Mikroskopia elektronowa transmisyjna

Obserwacja struktury metali za pomocą mikroskopu optycznego pozwala rozróżnić elementy strukturalne o wielkości rzędu 390 nm. Obserwacja mniejszych elementów strukturalnych jest możliwa za pomocą mikrskopu elektronowego. W mikroskopie tym zamiast światła stosowana jest wiązka elektronów przechodząca przez układ soczewek elektromagnetycznych.

Zdolność rozdzielcza mikroskopu elektronowego zależy od długości fali elektronów. Długość fali elektronu można zmniejszyć (zwiększając tym sa-mym jego energię) stosując odpowiednio wysokie napięcie przyspieszające.

96

Przy napięciu 100 kV uzyskuje się dłu-gość fali λ= 4 · 1 0^{- 3} nm. Rys. 5.14 przed-stawia schemat przebiegu wiązki elek-tronów w mikroskopie elektronowym transmisyjnym, a rys. 5.15 wygląd takie-go mikroskopu.

Oddziaływanie elektronów z materią Oddziaływanie elektronu z poje-dynczym atomem (jonem) można przed-stawić schematycznie — rys. 5.16. Jeśli elektron będzie się poruszał dostatecz-nie blisko osi, na której znajduje się ów atom ( r ≈ 0 ) , może ulec rozproszeniu wstecznemu spowodowanemu oddziały-waniem potencjału jądra (A). Te elektro-ny są przedmiotem zainteresowania głó-wnie mikroskopii skaningowej. Nato-miast jeśli „r" będzie dostatecznie duże, tor elektronu ulegnie mniejszemu za-krzywieniu (B). W tym przypadku za atomem powstaje wiązka elektronów rozproszonych pod kątem zmieniają-cym się od 90° (dla mniejszych „r"), do 0° (dla większych „r"). Te właśnie elektrony są wykorzystywane w mikro-skopii transmisyjnej.

Dyfrakcję (ugięcie elektronów) na wielu liniowo rozmieszczonych atomach przedstawia rys. 5.17a. Chociaż w rzeczywistości ciała są trójwymiarowe uproszczenie to nie zmienia jednak jakościowego opisu przebiegu zjawiska.

Niech „d" będzie parametrem krystalograficznym naszego liniowego kryształu.

Dla przypadkowo wybranego kierunku (b), przypadkowa będzie również różnica faz fal rozproszonych na dwóch sąsiednich atomach. Dostatecznie duża liczba takich przesuniętych w fazie fal da w konsekwencji interferencję (superpozycję) destruktywną: fale poruszające się w kierunku (b) wzajmnie się powygaszają. Dla dowolnej fali zawsze można znaleźć drugą, która będzie miała fazę dokładnie przeciwną. Istnieją jednak pewne kierunki (c), dla których różnica dróg dwóch sąsiednich fal (ΔS) jest całkowitą wielokrotnością długości fali, co prowadzi do interferencji konstruktywnej (fala ulega wzmocnieniu). Aby miała miejsce interferencja konstruktywna musi być spełniony znany już z wyrażenia 5.1 warunek:

Rys. 5.14. Schemat przebiegu wiązki elek-tronów w mikroskopie elektronowym

transmisyjnym

Rys. 5.15. Mikroskop elektronowy transmisyjny typu BS-540 Tesla

ΔS = n×λ = d×sinα (5.3)

gdzie: ΔS — różnica dróg dwóch sąsiednich fal,

λ — długość fali elektronów (zwykle λ = 8 · l0-3 ÷ 3 · 10-3 nm), d — parametr krystalograficzny (w

krysztale rzeczywistym — od-ległość międzypłaszczyznowa), α — kąt dyfrakcji,

n — rząd dyfrakcji (n = 0,1,2,3, ...).

Elektrony nieodchylone są oczywiście zawsze ze sobą w fazie i dają silny refleks centralny (jest to tzw. refleks rzędu zerowego, n = 0). W konsek-wencji na umownym, jednowymiaro-wym ekranie uzyskuje się dyfrakto-gram składający się z wielu jasnych punktów położonych w odległości

„n·g" od refleksu rzędu zerowego - rys. 5.17b. Wielkość „g" niesie informację o parametrze krystalogra-ficznym hipotetycznego kryształu liniowego. Za pomocą odpowiedniej procedury matematycznej można do-konać przejścia odwrotnego i z wiel-kości „g" określić parametr „d".

Rys. 5.16. Oddziaływanie elektronu z pojedyn-czym jonem

98

Rys. 5.17. Dyfrakcja wiązki elektronów na krysztale liniowym

Należy dodać, że dyfraktogramy rzeczywistych preparatów zawierają dane nie tylko o odległościach międzypłaszczyznowych, ale również o kątach pomiędzy płaszczyznami krystalograficznymi, a także informacje dodatkowe np. o stopniu zdefektowania pewnych płaszczyzn, kształcie i wielkości submik-roskopowych wydzieleń koherentnych, rozmieszczeniu atomów międzywęz-łowych itd. Wszystkie te elementy są przedmiotem subtelniejszych analiz dyfrakcyjnych i nie będą tutaj omawiane.

Wyżej opisana metoda identyfikacji faz zwana jest analizą dyfrakcyjną.

Typowy obraz dyfrakcyjny przedstawia rys. 5.18. Jest to dyfraktogram z jednego ziarna austenitu stali stopowej.

Rys. 5.18. Dyfraktogram z jednego ziarna austenitu stali stopowej

W przypadku preparatu bezpostaciowego (amorficznego) atomy są roz-łożone przypadkowo w przestrzeni, tzn. nie jest zachowany parametr krysta-lograficzny „d". W żadnym z kierunków nie zachodzi interferencja konstruk-tywna. Dla hipotetycznego liniowego preparatu bezpostaciowego, funkcja J = f(α) (gdzie J — jasność) ma kształt krzywej gaussowskiej - rys. 5.17c.

Dla preparatu rzeczywistego (trójwymiarowego) funkcja ta będzie miała kształt rozciągniętej powierzchni dzwonowej. W rzeczywistości mogą pojawić się (również rozmyte) refleksy boczne, związane z występowaniem uporządkowa-nia bliskiego zasięgu. Na dyfraktogramie plama centralna będzie otoczona nieostrym pierścieniem.

Obraz dyfrakcyjny jest obrazem pierwotnym w mikroskopie elektro-nowym transmisyjnym. Jeżeli jednak wzbudzimy soczewkę obiektywową tak, aby płaszczyzna ogniskowa przesunęła się poza ekran, to na ekranie punkty dyfrakcyjne powiększą się do postaci plam, ujawniając swoją subtelną strukturę. Można wówczas określić, które obszary preparatu dają wkład (w wyniku dyfrakcji) w natężenie danego punktu dyfrakcyjnego (refleksu).

Wybierając za pomocą przesłony jeden z takich powiększonych obrazów refleksu i dodatkowo powiększając go na cały ekran uzyskuje się tzw. obrazy mikroskopowe. Niosą one informację o strukturze wewnętrznej badanego preparatu — rys. 5.20.

Kontrast obrazów mikroskopowych

Kontrast dyfrakcyjny. Jeżeli monokryształ zawiera wewnątrz krystaliczne wydzielenie (np. ziarno ferrytu z wydzieleniami cząstek cementytu - rys. 5.19) i jeżeli osnowa nie spełnia warunków dyfrakcji, to większość elektronów

100

Rys. 5.19. Schemat powstawania obrazów mikroskopowych

przejdzie przez nią nieodchylona. Mimo to elektrony odchylone na którejś z płaszczyzn krystalograficznych wydzielenia również zostaną skierowane przez soczewkę obiektywową w odpowiednie miejsce ekranu. Gwarantują to podstawowe prawa optyki. Końcowy obraz pozbawiony będzie kontrastu

— rys. 5.19a. Jeżeli wsunąć w płaszczyznę ogniskową przesłonę w ten sposób, aby odcięła elektrony odchylone przez wydzielenie, to na ekranie pojawi się ciemniejsza plama określająca kształt wydzielenia — rys. 5.19b.

Ten typ obrazów, tworzonych tylko z elektronów refleksu rzędu zerowego nazywa się obrazami mikroskopowymi w jasnym polu. „Jasnym" dlatego, że refleks rzędu zerowego ma największe natężenie. Oczywiście możliwe jest też tworzenie obrazu mikroskopowego za pomocą któregoś z refleksów wyższego rzędu lub refleksu wydzielenia. Są to obrazy w tzw. ciemnym polu (refleksy odchylone mają mniejsze natężenie w porównaniu z refleksem rzędu zerowego).

Kontrast ulega odwróceniu: w tym przypadku wydzielenie jest jasne, osnowa ciemna — rys. 5.19c.

W ten sposób tworzone obrazy nazywa się obrazami w kontraście dyfrakcyjnym. Kontrast dyfrakcyjny wykorzystywany jest głównie w przypad-ku obserwacji struktury cienkich folii Są to ścieniane mechanicznie na papierach ściernych, a następnie elektrolitycznie, cienkie blaszki metaliczne.

Aby były przezroczyste dla elektronów, ich grubość nie może być większa niż 100—200 nm. Przykład obrazu mikroskopowego cienkiej folii, uzyskanego metodą kontrastu dyfrakcyjnego przedstawiono na rys. 5.20. Jest to struktura stali konstrukcyjnej po ulepszeniu cieplnym. Widoczne są wydzielenia

Rys. 5.20. Obraz mikroskopowy struktury stali konstrukcyjnej po ulepszaniu cieplnym. Cienka folia, pow. 30 000x

węglików żelaza (ciemne) na granicach listew ferrytycznych oraz regularne układy dyslokacji (równoległe linie w górnej części rysunku). Metoda cienkich folii umożliwia uzyskanie informacji o strukturze wewnętrznej badanego preparatu. Za jej pomocą można określić morfologię wydzieleń, gęstość i typ dyslokacji, strukturę granic ziarn itd. Na cienkich foliach uzyskuje się rozdzielczości rzędu 0,2—0,5 nm oraz powiększenia do 100 000x i więcej.

Kontrast rozproszeniowy. Istnieje również metoda badania struktury metali zwana metodą replik — rys. 5.21. Na wytrawiony zgład metalograficzny (lub przełom) napyla się w próżni cienką (20—40 nm) błonkę węglową. Tak niewielka, wymagana grubość replik uwarunkowana jest ich amorficznością (silniejsze rozpraszanie wiązki elektronów niż w przypadku preparatów kry stalicznych). Po oddzieleniu od zgładu (przełomu) replikę cieniuje się do-datkowo poprzez ukośne napylenie atomami ciężkiego pierwiastka (np. złoto, platyna). W tych miejscach repliki, w których będzie ona grubsza lub dwuwarstwowa (węgiel+ciężki metal), większa część elektronów (w porów naniu z jej cieńszymi fragmentami) zostanie rozproszona poza otwór przesłony i będzie przez nią pochłonięta. Te elektrony nie będą w związku z tym brały udziału w tworzeniu obrazu. Pewne partie obrazu będą ciemniejsze. Typowy obraz repliki uzyskany w kontraście rozproszeniowym przedstawiono na rys. 5.22. Przedstawia on strukturę strefy wpływu ciepła złącza zgrzewanego ze stali konstrukcyjnej. Widocze są listwy bainitu. Należy mieć na względzie, że repliki (podobnie jak metalografia optyczna) dają informację wyłącznie o topo grafii przełomu lub wytrawionego zgładu. Ich pojemność informacyjna nie jest więc duża. Ze względu jednak na specyfikę powstawania, zbliżoną do

102

zgład wypolerowany i wytrawiony

zgład z naparowaną błonką węgla

oddzielona replika węglowa

replika węglowa cieniowana

rozkład jasności na ekranie mikroskopu

Rys. 5.21. Schemat odwzorowania mikrostruktury za pomocą repliki

Rys. 522. Obraz mikroskopowy struktury w strefie wpływu ciepła zgrzeiny ze sali konstrukcyjnej.

Replika naparowywana, pow. 5 000x

światłocieniowego sposobu recepcji wzrokowej oka ludzkiego, obrazy mikro-skopowe replik są proste w interpretacji i posiadają duże walory dydaktyczne.

Metoda ta jest przedłużeniem mikroskopii optycznej w zakres większych powiększeń (do 10 000x) oraz rozdzielczości (10-30 nm).