Instrukční a studijní materiály - Ústav mikroelektroniky ... · Web view... J et al, Scanning Electron Microscopy and X-ray Microanalysis, ISBN 978-0-306-47292-3 [4] Kage S, Kudo

Budování výzkumných týmů a rozvoj univerzitního vzdělávání výzkumných odborníkůpro mikro- a nanotechnologie (NANOTEAM) CZ.1.07/2.3/.00/09.0224

Instrukční a studijní materiályBudování výzkumných týmů a rozvoj univerzitního vzdělávání výzkumných odborníků pro

mikro- a nanotechnologie (NANOTEAM) CZ.1.07/2.3/.00/09.0224

ELEKTRONOVÁ MIKROSKOPIE (SEM, TEM, PŘÍPRAVA VZORKŮ, EDX, WDX)

Radim Hrdý

Brno • 2011

1


Obsah

Obsah...............................................................................................................................................................2

Úvod a trocha historie......................................................................................................................................3

Princip elektronové mikroskopie......................................................................................................................5

Transmisní elektronový mikroskop...................................................................................................................7

Rastrovací elektronový mikroskop..................................................................................................................12

EDX a WDX detekce........................................................................................................................................16

Příprava vzorků...............................................................................................................................................18

Reference.......................................................................................................................................................19

2


Úvod a trocha historieDějiny mikroskopie, začínají v 17. století. Jejich první kapitolu vytvořil holandský obchodník a vědec-samouk Anthony van Leeuwenhoek (1632 – 1723), jenž pro lepší pozorování detailů živé přírody sestrojil první, dosud velmi primitivní mikroskop. Naproti tomu elektronový mikroskop vznikl, až o 200 let později K jeho sestrojení nestačila jedna geniální myšlenka, ale cesta k němu vedla přes postupné skládání objevů mnoha badatelů ve spojení s technologickým pokrokem. Jedním ze základních kamenů této mozaiky byl objev elektronu, který popsal J.J. Thompson v roce 1897. Objevení elektronu bylo v přímé souvislosti se studiem elektrických výbojů v Geisslerově trubici, známé už v polovině 19. století. Dalším krokem vedoucím k použití elektronů k zobrazení mikrosvěta byl poznatek, který v roce 1925 publikoval Luis de Broglie, že rychle letící částice mají nejen korpuskulární, ale i vlnový charakter jako např. viditelné světlo. Toto potvrdili nezávisle na sobě v roce 1927 Davisson s Germerem a Thompson s Reidem elektronovou difrakcí Důležitou roli na cestě k elektronovému mikroskopu sehrály práce H. Buscha, uveřejněné v roce 1926, které se zabývaly analogií ve vychylování paprsku elektronů pomocí magnetických polí solenoidů a světla skleněnou čočkou.

Obrázek 1: Ernst Ruska

Novou část dějin mikroskopie otvírá německý vědec Ernst Ruska (1906 – 1988), vynálezce elektronového transmisního mikroskopu. (TEM). Toto zařízení umožňuje zvětšení výrazně překročující možnosti optického mikroskopu, který je limitován délkou světelného paprsku (400 – 600 nm). První jednoduchý transmisní elektronový mikroskop zkonstruoval Ernst Ruska již v roce 1931. Tento mikroskop, umožňující do té doby nevídané zvětšení, začal jako první ve své vědecké práci uplatňovat Dr. Helmut Ruska, vynálezcův bratr. Na konci 30. let vznikl poblíž Berlína Ústav elektronové optiky a v této době spatřily světlo světa i první transmisní elektronové mikroskopy, určené k prodeji dalším vědeckým pracovištím. Válečná léta tomuto směru vědeckého bádání nepřála, ale po roce 1945 byla činnost ústavu znovu obnovena. V první polovině 50. let Ernst Ruska a jeho spolupracovníci zkonstruovali vylepšený elektronový mikroskop Elmiskop 1, který vyráběla společnost Siemens a jehož služby k objevování „neviditelného světa“ využívalo na 1 200 vědeckých institucí a univerzit po celém světě.

3


Objevení skenovacího elektronového mikroskopu přišel na svět o něco později. V roce 1938 německý fyzik M.von Ardenne popsal teoreticky i prakticky princip rastrování u transmisního elektronového mikroskopu. Vlastní skenovací elektronový mikroskop poprvé sestrojil americký vědec Zworikyn, který vynalezl fotonásobič a použil je k detekci sekundárních elektronů. Konstrukcí SEMu se v Anglii ve stejné době zabývala skupina vědců vedená C.W.Oatleyem a výsledky jejich práce byly použity k výrobě komerční verze firmou Cambridge Scientific Instruments v roce 1965

V bývalém Československu v šedesátých letech vznikla v Ústavu přístrojové techniky v Brně velmi silná skupina vedená V. Drahošem a A. Delongem obr. 2, která se zabývala konstrukcí elektronových mikroskopů. V současné době se po privatizaci Tesly v Brně vyrábí mikroskopy ve firmách Delong Instruments. Kromě už zmíněných firem se výrobou a vývojem elektronových mikroskopů v současnosti zabývají firmy JEOL, LEO, Hitachi, FEI a Zeiss.

Obrázek 2: Armin Delong

Mezi nejvýznamnější inovace patří dále především atomový silový mikroskop (atomic force microscope, AFM) a skenovaci sondový mikroskop (scanning probe microscope, SPM), který kombinuje metody STM a AFM Na základě revolučních prací na poli elektronové mikroskopie vyvinuli Gerd Binning a Heinrich Rohrer ve švýcarském výzkumném pracoviště IBM v Zurichu, skenovací tunelový mikroskop (scanning tunneling microscope, STM).

Vědci Ruska, Binning a Rohrer, získala v roce 1986 Nobelovu cenu za fyziku, Ruska za transmisní el. mikroskop ostatní pak za objevv skenovacího tunelového mikroskopu. Vývoj dosažený od dob konstrukce prvních mikroskopů dokumentuje 3 MV transmisní elektronový mikroskop, který představuje nejvýkonnější nástroj pro pohled do nanokrosvěta, který zatím člověk vytvořil. A díky jemu lidé poprvé spatřili atom.

4


Princip elektronové mikroskopieJaký je princip elektronové mikroskopie? Světlo je zde nahrazeno svazkem urychlených elektronů, jehož vlnová délka, výrazně nižší než vlnová délka světla, je závislá na urychlujícím napětí. Zjednodušený popis činnosti transmisního elektronového mikroskopu pak vypadá takto: Zrychlený, usměrněný proud elektronů emitovaný zdrojem je veden vakuem a probíhá tenkým mikroskopovaným vzorkem - zde se využívá toho, že se část elektronů odráží od atomů a molekul tvořících hmotu vzorku. Jejich opětovným soustředěním pomocí magnetové čočky se vytváří „stínový obraz“ mikroskopovaného vzorku. K jeho zviditelnění se u zdokonalených typů elektronových mikroskopů využívá stejného principu, na jehož základě vzniká obraz na monitoru počítače. [2]

Elektrony a jejich vlastnosti je předurčily k tomu, aby nám v elektronových mikroskopech zprostředkovávaly pohled do mikrosvěta. Toto prioritní postavení přineslo elektronu hned několik jeho vlastností. Je nositelem záporného náboje a má nepatrnou hmotnost ve srovnání například s protony či neutrony. Záporný náboj umožňuje urychlovat elektron elektrickým napětím U, přičemž získá kinetickou energii podle vztahu:

(1)

m - hmotnost elektronu (9,109x10-31kg)

e - náboj elektronu (1,602x10-19 C)

U - urychlovací napětí (V)

v - rychlost elektronu

Do vztahu (1) lze za rychlost dosadit z rovnice de Broglieho (2), která popisuje vztah mezi vlnovou a korpuskulární povahou hmotných částic:

(2)

lambda - vlnová délka

h - Planckova konstanta (6,626x10-34 Js)

Odtud :

5


(3)

Z výsledného vztahu vyplývá (3), že vlnová délka urychleného elektronu je nepřímo závislá na použitém urychlovacím napětí. Pokud dosadíme za konstanty, vztah se zjednoduší do podoby

Vlnové délky jsou různé pro rychlosti letícího elektronu při daném urychlovací napětí a je zřejmé, že elektrony se v mikroskopu dosahují obrovských rychlostmi, pro U=100 kV dosahuje jejich rychlost již 1/2 rychlosti světla ve vakuu (2,998x108 m/s)

6


Transmisní elektronový mikroskop

Transmisní elektronový mikroskop (TEM) je možné popsat jako složité technické zařízení, které umožňuje pozorování preparátů do tloušťky 100 nm při vysokém zvětšení a s velkou rozlišovací schopností. TEM je obdobou světelného mikroskopu. Světelný zdroj optického mikroskopu je zde nahrazen zdrojem elektronů (elektronovým dělem), skleněné čočky jsou nahrazeny čočkami elektromagnetickými a místo okuláru je zde fluorescenční stínítko. Celá dráha elektronů od elektronového děla až po stínítko musí být ve vakuu z důvodů absorbce elektronů molekulami vzduchu a jejich možnou kontaminaci částí mikroskopu. Výsledný obraz vzniká, když proud elektronů prochází vzorkem. Urychlovací napětí elektronů je 100-400kV. Dále je obraz zvětšen a zaostřen čočkami na objektivu a objeví se na obrazovce, případně na fotografickém filmu, nebo je detekován senzory.[3]

Základní konstrukce TEM

Transmisní elektronový mikroskop se skládá ze čtyř hlavních částí: tubusu s elektronovou optikou, vakuového systému, nezbytné elektroniky (napájení čoček pro zaostřování a vychylování elektronového paprsku a zdroj vysokého napětí pro zdroj elektronů) obr. 3.

Obrázek 3: Konstrukce transmisního elektronového mikroskopu

7


Elektromagnetické čočky

Jsou tvořeny prstenci (solenoidy) (obr. 4) z velmi čistého železa, které jsou zasazené v cívkách napájených stejnosměrným proudem. Elektromagnetické čočky pracují pouze ve vakuu (celý tubus musí být pod vakuem), slouží pouze jako spojky a jsou lehce fokusovatelné. Jestliže cívkami prochází elektrický proud, vznikne mezi pólovými nástavci elektromagnetické pole, které tvoří mezeru v magnetickém obvodu. Zvětšení čoček lze měnit změnou proudu, který cívkami teče.

Obrázek 4: Magnetické solenoidu ovlivňují dráhy elektronů, které vycházejí z bodového zdroje A a které zakřivení jejich dráhy magnetickém poli cívky, opět protínají její osuv bodě B [2]

To je základní rozdíl mezi magnetickými a skleněnými čočkami. Jinak se chovají stejně a mají stejné druhy optických vad, které nejvíce způsobují to, že reálné rozlišení neodpovídá vlnové délce.

Sférická (kulovou) vada obr. 5. - tato vada je velmi důležitá. Z velké části závisí na tvaru a zpracování čočky. Projeví se tím, že zvětšení ve středu čočky je jiné než na okrajích. Odpovídá to různému tvaru fokusace elektronů procházejících středem svazku a na okraji. Řešením bývá použití clonek, pro separaci určité části svazku.

Obrázek 5: Princip sférické vady

Chromatická (barevná) vada (aberace) - zvětšení čoček je závislé na vlnové délce elektronů v paprsku. Tuto vadu lze zmenšit co možná největší stabilizací urychlovacího napětí a použitím velmi tenkých preparátů.

8


Bohužel ve svazku se nachází elektrony s různou hladinou energie tj. vlnovou délkou, tím pádem je jejich fokusace elektromagnetickou čočkou rozdílná a vzniká chromatická aberace, spektrum ohnisek elektronů o dané vlnové délce obr. 6.

Obrázek 6: Princip chromatické vady

Astigmatismus - je vadou čoček, která se projevuje tím, že se kruh na preparátu zobrazí jako elipsa. Vzniká nedokonalým tvarem clonek popř. nečistotami v optické soustavě, obr. 7.

Obrázek 7: Astigmatismus čoček

Elektronové dělo

Elektronové dělo se skládá z katody, tzv. Wehneltova válce a anody. Jako katoda se používá wolframové vlákno, které je přímo žhavené na teplotu 2800°C. V posledních letech se staly oblíbenými dva jasnější zdroje elektronů, a to elektronová tryska na bázi hexaboridu lanthanu (LaB 6), která emituje 10x více elektronů než wolfram zahřátý na stejnou teplotu, a tryska emitující elektrony vlivem elektrického pole (field emission gun - FEG). V tomto případě jsou elektrony "vysávány" z velmi ostrého hrotu silným elektrickým polem. S FEG se tak dá docílit až tisícinásobné elektronové hustoty, obr. 8.

9


Obrázek 8: zleva - Wolframové vlákno, LaB6 krystal, Autoemicní tryska. [2]

V praxi od elektronového zdroje vyžadujeme, aby poskytoval koherentní svazek elektronů, což znamená, že by elektrony měly vycházet z bodového zdroje, měly by mít stejnou energii a dokonce by se měla jejich průvodní vlna nacházet ve stejné fázi. Trysku tvoří katoda emitující elektrony a anoda s kruhovým otvorem ve svém středu, která je přitahuje a dává jim dostatečné zrychlení na průlet tubusem mikroskopu. Vlákno katody je vystředěno do otvoru tzv. Wehneltova válce, který má záporné předpětí a díky jehož působení se okolo emitujícího hrotu katody vytvoří mrak elektronů. Ty jsou potom postupně odsávány z otvoru Wehneltova válce k anodě a ty které mají správný směr a rychlost, prolétnou dále do tubusu. Tímto jednoduchým způsobem je zajištěna dostatečná zásoba elektronů s přibližně stejnou počáteční energií tak, aby elektronový paprsek měl výše zmíněné vlastnosti.

Zobrazovací soustava

Abychom mohli vidět elektrony, které prošly preparátem a zobrazovacím systémem, je třeba převést informace, které nesou, do oblasti viditelného světla. K tomuto účelu se na dno tubusu umísťuje stínítko pokryté nejčastěji ZnS, který je schopen v závislosti na energii a množství dopadajících elektronů emitovat světlo s vlnovou délkou 450 nm. Díky nečistotám je emise posunuta blíže 550 nm, tedy zelenému světlu.

Zjednodušeně lze interakce, ke kterým dochází při průchodu elektronového svazku hmotou preparátu, rozdělit do dvou skupin: pružný nebo-li elastický rozptyl - když urychlený elektron prolétá elektronovým oblakem atomu preparátu, je vychýlen pod úhlem, který je tím větší, čím blíže míjí elektron jádro a čím větší je náboj jádra. Dokonce tento úhel může dosáhnout až 180° a elektron může být zpětně odražen, obr. 9. Při těchto dějích se předpokládá, že se energie primárních, elasticky rozptýlených elektronů nemění. Jejich počet elektronů závisí na součinu hustoty a tloušťky preparátu v místě průchodu. Část elektronů rozptýlených s dostatečně velkým úhlem je zachycena objektivovou clonou a tím vyřazena z tvorby obrazu na stínítku. V důsledku toho se mění intenzita elektronového svazku a vzniká kontrast obrazu.

10


Obrázek. 9: Interakce elektronu při průletu vzorkem [2]

Ve standardním transmisním elektronovém mikroskopu první dva jevy připívají ke vzniku běžného obrazu u biologických preparátů, zatímco u krystalických (materiály jiného než biologického původu) preparátů jsou nejdůležitějšími faktory tvořícími obraz fázový a difrakční kontrast.

11


Rastrovací elektronový mikroskop Rastrovací neboli skenovací elektronový mikroskop (dále SEM) je přístroj určený k pozorování povrchů. Jedná je o určitou obdobu světelného mikroskopu, kde světelné paprsky nahrazuje elektronový svazek a obraz je tvořen sekundárními nebo odraženými elektrony. Výhodou této metody je dále generování dalších signálů, při interakci primárního svazku se vzorkem, jako např, rtg. záření, Augerovy elektrony, katodoluminiscence, které nesou mnoho dalších informací. Při jejich detekci je možné určit např. prvkové složení preparátu v dané oblasti a při porovnání s vhodným standardem určit i kvantitativní zastoupení jednotlivých prvků.

Zjednodušené schéma skenovacího elektronového mikroskopu je na (obr. 10). Zdrojem elektronů je ve špičce tubusu je přímo žhavené wolframové vlákno. Vzhledem k tomu, že v SEM je požadován větší emisní proud, je třeba po každém zapnutí mikroskopu zkontrolovat vystředění katody a žhavit ji přesně do nasyceného stavu. Rozlišovací schopnost u SEM do značné míry závisí na průměru zfokusovaného svazku primárních elektronů dopadajících na povrch preparátu a hodnota tohoto průměru je zase výrazně ovlivněna průměrem katody. Proto rozlišovací schopnost přístrojů s wolframovou přímo žhavenou katodou se pohybuje mezi 10 až 15 nm.[4]

Obrázek 10: Schéma rastrovacího elektronového mikroskopu [6]

V současné době stávají přístroje s autoemisní tryskou. Mnohem menší průměr hrotu katody a vysoká emise umožňují dosáhnout rozlišovací schopnosti pod 1 nm.

Elektrony jsou urychleny potenciálem mezi katodou a anodou, která má ve svém středu kruhový otvor, kudy prolétají primární elektrony do soustavy elektromagnetických čoček. V SEM při prohlížení preparátů se používá urychlovací napětí do 30 kV. Výběr urychlovacího napětí závisí především na typu preparátu, zvětšení. kterého chceme dosáhnout a do jaké míry se nabíjí povrch prohlíženého preparátu a sekundární elektrony jsou generovány z větší oblasti vzorku. Snižováním urychlovacího napětí lze zčásti eliminovat

12


nepříznivé efekty nabíjení, na druhé straně se zvyšují chromatická a sférická vada čoček, což vede ke snížení rozlišovací schopnosti. Elektromagnetickými čočkami zkoncentrovaný paprsek primárních elektronů je před dopadem na povrch preparátů rozpohybován vychylovacími cívkami tak, že pokryje řádky - rastruje - malou plošku. Synchronně s primárním svazkem elektronů rastruje i paprsek tvořící obraz na obrazovkách mikroskopu. [5]

Při dopadu elektronů na vzorek může nastat několik případů, některé elektrony jsou absorbovány v závislosti na tloušťce a složení vzorku viz obr. 11. To způsobuje tzv. amplitudový kontrast obrazu. Další elektrony jsou rozptýleny pod malými úhly, jejichž velikost závisí na složení vzorku, to způsobuje tzv. fázový kontrast v obraze. V krystalických preparátech jsou elektrony rozptýleny do velmi odlišných směrů, které jsou v závislosti na krystalické struktuře. To způsobuje tzv. difrakční kontrast obrazu. Některé z dopadajících elektronů mohou být odraženy, nazývají se zpětně odražené elektrony tzv backscattred electrons .

Obrázek 11: Schéma signálů vyzářených po dopadu elektronového svazku na vzorek. [7]

Dopadající elektrony mohou také způsobit to, že vzorek sám emituje elektrony obr. 12. Takto emitované elektrony se nazývají sekundární elektrony, které používáme pro primární zobrazená topografie vzorku. Elektrony, které dopadají na preparát, způsobují, že vzorek emituje rentgenové paprsky, jejichž energie a vlnová délka závisí na chemických prvcích obsažených v preparátu. V některých případech mohou elektrony způsobit u preparátu emisi fotonů (nebo světla). Tento jev se nazývá katodoluminiscence.

13


Obrázek 12: Schéma vzniku odraženého nebo emise sekundárního elektronu vlivem průletu primárního elektronu

V dolní části tubusu se nachází komora s manipulačním stolkem. Ten umožňuje pohybovat s preparátem, otáčet ho i naklánět. V současné době se téměř standardně vybavují mikroskopy motorovým stolkem, který je možno ovládat pomocí joysticku nebo myši řídícího počítače. Velkou předností tohoto uspořádání je například možnost jednoduše zaznamenávat pohyb po preparátu a vracet se do jednotlivých prohlížených míst. V blízkosti preparátu jsou umístěny detektory jednotlivých signálů : např. sekundárních a odražených elektronů, rtg. záření.

Samostatnou kapitolou je samotná detekce signálu v SEM. Interakce mezi primárními elektrony a atomy preparátu můžeme rozdělit do dvou skupin: elastické kolize, které mají na svědomí vznik zpětně odražených elektronů a neelastické, při kterých dochází k předávání energie primárních elektronů atomům vzorku a následně k uvolnění sekundárních a Augerových elektronů, rtg. záření a katodoluminiscenci. K zobrazení povrchu preparátu se v SEM využívají sekundární elektrony. Od zpětně odražených elektronů se odlišují svojí nízkou energií a rychlostí. Aby byly schopné dostat se k detektoru sekundárních elektronů, je třeba je přitáhnout mřížkou s předpětím okolo 10 kV. Pro jejich detekci se využívá Detektor sekundárních elektronů Everhart -Thornley . Patří mezi nejčastěji používané. Je tvořen scintilátorem (např. YAG), který po dopadu uvolní záblesk světla ze středu viditelné oblasti (550-650 nm), jehož intenzita je přímo úměrná energii elektronů, které ho vyvolaly. Potenciál 10 kV přivedený na tenký kovový film na přední straně scintilátoru urychlí dopadající elektrony, aby měly energii dostatečnou na vyvolání světelného pulsu. Světlo je dále vedeno světlovodem a komoru SEM opustí průchodem křemenným okénkem. Mimo vakuum je umístěn fotonásobič, který zachytí světelný signál a převede je na elektrický, přičemž dojde k zesílení. Dalším detektorem je detektor zpětně odražených elektronů. Jeho umístění je většinou mezi vzorkem a polovým nadstavcem. Jeho účinnost záchytu přesahuje 50 %. Dalším oblíbeným typem je polovodičový detektor využívající p-n přechodu nebo Schottkyho diodu.

Při skenování povrchu dochází několika rušivým jevům např. nabíjení povrchu preparátu, na který dopadají záporně nabité primární elektrony, v případě, malé vodivosti. Důsledkem je odklon primárního svazku elektronů, které zahltí detektor sekundárních elektronů. Teplo, které lokálně ve vzorku uvolňují primární elektrony, je velké a projevuje se např. kontaminací skanované oblasti, pohybem preparátu pod svazkem nebo přímo jeho poškozením, např. popraskáním.

Dalším negativním jevem, který znesnadňuje interpretaci získaných snímků, je hranový jev. Dopad primárního svazku na hranu zvětšuje oblast, ze které se mohou uvolnit sekundární elektrony, a v důsledku toho se zvyšuje signál z detektoru. Ve výsledném obraze se hrany zobrazují jako přesvícené oblasti. Kvalita

14


výsledného zobrazení závisí na řadě parametrů např. volba urychlovacího napětí, kdy vyšší hodnoty vedou k lepší rozlišovací schopnosti, ale mohou způsobit nabíjení. Volba směrem k nižším hodnotám snižuje rozlišovací schopnost, ale také snižuje nepříznivé nabíjecí jevy. Mezi další parametry patří výběr pracovní vzdálenosti, kdy s rostoucí pracovní vzdáleností roste hloubka ostrosti

15


EDX a WDX detekcePři interakci primárního svazku dochází k uvolňování rrg. záření. To je možné detekovat a využívat pro materiálovou analýzu zkoumaného vzorku. Analýzy pomocí EDX neboli energiová a WDX obr. 13 resp. vlnová disperzní spektroskopie se někdy označují společným názvem bodová analýza, protože stanovaní prvkového složení vzorku se provádí ve velmi malém objemu, prakticky v bodě. Další možností elektronové mikroanalýzy (EDX i WDX) je úsečková analýza (též liniový scan, line analysis). V tomto případě se svazek primárních elektronů pohybuje po povrchu vzorku po vybrané úsečce, buď po jednotlivých měřících bodech, nebo kontinuálně. Výsledkem je graf zobrazující změnu obsahu prvků ve zvolené linii (používá se například pro studium zonálnosti minerálů). Dále je možno využít plošnou analýzu (též mapping, scanning, area analysis), metodu zobrazující distribuci (rozložení) prvků v ploše preparátu. Primární paprsek dopadá postupně v husté naskládaných řádcích na povrch preparátu (tzv. rastrování, obdobný princip jako v televizní obrazovce). V jednotlivých bodech je vybuzeno rentgenové záření, které se po detekci a vyhodnocení projeví jako svítící body na obrazovce, indikující přítomnost vybraného prvku. Výsledkem je mapa rozložení prvku v ploše vzorku.

Obrázek 13: Schéma umístění a) WDX a b) EDX systému na SEM mikroskopu. [8]

Rentgenové záření vybuzené dopadem svazku primárních elektronů má složku spojitou a charakteristickou. Charakteristická složka je tvořena sérií spektrálních čar, které vznikají zaplňování ionizovaných energetických hladin v obalech atomů. Charakteristické záření tak poskytuje informaci o prvkovém složení vzorku, protože vlnová délka čar je pro každý prvek charakteristická a nezávisí na energii primárních elektronů. Děj se odehrává ve velmi malé oblasti (řádově 1 až 10 µm3) “hruškovitého” tvaru pod povrchem vzorku, proto je možno metodami elektronové mikroanalýzy analyzovat velmi drobné objekty (už od velikosti X µm). Rentgenové záření je detekováno a analyzováno rentgenovými spektrometry, které jsou součástí mikroanalyzátoru. Ve spektru charakteristické rentgenové záření lze jednotlivé spektrální čáry indikovat dvěma způsoby: podle vlnových délek nebo podle energie. Na základě toho rozlišujeme energiově disperzní analýzu a vlnově disperzní analýzu (obě možnosti jsou často umožněny v jednom přístroji).

Energiově disperzní systém (EDX) analyzuje rentgenové spektrum na základě energie jednotlivých čar. Záření dopadá na polodičový detektor s p–n přechodem, kde je přeměněno na napěťový impuls. Tento signál je veden do zesilovače a odtud do počítače, kde je automaticky vyhodnocován. Mez stanovitelnosti je pro různé prvky různá, pro prvky mezi 5B až 10Ne se pohybuje mezi 1 – 2 hmot. %, pro prvky od 11Na výše mezi 0,1 –

16


0,2 hmot. %. EDX se tedy používá především ke stanovení kvalitativního složení vzorku a k rychlé (i když méně přesné) kvantitativní analýze. Minoritní prvky je nutno analyzovat pomocí WDX (viz dále). Většina přístrojů neumožňuje měření prvků lehčích než 5B.

EDX - analýza s mezí detekce cca 1% pro lehčí (> B, případně C) a cca 0.1% pro těžší prvky. Excitovaná oblast má průměr ~100 μm, takže drsnost, morfologie, nebo heterogenita povrchu tolik nevadí. Rychlejší ale méně přesná analytická metoda. Nevýhody: překryv některých prvků (Pb-S).

Vlnově disperzní systém (WDX) analyzuje rentgenové spektrum na základě vlnové délky jednotlivých čar. Rentgenové spektrum je snímáno vlnově disperzním spektrometrem. Jeho součástí je analyzující krystal (monochromátor), detektor a mechanika pro pohyb krystalu a detektoru. Rentgenové záření dopadá na krystal, kde podle úhlu dopadu dochází k difrakci spektrální čáry o příslušné délce (podle Braggovy rovnice).

Všechny ostatní čáry nesplňují Braggovu rovnici a proto nejsou difraktovány. Aby bylo možno analyzovat jiný prvek, je nutno natočit krystal do odpovídajícího úhlu. Součástí elektronového mikroanalyzátoru jsou obvykle tři až čtyři různé vlnově disperzní spektrometry, proto je možno měřit tři až čtyři prvky najednou. Potom se změní nastavení krystalů ve spektromertech a je možno měřit další tři (čtyři) prvky. Difraktované rentgenové záření se v detektoru přemění na elektrický signál a zpracovává se počítačem. Pomocí WDX je možno poměrně velmi přesně stanovovat obsahy většiny prvků těžších než 5B. Mez stanovitelnosti této metody je pro 5B až 10Ne 0,3 – 0,5 hmot. %, pro 11Na a těžší prvky 0,03 – 0,05 hmot. %. Proto je možno analyzovat i prvky s velmi nízkým obsahem (stopové prvky). Nevýhodou je naopak vyšší časová náročnost.

WDX - analýza s mezí detekce cca 0.01% a přesností podstatně přesahující EDS. Nevýhodami jsou nutnost vysoce rovného, tj. dokonale vyleštěného povrchu, dlouhý měřící čas a nutnost práce v hlubokém vakuu (čekání na vyčerpání vzduchu, problémy s porézními a hydratovanými vzorky)

17


Příprava vzorkůPro přípravu vzorků pro elektronovou mikroskopii obecně platí, že nesmí obsahovat vodu, protože v mikroskopu jsou vystaveny vysokému vakuu a z mokrých preparátů by se voda bouřlivě uvolňovala. To vede k brždění urychlených elektronů, degradaci vzorku a výrazné ovlivněný výsledného obrazu. Příprava vzorků pro TEM nebo SEM analýzu se od sebe výrazně liší. Zatímco při SEM můžeme do mikroskopu vkládat celé vzorky u TEM jsme nuceni se omezit pouze na nepatrné objekty (suspenze virů, bakterií nebo izolovaných buněčných organel). V opačném případě musíme vzorky nakrájen na velmi tenké řezy méně než 100nm. Silnějšími preparáty by neprošel el. svazek nebo by byl silně zatížen chromatickou vadou bez možnosti výsledný obraz dobře zaostřit.

Výroba řezu probíhá zalitím vzorku do pryskyřice a následně vytvoření řežu, které probíhá na přístroji nazývaném ultramiktoron. Ten byl vyvinut na konci padesátých let, Na pohyblivé rameno ultramikrotomu byl pevně připevněn preparát a proti němu byl postaven pevný nůž s vaničkou naplněnou vodou tak, aby dosahovala k řezné hraně. Po přiblížení nože a vzorku ukrojené ultratenké řezy sklouzávaly z řezné hrany na hladinu, kde již bylo možné celkem pohodlně s nimi manipulovat a nabírat je na síťky. Příprava vzorku obsahujících vodu předchází fixace vzorku (roztok glutaraldehydu) kdy jsou sesíťováný proteinové struktury v buněčných stěnách, zvýšením kontrastu (oxid osmičelý) a následnou dehydratací vzorku.

U vzorků pro SEM je situace o něco jednoduší. Lze je sice vložit v surové nativní formě ovšem musejí i tak splňovat několik podmínek.

- bezprašnost

- stabilita ve vakuu

- stabilita vůči působení elektronového svazku

- schopnost produkovat dostatečné množství sekundárních elektronů.

- dostatečná vodivost vzorku jako prevence vůči nabíjení primárním svazkem

V případě splnění výše popsaných podmínek bývají vzorky nejčastěji zafixovány na hliníkový substrát a umístěny do mikroskopu. V opačném případě, že je jedná o nestabilní, nevodivé nebo biologické vzorky j nutné zvolit některou možných úprav. Nejčastějším řešením bývá pokovení tenkou vrstvou zlata, které eliminuje nabíjení vzorku primárním svazkem. Pokud se jedná o biologické vzorky je nutné použití chemické fixace a dehydratace. Je třeba ovšem říct, že veškeré výše popsané úpravy vzorků, způsobují jeho částečnou deformaci a popř. zastínění některých detailů. Říkáme, že pozorujeme modifikovaný obraz původního vzorku. Jako další moderní alternativou se v dnešní době ukazuje použití kryotechniky pro fixaci vzorku a jeho pozorování za snížené teploty. V oblasti práce s biovzorky se jeví jako velmi perspektivní metoda, které umožňuje pozorování bez větších deformací. Její nevýhodou je relativně drahá pořizovací cena a problematické udržování stability a skladování vzorků.

18


Reference[1] Miroslav Karlík, Transmisní elektronová mikroskopie: pohled do nitra material, Čs.čas.fyz. 55 /2005/ 457-

464

[2] Jana Nebesářová, Elektronová mikroskopie pro biology, 2002

http://www.paru.cas.cz/lem/book/index.html

[3] Goldstein, J et al, Scanning Electron Microscopy and X-ray Microanalysis, ISBN 978-0-306-47292-3

[4] Kage S, Kudo K et al. A simple method for detection of gunshot residue particles from hands, hair, face,

and clothing using scanning electron microscopy/wavelength dispersive X-ray (SEM/WDX). J Forensic Sci

2001;46(4):830–834.

[5]

19

http://www.paru.cas.cz/lem/book/index.html

Documents

Instrukční a studijní materiály - Ústav mikroelektroniky ... · Web view... J et al, Scanning Electron Microscopy and X-ray Microanalysis, ISBN 978-0-306-47292-3 [4] Kage S, Kudo