Elektronowa mikroskopia. T. 2, Mikroskopia skaningowa / Wiesław Dziadur, Janusz Mikuła. Kraków, 2016 Spis treści Wykaz ważniejszych skrótów i oznaczeń 11 Przedmowa 17 Wstęp 19 Literatura 26 Rozdział I. Metody modelowania procesu rozpraszania elektronów przez tarczę metalową 27 I.1. Wprowadzenie 29 I.2. Oddziaływanie wiązki elektronów z próbką. Podstawowe mechanizmy 29 I.2.1. Przekrój czynny na rozpraszanie 30 I.2.2. Rozpraszanie elektronów 34 I.2.2.1. Rozpraszanie sprężyste 35 I.2.2.2. Rozpraszanie niesprężyste 38 I.2.2.2.1. Rozpraszanie niesprężyste. Opis jakościowy i ilościowy konwencjonalny 38 I.2.2.2.2. Rozpraszanie niesprężyste. Aproksymacja energetyczna 40 I.2.3. Symulacja Monte Carlo trajektorii elektronów 42 I.2.4. Obliczenia transportu elektronów 44 I.2.5. Głębokość rozpraszania elektronów 45 I.2.5.1. Opis jakościowy 45 I.2.5.2. Wpływ energii wiązki elektronowej 45 I.2.5.3. Wpływ liczby atomowej tarczy 46 1.2.5.4. Opis ilościowy 48 1.2.5.4.1. Zakres wnikania elektronów 48 1.2.5.4.2. Rozpraszanie promieniowe (boczne) elektronów 52 1.2.6. Głębokość generacji promieniowania rentgenowskiego 53 1.2.7. Związek pomiędzy objętością rozpraszania elektronów wiązki a generacją podstawowych sygnałów wykorzystywanych SEM 61 Literatura 63 Rozdział II. Podstawy optyki elektronowej 67 II.1. Wprowadzenie 69 II.2. Ruch elektronów w polu elektrycznym i magnetycznym 70 II.2.1. Ogólne równania ruchu i energii elektronu 71 II.2.1.1. Ogólne równanie toru elektronu 71
II.2.1.2. Ogólne równanie energii elektronu 73 II.3. Prawa optyki elektronowej 74 II.3.1. Geometryczne zasady tworzenia wiązki elektronowej 75 II.3.1.1. Schemat układu optycznego SEM 75 II.3.2. Dyfrakcyjna budowa obrazu mikroskopowego 77 II.3.2.1. Obraz punktu świetlnego 78 II.3.3. Soczewki elektronowe 80 II.3.3.1. Budowa 81 II.3.4. Aberracje soczewek elektronowych 82 II.3.5. Systematyka błędów obrazu 83 II.3.5.1. Aberracja sferyczna 86 II.3.5.2. Koma 87 II.3.5.3. Błąd dyfrakcji (apertury) 88 II.3.5.4. Astygmatyzm 90 II.3.5.5. Przerysowanie (dystorsja) 91 II.3.5.6. Błędy anizotropowe 92 II.3.5.6.1. Przecinkowość anizotropowa 92 II.3.5.6.2. Astygmatyzm anizotropowy 92 II.3.5.6.3. Przerysowanie anizotropowe 92 II.3.5.7. Aberracja chromatyczna 93 II.3.5.8. Inne błędy obrazu 94 II.4. Praktyczna zdolność rozdzielcza mikroskopów 94 II.4.1. Mikroskopu optycznego 94 II.4.2. Transmisyjnego mikroskopu elektronowego (CTEM) 95 II.4.3. Skaningowego elektronowego mikroskopu 95 Literatura 99 Rozdział III. Budowa mikroskopów elektronowych 101 III.1. Budowa elektronowych mikroskopów 103 III.2. Emisja z powierzchni elektrod (działo elektronowe) 105 III.2.1. Emisja termoelektryczna 106 III.2.1.1. Działo elektronowe wolframowe 106 III.2.1.2. Działo elektronowe z sześcioboku lantanu (LaB 6 ) 109 III.2.2. Emisja zimna (polowa) 110 III.3. Rola soczewek 113 III.3.1. Konwencjonalny transmisyjny mikroskop (CTEM) 113 III.3.2. Mikroskopy elektronowe z ruchomą wiązką elektronów (STEM, SEM i MAR) 115 III.3.3. Komora preparatu (próbki)- goniometr 121 III.3.4. Układ rejestrujący 125 III.3.5. Układ próżniowy 128 III.3.6. Układ zasilania 130 III.4. Mikroskopy elektronowe do badań specjalnych 130 III.4.1. Mikroskop polowy i jonowy 131 III.4.2. Mikroskopy sond skanujących 132
III.4.2.1. Mikroskop skaningowy tunelujący (STM) 132 III.4.2.2. Mikroskop sił atomowych 135 Literatura 138 Podsumowanie 140 Literatura uzupełniająca (dotycząca mikroskopii sond skanujących) 141 Rozdział IV. Tworzenie obrazu w skaningowym elektronowym mikroskopie - SEM 143 IV.1. Tworzenie obrazu w SEM 145 IV.2. Ogólne zasady 145 IV.2.1. Analiza linii i powierzchni próbki (skanowanie) 145 IV.2.2. Głębia ostrości 152 IV.2.3. Detektory sygnałów 154 IV.2.3.1. Detektory elektronów 154 IV.2.3.1.1. Detektor elektronów wtórnych (Everharta-Thornleya) 155 IV.2.3.1.2. Detektory elektronów wstecznie rozproszonych 158 IV.2.3.1.3. Detektor elektronów absorbowanych (prąd próbki) 160 IV.2.3.1.4. Detektory elektronów Augera 160 IV.2.3.2. Detektory promieniowania elektromagnetycznego 162 IV.2.3.2.1. Detektory promieniowania rentgenowskiego (X) 162 IV.2.3.2.2. Detektor długofalowego promieniowania(katodoluminescencji) 162 Literatura 163 Rozdział V. Rodzaje kontrastu w skaningowym elektronowym mikroskopie - SEM 165 Literatura 168 V.1. Kontrast elektronów wtórnych (mod: SE) 169 V.1.1. Rozkład energetyczny widma elektronów wzbudzonych sondą elektronową w ciele stałym 172 V.1.2. Rozkład energetyczny elektronów wtórnych 173 V.1.3. Emisja elektronów wtórnych w funkcji energii wiązki elektronów, głębokość ich wyjścia 173 V.1.4. Emisja elektronów wtórnych w funkcji kąta padania wiązki elektronowej 175 V.1.5. Rola średniej liczby atomowej (Z) 176 V.1.6. Rozkład kątowy elektronów wtórnych 176 V.1.7. Rodzaje kontrastu SEM w sygnale elektronów wtórnych 176 V.1.7.1. Kontrast topograficzny 176 V.1.7.2. Kontrast kompozycyjny 178 V.1.7.3. Kontrast napięciowy 178 Literatura 179 V.2. Kontrast elektronów wstecznie rozproszonych - mod: BSE 181 V.2.1. Wydajność elektronów wstecznie rozproszonych 183 V.2.2. Głębokość wyjścia informacji 184 V.2.3. Współczynnik emisji wstecznie rozproszonych elektronów 186
V.2.3.1. Rozkład energetyczny wstecznie rozproszonych elektronów 186 V.2.3.2. Rozkład kątowy elektronów wstecznie rozproszonych 187 V.2.4. Rodzaje kontrastu w sygnale wstecznie rozproszonych elektronów 188 V.2.4.1. Kontrast kompozycyjny (chemiczny; due to atomic number) 188 V.2.4.2. Kontrast topograficzny 189 Literatura 191 V.2.4.3. Kontrast obiektów krystalicznych (Electron Channeling Pattern - ECP lub Electron Bacscattered Pattern - EBSEP) 193 V.2.4.4. Załącznik 199 V.2.4.4.1. Eksperymentalne procedury wymagane do uzyskania wzorów kanałowania elektronów (ECP, EBSEP) 199 V.2.4.4.2. Informacje zawarte w diagramach kanałowania elektronów 205 V.2.4.4.3. Zasadnicza różnica pomiędzy ECP i EBSEP 209 V.2.4.4.4. Technika dyfrakcji ECP z mikroobszaru (mikrodyfrakcja ECP) 211 V.2.4.4.4.1. Technika umożliwiająca skanowanie małych powierzchni (< 3 [(µm]) 212 V.2.4.4.4.2. Pomiar średnicy rozbieżnej wiązki 213 Literatura 216 V.3. Kontrast w elektronach absorbowanych - prąd próbki mod: SC 219 V.3.1. Bilans prądowy 221 V.3.2. Porównanie obrazów SEM otrzymanych w sygnale emisyjnym i prądu próbki 223 Literatura 223 V.4. Interpretacja kontrastu obrazów SEM 225 V.4.I. Kontrast topograficzny w sygnale wstecznie rozproszonych elektronów 227 V.4.2. Kontrast topograficzny w sygnale wtórnych elektronów 229 V.4.3. Kontrast prądu próbki 231 Literatura 236 V.5. Charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie 237 V.5.1. Widmo ciągłe 240 V.5.2. Jonizacja powłok atomowych tarczy 241 V.5.3. Absorpcja promieniowania rentgenowskiego 250 V.5.4. Intensywność promieniowania rentgenowskiego 252 V.5.5. Promieniowanie fluorescencyjne (wtórne) 254 V.5.6. Rozkład przestrzenny promieniowania rentgenowskiego 255 V.5.7. Mikroanaliza rentgenowska 257 V.5.7.1. Metoda dyspersji długości fali (WDS) 258 V.5.7.1.1. Zasada metody 259 V.5.7.2. Metoda dyspersji energii (EDS) 275 V.5.7.2.1. Zasada działania 276 V.5.7.2.2. Zdolność rozdzielcza detektora ED 282 V.5.7.2.3. Wydajność detektora ED 283 V.5.7.2.4. Piki ucieczki 284 V.5.7.2.5. Wewnętrzna fluorescencja silikonowego detektora 284
V.5.7.2.6. Spiętrzenie (nakładanie) impulsów 285 V.5.7.2.7. Czas martwy detektora ED 286 V.5.7.2.8. Przetwornik analogowo-cyfrowy i wielokanałowy analizator 286 V.5.7.2.9. Przetwarzanie widma spektralnego ED 287 V.5.7.2.9.1. Pomiar intensywności charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego w systemie WD i ED 287 V.5.7.2.9.2. Identyfikacja piku 292 V.5.7.3. Statystyka 293 V.5.7.3.1. Odchylenie standardowe 293 V.5.7.3.2. Czułość metody 293 V.5.7.4. Porównanie metody WDS i EDS 294 V.5.7.4.1. Stabilność 294 V.5.7.4.2. Wydajność detektora 296 V.5.7.4.3. Zdolność rozdzielcza 297 V.5.7.5. Mikroanaliza jakościowa 298 V.5.7.5.1. Analiza liniowa - metoda EDS 300 V.5.7.5.2. Analiza liniowa - metoda WDS 303 V.5.7.5.3. Rozkład powierzchniowy pierwiastków 306 V.5.7.5.4. System komputerowego wspomagania 310 V.5.7.6. Mikroanaliza ilościowa 315 V.5.7.6.1. Poprawka na różnicę liczb atomowych 317 V.5.7.6.1.1. Czynnik spowalniania elektronów 318 V.5.7.6.1.2. Proces wstecznego rozpraszania - czynnik (R) 319 V.5.7.6.2. Korekcja na efekt absorpcji 320 V.5.7.6.3. Poprawka na efekt fluorescencji 323 V.5.7.6.3.1. Poprawka uwzględniająca charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie 323 V.5.7.6.3.2. Poprawka uwzględniająca ciągłe promieniowanie rentgenowskie 325 V.5.7.6.4. Poprawka na czas martwy aparatury 327 V.5.7.6.5. Korekcja uwzględniająca obecność tła 327 V.5.7.6.6. Mikroanaliza próbek litych (masywnych) 329 V.5.7.6.7. Mikroanaliza cienkich warstw i drobnych cząstek 333 V.5.7.6.7.1. Ilościowe ujęcie 335 Y.5.7.6.8. Mikroanaliza lekkich pierwiastków 345 V.5.7.6.8.1. Warunki mikroanalizy lekkich pierwiastków 346 V.5.7.6.8.2. Spektrometry promieniowania rentgenowskiego 348 V.5.7.6.8.2.1. System WDS 348 V.5.7.6.8.2.2. System EDS 350 V.5.7.6.9. Specjalne metody mikroanalizy rentgenowskiej 351 V.5.7.6.9.1. Nachylone powierzchnie próbek względem wiązki elektronowej 351 V.5.7.6.9.2. Analiza śladów 353 V.5.7.6.9.3. Mikroanaliza bezwzorcowa 356 Literatura 356
V.5.7.6.10. Podsumowanie mikroanalizy rentgenowskiej 363 Zalecana literatura uzupełniająca: 364 V.6. Kontrast elektronów Augera 365 V.6.1. Fizykalne podstawy zjawiska 367 V.6.1.1. Wydajność procesu 369 V.6.1.2. Rozkład energetyczny 370 V.6.1.3. Głębokość wyjścia informacji 371 V.6.2. Aparatura 372 V.6.3. Metody przedstawiania informacji 374 V.6.4. Podstawowe parametry mikroanalizy elektronów Augera 381 Literatura 383 V.7. Mikroskopia kontrastu ładunku charge collection microscopy 385 V.7.1. Podstawy teoretyczne mikroskopii kontrastu ładunku 388 V.7.1.1. Wprowadzenie do metodyki badań materiałów półprzewodnikowych 389 V.7.I.2. Metody obserwacji materiałów półprzewodnikowych w SEM 392 V.7.1.2.1. Mod: Prąd/napięcie indukowane wiązką elektronów [EBIC(V)] 392 V.7.1.2.1.1. Obserwacje jakościowe 392 V.7.1.2.1.2. Ilościowe pomiary 398 V.7.2. Podsumowanie 405 V.7.3. Mod: Katodoluminescencja (CL) 407 V.7.3.1. Informacje jakościowe 408 V.7.3.2. Informacje ilościowe 416 Podsumowanie 420 V.7.5. Mod: Siła elektromotoryczna (EMF) 422 V.7.6. Podsumowanie kontrastu ładunku 423 Literatura 423 Literatura uzupełniająca 425 Rozdział VI. Kontrast trajektorialny. Kontrast magnetyczny: rodzaj I i II 427 VI.1. Wprowadzenie 429 VI.1.1. Klasy magnetycznych materiałów 431 VI.2. Kontrast magnetyczny 432 VI.2.1. Kontrast magnetyczny: rodzaj I 432 VI.2.1.1. Fizyczne podstawy 432 VI.2.1.2. Ilościowe ujęcie 436 VI.2.1.3. Praktyczne obserwacje kontrastu magnetycznego rodzaju I 438 VI.2.2. Kontrast magnetyczny: rodzaj II 440 VI.2.2.1. Podstawy fizyczne 440 VI.2.2.2. Ilościowe ujęcie 446 VI.2.2.3. Praktyczne obserwacje kontrastu magnetycznego rodzaju II 447 Literatura 453 Literatura uzupełniająca 454
Rozdział VII. Czynniki wpływające na zdolność rozdzielczą i kontrast SEM 455 VII.1. Ograniczenia związane z sygnałem 457 VII.1.1. Ograniczenia wynikające z układu formowania wiązki elektronowej 457 VII.1.2. Ograniczenia wynikające z wydajności detektora 459 VII.1.3. Ograniczenia wynikłe z charakterystyki sygnału 464 VII.2. Metody przedstawiania kontrastu (sposoby przetwarzania sygnału) 469 VII.2.1. Analogowe przetwarzanie sygnału 470 VÜ.2.1.1. Tłumienie stałej sygnału (liniowe wzmocnienie) 472 VII.2.1.2. Nieliniowe wzmocnienie (Γ- korekcja) 474 VII.2.1.3. Różniczkowanie sygnału 476 VII.2.1.4. Y-modulacja 479 VII.2.2. Cyfrowe przetwarzanie obrazu 480 VII.2.3. Podsumowanie 482 Literatura 486 Rozdział VIII. Mikroskopia skaningowa określonego przeznaczenia 489 VIII.1. Wysokorozdzielczy elektronowy mikroskop skaningowy 491 VIII.1.1. Problematyka wzajemnego oddziaływania wiązki elektronowej z tarczą w przypadku wysokorozdzielczej mikroskopii skaningowej 496 VIII.1.1.1. Elektrony wstecznie rozproszone 496 VIII.1.1.2. Elektrony wtórne 498 VIII.1.2. Metody wysokorozdzielczych obserwacji w SEM 499 VIII.1.2.1. Wprowadzenie 499 VIII.1.2.2. Obrazy wysokorozdzielcze uzyskiwane przy wysokich napięciach przyspieszających 512 VIII.1.2.3. Obrazy wysokorozdzielcze uzyskiwane przy niskich napięciach przyspieszających 514 VIII.1.3. Metody zwiększania zdolności rozdzielczej SEM: elektrony wtórne 517 VIII.1.4. Interpretacja obrazów wysokorozdzielczych 518 VIII.2. Skaningowy elektronowy mikroskop z regulowaną próżnią 524 VIII.2.1. Wprowadzenie 524 VIII.2.2. Podstawy fizyczne 525 VIII.2.3. Kontrast obrazów 527 VIII.2.4. Zdolność rozdzielcza 528 VIII.2.5. Zalety obserwacji z wykorzystaniem niskopróżniowego SEM 529 VIII.3. Elektronowy skaningowy mikroskop z detektorami elektronów transmisyjnych (Mod: STEM) 531 VIII.3.1. Wprowadzenie 531 VIII.3.2. Mikroskop 531 VIII.3.2.1. Układ formujący wiązkę elektronową 531 VIII.3.2.2. System detekcji 533
VIII.3.2.3. Informacje dyfrakcyjne 534 VIII.3.2.4. Informacje mikrostrukturalne 537 VIII.3.2.5. Detekcja promieniowania rentgenowskiego 539 VIII.3.3. Podsumowanie 539 Literatura 540 Rozdział IX. Preparatyka elektronowej mikroskopii skaningowej. Metale i stopy techniczne. Inżynierskie polimery 541 IX.1. Metale i stopy techniczne 543 IX.1.1. Przygotowanie próbek do obserwacji kontrastu topograficznego 545 IX.1.2. Przygotowanie próbek do ilościowych badań fraktograficznych 548 IX.1.3. Przygotowanie próbek do obserwacji procesu dekohezji 551 IX.1.4. Przygotowanie próbek do badań mikrostrukturalnych 552 IX.1.5. Przygotowanie próbek do badań mikroanalizy rentgenowskiej 556 IX.1.6. Przygotowanie wzorców do mikroanalizy 557 IX.1.7. Badanie cząstek i wydzieleń 559 IX.1.7.1. Ekstrakcja chemiczna 559 IX.1.7.2. Metody halogenkowe 560 IX.1.7.3. Metody elektrochemiczne 561 IX.1.8. Obserwacje wyekstrahowanych cząstek z osnowy 564 IX.1.8.1. Podłoża 564 IX.1.8.1.1. Grube podłoża 565 IX.1.8.1.2. Cienkie folie 565 IX.1.8.2. Przenoszenie i mocowanie wyekstrahowanych cząstek i wydzieleń z osnowy 566 IX.1.8.2.1. Luźne cząstki 566 IX.1.8.2.2. Usuwanie cząstek z filtra 567 IX.1.8.3. Metoda replik 568 IX.1.8.4. Metoda głębokiego trawienia 568 IX.1.9. Metody zapobiegania gromadzenia ładunku 569 IX.1.9.1. Metoda infiltracji 570 IX.1.9.2. Metoda cienkich warstw 571 IX.1.9.2.1. Termiczne napylanie 571 IX.1.9.2.2. Wysokopróżniowe napylanie 572 IX.1.9.2.3. Niskopróżniowe nanoszenie warstw 574 IX.1.9.2.3.1. Rozpylanie diodowe 576 IX.1.9.2.4.Techniki pokrywani próbek przeznaczonych do mikroanalizy 577 IX.2. Inżynierskie Polimery. Termoplasty i ich kompozyty 578 IX.2.1. Przygotowanie próbek do badań mikrostrukturalnych 578 IX.2.1.1. Przygotowanie preparatów w postaci zgładów metalograficznych 578 IX.2.1.1.1. Konwencjonalne metody 578 IX.2.1.1.2. Współczesne metody 580 IX.2.1.2. Metody trawienia 583 IX.2.1.2.1. Trawienie chemiczne i fizyczne 583 IX.2.1.2.2. Metoda barwienia 584
IX.2.1.3. Cienkie preparaty 586 IX.2.2. Przygotowanie próbek do badań kontrastu topograficznego 587 IX.2.2.1. Przygotowanie próbek do ilościowych badań fraktograficznych 587 IX.2.3. Metody obserwacji polimerów w SEM 591 IX.3. Podsumowanie 592 Literatura 595 oprac. BPK