Techniki skaningowej mikroskopii elektronowej

Transkrypt

1 mgr Ewa Starnawska Techniki skaningowej mikroskopii elektronowej SE morfologia BSE kompozycja i topografia BSEX - dyfrakcja EDX informacja o składzie chemicznym CL - katodoluminescencja

2 Skaningowy mikroskop elektronowy jest urządzeniem, wykorzystującym strumień ukierunkowanych elektronów, które linia po linii omiatają powierzchnię badanej próbki tworząc c jej obraz. W odróżnieniu od tradycyjnego obrazu z mikroskopu optycznego, który tworzy się dzięki przechodzącej cej fali światła a widzialnego i jest obrazem kolorowym, obraz elektronowy próbki (SE/BSE) jest obrazem czarno-bia białym, a uzyskiwane powiększenia sąs znacznie większe ksze niż powiększenia w mikroskopii optycznej. Zmienia się także e rozdzielczość ść,, czyli zdolność rozróżniania szczegółów w obrazu z 0,2µm m do 2-3nm2 Pumpellyit, obraz z mikroskopu polaryzacyjnego, Nikole II, pow.200x Pumpellyit obraz z mikroskopu elektronowego fot. BSE 200µm

3 Schemat działania ania mikroskopu elektronowego Przekrój j kolumny

4 Niektóre dane z historii powstania i rozwoju skaningowej mikroskopii elektronowej M. Knoll konstruuje elektronowy mikroskop transmisyjny M. Von Arden przystępuje puje do prac konstrukcyjnych nad skaningowym mikroskopem elektronowym C. Oatley wraz z zespołem em 5 asystentów w przejmuje prace konstrukcyjne nad SEM O. Wells konstruuje scyntylator dla detektora BSE i ulepsza soczewki elektrostatyczne skupiające pierwotną wiązk zkę elektronów Everhart i Thornley ulepszają detektor SE obniżaj ając c poziom szumów w tła t a co polepsza obraz elektronowy próbki 1960 zespół kontruktorów dodaje soczewki magnetyczne dla poprawienia rozdzielczości ci obrazu pojawia się pierwszy skaningowy mikroskop elektronowy przeznaczony do sprzeda daży.

5 Niektóre dane z historii powstania i rozwoju skaningowej mikroskopii elektronowej Dawniej Ciekawostki Obecnie Pierwsza konstrukcja SEM miała kolumnę działa a elektronowego znajdującą się pod próbk bką. Pierwsze uzyskane zdjęcie skaningowe przedstawiało o kryształ ZnO w powiększeniu 8000 x ; uzyskano je przy napięciu przyspieszającym 23kV. Zdjęcie to zeskanowano przy pomocy 400 linii w ciągu 20 minut, a film był synchronicznie przesuwany zgodnie z prędko dkością skanowania. Prognozy marketingowe przewidywały ogólne światowe zapotrzebowanie na mikroskopy skaningowe na poziomie 6 szt. Stąd d prof. Oatley w celu obniżenia kosztów w produkcji uznał uzyskaną rozdzielczość 50nm za całkowicie wystarczającą. Uzyskiwane powiększenia zawierają się w granicach od kilku do kilkuset tysięcy razy. Uzyskiwana rozdzielczość wynosi: 2-3nm2 Napięcie przyspieszające wiązki. elektronowej zawiera się w granicach od 0,1 40kV. Przy zastosowaniu mikroskopów w o zmiennej próżni próbki nie muszą być napylane. Przeciętna prędko dkość skanowania dla zapisywanych obrazów w cyfrowych jest dobierana przez operatora. Przy przeglądaniu powierzchni skanowanie 1 obrazu zajmuje zaledwie 2,5 sek. Przy zapisywaniu obrazu o rozdzielczości ci 1024x768 pikseli skanowanie trwa ok. 40 sek, jeżeli eli rozdzielczość zwiększy się do wartości 3072x2304 piksele to wówczas w wczas musimy poczekać aż 6 minut. Przy bardzo wolnym skanowaniu i dużej rozdzielczości ci może e to być nawet ok. 24min.

6 Schemat oddziaływania pierwotnej wiązki elektronów i generowania efektów w wtórnych

7 Przykład zależno ności pomiędzy napięciem przyspieszającym a obszarem wzbudzenia w funkcji liczby atomowej próbki Cu 10 kv Al 20 kv Symulacja Monte Carlo dla elektronów BS wzbudzanych w próbce materiału

8 SE/BSE- Sterowanie energią wiązki elektronowej Zmniejszenie napięcia przyspieszającego pierwotnej wiązki elektronowej, umożliwia badanie delikatnych struktur próbek, bez ich zniszczenia Ślady oddziaływania wiązki elektronowej na powierzchnię próbki węglanów

9 Zalety zastosowania technik skaningowej mikroskopii elektronowej Łatwa preparatyka gdyż próbki napylane sąs węglem lub złotem z i naklejane na specjalne uchwyty. Możliwo liwość badania minimalnej ilości próbki. Wykonywanie badań,, które nie niszczą próbki. Wysoka rozdzielczość umożliwiaj liwiająca dokładne rozpoznanie morfologii badanego obiektu. Stosowanie różnych r detektorów w daje wszechstronną informację o naturze próbek wszelkiej materii stałej zarówno mineralnej i biologicznej: SE do badań morfologii próbek BSE - do oznaczania skład adów w fazowych i topografii BSED do zbierania kompleksowej informacji o strukturze krystalograficznej składnik adników, obecnych w polu widzenia EDX i WDX do oznaczania składu chemicznego w mikroobszarze a - w postaci analizy punktowej b w postaci rozkładu pierwiastków w wzdłuż zadanej linii c -w w postaci mapy rozkładu pierwiastków w w mikroobszarze CL do uzyskiwania informacji o luminescencji oraz jej zapisu w postaci obrazowej wraz z możliwo liwością pomiaru długości fali. Zbieranie tych informacji jest stosunkowo szybkie i wygodne, a obrazy cyfrowe mogą podlegać dalszej analizie i obróbce bce cyfrowej.

10 Sekcja Mikroskopii Elektronowej Państwowego Instytutu Geologicznego w Warszawie Mikroskop elektronowy JEOL, typ JSM-35 z mikrosondą elektronową EDS-ISIS 200 oraz mikrosondą WDS, typ JXA 35a Mikroskop elektronowy LEO, typ 1430 z mikrosondą elektronową EDS-ISIS 300 oraz urządzeniem do katodoluminescencji obrazowej typ: VIS-View wraz ze spektrometrem

11 Sekcja Mikroskopii Elektronowej Państwowego Instytutu Geologicznego w Warszawie Mikroskop elektronowy LEO, typ 1430 z mikrosondą elektronową EDS-ISIS 300 Oraz urządzeniem do katodoluminescencji obrazowej VIS-View, wraz ze spektrometrem. Obok mikroskop polaryzacyjny do światła przechodzącego i odbitego, wraz z kamerą CCD do cyfrowego zbierania obrazów. Całość jest podłączona do sieci komputerowej i centralnej bazy danych.

12 SE informacja o morfologii próbek Mikrostruktura skały

13 SE informacja o morfologii próbki Struktury rozpuszczania w siarce i węglanach

14 SE informacja o morfologii próbki Rozpuszczanie i rekrystalizacja kwarcu W widoczna kierunkowość procesu rozpuszczania bądźb rekrystalizacji wynika z uporządkowania struktury i symetrii kryształu

15 SE informacja o morfologii próbki Cementacja minerałami ilastymi blaszki chlorytowe blaszki i włókna illitowe Identyfikację minerałów w uzyskuje się dzięki punkowej analizie jakościowej

16 SE informacja o morfologii próbki cementacja Spoiwo hematytowo - kwarcowe w piaskowcu Spoiwo illitowe w piaskowcu

17 BSE informacja o składzie fazowym Py+tl Fe Zmienny kontrast w obrębie bie obrazu wskazuje na obecność składowych o większej lub mniejszej liczbie Z. Im większa jest liczba atomowa składnik adników w w minerale tym jego obraz BSE jest jaśniejszy

18 BSE informacja o topografii TOPO TOPO - KOMPO

19 BSED informacja o strukturze kryształu

20 Sygnał z detektora EDX przetwarzany jest w spektra analityczne

21 Komputeryzacja spektrometru dyspersji energii promieniowania rentgenowskiego umożliwia bardzo szybkie zbieranie sygnału u i przetwarzanie jego zliczeń w postać analizy ilościowej. Wyniki analiz ilościowych sąs przeliczane w oparciu o naturalne wzorce mineralne i uwzględniaj dniają poprawki ZAF

22 Informację o składzie próbki można uzyskać w postaci ilościowej zawartości pierwiastka wzdłuż zadanej linii, czyli tzw. profilu Profil jakościowego rozkładu pierwiastków w zsyderytyzowanym ziarnie dolomitu

23 Sygnał z detektora EDX przetwarzany jest jako maping,, czyli obraz rozmieszczenia wybranych pierwiastków w w mikroobszarze

24 Interpretacja uzyskanych wyników Jaki pierwiastek? tenantyt /Ca

25 Katodoluminescencja jest zjawiskiem luminescencji próbki pod wpływem strumienia elektronów. Stosowane sąs dwa rodzaje technik Zimna katoda w mikroskopie optycznym W skład tego urządzenia wchodzi mikroskop polaryzacyjny, na którego stoliku obecna jest komora próżniowa z elektrodami i okienkiem. Strumień elektronów w generowany jest pomiędzy elektrodami w niskiej próżni. Cechą tego typu urządzenia jest: Łatwość stosowania dzięki prostemu systemowi próżniowemu. Duże e pole obserwacji, 2x5cm Nie jest konieczne napylanie próbki Łatwy jest zapis kolorowego obrazu na kliszy fotograficznej. Dzięki połą łączeniu z mikroskopem polaryzacyjnym, łatwa jest identyfikacja mineralogiczna Urządzenie ma stosunkowo niską cenę Aparat ten jest bardzo użyteczny u w badaniach petrologicznych aczkolwiek posiada szereg niedogodności którymi są: s Niska rozdzielczość przestrzenna wynikająca z zastosowania stosunkowo małych powiększe kszeń Niekiedy istniejąca niestabilność spowodowana zmianami ciśnienia gazu w obrębie bie komory próżniowej Wypalanie badanej powierzchni pod wpływem bombardowania elektronami Brak możliwo liwości zapisu luminescencji chwilowych czy też krótkotrwa tkotrwałych w przypadku wygaszania centów w luminescencji w niektórych minerałach. ach. Urządzenie daje zapis obrazowy, który na ogół nie jest związany zany z zapisem spektralnym

26 Katodoluminescencja jest zjawiskiem luminescencji próbki pod wpływem strumienia elektronów. Stosowane sąs dwa rodzaje technik Gorąca katoda w mikroskopie elektronowym: skaningowym lub transmisyjnym, a także e w mikrosondach elektronowych. Wiązka elektronów w generowana jest przez działo o elektronowe mikroskopu a następnie ogniskowana na powierzchni próbki Zaletami tego urządzenia są: s Dobra rozdzielczość przestrzenna wynikająca z małej wielkości strumienia elektronów Obserwacje przy dużych powiększeniach Możliwo liwość zbierania obrazów w generowanych określon loną długością fali Wygoda powiązania obrazów w CL z obrazami z detektora BSE i EDX Zapis spektralny długod ugości pasma luminescencji BEI CL Pewnymi niedogodnościami sąs natomiast: Konieczność napylenia, węglem, w aluminium, niklem lub złotemz Wysoka próżnia w komorze mikroskopu Czarno-bia biały y zapis obrazu Zjawisko równoczesnej r fosforescencji, które stwarza trudności w otrzymywaniu obrazu niektórych minerałów w takich jak np. kalcyt Wysoki koszt urządzenia

27 Obrazy i spektra katodoluminescencyjne Obraz katodoluminescencyjny skalenia potasowego użylonego albitem (mikropertyt złożony) ony)

28 Dziękuj kuję za uwagę Zapraszam do korzystania z naszej aparatury i umiejętno tności