурирующим процессом после ионизации уровня является излучение фотона (флуоресценция). Оказывается, что гораздо проще определить выход флуоресценции ω,
чем величину γ. Поэтому для описания вероятности оже-процесса
пользуются величиной 1–ω. Надо заметить, что для большинства
оже-переходов ω близок к нулю.
Количество оже-электронов зависит также от того, с какой
глубины они выходят. Образовавшийся на какой-то глубине ожеэлектрон при движении к поверхности может испытать неупругое столкновение и потерять часть своей энергии. Такие электроны выпадают из рассмотрения, поэтому часто за глубину выхода
оже-электрона принимают среднюю длину пробега для неупругих
столкновений λ , зависящую от Е(АВС). Глубина выхода, пожалуй,
наименее изученный параметр, используемый в количественном
оже-анализе.
Ионизация атомов в зоне выхода оже-электронов может осуществляться не только электронами первичного пучка, но и частью
обратнорассеянных электронов, имеющих достаточно большую
энергию. Это приводит к увеличению выхода оже-электронов, что
может быть учтено введением коэффициента обратного рассеяния
R, который определяется как теоретически, так и экспериментально. Однако для многокомпонентных объектов это далеко не всегда
просто сделать.
Основное уравнение оже-спектроскопии.
Методы расчета концентрации атомов
Обсудив различные факторы, влияющие на выход оже-электронов, можно записать выражение, связывающее ток Ii оже-электронов, эмитируемых твердым телом под углом θ к его поверхности, и
концентрацию атомов в твердом теле Ni (i – индекс элемента).
123
Li = const·Lf·Gi·Ni·σi·(1–ω1)·Ri·λi·secθ,
(1)
где Gi – величина, учитывающая эффективность сбора электронов,
зависящая от типа анализатора.
Эта формула дает полный оже-ток для всех возможных оже-переходов, возникающих при ионизации уровня ЕА. Если измеряется конкретный оже-пик, в формулу (1) необходимо добавить множитель, учитывающий относительную вероятность оже-перехода.
На самом деле при расчете концентрации атомов формулой (1)
пользуются достаточно редко. Это связано с тем, что, как уже указывалось, величины λ и R сильно зависят от матрицы, в которой
находятся атомы с неизвестной концентрацией. На практике чаще
всего применяют метод с использованием эталонов и метод, учитывающий факторы элементной чувствительности.
Для реализации метода эталонов необходим контрольный образец с идентичной матрицей и известной концентрацией атомов
исследуемого элемента. Тогда трудноопределимые величины λ и R
приблизительно одинаковы. При этом условия эксперимента в обоих случаях должны быть строго одинаковыми, т. е. необходимо постоянство Lf, Gi и θ. Если для обозначения эталона ввести индекс
«э» и для образца с неизвестной концентрацией атомов индекс «х»,
то, применяя уравнение (1) для исследуемого объекта и эталона и
деля одно выражение на другое, получим
Nix =
Niý Iix
.
Iiý
Основной проблемой (порой неразрешимой) в этом методе является изготовление эталонных образцов, поэтому на практике чаще
используют второй из упомянутых выше методов.
Сразу заметим, что в методе, учитывающем факторы элементной чувствительности, не учитывается тот факт, что атомы элемента, концентрацию которых мы хотим определить, внедрены в некоторую матрицу, которая, как вы уже знаете, в сильной степени
влияет на λ и R. По этой причине он, строго говоря, не является количественным (ошибка может достигать 30%) и служит лишь для
оценочных расчетов.
Идея метода чрезвычайно проста. Атомная концентрация какого-либо сорта атомов Ni в многокомпонентном образце, содержащем n сортов атомов, может быть выражена следующим образом:
aI
Ni = i . (2)
Si
124
Здесь а – некоторая константа, Li – соответствующий ток ожеэлектронов, а Si – фактор элементной чувствительности, который
показывает, во сколько раз величина оже-сигнала от образца, состоящего исключительно из атомов i-го сорта, отличается от той же
величины для некоторого стандарта (в качестве стандарта обычно
выбирается чистое серебро). При этом соответственно подразумевается, что все измерения сделаны при одинаковых условиях. Величина Si либо берется из таблиц, либо определяется непосредственно в эксперименте. Тогда для полной концентрации N всех атомов,
входящих в состав образца, можно записать
n
aIi
. i =1 Si
N =∑
(3)
Из формул (2) и (3) легко определяется относительная атомная
концентрация Cx (выраженная в долях единицы) для атомов любого сорта:
Nx Ix 1
=
Ñx =
.
N Sx n Ii ∑
S
i =1 i
Для иллюстрации метода приведем один пример. На рис. 4.14
показан спектр оже-электронов (в дифференцированном виде), полученный от поверхности образца из нержавеющей стали, в состав
которой входят Fe, Ni и Cr. Из рис. 4.14 видно, что у хрома имеются два, а у железа три оже-пика. Для расчета были использованы
наиболее интенсивные линии железа и хрома и одна-единственная
Cr
Fe
Ni
dN
dE
Fe
0
200
400
600
800
1000
Рис. 4.14. Спектр оже-электронов от поверхности
нержавеющей стали
125
линия никеля (эти линии на рисунке отмечены звездочками). В результате расчета получены следующие концентрации компонентов в относительных единицах: Fe 0,68(0,702), Ni 0,09(0,093), Сr
0,22(0,205). В скобках указаны истинные концентрации компонентов нержавеющей стали. Приведенный пример наглядно свидетельствует о том, что с помощью метода ОЭС достаточно быстро
и с хорошей точностью может быть проведен элементный анализ
приповерхностных слоев твердых тел.
Следует сказать об абсолютной чувствительности метода ОЭС.
Если говорить о минимально регистрируемой объемной концентрации атомов (~10–19 см–3), то ОЭС по этому параметру сильно
уступает другим методикам. Главное преимущество оже-электронной спектроскопии заключается в другом – в возможности обнаружения малых примесей на поверхности (точнее, в слое толщиной
~0,5–1,0 нм). В массовом измерении чувствительность метода составляет <10–14 г. Если распределить столь малое количество вещества на поверхности в один слой атомов, то оно будет соответствовать всего лишь 10–3 монослоям.
Растровая оже-электронная спектроскопия.
Применение оже-спектроскопии
Оже-электронная спектроскопия дает нам информацию об элементном составе участка поверхности тела, размеры которого
в первом приближении определяются размерами самого электронного зонда (пучка первичных электронов). Перемещая электронный зонд по поверхности, можно получить данные о распределении
элементов на ней в разных точках. В оже-спектрометрах первого
поколения диаметр электронного пучка составлял десятые (в лучшем случае сотые) доли миллиметра. Поэтому и пространственное
разрешение было того же порядка.
В настоящее время выпускаются так называемые сканирующие
оже-спектрометры, в которых два прибора объединены вместе. Основой такого комплекса является сканирующий (растровый) электронный микроскоп (РЭМ), в котором электронный пучок очень
малого диаметра (несколько нанометров) передвигается в двух перпендикулярных направлениях, засвечивая определенный участок
поверхности (точно так же, как в обычной телевизионной трубке).
Величина возникающего при этом тока вторичных электронов зависит от различных свойств поверхности. Таким образом, в каждый
момент времени вторичные электроны несут информацию с участка, определяемого размерами электронного пучка. Визуализация
126
картины осуществляется с помощью электронно-лучевой трубки
(подобной телевизионной), в которой синхронно с электронным
зондом движется свой электронный пучок. Если сигнал, пропорциональный току вторичных электронов, подать на модулирующий
электрод электронной пушки трубки, то на экране мы увидим изображение поверхности в так называемом режиме вторичных электронов. Такой прибор позволяет получить картину, отражающую
эмиссионные свойства. При этом сказать что-либо об элементном
составе оказывается непростой задачей.
Если наряду с коллектором, служащим для сбора вторичных
электронов, установить энергоанализатор, то получится прибор,
на котором можно получать изображение поверхности не только
во вторичных электронах, но и в оже-электронах. Для этого энергоанализатор необходимо настроить на энергию интересующих
нас оже-электронов, а на экране мы увидим распределение соответствующего элемента на поверхности. Если мы хотим получить
информацию о распределении всех примесей, надо поочередно настраиваться на другие энергии оже-электронов. На рис. 4.15 приведено упрощенное схематическое изображение такого комбайна.
Существенным отличием сканирующего оже-спектрометра от
обычного РЭМ является конструкция вакуумной системы, позволяющая достигать давлений р < 10–8 Па (в обычных РЭМ р ~ 10–3
–10–4 Па). Такой сверхвысокий вакуум необходим по той причине,
e
2
3
7
4
1
6
5
8
9
Рис. 4.15. Схематическое изображение растрового оже-спектрометра:
1 – образец; 2 – коллектор для сбора вторичных электронов;
3 – энергоанализатор; 4 – детектор энергоанализатора;
5 – электронно-лучевая трубка; 6 – катод электронной пушки;
7 – модулятор электронной пушки; 8 – отклоняющие пластины
электронно-лучевой трубки, служащие для получения растра;
9 – экран электронно-лучевой трубки
127
что глубина выхода оже-электронов составляет 0,5–1 нм и любые
загрязнения, в том числе и адсорбированные из остаточной атмосферы аналитической камеры частицы, приводят к сильному искажению результатов.
Традиционные области применения ОЭС – изучение процессов
адсорбции и десорбции на поверхностях твердых тел, коррозии, явлений, происходящих при поверхностном гетерогенном катализе,
контроль за чистотой поверхности в различных технологических
процессах.
С появлением сканирующих оже-спектрометров ОЭС широко
используется и в микроэлектронике, в том числе для выявления
причин отказа различных элементов микросхем.
Этот список применений можно продолжать сколько угодно, поскольку буквально с каждым днем у этой уникальной методики открываются новые возможности.
4.3. Рамановская спектроскопия
Когда свет рассеивается на молекулах, большая часть фотонов
рассеивается упруго, в процессе, называемом рэлеевским рассеянием. Однако небольшая часть фотонов (приблизительно 1 из 107)
подвергается неупругому рассеянию. Такое неупругое рассеяние
называется эффектом Рамана по имени одного из его первооткрывателей индийского физика С. В. Рамана (C. V. Raman) [10]. Следует заметить, что практически одновременно тот же эффект, названный ими комбинационным рассеянием света, наблюдали Лансберг
и Мандельштам в МГУ [11,12,13,14]. Соответственно, этот термин
наиболее употребителен в русскоязычной литературе [15].
На практике наиболее важно рамановское рассеяние, происходящее с изменением вибрационной энергии молекулы. Другими словами, при этом фотон или создается (стоксов процесс), или
аннигилируется (антистоксов процесс). Сдвиг по частоте относительно возбуждающего излучения в этих двух процессах одинаков.
Однако популяция фотонов в возбужденном состоянии зависит от
температуры. Поэтому интенсивность рамановских спектральных
линий, возникающих вследствие антистоксова процесса, всегда
меньше таковой для линий, соответствующих стоксову процессу
(рис. 4.16).
Элементарное рамановское событие происходит с характерным
временем порядка 10–14 с. Полная теория рамановского рассеяния
довольно сложна, и для ее построения привлекаются тонкие ин128
Интенсивность (а.и.)
стоксов
процесс
антистоксов
процесс
–500
–400
400
500
Сдвиги Рамана (см –1 )
Рис. 4.16. Разница между стоксовым и антистоксовым сдвигом
рамановского спектра при комнатной температуре («*»
показывает пик кремния, а «#» показывает пик Al2O3)
струменты квантовой механики, такие как теория групп, теория
возмущений высокого порядка и т. д. В то время как в классической
физике рамановское взаимодействие может рассматриваться как
возмущение электрического поля молекулы, в квантовой механике
рассеяние описывается как возбуждение виртуального состояния
с энергией ниже, чем энергия реального электронного перехода, и
практически одновременный распад этого состояния, сопровождаемый изменением вибрационной энергии. Пример энергетической
диаграммы для рамановского рассеяния приведен на рис. 4.17.
Разница энергий падающего и рассеянного фотонов равна энергии вибрации молекулы, на которой происходит рассеяние. Для
различных молекул эта энергия принимает свои характеристические значения. График интенсивности рассеянного света в зависимости от разницы энергии между падающим и рассеянным фотонами образует рамановский спектр. В числовом выражении рамановский сдвиг (в единицах частоты) можно вычислить при помощи
1 1
следующего уравнения: =
, где λi и λs – длина волны падаυ
−
λi λs
ющего и рассеянного фотонов соответственно.
Интенсивность и величина сдвига в рамановских спектрах в основном определяются параметрами как самих молекул, как, на129
Виртуальное
энергетическое
состояние
Стоксов
рассеянный
фотон
Падающий
фотон
Антистоксов
рассеянный
фотон
v =3
v =2
v =1
Конечное
состояние
v =0
Начальное
состояние
Вибрационное
энергетическое
состояние
Начальное
состояние
Конечное
состояние
Рис. 4.17. Схема энергетических уровней
для рамановского рассеяния
пример, атомная масса входящих в молекулу атомов, тип и энергия
химической связи, геометрия молекулы, наличие примесей, так и
параметрами окружающей среды. В качестве примера на рис. 4.18
проиллюстрировано различие в рамановских спектрах между кристаллическим (c-Si) и аморфным (a-Si) кремнием.
Поверхностно-усиленное рамановское рассеяние (ПУРР) и резонансно-усиленное рамановское рассеяние (РУРР) являются двумя
усовершенствованными методами, в которых используется усиление
рамановского рассеяния на поверхности и при определенной длине
волны соответственно. Метод ПУРР основан на усилении электромагнитного поля, возникающем на поверхности металла. С этой целью наиболее широко применяются коллоиды серебра или золота.
Когда длина волны возбуждающего лазера совпадает с электронным
спектром молекулы, интенсивность некоторых рамановских вибраций увеличивается на коэффициент 102–104. Кроме того, внедрение
в практику оптики ближнего поля позволяет использовать в рамановской спектроскопии СОМБП вместо оптического микроскопа.
В качестве монохроматического источника света Раман использовал солнечный свет, пропущенный через цветной фильтр, выполнявший функцию монохроматора, а в качестве детектора – человеческий глаз. Поскольку интенсивность рамановского рассеянного
света очень мала, требуется высокомощный монохроматический
130
Интенсивность Рамана (а.и.)
a-Si
c-Si
100
200
300
400
500
600
Сдвиги Рамана (см –1 )
Рис. 4.18. Рамановский спектр аморфного
и кристаллического кремния
Рис. 4.19. Схема микрорамановского спектрометра
источник. Поэтому рамановская спектроскопия получила широкое распространение только после изобретения лазера. На рис. 4.19
показана схема измерений рамановских спектров в 180-градусной
геометрии. В качестве монохроматического источника широко используются He-Ne (632 нм), Ar + (488 нм и 514 нм) и Nd-YAG (532 нм)
лазеры. Имеются также и другие источники, работающие в ультрафиолетовом, видимом и близком инфракрасном диапазоне. Источ131
ник должен быть достаточно мощным вследствие низкой вероятности рамановского процесса. В качестве детекторов рассеянного
излучения применяются приборы с зарядовой связью (ПЗС), фотоумножители или полупроводниковые детекторы.
Преимуществом ПЗС является то, что они дают возможность получения изображений в многоканальном режиме, что сокращает
время, необходимое для измерения спектра. Рамановский спектрометр может быть дисперсивным или недисперсивным. В дисперсивных системах цвета разделяются с помощью решетки или призмы,
а в недисперсивных для этой цели используется интерферометр
Майкельсона, образуя так называемый рамановский спектрометр
Фурье. Как правило, в дисперсивных системах используются двойные/тройные монохроматоры. В схему рамановского спектрометра
с целью совершенствования его работы обычно включают такие
оптические элементы, как режекторный фильтр, конфокальное отверстие, микроскоп и поляризатор. Режекторный фильтр узкого
диапазона используется для блокирования рэлеевского рассеяния
(в основном, для защиты детектора). Конфокальное отверстие используется для исследования рамановского сигнала образца при
нормальном падении возбуждающего света. Латеральное разрешение может быть улучшено путем присоединения подходящих линз
к микроскопу. Такие системы называются микрорамановскими
спектрометрами. Поскольку эффект Рамана зависит от поляризации, поляризаторы весьма полезны, чтобы блокировать те или
иные сигналы и соответственно выделить оставшиеся.
4.4. Фотоэлектронная спектроскопия
Фотоэлектронная спектроскопия (ФЭС) – это наиболее широко
используемый метод для изучения электронной структуры заполненных состояний на поверхности и в приповерхностной области
(глубина 20–40 Å). Физической основой метода служит фотоэлектрический эффект, в котором электрон, первоначально находящийся в состоянии с энергией связи Есв, поглощает фотон с энергией hν и покидает твердое тело с кинетической энергией (рис. 4.20):
Екин = hν – Есв – Фо, где Фо = Еvac – ЕFermi;
Для того чтобы зарегистрировать фотоэлектрон, должны быть
выполнены следующие условия:
– энергия фотона должна быть достаточна, чтобы электрон смог
покинуть твердое тело, то есть hν ≥ Есв + Фо;
132
2
1
Свободная зона
Eg
hv
EF
Валентная зона
EL
L
EK
hv
K
Остовная зона
Рис. 4.20. Зонная диаграмма
– скорость электрона должна быть направлена в сторону внешней поверхности;
– электрон не должен потерять энергию в столкновениях с другими электронами на своем пути к поверхности.
Диапазон энергий фотонов, используемый в материаловедении,
простирается от ультрафиолета (УФ) до рентгеновского излучения.
Практически энергетический диапазон простирается от 10 эВ, что
близко к энергии связи электрона в атоме водорода (13,6 эВ), до
энергий около 100 кэВ. При этих энергиях фотоны могут, проникая в твердое тело, взаимодействовать с электронами внутренних
оболочек. Фотоны низких энергий используются для исследования
спектров излучения в видимой области, связанного с далеко расположенными, более слабо связанными электронами. Эти внешние
электроны участвуют в образовании химических связей, поэтому
они не связаны с отдельными атомами и, следовательно, непригодны для элементного анализа.
В зависимости от энергии фотонов (длины волны), используемых для возбуждения электронов, фотоэлектронная спектроскопия обычно подразделяется на два типа (рис. 4.21):
– УФЭС (ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопия),
в которой используются фотоны ультрафиолетового спектрального
диапазона 10–50 эВ (соответствующие длины волн от 1000 до 250 А).
В результате УФЭС используется для изучения валентной зоны и зоны
проводимости.
133
– РФЭС (рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия), в которой используется рентгеновское излучение с энергией квантов в диапазоне 100–10 кэВ (соответствующие длины волн от 100 до 1 А). Как
следствие РФЭС зондирует глубокие остовные уровни.
Это разделение на два типа достаточно условно как с точки зрения объекта исследования (подразделение энергетических уровней
на основные и валентные само по себе условно), так и с точки зрения используемых источников излучения (при использовании синхротронного излучения можно излучать фотоэмиссию от мягкого
ультрафиолетового излучения до жесткого рентгеновского). Более
того в обоих методах используются одни и те же физические процессы.
Из уравнения hν = Eсв + Eкин видно, что если известны величины
hν и Eкин, то можно определить энергию ионизации Eион или энергию
связи Eсв соответствующего уровня. Для определения Eкин используются специально созданные электронные спектрометры. Электронный спектрометр (рис. 4.22) состоит из трех основных частей, в которых соответственно происходят генерация электронов, анализ их
энергии и регистрация. В спектрометре поток ионизирующего излучения направляется на образец. Электроны могут быть выбиты
из любой оболочки молекулы, ионизационный потенциал которой
меньше энергии облучения. Выбитые электроны попадают в анализатор энергий электронов спектрометра. В анализаторе электроны
описывают различные траектории в зависимости от своих энергий и
напряжения, приложенного к электродам анализатора.
Наиболее распространен и хорошо известен сферический анализатор. В этом анализаторе к обкладкам сферического конденсатора прикладывается заданное наhv
пряжение. Разность потенциалов
e
hv
между двумя пластинами сфериe
ческого конденсатора непосредственно связана с кинетической
энергией электронов, прошедших
через анализатор соотношением
1
2
Рис. 4.21. Типы ФЭС: 1 – ультрафиолетовая фотоэлектронная
спектроскопия; 2 – рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия
134
=
V
Eêèí  R2 R1 
−

,
e  R1 R2 
где Eкин – кинетическая энергия
электрона, V – разность потенциалов между двумя сферами ради-
3
4
1
2
5
6
Рис. 4.22. Рентгеноэлектронный спектрометр: 1 – источник
рентгеновского (ультрафиолетового) излучения; 2 – образец;
3 – анализатор; 4 – детектор электронов; 5 – усилитель;
6 – самописец
усов R1 и R2. Если менять напряжение на обкладках, то можно проанализировать спектр энергии Eкин, которой обладают электроны,
падающие на входную щель анализатора.
Исследуемое вещество облучают монохроматическим рентгеновским излучением. В качестве источника рентгеновских монохроматических квантов может быть использована обычная рентгеновская
трубка, анод которой сделан из материала, имеющего достаточно
интенсивную и узкую линию рентгеновского излучения. В качестве
таких линий выступают обычно – линия Mg (hν = 1253,6 эВ) или линия Al (hν = 1486,6 эВ).
В качестве детектора электронов может быть использован обычный электрометр или пропорциональный счетчик. В серийных промышленных спектрометрах применяются электронные умножители. В этих приборах каждый попавший в них фотоэлектрон выбивает
лавину вторичных электронов, которые регистрируются электронной схемой как отдельный импульс. Интенсивность рентгеноэлектронной линии определяется числом импульсов в единицу времени.
В фотоэлектронной спектроскопии твердых тел анализируется
кинетическая энергия электронов, испущенных при облучении
твердых тел моноэнергетическими фотонами с энергией hν:
hν = Екин + Есв + Фо, где Фо = Еvac – ЕFermi,
где Есв – энергия связи(ионизации) атомного или молекулярного
уровня системы. Энергия фотонов известна, кинетическая энергия
фотоэлектрона Екин регистрируется с помощью спектрометра, а работа выхода спектрометра легко определяется с помощью калибровочных экспериментов.
135
E kin
Спектр
EF
Исследуемое
вещество
E
Уровень
вакуума
E vac
EF = 0
hv
Ф0
I(E)
Уровень
Ферми
Валентная
зона
EB
hv
Остовные
уровни
N(E)
Рис. 4.23. Процесс фотоэмиссии: N(E) – плотность заполненных
состояний исследуемого материала; Е – энергия;
I(E) – спектр фотоэмиссии
Значит легко можно определить энергию связи (ионизации) соответствующего электронного уровня, которая зависит от характера распределения электронов в исследуемой системе.
Отсюда видно, что спектр фотоэмиссии I(E) – это своего рода отпечаток плотности заполненных состояний исследуемого материала (рис. 4.23).
Анализ энергетического спектра образца
с помощью фотоэлектронной спектрометрии
На рис. 4.24 проиллюстрирован процесс рентгеновской фотоэмиссии натрия. Пики соответствуют энергиям характеристических электронов, покидающих твердое тело без процессов, приводящих к потерям энергии.
На энергетической шкале (см. рис. 4.24) приведена энергия
связи, т. е. hv → Етн. Пики соответствуют энергиям характеристи136
Интенсивность фотоэмиссии, пр. ед.
Оже пик
LVV
2s
Валентная
зона
Плазмоны
×100
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Энергия связи, эВ
Рис. 4.24. Энергетический спектр электронов образца Na
при синхротронном облучении фотонами с энергией 100 эВ
ческих электронов, покидающих твердое тело без процессов, приводящих к потерям энергии. Хвосты со стороны большей энергии
связи соответствуют электронам, претерпевшим неупругое рассеяние и потерю энергии на пути из образца и выходящим поэтому
с меньшей кинетической энергией, что приводит к кажущемуся
возрастанию энергии связи.
Линии 2s и 2p отчетливо видны в виде острых пиков, это и есть
остовные уровни, положение которых определяется энергией связи электронов, что является характеристикой данного элемента.
То есть присутствие пиков при данной энергии связи является свидетельством присутствия на поверхности данного элемента (содержит информацию о химическом составе поверхности).
Сравнивая энергии пиков на экспериментальном спектре с известными энергиями связи в элементах, можно выяснить, какие
элементы присутствуют в данном материале.
Из измеренных амплитуд пиков на спектре РФЕС можно определить концентрацию элементов, из которых состоит поверхность.
В общем случае вероятность фотоэмиссии максимальна при
энергии фотонов близкой к порогу ионизации, и она быстро уменьшается, если энергия фотонов значительно превосходит энергию
связи электронов. Поэтому РФЭС – это метод для исследования
в основном глубоких остовных уровней. Для исследования валент137
ной зоны нужна меньшая энергия
и использование УФ-источника
возбуждения.
Энергии 100эВ недостаточна для вырывания электронов
SiO2
Si
из K-оболочек Na, но достаточна для создания вакансий
в L-оболочках.
Несмотря на постоянство энергии остовных уровней атома,
108
104
100
96
в различных веществах имеется
Энергия связи, эВ
определенная разница в энергиях
связи для данного атома при пеРис. 4.25. Химический сдвиг
реходе от одного вещества к друэнергии связи линии Si2p
в кремнии и SiO2
гому. Как следует из экспериментальных данных, энергия связи
Есв электронов остова несколько меняется при изменении характера химического окружения атома, спектр которого изучается.
Изменения энергии связи (ΔЕсв) для электронного уровня одного
и того же элемента в разных соединениях принято называть химическим сдвигом. Одними из важнейших результатов, полученных
группой шведских физиков, являются демонстрация возможности
измерения химических сдвигов на примерах рентгеноэлектронных
спектров многих органических и неорганических соединений и создание аппаратуры, способной регистрировать соответствующие сдвиги. Сдвиг энергии внутренних электронов в зависимости от химического окружения показан на рис. 4.25 для линии Si2p. Энергия связи
Si2p смещается более чем на 4 эВ при переходе от Si к SiO2. Сдвиг энергии уровня обычно измеряется относительно свободного элемента.
Средняя точность экспериментальных значений Есв ~ ± (0,1–0,2) эВ
для твердых тел и около (± 0,04) эВ для газов.
Для иллюстрации зависимости энергии связи электрона в атоме от химического окружения атома часто используют рентгеноэлектронный 1s-спектр углерода этилового эфира трифторуксусной
кислоты (рис. 4.26). Четыре максимума C1s почти равной интенсивности в весьма изящной форме представляют четыре окружения
атомов углерода в этой молекуле.
В табл. 4 приведены значения энергий связи для 2p-уровня серы
в газообразных соединениях. Из табл. 4 видно, что изменения энергии связи внутренних электронов могут достигать очень значительных величин в ряду соединений этого элемента.
Интенсивность
103,4
138
99,15
Si2p
Энергия связи, эВ
295
290
285
Скорость счёта, имп/60 с
600
500
400
300
200
100
Углерод 1s
0
1190
1195
Рис. 4.26. Рентгеноэлектронный C1s-спектр этилового эфира
трифторуксусной кислоты
Таблица 4
Энергия связи 2p-уровня атома серы в газообразных соединениях
Соединение
S2p
Соединение
S2p
CS2
169,8
SOF2
176,2
H2S
170,2
SF6
180,4
SO2
174,8
В настоящее время проведены многочисленные исследования,
показывающие эффективность применения рентгеноэлектронной
спектроскопии для решения различных вопросов структурной химии органических и неорганических соединений. Ее применение
в структурной химии можно показать на примере исследования
1s-спектров азота (N1s) в Na2N2O3. До применения рентгеновской
139
ФЭС предполагались три возможные структуры иона оксигипонитрата:
1) [ O = N − O − N − O ]2− ;
O
2) O= N − N 
−
O−
;
−
−
3) O − N = N − O − O .
Рентгеноэлектронный спектр Na2N2O3 ясно указывает наличие
структурно неэквивалентных атомов азота, и это исключает симметричную структуру (1). В то же время можно также ожидать, что
структуры 2 и 3 будут давать две полосы в спектре N1s. Окончательный выбор между структурами (2) и (3) возможен только при анализе величины расщепления N1s полосы, связанной с различием
величины электронной плотности на атомах азота.
Рентгеноэлектронные спектры позволяют четко показать, что
энергия связи внутреннего уровня атома в сильной степени зависит от степени окисления элемента, спектр которого изучается.
Так, уже в первых работах было установлено, что при одинаковых
ближайших соседях сдвиг внутренних уровней исследуемого атома
в сторону увеличения Есв тем больше, чем больше степень окисления элемента в соединении.
При изучении поверхности металлов и сплавов часто возникают вопросы, является ли поверхность окисленной и какой именно
компонент сплава окислен. Рентгеноэлектронные спектры в большинстве случаев помогают решить эту задачу, поскольку энергия
связи электрона в металле обычно на несколько электронвольт
меньше, чем в оксиде, причем с увеличением степени окисления
также растет положительный химический сдвиг.
Метод рентгеноэлектронной спектроскопии в настоящее время
широко применяют для исследования поверхности твердых тел.
В рентгеноэлектронной спектроскопии регистрируются электроны, вышедшие из слоя вещества, в котором они не успевают отдать
часть своей кинетической энергии другим электронам и атомам
в образце. Толщина этого слоя ~20–40 Å, и, следовательно, рентгеноэлектронные спектры характеризуют только атомы поверхностного слоя. Вследствие этого рентгеноэлектронные спектры
внутренних уровней атомов, входящих в соединение или материал,
позволяют определять элементный состав поверхности, концентрацию элементов на поверхности, химическое состояние атомов на
140
поверхности и приповерхностных слоях. Именно эти аналитические возможности метода позволяют изучать различные процессы,
протекающие на поверхности.
Так как используются фотоны с низкой энергией, происходит
возбуждение только валентных уровней. Этот метод является инструментом изучения валентной полосы поверхности и ее модификации в результате различных процессов на поверхности, таких
как адсорбция, рост тонких пленок, химические реакции.
Для распределения плотности состояний в валентной зоне используется ультрафиолетовая фотоэлектронная спектроскопия
(УФЭС) с интегрированием по углам, которое в идеальном случае
детектирует все фотоэлектроны, испускаемые над поверхностью
образца.
Также УФЭС с угловым разрешением позволяет определить
закон дисперсии поверхностных состояний. Зависимость энергий
связи фотоэлектронных спектров от угла выхода фотоэлектронов.
Контрольные вопросы к главе 4
1. Метод химической ионизации более чувствительный, чем метод ионизации электронным ударом, так как:
а) метод электронного удара применим только для определения
легколетучих термически стабильных соединений;
б) практически все имеющиеся в ионизационной камере электроны используются для ионизации;
в) метод химической ионизации позволяет анализировать пространственные и оптические изомеры;
г) все вышеперечисленное.
2. Основной метод в изотопной масс-спектрометрии:
а) десорбционная ионизация;
б) фотоионизация;
в) поверхностная ионизация;
г) полевая ионизация.
3. Масс-анализатор, представляющий собой эквипотенциальное
пространство, в котором дрейфуют ионы, разделяясь по скоростям
движения:
а) квадрупольный масс-анализатор;
б) время-пролетный масс-анализатор;
в) циклотронно-резонансный масс-анализатор;
г) магнитно-резонансный масс-анализатор.
141
4. Масс-анализатор, представляющий собой ячейку в виде прямоугольного параллелепипеда или куба, помещенную в однородное магнитное поле:
а) квадрупольный масс-анализатор;
б) время-пролетный масс-анализатор;
в) циклотронно-резонансный масс-анализатор;
г) магнитно-резонансный масс-анализатор.
5. Какая специальныя система существует для введения вещества в ионный источник?
а) система напуска;
б) хроматограф;
в) сцинтилляционный детектор;
г) молекулярный сепаратор.
6. Как называется специальный испаритель для труднолетучих
неорганических соединений?
а) ячейка Кнудсена;
б) ячейка Майера;
в) источник А. Нира;
г) ячейка Бенара.
7. Что определяет характерную для всех органических соединений схему фрагментации?
а) процесс гетеролитического разрыва связей;
б) процесс гомолитического разрыва связей;
в) совокупность всех направлений распада;
г) все вышеперечисленное.
8. Тандемный метод используют для:
а) столкновения ионного пучка с нейтральными молекулами;
б) разделения дрейфующих ионов по скоростям движения;
в) термораспылении раствора исследуемого вещества, при котором происходит его ионизация;
г) структурного анализа индивидуальных компонентов сложных смесей без предварительного разделения.
9. Оже-эффект происходит:
а) изолированных атомах;
б) в молекулах;
в) в твердых телах;
г) все вышеперечисленные.
10. Переходами Костера-Кронига называется:
а) процесс, при котором вакансия заполняется электроном того
же электронного слоя;
142
б) ионизация атомов внешним излучением (рентгеновским, быстрыми электронами, ионами) с образованием вакансии на одной
из внутренних оболочек;
в) заполнение вакансии электроном одной из вышележащих
уровней энергии атома;
г) потеря разрешающей способности из-за столкновения ионного пучка с нейтральными молекулами.
11. В оже-спектроскопии атомы возбуждают:
а) электронными пучками;
б) фотонными пучками;
в) ионными пучками;
г) все вышеперечисленные.
12. Выберите неверное утверждение:
а) в ультрафиолетовой фотоэлектронной спектроскопии происходит возбуждение только валентных уровней;
б) из измеренных амплитуд пиков на спектре РФЕС, можно
определить концентрацию элементов, из которых состоит поверхность;
в) пики в рентгеновской фотоэмиссии соответствуют энергиям
характеристических электронов, покидающих твердое тело с потерями энергии;
г) интенсивность рентгеноэлектронной линии определяется числом импульсов в единицу времени.
13. Выберите неверное утверждение:
а) попавший в электронный умножитель фотоэлектрон выбивает лавину вторичных электронов;
б) электронный спектрометр состоит из трех основных частей,
в которых соответственно происходят генерация электронов, анализ их энергии и регистрация;
в) РФЭС используется для изучения валентной зоны и зоны проводимости;
г) диапазон энергий фотонов, используемый в материаловедении, простирается от ультрафиолета (УФ) до рентгеновского излучения.
14. Выберите неверное утверждение:
а) интенсивность рамановского рассеянного света очень мала;
б) интенсивность рамановских спектральных линий, возникающих вследствие антистоксова процесса, всегда больше таковой для
линий, соответствующих стоксову процессу;
в) главное преимущество оже-электронной спектроскопии заключается в возможности обнаружения малых примесей на поверхности;
143
г) ионизация атомов в зоне выхода оже-электронов может осуществляться не только электронами первичного пучка, но и частью
обратнорассеянных электронов.
15. Выберите неверное утверждение:
а) часто за глубину выхода оже-электрона принимают среднюю
длину пробега для неупругих столкновений λ;
б) сечение ионизации есть не что иное, как вероятность ионизации в расчете на один атом;
в) интенсивность оже-сигналов (ток электронов, появляющихся
в результате оже-процесса АВС в атомах какого-либо сорта) и концентрация атомов взаимосвязаны;
г) применение метода ЭОС целесообразно, когда необходимо регистрировать наличие на поверхности того или иного элемента, а
не проводить полный анализ элементного состава поверхности.
144
Глава 5. БИОТЕХНОЛОГИИ
В последние десятилетия биология бурно развивается и создает
новые научные направления. Новое комплексное направление –
физико-химическая биология, включающая в себя биохимию, биофизику, молекулярные биологию и генетику, биоорганическую химию и некоторые другие дисциплины, – не только помогает решать
задачи, которые давно ставила перед биологией производственнотехническая практика, но и намечает пути принципиально нового
биологического производства. В результате стремительного прогресса разных составных частей физико-химической биологии,
возникло новое направление в науке и производстве, получившее
наименование биотехнологии. Биотехнология – интеграция естественных и инженерных наук, позволяющая наиболее полно реализовать возможности живых организмов или их производные для
создания и модификации пород животных, сортов сельскохозяйственных растений, продуктов или процессов различного назначения [9]. Это направление сформировалось за последние два десятка
лет и уже сейчас получило мощное развитие. Чаще всего применяется в медицине, пищевой промышленности, также для решения
проблем в области энергетики, охраны окружающей среды и в научных исследованиях.
Особенно интенсивно биотехнология стала развиваться с 1981
года. Ее основу составляет познание природы живого и использование в практике знаний о процессах и материальных структурах
живых организмов. Стремительно расширяющиеся знания о процессах жизнедеятельности позволяют не только приспосабливать
эти процессы для практических целей, но и управлять ими, а также создавать весьма перспективные в практическом отношении
новые системы, не существующие в природе, хотя и аналогичные
существующим [10–14].
5.1. История биотехнологии
Биотехнология в целом представляет собой систему приемов направленного использования процессов жизнедеятельности живых
организмов для получения промышленным способом ценных продуктов.
Впервые термин «биотехнология» применил венгерский инженер Карл Эреки в 1917 году.
Отдельные элементы биотехнологии появились достаточно давно. По сути, это были попытки использовать в промышленном про145
изводстве отдельные клетки (микроорганизмы) и некоторые ферменты, способствующие протеканию ряда химических процессов.
Так, в 1814 году петербургский академик К. С. Кирхгоф открыл
явление биологического катализа и пытался биокаталитическим
путем получить сахар из доступного отечественного сырья (до середины XIX века сахар получали только из сахарного тростника).
В 1891 году в США японский биохимик Дз. Такамине получил первый патент на использование ферментных препаратов в промышленных целях: ученый предложил применить диастазу для осахаривания растительных отходов.
В начале XX века активно развивалась бродильная и микробиологическая промышленность. В эти же годы были предприняты
первые попытки использовать ферменты в текстильной промышленности.
В 1916–1917 годах русский биохимик А. М. Коленев пытался
разработать способ, который позволил бы управлять действием
ферментов в природном сырье при производстве табака.
Огромный вклад в дело практического использования достижений биохимии внес академик А. Н. Бах, создавший важное прикладное направление биохимии – техническую биохимию. А. Н. Бах
и его ученики разработали множество рекомендаций по улучшению технологий обработки самого различного биохимического сырья, совершенствованию технологий хлебопечения, пивоварения,
виноделия, производства чая и табака и т. п., а также рекомендации по повышению урожая культурных растений путем управления протекающими в них биохимическими процессами.
Все эти исследования, а также прогресс химической и микробиологической промышленности и создание новых промышленных
биохимических производств (чая, табака и т. п.) были важнейшими предпосылками возникновения современной биотехнологии.
В производственном отношении основой биотехнологии в процессе ее формирования стала микробиологическая промышленность. За послевоенные годы микробиологическая промышленность приобрела принципиально новые черты: микроорганизмы
стали использовать не только как средство повышения интенсивности биохимических процессов, но и как миниатюрные синтетические фабрики, способные синтезировать внутри своих клеток
ценнейшие и сложнейшие химические соединения. Перелом был
связан с открытием и началом производства антибиотиков.
Первый антибиотик – пенициллин – был выделен в 1940 году.
Вслед за пенициллином были открыты и другие антибиотики (эта ра146
бота продолжается и поныне). С открытием антибиотиков сразу же
появились новые задачи: налаживание производства лекарственных
веществ, продуцируемых микроорганизмами, работа над удешевлением и повышением уровня доступности новых лекарств, получением их в очень больших количествах, необходимых медицине.
Синтезировать антибиотики химически было очень дорого или
вообще невероятно трудно, почти невозможно (недаром химический
синтез тетрациклина советским ученым академиком М. М. Шемякиным считается одним из крупнейших достижений органического
синтеза). И тогда решили для промышленного производства лекарственных препаратов использовать микроорганизмы, синтезирующие пенициллин и другие антибиотики. Так возникло важнейшее
направление биотехнологии, основанное на использовании процессов микробиологического синтеза. Особенно интенсивно биотехнология стала развиваться с 1981 года (табл. 5).
Таблица 5
Хронология биотехнологий от древнейших времен до XXI века
Год
Событие
ранее 8000
до н.э.
Сбор семян для посева, а также свидетельства того, что
в Месопотамии люди использовали искусственный отборселекцию для улучшения домашних животных
около 7000
до н.э.
Пивоварение, брожение вина, выпечка дрожжевого хлеба
8000 до н.э. – Йогурты и сыры, изготовленные с помощью молочнокис3000 до н.э. лых бактерий различных культур
1590
Захарий Янсен изобрел микроскоп
1675
Антони ван Левенгук открыл существование микроорганизмов
1856
Грегор Мендель открыл законы наследственности
1862
Луи Пастер открыл бактериальную природу ферментации
1910
Умэрато Судзуки открыл витамин B1
1919
Венгерский инженер Карл Эреки впервые применил слово
«биотехнология»
1928
Александр Флеминг обнаружил, что некоторые плесневые
грибы могут остановить размножение бактерий, что привело к открытию первого антибиотика пенициллина
1953
Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик описали структуру дезоксирибонуклеиновой кислоты, названной для краткости
ДНК
147
Продолжение табл. 5
148
Год
Событие
1971
Ананда Чакрабарти получил бактерию, поедающую нефть,
созданную искусственно для ликвидации нефтяных разливов на суше и на воде
1972
Пол Берг получил рекомбинантную ДНК (собранную из частей, принадлежащих разным организмам)
1972
Установлено, что структура ДНК шимпанзе и горилл на
99 % совпадает с человеческой
1973
В Китае выведен гибрид риса
1973
Стенли Коэн и Герберт Бойер сообщили об успешном переносе человеческого гена в плазмиду кишечной палочки.
Сразу же после этого они объявили мораторий на свои исследования и призвали к этому своих коллег
1975
Георг Келер и Сезар Мильштейн разработали метод производства моноклональных антител
1977
Фредерик Сенгер разработал метод определения первичной
последовательности нуклеотидов молекулы нуклеиновых
кислот ДНК и РНК (метод Сэнгера)
1978
Первая беременность после оплодотворения в пробирке
1978
Благодаря биотехнологии стал производиться недорогой
инсулин
1980
Применение технологии рекомбинантной ДНК. Использование прокариотной модели кишечной палочки для производства синтетического инсулина и других лекарств для
лечения человека. (Считается, что только у 5% больных
сахарным диабетом есть аллергия на доступный прежде
животный инсулин. Новые данные свидетельствуют о том,
что сахарный диабет 1-го типа вызывается аллергией на человеческий инсулин)
1980
Жизнеспособный штамм пивных дрожжей «Saccharomyces
cerevisiae 1026» используется для изменения микрофлоры
в рубце коров и в пищеварительном тракте лошадей
1980
Верховный суд США признал правоту микробиолога Ананда Чакрабарти против Бюро по регистрации патентов и торговых марок США, требовавшего выдать патент на получение первого генетически модифицированного организма
в истории. Суд провозгласил также, что патентоспособными являются все «живые системы, созданные руками человека»
1982
Созданы ингибиторы ангиотензин-превращающих ферментов
Окончание табл. 5
Год
Событие
1984
Возникновение нутригеномики – прикладной науки, исследующей взаимодействие между питательными веществами и генами с целью выявления риска различных заболеваний
1985
Разработана полимеразная цепная реакция (Кэри Мюллис)
1985
Разработана ДНК-дактилоскопия (Алек Джеффрис)
1994
Американское управление по контролю за качеством
пищевых продуктов и лекарственных средств одобряет
первый ГМ продукт (томаты Flavr Savr)
1994
Компания Monsanto Company вынесла на рынок генетически модифицированную сою «Roundup Ready», устойчивую к гербицидам
1997
Британские ученые, возглавляемые Яном Вилмутом из института Рослина, сообщили о клонировании овцы по кличке Долли с использованием ДНК взрослой особи
2000
Завершение «черновика» генома человека в рамках проекта «Геном человека»
2002
Установлена структура ДНК риса, который является основным источником пищи для двух третей населения земного шара. Рис стал первой сельскохозяйственной культурой, геном которой был расшифрован
2003
Первое ГМ домашнее животное GloFish появилось на американском рынке. Специально выведенная для обнаружения загрязнения воды рыба светится красным светом на
черном фоне благодаря добавлению гена биолюминесценции
2004
Корейские ученые лечат травму спинного мозга путем пересадки мультипотентных стволовых клеток взрослого из
пуповинной крови
2004
Группа исследователей из парижского университета разработала метод для получения большого количества красных
кровяных клеток из стволовых гемопоэтических клеток и
создали среду, которая имитирует условия костного мозга
2005
Исследователи из университета Висконсин-Мэдисон разделили бластоцисты стволовых клеток человека на нервные стволовые клетки и спинные двигательные нейронные
клетки
149
5.2. Направления биотехнологии
Итак, какова же структура биотехнологии? Учитывая, что биотехнология активно развивается и структура ее окончательно не
определилась, можно говорить лишь о тех видах биотехнологии,
которые существуют в настоящее время. Это клеточная биотехнология – прикладная микробиология, культуры растительных и
животных клеток и генетическая биотехнология и молекулярная
биотехнология (они обеспечивают «индустрию ДНК»). Наконец,
это моделирование сложных биологических процессов и систем,
включающее инженерную.
Микробиологический синтез
Развитие микробиологической промышленности, выпускающей ценные продукты биосинтеза, позволило накопить очень важный опыт конструирования, производства и эксплуатации принципиально нового промышленного оборудования. Современное
микробиологическое производство – производство очень высокой
культуры. Технология его очень сложна и специфична, обслуживание аппаратуры требует овладения специальными навыками,
ведь все производство работает только в условиях строжайшей стерильности: стоит попасть в ферментатор лишь одной клетке микроорганизма другого вида, как все производство может остановиться – «чужак» размножится и начнет синтезировать совсем не то,
что нужно человеку.
В настоящее время с помощью микробиологического синтеза
производят антибиотики, ферменты, аминокислоты, полупродукты для дальнейшего синтеза разнообразных веществ, феромоны
(вещества, с помощью которых можно управлять поведением насекомых), органические кислоты, кормовые белки и другие. Технология производства этих веществ хорошо отработана, получение их
микробиологическим путем экономически выгодно.
В то же время идут поиски видов микроорганизмов, которые
обладают способностью синтезировать в наибольших количествах
другие необходимые вещества. В частности, ученые работают над
тем, чтобы сделать выгодным производство с помощью микроорганизмов обычных химических продуктов: ацетона, различных
спиртов, простых органических кислот, окиси пропилена и т. п. На
микробиологической основе пытаются производить горючее: метан
и спирт. Уже сейчас спирт, полученный микробиологическим путем, конкурирует с бензином по своим «рабочим» качествам, а так150
же по показателям, очень важным с точки зрения охраны природы:
продукты сгорания спирта не загрязняют окружающую среду.
Эти работы ученых важны еще и по другой причине. Сейчас химическая промышленность для производства горючего, ацетона и
других подобных веществ использует как исходное сырье нефть,
газ и уголь. Но их запасы не безграничны. А в микробиологической
промышленности для производства химических продуктов могут
использоваться (и уже частично используются) неограниченные,
постоянно возобновляющиеся массы органического сырья, отходов, образующихся в сельском хозяйстве, лесной и деревообрабатывающей промышленности, очистных сооружениях городов и т. п.
Разработка и внедрение эффективных технологий такого производства – задача, имеющая большое значение для экономики народного хозяйства.
Важным направлением биотехнологии является производство
и использование так называемых иммобилизованных ферментов.
Использование ферментов – биологических катализаторов –
очень заманчивая вещь. Ведь они по многим своим свойствам, прежде всего активности и избирательности действия (специфичности), намного превосходят катализаторы химические. Ферменты
обеспечивают осуществление химических реакций без высоких
температур и давлений, а ускоряют их в миллионы и миллиарды
раз. При этом каждый фермент катализирует только одну определенную реакцию.
В пищевой и кондитерской промышленности ферменты применяются уже давно: многие из первых патентов еще начала века
касались производства ферментов именно для этих целей. Однако
требования к этим препаратам тогда были не очень высокие – по
существу, в производстве использовались не чистые ферменты, а
различные вытяжки или полуразрушенные и высушенные клетки
дрожжей или низших грибов. Ферменты (вернее, содержащие их
препараты) использовали и в текстильной промышленности для
отбеливания и обработки пряжи и хлопковых нитей.
Биологические катализаторы можно использовать также не извлекая их из живых организмов, прямо в бактериальных клетках,
например. Этот способ, собственно, есть основа всякого микробиологического производства, и применяется он издавна.
Гораздо заманчивее использовать чистые препараты ферментов
и избавиться таким образом от побочных, сопутствующих жизнедеятельности микроорганизмов реакций. Создание производства,
в котором используется биологический катализатор в чистом виде
151
как реактив, сулит очень большие выгоды – повышается технологичность, возрастают во много тысяч раз производительность и
чистота процессов. Но здесь возникает принципиальное затруднение: многие ферменты после их извлечения из клетки очень быстро
инактивируются, разрушаются. Ни о каком многократном их использовании не может быть и речи.
Ученые нашли решение проблемы. Для того чтобы стабилизировать или, как говорят, иммобилизовать ферменты, сделать их
устойчивыми, пригодными для многократного, длительного промышленного использования, ферменты присоединяют с помощью
прочных химических связей к нерастворимым или растворимым
носителям – ионообменным полимерам, полиорганосилоксанам,
пористому стеклу, полисахаридам и т. п. В результате ферменты
становятся устойчивыми и могут быть использованы многократно. (Эта идея была затем перенесена в микробиологию – возникла
мысль иммобилизовать живые клетки. Иногда очень нужно, чтобы
они в процессе микробиологического синтеза не загрязняли среду,
не смешивались с синтезируемыми ими продуктами и вообще были
бы больше похожи на химические реактивы. И такие иммобилизованные клетки были созданы; они успешно применяются, например, при синтезе стероидных гормонов – ценных лекарственных
препаратов.)
Разработка способа повышения устойчивости ферментов значительно расширяет возможности их использования. С помощью ферментов можно, например, получать сахар из растительных отходов,
и этот процесс будет экономически рентабельным. Уже создана опытная установка для непрерывного производства сахара из клетчатки.
Иммобилизованные ферменты находят применение и в медицине. Так, в нашей стране для лечения сердечно-сосудистых заболеваний разработан препарат иммобилизованной стрептокиназы (препарат получил название «стрептодеказа»). Этот препарат можно
вводить в сосуды для растворения образовавшихся в них тромбов.
Растворимая в воде полисахаридная матрица (к классу полисахаридов относятся, как известно, крахмал и целлюлоза, близким к ним
по строению был и подобранный полимерный носитель), к которой
химически «привязана» стрептокиназа, значительно повышает
устойчивость фермента, снижает его токсичность и аллергическое
действие и не влияет на активность, способность фермента растворять тромбы.
Создание иммобилизованных ферментов, так называемая инженерная энзимология, – одно из новых направлений биотехно152
логий. Достигнуты лишь первые успехи. Но они существенно преобразили прикладную микробиологию, техническую биохимию и
ферментную промышленность. Во-первых, в микробиологической
промышленности сейчас актуальными стали разработки производства ферментов самой различной природы и свойства. Во-вторых,
возникли новые области производства, связанные с получением
именно иммобилизованных ферментов. В-третьих, создание новых
ферментных препаратов открыло возможность организации ряда
новых производств для получения нужных веществ с помощью
биологические катализаторов.
Плазмиды и клеточная инженерия
Наибольшие успехи были достигнуты в области изменения генетического аппарата бактерий. Вводить новые гены в геном бактерии
научились с помощью небольших кольцеобразных молекул ДНК –
плазмид, присутствующих в бактериальных клетках. В плазмиды
«вклеивают» необходимые гены, а затем такие гибридные плазмиды добавляют к культуре бактерий, например кишечной палочки.
Некоторые из этих бактерий поглощают такие плазмиды целиком.
После этого плазмида начинает реплицироваться в клетке, воспроизводя в клетке кишечной палочки десятки своих копий, которые
обеспечивают синтез новых белков.
Сейчас созданы и создаются еще более остроумные методы введения генов в клетку прокариотов (организмов, не имеющих оформленного ядра и хромосомного аппарата). На очереди разработка
методов введения новых генов в клетки эукариотов, прежде всего
высших растений и животных организмов (клеточная инженерия).
Но и то, что уже достигнуто, позволяет сделать очень многое
в практике народного хозяйства. Возможности микробиологического производства значительно расширились. Благодаря генетической инженерии область микробиологического синтеза различных биологически активных соединений, полупродуктов для синтеза, кормовых белков и добавок и других веществ стала одной из
наиболее окупаемых наук: вложение средств в перспективные биотехнологические исследования обещает получение высокого экономического эффекта.
Для селекционной работы, независимо от того, проводится она
методами мутагенеза или «индустрии ДНК», ученые должны располагать многочисленными коллекциями микроорганизмов. Но
сейчас даже выделение нового штамма природных микроорганизмов, ранее неизвестных науке, обходится на мировом «рынке бак153
териальных культур» приблизительно в 100 долларов. А для того,
чтобы получить хороший промышленный штамм обычными селекционными методами, надо иногда затратить миллионы.
Сейчас уже существуют способы ускорить и удешевить эти процессы. Например, во Всесоюзном научно-исследовательском институте генетики и селекции микроорганизмов Главмикробиопрома был получен промышленный штамм-сверхпродуцент микроорганизма, синтезирующего треонин – незаменимую аминокислоту,
которая в кормах сельскохозяйственных животных содержится
в недостаточном количестве. Добавка треонина в корм повышает
привесы животных на килограммы, что в масштабах страны оборачивается миллионами рублей прибыли, а самое главное – приростом мясной продукции животноводства.
Коллектив ученых института под руководством директора В. Г. Дебабова за основу для получения промышленного штамма взял обыкновенную кишечную палочку – повсеместно распространенный
микроорганизм. Сначала были получены мутантные клетки, способные накапливать в среде избыток треонина. Затем в клетке были
вызваны генетические изменения, которые привели к усилению
биосинтеза аминокислот. Таким путем удалось получить штамм,
который производил треонин, но в 10 раз меньше того количества,
которое требовалось по соображениям рентабельности производства. Тогда в дело были выпущены методы генетической инженерии. С их помощью была увеличена «доза треонинового гена» в молекуле бактериальной ДНК. Причем количество генов, обусловливающих синтез треонина, было в молекуле ДНК клетки увеличено
в несколько раз: одинаковые гены оказались как бы нанизанными
один за другим в молекуле ДНК. Естественно, биосинтез треонина
пропорционально увеличился и достиг уровня, достаточного для
промышленного производства.
Правда, после этого штамм пришлось еще улучшать, причем
снова генетически. Сначала для того, чтобы культуру бактерий
очистить от клеток, в которых плазмиды с «треониновым геном»
исчезали в процессе размножения культуры. Для этого в клетки
был «вшит» ген, содержащий закодированный сигнал к «самоубийству» клеток, в которых плазмид с «треониновым геном» после деления не оказывалось. Таким путем культура клеток самоочищалась от балластных микроорганизмов. Затем в клетки был
введен ген, благодаря которому она могла развиваться на сахарозе
(а не дорогих глюкозе и фруктозе, как раньше) и производить рекордные количества треонина.
154
По существу, полученный микроорганизм уже не был кишечной палочкой: манипуляции с его генетическим аппаратом привели к появлению принципиально нового организма, сконструированного вполне сознательно и целенаправленно. И эта сложнейшая
многоступенчатая работа, имеющая огромное практическое значение, была проведена с помощью новых оригинальных методов генетической инженерии за очень короткий срок – всего за три года.
К 1981 году в ряде институтов страны, и прежде всего в Институте биоорганической химии им. М. М. Шемякина АН СССР под
руководством академика Ю. А. Овчиникова, были выполнены еще
более впечатляющие работы. Эти исследования приобрели сейчас
форму четких долгосрочных программ, по которым их развивают
дальше ряд академических и отраслевых институтов. Эти исследования были направлены на то, чтобы осуществить поистине чудо –
ввести в бактериальную клетку ген, выделенный из человеческого
организма.
Работа велась сразу с несколькими генами: геном, ответственным за синтез гормона инсулина, геном, обеспечивающим образование интерферона, и геном, контролирующим синтез гормона роста.
Прежде всего ученые поставили перед собой задачу «обучения»
бактерии синтезу ценнейшего медицинского препарата – гормона инсулина. Инсулин необходим для лечения сахарного диабета.
Этот гормон надо вводить больным постоянно, а производство его
традиционным способом (из поджелудочных желез убойного скота)
сложно и дорого. К тому же молекулы инсулина свиньи или крупного рогатого скота отличаются от молекул инсулина человека, и
естественно, что активность их в организме человека ниже, чем
активность человеческого инсулина. Кроме того, инсулин – хотя и
небольшой по размерам, но все же белок, и в организме человека со
временем накапливаются антитела к нему: организм борется против чужеродных белков, отторгает их. Поэтому введенный бычий
или свиной инсулин может начать необратимо инактивироваться,
нейтрализовываться этими антителами и в результате может исчезнуть прежде, чем успеет оказать лечебное действие. Чтобы этого
не произошло, необходимо вводить в организм вещества, предотвращающие этот процесс, но они сами по себе не безразличны для
организма.
Человеческий инсулин можно было бы получать с помощью химического синтеза. Но этот синтез настолько сложен и дорог, что
его проводили только в экспериментальных целях, а полученные
количества инсулина были недостаточны даже для одной инъек155
ции. Это был, скорее, символической синтез, доказательство того,
что химики могут синтезировать в пробирке настоящий белок.
Учитывая все это, ученые и поставили перед собой такую сложную и очень важную задачу – наладить биохимическое производство человеческого инсулина. Был получен ген, обеспечивающий
синтез инсулина. С помощью методов генетической инженерии
этот ген был введен в бактериальную клетку, которая в результате
приобрела способность синтезировать гормон человека.
Столь же большой интерес и не меньшее (а может быть, и большее) значение имела работа, выполненная в том же институте, по
введению методами генетической инженерии в бактериальную
клетку гена, ответственного за синтез интерферона человека. (Интерферон – это белок, играющий исключительно важную роль
в борьбе организма против вирусных инфекций.) Ген интерферона
также был введен в клетку кишечной палочки. Созданные штаммы
отличались высоким выходом интерферона, обладающего мощным
противовирусным действием. Сейчас уже получены первые промышленные партии человеческого интерферона. Осуществление
промышленного производства интерферона – очень важное достижение, так как предполагают, что интерферон обладает также и
противоопухолевой активностью.
В институте АН СССР были проведены работы по созданию бактериальных клеток, продуцирующих соматотропин – гормон роста
человека. Ген этого гормона был выделен из гипофиза и методами
генетической инженерии встроен в более сложную молекулу ДНК,
которую затем ввели в генетический аппарат бактерии. В результате бактерия приобрела способность синтезировать человеческий
гормон. Эта бактериальная культура, так же как и культура бактерий с введенным геном инсулина, апробируется для промышленного получения человеческих гормонов в микробиологическом производстве.
Это лишь отдельные примеры работ по введению генов высших
организмов в клетки бактерий. Есть еще немало подобных интересных и перспективных работ.
Вот еще один пример. Английские биохимики из плодов одного
африканского кустарника выделили довольно крупный белок (около 200 аминокислотных остатков) – тауматин. Этот белок оказался в 100 тыс. раз слаще сахарозы. Сейчас во всем мире думают над
созданием заменителей сахара, который при большом потреблении
далеко не безвреден для организма. Поэтому тауматин – природный продукт, не требующий специальных токсикологических ис156
пытаний, – привлек пристальное внимание: ведь ничтожные его
добавки в кондитерские изделия позволяют просто исключить использование сахара. Ученые решили, что получать тауматин проще и выгоднее не из естественного источника, а микробиологическим синтезом с помощью бактерий, в которые введен ген тауматина. И эту работу выполнили, введя этот ген во все ту же кишечную
палочку. Сейчас пока заменитель сахара тауматин (под названием
«талин») производят из природного источника, но не за горами и
его микробиологическое производство.
Пока речь шла о введении генов в клетки бактерий. Но это не
означает, что не ведется работа и по введению искусственных генов
в высшие организмы – растения и животных. Здесь не меньше, а
гораздо больше привлекательных идей. Практическое воплощение
некоторых из них будет иметь для человечества исключительно
важное значение. Так, известно, что высшие растения не могут усваивать азот атмосферы: они получают его из почвы в виде неорганических солей или в результате симбиоза с клубеньковыми бактериями. Осуществление идеи – ввести гены этих бактерий в растения – может привести к коренным революционным изменениям
в сельском хозяйстве.
Как же обстоят дела с введением генов в генетический аппарат
эукариотов? Основная трудность здесь заключается в том, что изменить генотип всех клеток многоклеточного организма невозможно. Поэтому надежды связывают с созданием методов генетической
инженерии, предназначенных для работы с культурами клеток
растений и с одноклеточными растениями.
Введение синтетических генов в искусственно культивируемые
клетки может привести к получению модифицированного растения: при определенных условиях изолированные клетки могут
превращаться в целые растения. И в таком растении должны действовать и передаваться по наследству искусственно введенные
в исходную клетку гены.
Здесь помимо перспектив успешного использования методов
генетической инженерии вырисовывается еще одно преимущество биотехнологии – методом клеточной биотехнологии из одного
растения можно получить миллионы одинаковых растений, а не
десятки, как при использовании семян. Клеточная технология не
требует больших площадей, не зависит от погодных условий и отличается огромной производительностью.
Российские ученые сейчас исследуют еще один путь введения
генов в клетки растений – создают симбиотическое сообщество, где
157
в протопласты растений (они лишены целлюлозной оболочки) пытаются внедрить цианобактерии, которые способны и к фотосинтезу, и к азотфиксации.
Определенные перспективы имеются и в области использования
методов генетической инженерии в работе с животными, во всяком
случае существует принципиальная возможность переноса генетического материала в клетки животных. Особенно убедительно это
показано на гибридомах. Гибридома – это клетка, образованная
из лимфоцита, вырабатывающего антитела, и опухолевой клетки,
способной к неограниченному размножению, и сочетающая оба эти
свойства. С помощь гибридом можно получать высокоспецифичные антитела. Метод гибридом – это еще один биотехнологический
прием получения ценных белков.
Биогидрометаллургия
Данное направление было ранее известно как микробное выщелачивание металлов из руд. С его помощью изучают способы добычи металлов из их руд при помощи микроорганизмов. В 50-е – 60-е
годы выяснилось, что существуют микроорганизмы, способные
переводить металлы из рудных минералов в раствор. Механизмы
такого перевода бывают разные. Например, некоторые выщелачивающие микроорганизмы непосредственно окисляют пирит: 4FeS2 + 15O2 + 2H2O = 2Fe2(SO4)3 + 2H2SO4.
А ион трехвалентного железа служит сильным окислющим
агентом, способным перевести в раствор медь из халькоцинита: Cu
2S + 2Fe2(SO4)3 = 2CuSO4 + 4FeSO4 + S или Уран из уранинита: UO2 + Fe2(SO4)3 = UO2SO4 + 2FeSO4.
Реакции окисления являются экзормическими, при их протекании выделяется энергия, используемая микроогранизмами в ходе
своей жизнедеятельности.
Биотехнологическая промышленность
Широкое проникновение биотехнологий в экономику мирового
хозяйства нашло свое отражение и в том, что сформировались даже
новые термины для обозначения глобальности данного процесса.
Так, применение биотехнологических методов в промышленном
производстве стали называть «белая биотехнология», в фармацевтическом производстве и медицине – «красная биотехнология»,
в сельскохозяйственном производстве и животноводстве – «зеленая
биотехнология», а для искусственного выращивания и дальней158
шей переработки водных организмов (аквакультура или марикультура) – «синяя биотехнология». А экономика, интегрирующая все
эти инновационные области, получила название «биоэкономика».
Задача перехода от традиционной экономики к экономике нового
типа – биоэкономике, основанной на инновациях и широко использующей возможности биотехнологии в различных отраслях производства, а также в повседневной жизни человека, уже объявлена
стратегической целью во многих странах мира.
Микробиологическая индустрия выпускает 150 видов продукции, крайне необходимой народному хозяйству. Ее гордость – кормовой белок, получаемый на основе выращивания дрожжей. В год
его производят более 1 млн тонн. Другое важное достижение – выпуск ценнейшей кормовой добавки – незаменимой (т. е. не образующейся в организме животного) аминокислоты лизина. Усвояемость белковых веществ, содержащихся в продукции микробиологического синтеза, такова, что 1 т кормового белка экономит 5–8 т
зерна. Добавка 1 т биомассы дрожжей в рацион птиц, например,
позволяет получить дополнительно 1,5–2 т мяса или 25–35 тыс.
яиц, а в свиноводстве – высвободить 5–7 т фуражного зерна. Дрожжи – не единственный возможный источник белка. Он может быть
получен путем выращивания микроскопических зеленых водорослей, различных простейших и других микроорганизмов. Уже разработаны технологии их использования, проектируются и строятся предприятия-гиганты мощностью от 50 до 300 тыс. т продукции
в год. Их эксплуатация позволит внести весомый вклад в решение
народнохозяйственных задач.
Если ген человека, отвечающий за синтез какого-либо фермента
или другого важного для организма вещества, пересадить в клетки
микроорганизмов, то в соответствующих условиях микроорганизмы будут продуцировать чуждое им соединение в промышленных
масштабах. Ученые разработали и внедрили в производство способ
получения интерферона человека эффективного при лечении многих вирусных заболеваний. Из 1 л культуральной жидкости извлекают такое же количество интерферона, какое раньше получали из
многих тонн донорской крови. Экономия от внедрения нового способа составляет 200 млн руб. в год.
Другой пример – получение с помощью микроорганизмов гормона роста человека. Совместные разработки ученых Института
молекулярной биологии, Института биохимии и физиологии микроорганизмов России и институтов России позволяют производить уже граммы гормона, тогда как прежде этот препарат полу159
чали миллиграммами. В настоящее время препарат проходит испытания. Методы генетической инженерии создали возможность
получения вакцин против таких опасных инфекций, как гепатит
В, ящур крупного рогатого скота, а также разработки способов ранней диагностики ряда наследственных заболеваний и различных
вирусных инфекций.
Генная инженерия начинает активно воздействовать на развитие не только медицины, но и других сфер народного хозяйства.
Успешное развитие методов генной инженерии открывает широкие возможности для решения ряда задач, стоящих перед сельским хозяйством. Это и создание новых ценных сортов сельскохозяйственных растений, устойчивых к различным заболеваниям и
неблагоприятным факторам внешней среды, и ускорение процесса
селекции при выведении высокопродуктивных пород животных, и
создание для ветеринарии высокоэффективных средств диагностики и вакцин, и разработка методов биологической фиксации азота.
Решение этих проблем будет способствовать научно-техническому
прогрессу сельского хозяйства, и ключевая роль в этом будет принадлежать методам генетической, а также, очевидно, и клеточной
инженерии.
Клеточная инженерия – необычайно перспективное направление современной биотехнологии. Ученые разработали методы выращивания в искусственных условиях (культивирование) клеток растений животных и даже человека. Культивирование клеток позволяет получать различные ценные продукты, ранее добываемые
в очень ограниченном количестве из-за отсутствия источников сырья. Особенно успешно развивается клеточная инженерия растений. Используя методы генетики, удается отбирать линии таких
клеток растений – продуцентов практически важных веществ, которые способны расти на простых питательных средах и в то же время накапливать ценных продуктов в несколько раз больше, чем
само растение. Выращивание массы клеток растений уже используется в промышленных масштабах для получения физиологически
активных соединений. Налажено, например, производство биомассы женьшеня для нужд парфюмерной и медицинской промышленности. Закладываются основы производства биомассы лекарственных растений – диоскореи и раувольфии. Разрабатываются способы
выращивания клеточной массы других редких растений – продуцентов ценных веществ (родиолы розовой и др.). Другое важное направление клеточной инженерии – клональное микроразмножение
растений на основе культуры тканей. Основан это метод на удиви160
тельном свойстве растений: из отдельной клетки или кусочка ткани
в определенных условиях может вырасти целое растение, способное
к нормальному росту и размножению. Этим методом из небольшой
части растения можно получить до 1 млн растений в год. Клональное микроразмножение используется для оздоровления и быстрого
размножения редких, хозяйственно ценных или вновь созданных
сортов сельскохозяйственных культур. Таким путем из клеток, не
зараженных вирусами, получают здоровые растения картофеля,
винограда, сахарной свеклы, садовой земляники, малины и многих
других культур. В настоящее время разработаны методы микроразмножения и более сложных объектов – древесных растений
(яблони, ели, сосны). На основе этих методов будут созданы технологии промышленного получения исходного посадочного материала ценных древесных пород. Методы клеточной инженерии позволят значительно ускорить селекционный процесс при выведении
новых сортов хлебных злаков и других важных сельскохозяйственных культур: срок их получения сокращается до 3–4 лет (вместо
10–12 лет, необходимых при использовании обычных методов селекции). Перспективным способом выведения новых сортов ценных
сельскохозяйственных культур является также разработанный
учеными принципиально новый метод слияния клеток. Этот метод
позволяет получать гибриды, которые не могут быть созданы обычным путем скрещивания в силу барьера межвидовой несовместимости. Методом слияния клеток получены, например, гибриды различных видов картофеля, томатов, табака; табака и картофеля,
рапса и турнепса, табака и белладонны. На основе гибрида культурного и дикого картофеля, который устойчив к вирусам и другим заболеваниям, создаются новые сорта. Аналогичным способом получают ценный селекционный материал томатов и других культур.
В перспективе – комплексное использование методов генетической
и клеточной инженерии для создания новых сортов растений с заранее заданными свойствами, например, со сконструированными
в них системами фиксации атмосферного азота. Большие успехи достигнуты клеточной инженерией в области иммунологии: разработаны методы получения особых гибридных клеток, производящих
индивидуальные, или моноклональные, антитела. Это позволило
создать высокочувствительные средства диагностики ряда тяжелых заболеваний человека, животных и растений. Значительный
вклад вносит современная биотехнология в решение такой важной
проблемы, как борьба с вирусными заболеваниями сельскохозяйственных культур, наносящими большой ущерб народному хозяй161
ству. Ученые разработали высокоспецифичные сыворотки для выявления более 20 вирусов, вызывающих заболевания различных
сельскохозяйственных культур. Разработана и изготовлена система
приборов и приспособлений для массовой автоматической экспрессдиагностики вирусных болезней растений в условиях сельскохозяйственного производства. Новые методы диагностики позволяют
отбирать для посадки свободный от вирусов исходный материал (семена, клубни и др.), что способствует значительному повышению
урожая. Важное практическое значение имеют работы по инженерной энзимологии. Первым важным успехом ее была иммобилизация ферментов – закрепление молекул ферментов с помощью прочных химических связей на синтетических полимерах, полисахаридах и других носителях-матрицах. Закрепленные ферменты более
стабильны, их можно использовать многократно. Иммобилизация
позволяет осуществлять непрерывные каталитические процессы,
получать продукцию, не загрязненную ферментом (что особенно
важно в ряде пищевых и фармакологических производств), значительно снизить ее себестоимость. Это метод применяют, например,
для получения антибиотиков. Так, учеными разработана и внедрена в промышленное производство технология получения антибиотиков на основе иммобилизованного фермента пенициллинамидазы. В результате применения этой технологии в пять раз снизился
расход сырья, себестоимость конечного продукта уменьшилась почти вдвое, объем производства возрос в семь раз, а общий экономический эффект составил около 100 млн руб. Следующим шагом инженерной энзимологии была разработка методов иммобилизации клеток микроорганизмов, а затем – клеток растений и животных.
Иммобилизованные клетки являются наиболее экономичными
биокатализаторами, так как обладают высокой активностью и стабильностью, а главное – применение их полностью исключает затраты на выделение и очистку ферментов. В настоящее время на
основе иммобилизованных клеток разработаны методы получения
органических кислот, аминокислот, антибиотиков, стероидов,
спиртов и других ценных продуктов. Иммобилизованные клетки
микроорганизмов используются также для очистки сточных вод,
переработки сельскохозяйственных и промышленных отходов.
Биотехнология находит все более широкое применение и во многих
отраслях промышленного производства: разработаны методы использования микроорганизмов для извлечения цветных благородных металлов из руд и промышленных отходов, для повышения нефтеотдачи пластов, для борьбы с метаном в угольных шахтах. Так,
162
для освобождения шахт от метана ученые предложили бурить скважины в угольных пластах и подавать в них суспензию из метаноокисляющихся бактерий. Таким образом удается удалить около 60%
метана еще до начала эксплуатации пласта. А недавно нашли более
простой и эффективный способ: суспензией из бактерий опрыскивают породы выработанного пространства, откуда наиболее интенсивно выделяется газ. Разбрызгивание суспензии можно осуществлять
с помощью специальных форсунок, устанавливаемых на крепях.
Испытания, которые были проведены на шахтах Донбасса, показали, что микроскопические «работники» быстро уничтожают от 50
до 80 % опасного газа в выработках. А вот с помощью других бактерий, которые сами выделяют метан, можно повышать давление
в нефтяных пластах и обеспечивать более полное извлечение нефти.
Значительный вклад предстоит внести биотехнологии и в решение
энергетической проблемы. Ограниченность запасов нефти и газа заставляет искать пути использования нетрадиционных источников
энергии. Один из таких путей – биоконверсия растительного сырья,
или, другими словами, ферментативная переработка целлюлозосодержащих отходов промышленности и сельского хозяйства. В результате биоконверсии можно получить глюкозу, а из нее – спирт,
который и будет служить топливом. Все шире развертываются исследования по получению биогаза (в основном метана) путем переработки животноводческих, промышленных и коммунальных отходов с помощью микроорганизмов. При этом остатки после переработки являются высокоэффективным органическим удобрением.
Таким образом, этим путем решаются сразу несколько проблем:
охрана окружающей среды от загрязнений, получение энергии и
производство удобрений. Установки по получению биогаза уже работают в разных странах. Возможности биотехнологии практически безграничны. Она смело вторгается в самые разные сферы народного хозяйства. И в недалеком будущем, несомненно, еще более
возрастет практическая значимость биотехнологии в решении важнейших задач селекции, медицины, энергетики, охраны окружающей среды от загрязнений.
Трансгенные растения и животные
Введение гена или нескольких генов в культурные растения часто приводит к повышению их сельскохозяйственной ценности и
декоративных качеств. Под сельскохозяйственной ценностью понимают в данном случае: придание устойчивости к болезням, вредителям, гербицидам, что позволяет получить более высокие уро163
жаи при снижении стоимости продукции и снижении применения
пестицидов; улучшение пищевых и технологических свойств (создание полноценной и сбалансированной пищи); замедление созревания (снижение потерь при транспортировке). Суммируя все вышесказанное, можно заключить, что основной выгодой от внедрения трансгенных растений является интенсификация сельского
хозяйства. Кроме того, трансгенные растения могут служить живыми биореакторами при малозатратном производстве экономически важных белков (например, биодеградируемых полимеров),
или вторичных метаболитов (например, вакцин). И, наконец, генетическая трансформация растений (трансгеноз) является методом,
позволяющим изучать действие генов в ходе развития растения.
Примерами трансгенных растений являются продукты из трансгенной сои, кукурузы, картофеля и подсолнечника. Картофель,
устойчивый к колорадскому жуку, который был создан путем введения гена, выделенного из ДНК клетки почвенной тюрингской бациллы, вырабатывающий белок, ядовитый для колорадского жука
(в желудке жука вырабатывается яд, а у человека нет). В Америке
решили вырастить помидор, устойчивый к заморозкам. Взяли ген
камбалы, отвечающий за терморегуляцию, и пересадили в клетки
томата. Но помидор эту информацию понял по-своему, он не перестал бояться заморозков, а перестал портиться при хранении. Он
может полгода лежать в комнате и не гнить.
Трансгенные животные – это экспериментально полученные
животные, содержащие во всех клетках своего организма дополнительную интегрированную с хромосомами и экспрессирующуюся
чужеродную ДНК (трансген), которая передается по наследству по
законам Менделя.
Изредка трансген может реплицироваться и передаваться по наследству как экстрахромосомный автономно реплицирующийся
фрагмент ДНК. Термин «трансгеноз» был предложен в 1973 году
для обозначения переноса генов одних организмов в клетки организмов других видов, в том числе далеких в эволюционном отношении. Получение трансгенных животных осуществляется с помощью переноса клонированных генов (ДНК) в ядра оплодотворенных
яйцеклеток (зигот) или эмбриональных стволовых (плюрипотентных) клеток. Затем в репродуктивные органы реципиентной самки пересаживают модифицированные зиготы или яйцеклетки,
у которых собственное ядро заменено на модифицированное ядро
эмбриональных стволовых клеток, либо бластоцисты (эмбрионы),
содержащие чужеродную ДНК эмбриональных стволовых клеток.
164
Имеются отдельные сообщения об использовании спермиев для
создания трансгенных животных, однако этот прием пока не получил широкого распространения.
Первые трансгенные животные были получены в 1974 году в Кембридже (США) Рудольфом Янишем (Jaenisch) в результате инъекции в эмбрион мыши ДНК вируса обезьяны SV40. В 1980 году американским ученым Жоржем Гордоном (Gordon) с соавторами было
предложено использовать для создания трансгенных животных
микроинъекцию ДНК в пронуклеус зиготы. Именно этот подход положил начало широкому распространению технологии получения
трансгенных животных. Первые трансгенные животные в России
появились в 1982 году. С помощью микроинъекций в пронуклеус зиготы в 1985 году в США были получены первые трансгенные
сельскохозяйственные животные (кролик, овца, свинья). В настоящее время для создания трансгенных животных, кроме микроинъекций, используются другие экспериментальные приемы: инфицирование клеток рекомбинантными вирусами, электропорация,
«обстрел» клеток металлическими частицами с нанесенными на их
поверхности рекомбинантными ДНК.
В последние годы в результате появления технологии клонирования животных возникли дополнительные возможности для создания трансгенных животных. Уже есть трансгенные животные,
полученные с помощью микроинъекции генов в ядра дифференциированных клеток.
Все имеющиеся методы переноса генов пока еще не очень эффективны. Для получения одного трансгенного животного в среднем необходимы микроинъекции ДНК в 40 зигот мышей, 90 зигот
козы, 100 зигот свиньи, 110 зигот овцы и в 1600 зигот коровы. Механизмы интеграции экзогенной ДНК или формирования автономных репликонов (единиц репликации, отличных от хромосом) при
трансгенозе не известны. Встраивание трансгенов у каждого вновь
получаемого трансгенного животного происходит в случайные
участки хромосом, причем может происходить встраивание как
единичной копии трансгена, так и множества копий, располагающихся, как правило, тандемно в единичном локусе одной из хромосом. Как правило, гомология между сайтом (местом) интеграции
трансгена и самим трансгеном отсутствует. При использовании для
трансгеноза эмбриональных стволовых клеток возможна предварительная селекция, что позволяет получать трансгенных животных
с трансгеном, интегрированным в результате гомологичной рекомбинации с определенным участком генома хозяйского организма.
165
С помощью этого подхода осуществляют, в частности, целенаправленное прекращение экспрессии определенного гена (это называют
«нокаутом гена»).
Технология создания трансгенных животных является одной из
наиболее бурно развивающихся биотехнологий в последние 10 лет.
Трансгенные животные широко используются как для решения
большого числа теоретических задач, так и в практических целях
для биомедицины и сельского хозяйства. Некоторые научные проблемы не могли бы быть решены без создания трансгенных животных. На модели трансгенных лабораторных животных проводятся
широкие исследования по изучению функции различных генов, регуляции их экспрессии, фенотипическому проявлению генов, инсерционному мутагенезу и др. Трансгенные животные важны для
различных биомедицинских исследований. Существует множество трансгенных животных, моделирующих различные заболевания человека (рак, атеросклероз, ожирение и др.). Так, получение
трансгенных свиней с измененной экспрессией генов, определяющих отторжение органов, позволит использовать этих животных
для ксенотрансплантации (пересадки органов свиньи человеку).
В практических целях трансгенные животные используются различными зарубежными фирмами как коммерческие биореакторы,
обеспечивающие производство разнообразных медицинских препаратов (антибиотиков, факторов свертываемости крови и др.).
Кроме того, перенос новых генов позволяет получать трансгенных
животных, отличающихся повышенными продуктивными свойствами (например, усиление роста шерсти у овец, понижение содержания жировой ткани у свиней, изменение свойств молока) или
устойчивостью к различным заболеваниям, вызываемым вирусами
и другими патогенами. В настоящее время человечество уже использует множество продуктов, получаемых с помощью трансгенных животных: медицинские препараты, органы, пища.
5.3. Некоторые этические и правовые аспекты применения
биотехнологических методов
Этика – учение о нравственности, согласно которому главной
добродетелью считается умение найти середину между двух крайностей. Данная наука основана Аристотелем.
Биоэтика – часть этики, изучающая нравственную сторону деятельности человека в медицине, биологии. Термин предложен
В. Р. Поттером в 1969 году.
166
В узком смысле биоэтика обозначает круг этических проблем
в сфере медицины. В широком смысле биоэтика относится к исследованию социальных, экологических, медицинских и социальноправовых проблем, касающихся не только человека, но и любых
живых организмов, включенных в экосистемы. То есть она имеет
философскую направленность, оценивает результаты развития
новых технологий и идей в медицине, биотехнологии и биологии
в целом.
Современные биотехнологические методы обладают настолько
мощным и не до конца изученным потенциалом, что их широкое
применение возможно только при строгом соблюдении этических
норм. Существующие в обществе моральные принципы обязывают
искать компромисс между интересами общества и индивида. Более
того, интересы личности ставятся в настоящее время выше интересов общества. Поэтому соблюдение и дальнейшее развитие этических норм в этой сфере должно быть направлено, прежде всего, на
всемерную защиту интересов человека.
Массовое внедрение в медицинскую практику и коммерциализация принципиально новых технологий в области генной инженерии и клонирования, привело также к необходимости создания
соответствующей правовой базы, регулирующей все юридические
аспекты деятельности в этих направлениях.
Новейшие биотехнологии создают огромные возможности вмешательства в жизнедеятельность живых организмов и неизбежно
ставят человека перед нравственным вопросом: до какого предела
допустимо вторжение в природные процессы? Любая дискуссия по
биотехнологической проблематике не ограничивается научной стороной дела. В ходе этих дискуссий нередко высказываются диаметрально противоположные точки зрения по поводу применения и
дальнейшего развития конкретных биотехнологических методов,
прежде всего таких, как:
– генная инженерия;
– пересадка органов и клеток в терапевтических целях;
– клонирование – искусственное создание живого организма;
– использование препаратов, влияющих на физиологию нервной системы, для модификации поведения, эмоционального восприятия мира и т. д.
Практика, существующая в современных демократических обществах, показывает, что эти дискуссии абсолютно необходимы не
только для более полного понимания всех «плюсов» и «минусов»
применения методов, вторгающихся в личную жизнь человека уже
167
на уровне генетики. Они позволяют также обсудить морально-этические аспекты и определить отдаленные последствия применения
биотехнологий, что в свою очередь помогает законодателям создавать адекватную правовую базу, регулирующую данную сферу деятельности в интересах защиты прав личности.
Остановимся на тех направлениях в биотехнологических исследованиях, которые напрямую связаны с высоким риском нарушения прав личности и вызывают наиболее острую дискуссию по поводу их широкого применения: пересадка органов и клеток в терапевтических целях и клонирование.
В последние годы резко возрос интерес к изучению и применению в биомедицине эмбриональных стволовых клеток человека и
техники клонирования с целью их получения. Как известно, эмбриональные стволовые клетки способны трансформироваться
в разные типы клеток и тканей (кроветворные, половые, мышечные, нервные и др.). Они оказались перспективными для применения в генной терапии, трансплантологии, гематологии, ветеринарии, фармакотоксикологии, при тестировании лекарств и пр.
Выделение этих клеток производят из эмбрионов и плодов человека 5–8 недель развития, полученных при медицинском прерывании беременности (в результате аборта), что порождает многочисленные вопросы относительно этической и юридической правомерности проведения исследований на эмбрионах человека, в том
числе такие:
– насколько необходимы и оправданы научные исследования на
эмбриональных стволовых клетках человека;
– допустимо ли ради прогресса медицины разрушать человеческую жизнь и насколько это морально;
– достаточно ли проработана правовая база для применения
этих технологий.
Все эти вопросы решались бы гораздо проще, если бы существовало универсальное понимание, что такое «начало жизни», с какого момента можно говорить о «личности, нуждающейся в защите
прав» и что подлежит защите: половые клетки человека, эмбрион
с момента оплодотворения, плод с какого-то определенного этапа
внутриутробного развития или человек с момента его появления
на свет? У каждого из вариантов есть свои сторонники и противники, и вопрос о статусе половых клеток и эмбриона не нашел своего
окончательного решения еще ни в одной стране мира.
В ряде стран запрещены любые исследования на эмбрионах (например, в Австрии, Германии). Во Франции права эмбриона за168
щищаются с момента его зачатия. В Великобритании, Канаде и
Австралии, хотя создание эмбрионов для исследовательских целей
не запрещено, но разработана система законодательных актов, регулирующая и контролирующая подобные исследования. В России
ситуация в этой области более чем неопределенная: деятельность по
изучению и использованию стволовых клеток недостаточно отрегулирована, остаются существенные пробелы в законодательстве, мешающие развитию этого направления. В отношении же клонирования в 2002 году федеральным законом был введен временный (на 5
лет) запрет на клонирование человека, но срок его действия истек
в 2007 году, и вопрос остается открытым.
Ученые стараются четко разграничивать «репродуктивное»
клонирование, цель которого – создание клона, т. е. целого живого
организма, идентичного другому организму по генотипу, и «терапевтическое» клонирование, применяемое для выращивания колонии стволовых клеток.
В случае стволовых клеток проблемы статуса эмбриона и клонирования приобретают новое измерение. Это связано с мотивацией данного рода научных исследований, а именно применение их
для поиска новых, более эффективных способов лечения тяжелых
и даже неизлечимых заболеваний. Поэтому в некоторых странах
(таких как США, Канада, Англия), где до последнего времени считалось недопустимым использовать эмбрионы и технологии клонирования в терапевтических целях, происходит изменение позиции
общества и государства в сторону допустимости их применения
в целях лечения таких заболеваний, как рассеянный склероз, болезни Альцгеймера и Паркинсона, постмиокардиальный инфаркт,
недостаточность регенерации костной или хрящевой ткани, при черепно-лицевых травмах, диабете, миодистрофии и др.
В то же время терапевтическое клонирование многими рассматривается как первый шаг к репродуктивному клонированию, которое встречает крайне негативное отношение во всем мире, и на
него повсеместно наложен запрет.
Клонирование человека в настоящее время официально нигде не осуществляется. Опасность в его применении в репродуктивных целях видят в том, что техника клонирования исключает
естественное и свободное слияние генетического материала отца и
матери, что воспринимается как вызов достоинству человека. Нередко говорится о проблемах самоидентификации клона: кого он
должен считать родителями, почему он является генетической
копией кого-то другого? Кроме того, клонирование сталкивается
169
с некоторыми техническими препятствиями, которые подвергают опасности здоровье и благополучие клона. Есть факты, свидетельствующие о быстром старении клонов, возникновении у них
многочисленных мутаций. В соответствии с техникой клонирования, клон вырастает из взрослой – не половой, а соматической
клетки, в генетической структуре которой на протяжении многих
лет происходили так называемые соматические мутации. Если при
естественном оплодотворении мутировавшие гены одного родителя компенсируются нормальными аналогами другого родителя, то
при клонировании такой компенсации не происходит, что значительно увеличивает для клона риск заболеваний, вызываемых соматическими мутациями, и многих тяжелых заболеваний (рака,
артрита, иммунодефицитов). Помимо прочего, у некоторых людей
возникает страх перед клонированным человеком, перед его возможным превосходством в физическом, моральном и духовном
развитии (российский врач-психиатр В. Яровой считает, что этот
страх носит характер психического расстройства (фобии) и даже
присвоил ему в 2008 году название «бионализм» ).
Здесь были обсуждены только некоторые из многочисленных
проблем, которые возникают в связи с бурным развитием биотехнологий и вторжением их в жизнь человека. Безусловно, прогресс
науки остановить нельзя и вопросы, которые она ставит, возникают быстрее, чем общество может на них найти ответы. Справиться с этим положением дел можно лишь понимая, насколько важно
широко обсуждать в обществе этические и правовые проблемы, которые появляются по мере развития и внедрения в практику биотехнологий. Наличие колоссальных идеологических расхождений
по этим вопросам вызывает осознанную необходимость серьезного
государственного регулирования в этой сфере.
5.4. От биотехнологии к биоэкономике
Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод о том, что
передовые биотехнологии способны играть существенную роль
в улучшении качества жизни и здоровья человека, обеспечении
экономического и социального роста государств (особенно в развивающихся странах).
С помощью биотехнологии могут быть получены новые диагностические средства, вакцины и лекарственные препараты. Биотехнология может помочь в увеличении урожайности основных злаковых культур, что особенно актуально в связи с ростом численности
170
населения Земли. Во многих странах, где большие объемы биомассы не используются или используются не полностью, биотехнология могла бы предложить способы их превращения в ценные продукты, а также переработки с использованием биотехнологических
методов для производства различных видов биотоплива. Кроме
того, при правильном планировании и управлении биотехнология
может найти применение в небольших регионах как инструмент
индустриализации сельской местности для создания небольших
производств, что обеспечит более активное освоение пустующих
территорий и будет решать проблему занятости населения.
Особенностью развития биотехнологии в XXI веке является не
только ее бурный рост как прикладной науки. Она все более широко
входит в повседневную жизнь человека, и что еще более существенно – обеспечивает исключительные возможности для эффективного (интенсивного, а не экстенсивного) развития практически всех
отраслей экономики, становится необходимым условием устойчивого развития общества, и тем самым оказывает трансформирующее влияние на парадигму развития социума в целом.
Очевидно, что биотехнология имеет огромное будущее. И дальнейшее ее развитие тесно связано с одновременным развитием всех
важнейших отраслей биологической науки, исследующих живые
организмы на разных уровнях их организации. Ведь как бы ни дифференцировалась биология, какие бы новые научные направления не
возникали, объектом их исследования всегда будут живые организмы,
представляющие собой совокупность материальных структур и разнообразнейших процессов, составляющих физическое, химическое и
биологическое единство. Надо отметить важное обстоятельство, которое отличает биотехнологию от других направлений науки и производства. Она исходно ориентирована на проблемы, которые тревожат
современное человечество: производство продуктов питания (прежде
всего белка), сохранение энергетического равновесия в природе (отход
от ориентировки на использование невосполнимых ресурсов в пользу
ресурсов восполнимых), охрана окружающей среды (биотехнология –
«чистое» производство, требующее, правда, больших затрат воды).
В заключение надо сказать, что биотехнологии работают со
сложными смесями биологически активных веществ в широком
диапазоне концентрации, что требует аппаратуры, способной обеспечить высокую чувствительность, достоверность, быстроту анализов, а также совместимость с различными методами разделения.
При решении этих задач масс-спектрометрия играет ключевую
роль как наиболее эффективный аналитический метод.
171
Контрольные вопросы к главе 5
1. Впервые термин «биотехнология» применил:
а) русский биохимик А. М. Коленев;
б) петербургский академик К. С. Кирхгоф;
в) венгерский инженер Карл Эреки;
г) академик А. Н. Бах.
2. Назовите создателя прикладного направления биохимии –
технической биохимии:
а) русский биохимик А. М. Коленев;
б) петербургский академик К. С. Кирхгоф;
в) венгерский инженер Карл Эреки;
г) академик А. Н. Бах.
3. Как называется клетка, образованная из лимфоцита, вырабатывающего антитела, и опухолевой клетки, способной к неограниченному размножению, и сочетающая оба эти свойства?
а) макроглия:
б) бластодерма:
в) клетка Ито:
г) гибридома.
4. Выберите неверное утверждение:
а) биогидрометаллургия изучает добычу металлов из их руд при
помощи микроорганизмов;
б) с помощь гибридом можно получать высокоспецифичные антитела;
в) «зеленая» биотехнология – производство биофармацевтических препаратов;
г) клональное микроразмножение используется для оздоровления и быстрого размножения редких, хозяйственно ценных или
вновь созданных сортов сельскохозяйственных культур.
5. Выберите неверное утверждение:
а) иммобилизация ферментов – закрепление молекул ферментов
с помощью прочных химических связей на синтетических полимерах, полисахаридах и других носителях-матрицах;
б) все имеющиеся методы переноса генов пока еще не очень эффективны;
в) ксенотрансплантация – донором трансплантата является генетически и иммунологически отличающийся человеческий организм;
г) первые трансгенные животные были получены в 1974 году
в Кембридже (США) Рудольфом Янишем.
172
6. Выберите неверное утверждение:
а) в России права эмбриона защищаются с момента его зачатия;
б) вводить новые гены в геном бактерии научились с помощью
небольших кольцеобразных молекул ДНК – плазмид;
в) соматотропин – гормон роста человека;
г) «белая» биотехнология – производство биотоплив, ферментов
и биоматериалов для различных отраслей промышленности.
173
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Меньшутина Н. В. Введение в нанотехнологию. Калуга,
2006. 131 с.
2. Дьячков П. Н. Углеродные нанотрубки: строение, свойства,
применения. М., 2006. 293 с.
3. Рыков С. А. Сканирующая зондовая микроскопия полупроводниковых материалов и наноструктур: учеб. пособие. СПб., 2001.
52 с.
4. Викарчук А. А. и др. Перспективные материалы: структура и
методы исследования: учеб. пособие. М.; Тольятти, 2006. 535 с.
5. Воробьев Л. Е. и др. Оптические свойства наноструктур: учеб.
пособие. СПб., 2001. 188 с.
6. Афанасьев А. В. и др. Нанотехнология: физика, процессы, диагностика, приборы М., 2006. 551 с.
7. Неволин В. К. Зондовые нанотехнологии в электронике М.,
2005. 148 с.
8. Воробьев Л. Е. и др. Кинетические и оптические явления
в сильных электрических полях в полупроводниках и наноструктурах: учеб. пособие. М., 2000. 157 с.
9. Малинецкий Г. Г., Митин Н. А., Науменко С. А. Нанобиология и синергетика. Проблемы и идеи: в 2 ч. Ч. 2. М., 2005. 25 с.
10. Щука А. А. Наноэлектроника: учеб. пособие. М., 2012. 342 с.
11. Христофоров А. И., Сысоев Э. П., Христофорова И. А. Нанокерамика: учеб. пособие: в 3 ч. Владимир, 2006. 39 с. Ч. 2.
12.. Татаренко Н. И., Кравченко В. Ф. Автоэмиссионные наноструктуры и приборы на их основе. М., 2006. 192 с.
13. Уайтсайдс Д. и др. Нанотехнология в ближайшем десятилетии. Прогноз направления исследований; пер. c англ. М., 2002. 292 с.
14. Окрепилов В. В. Словарь терминов и определений по стандартизации и метрологии в области нанотехнологий. СПб., 2008.
210 с.
174
ОГЛАВЛЕНИЕ
Условные сокращения............................................................... 3
Предисловие............................................................................ 4
Введение.................................................................................. 5
Глава 1. Просвечивающая электронная микроскопия.................... 1.1. Упрощенная схема просвечивающего
электронного микроскопа.............................................. 1.2. Некоторые основные понятия.......................................... 1.3. Конструкция современного просвечивающего
электронного микроскопа.............................................. 1.4. Изображение................................................................. 1.5. Работа в режимах микроскопии и дифракции.................... 1.6. Разрешение................................................................... 1.7. Источники электронов.................................................... 1.8. Система освещения........................................................ 1.9. Коррекция астигматизма................................................ 1.10. применение просвечивающего электронного
микроскопа.................................................................. 1.11. Особенности работы с электронным микроскопом............. 1.12. Современные просвечивающие
электронные микроскопы.............................................. 1.13. Перспективные направления развития............................ Контрольные вопросы к главе 1............................................. 6
6
9
10
13
14
17
20
21
22
24
29
31
34
35
Глава 2. Растровая (сканирующая) электронная микроскопия........ 2.1. Электронно-микроскопический метод исследования........... 2.2. Физические основы растровой электронной микроскопии... 2.3. Разновидности растрового электронного микроскопа.......... 2.4. Схема растрового электронного микроскопа,
назначение его узлов и их функционирование................... 2.5. Подготовка объектов для исследований
и особые требования к ним............................................. 2.6. Технические возможности растрового
электронного микроскопа.............................................. 2.7. Современные виды растровых электронных микроскопов.... Контрольные вопросы к главе 2............................................. 38
38
38
43
53
54
59
Глава 3. Принципы сканирующей зондовой микроскопии.............. 3.1. Сканирующая туннельная микроскопия........................... 3.2. Атомно-силовая микроскопия......................................... 3.3. Сканирующая оптическая микроскопия ближнего поля...... Контрольные вопросы к главе 3............................................. 61
68
70
87
93
Глава 4. Косвенные измерения свойств
наночастиц и наноматериалов..................................................... 4.1. Масс-спектрометрия. ..................................................... 96
96
45
52
4.2. Оже-электронная спектроскопия..................................... 4.3. Рамановская спектроскопия............................................ 4.4. Фотоэлектронная спектроскопия..................................... Контрольные вопросы к главе 4............................................. 112
128
132
141
Глава 5. Биотехнологии............................................................. 5.1. История биотехнологии.................................................. 5.2. Направления биотехнологии........................................... 5.3. Некоторые этические и правовые аспекты применения
биотехнологических методов.......................................... 5.4. От биотехнологии к биоэкономике................................... Контрольные вопросы к главе 5............................................. 145
145
150
166
170
172
Библиографический список........................................................ 174
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
27
Размер файла
10 415 Кб
Теги
mishura, 0d8e5da1a5
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа