Dr. Eugeniu VASILE

Microscopia electronica prin transmisie –fundamente si aplicatii.

Partea II

Metode de caracterizarestructurala in stiinta

nanomaterialelor

Dr. Eugeniu VASILE

Introducere

• Microscopia electronica prin transmisie (TEM) este un instrument foarteputernic, destinat examinarii materialelor la inalta rezolutie.

• Intr-un microscop TEM, electronii sunt indreptati, trecand printr-o serie de lentile electromagnetice, spre o proba subtire (sub 200 nm grosime). Electronii transmisi trec apoi prin lentile aditionale pentru a fi proiectati peun ecran de vizualizare sau inregistrati cu o camera digitala.

• TEM poate furniza detalii microstructurale pana la nivel atomic si poate fiutilizat pentru examinarea structurilor cristaline si defectelor cristaline.

• Informatiile obtinute prin examinarea TEM sunt utilizate la determinareainterdependentei dintre structura si proprietati pentru un domeniucuprinzator de materiale, domeniu ce include metale, aliaje, semiconductori, ceramici,suporturi nanoporoase si polimeri.

Dr. Eugeniu VASILE

Interactia electronilor cu proba in TEM

Dr. Eugeniu VASILE

Probe pentru TEM

• Mici, de maximum 3 mm in diametru

• Subtiri, de la 5-10 nm pana la 100-500 nm, in functie de natura lorsi de tehnica de investigare.

• Materiale masive: discuri subtiri, subtiate pana la perforare, transparente pentru electroni, la marginea gaurii.

• Pulberi: mojarate, dispersate intr-o suspensie, culese pe grile (de Cu, de Mo sau Be), acoperite cu un film subtire de carbon

Dr. Eugeniu VASILE

Tipuri de informatiiTEM poate furniza cateva tipuri de informatii despre proba:

•Imagini (contrast de masa-grosime si contrast de faza);

•Structura (contrast de faza, difractie de electroni);

•Chimie(EDX, EELS).

Imagini

•Rezolutia TEM este mult mai buna decat rezolutia SEM, cele mai buneTEM pot rezolva atomii;

•Multe tipuri de structuri sunt vizibile numai cu TEM;

•Pot fi obtinute din contrast informatii structurale (despre defecte, de ex.)

Dr. Eugeniu VASILE

Dr. Eugeniu VASILE

• Tunul de electroni: obtinerea unui fascicol de electroni intens, monoenergetic;

• Condensor: iluminarea uniforma a probei, pastreaza fascicolul in centru la schimbarea maririi;

• Obiectiv: formeaza imaginea probei, determina rezolutia; daca este binealiniat – imaginea este nedistorsionata, contururile caracterelor din imagine sunt nete;

• Proiector: mareste imaginea si formeaza imaginile de difractie; nu trebuiesa afecteze rezolutia; daca nu este bine aliniat imaginea va fi distorsionataiar imaginea de difractie de electroni neclara.

Dr. Eugeniu VASILE

Formarea imaginilorMecanisme de contrast in TEM

• Contrast de masa si de grosime;• Contrast de difractie – imagini TEM in camp luminos si

imagini TEM in camp intunecat;• Contrast de faza – HRTEM;• Contrast de numar atomic Z – HRSTEM.

Dr. Eugeniu VASILE

Contrast de grosime

DiagramaTEM-BF

SiO2 amorf EELS map

Dr. Eugeniu VASILE

Contrast de difractie in TEM

Supraconductor

TiAl lamelar

Dr. Eugeniu VASILE

Imagini de contrast de faza (HRTEM)• Microscopia electronica prin transmisie de inalta rezolutie (HRTEM) este

una dintre cele mai importante metode utilizate pentru caracterizareananomaterialelor. Mecanismul cel mai important pentru formareacontrastului pentru HRTEM este contrastul de faza.

• Daca proba este suficient de subtire pentru HRTEM (adica mai putin de 50 nm), interactia dintre fascicolul de electroni si potentialul electrostatic al nucleelor de atomi din proba produce modificari de faza ale unei parti din undele asociate apartinand aceluiasi front de unda.

• Formarea imaginii cu contrast de faza necesita selectarea a inca cel putinunui fascicol (fascicol direct plus minim un fascicol difractat).

• Astfel de fascicole interfera pentru a da o imagine cu o periodicitate ce estefunctie de distanta interplanara corespunzatoare.

• Daca fascicolul este aliniat paralel cu un ax de zona de indici (hkl) mici, se observa franje paralele in diferite directii. Aceste franje corespund spoturilordin difractia de electroni ce au fost selectate pentru formarea imaginii.

Dr. Eugeniu VASILE

• Franjele sunt atat de asemanatoare planelor atomice incat putem gresi usorcrezand ca acestea sunt chiar plane atomice.

• Franjele retelei nu sunt imagini directe ale structurii dar chiar dau informatiiasupra distantelor interplanare si orientarilor cristaline.

• Interpretarea imaginii HRTEM nu este usoara, datorita faptului ca, in plus fata de interactia fascicolului de electroni cu proba, trebuie luat in consideratie efectul imperfectiilor lentilelor electronice asupra procesului de formare a imaginii. Modul in care microscopul transfera undele cu diferitemodificari relative ale fazei acestora este definit prin asa-numita functie de transfer contrast (CTF).

• CTF defineste rezolutia microscopului si depinde de calitatea lentilelorobiectiv (aberatia sferica), de tensiunea de accelerare (lungimea de undaasociata) si de conditiile de focalizare. Totodata, aberatiile cromatice, imprastierea energetica si focala a fascicolului, intensitatile tensiunii de accelerare si ale curentului prin lentilele obiectiv – influenteaza, de asemenea, formarea contrastului.

Dr. Eugeniu VASILE

Contrast de faza - HRTEM

Dr. Eugeniu VASILE

Identificarea de faze din prelucrarea imaginilor de inalta rezolutieNanoparticule Fe-Cr

Din compararea distantelor interplanare (si unghiurilor) masurate cu structurile cunoscute rezulta tipul retelei cristaline si identificarea fazei.

Dr. Eugeniu VASILE

Contrast de numar atomic Z-HRSTEM

HRTEMHRSTEM

HRSTEM

Dr. Eugeniu VASILE

TEM in stiintamaterialelor

Nanoparticule de aur

Dr. Eugeniu VASILE

TEM in stiinta materialelorNanoparticule de Fe2O3

obtinute prin metodahidrotermala

a

ca b

c

a b c

b

Dr. Eugeniu VASILE

TEM in stiintamaterialelor

Nanoparticule de magnetita (Fe3O4)

Dr. Eugeniu VASILE

TEM in stiintamaterialelor

Nanoparticule de magnetita (Fe3O4)

cu invelis de cupru:HRTEM,

EDS, EELS

Dr. Eugeniu VASILE

TEM in stiintaMaterialelor

Pulbere de hidroxiapatita

Dr. Eugeniu VASILE

TEM in stiintamaterialelor

Compozit polimer -montmorinollite

Dr. Eugeniu VASILE

TEM in stiintamaterialelor

Nanostructuri de carbon

Dr. Eugeniu VASILE

TEM in stiinta materialelorNanocompozite polimer-nanotuburi de carbon

Dr. Eugeniu VASILE

TEM in stiinta materialelor

HOPG

Dr. Eugeniu VASILE

TEM in stiintamaterialelor

Nanoparticule de fiercu invelis de carbon

Dr. Eugeniu VASILE

TEM in stiintamaterialelor

Microfirenanostructurate ZnO

Dr. Eugeniu VASILE

TEM in stiinta materialelorDefecte structurale in aliaje metalice

Aliaj baza cobalt Otel inoxidabil