Skaningowy Mikroskop Elektronowy (SEM) jako narz dzie do oceny morfologii powierzchni materiałów ę

Skaningowy Mikroskop Elektronowy (SEM) jako narz dzie do oceny morfologii powierzchni materiałów ę

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:
=
1,225
√
U [V] – napięcie
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:
Kα - gdy przejście elektronu następuje z powłoki L,
Kβ - dla przejścia z powłoki M,
Kγ- dla przejścia z powłoki N.
Jeśli wybity zostanie elektron z powłoki L to mamy do czynienia z liniami L:
Lα - gdy przejście elektronu następuje z powłoki M,
Lβ - 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: EK > EL > EM. 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
ujemnych na powierzchni.
elektronów
powoduje
gromadzenie
ładunków
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.
Opracowanie dr inż. Elżbieta Żero
Literatura:
• 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