Электронная микроскопия основана на взаимодействии пучка электронов с веществом. Электроны обладают значительно меньшей длиной волны по сравнению с видимым светом, что обеспечивает сверхвысокое пространственное разрешение, вплоть до атомного уровня. В кристаллохимии это позволяет исследовать внутреннюю структуру кристаллов, дефекты кристаллической решетки и распределение атомов.
Существуют два основных типа электронных микроскопов: просвечивающий (TEM) и сканирующий (SEM). TEM использует электроны для прохождения через тонкий образец, формируя изображение внутренней структуры, тогда как SEM регистрирует электроны, отражённые или выбитые с поверхности, обеспечивая топографическое и морфологическое отображение.
Контраст в электронной микроскопии формируется благодаря разнице электронной плотности и атомного числа элементов, входящих в кристалл. Для TEM применяются методы поглощения электронов, фазового контраста и дифракционного контраста. Поглощение электронов отражает распределение тяжёлых атомов, фазовый контраст позволяет выявлять малые различия в толщине или составных слоях, а дифракционный контраст используется для идентификации кристаллографических плоскостей и дефектов.
В SEM контраст формируется через вторичные электроны, которые дают информацию о топографии, и отражённые электроны, позволяющие оценить химический состав поверхности и кристаллографические ориентации.
Электронная микроскопия позволяет определять атомное строение кристаллов, включая межатомные расстояния и симметрию решётки. Применение дифракции электронов обеспечивает возможность получения электронограмм, с которых можно вычислить параметры элементарной ячейки и индексировать кристаллографические плоскости. Комбинация TEM с высококонтрастными методами позволяет выявлять дислокации, вакансии, вставки и другие дефекты, влияющие на физико-химические свойства кристаллов.
Современные электронные микроскопы оснащены спектрометрами EDS (Energy Dispersive Spectroscopy) и EELS (Electron Energy Loss Spectroscopy). EDS позволяет количественно определять элементный состав кристаллов, включая присутствие примесей и легирующих элементов. EELS регистрирует энергию потерянных электронов, что дает информацию о валентных состояниях элементов и локальной электронной структуре, включая химические связи и окислительное состояние.
Электронная микроскопия используется для:
Высокое пространственное разрешение и возможности химического анализа делают электронную микроскопию незаменимым инструментом для изучения структуры кристаллов на атомарном уровне, выявления дефектов и исследования взаимодействий между атомами.
Ключевыми ограничениями являются необходимость подготовки тонких образцов для TEM и возможное воздействие пучка электронов на структуру кристалла, вызывающее нагрев или структурные изменения. В SEM часто требуется покрытие проводящим слоем, чтобы уменьшить зарядку диэлектрических кристаллов. Несмотря на это, электронная микроскопия обеспечивает уникальные возможности визуализации и анализа, недоступные оптическим методам.