Sveipelektronmikroskopi = Scanning Electron Microscopy (SEM)

1. Sveipelektronmikroskopi = Scanning Electron Microscopy (SEM) Anders Werner BredveiSkilbredHaraldFjeld MENA3100

2. Meny • Hva kan vi bruke SEM til? • Hvordan dannes bildet i SEM? • Vekselvirkninger mellom prøven og elektronstrålen • Signaler som vi kan bruke for å karakterisere mikrostrukturen til en prøve • Sekundærelektroner • Tilbakespredte elektroner • Røntgen • Oppbygning av et SEM • Oppløsning: noen kommentarer • Sammendrag MENA3100

3. Detmestallsidigeinstrumentet for en materialviter? Hva kan vi studere i et sveipelektronmikroskop? • Topografi and morfologi • Kjemi • Krystallografi • Orientering av korn • In-situ eksperimenter: • Reaksjoner med atmosfære • Temperatureffekter “Enkel” prøve- preparering! “Store” prøver! MENA3100

4. Topografi og morfologi • Stor dybdeskarphet (depthoffocus) Bilde: Camilla Kongshaug, UiO Bilde: Christian Kjølseth, UiO MENA3100

5. Dybdeskarphet OptiskmikroskopivsSEM Lengdepåskrua~ 0,6 cm Bilder: the A to Z of Materials • I SEM har vi flerestørrelsesordnerstørredybdeskarphetenni et optiskmikroskop • SEM passer utmerkettil å studererøffeoverflater • Destostørreforstørrelse, destolaveredybdeskarphet MENA3100

6. Kjemi Bilder: HaraldFjeld Ce Fe Sr MENA3100

7. In-situ eksperimenter • Vi kanoppgradere et SEM slik at vi f.eks. kantabildervedhøytemperatur MENA3100

8. Bilder under forsøk: oksidasjonavstålvedhøytemperatur • 800 °C, pH2O = 667 Pa • Dannelseav Cr2O3 90 min 2 min 10 min Bilder: Anders W. B. Skilbred MENA3100

9. Hvordandannesbildet? • I enkelhet: vi skyterhøy-energielektronerpåprøva, oganalysererelektronene/fotonenesomkommertilbake Elektroner inn Elektronertilbake eller: fotonertilbake MENA3100

10. Mikroskopet Vi kommer tilbake til de forskjellige komponentene etter hvert (Objective lens = probe lens) MENA3100

11. Hvordandannesbildet? Elektronkanon 288 elektroner! 156 elektroner! Detektor Bilde MENA3100

12. Vekselvirkningermellomprøvenogelektronstrålen • Den innkommendeelektronstrålenspresiprøven;elastiskoguelastisk • Dettegiross mange forskjelligesignalersom vi kanmåle (meromdetpånestelysark!) • Vekselvirkningsvolumet (interaction volume) øker med økendeakselerasjonsspenningogavtar med økendeatomnummer Images: Smith College Northampton, Massachusetts MENA3100

13. Signalerfraprøven Fraelektronkanonen Sekundærelektroner Auger elektroner Tilbakespredte elektroner Katodo- luminescens(lys) Røntgen Sample MENA3100

14. Se figurlæreboka, side 281. MENA3100

15. Hvoriprøvenkommersignalenefra? • Diameterentilvekselvirknings-volumeterstørreennelektron-strålen •  oppløsningenerlavereenndiameterentilelektronstrålen Bilde: Department of Geology and Geophysics, Louisiana State University MENA3100

16. Sekundærelektroner(SE) • Dannes når høyenergetiske elektroner kolliderer med løst bundne ytre elektroner på prøveoverflaten • SE er lavenergielektroner (~10-50 eV) • Bare SE som dannes nær overflaten klarer å unnslippe (1 – 20 nm) • Vi får topografisk informasjon • Antallet SE er mye større enn antallet innkommende elektroner • Vi skiller mellom SE1 og SE2 MENA3100

17. SE1 • Sekundærelektroner som utelukkende er dannet av de innkommende elektronene fra elektronstrålen • Med SE1 kan vi oppnå bilder hvor oppløsningen kun er begrenset av elektronstrålediameteren MENA3100

18. SE2 • Sekundærelektronersomerdannetavtilbakespredteelektronersomharreturnerttiloverflatenetter mange kollisjoner • SE2 kommerfra et eksitasjonsvolumsomerstørreenn de for de innkommendeelektronene dårligereoppløsningenn for kun SE1 Innkommendeelektroner SE2 Prøveoverflate MENA3100

19. Faktorersompåvirkerdannelsenav SE • Arbeidsfunksjonentilprøveoverflaten • Energien (E) ogstrømtettheten (i) tilelektronstrålen • Destohøyere E, destoflere SE dannes. Men: destohøyere E, destolenger inn iprøvendannes SE  unnslipperikke • Destohøyerei, destoflere SE dannes • Antallet SE somdannesgårgjennom et maksimumvednoen kV akselerasjonsspenning for å deretteravta Antall SE Akselerasjonsspenning/ kV MENA3100

20. Faktorersompåvirkerdannelsenav SE 3. Atomnummer(Z) • FlereSE2 dannes med økende Z • Større Z-avhengighetved lave akselrasjonsspenninger 4. Den lokalekrummingenpåoverflaten (detteer den viktigstefaktoren) Bilde: Smith College Northampton, Massachusetts MENA3100

21. Oppsett med høy oppløsning • Ved å plassere detektoren for sekundærelektronene i objektivlinsa, så detekterer vi hovedsaklig SE1 • Oppløsning på 1 – 2 nm er mulig Se figurfralæreboka (side 286) MENA3100

22. Tilbakespredteelektroner(backscattered electrons = BSE) • En del av de innkommendeelektronenesombremsesavdetelektromagnetiskefeltetrundtatomkjerneneiprøven med en spredningsvinkelensomerstørreenn 180 ° unnslipperoverflaten  BSE MENA3100

23. Tilbakespredteelektroner(BSE) • Høy-energetiskeelektroner (nestenelastiskspredning) • Vi fårfærre BSE enn SE • Vi skillermellom BSE1 ogBSE2 Se figurlæreboka, side 281. MENA3100

24. BSE2 • De fleste tilbakespredte elektroner er av typen BSE2 BSE2 Innkommendeelektroner Prøveoverflate MENA3100

25. Andel BSE somfunksjonavatomnummer • For faser som inneholder mer enn et grunsstoff er det det gjenomsnittlige atomnummeret som bestemmer tilbakespredningskoeffisienten h Bilde: University of Cape Town MENA3100

26. Faktorer som påvirker emisjon av BSE • Orienteringen på den bestrålte overflaten • Flere elektroner vil treffe BSE-detektoren når overflaten peker mot detektoren • Det gjennomsnittlige atomnummeret • Hvis du ønsker å studere kjemi ved å bruke BSE må prøven din være så flat som mulig • Prøvepreparing er viktig! MENA3100

27. BSE vs SE Bilder: Greg Meeker, USGS MENA3100

28. Røntgen (x-rays) • Fotoner, ikke elektroner • Hvert grunnstoff har sitt eget fingeravtrykk • Vi kan identifisere fra Z = 6 (C) • Lavere oppløsning enn for BSE og SE • Det emitteres relativt få røntgenstråler • Røntgendetektoren er lite effektiv  vi må bruke ganske lang tid for å få et tilstrekkelig godt resultat MENA3100

29. Røntgenspekter MENA3100

30. Røntgen • Mest vanlig: EDS (energidispersivt spektrometer) • Med EDS kan overlapp mellom forskjellige grunnstoffer være et problem • WDS (bølgelengdedispersiv spektrometer) har bedre energioppløsning • Vi kan analysere prøven på forskjellige måter: • Punktanalyse • Langs en linje (line scan) • ”Konsentrasjonskart” MENA3100

31. Faktorersombørtashensyntilnår vi bruker EDS • Død-tid (dead-time): detektoren klarer ikke mer enn 106 fotoner s-1 • Død-tid omkring 20-30 % er ok • Tilstrekkelig med telletid • For å identifisere konsentrasjoner på ~ 1% må vi måle i omtrent 100 s • Drift in elektronstrålen med tid • Dannelse av en tynn karbonholdig film på prøven etter lang tids eksponering med elektronstrålen • Ugunstig, fordi dette forandrer målebetingelsene etter hvert som vi samler data. MENA3100

32. Mer om instrumentets oppbygning • elektronkanon (filament) • elektromagnetiske linser • scan coils • prøvebord • detektorer • vakuumsystem • maskinvare and programvare til PC (ikke triviellt!!) MENA3100

33. Elektronkanonen • Vi ønsker så mange elektroner per tidsenhet og så liten elektronstråle som mulig • Tradisjonelle kanoner: termionisk elektronkanon (elektroner emitteres ved å varme opp et fast stoff) • W-tråd, LaB6-krystall • Moderne: feltemisjonskanoner (FEG) (kald kanon, et sterkt elektrisk felt trekker ut elektroner) • En-krystall av W, som etses til en tynn spiss MENA3100

34. Elektronkanoner • Med feltemisjonskanoner får vi en mindre elektronstråle og høyere strømtetthet sammenlignet med termioniske kanoner • Vi må ha bedre vakuum når vi bruker en feltemisjonskanon Wolframtråd Feltemisjons-spiss En-krystallavLaB6 MENA3100

35. Detektorer MENA3100

36. De tradisjonelledetektoreneivår SEM • Sekundærelektroner: Everhart-Thornleydetektor • Tilbakespredteelektroner: Fast-stoffdetektor (Solid State Detector) • Røntgen: Energidispersivspektrometer(EDS) MENA3100

37. Hvorfortrenger vi vakuum? • Kjemisk (korrosjon) og termisk stabilitet er nødvendig for at elektronkanonen skal fungere bra (kanontrykket) • En feltemisjonskanon trenger ~ 10-10 Torr • LaB6: ~ 10-6 Torr • Signalelektronene må passere fra prøven til detektoren (kammertrykket) • Vi har forskjellige krav til ulike detektorer MENA3100

38. Environmental SEM: ESEM • Tradisjonelt er kammertrykket ~ 10-6Torr • ESEM: 0,08 – 30 Torr • Forskjellig gasser kan brukes • Vi trenger en annen SE detektor MENA3100

39. Hvorforvil vi brukeESEM? • For å avbilde utfordrende prøver som: • Isolatorer (pga oppladning) • prøver som er følsomme for vakuum (f.eks. biologiske prøver) • prøver som er følsomme for stråling (f.eks. tynne organiske filmer) • “fuktige” prøver (oljete, skitne, fettete) • For å studere og avbilde kjemiske og fysiske prosesser in-situ: • Mekaniske tester (f.eks. deformasjon) • Oksidasjon av metaller • Hydratisering/dehydratisering (f.eks. se på maling som tørker) MENA3100

40. Vårtinstrument: Quanta 200, FEI • Feltemisjonskanon, men vi har ikke SE detektor i objektivlinsa • ESEM • Kan utstyres med en mye forskjellig tilleggsutstyr for å avbilde eksperimenter in-situ MENA3100

41. Accessories on our Quanta 200: ◦ GAD – Gaseous Analytical Detector → for X-ray analysis in gaseous environments ◦ GSED – Gaseous Secondary Electron Detector → 500 μm aperture, allowing 20 Torr chamber pressure ◦ Hot stage GSED → Must be used at temperatures above 500°C ◦ EBSD – Electron Backscatter Diffraction → Grain orientation, grain and subgrain structures, phase identification, micro textures ◦ Hot stages – 1000°C and 1500°C ▪ ETD – Everhart-Thornley Detector → Secondary electron detector ▪ LFD – Large Field Detector → used in low vacuum and ESEM mode (SE) ▪ SSD-BSD – Solid State Backscattered Detector → Backscatter electrons ▪ EDS – Energy dispersive spectroscopy → X-ray analysis MENA3100

42. Oppløsning: noenkommentarer • Den beste oppløsninga vi kan få er begrenset av diameteren av elektronstrålen på prøveoverflaten • Bruken av FEG har forbedret oppløsninga dramatisk • Men: eksitasjonsvolumet til signalelektronene bestemmer oppløsninga som vi faktisk oppnår • SE-bilder har høyere oppløsning enn BSE-bilder • Sveiphastighet: • Hvis vi har et svakt signal må vi sveipe sakte for å øke signal-til-støy forholdet • Et treigt sveip gir drift i elektronstrålen, som igjen påvirker nøyaktigheten til det vi analyserer  Vi må gjøre en avveining MENA3100

43. Hvahar vi ikkesnakkaomidennepresentasjonen? • Prøvepreparering • Detelektromagnetiskeoptiskesystemet • Alternative avbildningsmetoder: • Katodoluminescens • Elektronstråleindusertstrøm • Orientation imaging microscopy (tilgjengligpåUiO) • Focused ion beam microscopy MENA3100

44. Sammendrag • Sveipelektronmikroskopet er et meget anvendelig instrument som kan utstyres med et stort utvalg av tilleggsutstyr • En elektronstråle sveipes over prøveoverflaten og detektorene avleser signalet som funksjon av tid • Det er mulig å oppnå en oppløsning på 1 – 2 nm • Bruk av ESEM og feltemisjonskanon har gjort det enklere å avbilde utfordrene prøver MENA3100

45. Sammendrag • Signaler: • Sekundærelektroner(SE): hoved-sakligtopografi • Lav-energetiskeelektroner, høyoppløsning • Overflatesignaletavhengeravkrumming • Tilbakespredteelektroner (BSE): hovedsakligkjemi • Høy-energetiskeelektroner • Signaleteravhengigavatomnummer • Røntgen: kjemi • Måbrukemertid for å taopp signal MENA3100