3 SEM IN AFM IMT07 - NTF · OPTIČNA MIKROSKOPIJA -OM: •je omogočila začetek preiskav površin in mikrostruktur materialov •poveča do nekaj 1000× •ločljivost je omejena

SAM

O ZA

INTE

RNO

UPOR

ABO

1

SEM IN AFM

SAM

O ZA

INTE

RNO

UPOR

ABO

2

OPTIČNA MIKROSKOPIJA - OM:• je omogočila začetek preiskav površin in mikrostruktur materialov • poveča do nekaj 1000×• ločljivost je omejena z v.d. svetlobe max. cca. 0,2 µm• majhna globinska ostrina

Razvoju OM sledili:

• KONFOKALNA MIKROSKOPIJA – CLSM(vir - laserska svetloba, dosežena ločljivost do 2 nm)

• ELEKTRONSKA MIKRSOSKOPIJA(vir – curek elektronov)

UVOD

http://www2.arnes.si/~ljdvts/slo/2004/2004_1-2_72dpi/2004_1-2_2_72dpi.pdf


SAM

O ZA

INTE

RNO

UPOR

ABO

3

ELEKTRONSKI MIKROSKOP

• uporablja curek elektronov, ki so pospešeni z električnim potencialom in usmerjeni na površino vzorca:

Razvila sta se:• presevni elektronski mikroskop - TEM (transmission electron microscope) in kasneje • vrstični elektronski mikroskop - SEM (scanning electron microscope).

l. 1935 – nastane koncept vrstične elektronske mikroskopije l. 1965 - narejen prvi komercialni mikroskop (Cambridge Instruments).


SAM

O ZA

INTE

RNO

UPOR

ABO

4

Delovanje

elektronski curek potuje ("skenira") po površini vzorca – nastane slika.Sliko lahko dobimo na dva načina. Iz vzorca detektiramo:• primarne, povratno sipane elektrone ali pa • sekundarne elektrone iz vzorca

Lastnosti elektronske mikroskopije so:• visoka lateralna ločljivost • velika globinska ostrina• širok interval povečav (od 20× do 300.000×)

Ločljivost SEM je odvisna od vrste katode (vira elektronov) in je v sodobnih mikroskopih 1-5 nm.

Pomembno!Vzorci za SEM morajo biti električno prevodni in obstojni v vakuumu.



http://www2.arnes.si/~ljdvts/slo/2004/2004_1-2_72dpi/2004_1-2_2_72dpi.pdfhttp://www2.arnes.si/~ljdvts/slo/2004/2004_1-2_72dpi/2004_1-2_2_72dpi.pdf

SAM

O ZA

INTE

RNO

UPOR

ABO

5

• L. 1981 je bila izumljena vrstična tunelska mikroskopija STM (scanning tunneling microscopy).

• Iz STM so se razvile podobne vrstične preiskovalne metode splošno poimenovane SPM (scanning probe microscopy).

AFM (atomic force microscopy) – izmed SPM najbolj razširjena

• deluje na način "tipanja" površine vzorca in merjenja medatomske sile med ostro preiskovalno konico tipala in površino vzorca.

Prednosti:• preiskujemo lahko površine prevodnih in neprevodnih vzorcev, v različnih okoljih (vakuum, zrak, tekočina) brez posebne priprave

• dosežemo nanometrsko in tudi subnanometrsko ločljivost



SAM

O ZA

INTE

RNO

UPOR

ABO

6


VRSTIČNA ELEKTRONSKA MIKROSKOPIJA - SEM

Z vrstičnim elektronskim mikroskopom opazujemo topografijo in strukturo površine vzorcev.

Delovanje:Vir elektronov je el. puška,

v kateri je katoda (filament) - emitira elektrone.



SAM

O ZA

INTE

RNO

UPOR

ABO

7

Delovanje:Katoda je lahko izdelana iz različnih materialov; • volframa ali LaB6(a) konvencionalna volframova katoda - volframova žica točkovno zavarjena

na nosilec; (b) katoda iz lantanovega heksaborida (LaB6), monokristal LaB6 z radijem

konice =100 µm;• izredno fine volframove monokristalne igle• monokristala ZrO2 pritrjenega na volframovi žici(c) katoda z emisijo polja - FEG, hladna FEG-katoda iz monokristalne žice

pritrjena na volframovo žico




SAM

O ZA

INTE

RNO

UPOR

ABO

8



• pri segrevanju katode nastane termoionska emisija elektronov• primarne elektrone pospešujemo z napetostjo (500 do 40000 pV)

• elektronski curek usmerja na vzorec sistem elektromag. leč in zaslonk • curek fokusiramo z objektno lečo v tanko konico (od 50 do 500 nm)

• premikanje (vrstičenje) elektronskega curka po površini vzorca je izvedeno s posebnimi tuljavami

• signal elektronov iz vzorca zbere detektor, ojačan signal se prenaša na katodni zaslon

• svetloba na zaslonu je proporcionalna intenziteti signala elektronov

Delovanje:



SAM

O ZA

INTE

RNO

UPOR

ABO

9

Interakcija elektronov z materialom

Ob trčenju elektronov s trdno snovjo, nastanejo signali. Ti so posledica elastičnega in neelastičnega sipanja primarnih elektronov na atomih snovi.

Zaradi sipanja elektronov nastane v vzorcu t. i. interakcijski volumen, iz katerega detektiramo različne emitirane delce.




SAM

O ZA

INTE

RNO

UPOR

ABO

10




Velikost interakcijskega volumna in lateralna ter globinska ločljivost v SEM so odvisni od:• energije (Eo) primarnega elektronskega curka • vpadnega kota elektronov na vzorec • lastnosti (Z, ρ) snovi• premera (dp) …



SAM

O ZA

INTE

RNO

UPOR

ABO

11





SAM

O ZA

INTE

RNO

UPOR

ABO

12


Pri neelastičnem sipanju (dogaja se na elektronskem "oblaku" atoma) elektron izgublja svojo energijo, tako da pri interakciji nastanejo:• sekundarni elektroni• rentgenski žarki • Augerjevi elektroni • katodna luminiscenca • plazmonske oscilacije v kovinah...

Pri elastičnem sipanju elektron interagira z atomskim jedrom, kinetična energija elektronov se ne spreminja, spremeni se lahko smer gibanja.

Del primarnih elektronov se po elastičnem sipanju usmeri nazaj proti površini vzorca in zapusti vzorec. Te elektrone imenujemo povratno sipani elektroni.





SAM

O ZA

INTE

RNO

UPOR

ABO

13




Za SEM-preiskave uporabljamo signale:• povratno sipanih primarnih elektronov (BSE-backscattered electrons) • sekundarne elektrone (SE-secon-dary electrons).

Za kvalitativno in kvantitativno kemijsko analizo sestave vzorcev(EDXS, WDXS, AES) uporabljamo:• karakteristične rentgenske žarke in• Augerjeve elektrone


SAM

O ZA

INTE

RNO

UPOR

ABO

14

Sekundarni elektroni (SE) • nastanejo pri interakciji primarnih elektronov s šibko vezanimi elektroni v prevodnem pasu v kovinah ali v valenčnem pasu v polprevodnikih in izolatorjih. • so nizko-energijski elektroni z značilno energijo do 50 eV in se hitro absorbirajo v vzorcu. Detektiramo lahko samo tiste SE, ki nastanejo blizu površine vzorca (do globine približno 50 nm pod površino). • SE nosijo informacijo o topografiji površine vzorca.

Število SE, ki nastanejo v vzorcu, je praktično neodvisno od vrste atomov oz. atomskega števila Z.






SAM

O ZA

INTE

RNO

UPOR

ABO

15

Povratno sipani elektroni (BSE) • izvirajo iz primarnega elektronskega curka in imajo visoko energijo • izhajajo iz določene globine vzorca, ki je odvisna od eksperimentalnih razmer (npr. nekaj 100 nm)• število BSE je odvisno od lokalne topografije površine in od vrste atomov v vzorcu (narašča z atomskim številom) Z

Odvisnost števila BSE od Z uporabljamo za t. i. Z-kontrast slike (atomic number contrast), na katerem lahko razlikujemo področja z različno kemijsko sestavo.

BSE uporabljamo še za lokalno določanje kristalografske orientacije oz. teksture (EBSD) in za magnetni kontrast.





SAM

O ZA

INTE

RNO

UPOR

ABO

16



Priprava vzorcev za SEM

Vzorci za konvencionalni SEM morajo biti:• električno prevodni • obstojni v vakuumu• neobčutljivi za lokalno segrevanje

Neprevodne vzorce moramo pripraviti tako, da na površino vzorcev nanesemo plast kovine ali ogljika debeline od 5 nm do 40 nm.

Kovinske plasti (Au, Pt, Au-Pd, Cr, ...) nanesemo z:• magnetronskim ionskim naprševanjem v Ar plazmi ali • naparevanjem kovine v visokem vakuumu (

SAM

O ZA

INTE

RNO

UPOR

ABO

17

Prednosti vrstične elektronske mikroskopije

• velik razpon povečav za slikanje vzorcev od 20- do 300000-×,• zelo dobra ločljivost: > 3,5 nm pri konvencionalnem SEM z volframovo katodo > 1 nm pri FEGSEM - izredna globinska ostrina - primerna za slikanje vzorcev z izrazito topografijo• posnetki s sekundarnimi elektroni omogočajo analizo topografskih detajlov:

- površine- mikrostrukture- velikost in oblika zrn ali delcev (morfologija) -- porazdelitve poroznosti ali velikosti delcev




SAM

O ZA

INTE

RNO

UPOR

ABO

18





SAM

O ZA

INTE

RNO

UPOR

ABO

19

MIKROSKOPIJA NA ATOMSKO SILO - AFM


• l. 1986 narejen prvi AFM (Atomic Force Microscope) • način delovanja podoben vrstičnem tunelskem mikroskopu (STM -Scanning tunnelling microscope) • bistvena razlika - namesto tunelskega toka z AFM merimo silo med konico tipala in površino vzorca

Delovanje

• AFM temelji na merjenju odboja laserske svetlobe od površine tipala, ki se premika zaradi delovanja različnih sil med vzorcem in vrhom konice tipala.

• Odbito lasersko svetlobo detektiramo s fotodiodo. • Merimo vertikalni in lateralni premik konice tipala.


SAM

O ZA

INTE

RNO

UPOR

ABO

20



DelovanjeZ AFM lahko merimo različne sile:

• van der Waalsove• elektrostatske• magnetne• kapilarne• ionske odbojne sile itd.

Vzorce lahko preiskujemo v:• atmosferskih razmerah • vakuumu ali • tekočini in pri • različnih temperaturah.

Z AFM lahko raziskujemo:• topografijo površin snovi • spremembe na površini, kot posledica (abrazija, korozija, trenje, jedkanje...)



SAM

O ZA

INTE

RNO

UPOR

ABO

21


(a) AFM s stacionarnim tipalom, vzorec se premika na piezo-skenerju (b) AFM s stacionarnim vzorcem, tipalo se premika z uporabo piezo-skenerja(c) skica odboja laserskega žarka od površine premikajočega tipala

Glavni deli AFM so:• piezo-električni nosilec vzorca (ali tipala) – skener,• tipalo z ročico in konico • laserski svetlobni sistem s fotodiodo za merjenje odklona tipala• nadzorna elektronika z računalnikom


ELEKTRONSKI MIKROSKOPSA

MO

ZA IN

TERN

O UP

ORAB

O

22

Piezoelektrični skenerima pritrjen vzorec. Narejen je iz piezoelektrične PZT-keramike v obliki cevke. Omogoča natančno premikanje vzorca po smeri x, y ali z v enakomernih korakih. Iz meritev odmika tipala v vseh točkah naredimo računalniško sliko površine vzorca.

Natančnost premika vzorca v odvisnosti od velikosti piezoskenerja pri delovanju s premikanjem vzorca:

0,006 nm50 x 50 x 3 nm (±10 %)

0,0011 nm10 x 10 x 2 nm (±10 %)

0,0004 nm3 x 3 x 1 µm (±10 %)

minimalni premik vzorcavelikost piezoskenerja (XYZ)





SAM

O ZA

INTE

RNO

UPOR

ABO

23




Tipaloje sestavljeno iz ročice s konico. AFM-meritve z atomsko ločljivostjo dosežemo samo z izredno ostro konico tipala.

SEM posnetki konic pri višjih povečavah kažejo, da je vrh konice vedno zaokrožen s krivinskim radijem od 5 nm do 30 nm.

Tipalo je narejeno iz trdnega in inertnega materiala (npr. iz silicijevega nitrida ali silicija) - preprečimo mehanske deformacije in kemijske reakcije med konico in vzorcem.

SAM

O ZA

INTE

RNO

UPOR

ABO

24

Ročica tipala:• narejena največkrat iz silicijevega nitrida ali silicija, • dolžina ročice je od 100 µm do 300 µm in debelina od 0,5 µm do 2 µm.• je pritrjena na ploščico velikosti približno 5 mm x 2 mm. Na eni ploščici je lahko več ročic z različnimi elastičnimi konstantami (0,005-100 N/m).

SEM-posnetki različnih tipal.




(a) različna tipala s konicami iz Si ali Si3N4 (b) pozlačena Si-konica z krivinskim radijem =10 nm(c) posebno tipalo s kroglico (d) detajl: tipalo s kroglico


SAM

O ZA

INTE

RNO

UPOR

ABO

25

Ročica mora imeti:• ustrezno elastično konstanto - merljiv odmik ročice • visoko lastno (resonančno) frekvenco (10-200 kHz) - izognemo se vplivu motenj iz okolice • veliko elastično konstanto, da signal ne bo manjši od termičnega šuma

Mejo občutljivosti AFM določa termično nihanje ročice. Sile, ki delujejo med vzorcem in konico tipala so zelo majhne, reda velikosti od 10-6 N do 10-13 N. Odklon ročice tipala je od nekaj mikrometrov do 0,01 nm.




SAM

O ZA

INTE

RNO

UPOR

ABO

26




Različici delovanja AFM

• način delovanja pri konstantni sili (s povratno zanko)navpični položaj vzorca (z) se med meritvijo spreminja - sila medkonico in vzorcem ostaja enaka.

• način delovanja pri konstantni višini (brez povratne zanke)navpični položaj vzorca se med meritvijo ne spreminja. V vsaki točki mreže skeniranja merimo odmik ročice. Sila med konico in površino vzorca se spreminja. Ta način je slabšilahko pride do artefaktov zaradi različnih deformacij površine.


SAM

O ZA

INTE

RNO

UPOR

ABO

27




Načini preiskav površine vzorcev z AFMso odvisni od interakcije tipala in vzorca:

1 Kontaktni načinKonica tipala je v stiku s površino vzorca, med njima prevladujejo ionskeodbojne sile.Pri premiku vzorca konica sledi topografiji površine – sila med vzorcem intipalom je konstantna.

Izhodni signal je sorazmeren višini vzorca v dani točki. Meritve izvajamo vobmočju močne odvisnosti sile od razdalje - dobimo slike z atomskoločljivostjo.

Vzorci morajo biti dovolj trdi, da jih ostra konica tipala ne poškoduje.

SAM

O ZA

INTE

RNO

UPOR

ABO

28




Načini preiskav površine vzorcev z AFM

2 PotrkavanjeKonica tipala niha z resonančno frekvenco in samo v majhnem delu svojega nihalnega cikla udari po površini vzorca. Takrat se amplituda nihanja zmanjša, kar uporabimo kot merilo za to, da ohranimo konstantno razdaljo med konico tipala in površino vzorca. Za osciliranje ročice poskrbi vgrajen piezoelement.

Potrkavanje lahko uporabimo tudi za mehke vzorce, vendar je možna kontaminacija konice in sprememba resonančne frekvence tipala.


SAM

O ZA

INTE

RNO

UPOR

ABO

29




3 Nekontaktni načinTipalo niha nad površino vzorca z majhno amplitudo in z resonančnofrekvenco. Na razdaljah 1-10 nm od površine vzorca delujejo na konicotipala van der Waalsove (tudi elektrostatske, magnetne ali kapilarne) sile.Frekvenca nihanja se zniža, amplituda pa zmanjša.

Prednosti:• tipalo ne pride v stik z vzorcem - se ne kontaminira • možno je snemanje zelo občutljivih vzorcev

Slabosti:• 2-3 × manjše sile kot pri kontaktnem načinu• velika razdalja med konico in vzorcem - težko dosežemo atomsko

ločljivost.

SAM

O ZA

INTE

RNO

UPOR

ABO

30

Sila, ki deluje med atomi na vrhu konice in tistimi na površini vzorca, je po naravi elektromagnetna in je odvisna od:• razdalje konica-vzorec• geometrije konice • snovi iz katere je narejena konica • kemijskih in fizikalnih lastnostih vzorca in medija, v katerem poteka meritev

Na večjih razdaljah prevladuje van der Waalsova privlačna sila, na manjših razdaljah pa pridemo v območje delovanja ionskih odbojnih (steričnih) sil.




SAM

O ZA

INTE

RNO

UPOR

ABO

31

Sile pri topografskih merjenjih z AFM. Označena so področja za različne načine preiskav površin z AFM.




SAM

O ZA

INTE

RNO

UPOR

ABO

32

LITERATURA• J. I. Goldstein, D. E. Newbury, P. Echlin, D. C. Joy, A. D. Romig, C. E.Lyman, C. Fiori, E. Lifshin, Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis, 2. ed., Plenum Press, New York, 1992 • Z. Samardzija, M. Ceh, L. Cakare, B. Mali~, Karakterizacija kera-mi~nih tankih plasti z vrsti~no elektronsko mikroskopijo, Materiali in Tehnologije, 34(2000)5, 269-273. • Z. Samardzija, Vrsti~na elektronska mikroskopija in elektronska mikro-analiza, delavnica - Prakti~na uporaba elektronske mikroskopije zaanalizo materialov, 25.11.2003, IJS-K7 • Z. Samardzija, M. Ceh, Microstructural characterization of Ti1-XAlXNand Cr(C,N) hard coatings, Proc. of 5 Multinational Congress onElectron Microscopy, September 20-25, 2001, Lecce, Italija• G. Binnig, C. F. Quate, and Ch. Gerber, Atomic force microscope.Phys. Rev. Lett. 56(1986)9, 930-933 6NT-MDT Molecular devices and Tools for NanoTechnology, katalog 2002• NanoWorld AG, Switzerland: http://www.nanoworld.com 8http://www.ou.edu/research/electron/www-vl/afm.shtml • T. Kanda, Y. Kobayashi, M. K. Kurosawa, H. Yasui and T. Higuchi, Estimation of HydrothermallyDeposited Lead Zirconate Titanate (PZT) Thin-Film, Jpn. J. Appl. Phys., 40 (2001), 5543-5546 • O. Auciello, D. J. Kim, V. Nagarajan, R. Ramesh, Nanoscale Studies of Ferroelectric Phenomena in Perovskite Thin Films, http://www.msd. anl.gov/groups/im/highlights/ nanoferroelectrics.pdf• Atomic force microscopy: http://stm2.nrl.navy.mil/how-afm/how-afm.html • Scanning probe microscopy - Bristol University, AFM: http://spm.phy.bris.ac.uk/techniques/AFM/
http://www.nanoworld.comhttp://www.ou.edu/research/electron/wwwhttp://www.msdhttp://stm2.nrl.navy.mil/how-afm/how-afm.html

Documents

3 SEM IN AFM IMT07 - NTF · OPTIČNA MIKROSKOPIJA -OM: •je omogočila začetek preiskav površin in mikrostruktur materialov •poveča do nekaj 1000× •ločljivost je omejena