Електронографія
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Електронографія

Електронографія (від електрон і ...графія ) , метод вивчення структури речовини, заснований на розсіянні прискорених електронів досліджуваним зразком. Застосовується для вивчення атомної структури кристалів, аморфних тіл і рідин, молекул в газах і парах. Фізична основа Е. — дифракція електронів (див. Дифракція часток ); при проходженні через речовину електрони, що володіють хвилевими властивостями (див. Корпускулярно-хвильовий дуалізм ), взаємодіють з атомами, внаслідок чого утворюються окремі дифраговані пучки. Інтенсивності і просторовий розподіл цих пучків знаходяться в строгій відповідності з атомною структурою зразка, розмірами і орієнтацією окремих кристалів і іншими структурними параметрами. Розсіяння електронів в речовині визначається електростатичним потенціалом атомів, максимуми якого в кристалі відповідають положенням атомних ядер.

загрузка...

  Електронографічеськие дослідження проводяться в спеціальних приладах — електронографах і електронних мікроскопах ; в умовах вакууму в них електрони прискорюються електричним полем, фокусуються у вузький светосильний пучок, а утворюються після проходження через зразок пучки або фотографуються (електронограмми), або реєструються фотоелектричним пристроєм. Залежно від величини електричної напруги, прискорюючої електрони, розрізняють дифракцію швидких електронів (напруга від 30—50 кев до 1000 кев і більш) і дифракцію повільних електронів (напруга від декількох в до сотень в ) .

  Е. належить до дифракційних структурних методів (поряд з рентгенівським структурним аналізом і нейтронографієй ) і володіє рядом особливостей. Завдяки незрівняно сильнішому взаємодії електронів з речовиною, а також можливості створення светосильного пучка в електронографі, експозиція для здобуття електронограмм зазвичай складає близько секунди, що дозволяє досліджувати структурні перетворення, кристалізацію і т. д. З іншого боку, сильна взаємодія електронів з речовиною обмежує допустиму товщину просвічуваних зразків десятими долями мкм (при напрузі 1000—2000 кев максимальна товщина декілька мкм ) .

  Е . дозволила вивчати атомні структури величезного числа речовин, що існують лише в дрібнокристалічному стані. Вона володіє також перевагою перед рентгенівським структурним аналізом у визначенні положення легких атомів у присутності важких (методам нейтронографії доступні такі дослідження, але лише для кристалів значно великих розмірів, чим для досліджуваних в Е.).

  Вигляд отримуваних електронограмм залежить від характеру досліджуваних об'єктів. Електронограмми від плівок, що складаються з кристалів з досить точною взаємною орієнтацією або тонких монокристалічних пластинок, утворені крапками або плямами (рефлексами) з правильним взаємним розташуванням. При частковій орієнтації кристалів в плівках по певному закону ( текстури ) виходять віддзеркалення в вигляді дуг ( мал. 1 ). Електронограмми від зразків, що складаються з безладно розташованих кристалів, утворені аналогічно дебаєграммам рівномірно зачорненими колами, а при зйомці на рухому фотопластину (кінематична зйомка) — паралельними лініями. Перераховані типи електронограмм виходять в результаті пружного, переважно однократного, розсіяння (без обміну енергією з кристалом). При багатократному непружному розсіянні виникають вторинні дифракційні картини від дифрагованих пучків ( мал. 2 ). Подібні електронограмми називаються кикучи-електронограммамі (по імені що отримав їх вперше японського фізика). Електронограмми від молекул газу містять невелике число дифузних ореолів.

  В основі визначення елементарного вічка кристалічної структури і її симетрії лежить вимір розташування рефлексів на електронограммах. Міжплощинна відстань d в кристалі визначається із співвідношення:

  d = L l/ r,

  де L — відстань від розсіюючого зразка до фотопластини, l — дебройльовськая довжина хвилі електрона, визначувана його енергією, r — відстань від рефлексу до центральної плями, що створюється нерозсіяними електронами. Методи розрахунку атомної структури кристалів в Е. аналогічні вживаним в рентгенівському структурному аналізі (змінюються лише деякі коефіцієнти). Вимір інтенсивностей рефлексів дозволяє визначити структурні амплітуди |F hkl |. Розподіл електростатичного потенціалу j( x, в, z ) кристала представляється у вигляді ряду Фур'є:

( h, до, l — міллеровськие індекси, W — об'єм елементарного вічка). Максимальні значення j( x, в, z ) відповідають положенням атомів усередині елементарного вічка кристала ( мал. 3 ). Таким чином, розрахунок значень j( x, в, z ) , який зазвичай здійснюється ЕОМ(електронна обчислювальна машина), дозволяє встановити координати х, в, z атомів, відстані між ними і т. п.

  Методами Е. були визначені багато невідомі атомні структури, уточнені і доповнені рентгеноструктурниє дані для великого числа речовин, у тому числі безліч ланцюгових і циклічних вуглеводнів, в яких вперше були локалізовані атоми водню, молекули нітрилу перехідних металів (Fe, Cr, Ni, W), обширний клас оксидів ніобію, ванадію і танталу з локалізацією атомів N і Про відповідно, а також 2- і 3-компонентних напівпровідникових з'єднань, глинистих мінералів і шаруватих структур. За допомогою Е. можна також вивчати будову дефектних структур. У комплексі з електронною мікроскопією Е. дозволяє вивчати міру досконалості структури тонких кристалічних плівок, використовуваних в різних областях сучасної техніки. Для процесів епітаксиі істотним є контроль міри досконалості поверхні підкладки до нанесення плівок, який виконується за допомогою кикучи-електронограмм: навіть незначні порушення її структури приводять до розмиття кикучи-ліній.

  На електронограммах, що отримуються від газів, немає чітких рефлексів (т. до. объект не володіє строго періодичною структурою) і їх інтерпретація здійснюється ін. методами.

  Інтенсивність кожної точки цих електронограмм визначається як молекулою в цілому, так і вхідними в неї атомами. Для структурних досліджень важлива молекулярна складова, атомну ж складову розглядають як фон і вимірюють відношення молекулярної інтенсивності до загальної інтенсивності в кожній точці електронограмми. Ці дані дозволяють визначати структури молекул з числом атомів до 10—20, а також характер їх теплових коливань в широкому інтервалі температур. Таким дорогою вивчена будова багатьох органічних молекул, структури молекул галогенідів, оксидів і інших з'єднань. Аналогічним методом проводять аналіз атомної структури ближнього порядку (див. Далекий порядок і ближній порядок ) у аморфних тілах, стеклах і рідинах.

  При використанні повільних електронів їх дифракція супроводиться ефектом Оже і іншими явищами, що виникають унаслідок сильної взаємодії повільних електронів з атомами. Недостатній розвиток теорії і складність експерименту утрудняють однозначну інтерпретацію дифракційних картин. Вживання цього методу доцільне у поєднанні з масс- і Оже-спектроскопією для дослідження атомної структури адсорбованих шарів, наприклад газів, і поверхонь кристалів на глибину декількох атомних шарів (на 10—30 ). Ці дослідження дозволяють вивчати явища адсорбції, самі початкові стадії кристалізації і т. д.

  Літ.: Пінськер З. Р., Дифракція електронів, М. — Л., 1949; Вайнштейн Би. До., Структурна електронографія, М., 1956; Звягин Би. Б., Електронографія і структурна кристалографія глинистих мінералів, М., 1964.

  З. Р. Пінськер.

Мал. 2. Кикучи-електронограмма, отримана методом «на віддзеркалення» (симетрично розташовані темні і світлі кикучи-лінії).

Мал. 1. Електронограмма, отримана від текстури.

Мал. 3. Електричний потенціал молекули дікетопіперазіна в кристалічній структурі, отриманий дорогою тривимірного Фур'є-синтезу; а і б - осі симетрії молекули, безперервною лінією показані еквіпотенціальні поверхні, згущування ліній відповідає положенням атомів.