MENA3100

Sveipelektronmikroskopi = Scanning Electron Microscopy

(SEM)

Anders Werner Bredvei Skilbred Harald Fjeld

MENA3100

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

Det mest allsidige instrumentet 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

Topografi og morfologi• Stor dybdeskarphet

(depth of focus)

Bilde: Camilla Kongshaug, UiOBilde: Christian Kjølseth, UiO

MENA3100

Dybdeskarphet

Optisk mikroskopi vs SEM

• I SEM har vi flere størrelsesordner større dybdeskarphet enn i et optisk mikroskop• SEM passer utmerket til å studere røffe overflater

• Desto større forstørrelse, desto lavere dybdeskarphet

Lengde på skrua ~ 0,6 cm

Bilder: the A to Z of Materials

MENA3100

Ce

Fe Sr

KjemiBilder: Harald Fjeld

MENA3100

In-situ eksperimenter• Vi kan oppgradere et SEM slik at vi f.eks. kan ta

bilder ved høy temperatur

MENA3100

Bilder under forsøk: oksidasjon av stål ved høy temperatur

• 800 °C, pH2O = 667 Pa• Dannelse av Cr2O3

Bilder: Anders W. B. Skilbred

2 min 10 min 90 min

MENA3100

Hvordan dannes bildet?

• I enkelhet: vi skyter høy-energi elektroner på prøva, og analyserer elektronene/fotonene som kommer tilbake

Elektroner innElektroner tilbake

eller: fotoner tilbake

MENA3100

Mikroskopet

(Objective lens = probe lens)

Vi kommer tilbake til de forskjellige komponentene etter hvert

MENA3100

Hvordan dannes bildet?

156 elektroner!

Bilde

Detektor

Elektronkanon 288 elektroner!

MENA3100

Vekselvirkninger mellom prøven og elektronstrålen• Den innkommende elektronstrålen spres i prøven; elastisk og

uelastisk– Dette gir oss mange forskjellige signaler som vi kan måle (mer om det på neste

lysark!)

• Vekselvirkningsvolumet (interaction volume) øker med økende akselerasjonsspenning og avtar med økende atomnummer

Images: Smith College Northampton, Massachusetts

MENA3100

Signaler fra prøvenFra elektronkanonen

Sekundærelektroner

Tilbakespredte elektroner

Auger elektroner

Røntgen

Katodo-luminescens (lys)

Sample

MENA3100

Se figur læreboka, side 281.

MENA3100

Bilde: Department of Geology and Geophysics, Louisiana State University

Hvor i prøven kommer signalene fra?

• Diameteren til vekselvirknings-volumet er større enn elektron-strålen

oppløsningen er lavere enn diameteren til elektronstrålen

MENA3100

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

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

SE2• Sekundærelektroner som er dannet av tilbakespredte elektroner

som har returnert til overflaten etter mange kollisjoner• SE2 kommer fra et eksitasjonsvolum som er større enn de for de

innkommende elektronene dårligere oppløsning enn for kun SE1

Prøveoverflate

Innkommende elektroner SE2

MENA3100

Faktorer som påvirker dannelsen av SE 1. Arbeidsfunksjonen til prøveoverflaten

2. Energien (E) og strømtettheten (i) til elektronstrålen• Desto høyere E, desto flere SE dannes. Men: desto høyere E,

desto lenger inn i prøven dannes SE unnslipper ikke• Desto høyere i, desto flere SE dannes • Antallet SE som dannes går gjennom et maksimum ved noen kV

akselerasjonsspenning for å deretter avta

Akselerasjonsspenning/ kV

Ant

all S

E

MENA3100

Faktorer som påvirker dannelsen av SE

3. Atomnummer (Z)• Flere SE2 dannes med økende Z

• Større Z-avhengighet ved lave akselrasjonsspenninger

4. Den lokale krummingen på overflaten (dette er den viktigste faktoren)

Bilde: Smith College Northampton, Massachusetts

MENA3100

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 figur fra læreboka (side 286)

MENA3100

Tilbakespredte elektroner (backscattered electrons = BSE)

• En del av de innkommende elektronene som bremses av det elektromagnetiske feltet rundt atomkjernene i prøven med en spredningsvinkelen som er større enn 180 ° unnslipper overflaten

BSE

MENA3100

Tilbakespredte elektroner(BSE)• Høy-energetiske elektroner (nesten elastisk spredning)• Vi får færre BSE enn SE• Vi skiller mellom BSE1 og BSE2

Se figur læreboka, side 281.

MENA3100

BSE2

PrøveoverflateInnkommende elektroner

BSE2

• De fleste tilbakespredte elektroner er av typen BSE2

MENA3100

Andel BSE som funksjon av atomnummer

Bilde: University of Cape Town

• For faser som inneholder mer enn et grunsstoff er det det gjenomsnittlige atomnummeret som bestemmer tilbakespredningskoeffisienten h

MENA3100

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

BSE vs SE

Bilder: Greg Meeker, USGS

MENA3100

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

Røntgenspekter

MENA3100

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

Faktorer som bør tas hensyn til når 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

Mer om instrumentets oppbygning

• elektronkanon (filament)

• elektromagnetiske linser

• scan coils• prøvebord• detektorer• vakuumsystem• maskinvare and

programvare til PC (ikke triviellt!!)

MENA3100

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

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

En-krystall av LaB6Wolframtråd Feltemisjons-spiss

MENA3100

Detektorer

MENA3100

De tradisjonelle detektorene i vår SEM

• Sekundærelektroner: Everhart-Thornley detektor

• Tilbakespredte elektroner: Fast-stoff detektor

(Solid State Detector)

• Røntgen: Energidispersiv spektrometer (EDS)

MENA3100

Hvorfor trenger 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

Environmental SEM: ESEM

• Tradisjonelt er kammertrykket ~ 10-6 Torr

• ESEM: 0,08 – 30 Torr• Forskjellig gasser kan brukes• Vi trenger en annen SE detektor

MENA3100

Hvorfor vil vi bruke ESEM?• 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

Vårt instrument: 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

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

Oppløsning: noen kommentarer• 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

Hva har vi ikke snakka om i denne presentasjonen?

• Prøvepreparering• Det elektromagnetiske optiske systemet• Alternative avbildningsmetoder:

– Katodoluminescens– Elektronstråleindusert strøm– Orientation imaging microscopy (tilgjenglig på

UiO)• Focused ion beam microscopy

MENA3100

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

Sammendrag• Signaler:

– Sekundærelektroner (SE): hoved-saklig topografi• Lav-energetiske elektroner, høy

oppløsning• Overflatesignalet avhenger av krumming

– Tilbakespredte elektroner (BSE): hovedsaklig kjemi• Høy-energetiske elektroner• Signalet er avhengig av atomnummer

– Røntgen: kjemi• Må bruke mer tid for å ta opp signal