mgr Ewa Starnawska Techniki skaningowej mikroskopii elektronowej SE morfologia BSE kompozycja i topografia BSEX - dyfrakcja EDX informacja o składzie chemicznym CL - katodoluminescencja
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
Schemat działania ania mikroskopu elektronowego Przekrój j kolumny
Niektóre dane z historii powstania i rozwoju skaningowej mikroskopii elektronowej 1935 - M. Knoll konstruuje elektronowy mikroskop transmisyjny. 1938 - M. Von Arden przystępuje puje do prac konstrukcyjnych nad skaningowym mikroskopem elektronowym. 1948 - C. Oatley wraz z zespołem em 5 asystentów w przejmuje prace konstrukcyjne nad SEM. 1953 - O. Wells konstruuje scyntylator dla detektora BSE i ulepsza soczewki elektrostatyczne skupiające pierwotną wiązk zkę elektronów. 1955 - 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. 1965 - pojawia się pierwszy skaningowy mikroskop elektronowy przeznaczony do sprzeda daży.
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.
Schemat oddziaływania pierwotnej wiązki elektronów i generowania efektów w wtórnych
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
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
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.
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
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.
SE informacja o morfologii próbek Mikrostruktura skały
SE informacja o morfologii próbki Struktury rozpuszczania w siarce i węglanach
SE informacja o morfologii próbki Rozpuszczanie i rekrystalizacja kwarcu W widoczna kierunkowość procesu rozpuszczania bądźb rekrystalizacji wynika z uporządkowania struktury i symetrii kryształu
SE informacja o morfologii próbki Cementacja minerałami ilastymi blaszki chlorytowe blaszki i włókna illitowe Identyfikację minerałów w uzyskuje się dzięki punkowej analizie jakościowej
SE informacja o morfologii próbki cementacja Spoiwo hematytowo - kwarcowe w piaskowcu Spoiwo illitowe w piaskowcu
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
BSE informacja o topografii TOPO TOPO - KOMPO
BSED informacja o strukturze kryształu
Sygnał z detektora EDX przetwarzany jest w spektra analityczne
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
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
Sygnał z detektora EDX przetwarzany jest jako maping,, czyli obraz rozmieszczenia wybranych pierwiastków w w mikroobszarze
Interpretacja uzyskanych wyników Jaki pierwiastek? tenantyt /Ca
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
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
Obrazy i spektra katodoluminescencyjne Obraz katodoluminescencyjny skalenia potasowego użylonego albitem (mikropertyt złożony) ony)
Dziękuj kuję za uwagę Zapraszam do korzystania z naszej aparatury i umiejętno tności