Лекция 15. Электрнная микроскопия.

Национальный исследовательский Томский политехнический университет
Современные методы анализа
Электронная микроскопия(просвечивающая,
растровая)
Юлия Исакова
Аспирант 2-го года Лаб. №1 ИФВТ
Томск 2012
Содержание лекции
• Введение в элекронную микроскопию;
• Растровая электронная микроскопия(РЭМ);
• Рентгеноспектральный анализ;
• Просвечивающая Электронная микроскопия
(ПЭМ);
•Рентгеноструктурный анализ;
•Заключение.
Электронная микроскопия
• Электронная микроскопия исследует микроструктуру тел при
увеличении до многих сотен тысяч раз. Для получения
увеличенного изображения используется пучок электронов.
• В качестве объектов исследований электронная микроскопия
использует в основном твёрдые тела.
• Основные виды электронной микроскопии:
• Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ)
• Сканирующая (растровая )электронная микроскопия
(РЭМ)
Разрешающая способность
R=0.61* λ/NA
Зачем нужна электронная микроскопия?
Оптический микроскоп
Видимый свет: λ = 400-700 нм
10 kV ——> λ = 0.12 Å
100 kV ——> λ = 0.037 Å
Электронный микроскоп
Электроны (20 кэВ): λ = 0,0086 нм
Растровая электронная микроскопия (РЭМ) –
Scanning Electron Microscopy (SEM)
Взаимодействие электронов с веществом
Схема образования вторичных сигналов
при взаимодействии электронов зонда
Области сигналов и пространственное
разрешение при облучении поверхности
объекта потоком электронов (зонд)
Регистрация вторичных электронов (SE)
< 50 эВ
Low energy electrons (~10-50 eV)
Only SE generated close to surface escape
(topographic information is obtained)
SE дают информацию о топографии (рельефе) поверхности
Изображения полученные во вторичных
электронах (SE)
Регистрация отраженных электронов
Backscattered electron detector - solid state detector
• Еlectron energy up to 30-50 keV
• Solid state detector - annular around incident beam
• Images are more sensitive to
chemical composition (electron
yield depends on atomic number)
Зависимость коэффициента эмиссии электронов от
атомного номера элементов мишени. η - коэффициент
отражения; δ - коэффициент истинно вторичной эмиссии.
Изображения полученные в отраженных
электронах (BSE)
Детекторы электронов в камере
РЭМ
Backscattered electron detector:
(Solid-State Detector)
Secondary electron detector:
(Everhart-Thornley)
BSE или SE?
Изображение в отраженных электронах
Изображение во вторичных электронах
Рентгеноспектральный микроанализ
Под рентгеноспектральным микроанализом понимают определение элементного состава
микрообъемов по возбуждаемому в них характеристическому рентгеновскому излучению.
По закону Мозли, для рентгеновских
линий внутри одной серии существует
прямая зависимость энергии излучения
от атомного номера химического
элемента:
где E – энергия, Z – атомный номер
эмиттирующего атома ( p,q – константы)
Требования к образцам для анализа на РЭМ
Specimen
Conducting :
• little or no preparation
• attach to mounting stub for insertion
into
instrument
• may need to provide
conductive
path with Ag paint
Non-conducting :
usually coat with conductive very thin layer (Au, C, Cr)
Основные выводы по РЭМ
• Signals:
– Secondary electrons (SE): mainly
topography
• Low energy electrons, high resolution
• Surface signal dependent on curvature
– Backscattered electrons (BSE): mainly
chemistry
• High energy electrons
• “Bulk” signal dependent on atomic number
– X-rays: chemistry
• Longer recording times are needed
Просвечивающая электронная
микроскопия (ПЭМ)
Transmission Electron Microscopy (TEM)
ПЭМ позволяет изучать внутреннюю структуру исследуемых
металлов и сплавов, в частности:
♦ определять тип и параметры кристаллической решетки мат
рицы и фаз;
♦ определять ориентационные соотношения между фазой
и матрицей;
♦ изучать строение границ зерен;
♦ определять кристаллографическую ориентацию отдельных
зерен, субзерен;
♦ определять углы разориентировки между зернами, субзернами;
♦ определять плоскости залегания дефектов кристаллического
строения;
♦ изучать плотность и распределение дислокаций в материалах изделий;
♦ изучать процессы структурных и фазовых превращений
в сплавах;
Конструкция ПЭМ
Electron
Gun
Condenser
lens system
a)
Sample
Viewing
Screen
Transmission
Electron
Philips EM420 (1980s)
Microscope
Требования к образцам для анализа на ПЭМ
•Реплики (слепки) с поверхности хорошо отполированных и протравленных
микрошлифов (косвенный метод)
•Металлические фольги, полученные путем утонения исследуемых массивных
образцов (прямой метод)
d=0,2-0,8 мм
Thin area
0,2-0,3 мм –толщина исходной фольги (d=3мм) Толщина: 0,2-0,4 мкм E=100-200 кВ
0,1-0,15 мм – толщина после шлифования
Предельная толщина зависит от ускоряющего
напряжения и атомной массы материала
Получение изображения в ПЭМ
а
Схема получения светлопольного
изображения
Схема формирования неюстированного
темнопольного (а) и юстированного
темнопольного (б) изображений
Режимы изображений в ПЭМ
Светлопольное
изображение
анализируемого
участка образца
Темнопольное
изображение
анализируемого
участка образца
Дифракционная картина
Отраженный от
плоскости кристалла
луч будет
регистрироваться
только при
выполнении условия
Брегга-Вульфа
2d sin θ = nλ
(Уравнение Брегга-Вульфа).
Определение ориентации плоскостей в кристалле и межплоскостных
расстояний по дифрактограмме
Use Bragg's law -  = 2d sin 
But much smaller
(0.0251Å at 200kV)
if d = 2.5Å,  = 0.288°
specimen
image plane
2  ≈ sin 2  = R/L
= 2d R/L
dhkl=2L/Dhkl
2lL - постоянная прибора
Electron Diffraction
•Diffraction patterns give crystallographic information about a material from site specific
small volumes, unlike XRD which is a bulk analysis technique.
•Can determine if a material is amorphous, crystalline or poly crystalline quickly and
effectively.
a)
b)
c)
a)Amorphous material, b) Crystalline material and c) polycrystalline material
Conclusions
•TEM is a very versatile analysis technique.
•Many different types of analysis can be performed (hardware dependent).
•Complimentary information can be obtained from distinct small (nm) regions allowing full
nano-scale characterisation.
•Sample preparation is very time consuming requiring expertise to get the right results.
•Sampling ratio is poor – the sample is 3mm in diameter and ~ 80-100µm thick – is this really
representative of the sample ?– have to assume it is.
•Future improvements, such as aberration correctors and monochromators will give finer
control of probe sizes leading to higher resolution.
Заключение
Дифракционные методы исследования и, в первую очередь, рентгеновский
дифракционный анализ, являются основным источником сведений о структуре
вещества на атомном уровне.
Достоинства рентгеноструктурного метода (РСА)
В отношении требований, предъявляемых к образцу, лучше всего дело обстоит в
случае РСА:
Поток электронов полностью поглощается при прохождении через слой в несколько
микронов; рентгеновские лучи дают достаточную интенсивность рассеяния при
пересечении слоя в мм.
Поэтому для рентгеноструктурных исследований нет жестких требований к размерам
образца.
Недостатки рентгеноструктурного метода (РСА)
Необходим опыт оператора при расшифровке и интерпретации полученных данных.
Список литературы
Электронная микроскопия учеб. пособие / А. И. Власов, К. А. Елсуков, И. А.
Косолапов. – М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2011. –168 с.
ПЭМ:
1. П. Хирш, А. Хови, Р. Николсон, Д. Пэшли, М. Уэлан. Электронная микроскопия
тонких кристаллов., М., Мир, 1968.
2. Г. Томас, М.Д. Гориндж. Просвечивающая электронная микроскопия материалов., М.,
Наука, 1983
3. Дж. Спенс. Экспериментальная электронная микроскопия высокого разрешения, М.,
Наука, 1986
4. Д. Синто, Т. Оикава. Аналитическая просвечивающая электронная микроскопия., М.,
Техносфера, 2006
5. D.B. Williams, C.B. Carter. Transmission Electron Microscopy. V. I – IV. NY and London,
Plenum Press, 1996
РЭМ:
1. Дж. Гоулдстейн, Д. Ньюбери, П. Эчлин. Растровая электронная микроскопия и
рентгеновский микроанализ. М., Мир, 1984
2. под ред. Ф. Моррис, Тискье. Микроанализ и растровая электронная микроскопия. М.,
Металлургия, 1985
3. под ред. Дж.Дж. Грена, Дж.И. Гольдштейна, Д.К. Джоя, А.Д. Ромига. Основы
аналитической электроной микроскопии. М., Металлургия, 1990