Увод Скенирајући електронски микроскоп (СЕМ) омогућава посматрање и детаљно проучавање узорака органских и неорганских материјала реда величине микрометра и мањих. У њему веома фокусиран сноп електрона пада на узорак изазивајући низ различитих појава, чије сигнале детектују и анализирају различити детектори. Обрадом ових сигнала добијају се слике на монитору, видео снимци или фотографије. СЕМ најчешће анализира сигнале секундарних електрона, рефлектованих електрона, фотона различитих енергија, апсорбованих електрона из снопа, карактеристичних X-зрака, Ожеових електрона и електрона дифрактованих на кристалној решетки. Интензитет сваког од тих сигнала зависи од врсте и особина. Најважнији су секундарни и рефлектовани електрони јер је њихов сигнал најосетљивији на топографију и састав узорка. Стандардни СЕМ ради на бази секундарне електронске емисије, односно поседује детектор секундарних електрона. Квалитетнији микроскопи имају могућност уградње додатних детектора, односно анализе других ефеката које на узорку изазива сноп брзих електрона. Делови скенирајућег електронског микроскопа

Једна од најбитнијих компонената у раду СЕМ-а је упадни сноп електрона. Квалитетна и прецизна анализа узорка подразумева пре свега фокусирање електронског снопа, па због тога велики део у СЕМ-у заузимају компоненте које служе за његово фокусирање. Блок шема СЕМ-а је приказана на сл. 18. Струјом гријана катода (1) термоелектронском емисијом, емитује електроне који из ње излећу у различитим смеровима. Веналтов цилиндар (2) пропушта само веома узан сноп електрона који се креће у правцу система анода (3), које убрзавају електроне до потребних енергија. Најчешћи су микроскопи који могу електроне убрзати

до 30 keV, али постоје и такви који их убрзавају до 2 GeV. Узан, добро фокусиран сноп електрона добија се помоћу низа дијафрагми (4) и електромагнетних сочива (5). Ефекте

које на узорку (7) изазива електронски сноп детектују различити детектори (6). Упадни сноп карактеришу три особине: струја упадног снопа, најчешће између μA 1 и pA 1 , пречник упадног снопа, најчешће између nm 2 и μm 2 и угао разилажења који је најчешће између -410 и -210 sterad. Интеракције електрона са узорком Интеракцијом паралелног снопа са узорком долази до расијавања електрона на електронском облаку или језгру атома узорка. Расијање електрона може бити еластично и нееластично. Еластично и неелатично расијање Еластично расејање се јавља при расејању електрона на језгру атома узорка, при чему електрон из снопа предаје узорку веома мали део енергије (мање од 1 eV). Угао скретања електрона ( 0 ) при еластичном расијању може бити од 0° до 180°, а најчешћа вредност му је око 5°. Вероватноћа еластичног расијања електрона на узорку дата је једначином:

21062,1)( 0222200

ctgEZQ ,

при чему су: Z - атомски број узорка, Е - енергија електрона и 0 - угао расејања упадних електрона на узорку. При нееластичном расејању електрони из снопа предају значајан део енергије атомима и електронима узорка, због чега им се приметно смањује кинетичка енергија. Постоји много врста нееластичног расејања. Побуђивање плазмона. Електрони снопа побуђују таласе у гасу проводних електрона метала. Ово је један од најчешћих процеса нееластичног расијања. Секундарна електронска емисија. Узајамно дјеловање електрона снопа и слабо везаних електрона проводљивости може довести до емисије ових електрона са површине узорка. Тако ослобођени електрони се називају секундарни електрони. Њихова кинетичка енергија је најчешће од 0 - 50 eV. Јонизација унутрашњих електронских нивоа. Ако је енергија електрона у снопу довољно велика, може доћи до јонизације атома узорка избијањем електрона са унутрашњих енергетских нивоа. При томе атоми остају у нестабилном побуђеном стању. Прелазак у основно стање је могућ на два начина, емисијом карактеристичних х-зрака, или емисијом Ожеових електрона. Енергија фотона карактеристичног х-зрачења једнака је разлици енергија виших и нижих нивоа између којих се врши прелаз електрона. Спектар овог зрачења је линијски. Његовом анализом могу се извести закључци о саставу узорка.

Приликом преласка са вишег на нижи енергетски ниво електрон може вишак енергије предати другом, слабије везаном, електрону који напушта атом. Овај електрон се назива Ожеов. Закочно или непрекидно х-зрачење. При наглом успоравању, кочењу, електрона из снопа кулоновским силама атома узорка, дио енергије електрони могу емитовати у виду фотона такозваног закочног зрачења. Енергија ових фотона може бити од нуле до енергије упадних електрона, па је спектар овог зрачења континуалан. Дeо енергије који електрон емитује у виду фотона зависи од положаја правца кретања електрона снопа у односу на атоме узорка. Побуђивање фонона. Знатан дио енергије електрони из снопа предају кристалној решетки, повећавајући енергију њеног осциловања. На тај начин се побуђују фонони - кванти енергије осцилација кристалне решетке, због чега расте температура узорка. При струји електронског снопа од 1 nA температура већине масивних узорака расте за око 10°C. Зона интеракције електрона и узорка Смањење енергије електрона по јединици дужине пута кроз чврсто тело одређено је Бетеовом једначином:

cmkeV

J166.1ln1085.7 s

s4 EAEZ

dxdE

где су: A - атомска тежина ( g/mol ), - густина узорка ( 3g/cm ), sE - средња енергија електрона на посматраном путу ( keV ) и J - средњи потенцијал јонизације ( keV ), који износи:

keV10)5.5876.9(J 3019. ZZ Зона интeракције електрона са узорком зависи од редног броја атома узорка и параметара електронског снопа. Дубина ове зоне зависи од енергије упадног снопа (најчешће је реда величине неколико микрометара), а на облик највише утиче промена редног броја атома. Када упадни сноп пада под углом од 90 ͦ, облик зоне интеракције за томе малих редни бројева је крушколик, а за атоме великих редних бројева прелази у сферу.

На сл. 19.је дата Монте-Карло симулација путања електрона из снопа кроз узорак. Дужина пута који електрон пређе кроз узорак може бити одређена интеграцијом из Бетеове једначине:

dEdxdER EEE 0

0 /1

гдје је 0E енергија упадних електрона у keV . Пошто путања електрона није праволинијска, претходном једначином се не може одредити димензија зоне интеракције. Емпиријску једначину за одређивање димензија зоне интеракције су дали Канаја и Окајама и она гласи: 889.0

67.10max 0276.0 Z

EAR .

Дубина продирања у зависности од упадном угла , у случају када електронски сноп не пада нормално на узорак је одређена једначином: cosmaxθ RR . Енергетски спектар емитованих електрона

Енергетска расподела електрона емитованих из узорка, у интервалу енергија од 0 до енергије упадних електрона

0E има квалитативан облик као на сл. 20. Област I одговара електронима који при расејању губе до 40% првобитне енергије. Електронима који при рефлексији губе више од 40% енергије, одговара област II. При енергијама електрона мањим од 50 eV јавља се оштар максимум у расподели (област III). Овај максимум одговара емисији секундарних електрона из узорка.

Утицај рефлектованих електрона на овај максимум је занемарљив. Рефлектовани електрони Највећи део електрона који падну на узорак се или апсорбује или прође кроз њега. Тек око 30% од укупног броја електрона се рефлектује уназад. Електрони који у зони интеракције доживе низ еластичних и притом промене правац за више од 90 ͦ се рефлектују. Рефлектовани електрони излазе на површину узорка на различитим удаљеностима од места пада на узорак. Електрони који из узорка излазе даље од места удара упадних електрона имају мању енергију, јер су због просечно већег пута кроз узорак изгубили већу енергију у сударима. Да би се добиле информације из уске зоне око тачке у коју падају електрони, детектори рефелектованих електрона детектују само електроне чија је енергија мало (обично не више од 10%) мања од енергије упадних електрона. Рефлектовани електрони носе информације о особинама узорка усредњеним по дубини која одговара дубини продирања рефлектованих електрона. Ова дубина је приближно једнака 30% од максималне дубине прелетаи битно зависи од особина узорка.

Детекција рефлектованих електрона Коефицијент рефлексије зависи од угла под којим сноп електрона пада на узорак и угла под којим се посматрају рефлектовани електрони . Струја рефлектованих електрона која у одређеном тренутку стиже до детектора, постављеног под фиксним углом у односу на упадни сноп електрона, зависи од угла под којим се у том тренутку налази скенирани сегмент узорка. За анализу рефлектованих електрона користе се детектори електрона великих енергија, пошто је њихова енергија мало мања од енергије упадних електрона. Ови детектори се постављају под фиксним углом у односу на упадни сноп електрона. Најчешће се користе две врсте ових детектора: а) Детектори који мере струју рефлектованих електрона који у њих стигну, независно од њихове енергије. б) Детектори који мере енергије рефлектованих електрона који у њих стигну. Трансмитовани електрони Ако је дебљина узорка мања од дубине зоне интеракције, постоји велика вероватноћа да еластично расејани електрони прођу кроз узорак. Те електроне детектује детектор трансмитованих електрона, који се налази са друге стране узорка, под одређеним углом у односу на правац упадних електрона. То је детектор брзих електрона, односно електрона чија је енергија мало мања од енергије упадних електрона. Он мери струју електрона који падну на њега независно од њихове енергије, слично као прва врста детектора рефлектованих електрона. Секундарни електрони Секундарни електрони настају интеракцијом високоенергетских електрона из снопа првенствено са електронима проводљивости, тј. електронима из проводне зоне узорка. При томе проводни електрони примају само неколико електрон волти енергије и излазе из узорка са малим енергијама. Највећи број ових електрона има енергију 3 - 5 eV. Коефицијент секундарне електронске емисије представља однос броја секундарно емитованих електрона sn и броја електрона из снопа који је проузроковао емисију ових електрона 0n , односно:

00 ii

nn ss

где су si и 0i одговарајуће струје електрона. Ефективна дубина узорка за секундарне електроне

Пошто при настајању секундарни електрони преузимају од електрона из снопа малу енергију, на површину узорка могу стићи само они који су настали на малој дубини. Да би ови електрони излетели из узорка морају савладати излазни рад електрона из узорка. Према томе, из узорка излећу они који на површину стигну са енергијом већом од излазног рада. Вероватноћа изласка секундарних електрона из

узорка експоненцијално се смањује са повећањем дубине узорка z : /~ zep ,

где је средњи слободан пут секундарних електрона у узорку. Максимална дубина са које се може јавити секундарна електронска емисија не прелази дубину од око 5 и та дубина је реда величине стотог дела дубине продирања упадних електрона. Секундарни електрони се стварају на целом путу упадних електрона кроз узорак, али се од узорка могу одвојити само они који су настали на улазу електрона у узорак (положај I на сл. 21.) и на излазу рефлектованог електрона из узорка (положај II). Укупан коефицијент секундарне електронске емисије износи:

III Где је коефицијент рефлексије узорка, а I и II одговарајући коефицијент и секундарне емисије. II је три до четири пута веће од I Катодолуминисценција Када се изолатор или полупроводник бомбардује електронима, он емитује зрачење у области инфрацрвеног, видљивог и ултраљубичастог спектра. Та појава се назива катодолуминисценција и може се објаснити уз помоћ зонске структуре чврстих тела, која је приказана на сл. 22. Електрони високе енергије из снопа при нееластичном расејању на електронима из валентне зоне предају им енергију већу од ширине забрањене зоне,

довољну за прелазак у проводну зону. На тај начин настаје пар електрон-шупљина. Ако нема електричног поља, проводни електрони се хаотично крећу по узорку, док су шупљине везане за атом од кога је откинут електрон. При рекомбинацији електрон емитује вишак енергије у виду фотона не-ког од катодолуминисцентних зрачења. Ова енергија је најчешће једнака ширини забрањене зоне, па спектар емитованог зрачења има оштар максимум који одговара овој ширини. Пошто је ширина забрањене зоне карактеристика материјала узорка, то и спектар катодолуминисцентног зрачења зависи од врсте посматраног узорка.

На спектар катодолуминисцентног зрачења утичу примесе у материјалу узорка и структурни дефекти кристалне решетке, посебно дислокације. Наиме, примесни атоми, као и атоми материјала узорка када се налазе у дислокацијама, могу имати енергетске нивое електрона унутар забрањене зоне. На тај начин се усложњава начин стварања електронско-шупљинског пара, као и њихова рекомбинација, па је и катодолуминисцентни спектар сложенији. Апсорбована струја У електричном смислу узорак у СЕМ-у представља струјни чвор. Електрони из снопа представљају струју која утиче у чвор (узорак), а рефлектовани, секундарни и Ожеови електрони струје које из чвора (узорка) истичу. Струја Ожеових електрона је занемарљива у односу на остале струје. Збир струје рефлектованих и струје секундарних електрона је мањи од струје електронског снопа. На пример, ако на узорак од бакра пада струја снопа електрона енергије 20 keV, струја рефлектованих електрона износи приближно 0.3, а струја секундарних електрона износи приближно 0.1 .

Посматрање рада електронског скенирајућег микроскопа Овај микроскоп има мнoгo боље могућности, јер са електронима уместо фотонима, испитује површину узорка. Електрон има мању таласну дужину од фотона. Увећање овог скенирајућег микроскопа може да буде до 300000x. Принцип рада: Овај електронски микроско је скенер микроскоп, скенира површину тако што једну одређену површину пребрисава млаз који прелази и скупља податке. За рад микроскопа је потребан вакуум, постоји предкомора која се користи само за измену узорка, узорак је постављен на постоље које може да се помера у 3D тј Х,Y,Z оса и има 2 степена слободе да може да се накрене. Пет степени слободе је довољно да се одреди манипулација било каквог узорка. Електрони се одбијају од узорка, електроне добијамо из усијаног Волфрамовог влакна, Волфрамско влакно усијавамо да би повећали енергију да могу да напусте влакно. Такође потребан је напон да можемо да их убрзамо. Имамо позитивне и негативне електроде. Када напусте волфрамови нит додатно се убрзавају. Након тога сакупљају се у сноп, пролазе кроз дијафрагму слицну фотоапарату, а та дијафрагма је ширине од 30 до 150 микрометра. Електронским млазом управљамо помоћу магнетног поља. На калемовима који производе магнетно поље излази тестерасти сигнал. Када електрон удари на површину под условом да је она проводна, може да избије неке електроне, део може и да прође. Када би се он наелектрисао додатним пољем, тако би одбијао електроне који долазе на њега. Избијени електрон са површине касније се привлаче мрежицом, да дођу до претварача, тј сцинтилатора. Када елек пада на њега он произведе фотон. Та таблета која произведе фотон наслоњена је на светлосни проводник који се директно наставља на фотомултипликатор. Фотомултипликатор има систем каскадних електрода, и он ради по принципу лавинског процеса. Касније се овај сигнал претвара у слику коју ми видимо на екрану. Када немамо довољно електрона који ће нам дати слику, тада користимо напаривач златом или запрашивач златом. Узорак који је на носачу, стављамо у запрашивач, то је једна комора, у којој се налази чисто злато, а потребно нам је ЧИСТО злато, да знамо да ништа сем угљеника и злата неће бити на површини.

Напаривање се одвија на следећи начин: извучемо ваздух да створимо вакуум, али не баш добар вакуум. Остане нека колицина ваздуха, која се јонизује. Ти остаци ваздуха који се јонизују, полете ка злату, избијају честице мање од 4 нм (јер знамо да резолуција микроскопа зависи од тога, колика је тачкица коју гледамо тј честица, као пиксел). И то равномерно пада и прекрива узорак. Тај узорак стављамо у микроскоп. Након тога убзавамо електроне у корацима од по 200 волти, узорак је од титандиоксида. И на њој је нането неко гвожђе из раствора у танком слоју. Имамо могућност Х-Ray анализе, када електрон удара у површину неће само да избије електроне, ако млаз удари дубље испод спољашњег омотача, помериће електроне, они ће се вратити на своје место при чему ће емитовати карактеристично зрачење за сваки материјал. На основу тих таласних дужина ми установимо који је материјал у питању. Рачунар је повезан са скенером, па ми на монитору можемо да видимо слику узорка. Имамо резервоар за течни азот, који хлади сипкицу детектора, детектор је унутар уређаја. Детектор хвата x зраке, узроковане ударцима електрона. И потребно је да се охлади на -190 степени. То је ЕДС детектор. Овим микроскопом не можемо да посматрамо биолошке узорке зато што они садрже воду, а пошто он има вакуум имали би смо замрљену слику. Узорак би се померао као да је жив. Али ако користимо смрзавање са течним азотом, који ће да га замрзне да од те воде направи кристалну воду, да чврсто стоји у узорку, онда може да се посматра уз помоћ скенирајућег микроскопа. Друге врсте микроскопа:

1. Трансмисиони микроскоп- он ради на трансмитоване електроне, при чему носач може да буде мрежица, преко које се разапне узорак. Узорак мора да буде довољно танак да би електронски сноп просао кроз узорак. Сноп који прође кроз узорак пада на полупроводник 1 ПН спој, који даље даје струју.

2. Скенирајући Тунелски Микроскоп (СТМ) је веома моћна технологија за снимање површине и карактеризацију материјала са могућношћу постизања атомске резолуције. СТМ је заснована на квантно-механичком ефекту тунеловања електрона. Када се зашиљен врх од проводног материјала приближи проводном или полупроводничком материјалу напон који је претходно остварен између врха и материјала омогућава пролазак електрона кроз вакуум који их раздваја. Након успостављања тока електрона струја која тече између узорка и врха је функција локалне густине стања.