Sveipelektronmikroskopi = Scanning Electron Microscopy (SEM)

Presentasjon om: "Sveipelektronmikroskopi = Scanning Electron Microscopy (SEM)"— Utskrift av presentasjonen:

1 Sveipelektronmikroskopi = Scanning Electron Microscopy (SEM)
Andreas Løken MENA3100

2 Innhold Hva kan vi bruke SEM til? Hvordan dannes bildet i SEM?
Vekselvirkninger mellom prøven og elektronstrålen Signaler som vi kan bruke for å karakterisere mikrostrukturen til en prøve Sekundærelektroner Tilbakespredte elektroner Røntgen Oppbygning av mikroskopet Oppløsning: noen kommentarer Sammendrag MENA3100

3 Det mest allsidige instrumentet for en materialviter?
Hva kan vi studere i et sveipelektronmikroskop? Topografi og morfologi Kjemi Element analysis (EDS) Tracer diffusion analysis Krystallografi Orientering av korn In-situ eksperimenter: Reaksjoner med atmosfære Temperatureffekter “Enkel” prøve- preparering! “Store” prøver! MENA3100

4 Topografi og morfologi
Stor dybdeskarphet (depth of focus) Bilde: Camilla Kongshaug, UiO Bilde: Christian Kjølseth, UiO MENA3100

5 Dybdeskarphet Optisk mikroskopi vs SEM
Lengde på skruen ~ 0,6 cm Bilder: the A to Z of Materials I SEM har vi flere størrelsesordner større dybdeskarphet enn i et optisk mikroskop SEM passer utmerket til å studere ru overflater Desto større forstørrelse, desto lavere dybdeskarphet MENA3100

6 Kjemi Bilder: Harald Fjeld Ce Fe Sr MENA3100

7 In-situ eksperimenter
Vi kan oppgradere et SEM slik at vi f.eks. kan ta bilder ved høy temperatur MENA3100

8 Bilder under forsøk: oksidasjon av stål ved høy temperatur
800 °C, pH2O = 667 Pa Dannelse av Cr2O3 2 min 10 min 90 min Bilder: Anders W. B. Skilbred MENA3100

9 Hvordan dannes bildet? Elektroner inn Elektroner tilbake eller: fotoner tilbake I enkelhet: vi skyter høyenergi elektroner på prøven, og analyserer elektronene/fotonene som kommer tilbake MENA3100

10 Mikroskopet Vi kommer tilbake til de forskjellige komponentene etter hvert (Objective lens = probe lens) MENA3100

11 Hvordan dannes bildet? Elektronkanon Detektor Bilde 288 elektroner!
MENA3100

12 Vekselvirkninger mellom prøven og elektronstrålen
Den innkommende elektronstrålen spres i prøven; elastisk og uelastisk Dette gir oss mange forskjellige signaler som vi kan måle (mer om det på neste lysark!) Vekselvirkningsvolumet (interaction volume) øker med økende akselerasjonsspenning og avtar med økende atomnummer Images: Smith College Northampton, Massachusetts MENA3100

13 Signaler fra prøven Sample Fra elektronkanonen Sekundærelektroner
Auger elektroner Tilbakespredte elektroner Katodo- luminescens (lys) Røntgen Sample MENA3100

14 Stjålet fra læreboka, side 281.
MENA3100

15 Hvor i prøven kommer signalene fra?
Diameteren til vekselvirknings-volumet er større enn elektron-strålen  oppløsningen er lavere enn diameteren til elektronstrålen Bilde: Department of Geology and Geophysics, Louisiana State University MENA3100

16 Sekundærelektroner (SE)
Dannes når høyenergetiske elektroner kolliderer med løst bundne ytre elektroner på prøveoverflaten SE er lavenergielektroner (~10-50 eV) Bare SE som dannes nær overflaten klarer å unnslippe (1 – 20 nm) Vi får topografisk informasjon Antallet SE er mye større enn antallet innkommende elektroner Vi skiller mellom SE1 og SE2 MENA3100

17 SE1 Sekundærelektroner som utelukkende er dannet av de innkommende elektronene fra elektronstrålen Med SE1 kan vi oppnå bilder hvor oppløsningen kun er begrenset av elektronstrålediameteren MENA3100

18 SE2 Sekundærelektroner som er dannet av tilbakespredte elektroner som har returnert til overflaten etter mange kollisjoner SE2 kommer fra et eksitasjonsvolum som er større enn de for de innkommende elektronene  dårligere oppløsning enn for kun SE1 Innkommende elektroner SE2 Prøveoverflate MENA3100

19 Faktorer som påvirker dannelsen av SE
Arbeidsfunksjonen til prøveoverflaten Energien (E) og strømtettheten (i) til elektronstrålen Desto høyere E, desto flere SE dannes. Men: desto høyere E, desto lenger inn i prøven dannes SE  unnslipper ikke Desto høyere i, desto flere SE dannes Antallet SE som dannes går gjennom et maksimum ved noen kV akselerasjonsspenning for å deretter avta Antall SE Akselerasjonsspenning/ kV MENA3100

20 Faktorer som påvirker dannelsen av SE
3. Atomnummer (Z) Flere SE2 dannes med økende Z Større Z-avhengighet ved lave akselrasjonsspenninger 4. Den lokale krummingen på overflaten (dette er den viktigste faktoren) Bilde: Smith College Northampton, Massachusetts MENA3100

21 Kanteffekt MENA3100

22 Tilbakespredte elektroner (backscattered electrons = BSE)
En del av de innkommende elektronene som bremses av det elektromagnetiske feltet rundt atomkjernene i prøven med en spredningsvinkelen som er større enn 180 ° unnslipper overflaten  BSE MENA3100

23 Tilbakespredte elektroner(BSE)
Høy-energetiske elektroner (nesten elastisk spredning) Vi får færre BSE enn SE Vi skiller mellom BSE1 og BSE2 MENA3100

24 BSE2 De fleste tilbakespredte elektroner er av typen BSE2 BSE2
Innkommende elektroner Prøveoverflate MENA3100

25 Faktorer som påvirker emisjon av BSE
Orienteringen på den bestrålte overflaten Flere elektroner vil treffe BSE-detektoren når overflaten peker mot detektoren Det gjennomsnittlige atomnummeret Hvis du ønsker å studere kjemi ved å bruke BSE må prøven din være så flat som mulig Prøvepreparing er viktig! MENA3100

26 Lette grunnstoffer er mørke- Tunge grunnstoffer er lyse
Komposisjoner fra BSE Legering: ZnSb Atomtall: Zn: 30 Sb: 51 Komposisjoner: Mørk fase: Zn: 55 at% Sb: 45 at% Grå fase: Zn: 48 at% Sb: 52 at% Lys fase: Zn: 26 at% Sb: 74 at% Lette grunnstoffer er mørke- Tunge grunnstoffer er lyse MENA3100

27 BSE vs SE BSE SE Bilder: Greg Meeker, USGS MENA3100

28 Røntgen (x-rays) Fotoner, ikke elektroner
Hvert grunnstoff har sitt eget fingeravtrykk Vi kan identifisere fra Z = 6 (C) Lavere oppløsning enn for BSE og SE Det emitteres relativt få røntgenstråler Røntgendetektoren er lite effektiv  vi må bruke ganske lang tid for å få et tilstrekkelig godt resultat MENA3100

29 Røntgen (x-rays) To ulike signaler Bakgrunnsintensitet
Alle bølgelengder. Støy Karakteristiske røntgenstråler Grunnstoffenes fingeravtrykk MENA3100

30 Bakgrunnsintensitet Inkommende elektroner blir bremset ned av atomkjernenes felt. Fotoner emitteres derfor med 0 ˂ E ≤ E0. Generelt: Hvor E er energioverføringen fra det inkommende elektronet til fotonet (som igjen er relatert til akselerasjonsspenningen E0), og λ er bølgelengden til fotonet Og: Hvor Iλ er intensiteten, 𝑧 er gjennomsnittlig atomtall, i er strøm og E er fotonenergien. MENA3100

31 Karakteristiske røntgenstråler
Oppstår fra interaksjoner mellom inkommende elektroner og indre atomorbitaler Atomet ioniseres ved å «miste» elektroner fra K-, L- eller M-skallene. Elektronene fra neste energinivå (neste skall) fyller da den tomme plassen, og genererer derfor røntgenstråler α: Relaksering fra skallet ved siden av β: Relaksering fra 2 skall unna Kα: Relaksering fra L til K K α < Kβ Kβ: Relaksering fra M til K MENA3100

32 Karakteristiske røntgenstråler
MENA3100

33 Kα energies lette grunnstoffer (eV):
Kα energier (eV): Al: 1,48 Si: 1,74 Ca: 3,69 Lette grunnstoffer viser K α/β Fe: 6,40 Ba: 32,19 Ba L α: 4,41 Moseleys law: Hvor K og σ er konstanter og Z er atomtallet

34 Lα/β energier, tyngre grunnstoffer
Tre L-topper i ett Tre L-topper hver for seg MENA3100

35 Røntgenstråler Mest vanlig spektrometer: EDS (energy-dispersive spectrometer) Toppene kan overlappe – kan være et problem For eksempel: Mn-Kα og Cr-Kβ, eller Ti-Kα og diverse L-topper fra Ba. Vi kan analysere prøver på tre ulike måter Punktanalyse Linjeanalyse Konsentrasjonskart (elemental mapping) MENA3100

36 Linjeanalyse a) LaNbO4 NiO 100 m 5 m MENA3100
Image: Magrasó et al (2010)

37 Linjeanalyse MENA3100 Image: Magrasó et al (2010)

38 Konsentrasjonskart (elemental mapping)
Ce Fe Sr Images: Harald Fjeld, UiO MENA3100

39 Software Vårt instrument: EDAX-Genesis Grunnstoffbestemmelse
Kvantifisering Kartlegging MENA3100

40

41

42

43

44 EDS - Detektor En EDS detektor består av énkrystall som absorberer energien av inkommende røntgenstråler. Dette gir opphav til frie elektroner i krystallen som er ledende og gir en elektrisk spenning. Detektor: Li-dopet Si MENA3100

45 Faktorer å ta hensyn til med EDS
Dødtid Statistikk Trenger tilstrekkelig signal Elektronstrålen kan drifte Oppløsning – Sample emitting volume ~1μm3 MENA3100

46 Dødtid Dødtid er tiden hvor EDS-detektoren ikke er tilgjengelig grunnet “signalkø”. Stråling som ankommer detektoren kommer da for tett, og det blir vanskelig for detektoren å skille signalene. Detektoren er mettet. Kan resultere i “sumtopper” – topper med for eksempel dobbel energi (feilaktig) For lav Dt gir for lite informasjon For høy Dt gir dårlig signalutnyttelse 25-40% er OK verdier. 33% er helt optimalt MENA3100

47 Dødtid Dt: 38% Dt: 50% MENA3100

48 Counts For å skille karakteristiske røntgenstråler fra bakgrunnsstøy, så må antall counts per sekund være tilstrekkelig høyt nok Viktig for kvantifisering CPS bør være > 1000 MENA3100

49

50 EDS – I bruk Justere CPS og Dt%: Øke arbeidshøyden (working distance)
Øke spot-størrelsen Øke akselerasjonsspennningen Økt CPS og Dt% gir lavere oppløsning Gir større penetrasjonsdybde (går lengre inn i prøven) Gir større interaksjonsvolumer (ser på større deler av prøven) MENA3100

51 Mer om instrumentets oppbygning
elektronkanon (filament) elektromagnetiske linser scan coils prøvebord detektorer vakuumsystem maskinvare og programvare til PC (ikke trivielt!) MENA3100

52 Elektronkanonen Vi ønsker så mange elektroner per tidsenhet og så liten elektronstråle som mulig Tradisjonelle kanoner: termionisk elektronkanon (elektroner emitteres ved å varme opp et fast stoff) W-tråd, LaB6-krystall Moderne: feltemisjonskanoner (FEG) (kald kanon, et sterkt elektrisk felt trekker ut elektroner) En-krystall av W, som etses til en tynn spiss MENA3100

53 Elektronkanoner Med feltemisjonskanoner får vi en mindre elektronstråle og høyere strømtetthet sammenlignet med termioniske kanoner Vi må ha bedre vakuum når vi bruker en feltemisjonskanon En-krystall av LaB6 Wolframtråd Feltemisjons-spiss MENA3100

54 Detektorer MENA3100

55 De tradisjonelle detektorene i vår SEM
Sekundærelektroner: Everhart-Thornley detektor (høyvakuum) eller Large Field detektor (lavvakuum) Tilbakespredte elektroner: Fast-stoff detektor (Solid State Detector) Røntgen: Energidispersiv spektrometer (EDS) MENA3100

56 Hvorfor trenger vi vakuum?
Kjemisk (korrosjon) og termisk stabilitet er nødvendig for at elektronkanonen skal fungere bra (kanontrykket) En feltemisjonskanon trenger ~ Torr LaB6: ~ 10-6 Torr Signalelektronene må passere fra prøven til detektoren (kammertrykket) Vi har forskjellige krav til ulike detektorer MENA3100

57 Environmental SEM: ESEM
Tradisjonelt er kammertrykket ~ 10-6 Torr ESEM: 0,08 – 30 Torr Forskjellig gasser kan brukes Vi trenger en annen SE detektor MENA3100

58 Hvorfor vil vi bruke ESEM?
For å avbilde utfordrende prøver som: Isolatorer (pga oppladning) prøver som er følsomme for vakuum (f.eks. biologiske prøver) prøver som er følsomme for stråling (f.eks. tynne organiske filmer) “fuktige” prøver (oljete, skitne, fettete) For å studere og avbilde kjemiske og fysiske prosesser in- situ: Mekaniske tester (f.eks. deformasjon) Oksidasjon av metaller Hydratisering/dehydratisering (f.eks. se på maling som tørker) MENA3100

59 Vårt instrument: Quanta 200, FEI
Feltemisjonskanon, men vi har ikke SE detektor i objektivlinsa ESEM Kan utstyres med en mye forskjellig tilleggsutstyr for å avbilde eksperimenter in-situ MENA3100

60 Oppløsning: noen kommentarer
Den beste oppløsninga vi kan få er begrenset av diameteren av elektronstrålen på prøveoverflaten Bruken av FEG har forbedret oppløsninga dramatisk Men: eksitasjonsvolumet til signalelektronene bestemmer oppløsninga som vi faktisk oppnår SE-bilder har høyere oppløsning enn BSE-bilder Sveiphastighet: Hvis vi har et svakt signal må vi sveipe sakte for å øke signal-til-støy forholdet Et treigt sveip gir drift i elektronstrålen, som igjen påvirker nøyaktigheten til det vi analyserer  Vi må gjøre en avveining MENA3100

61 Hva har vi ikke snakket om i denne presentasjonen?
Prøvepreparering Det elektromagnetiske optiske systemet Alternative avbildningsmetoder: Katodoluminescens Elektronstråleindusert strøm Orientation imaging microscopy (tilgjenglig på UiO) Focused ion beam microscopy MENA3100

62 Sammendrag Sveipelektronmikroskopet er et meget anvendelig instrument som kan utstyres med et stort utvalg av tilleggsutstyr En elektronstråle sveipes over prøveoverflaten og detektorene avleser signalet som funksjon av tid Det er mulig å oppnå en oppløsning på 1 – 2 nm Bruk av ESEM og feltemisjonskanon har gjort det enklere å avbilde utfordrene prøver MENA3100

63 Sammendrag Signaler: Sekundærelektroner (SE): hoved-saklig topografi
Lav-energetiske elektroner, høy oppløsning Overflatesignalet avhenger av krumming Tilbakespredte elektroner (BSE): hovedsaklig kjemi Høy-energetiske elektroner Signalet er avhengig av atomnummer Røntgen: kjemi Må bruke mer tid for å ta opp signal MENA3100