1 Skaningowy Mikroskop Elektronowy (SEM) jako narzędzie do oceny morfologii powierzchni materiałów Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia są badania morfologiczne powierzchni materiałów oraz analiza chemiczna obszarów za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM) z przystawką do mikroanalizy rentgenowskiej (EDS). Przedmiotem ćwiczenia jest również zapoznanie się ze zjawiskami fizycznymi będącymi podstawą budowy i zasady działania skaningowego mikroskopu elektronowego, stosowana metodyka badań, preparatyka oraz interpretacja wyników. Wprowadzenie Nasze oko jest w stanie rozróżnić dwa punkty leżące od siebie nie bliżej niż 0,2 mm. Odległość ta jest zdolnością rozdzielczą oka ludzkiego i dla mniejszych odległości punkty "zlewają" się w jedną plamkę. Aby je rozróżnić potrzebna jest nam lupa (soczewka) lub inny układ optyczny (mikroskop), gdzie wielkość naszego detalu będzie równa 0,2 mm/p (P - powiększenie). W mikroskopii optycznej Istnieje jednak ograniczenie związane z długością fali światła. Minimalna odległość między dwoma punktami rozróżnialnymi przez falę określona jest wzorem Abby'ego: = 0,61 sin = 0,61 λ długość fali, n współczynnik załamania światła, α połowa kąta rozwarcia stożka światła przechodzącego przez obiektyw, Iloczyn n sin α nazywany jest aperturą numeryczną A. Im mniejsza długość fali, a większy współczynnik załamania światła i kąt rozwarcia obiektywu, tym lepsza zdolność rozdzielcza. Najkrótsza dł. fali światła widzialnego to ok. 380 nm, największe n = 1,515 dla olejku cedrowego, największy kąt rozwarcia stożka świetlanego osiąga ok. 75, a więc sin α 0,967 i A wynosi ok. 1,47. Wynika z tego, że najlepsza zdolność rozdzielcza mikroskopu optycznego wynosić będzie ok. 250 nm (w rzeczywistości jest gorsza i wynosi ok. 1µm) przy powiększeniu ok. 1000 razy.
2 Dla większych powiększeń a co za tym idzie lepszej zdolności rozdzielczej konieczne jest zastąpienie światła strumieniem elektronów, dla których fala ma znacznie mniejszą długość. Wykorzystanie falowych własności elektronów, postulowanych przez De Brogliea, stało się fundamentem do skonstruowania mikroskopu elektronowego. Elektronom przyspieszonym w polu o potencjale U można przypisać długość fali: = h λ - długość fali h - stała Plancka p - pęd elektronu Dla elektronów poruszających się w polu elektrostatycznym o różnicy potencjałów U spełniona jest relacja: U [V] napięcie = 1,225 Tak wiec przy najczęściej stosowanych napięciach od 1 do 30 kv długość fali jest ponad 100 000 razy mniejsza niż długość fali światła, co nawet dla mniejszych kątów rozwarcia promieni stosowanych w mikroskopach elektronowych daje zdolność rozdzielczą na poziomie nanometrów, czyli zdecydowanie lepszą niż w mikroskopach optycznych. Zasada działania Skaningowego Mikroskopu Elektronowego (SEM) Obraz widziany w skaningowym mikroskopie elektronowym nie jest obrazem rzeczywistym lecz powstaje w wyniku szeregu oddziaływań elektronów z powierzchnią badanego preparatu. Mikroskop skaningowy składa się z: działa elektronowego (katoda, cylinder Wehnelta, anoda), będącego źródłem wytwarzania elektronów pierwotnych, kolumny, w której następuję przyspieszanie i ogniskowanie wiązki elektronów, komory próbki, gdzie następuje oddziaływanie elektronów wiązki z próbką, zestawu detektorów odbierających różne sygnały emitowane przez próbkę, systemu przetwarzania sygnałów na obraz.
3 Do utworzenia wiązki elektronów potrzebne jest źródło (katoda - włókno wolframowe), gdzie wytwarzane są elektrony oraz pole, w którym następuje ich przyspieszenie. Napięcie przyspieszające powstaje w wyniku różnicy potencjałów miedzy katodą a anodą, która przyciąga elektrony. Wiązka elektronów zostaje przyspieszona w kolumnie mikroskopu, w kierunku próbki, z energią od kilkuset do kilkudziesięciu tysięcy elektronowoltów (do 30kV). Elektrony wydostające się z działa elektronowego tworzą wiązkę rozbieżną. Wiązka ta zyskuje zbieżność i zostaje zogniskowana przez zestaw soczewek magnetycznych i apertur w kolumnie. Rysunek 1. Budowa skaningowego mikroskopu elektronowego. Najbliżej próbki znajduje się soczewka nazywana obiektywem ogniskująca wiązkę w możliwie małą plamkę (spot) na powierzchni próbki. W kolumnie mikroskopu znajduje się również zestaw cewek elektromagnetycznych, których zadaniem jest odchylanie wiązki w osi X i Y w taki sposób, że wiązka elektronów pierwotnych skanuje pewien obszar próbki "punkt po punkcie" linia po linii". Stąd wywodzi się nazwa Skaningowa Mikroskopia Elektronowa. W każdym punkcie analizowanego obszaru wiązka elektronów pierwotnych oddziaływaje z atomami badanego preparatu powodując emisję energii pod różnymi postaciami (Rysunek 2): elektronów odbitych (SE), elektronów wtórnych lub inaczej nazywanych wstecznie rozproszonych (BSE), elektronów Augera, promieniowania rentgenowskiego, promieniowania fluorescyjnego.
4 Komora próbki jest wyposażona w ruchomy stolik umożliwiający przesuwanie próbki w trzech prostopadłych kierunkach, jej obrót wokół osi pionowej i odchylanie od pionu. Specjalne drzwiczki pozwalają na umieszczanie próbki w komorze. Wewnątrz komory zainstalowane są detektory zbierające sygnały emitowane z próbki, które dalej przesyłane są na monitor. Ponieważ wiązka elektronów przemiata pewien obszar próbki, to na monitorze powstający obraz jest punktowym odwzorowaniem badanej powierzchni. Rysunek 2. Rodzaje sygnałów generowane podczas bombardowania powierzchni próbki wiązką elektronów. Elektrony wtórne (SE) ang. secondary electrons W wyniku zderzeń niesprężystych elektronów pierwotnych z atomami próbki następuje wybijanie elektronów wtórnych z orbitali atomowych. Elektrony wtórne stanowią 90 % wszystkich elektronów wybijanych z próbki. Mają one niską energię 50 ev i są wybijane z przypowierzchniowej warstwy o grubości do ok. 10-50 nm. Z tego powodu powstający obraz ma najlepszą zdolność rozdzielczą równą w przybliżeniu średnicy wiązki elektronów pierwotnych padających na badaną powierzchnię. Liczba elektronów wtórnych emitowanych z próbki silnie zależna jest od kąta padania wiązki pierwotnej do powierzchni próbki. Tak więc kontrast obrazu pochodzącego z elektronów wtórnych spowodowany jest gównie topografią próbki.
5 Rysunek 3. Obszary emisji poszczególnych sygnałów z objętości próbki. Elektrony odbite wstecznie rozproszone (BSE) ang. backscattered electrons Są to elektrony odbite od atomów próbki wskutek zderzeń sprężystych z jądrami atomowymi, mające energie prawie identyczną z energią elektronów pierwotnych. Elektrony odbite emitowane są z większej głębokości próbki i znacznie większej średnicy niż wiązka pierwotna stanowiąc ok. 3% wszystkich elektronów emitowanych. Obraz pochodzący od elektronów odbitych ma gorszą zdolność rozdzielczą niż elektronów wtórnych a kontrast zależy od liczby atomowej pierwiastków, tzn. wraz ze zwiększaniem się liczby atomowej pierwiastka, liczba elektronów ulegających wstecznemu rozproszeniu rośnie. (SE) (BSE) Rysunek 4. Obrazy próbki uzyskane z elektronów wtórnych (SE) - lewy i z elektronów odbitych (BSE) - prawy.
6 Charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie Z jeszcze większej objętości i głębokości pochodzi emisja promieniowania rentgenowskiego charakterystycznego i ciągłego. Widmo ciągłe pochodzi od hamowania i rozpraszania elektronów w polu elektrostatycznym jąder atomowych i nie dostarcza żadnych informacji. Źródłem wielu informacji jest natomiast charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie wykorzystywane do analizy składu chemicznego preparatów w mikroobszarach. Powstaje ono na skutek wybicia elektronów z wewnętrznej powłoki atomu powodując powstanie na niej luki. Luka ta zostaje zapełniona w wyniku przejścia elektronu w powłoki wyższej (bardziej oddalonej od jądra), a różnica pomiędzy tymi dwoma poziomami zostaje wypromieniowana w postaci kwanta promieniowania charakterystycznego. W zależności, na której powłoce powstaje luka, wyróżniamy odpowiednie serie linii. Jeżeli zostaje wybity elektron z powłoki K to obserwowane linie w widmie charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego, odpowiadające emisji energii towarzyszącej przejściu elektronu w celu uzupełnienia luki nazywamy liniami K: K α - gdy przejście elektronu następuje z powłoki L, K β - dla przejścia z powłoki M, K γ - dla przejścia z powłoki N. Jeśli wybity zostanie elektron z powłoki L to mamy do czynienia z liniami L: L α - gdy przejście elektronu następuje z powłoki M, L β - dla przejścia z powłoki N. Jeśli wybity zostanie elektron z powłoki M to obserwujemy linie M (Rysunek 5). Ogólne zasady dotyczące linii charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego: Dla danego pierwiastka niższe linie mają wyższą energię niż linie wyższe: E K > E L > E M. W obrębie danej serii linie pierwiastków o niższej liczbie atomowej mają niższą energię, np. linia K węgla ma niższą energię niż linia K tlenu. Linie niższych serii (K) są wyraźne i mają prostą strukturę, natomiast linie serii wyższych (L i M) mają strukturę złożoną i zachodzą na siebie. Promieniowanie ciągłe stanowi tło linii charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego w mikroanalizatorze rentgenowskim. Znajomość natężenia tego tła jest bardzo istotna przy określaniu granicy wykrywalności badanego pierwiastka. Energia tego kwantu jest ściśle określona dla każdego rodzaju przejścia w danym pierwiastku i dlatego jest cechą charakterystyczną dla danego pierwiastka. Określenie dł. fali charakterystycznego promieniowania (energii kwantu) pozwala
7 dokonać analizy jakościowej pierwiastków wchodzących w skład próbki, natomiast pomiar natężenia tego promieniowania ich stężenia. Istnieją dwa rodzaje detekcji promieniowania rentgenowskiego w zależności od użytego spektrometru: WDS pomiar dł. fali promieniowania rentgenowskiego oraz EDS - spektrometr mierzący energię promieniowania rentgenowskiego. Rysunek 5. Powstawanie charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego. Mikroanaliza rentgenowska (EDS) Skaningowy mikroskop elektronowy z detektorem EDS (Energy Dispersive X - Ray Spectroscopy) pozwala na identyfikację składu pierwiastkowego badanego materiału dla wszystkich pierwiastków o liczbie atomowej większej niż bor. Większość pierwiastków jest wykrywana przy stężeniach rzędu 0,1%. Metoda EDS pozwala na uzyskanie widma (zbioru linii promieniowania charakterystycznego z tłem promieniowania ciągłego) z wybranego obszaru lub punktu próbki (Rysunek 6). Spektrum jest wyskalowane w kiloelektronowoltach (kev) na osi odciętych i liczbą impulsów (ang. counts) na osi rzędnych. Linie przewyższające tło tworzą tzw. piki. Analiza jakościowa polega na identyfikacji występujących linii spektralnych i przypisaniu ich poszczególnym pierwiastkom. Analiza ilościowa wykorzystuje zależność liczby emitowanych impulsów charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego pierwiastka od zawartości pierwiastka w analizowanej objętości. Pomiar natężenia linii widmowych musi być poprzedzony wyodrębnieniem ich z tła promieniowania ciągłego. Obliczenia rzeczywistej zawartości pierwiastków w badanym obszarze wymaga zastosowania
8 specjalnych metod korekcyjnych ze względu na szereg zjawisk zachodzących w materiale w konsekwencji oddziaływania wzbudzonego promieniowania rentgenowskiego z atomami próbki (absorpcja promieniowania w materiale, fluorescencja, liczba atomowa mająca wpływ na wydajność wzbudzenia promieniowania). Wszystkie te zjawiska uwzględniane są w metodzie korekcyjnej nazywanej popularnie ZAF. Nowoczesne oprogramowanie pozwala na wykonanie tzw. analizy bezwzorcowej, gdzie program komputerowy generuje wszystkie wartości potrzebne do obliczeń. Należy jednak pamiętać, że metoda bezwzorcowa daje poprawne wyniki tylko dla materiałów litych niezawierających pierwiastków lekkich. Rysunek 6. Widmo EDS (spektogram). Mapy rentgenowskie Charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie jest wykorzystywane do otrzymywania map rozkładu stężenia pierwiastków (ang. mapping). Wiązka analityczna skanuje analizowany obszar punkt po punkcie. Spektrometr jest ustawiany tak, aby rejestrował punkt na analizowanym obszarze, gdy wykryje impuls rentgenowski o energii charakterystycznej dla danego pierwiastka. W ten sposób powstaje mapa odwzorowująca rozmieszczenie tego pierwiastka w badanym obszarze. Nowoczesne systemy EDS potrafią utworzyć kolorowe mapy w odpowiednich odcieniach, pokazujące względną intensywność impulsu w każdym punkcie. Wymaga to jednak zastosowania wystarczająco długiego czasu postoju wiązki w każdym punkcie analitycznym. Podczas jednego przebiegu wiązki analitycznej można zarejestrować mapy rozkładu dla kilkunastu pierwiastków.
9 Obraz mikroskopowy powierzchni chipu (BSE) Si Al O Pt Rozkłady wszystkich pierwiastków Cr Rysunek 7. Mapa rozkładu pierwiastków na powierzchni chipu (mapping). Układ próżniowy Wewnątrz konwencjonalnego mikroskopu (w kolumnie i w komorze) panuje wysoka próżnia, czyli bardzo niskie ciśnienie, rzędu 10-4 10-5 Pa. Najczęściej układ próżniowy składa się z układu dwóch pomp: rotacyjnej zapewniającej próżnię wstępną (1-10 Pa ) oraz dyfuzyjnej do uzyskania końcowego ciśnienia. Wysoka próżnia w kolumnie potrzebna jest do wygenerowania i właściwego zogniskowania wiązki elektronów. Z kolei wysoka próżnia w komorze mikroskopu wynika z konstrukcji detektora elektronów wtórnych. Taka konstrukcja, gdzie wysoka próżnia panuje we wszystkich częściach wiąże się z ograniczeniami badawczymi np. wykorzystanie mikroskopów skaningowych w naukach biologicznych do obserwacji preparatów mało odpornych na działanie próżni ujawniło wadę takiej konstrukcji. Problemy z obserwacją preparatów nieodpornych na wysoką próżnię rozwiązano w nowoczesnych mikroskopach skaningowych stosując tzw. tryb środowiskowy ze zmienną próżnią (environmental scanning electron microscope ESEM). W mikroskopach tego typu panuje możliwość regulowania atmosfery panującej w komorze mikroskopu, co zdecydowanie rozszerza możliwości badawcze. Natomiast w kolumnie mikroskopu zostaje zachowana wysoka próżnia, jak w konwencjonalnych mikroskopach, niezbędna do wygenerowania i ukształtowania pierwotnej wiązki
10 elektronów. Dzięki takim rozwiązaniom konstrukcyjnym, za pomocą skaningowego środowiskowego mikroskopu skaningowego możliwe jest badanie mokrych, zaolejonych, brudnych i nieprzewodzących próbek w ich naturalnym stanie bez modyfikacji czy specjalnego przygotowania. Przy obserwacji preparatów nieprzewodzących można więc pominąć etap napylania materiałami przewodzącymi. Właściwości fizyko-chemiczne próbek. Preparatyka obiektów do obserwacji w SEM Zastosowanie wiązki elektronowej do badań mikroskopowych narzuca konieczność odprowadzenia ładunku elektrycznego z powierzchni obserwowanej próbki. W związku z tym materiał powinien być przewodzący, gdyż w przeciwnym wypadku nieodprowadzenie padających elektronów powoduje gromadzenie ładunków ujemnych na powierzchni. Następuje hamowanie i odpychanie wiązki pierwotnej prowadząc do zniekształceń obrazu. Z tego powodu obserwowanie materiałów nieprzewodzących w konwencjonalnych mikroskopach (np. ceramika, materiały sztuczne) nastręcza pewnych problemów. Powierzchnię materiału nieprzewodzącego należy pokryć cienką warstewką materiału przewodzącego (np. C, Au, Al.) poprzez próżniowe naparowanie. W komorze konwencjonalnego mikroskopu skaningowego panuje wysoka próżnia, stąd niektóre preparaty nie nadają się bezpośrednio do badań, gdyż uległyby zniszczeniu (np. tkanki, komórki). W mikroskopach typu ESEM próbki nieprzewodzące lub zawierające wilgoć mogą być obserwowane bez specjalnych przygotowań. Wielkość próbek jest ograniczona wielkością komory preparatowej, (max. średnica próbki 5 cm, wysokość 3 cm). Do analizy jakościowej i ilościowej EDS wymagane są próbki lite, o odpowiednio dużej objętości i płaskiej powierzchni (obszar generowania charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego ok.1 µm głębokości). Zastosowanie skaningowej mikroskopii elektronowej Określanie: morfologii powierzchni, wymiarów ziaren i rozkładu wielkości ziaren, średnicy włókien, jednorodności materiałów, wielkości porów; Kontrola procesów technologicznych; badania: przełomów, procesów spiekania, materiałów biologicznych.
11 Przebieg ćwiczenia Do ćwiczeń wykorzystany zostanie skaningowy mikroskop elektronowy Quanta 200 firmy FEI wyposażony w spektrometr promieniowania rentgenowskiego EDS firmy EDAX. 1. Przygotowanie próbek do obserwacji: próbka przewodząca próbka nieprzewodząca próbka nieprzewodząca ceramiczna 2. Obserwacja powierzchni próbek przy użyciu skaningowego mikroskopu elektronowego w warunkach wysokiej i niskiej próżni. 3. Identyfikacja składu próbek. Literatura: Opracowanie dr inż. Elżbieta Żero http://www.fei.com/ www.cb.uu.se/~ewert/sem.pdf L. Klimek, "Elektronowy Mikroskop skaningowy w inżynierii Biomedycznej" Politechnika Łódzka, 2012 "Mikroskopia elektronowa", pod redakcją Andrzeja Barbackiego, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, 2007 "Laboratorium analizy instrumentalnej", Praca zbiorowa pod redakcją Z. Brzózki, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, 1998