Skaningowy Mikroanalizator Elektronów Augera MICROLAB 350 firmy Thermo Electron (VG Scientific) Mazowieckie Centrum Analizy Powierzchni

Transkrypt

1 Skaningowy Mikroanalizator Elektronów Augera MICROLAB 350 firmy Thermo Electron (VG Scientific) Mazowieckie Centrum Analizy Powierzchni Mikroanalizator Microlab 350 firmy Thermo Electron (VG Scientific) jest urządzeniem przeznaczonym do badania składu chemicznego powierzchni materiałów stałych o gwarantowanych parametrach analizy, umożliwiających badanie obiektów o szerokości kilkudziesięciu nanometrów i grubości - charakterystycznej dla spektrometrii elektronów Augera - rzędu kilku monowarstw atomowych (~ 1 nm). Przyrząd umożliwia m.in. zobrazowanie rozkładu powierzchniowego i liniowego pierwiastków oraz profilowania ich stężeń w głąb materiału z rozdzielczością 0,5-1 nm i czułością analityczną rzędu ułamka % at. Rys. 1. Przykładowa zależność średniej drogi swobodnej elektronów od ich energii kinetycznej dla azotku galu, wyznaczona metodą EPES*. Standardowa spektroskopia Augera (AES) pozwala określić skład chemiczny powierzchni, który jest wartością średnią z głębokości porównywalnej do średniej drogi swobodnej elektronów (inelastic mean free path-imfp) w materiale. Rozdzielczość w głąb w spektroskopii AES jest ściśle limitowana wielkością IMFP (średnia droga swobodna), a ta z kolei zależy od składu chemicznego strefy przypowierzchniowej.

2 * M.Krawczyk, L.Zommer, A.Jablonski, I.Grzegory, M.Bockowski, Surface Science (2004) Możliwości analityczne urządzenia Microlab 350 Obrazowanie powierzchni próbki w elektronach SE (Secondary Electrons), rozdzielczość pozioma ~ 7 nm, napięcie 25 kv. Wykonywanie lokalnych analiz jakościowych (rozdzielczość pozioma ~ 20 nm, rozdzielczość w głąb 0,5-1 nm; zakres analizowanych pierwiastków od litu (Z = 3) wzwyż; wykrywalność ok. 0,3 % at.). Wykonywanie obrazów powierzchniowego rozmieszczenia pierwiastków. Wykonywanie analiz liniowych rozmieszczenia pierwiastków (rozdzielczość pozioma ~ 20 nm). Określanie względnej zawartości pierwiastków w nanoobszarach (dokładność analizy > 10 % wzgl.). Określanie stanu chemicznego atomów w nanoobszarach (rozdzielczość energii kinetycznej analizatora sferycznego 0,6-0,06%). Badanie bardzo cienkich warstw powierzchniowych (ARAES, Angle Resolved Auger Electron Spectroscopy), metoda nieniszcząca. Wyznaczanie profili zmian składu chemicznego w głąb materiału (połączone z funkcją trawienia jonowego (Ar + )), metoda niszcząca. Badania powierzchni ciał stałych za pomocą rentgenowskiej spektroskopii fotoelektronów (XPS) umożliwiają: - identyfikację stanu chemicznego składników badanego materiału, - rozszerzenie gamy możliwych do analizy materiałów o dielektryki (polimery, materiały tlenkowe- szkła, ceramika); - dokładną analizę ilościowa próbek (średni skład mikro-obszarów), 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 po trawieniu). Dodatkowe możliwości: Badanie segregacji pierwiastków na granicach ziaren (wyposażenie dodatkowe: łamacz 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 (Non Linear Least Square Fitting), REELS). Rozróżnianie materiałów organicznych - (REELS). Wyznaczanie średniej nieelastycznej drogi swobodnej elektronów metodą elektronowej spektroskopii piku elastycznego - EPES (Elastic Peak Electron Spectroscopy). Komputerowy program zbierania i przetwarzania danych Avantage Data System umożliwia: sterowanie ruchem próbki (Avantage 3.44), sterowanie pracą spektrometru (Avantage 3.44), programowanie eksperymentu (Avantage 3.44), przedstawienie wyników w szeregu opcji graficznych oraz eksport danych i grafiki do popularnych programów edycyjnych (Avantage 4.70).

3 Przykłady możliwości analitycznych urządzenia Microlab 350: 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) z emisją polową (FEG Schottky Field Emission Electron Gun). Przykłady takich obrazów przedstawiono na rys. 2. a) b) Rys. 2. Zdjęcia obrazujące morfologię powierzchni stopów amorficznych 65-Hf35 (a) oraz 60-Ti40 (b) po wodorowaniu elektrochemicznym w roztworze 0.1M H 2 SO 4 (i = - 1 ma/cm 2, t = 98 h). Dodatkowo na zdjęciach zaznaczono punkty analizy lokalnej składu chemicznego. *M.Pisarek, M Janik-Czachor, A Molnar, K.Hughes: Applied Catalysis A: General 283 (2005) *M.Pisarek, M.Janik-Czachor, T.Płociński, M.Łukaszewski: Journal of Materials Science: 44 (2009) Rejestrowanie lokalnych widm elektronów Augera Microlab 350 umożliwia rejestrację widm elektronów Auger emitowanych z nano-obszarów powierzchni próbki z rozdzielczością poziomą ok. 20 nm i głębokości ~1nm zarówno w szerokim (widma przeglądowe) jak i wąskim zakresie energii kinetycznej (widma wysokorozdzielcze). Zdolność rozdzielcza analizatora sferycznego energii kinetycznej może być zmieniana w zakresie %, co umożliwia określenie stanu chemicznego analizowanych pierwiastków na podstawie położenia maksimum analizowanego sygnału linii lub zmiany jej kształtu. Na rys. 3 przedstawiono widma elektronów Augera pochodzące z punktów zaznaczonych na rys. 2 (widma przeglądowe).

4 sygnał Auger / jednostki umowne sygnał Auger / jednostki umowne P2 P2 Hf O Hf Hf Hf Hf P1 Ti Ti O P1 O energia kinetyczna / ev Ti Ti O energia kinetyczna / ev Rys. 3. Widma lokalne Augera zarejestrowane w szerokim zakresie energii kinetycznej, identyfikujące skład chemiczny w punktach P1 i P2 (patrz rys.2 a, b). * M.Pisarek, M Janik-Czachor, A Molnar, K.Hughes: Applied Catalysis A: General 283 (2005) * M.Pisarek, M.Janik-Czachor, T.Płociński, M.Łukaszewski: Journal of Materials Science: 44 (2009) Rys. 4. (a) Wysokorozdzielcze widmo Augera zarejestrowane w punkcie P1 z rozdzielczością 0.06% (RR = 40), w celu identyfikacji stanu chemicznego zamieszczono dodatkowo widmo referencyjne (LMM) (patrz, rys. 2a). (b) Wysokorozdzielcze widmo Augera Ti zarejestrowane w punkcie P2 z rozdzielczością 0.6% (RR = 20), w celu identyfikacji stanu chemicznego zamieszczono dodatkowo widma odniesienia dla tlenku tytanu i czystego Ti (patrz, rys. 2b). *M.Pisarek, M.Janik-Czachor: Microscopy and Microanalysis, 12 (2006) Badanie rozmieszczenia pierwiastków na powierzchni próbek Microlab 350 umożliwia otrzymywanie obrazów rozmieszczenia pierwiastków na powierzchni próbki z maksymalną rozdzielczością pikseli (tzw. mapy składu chemicznego). Na rys. 5a przedstawiono obraz SE wybranego mikroobszaru powierzchni próbki nanorurek tlenku tytanu uformowanych na Ti metodą polaryzacji anodowej w roztworze na bazie gliceryny z dodatkiem

5 fluorku amonu przy stałym potencjale E = 25 V z cząstkami Ag. Rys. 5b (obraz SAM) ukazuje rozkład srebra. Miejsca o jasnym kontraście odpowiadają wzbogaceniu w analizowany pierwiastek. a) b) Rys. 5. Morfologia powierzchni nanorurek TiO 2 na Ti dekorowanych Ag. Obraz rozmieszczenia Ag na tej powierzchni. *A.Roguska, A.Kudelski, M.Pisarek, M.Lewandowska, M.Dolata, M.Janik-Czachora: Journal of Raman Spectroscopy, 40(11) (2009) Innym przykładem tego typu analizy może być identyfikacja wtrąceń niemetalicznych w stalach, co pokazano na rys.6. Rys. 6. Mapa składu chemicznego S, Fe i O na powierzchni stali austenitycznej typu 303. Zlokalizowane wtrącenia na obrazie SEM wzbogacone są w S, a zubożone w tlen, co sugeruje iż tego rodzaju wtrącenie nie ulegają pasywacji (powierzchniowemu utlenieniu) w odróżnieniu od osnowy materiału. Takie miejsca stanowią nieciągłości w warstwie pasywnej stali austenitycznych, co skutkuje pogorszeniem się ich odporności na korozję lokalną. *M.Pisarek, P.Kędzierzawski, M.Janik-Czachor, K.J.Kurzydłowski: Journal of Solid State Electrochemistry (Special Issue EMRS 2007), 13 (2009) *M.Pisarek, P.Kędzierzawski, T.Płociński, M.Janik-Czachor, K.J.Kurzydłowski: Materials Characterization, 59 (9) (2008)

6 4. Wyznaczanie liniowych rozkładów rozmieszczenia pierwiastków Microlab 350 umożliwia otrzymywanie wykresów rozmieszczenia pierwiastków wzdłuż wybranej linii analizy. Na rys. 7 przedstawiono obraz rozmieszczenia Ni, Cr, S, Mn, Fe wzdłuż linii przechodzącej przez wtrącenie niemetaliczne w stali austenitycznej typu 303. Na wykresie przedstawiono zmianę koncentracji poszczególnych pierwiastków w funkcji odległości. Można wyraźnie zaobserwować granicę pomiędzy wtrąceniem, które składa się z S i Mn (zachowując stosunek 1:1), a metalicznym podłożem. Rys.7. Rozkład liniowy Ni, Cr, S, Mn i Fe wzdłuż linii przechodzącej przez wtrącenie niemetaliczne w stali austenitycznej 303. Rozdzielczość pozioma analizy w każdym punkcie ~ 20 nm. Odległość między punktami analizy ~250 nm. Zidentyfikowano wtrącenie typu MnS. * M.Pisarek, P.Kędzierzawski, M.Janik-Czachor, K.J.Kurzydłowski: Journal of Solid State Electrochemistry (Special Issue EMRS 2007), 13 (2009) *M.Pisarek, P.Kędzierzawski, T.Płociński, M.Janik-Czachor, K.J.Kurzydłowski: Materials Characterization, 59 (9) (2008) Wyznaczanie profili rozmieszczenia pierwiastków w głąb materiału połączone z funkcją trawienia jonowego Microlab 350 wyposażony jest w działo jonowe (Ar + ) EX05 umożliwiające trawienie próbki z regulowaną szybkością. Szybkość trawienia (sputtering rate nm/s) można regulować poprzez zmianę powierzchni trawienia (raster size), zakładając stałą wartość prądu jonowego. Jest to możliwe dzięki zastosowaniu zaworu automatycznego, który dozuje w czasie trwania eksperymentu jednakową ilość gazu, przy stałym ciśnieniu mbar. Ideowy schemat trawienia jonowego przedstawiono na rys. 8

7 stosunek koncentracji Cr/Fe Atomic Percent / % O KLL Atomic Percent / % X-ray, h e - electrons out photons in ion beam, Ar + analysis area *Manual Microlab 350, Issue 2 (06/03), Thermo Electron Corporation Scientific Instrument Division Zamieszczone na rys. 9 przykładowe profile zmian stężeń analizowanych pierwiastków otrzymane metodą kolejnych sekwencji trawienia jonowego i analizowania składu chemicznego wskazują, że w wyniku właściwego doboru szybkości trawienia można uzyskać profile bardzo cienkich warstw nie przekraczających kilka nm np. warstwy pasywne na metalach i ich stopach, rys Cr LMM Ni LMM Fe LMM O KLL passive oxide film substrate stainless steel 303 HE Etch Depth / nm (a) ,60 0,55 0,50 0,45 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 pasywna warstwa tlenkowa podłoże metaliczne (stal) 0,05 (b) 0, czas trawienia / s stal 303 HE stal 316 HE Rys. 9. (a) Znormalizowany profil składu chemicznego warstwy pasywnej (native oxide film) na stali austenitycznej 303 po procesie wyciskania hydrostatycznego (HE). Zamieszczono profil stężenia tlenu oraz dodatkowo obraz TEM mikrostruktury stali po procesie HE. Na profilu można wyraźnie dostrzec wzbogacenie warstwy tlenkowej w Cr.

8 At.% (b) Porównanie stosunku stężeń Cr/Fe w funkcji czasu trawienia dla stali austenitycznych 303 i 316 po wyciskaniu hydrostatycznym. Wykresy przedstawiają jak zmienia się stosunek Cr/Fe w głąb warstw pasywnych wytworzonych samoistnie na tego typu materiałach. Linie pionowe wskazują położenie granicy pomiędzy warstwą tlenkową a podłożem stal 303 bądź 316. Linia pozioma pokazuje nominalny stosunek Cr/Fe w badanych stalach (podłoże metaliczne). *M.Pisarek: Annales de Chimie Science des Materiaux, 32 (4) (2007) *M.Pisarek, P.Kędzierzawski, M.Janik-Czachor, K.J.Kurzydłowski: Corrosion NACE Vol.64, No.2 (2008) *M.Pisarek, P.Kędzierzawski, T.Płociński, M.Janik-Czachor, K.J.Kurzydłowski: Materials Characterization, 59 (9) (2008) *M.Pisarek, P.Kędzierzawski, M.Janik-Czachor, K.J.Kurzydłowski: Journal of Solid State Electrochemistry (Special Issue, EMRS 2007), 13 (2009) Zastosowanie odpowiedniego kąta nachylenia próbki i szybkości jej obrotu podczas trawienia może zminimalizować efekty mieszania się atomów ( ion mixing ) podczas trawienia próbki, uzyskując prawie nie zakłócone tymi efektami profile stężeń poszczególnych pierwiastków w głąb materiału (rys. 10). Na rys. 10. przedstawiono wyniki wykorzystania metody nieliniowego dopasowania funkcji (NLLSF) do sygnałów pochodzących od poszczególnych pierwiastków w widmach elektronów Augera, w celu identyfikacji stanu chemicznego atomów Ti oraz Al w powierzchniowej warstwie tlenkowej otrzymanej na drodze polaryzacji anodowej na stopie Ti6Al4V. Zastosowanie tej metody do analizy widm Augera pozwoliło na rozróżnienie stanu chemicznego Ti i Al oraz przedstawienie rozmieszczenia obu pierwiastków w tych stanach w funkcji odległości od powierzchni próbki - rys warstwa tlenkowa strefa pośrednia II I Ti ox LMM Ti m LMM O KLL Al ox KLL Al m KLL V LMM Ti-6Al-4V czas trawienia jonowego / s Rys. 10. Profil składu chemicznego warstwy tlenkowej wytworzonej na powierzchni stopu Ti-6Al-4V metodą polaryzacji anodowej w roztworze 7% kwasu siarkowego przy napięciu 47V. *M.Lewandowska, M.Pisarek, K.Rożniatowski, M.Grądzka-Dahlke, M. Janik-Czachor, K.J.Kurzydłowski: Thin Solid Film, 515 (2007) *M.Pisarek: Annales de Chimie Science des Materiaux, 32 (4) (2007) Profilowanie w głąb daje również możliwość poznania budowy warstw tlenkowych, co pokazano na rys. 11. Przestrzenne rozmieszczenie pierwiastków.

9 Intensity / cps Rys. 11. Profil składu chemicznego warstwy tlenkowej wytworzonej na powierzchni stopu amorficznego Al 70 Ta 30 w wyniku polaryzacji anodowej (V max =25V) w roztworze buforu boranowego. Zestaw wysokorozdzielczych widm AES przedstawiający zmiany położenia i kształtu widma Al podczas trawienia warstwy anodowej w głąb - od powierzchni tlenku (warstwa anodowa) do metalu (podłoże). *Z.Werner, A.Jaśkiewicz, M.Pisarek, M.Janik-Czachor, M.Barlak: Zeitschrift fur Physikalische Chemie, 219 (2005) * M.Janik-Czachor, A.Jaskiewicz, M.Dolata, Z.Werner: Materials Chemistry and Physics, 92 (2005) Spektroskopia fotoelektronów XPS Urządzenie Microlab 350 opcjonalnie może być wykorzystywane jako spektrometr XPS. Aparat ten wyposażony jest w niezależne źródło miękkiego promieniowania rentgenowskiego (< 8 kev) z podwójną anodą Mg i Al. Spektroskopia XPS dostarcza cennych informacji o stanie chemicznym analizowanych pierwiastków, a także daje możliwość wyznaczenia ilościowego składu chemicznego w oparciu o współczynniki Wagnera lub Scofielda. Ponadto rozszerza gamę badanych materiałów o dielektryki i półprzewodniki. X-ray source Al K = ev core levels 3d Ag 3p 3s Auger peaks MNV 4d 4s 4p Binding Energy / ev

10 Intensywność / jednostki umowne Intensywnośc / jednostki umowne Rys. 12 Typowe widmo przeglądowe XPS zarejestrowane na powierzchni srebra. Na widmie można wyróżnić zarówno sygnały XPS jak i Auger. *M.Pisarek - badania własne Mazowieckie Centrum Analizy Powierzchni Przykłady zastosowania analizy XPS Identyfikacja stanu chemicznego Wykorzystując wysokorozdzielczy sferyczny analizator energii kinetycznej (max. rozdzielczość energii dla metody XPS wynosi 0.83 ev) możliwe jest uzyskiwanie widm XPS analizowanych pierwiastków w celu identyfikacji ich stanu chemicznego. Do analizy XPS jako źródło wzbudzenia wykorzystuje się nie monochromatyzowane promieniowanie rentgenowskie o energii h = 1486 ev (Al K ) bądź h = 1256 ev (Mg K ). Zazwyczaj funkcja liniowa lub Shirley a odcięcia tła używana jest do wyznaczania intensywności poszczególnych sygnałów XPS. Zarejestrowane widma w wąskim zakresie energii wiązań rozplatane (deconvolution procedure) są przy użyciu asymetrycznej funkcji Gaussa/Lorentza. Zmierzone energie wiązań dla poszczególnych pierwiastków zazwyczaj korygowane są w stosunku do energii wiązania fotoelektronu węgla C1s = 285 ev (na próbce badanej). Tak jak w przypadku spektroskopii AES położenie maksimum analizowanego sygnału lub zmiana kształtu piku analizowanego sugeruje zmianę stanu chemicznego danego pierwiastka. Na rys. 13 przedstawiono typowe widma XPS dla Ti i Fe zarejestrowane w wąskim zakresie energii wiązań na powierzchni utlenionej termicznie folii tytanowej i stali austenitycznej (warstwa pasywna, ang. native oxide film ). Ti2p tlenek metal Fe2p tlenek Fe Fe warstwa tlenkowa stal austenityczna Fe metal Rys.13 Widma wysokorozdzielcze XPS dla Ti2p i Fe2p. *M.Pisarek - badania własne Mazowieckie Centrum Analizy Powierzchni Na rys. 14 przedstawiono widma dla Ca i P po procedurze dekonwolucji w celu identyfikacji stanu chemicznego analizowanych pierwiastków. Widma XPS zarejestrowano na powierzchni biomimetycznej powłoki fosforanowo-wapniowej osadzonej na podłożu tlenku tytanu.

11 Intensywność / counts/s Ca2p Ca 2+ (Ca-P bonds) P2p Intensywność / cps Ca 2+ Intensywność / cps PO 4 3- HPO Rys.14 Widma wysokorozdzielcze XPS dla Ca2p i P2p. *A.Roguska, M.Pisarek, M. Andrzejczuk, M.Dolata, M.Lewandowska, M.Janik-Czachor: Materials Science and Engineering C. Materials for Biological Applications, 31 (2011) *M.Pisarek, A.Roguska, M.Andrzejczuk, L.Marcon, S.Szunerits, M.Lewandowska, M.Janik-Czachor: Applied Surface Science, 257 (2011) Metodą XPS możliwe jest określenie w większości przypadków rodzaju wiązań węgla występujących na powierzchni badanych materiałów, co ma istotne znaczenie przy określaniu grup funkcyjnych w zawiązkach organicznych C1s ev -CF ev -CF ev C-O ev O=C-OH ev C-C Rys. 15. Widmo XPS węgla C1s zarejestrowane na powierzchni płytki Si modyfikowanej w pre-hydrolizowanym roztworze PFTS. *H.Liu, S.Szunerits, M.Pisarek, W Xu, R.Boukherroub: Applied Materials and Interfaces, 1(9) (2009) Wykonywanie profili rozmieszczenia pierwiastków w głąb materiału połączone z funkcją trawienia jonowego, identyfikacja stanu chemicznego Analiza profilu głębokościowego warstwy SiO 2 implantowanej Ge na podłożu Si wykonana przy użyciu skanującego działa jonowego usuwającego kolejne warstwy przedstawiona jest na rys. 16. Na profilu

12 Intensywność / jednostki umowne Intensywność / jednostki umowne można wyodrębnić 3 strefy: 1 wzbogacenie w Ge warstwy SiO 2, 2 warstwę SiO 2, 3 podłoże Si. Oś x została wyskalowana w funkcji głębokości trawienia w nm. Rys.16 Profil głębokościowy składu chemicznego próbki SiO 2 /Si implantowanej Ge. *M.Rosinski, J.Badziak, A.Czarnecka, P.Gasior, P.Parys, M.Pisarek, R.Turan, J.Wolowski, S.Yerci: Materials Science in Semiconductor Processing, 9 (2006) Podczas wykonywania profili składu chemicznego metodą XPS możliwe jest również rejestrowanie widm wysokorozdzielczych na podstawie których można określić jak zmienia się stan chemiczny analizowanego pierwiastka. Poniższy przykład pokazuje zmianę kształtu sygnału Al2p i Ti2p w funkcji czasu trawienia warstwy tlenkowej wytworzonej na powierzchni stopu Ti6Al4V metodą elektrochemiczną (przejście od warstwy tlenkowej Al2p ox (Ti2p ox ) do podłoża metalicznego Al2p m (Ti2p m )). a) Ti2p sub-oxides b) Al2p m Al2p 4880s Ti-6Al-4V V max =12V 3790s tlenek Ti (Ti2p ox ), 0s Ti metal (Ti2p m ), s s Al2p ox 180s Rys.17. Zmiana pozycji maksimum sygnału Ti2p i Al2p (z postaci odpowiadającej formie utlenionej do formy metalicznej) w funkcji czasu trawienia powierzchni próbki Ti6Al4V po polaryzacji anodowej (30V, 12V). Na widmie Ti wyraźnie widoczny jest efekt mieszania jonowego. Tworzą się tlenki pośrednie.

13 * M.Lewandowska, M.Pisarek, K.Rożniatowski, M.Grądzka-Dahlke, M. Janik-Czachor, K.J.Kurzydłowski: Thin Solid Film, 515 (2007) Zlecenia badań W sprawie badań prosimy o kontaktowanie się z: dr. inż. Marcin Pisarek Mazowieckie Centrum Analizy Powierzchni Instytut Chemii Fizycznej PAN ul. Kasprzaka 44/ Warszawa Tel. (22) , mpisarek@ichf.edu.pl