Elektronowa mikroskopia skaningowa ze zmienną próżnią

Transkrypt

1 Elektronowa mikroskopia skaningowa ze zmienną próżnią Principles and Practice of Variable Pressure/Environmental Scanning Electron Microscopy Debbie Stokes, John Wiley &Sons, 2008

2 LV-SEM Low Vacuum Scanning Electron Microscope Ciśnienie gazu od 0 tora do 1 tora (0 mbara do 1.33 mbara) E-SEM Environmental Scanning Electron Microscope Ciśnienie gazu od 1 do 20 torów (1.33 mbara 26.6 mbara) VP-SEM Variable Pressure Scanning Electron Microscope Ciśnienie gazu od 0 do 26.6 mbara

3 ESEM IP Gun 10-8 tora RP RP TMP TMP 10-5 tora Pressure Limiting Aperture (PLA) tora Pressure Limiting Aperture 2(PLA) 10-1 tora RP Komora próbek 1-20 tora H 2 O/gaz Vent

4 Pumping system of ESEM Emission area: min Torr Minor gas flow (to ODP or TMP) PLA2 Major gas flow (to rotary pump) PLA1 Gas flow from chamber max. 50 Torr

5 Detektor GSED (gaseous secondary electron detector)

6 Niska próżnia e - + H 2 O H 2 O e - e - + H 2 O H 2 O * + e - Molekuły H 2 O rozpadają się na wolne rodniki lub jony H 2 O * + e - H + OH Anoda H 2 O * + e - H + + OH Dielektryk Stolik

7 Brak przewodnictwa elektrycznego Skirt effect Wysoka próżnia Przysłona ograniczająca próżnię Próbka - dielektryk _

8 Brak przewodnictwa elektrycznego Skirt effect

9 Przekrój czynny na rozpraszanie elastyczne 1 Cross Section (Å 2 ) 0.1 Azot H 2 O Hel Energia (kev)

10 Liczba elektronów w wiązce Rozpraszanie poza wiązką kev 5 kev 10 kev 30 kev N f Ciśnienie x odległość (Pa mm) = e - σpd / RT f - liczba elektronów w wiązce: σ - przekrój czynny na rozpraszanie P ciśnienie d odległość: PLA - powierzchnia próbki (GPL) R - stała gazowa T - temperatura

11 Aby ograniczyć skirt effect Możliwie najniższe ciśnienie gazu (optymalnie tora)! Najmniejsza odległość: PLA próbka (ograniczenie drogi elektronów w gazie)! Stosowanie wysokich energii elektronów wiązki! Obrazowanie: Nie wpływa na obraz: skirt dodaje prawie równomierne tło Zdolność rozdzielcza określona jest przez średnicę wiązki elektronowej

12 Wzmocnienie kaskadowe Anoda E Dielektryk Stolik

13 Population Swarm Energy Third Fourth Generation Generation Third Second Second Generation Generation Generation Second Generation First Generation First Generation First Generation Ε Detector V 0 Energy Specimen

14 Wzmocnienie kaskadowe Wzmocnienie sygnału G rośnie z odległością d od próbki: G = e α d oraz z wydajnością wzmocnienia a α = APe BPd V 0 gdzie: P ciśnienie gazu, V 0 - przyłożone napięcie do detektora, and A & B -stałe zależne od rodzaju gazu

15 Wydajność wzmocnienia dla pary wodnej Wzmocnienie kaskadowe (a.u.) Ciśnienie (tor) Przy niskich ciśnieniach gazu pojedyncze jonizacje słabe wzmocnienie sygnału Przy wysokich ciśnieniach gazu lawina jonizacji nieelastyczne rozpraszanie powoduje wytracanie energii elektronów co redukuje prawdopodobieństwo jonizacji

16 Wzmocnienie kaskadowe Prąd kaskady Total S.E. PE BSE Ciśnienie (torr) Maximum sygnału przy wyższych ciśnieniach dodatkowa jonizacja molekuł przez elektrony wiązki (PE)

17 1 Składowe sygnału u w ESEM Cross Section (Å 2 ) 0.1 Azot H 2 O Hel Energia (kev) Signal 100% 80% 60% 40% 20% 0% S.E. H 2 O He 2 B.S.E. P.E Pressure (torr) Signal 100% 80% 60% 40% 20% 0% S.E. B.S.E. P.E Pressure (torr)

18 Całkowity sygnał kaskady I c = I o exp α d δ + S α PE d + η S α BSE d gdzie: S PE wydajność jonizacji elektronów pierwotnych S BSE wydajność jonizacji elektronów wstecznie rozproszonych δ współczynnik emisji elektronów wtórnych η -współczynnik emisji elektronów wstecznie rozproszonych I o prąd wiązki elektronowej I c prąd zarejestrowany przez detektor α wydajność wzmocnienia d odległość detektor-próbka

19 Który gaz jest najlepszy? Względne wzmocnienie N 2 N 2 O H 2 O CO 2 He Ciśnienie gazu (Torr)

20 Siatka Cu na C H 2 O 5.32 mbara 7.96 tora mbara He 2.66 mbara 6.65 mbara mbara

21 Wzmocnienie kaskadowe Wzmocnienie kaskadowe zależy od Ciśnienia gazu Napięcia przyłożonego od detektora Working distance WD/gas path length GPL Rodzaju gazu

22

23

24 X-ray Skirt Osnowa Wiązka elektronów Skirt Wydzielenia Mikroanaliza: Analiza ilościowa trudna ale możliwa (stosowanie procedur korekcyjnych) Mapping możliwy ale sygnał jest rejestrowany w większych obszarów niż rzeczywistości

25 X-ray Mapping: Cement Suchy Mokry

26 Duża próbka w homogenicznej matrycy Próbka: Jadeit NaAlSi 2 O 6 - krzemian sodu i glinu, niekiedy zawiera domieszkę wapniowomagnezowego diopsydu. Matryca 1: polimer Matryca 2: blok Cu/Zn Odległość między punktem centralnym a blokiem Cu/Zn > 500 micron VP Variable Pressure technika kompensacji wpływu gazu mierzymy dwa widma przy różnych ciśnieniach gazu

27 Widmo jadeitu w HV SEM 25kV Brak pików Cu i Zn

28 Beam stop method (Bilde-Sorensen) Zbieramy dwa widma: jedno przy LV, drugie przy zablokowanej wiązce np. igła nad próbką PVM pressure variation method gas compensated technique (2 widma EDX zmierzone przy dwóch różnych ciśnieniach, intensywności pików interpolowane do zera (R.Gauvin)

29 Pressure variation method Intensity B A pressure Wyższe ciśnienie: więcej kwantów X z B, mniej z A

30 Pressure variation method Intensity Dwa pomiary przy dwóch różnych ciśnieniach Charging Ekstrapolowanie intensywności poszczególnych pików do O pressure Zastosuj odpowiednią korecję do ekstrapolowanych wartości aby otrzymać ilościową informację o składzie chemicznym

31 Widmo jadeitu w niskiej próżni (0.3 tora) 25kV Pojawiają się niewielkie piki pochodzące od matrycy 2 Cu/Zn

32 Widmo jadeitu w niskiej próżni (0.6 tora) 25kV Duże piki pochodzące od matrycy 2 Cu/Zn

33 Wyniki analizy Niska próżnia ( Torr) Wysoka próżnia Wyniki analizy w niskiej próżni są zbliżone do uzyskanych w HV

34 Aby zredukować zjawisko skirt effect należy y użyć: u Minimalną GPL Wysokie napięcie przyspieszające w SEM (np( np. 25kV) Niską próżni nię ( mbar) WAX-ray GAD - BSE

35 Jak sprawdzić czy ładunek elektryczny zgromadzony w próbce jest skompensowany? Granica Duane-Hunta przy jakiej energii kończy się widmo ciągłe? V = (E E s L 0 ) / e E 0 = 20 kev E L = 20.5 kev V S = ev

36 Minimalne ciśnienie, które utrzymuje wodę w fazie ciekłej: 4.6 tora przy temp. 0 o C. Wyższe temperatury wymagają wyższego ciśnienia 1.4 Torr 6 o C 7 Torr 6 o C Płatek orchidei

37 > θ=89º Zwilżanie polistyrenu 20μm Zwilżanie SiO 2 > θ=38º 20μm

38 EBSD z materiałów w nieprzewodzących

39 Brak kompensacji ładunku niszczenie katastroficzne w ceramice PLZT ulegającej spontanicznej polaryzacji

40 Wpływ warstwy napylanej na jakość dyfrakcji ( monokryształ NiO) a) brak napylania, b) napylanie węglem, c) napylanie złotem

41 1 Przekrój czynny na rozpraszanie elastyczne Cross Section (Å 2 ) 0.1 Nitrogen Water Helium Szereg zmiennych, m.in.: Rodzaj gazu Ciśnienie gazu Odległości GPL (Gas Path Length) Energia elektronów wiązki fraction in probe Energy (kev) Rozpraszanie wiązki 1 elektronowej Air kev kev 5 kev kev Pressure Distance (Pa-mm) Należy y stosować: a) jak najniższe ciśnienie gazu, b) jak najmniejszą odległość GPL (Gas Path Length)

42 Wpływ ciśnienia gazu na jakość dyfrakcji a) 0.05 tora, b) 0.5 tora, c) 1.0 tora

43 Ceramika PLZT Ceramika PLZT Pb 1-3x/2 La x Zr 0.65 Ti 0.35 O 3 dla x = 0.08 (PLZT 8/65/35) 91% rozwiązanych dyfrakcji IPF ziarna przypadkowo zorientowane

44 > 30 o > 40 o > 50 o green dark blue black

45 Mapy orientacji otrzymane dla nieprzewodzącego ZrO 2 o symetrii regularnej 50 μm 10 μm a) C-SEM nieskompensowany ładunek elektryczny b) VP-SEM skompensowany ładunek elektryczny

46 Al 2 O 3 (cisnienie H 2 O-0.4 mbar) Al 2 O 3 (cisnienie H 2 O-1.33 mbar)

47 Gdy ciśnienie gazu jest za niskie. gruboziarnisty Al 2 O 3 drobnoziarnisty Al 2 O 3 Gdy ciśnienie jest za niskie w LV-SEM: ładunek elektryczny nie jest całkowicie skompensowany