Elektronová mikroskopie (jemný úvod do SEM, TEM) Rostislav Medlín NTC, ZČU

Motivace TEM Jeol JEM-2200FS SEM JEOL JSM-7600F SEM FEI Quanta 200 Dynamická difrakce v TEM Kinematická a dynamická difrakce dvousvazková aproximace v ideálním krystalu intenzity přímého a difraktovaného svazku kontrast anomální absorpce kvantově mechanické řešení schrodingerova rovnice v periodickém potenciálu aproximace volných elektronů symetrie Blochových fcí anomální absorpce ve dvousvazkové aproximaci - co je TEM & SEM, FE-SEM, STEM - zdroje el. - W, LaB6, FE - čočky, chyby - interakce el.-vzorek, rozlišení, SE, BSE, r-filtr, ESEM, Gentle Beam, detektory, EDS+SDD, EBSD - TEM BF, ADF, HAADF, Omega-filtr, EELS, HAADF, difrakční mód, přenosová fce, atomové rozlišení TEM Jeol JEM-2200FS SEM JEOL JSM-7600F SEM FEI Quanta 200

Outline Stručný úvod do elektronové mikroskopie - historie - elektronové zdroje, čočky a jejich vady - interakce elektronu se vzorkem - princip transmisní i skenovací mikroskopie Skenovací mikroskopie podrobněji - SE, BSE, r-filtr - ESEM, Gentle Beam - EDS, SDD - EBSD - Skenovací mikroskopy v NTC

Stručný úvod Fotony „Seeing is believing“ Viditelné světlo 420-780nm Objekty menší než 100µm musíme promítnout na retinu dostatečně velké. K tomu účelu používáme lupy a mikroskopy. Ernst Abbe (1840-1905) Existuje fyzikální limit – Vlnová délka světla užívaného optickými přístroji nedovoluje rozlišit detaily menší než polovina jeho vlnové délky - 280 nm pro bílé světlo - 160 nm pro UV světlo Abbeho limit (d = laterální rozlišení) - vlnová délka světla n – index lomu  - polovina vstupního úhlu čočky

Stručný úvod Fotony Elektrony relativistická vlnová délka elektronu e- Hydrothermal worm Louis Victor Pierre Raymond 7. vévoda de Broglie 1924 – Ph.D. za teorii elektronové vlny 1929 - Nobelova cena Ebola 100kV - 1,6 x 108 m/s 1 A ~ 1012 e- 1 e- na 0,16mm = 1000x vzorek (100nm) Nanočástice Pohybující se elektron má vlastnosti podobné vlnění (platí pro jakoukoli částici) relativistická vlnová délka elektronu Povrch CD

Replika od Ernsta Ruska 1980, Deutsches Museum, Mnichov 1897 – J.J. Thomson oznamuje existenci negativně nabité částice, později nazvané elektron 1924 – L. de Broglie předpokládá, že pohybující se elektron má vlastnosti podobné vlnění 1926 – H. Busch dokazuje fokusaci elektronů cylindrickou magnetickou čočkou – základ elektronové optiky 1931 – E. Ruska se spolupracovníky staví první elektronový mikroskop (Nobelova cena 1986) 1935 – M. Knoll demonstruje možnost konstrukce rastrovacího elektronového mikroskopu, o tři roky později staví M. von Ardenne jeho prototyp 1939 – Siemens představuje první komerční elektronový mikroskop 1965 – Cambridge Instruments staví první komerční skenovací elektronový mikroskop Ernst Ruska: … Knoll and I simply hoped for extremely low dimensions of the electrons. As engineers we did not know yet the thesis of the “material wave“ of the French physicist de Broglie that had been put forward several years earlier (1925). Even physicists only reluctantly accepted this new thesis. When I first heard of it in summer 1931, I was very much disappointed that now even at the electron microscope the resolution should be limited again by a wavelength (of the electron). I was immediately heartened though, when, with the aid of the de Broglie equation I became satisfied that these waves must be around five orders of magnitude shorter in length than light waves. Thus, there was no reason to abandon the aim of electron microscopy surpassing the resolution of light microscopy ... THE DEVELOPMENT OF THE ELECTRON MICROSCOPE AND OF THE ELECTRON MICROSCOPY Nobel lecture, December 8, 1986 Ernst Ruska První TEM se zv. 12 000x Replika od Ernsta Ruska 1980, Deutsches Museum, Mnichov

Elektronové zdroje 1 1 2 W LaB6 FE-W 2 Schottky

Elektronové čočky Lze spojitě měnit ohniskovou vzdálenost Elektrostatické (větší vady) Magnetické (menší vady) – levně pouze spojky Lze spojitě měnit ohniskovou vzdálenost Br - radiální složka indukce ↔ Bz - axiální složka indukce ↓ - stáčení e- - fokusace e- Korekční čočky Cs korektor

Vady elektronových čoček 1936 - O. Scherzer - Rotačně souměrná pole mají vždy kladný koeficient otvorové (kulové) vady 3. řádu a barevné vady 1. řádu 1948 - D. Gabor – návrh holografie jako metody korekce otvorové vady Barevná vada Cc ← podostření | přeostření → ← - Cs | Cs + → Svazek elektronů může být téměř monochromatický, největší změna energie nastává ve vzorku. S -filtrem se lze chromatické vady zcela zbavit. Otvorová vada Cs Obraz bodového zdroje Holografický záznam Cs korektor Cs korektor - funkce

Interakce elektronu se vzorkem - Elastický rozptyl - Neelastický rozptyl - Průchod elektronů - Odražení elektronů - Absorpce elektronů - Emise elektronů - Emise el.mag. záření - Emise pozitivně nabitých iontů

Hloubka ostrosti SEM  v TEM ~ 5 mrad ~ 0,3° TEM rozlišení 2nm → D ~ 800nm - tloušťka vzorku ~ 100-300nm

Princip TEM

Princip SEM

Domácí SEM Ben Krasnow - Do It Yourself Scanning Electron Microscope http://benkrasnow.blogspot.com/2011/03/diy-scanning-electron-microscope.html

Skenovací mikroskopie podrobněji - SE, BSE, r-filtr - ESEM, Gentle Beam - EDS, SDD - EBSD

Interakce elektronu se vzorkem II Odleptání polymetylmetakrylátu Z → E → Elektronová emise RTG emise Al Si SE

Interakce elektronu se vzorkem III SE – povrchová morfologie BSE – materiálový kontrast

Everhart-Thornley detector SEM podrobněji Everhart-Thornley detector

r-filtr The energy filter (r-filter) for observation of surface morphology, composition contrast, and mixture of these information.

Gentle Beam EDS – redukovaná energie

EDS – téměř plná energie ESEM EDS – téměř plná energie

Silicon Drift Detector EDS, SDD C N O SDD Silicon Drift Detector Si(Li)

EBSD Kikuchiho linie

SEM FEI Quanta 200 JEOL JSM-7600F Termoemisní SEM Quanta 200 od FEI s EDS detektorem (mikrosonda) od firmy EDAX Rozlišení Vysoké-vakuum - 3.0 nm at 30 kV (SE) - 4.0 nm at 30 kV (BSE) - 10 nm at 3 kV (SE) Environmentální mód (ESEM) pro nevodivé vzorky bez nutnosti pokovování Urychlovací napětí: 200 V – 30 kV Proud svazkem: do 2 μA – kontinuálně nastavitelný Ultravysokorozlišovací Field Emission SEM (Schottky) Rozlišení 1nm při 15kV, 1.5nm při 1kV v GentleBeam módu Detektory prvků EDS, WDS Detektor elektronové mikrodifrakce EBSD Zabudovaný energetický filtr (r-filtr) energie snímaných elektronů Nenabíjící mód (Gentle Beam) pro redukci poškození citlivých vzorků a nabíjení nevodivých vzorků. Zvětšení 25 – 1 000 000x Urychlující napětí: 100 V – 30 kV

Děkuji za pozornost