NOWOCZESNE TECHNIKI BADAWCZE W INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ. Beata Grabowska, pok. 84A, Ip

Transkrypt

1 NOWOCZESNE TECHNIKI BADAWCZE W INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ Beata Grabowska, pok. 84A, Ip

2 Mikroskopia Słowo mikroskop wywodzi się z języka greckiego: μικρός - mikros "mały σκοπέω - skopeo "patrzę, obserwuję" MIKROSKOPIA Rodzaj promieniowania Metoda obrazowania ultradźwiękowa optyczna elektronowa jonowa holograficzna skaningowa transmisyjna

3 1590 rok Hans i Zachariasz Janssenowie (Holandia), powiększenie 10 razy XVII wiek Antonie van Leeuwenhoek 1882 rok Robert Koch, obserwacje bakterii gruźlicy 1910 rok Thomas Hunt Morgan, obserwacje podziału chromosomów w jądrze, początek genetyki 1931 rok Ernst Rusek i Max Knoll, mikroskop elektronowy 1981 rok Gerd Binnig i Heinrich Rohrer, Mikroskop STM Mikroskop firmy Carl Zeiss (1879) Zdjęcia mikroskopów: pl.wikipedia.org

4 Zdolność rozdzielcza mikroskopu 1/d =λ/2a ob gdzie: d najmniejsza odległość pomiędzy dwoma obiektami przedmiotu, które w obrazie mikroskopowym mogą być jeszcze rozróżniane jako oddzielne. gdzie: d A ob apertura obiektywu (jasność obiektywu, charakteryzuje możliwość efektywnego wykorzystania obiektywu dla uzyskania obrazu o możliwie największej ilości szczegółów). α gdzie: A ob = n sinα n współczynnik załamania światła (dla powietrza n = 1, dla olejku imersyjnego n = 1,5 α kąt pomiędzy główną osią optyczną obiektywu a najbardziej skrajnym promieniem wpadającym do obiektywu po ugięciu na preparacie i biorącym jeszcze udział w tworzeniu obrazu

5 Rozdzielczość Narzędzie Rozdzielczość Ograniczenie Oko ludzkie 0,02 mm Siatkówka Klasyczny mikroskop optyczny Skaningowy mikroskop elektronowy Transmisyjny mikroskop elektronowy 200 nm Dyfrakcja światła 3 nm Dyfrakcja elektronów 0,1 nm Dyfrakcja elektronów

6 Mikroskopia optyczna

7 Mikroskopia optyczna λ Budowa mikroskopu optycznego: 1. Okular; 2. Rewolwer; 3. Obiektyw; 4. Śruba makrometryczna; 5. Śruba mikrometryczna; 6. Stolik; 7. Źródło światła; 8. Kondensor; 9. Statyw

8 Mikroskop optyczny Schemat układu optycznego mikroskopu świetlnego Kondensor wytwarza równoległą wiązkę promieni o dużej intensywności Źródło światła przysłona aperturowa zmniejsza ilość światła ale zwiększa głębie ostrości Soczewki pomocnicze przysłona pola widzenia przepuszcza środkową część wiązki odcinając promienie zewnętrzne które wywołują wady optyczne okular Obraz pośredni (rzeczywiy) płytka półprzeźroczysta obiektyw próbka Całkowite powiększenie mikroskopu P c P c = P ob x P ok Przy czym P ob =t/f ob oraz P ok =d/f ok gdzie: t długość optyczna tubusu mikroskopu, w mm (odległość pomiędzy ogniskiem obrazowym obiektywu a ogniskiem przedmiotowym okularu d odległość najlepszego widzenia (250 mm) f ob ogniskowa obiektywu f ok ogniskowa okularu

9 Obrazy w mikroskopii optycznej

10 Mikroskopia elektronowa

11 Mikroskopia elektronowa Odziaływanie wiązki elektronów z powierzchnią próbki. Transmisyjna mikroskopia elektronowa - TEM (Transmission Electron Microscopy), Skaningowa mikroskopia elektronowa - SEM (Scanning Electron Microscopy), Skaningowa transmisyjna mikroskopia elektronowa - STEM (Scanning Transmission Electron Microscopy), Spektroskopia dyspersji energii promieniowania rentgenowskiego - EDS (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) Spektroskopia strat energii elektronów - EELS (Electron Energy-Loss Spectroscopy).

12 Oddziaływanie wiązki elektronów ELEKTRONY AUGERA ELEKTRONY WSTECZNIE ROZPROSZO NE WIĄZKA ELEKTRONÓW PIERWOTNYCH CHARAKTERYSTYCZNE PROMIENIOWANIE ELEKTRONY RENTGENOWSKIE WTÓRNE KATODOLUMINESCENCJA PRÓBKA ELEKTRONY ROZPROSZONE ELASTYCZNIE ELEKTRONY NIEUGIĘTE PRZECHODZĄCE PROMIENIOWANIE ELEKTRONY RENTGENOWSKIE ROZPROSZONE HAMOWANIA (CIĄGŁE) NIEELASTYCZNIE

13 Skaningowy mikroskop elektronowy FEI Versa 3D

14 Rodzaje mikroskopów elektronowych 1. Mikroskop transmisyjny (prześwietleniowy) 2. Mikroskop skaningowy 3. Mikroskop refleksyjny 4. Mikroskop emisyjny

15 Mikroskop elektronowy Zdolność rozdzielcza mikroskopu (obowiązuje wzór Abbego) 1/d =λ/2a ob Zgodnie z zasadą de Broglie wiązce elektronów poruszających się z prędkością v można przypisać falę o długości: λ = h m v Zakładając dalej, że energia kinetyczna elektronu wynosi (przy nieuwzględnieniu zjawisk relatywistycznych) 2 mv Ek = = eu wynika, że: λ = 12, 25 U 2 Przy napięciu przyśpieszającym U=100 kv λ= 0,037 Å

16 Mikroskop transmisyjny (TEM) Budowa mikroskopu: 1. Układ próżniowy 2. Działo elektronowe 3. Układ soczewek kondensora 4. Komora preparatu 5. Układ powiększający

17 Soczewki dla wiązki elektronowej Pierścień uszczelniający Uzwojenia soczewki Uzwojenia soczewki mosiądz Rodzaje soczewek: 1. Elektrostatyczne 2. Magnetyczne a) z magnesem trwałym b) elektromagnetyczne Schemat soczewki elektromagnetycznej f = N k U 2 J 2 stal Pole elektryczne lub magnetyczne wytwarzane przez soczewki musi być osiowo symetryczne gdzie: f długość ogniskowej, k czynnik zależny od geometrii nabiegunnika, N liczba zwojów, J prąd uzwojenia, U - napięcie

18 Soczewki dla wiązki elektronowej Wadą charakterystyczną dla soczewek elektronowych jest astygmatyzm. Wada ta związana jest z tym, że pole magnetyczne nabiegunników nigdy nie jest idealnie symetryczne. Podobnie na wiązkę elektronów mogą oddziaływać elektrostatyczne zanieczyszczenia gromadzące się na przesłonach. Wady te rzutują na zdolność rozdzielczą mikroskopu, która w obecnie budowanych mikroskopach wynosi około 1Å.

19 Budowa mikroskopu 1. Układ próżniowy Wiązka elektronów ulega na atomach gazu rozproszeniu dlatego konieczne jest stosowanie wysokich próżni. Im napięcie przyśpieszające jest wyższe tym próżnia musi być wyższej klasy np. dla 100 kv p=10-5 Tr. Próżnię wytwarza układ pomp rotacyjnych i dyfuzyjnych.

20 Budowa mikroskopu Ad. 2. Działo elektronowe Pełni rolę analogiczną jak żarówka w mikroskopie świetlnym. Zbudowane jest z trójelektrodowego systemu: katody, tzw. cylindra Wehnelta i anody. Rolę katody pełni wyprofilowane włókno wolframowe, które na skutek podgrzewania przepływającym prądem emituje elektrony (zjawisko termoemisji). Cylinder Wehnelta oddziałuje na wiązkę elektronów i zmniejsza jej wymiary (średnica wiązki ok. 100 μm. Ad. 3. Układ soczewek służy do zmiany natężenia i rozbieżności wiązki elektronów padającej na próbkę. Ad. 4. Komora preparatu jest zaopatrzona w śluzę aby nie zapowietrzać całego mikroskopu podczas wymiany preparatu. W komorze znajduje się również stolik o dużej precyzji przesuwu, a także goniometr pozwalający nachylać preparat.

21 Budowa mikroskopu Ad. 5. Układ powiększający składa się z: a) Soczewki obiektywowej (najważniejsza część mikroskopu od niej zależy zdolność rozdzielcza), b) Soczewki pośredniej (mogą być dwie, służą do uzyskiwania obrazu dyfrakcyjnego), c) Soczewka projekcyjna (służy do uzyskiwania żądanych powiększeń). Do usuwania astygmatyzmu soczewek stosuje się tzw. stygmatory. Korekcja astygmatyzmu polega na wytwarzaniu przez stygmator asymetrycznego pola magnetycznego takiego, by kompensowało asymetrie pola magnetycznego soczewki i przesłony.

22 Dyfrakcja w mikroskopie elektronowym W mikroskopie można otrzymać dwa typy obrazów: 1. Obraz dyfrakcyjny płaszczyzn sieciowych (gdy na ekranie odwzorowywana jest tylna płaszczyzna ogniskowa obiektywu), 2. Obraz mikroskopowy próbki (przy tzw. ogniskowaniu normalnym). Schemat dyfraktogramu od ciała polikrystalicznego umożliwia wyznaczenie odległości międzypłaszczyznowych ze wzoru: 2r 2 2r r 3 d L = λ r gdzie: λ- długość fali elektronów Stała dyfrakcyjna mikroskopu L- długość kamery r- odległość refleksu od punktu zerowego

23 Kontrast w mikroskopie elektronowym Kontrast obrazu może mieć charakter: a) Rozproszeniowy b) Dyfrakcyjny c) Interferencyjny Ad. a) Rozproszeniowy Rozproszenie oraz absorpcja elektronów przez kryształ zależy od jego grubości: J = J 0 μt gdzie: J 0 natężenie wiązki pierwotnej, μ czynnik rozproszeniowy zależny od rodzaju preparatu i energii elektronów, t grubość preparatu Zmiana grubości i gęstości preparatu powoduje zmianę intensywności wiązki przechodzącej e

24 Kontrast w mikroskopie elektronowym Ad. b) Dyfrakcyjny Część wiązki elektronów ulega na płaszczyznach sieciowych ugięciu pod określonym kątem. Po przejściu przez kryształ będą istniały dwie wiązki (ugięta i nieugięta). próbka r przesłona Jeżeli obraz próbki będzie się obserwować w wiązce nieugiętej, otrzyma się pole jasne. Gdy obserwacje prowadzi się w wiązce ugiętej - pole ciemne. Realizacja jasnego i ciemnego pola może odbywać się albo przez odpowiednie usytuowanie przesłony albo za pomocą odchylania wiązki.

25 Kontrast w mikroskopie elektronowym Ad. c) Interferencyjny Zasadę kontrastu interferencyjnego ilustruje rysunek. Obraz w tym przypadku powstaje w wyniku interferencji wiązki ugiętej z wiązką nieugiętą. Realizacja tego przypadku jest możliwa gdy przesłona obiektywu obejmuje zarówno refleks centralny jak i refleks pochodzący od wiązki ugiętej próbka przesłona

26 Przygotowanie próbek W mikroskopii elektronowej istotnym jest, aby analizowany materiał był dobrym przewodnikiem prądu elektrycznego. Próbki przewodzące analizuje się bez specjalnego przygotowania, odtłuszczając jedynie badaną powierzchnię w acetonie lub alkoholu izopropylowym w płuczce ultradźwiękowej. Innym sposobem jest usuwanie drobnych zanieczyszczeń strumieniem sprężonego powietrza. Próbki nieprzewodzące naparowuje się w napylarce próżniowej cienką warstwą węgla i/lub metali szlachetnych (Pt, Au, Pd, Ag, Cr).

27 Przygotowanie próbek Badania na mikroskopie transmisyjnym o napięciu 100 kv wymagają przygotowania cienkich próbek o grubości Å. Tak cienkie próbki można uzyskać w dwojaki sposób: 1. Metody pośrednie (tzw. repliki) 2. Metody bezpośrednie (tzw. cienkie folie) Ad. 1. Metody pośrednie W badaniu nie prześwietla się samej próbki a jedynie jej replikę tj. cienką błonkę wiernie odwzorowującą topografię powierzchni. Replika powinna spełniać warunki: - dokładnie odwzorowywać powierzchnię, - być trwała (odporność mechaniczna, chemiczna), - być bezpostaciowa (ze względu na wysoką zdolność rozdzielczą mikroskopu.

28 Przygotowanie próbek - łatwo oddzielać się od powierzchni próbki, - być kontrastowa i łatwa do interpretacji. Repliki wykonuje się jako: a) Jednostopniowe (na powierzchnię nakłada się cienką warstwę masy plastycznej i ją odrywa), b) Dwustopniowe np. triafol węgiel (najpierw wykonuje się matrycę powierzchni z łatwo rozpuszczalnego plastiku o nazwie triafol a następnie na tą matrycę naparowuje się węgiel), triafol próbka replika Warstwa naparowana

29 Przygotowanie próbek c) Repliki ekstrakcyjne; kolejne etapy przygotowania to: - trawienie szlifu metalograficznego tak aby rozpuścić jedynie osnowę, a nie rozpuścić wydzieleń, - naparowanie powierzchni próbki warstwą węgla (ok. 200 Å) - elektrolityczne oddzielenie błonki węglowej od powierzchni próbki. a) d) b) e) c)

30 Przygotowanie próbek Ad. 2. Metody bezpośrednie (cienkie folie) - umożliwiają: a) Badania struktury b) Obserwacje defektów sieciowych c) Obserwacje procesów wydzieleniowych d) Obserwacje przemian fazowych e) Obserwacje procesów odkształcania i rekrystalizacji Grubość folii zależy od użytego napięcia przyśpieszającego i od liczby atomowej badanego metalu np. dla 100 kv grubość folii aluminiowej może wynosić 3000 Å a dla ołowiu 1000 Å Metody wykonywania cienkich folii: Polerowanie elektrolityczne Metody strugi szybkie polerowanie elektrolityczne

31 Przygotowanie próbek Polerowanie elektrolityczne etapy: - Wstępne ścienianie próbki (szlifowanie, polerowanie mechaniczne) do grubości ok. 100 μm. - Chemiczne lub elektrolityczne polerowanie do grubości ok. 10 μm (konieczne dla usunięcia warstw powierzchniowych odkształconych w wyniku mechanicznego szlifowania. - Ostateczne polerowanie elektrolityczne dla osiągnięcia wymaganej grubości przy zachowaniu gładkości powierzchni. Płaska elektroda Miejsce wycięcia cienkiej folii próbka Metoda Bollmana

32 Skaningowa mikroskopia elektronowa

33 Skaningowa mikroskopia elektronowa Bardzo użyteczna technika obrazowania mikrostruktur powierzchniowych. Jej idea polega na skanowaniu powierzchni próbki nanometrową wiązką elektronów uformowanej przez elektrooptyczny układ mikroskopu. Zdolność rozdzielcza mikroskopu (wzór Abbego) gdzie: λ długość fali elektronu n. sinθ sprawność układu optycznego d = 1, 22 λ n sinθ

34 Budowa mikroskopu SEM Skaningowy mikroskop elektronowy FEI Versa 3D W wyniku oddziaływania wiązki elektronowej z materiałem próbki generowane są różne sygnały (elektrony, fotony w zakresie od podczerwieni przez światło widzialne, aż do promieniowania rentgenowskiego).

35 Skaningowa mikroskopia elektronowa Wiązka ta formowana jest przez układ soczewek elektromagnetycznych. Odchylanie wiązki odbywa się przy użyciu cewek. Sygnał z powierzchni próbki, w postaci elektronów wtórnych albo wstecznie rozproszonych, dociera do detektora, którego najważniejszymi częściami są scyntylator i fotopowielacz. Scyntylator przekształca energie elektronów wtórnych w impulsy świetlne, które w dalszej kolejności są wzmacniane przez fotopowielacz. Pochodzący z detektora sygnał steruje jasnością obrazu powstającego na monitorze.

36 Obrazy mikrostruktury Morfologia masy formierskiej, fot. M. Trybalska)

37 Obrazy mikrostruktury

38 Obrazy mikrostruktury Żeliwo, zgład nietrawiony, fot. M. Górny) Żeliwo, zgład trawiony, fot. M. Górny)

39 Obrazy mikrostruktury Grafit (elektrony wstecznie rozproszone (BSE), fot. K. Berent) Grafit (elektrony wtórne (SE), fot. K. Berent)

40 TEM a SEM W transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM) rejestrowane są sygnały pochodzące od elektronów przechodzących przez badaną próbkę. W skaningowej mikroskopii elektronowej wiązka elektronowa (SEM) skanuje linia po linii wybrany obszar próbki, przy czym rejestrowane są sygnały emitowane przez próbkę. Cecha urządzenia Oświetlenie Klasyczny mikroskop optyczny Światło widzialne, λ = nm Transmisyjny mikroskop elektronowy Wiązka elektronów, λ = 0,004 nm Skaningowy mikroskop elektronowy Wiązka elektronów Maksymalne x 200-2M x M x powiększenie Zdolność rozdzielcza ~200 nm ~0.1 nm ~1 nm Sposób obserwacji Bezpośredni Pośredni Pośredni Preparaty Stosowane soczewki Przeźroczyste optycznie (powierzchnia próbki) Optyczne (szklane, kwarcowe) Przeźroczyste dla wiązki elektronów (niekoniecznie przeźroczyste dla światła widzialnego) Elektromagnetyczne, elektrostatyczne Powierzchnia próbki Elektromagnetyczne

41 Źródła [1] D.K. Szponder-Kołakowska, K. Trybalski: Nowoczesne metody i urządzenia pomiarowe w badaniu właściwości i odpadów mineralnych, Wydawnictwa AGH, Kraków [2] K. Przybyłowicz: Metody badania tworzyw metalicznych, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Kielce [3] A. Barbacki: Mikroskopia elektronowa, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań [4] A. Łasińska: Skaningowa mikroskopia elektronowa w badaniach kryminalistycznych, Materiały szkoleniowe, Prokuratura i Prawo, [5] Praca zbiorowa pod redakcją J. Ryczkowskego: Adsorbenty i katalizatory: wybrane technologie a środowisko, rozdział G. Słowik: Podstawy mikroskopii elektronowej i jej wybrane zastosowania w charakterystyce katalizatorów nosnikowych, Uniwersytet Rzeszowski, [6] Oleś A. Metody doświadczalne fizyki ciała stałego, WNT, Warszawa, 1998