Skaningowy mikroskop elektronowy (SEM)

Fizyka powierzchni
11
Dr Piotr Sitarek
Katedra Fizyki Doświadczalnej,
Wydział Podstawowych Problemów Techniki, Politechnika Wrocławska
Lista zagadnień
 Fizyka powierzchni i międzypowierzchni, struktura





powierzchni ciał stałych
Termodynamika równowagowa i statystyczna
Adsorpcja, nukleacja i wzrost
Fonony powierzchniowe
Własności elektronowe
Techniki badania powierzchni
 techniki desorpcji
 quasi-elastyczne rozpraszanie (LEED)
 nieelastyczne rozpraszanie (AES)
 mikroskopia elektronowa (SEM)
 skaningowa tunelowa mikroskopia (STM)
SEM
Skaningowy mikroskop elektronowy
Scanning electron microscope (SEM)
Badanie:
 Powierzchni,
 Przełomów,
 Cienkich folii,
 Replik
Możliwości badawcze:
 Duża zdolność rozdzielcza,
 Możliwość szybkiego skanowania dużych powierzchni, szybka zmiana
powiększenia,
 Duża głębia ostrości, 50-100% szerokości pola obrazu,
 Uzyskanie obrazu dyfrakcyjnego – identyfikacja struktury krystalicznej
 Analiza chemiczna elementów budowy materiału
SEM
Skaningowy mikroskop elektronowy (SEM)
-
-
pierwszy obraz otrzymał Max Knoll w 1935,
badania nad podstawami fizycznymi i oddziaływaniem wiązki z
próbką prowadził Manfred von Ardenne w 1937 (patent na SEM),
SEM zbudował Sir Charles Oatley i jego student Gary Stewart
(przedstawiono go do sprzedaży w 1965 przez Cambridge Scientific
Instrument Company).
SEM
Skaningowy mikroskop elektronowy (SEM)
W mikroskopach skaningowych wiązka elektronów bombarduje
próbkę, skanując jej powierzchnię linia po linii. Pod wpływem wiązki
elektronów próbka emituje różne sygnały (m. in. elektrony wtórne,
elektrony wstecznie rozproszone, charakterystyczne promieniowanie
rentgenowskie), które są rejestrowane za pomocą odpowiednich
detektorów, a następnie przetwarzane na obraz próbki lub widmo
promieniowania rentgenowskiego.
Wiązka
elektronów
pierwotnych
próba
~10 nm
1 – 2 m
2 – 5 m
Elektrony wtórne (SE).
Elektrony wstecznie
rozproszone (BSE)
Charakterystyczne
promieniowanie
rentgenowskie
SEM
Skaningowy mikroskop elektronowy (SEM)
Elektrony wtórne - SE (secondary electrons)
- elektrony wyrzucone z wewnętrznych powłok elektronowych
(zwykle K) atomów próbki na skutek zderzeń niesprężystych z
elektronami pierwotnymi
- ich energia nie przekracza zwykle 5 eV - elektrony mogą się
wydostać tylko z cienkiej, przypowierzchniowej warstwy próbki –
dostajemy obrazy o wysokiej rozdzielczości
- w obrazie uzyskanym dzięki elektronom wtórnym kontrast związany
jest z topografią próbki - obszary wypukłe są jasne, natomiast
obszary wklęsłe są ciemne. Dzięki temu interpretacja obrazów SE
jest dość łatwa. Wyglądają one podobnie jak odpowiadające im
obrazy w świetle widzialnym (w skali szarości)
SEM
Skaningowy mikroskop elektronowy (SEM)
Elektrony wstecznie rozproszone – BSE (backscattered electrons)
-
-
pierwotne elektrony (elektrony wiązki), które na skutek zderzeń
sprężystych z jądrami atomów próbki zostały „odbite” z powrotem
od próbki
elektrony te mają wysoką energię (od 50 eV aż do wielkości
napięcia przyspieszającego wiązki)
w obrazach BSE kontrast jest wynikiem różnicy średniej liczby
atomowej pomiędzy poszczególnymi punktami próbki. Obszary
próbki zawierające jądra pierwiastków o wysokiej liczbie atomowej
rozpraszają wstecznie więcej elektronów dzięki czemu są
odwzorowywane na obrazach BSE jako miejsca jaśniejsze
obrazy BSE dostarczają ważnych informacji o zróżnicowaniu składu
próbki
SEM
Skaningowy mikroskop elektronowy (SEM)
Promieniowanie rentgenowskie
-
-
dwa typy oddziaływania elektronów wiązki z ciałem stałym
prowadzą do powstania promieniowania rentgenowskiego:
- rozpraszanie na jądrach atomowych, które prowadzi do
powstania ciągłego widma, promieniowania rentgenowskiego
- jonizacja wewnętrznych powłok elektronowych atomu
prowadząca do powstawania widma charakterystycznego
promieniowanie rentgenowskie daje obraz o znacznie gorszej
jakości niż obraz „elektronowy” - stosunkowo duży obszar
oddziaływania, z którego pochodzi rejestrowane promieniowanie
rentgenowskie (słabsza rozdzielczość)
SEM
Schemat SEM
SEM
Skaningowy mikroskop elektronowy (SEM)
-
-
-
Obraz oglądany w skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM) nie
jest obrazem rzeczywistym. To co widzimy w SEM jest obrazem
wirtualnym skonstruowanym na bazie sygnałów emitowanych przez
próbkę.
Dzieje się to poprzez zeskanowanie linia po linii obszaru na
powierzchni próbki.
Przemieszczanie się wiązki od punktu do punktu wywołuje zmiany
w generowanym przez nią sygnale. Zmiany te odzwierciedlają
zróżnicowanie próbki w poszczególnych punktach.
Sygnał wyjściowy jest więc serią danych analogowych, które są
przetwarzane na serię wartości liczbowych - tworzony jest obraz
cyfrowy.
SEM
Przykłady
SEM - kontakty ze złota (jasne pola)
naniesione na heterostrukturę GaInAs/InP.
SEM
Przykłady
Uszkodzona powierzchnia stali
Przełom próbki stalowej
SEM
Przykłady
TEM
Transmisyjny Mikroskop Elektronowy
(Transmission Electron Microscop – TEM)
-
1925 - Louis de Broglie – teoretyczne założenia, że elektron może
mieć własności falowe o długości dużo mniejszej niż światło
widzialne
-
1932 - Knoll i Ruska (NP 1986) – wynaleźli soczewki elektronowe
-
1936 - pierwszy działający (jeszcze niezbyt dobrze) aparat
-
1939 - Siemens i Halske (Niemcy) – pierwszy komercyjny TEM
TEM
-
TEM – mikroskopia, w której wiązka elektronów jest
przepuszczana przez bardzo cienką próbkę oddziaływując z nią.
Obraz jest formowany z elektronów, które przeszły przez próbkę,
wzmacniany i ogniskowany a następnie detektowany, aktualnie,
poprzez kamerę CCD.
TEM
-
-
-
elektrony są generowane termicznie np. z W
lub LaB6 lub poprzez emisję polową
elektrony są przyspieszane do energii rzędu
100 to 300 keV i ogniskowany przy użyciu
elektrostatycznych i elektromagnetycznych
soczewek
transmitowana wiązka przenosi informacje o
gęstości elektronów, fazie i periodyczności
użytych do formowania obrazu
TEM
TEM
Tryb dyfrakcyjny (ED)
lel = 0.0025nm dla 200 kV
Prawo Bragg’a daje nam zależność pomiędzy
odległością pomiędzy płaszczyznami d a kątem ugięcia
q:
𝑛𝜆 = 2𝑑𝑠𝑖𝑛Θ
Kąty rozpraszania są bardzo małe ( 0< q <1°).
TEM
TEM ED otrzymany z cienkiej folii Al-Li-Cu
TEM
Tryb dyfrakcyjny (ED) / tryb obrazowy
TEM
Tryby obrazowe
-
Jasnego pola (Bright Field): apertura jest umieszczona w tylnej
płaszczyźnie ogniskowej obiektywu – kontrast masy, kontrast
dyfrakcyjny
-
Ciemnego pola (Dark Field): wiązka pierwotna jest blokowana
poprzez aperturę podczas gdy wiązka dyfrakcyjna przechodzi przez
obiektyw – defekty powierzchniowe, kontrast dyfrakcyjny
TEM
CaF2
TEM
TEM
Nanodrut GaAs (WZ)/GaAsSb(ZB)/ GaAs (ZB)
TEM
1.25 MeV HVEM.
TEM
Zeiss HRTEM with a Cs corrector and
an in-column energy filter
TEM
Transmission
TEM
Przykłady
TEM
Przykłady
HAADF STEM monowarstwy MoS2 wygrzanej
w 300 oC (Mo – zielony, S – pomarańczowy).
Skala - 0.5 nm.
dx.doi.org/10.1021/nl201874w | Nano Lett. 2011, 11, 5111–5116
TEM
Przykłady
Obraz (DF) pojedynczej warstwy Mo1-xWxS2.
Zamodelowana struktura (czerwony: Mo, niebieski: W, żółty: S).
NATURE COMMUNICATIONS | 4:1351 | DOI: 10.1038/ncomms2351 |www.nature.com/naturecommunications
STM
Skaningowa mikroskopia tunelowa
(STM – ScanningTunnelingMicroscopy)
- skonstruowany w 1982 r. przez Gerda Binniga oraz Heinricha Rohrera,
- rodzaj mikroskopu ze skanującą sondą (ang. Scanning Probe Microscope),
- uzyskanie obrazu powierzchni jest możliwe dzięki wykorzystaniu zjawiska
tunelowego, od którego przyrząd ten wziął swoją nazwę,
- w rzeczywistości STM nie rejestruje fizycznej topografii próbki, ale
dokonuje pomiaru obsadzonych i nieobsadzonych stanów elektronowych
blisko powierzchni Fermiego,
- umożliwia uzyskanie obrazu powierzchni materiałów przewodzących
ze zdolnością rozdzielczą rzędu pojedynczego atomu,
STM
Tunelowanie
STM
Tunelowanie
Próbka na ujemnym potencjale - obsadzone stany w próbce
SiC
Próbka na dodatnim potencjale - puste stany w próbce
SiC
STM
Ostrze - tip
promień krzywizny ok. 1 nm
ostrze wytrawione
STM
STM – skaningowy mikroskop tunelowy
STM
Tryb pracy ze stałą odległością ostrza od powierzchni.
- Zaleta: ten tryb jest szybszy, ponieważ układ nie musi zmieniać wysokości ostrza.
- Wada: tryb użyteczny tylko w przypadku skanowania dostatecznie gładkich
powierzchni.
STM
Tryb pracy ze stałym prądem tunelowania.
- Zaleta: ten tryb pozwala na dużą precyzję pomiaru nierówności powierzchni.
- Wada: tryb wolniejszy od poprzedniego, ze względu na konieczność sterowania
wysokością ostrza.
STM
Przykład
Manipulowanie atomami
STM
Przykłady
Tarasy zrekonstruowanej powierzchni Si (111) 7 x 7.
STM
Przykłady
Si(111) - 7×7
częściowo pokryte warstwą
FeSi2.
(prąd tunelowy 1μA,
polaryzacja tipa 1.8V –
widoczne są wypełnione
stany Si)
STM
Przykłady
STM (stały prąd) 48 atomów Fe ułożonych w pierścień na powierzchni Cu(111) w 4K
Średnica pierścienia - 142.6Å.
Wewnątrz wytworzyła się fala stojąca elektronów w stanach powierzchniowych typu
sp (Cu).
STM
Przykłady
DNA
AFM
Mikroskop sił atomowych
Atomic Force Microscopy (AFM)
AFM
Mikroskop sił atomowych
Atomic Force Microscopy (AFM)
AFM
Tryby pracy
Tryby pracy AFM związane z zależnością oddziaływania próbka –
ostrze od odległości ostrza od próbki:
- tryb kontaktowy (contact mode)
- tryb bezkontaktowy (non-contac tmode)
- tryb z przerywanym kontaktem (tapping mode)
AFM
Pomiar skręcenia dźwigni - PSPD
AFM
Tryb kontaktowy - Mikroskop sił lateralnych (LFM)
- mierzy poprzeczne ugięcie (skręcenie) dźwigni spowodowane
obecnością sił równoległych do płaszczyzny próbki (np. sił tarcia
powierzchniowego)
- Ostrze podczas skanowania jest w kontakcie z próbką (obszar
odpychających sił Van Der Waalsa)
- Pomiar siły dokonywany jest przez rejestrację wychylenia (ugięcia)
swobodnego końca dźwigni z ostrzem podczas skanowania próbki.
F = - c Dz [N]
c – stała sprężystości dźwigni
Δz –wychylenie dźwigni
- całkowita siła, jaką ostrze działa na próbkę jest sumą:
Fc – siła wywierana na próbkę przez dźwignię
Fadh – siła adhezji (kapilarna, elektrostatyczna)
FVDW – siła Van Der Waalsa
AFM
Tryb kontaktowy - Mikroskop sił lateralnych (LFM)
AFM
Tryb kontaktowy - Mikroskop sił lateralnych (LFM)
-
-
ostrze o małej stałej sprężystości (c<1N/m) pozwala
zminimalizować siłę oddziaływania pomiędzy ostrzem a próbką
podczas skanowania (standardowo ostrze z azotku krzemu Si3N4)
długość dźwigni ~100-200 μm;
AFM
Tryb bezkontaktowy
-
odległość ostrza od próbki ~10 –100 nm (obszar przyciągających sił
vander Waalsa)
słabsze siły => detekcja AC
dźwignia oscyluje z częstotliwością rezonansową (lub blisko niej);
możemy traktować ją jako oscylator harmoniczny z częstotliwością
rezonansową f
AFM
Tryb bezkontaktowy
Metody detekcji zmiany częstotliwości rezonansowej:
1. Detekcja amplitudy
- dźwignia oscyluje z ustaloną częstotliwością fex > f0
- gdy dF/dz = 0 amplituda oscylacji jest trochę niższa od amplitudy
dla f0
- zmiana częstotliwości rezonansowej powoduje zmianę amplitudy
drgań dźwigni
2. Detekcja częstotliwości
- dźwignia oscyluje z rezonansową częstotliwością f
- zmiana częstotliwości jest mierzona bezpośrednio
AFM
Tryb z przerywanym kontaktem (TappingMode)
AFM
Porównanie trybów pracy
Tryb kontaktowy:
- duża rozdzielczość obrazów
- duże siły adhezyjne spowodowane obecnością zanieczyszczeń
powierzchni
- możliwość uszkodzenia próbki lub ostrza
Tryb bezkontaktowy:
- mniejsza rozdzielczość obrazów
Tryb z przerywanym kontaktem:
- możliwość skanowania „miękkich” powierzchni (brak zniszczeń
skanowanej powierzchni)
- dobra zdolność rozdzielcza
AFM
Porównanie trybów pracy
Tapping Mode
Contact Mode
Warstwa epitaksjalna Si (100).
AFM
Mikroskop sił atomowych
Atomic Force Microscopy (AFM)
AFM
Przykłady
AFM
Przykłady
1 m
membrana Si
1 m
AFM
Przykłady
50 m
Pierwotniak Tetrahymena (TM)
50 m