Skenovací elektronová mikroskopie (Úvod do historie spíše než použití)

Transkript

1 Skenovací elektronová mikroskopie (Úvod do historie spíše než použití) Jaromír Kopeček Oddělení funkčních materiálů FZÚ AV ČR Kopeček - U3V 1

2 Elektronová mikroskopie Proč byla vyvinuta? Má větší rozlišení než optická mikroskopie Umožňuje sledovat: Poruchy krystalové mříže Buněčné struktury Pracuje s dobře zvládnutou elektřinou Kopeček - U3V 2

3 Typické cíle EM Virus 1962 Dislokace v Al-Cu, Kopeček - U3V 3

4 Elektronová mikroskopie Proč byla vyvinuta? Abbeho kritérium pro rozlišení mikroskopu (1873): d = λ 0.6λ 2n sin α α 200 nm Kopeček - U3V 4

5 Elektronová mikroskopie Proč byla vyvinuta? Má větší rozlišení než optická mikroskopie. S využitím de Broglieho hypotézy je vlnová délka elektronu (E 0 = 511 kev): což je λ = 38.8 pm pro E = 1 kev a 6.98 pm pro 30 kev., Kopeček - U3V 5

6 Elektronová mikroskopie Proč byla vyvinuta? Kopeček - U3V 6

7 Elektronový mikroskop Harald Hagendorfer, PhD thesis, EPMA, Kopeček - U3V 7

8 Skenovací elektronový mikroskop Tescan FERA 3 Jeol JXA Kopeček - U3V 8

9 Kopeček - U3V 9

10 Pohyb elektronu v elektromagnetickém poli Lorentzova síla: Díky ní se elektron pohybuje po Landauových hladinách a stáčí se o φ: Síla magnetické čočky Pro k 2 1 je φ = k Kopeček - U3V 10

11 Kulová vada Rayleighyho kritérium: δ S C S 3 δ d 0,61λ/ 0,75/[ V( V)] Kopeček - U3V 11

12 Barevná vada δ c = C c E E Kopeček - U3V 12

13 Astigmatismus Axiální astigmatismus δ A = f A Kopeček - U3V 13

14 Celková chyba zobrazení Předpokládáme, že příspěvky rozmazání zobrazovaného bodu jsou Gaussovské, proto jejich příspěvky sloučit konvolucí: Kopeček - U3V 14

15 Rozlišení, hloubka ostrosti a zvětšení T hloubka ostrosti Δ rozlišení M zvětšení P výstupní apertura objektivu LM limity optické mikroskopie Kopeček - U3V 15

16 Složení SEM Zdroj elektronů Zobrazovací soustava čočky Interakce se vzorkem Detektory Kopeček - U3V 16

17 Zdroje elektronů Tlak Jas Velikost stopy Energiový (ze zdroje) rozptyl [Pa] [A/cm 2 sr ] r [μm] ΔE [ev] Termoemise LaB ,5-2 Schottkyho ,4-0,6 Autoemise ,003 0,2-0, Kopeček - U3V 17

18 Princip elektromagnetické čočky Kopeček - U3V 18

19 Interakce elektronového svazku Kopeček - U3V 19

20 Schéma interakční oblasti - Primární svazek Charakteristické rentgenové záření - - Zpětně odražené elektrony - Sekundární elektrony, - Augerovy elektrony Kopeček - U3V 20

21 Spektrum elektronů ze vzorku Sekundární elektrony E SE 50 ev, low-loss electrons (LLE) ztráta energie oproti primárnímu svazku je jen několik stovek ev, backscattered electrons (BSE) zpětně odražené elektrony Kopeček - U3V 21

22 Srovnání zobrazovacích módů SE E-T In-Beam SE R-BSE In-Beam BSE + Higher surface sensitivity = better resolution + Large field of view + lower topography info Kopeček - U3V 22

23 Detekce elektronů Kopeček - U3V 23

24 Pohled do komory SEM Kopeček - U3V 24

25 Ernst August Friedrich Ruska Nobelova cena za elektronovou optiku 1931 ukázal, že cívka funguje jako čočka pro elektrony 1933 sestavil z více čoček elektronový mikroskop Od 1937 pracoval v Siemens-Reiniger- Werke AG a nechal zřídit visiting scientist laboratoř, kterou řídil jeho bratr Helmut, který prosazoval aplikace v medicíně Kopeček - U3V 25

26 Manfred von Ardenne 20 January May 1997 Asi 600 patentů řídil svou vlastní Forschungslaboratorium für Elektronenphysik, pak v SSSR jaderné zbraně (získal Stalinovu cenu) poprvé předvedl princip televize skenování obrazu Kopeček - U3V 26

27 Manfred von Ardenne Kopeček - U3V 27

28 Max Knoll 17 July November 1969 Elektroinženýr, šéf Rusky Po konstrukci EM 1931 v dubnu 1932 odešel do Telefunkenu, kde vyvíjel televizi Kopeček - U3V 28

29 První skenovací elektronový mikroskop pro zobrazování povrchů s rozlišením 100 nm. 1937, Knoll, von Ardenne Kopeček - U3V 29

30 Univerzální elektronový mikroskop pro energie 200 až 300 kev, M. von Ardenne, Kopeček - U3V 30

31 První BSE skenovací obraz, von Ardenne Kopeček - U3V 31

32 V. K. Zworykin USA - Vladimír Kosma Zworykin James Hillier SciAm Richard L. Snyder Kopeček - U3V 32

33 USA - Vladimír Kosma Zworykin Schéma SEM Etched brass (leptaná mosaz) SciAm Kopeček - U3V 33

34 Washington state, USA: 1 st EM outside of Germany U. of Washington did pioneering research in CFEG in Some of the students, e.g. Gertrude Fleming-Rempfer, later transferred to Oregon. FEI (=Field Emission Incorporated) can trace its origin directly to their efforts Kopeček - U3V Kredit: 34

35 Kopeček - U3V 35

36 Historie EM v Československu Experimentální dvoučočkový elektronovo-optický mikroskop, Elektronový mikroskop vyrobený v ČSR A. Delong, V. Drahoš, L. Zobač, J. Speciálny Kopeček - U3V 36

37 Armin Delong Bartovice (Ostrava) Brno Delong Instruments: Kopeček - U3V 37

38 Delong Instruments Kopeček - U3V 38

39 Aleš Bláha ( ) První model elektronového oscilografu sestavený Alešem Bláhou ČsČasFyz Kopeček - U3V 39

40 Historie EM v Evropě Toulouse, 1942 Siegbahn-Schönanderův electronový microskop, Stockholm, okolo Kopeček - U3V 40

41 Francie 3MeV SEM G. Dupouy, F. Perrier: MeV, MeV Kopeček - U3V 41

42 TEM, MeV Kopeček - U3V 42

43 Výhoda velmi vysokého urychlovacího napětí kontrast na magnetických doménách v Fe- Si Kopeček - U3V 43

44 EM v biologii Kopeček - U3V 44

45 Brusel, 1932, L.L. Marton (aka Ladislaus Lászlo) Kopeček - U3V 45

46 První komerčně, sériově vyráběný EM, Siemens ÜM 100, Kopeček - U3V 46

47 První komerčně dodaný SEM Stereoscan Cambridge Instrument Company do du Pont Comp., U.S.A., rok výroby! Kopeček - U3V 47

48 Tesla BS 242 oceněný 1958 v Bruselu Kopeček - U3V 48

49 Další, analytické metody doprovázející v instalacích SEM EBSD (orientace) EDS (složení) CL (složení, typ vazby) EBIC (typ vodivosti) Kopeček - U3V 49

50 Ocel AISI304 2 min žíhání 1000 C Kopeček - U3V 50

51 Kopeček - U3V 51

52 EBSD principy a pozice detektorů Scanning Microscopy for Nanotechnology Techniques and Applications - Weilie Zhou, Zhong Lin Wang (Eds), Springer Science+Business Media, LLC, Kopeček - U3V 52

53 Kikuchiho obrazce Kopeček - U3V 53

54 Modelování EBSP obrazců 9-i svazkový model Kopeček - U3V 54

55 Krátká historie EBSD 1928 Shoji Nishikawa, Seishi Kikuchi kalcit, 50 KeV elektrony z plynového z výboje John Venables Bristol group computerisation (D.J. Dingley) OIM (Yale Univ, TSL, HKL) 1992 Použití Houghovy transformace pro vyhodnocení Kikuchiho obrazců HR-EBSD (Oxford Univ., BLG, Saint Etienne Univ, Brigham Univ) Kopeček - U3V 55

56 Něco z historie metody EBSD Vůbec první Kikuchiho linie pozorované Kikuchim 1927 v kalcitu. Seishi Kikuchi (standing) Kopeček - U3V 56

57 Difrakce elektronů Nobelova cena 1937, za objevy v roce 1927 Clinton Joseph Davisson a George Paget Thomson Kopeček - U3V 57

58 Něco z historie metody EBSD Kikuchi P-pattern from mica. Boersch 1937 Iron Kikuchi patterns Kopeček - U3V 58

59 Nalezení píků a stanovení jejich intenzity Philippe T. Pinard Kikuchiho obrazec Houghova transformace Nalezení Kikuchiho pásů Jak se Kikuchiho linie vyhodnocují? Body Kopeček - U3V 59

60 Jensen, Jeppe. "Hough Transform for Straight Lines". Mini-project in Image Processing, 7th semester es.pdf. Retrieved 16 December Houghova transformace od 1992 Převádí kartézské souřadnice na polární a tak Kikuchiho pásy na píky, jejichž detekce je snadná. Je speciálním případem Radonovy transformace (tomograf). Dříve probíhalo vyhodnocení každého bodu ručně prokládáním čar Kopeček - U3V 60

61 Kikuchiho linie zpět ke kořenům Kopeček - U3V 61

62 Houghova transformace Houghova transformace převádí čáry (Kikuchiho linie) na sinusoidy Kopeček - U3V 62

63 Houghova transformace Slouží k transformaci Kikuchiho pásů na píky. Pás přímku si parametrizujeme v polárních souřadnicích, načež sečteme intenzitu po přímce. δ-funkce zajišťuje nenulovost na přímce Kopeček - U3V 63

64 Houghova transformace Paul V. C. Hough Patent US A; 18. prosinec Patentoval až do roku 2004 (metody snímání v AFM 3 patenty) John Simmon Guggenheim fellow 1959 a 1973 Stanley R. Deans, Hough Transform from the Radon Transform, IEEE trans. PAMI Kopeček - U3V 64

65 Radonova transformace Je zobecněním Houghovy transformace a také je starší. Johann Radon se narodil 16. prosince 1887 v Děčíně a v letech navštěvoval gymnázium v Litoměřicích. Od r působil Radon jako profesor na vídeňské univerzitě, kde vykonával krátce funkci děkana a později v r rektora. Zemřel 25. května (PokrokyMFA33-5-5) Allan MacLeod Cormack (fyzik), Godfrey Hounsfield (elektroinženýr) Nobelova cena za medicínu 1979 za CT tomograf (PokrokyMFA , A.M. Cormack, JAP ) Kopeček - U3V 65

66 Dva přístupy Mikroskopický cílem je co nejostřejší svazek, který co nejméně poškozuje vzorek Spektroskopický cílem je co nejintenzivnější, stabilní svazek, který co nejméně poškozuje vzorek Výsledkem pak, že jsme nespokojeni buďto s rozlišením prostorovým nebo energiovým Kopeček - U3V 66

67 Analýza složení Kopeček - U3V 67 FZÚ AV ČR,

68 Prvkové složení zkoumaných materiálů - EDS Henry G. J. Moseley ( ) Kopeček - U3V 68

69 Objev Moseley 1913 PhilMagSerie Kopeček - U3V 69

70 Objev G.W.C. Kaye ptrsla Kopeček - U3V 70

71 Fénix povstal z molybdenu Kopeček - U3V 71

72 Železo Hliník Molybden Křemík Fénix povstal z molybdenu Kopeček - U3V 72

73 Fénix přistál Kopeček - U3V 73

74 3D EDS kapka Pb-Sn pájky Jiří Dluhoš Tescan Orsay Holdinng Kopeček - U3V 74

75 Soft X-ray Emission Spectrometer SXES fy Jeol Vyvinuto firmou Jeol, prezentováno 2014 Hideyuki Takahashi Spektrální rozlišení 0,3 ev JS50XL ev JS200N ev Spektrum je snímáno CCD detektorem Kopeček - U3V 75

76 SXES schéma přístroje Hideyuki Takahashi, Microsc. Microanal. Suppl., Dec. 2014, S4-S Kopeček - U3V 76

77 Katodoluminiscence v pískovci Kopeček - U3V 77

78 CL v různých přístrojích Kateřina Švecová in Využití katodové luminiscence a LA-ICP MS při studiu vnitřní stavby minerálů, 14. listopadu 2012, v budově děkanátu PřF MU, Brno, pp Kopeček - U3V 78

79 CL detektor fy Gatan Kopeček - U3V 79

80 3D katodoluminiscence Kopeček - U3V 80

81 Electron Beam induced Current Modul fy Tescan Předpětí v intervalu -5 až 5 V 16-bitový AD převodník Ge tranzistor EBIC signál je možno zobrazit černobíle nebo softwareově přiřadit barevnou škálu. Nalevo obraz v SE elektronech, napravo EBIC signál Kopeček - U3V 81

82 Up: SE signal FIB of CIGS Down: EBIC signal FIB of CIGS Kopeček - U3V 82

83 Literatura Scanning Electron Microscopy Physics of Image Formation and Microanalysis, Ludwig Reimer, ISBN: Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1985, 1998 Doporučená literatura: Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis, J. I. Goldstein, D. E. Newbury, P. Echlin, D. C. Joy, A. D. Romig Jr., Ch. E. Lifshin, ISBN-13: , Plenum Press, New York, 1992, 1981 Handbook of Sample Preparation for Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis, Patrick Echlin, ISBN: , Springer Science+Business Media, LLC 2009 Electron Backscatter Diffraction in Materials Science, Adam J. Schwartz, Mukul Kumar, Brent L. Adams, David P. Field, 2nd Edition, ISBN , Springer Science+Business Media, LLC 2009 Introduction to Focused Ion Beams Instrumentation, Theory, Techniques and Practice, Lucille A. Giannuzzi, Fred A. Stevie, ISBN: , Springer Science + Business Media, Inc., 2005 Zkoumání látek elektronovým paprskem, V. Hulínsky, K. Jurek, SNTL, Praha 1982 Úvod do transmisní elektronové mikroskopie, Miroslav Karlík, ISBN: , ČVUT, Praha, Kopeček - U3V 83

84 Děkuji za pozornost! Kopeček - U3V 84