Zlecenia badań - Instytut Chemii Fizycznej PAN

Skaningowy Mikroanalizator Elektronów Auger
MICROLAB 350 firmy Thermo VG Scientific
w Środowiskowym Centrum Fizykochemii Materiałów Instytutu Chemii Fizycznej PAN i Wydziału
Inżynierii Materiałowej PW
Mikroanalizator augerowski Microlab 350 firmy Thermo VG Scientific jest jednym z
najnowocześniejszych urządzeń do badania składu chemicznego powierzchni materiałów stałych i
jedynym w Polsce firmowym (o gwarantowanych parametrach) skaningowym spektrometrem elektronów
Augera, tj. spektrometrem umożliwiającym badanie obiektów o szerokości kilkunastu nanometrów i
grubości – charakterystycznej dla spektrometrii elektronów Augera - rzędu monowarstwy atomowej
(ułamki nm). Przyrząd umożliwia badanie nanomateriałów, pozwalając na zobrazowanie rozkładu
powierzchniowego i liniowego pierwiastków oraz profilowania ich stężeń w głąb materiału z
rozdzielczością nanometryczną (0,5-1 nm) i czułością analityczną rzędu ułamka % at.
Możliwości analityczne Microlab 350









Otrzymywanie obrazów SE powierzchni próbki (rozdzielczość < 7 nm);
Wykonywanie lokalnych analiz jakościowych (rozdzielczość pozioma < 12 nm, rozdzielczość w
głąb 0,5 - 2 nm; zakres analizowanych pierwiastków od litu (Z = 3) wzwyż; wykrywalność ok. 0,3
% at.);
Wykonywanie obrazów powierzchniowego rozmieszczenia pierwiastków (rozdzielczość < 12
nm);
Wykonywanie analiz liniowych rozmieszczenia pierwiastków;
Określanie względnej zawartości pierwiastków w nanoobszarach (dokładność analizy > 10 %
wzgl.);
Określanie stanu chemicznego atomu w nanoobszarach (rozdzielczość energetyczna 0,06%);
Badanie bardzo cienkich warstw powierzchniowych (ARAES);
Wyznaczanie profili zmian składu chemicznego w głąb materiału (połączone z trawieniem
jonowym);
Badania powierzchni ciał stałych za pomocą rentgenowskiej spektroskopii fotoelektronów (XPS):
 identyfikacja stanu chemicznego składników badanego materiału
 rozszerzenie gamy możliwych do analizy materiałów o dielektryki (polimery, materiały
tlenkowe- szkła, ceramika)
 dokładniejszą analizę ilościową próbek, w oparciu o program Mutline lub bazy danych
współczynników czułości Scofielda i Wagnera
 precyzyjną analizę profilu głębokościowego próbek (zmiany stanu chemicznego
składników próbki w kolejnych warstwach).





Badanie segregacji pierwiastków na granicach ziaren (wyposażenie do łamania próbek w próżni w
temperaturze ciekłego azotu);
Rozróżnianie struktur krystalograficznych np. grafitu, diamentu, węgla amorficznego - Reflected
Electron Energy Loss Spectroscopy (REELS);
Rozróżnianie stanów chemicznych atomu - (AES+NLLSF, REELS);
Rozróżnianie materiałów organicznych - (REELS).
Metoda elektronowej spektroskopii piku elastycznego – EPES, do wyznaczania średniej
nieelastycznej drogi swobodnej elektronów.
Komputerowy program zbierania i przetwarzania danych Avantage Data System umożliwia:
 sterowanie ruchem próbki,
 sterowanie pracą spektrometru,
 programowanie eksperymentu
 przedstawienie wyników w szeregu opcji graficznych, umożliwia eksport danych i grafiki do
popularnych programów edycyjnych.
Przykłady możliwości analitycznych aparatu:
1. Uzyskiwanie obrazów (SE) powierzchni próbek przy dużych powiększeniach
Microlab 350 wyposażony jest w detektor elektronów wtórnych (SE) umożliwiający uzyskiwanie
obrazów powierzchni próbki o rozdzielczości ok. 7 nm – spełnia więc rolę elektronowego mikroskopu
skaningowego (SEM). Przykłady takich obrazów przedstawiono na rys. 1.
Rys. 1. Zdjęcia powierzchni próbki Cu60Zr40 wodorowanej pod wysokim ciśnieniem (p=10 kbar,
T=140°C, t=14 dni). Widoczne jasne wysepki miedzi na tle warstwy ZrO2.
2. Zbieranie wysokorozdzielczych widm elektronów Auger
Microlab 350 pozwala na otrzymywanie wysokorozdzielczych energetycznie widm elektronów Auger
emitowanych z nanoobszarów powierzchniowych próbki, o szerokości ok. 20 nm i głębokości 1nm. Na
rys. 2 przedstawiono fragment widma elektronów Auger emitowanych z wysepki miedzi widocznej na
rys. 1.
H ig h R e s o lu tio n A u g e r S p e c i fic a ti o n C u L M M P e a k
90000
85000
80000
75000
cps
70000
65000
60000
55000
50000
45000
40000
35000
9 1 2 .5
915
9 1 7 .5
920
9 2 2 .5
925
K in e tic E n e r g y
Rys. 2. Linia Cu LMM elektronów Auger emitowanych z jednej z wysepek miedzi widocznych na rys. 1.
Wysoka energetyczna zdolność rozdzielcza analizatora energii pozwala na określenie stanu
chemicznego analizowanych pierwiastków w oparciu o położenie maksimum piku analizowanej linii. Na
rys. 3 przedstawiono porównanie położenia pików linii cyrkonu Zr LMM dla widocznego na rys. 1
mikroobszaru próbki Zr-Cu i metalicznego wzorca cyrkonu. Widoczne jest przesunięcie linii.
Rys. 3. Wysokorozdzielcze widmo AES dla obszaru leżącego pomiędzy wysepkami miedzi widocznymi
na rys.1. Otrzymany pik o maksimum dla 1831.5 eV odpowiada energii charakterystycznej dla tlenku
cyrkonu. Rozdzielczość analizatora energii 0.06% (M.Pisarek, M.Janik-Czachor, A.Molnar, P.Mack,
A.Szummer: „Wpływ procesu starzenia w powietrzu oraz wodorowania katodowego na właściwości
katalityczne stopów amorficznych na bazie miedzi: Cu-Hf, Cu-Zr”, XXXI Szkoła Inżynierii Materiałowej SIM 2003, 7-10X Kraków-Krynica, 2003, str.517)
3. Badanie rozmieszczenia pierwiastków na powierzchni próbek
Microlab 350 pozwala na otrzymywanie obrazów rozmieszczenia pierwiastków na powierzchni
próbki z rozdzielczością ok. 10 nm. Na rys. 4 przedstawiono obraz SE wybranego mikroobszaru
powierzchni próbki amorficznego stopu 60Cu-40Zr po 14-dniowym wodorowaniu pod ciśnieniem p=10
kbar w temperaturze 140oC oraz rozmieszczenie Cu, Zr i O. Widoczne jest, że jasne wysepki są cząstkami
czystej miedzi, a obszary pomiędzy wysepkami – związkami Zr i O.
Rys. 4. Wysokorozdzielczy obraz rozmieszczenia miedzi, cyrkonu i tlenu na powierzchni amorficznego
stopu 60Cu-40Zr po 14-dniowym wodorowaniu pod ciśnieniem p=10 kb w temperaturze 140oC
(A.Szummer, M.Janik-Czachor, P.Mack, M.Pisarek: “High Resolution Characterisation of Modified Cubased Amorphous Alloys”, Microscopy & Microanalysis, 9 (2003) 359-367)
4. Wykonywanie liniowych rozkładów rozmieszczenia pierwiastków
Microlab 350 pozwala na otrzymywanie wykresów rozmieszczenia pierwiastków wzdłuż
wybranych linii analizy. Na rys. 5a przedstawiono obraz cienkowarstwowych „wysepek” złota na
podłożu grafitowym. Na rysunku tym zaznaczono linię analizy, natomiast na rys. 5b wykres
rozmieszczenia złota i węgla. Uzyskany profil wskazuje na wysoką (lepszą niż 20 nm) rozdzielczość
poziomą analizy.
a)
Linia
analizy
b)
Rys.5. Obraz cienkowarstwowych „wysepek” złota na podłożu grafitowym a) i wykres analizy liniowej
rozmieszczenia złota b) wzdłuż linii analizy widocznej na rys a).
5. Wykonywanie profili zmian rozmieszczenia pierwiastków w głąb materiału
Microlab 350 jest wyposażony w działo jonowe pozwalające na trawienie próbki z regulowaną
szybkością. Zamieszczone na rys. 6 profile zmian stężeń Cr, Fe i Cu otrzymane metodą kolejnego
trawienia jonowego i analizowania próbki wielowarstwowej, składającej się z na przemian ułożonych
warstw stopu Cr-Fe i warstw Cu o grubości 5 nm wskazują, że w wyniku właściwego doboru szybkości
trawienia jonowego, kąta nachylenia próbki i szybkości jej obrotu podczas trawienia można
zminimalizować efekty mieszania się atomów podczas trawienia próbki, uzyskując prawie niezmieniony
profil zmian stężeń pierwiastków w kolejnych warstwach próbki.
Rys. 6. Profile stężeń Cr, Fe i Cu w próbce wielowarstwowej składającej się z na przemian ułożonych
warstw stopu Cr-Fe i warstw Cu o grubości 5 nm (MICROLAB 350 - The High Resolution Scanning
Auger Microprobe, folder firmy Thermo VG Scientific).
Na rys. 7 przedstawiono wyniki wykorzystania metody nieliniowego dopasowania funkcji
(NLLSF) do pików widm elektronów Augera w celu identyfikacji stanu chemicznego atomów Ti w
powierzchniowych warstwach różnych związków tytanu osadzonych na krzemie. Zastosowanie tej
metody do analizy widm Augera pozwoliło na rozróżnienie związków Ti oraz przedstawienie
rozmieszczenia tych związków w funkcji odległości od powierzchni próbki – rys. 8.
Rys. 7. Wykorzystanie metody (NLLSF) do identyfikacji stanu chemicznego atomów Ti w
powierzchniowych warstwach różnych związków tytanu osadzonych na krzemie (MICROLAB 350 - The
High Resolution Scanning Auger Microprobe, folder firmy Thermo VG Scientific).
Rys. 8. Rozmieszczenie związków Ti w funkcji odległości od powierzchni próbki warstw:
TiN+TiO2+Ti+krzemekTi na podłożu Si (MICROLAB 350 – The High Resolution Scanning Auger
Microprobe, folder firmy Thermo VG Scientific).
6. Przykład możliwości techniki XPS.
Analiza profilu głębokościowego warstwy Al2O3 na Al wykonana przy użyciu skanującego działa
jonowego do usuwania kolejnych warstw przedstawiona jest na rysunkach 9-12 (profil w głąb - zmiany
składu chemicznego - w funkcji czasu trawienia jonami Ar+ oraz zarejestrowane widma regionu Al 2p w
dostępnych sposobach prezentacji graficznej; rysunki z prospektu firmy Thermo VG Scientific).
Rys.9 Zmiana składu chemicznego
w funkcji czasu trawienia
Rys.10 Zarejestrowane widma regionu
Al 2p w trybie 3D
Rys.11 i 12 Inne tryby porównania zarejestrowanych podczas trawienia widm Al 2p
Zlecenia badań
Mikroanalizator augerowski Microlab 350 zlokalizowany jest w Środowiskowym Centrum Fizykochemii
Materiałów utworzonym przez Instytut Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk oraz Wydział
Inżynierii Materiałowej Politechniki Warszawskiej i użytkowany wspólnie przez w/w jednostki.
Pełnomocnikiem obu jednostek ds. Centrum jest prof. dr hab. Maria Janik-Czachor.
W sprawie badań prosimy o kontaktowanie się z:
Prof. dr hab. Marią Janik-Czachor
Środowiskowe Centrum Fizykochemii Materiałów IChF PAN i PW WIM
ul. Kasprzaka 44/52 01-224 Warszawa
Tel. (22) 632 32 21 wew. 3325
Fax. (22) 632 52 76
e-mail: [email protected]
Prof. nzw. dr hab. Krzysztofem Sikorskim
Wydział Inżynierii Materiałowej Politechniki Warszawskiej
ul. Wołoska 141, 02-507 Warszawa
Tel. (22) 660 83 99
Fax. (22) 660 85 14
e-mail: [email protected]
mgr inż. Marcinem Pisarkiem
Środowiskowe Centrum Fizykochemii Materiałów IChF PAN i PW WIM
ul. Kasprzaka 44/52 01-224 Warszawa
Tel. (22) 632 32 21 wew. 3325, 3229
e-mail: [email protected] lub [email protected]
dr inż. Januszem W. Sobczakiem
Laboratorium Specjalistyczne Spektroskopii Elektronowych AES-XPS
Instytut Chemii Fizycznej PAN
ul. Kasprzaka 44/52, 01-224 Warszawa
tel. (22)632 32 21 w. 3229, 3260
e-mail: [email protected]