Tehnici Experiment Ale Pentru Nano- Si Microstructuri -C5-7

5/13/2018 Tehnici Experiment Ale Pentru Nano- Si Microstructuri -C5-7 - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/tehnici-experiment-ale-pentru-nano-si-microstructuri-c5-7 1/70

Tehnici experimentale

pentrunano- si microstructuri



• Microscopie Optica

• Microscopie Electronica de Baleiaj (Scanning) / SEM• Microscopie Electronica de Transmisie / TEM

• Microscopie Electronica de Scanare a Probei: – Microscopie de Forta Atomica /AFM – Microscopie electronica cu efect de tunelare / STM

• Spectroscopie de Dispersie a Energiei a Razelor X / EDS• Difractie de raze X / XRD• Spectroscopie Fotoelectronica / XPS, UPS

• Spectroscopie cu Electroni Auger / AES• Electron Energy Loss Spectroscopy (EELS)

• Rutherford Backscattering Spectroscopy (RBS)• Focused Ion Beam (FIB)• Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS)

• Spectrometrie de Masa / MS• Spectroscopie de Rezonanta Magnetica Nucleara / NMR

• Spectroscopie Fotoluminescenta / PL

• Catodoluminescenta / CL• Spectroscopie Raman

• Spectroscopie in Infrarosu / IR, FTIR

Tehnici de Analiza a SolidelorTehnici de Analiza a Solidelor



Tehnici de Analiza a SolidelorTehnici de Analiza a Solidelor



<0.2 nm 0.2-10 nm 1-1000µ

m >1 mm

Picometru = 1 pm = 1/10,000,000,000,000 = 10-12 m

Angstrom = 1Å = 1/10,000,000,000 m = 10-10 m

Nanometru = 10 nm = 1/1,000,000,000 m = 10-9 m

Micrometru = 1m = 1/1,000,000 m = 10-6 m

Millimetru = 1mm = 1/1,000 m = 10-3 m



Cercetare teoretica Cercetare aplicativa

Mecanisme de rupereDeterminarea structurii

Structura cristalului Microstructura Produs



De ce electroni?

• Electronii pot fi accelerati intr-un camp electric E.• Traiectoria poate fi modificata atat de un camp electric E dar si

magnetic B.

Comportament de unda (de

Broglie):

•se pot inregistra imagini sispectre de difractie•lungimea de unda semodifica functie de energie

Comportament de particula

cu sarcina:

•Interactii puterniceelectron-proba•Sunt posibile analizechimice

p = h/λp = E/cE = hf = hc/λ

p = h/λp = √(2mE)E = h2/2mλ2



Cu catCu cat tensiuneatensiunea dede accelerareaccelerare

cucu atatatat λλ esteeste maimai mica!!!mica!!!

DeciDeci un electron cu oun electron cu o vitezaviteza de 50000de 50000 voltivolti (50 kV) are o(50 kV) are o

lungimelungime dede undaunda de 0.0055nmde 0.0055nm iariar un electron cu 1MeVun electron cu 1MeV

are oare o lungimelungime dede undaunda de 0.00123nm!de 0.00123nm!

Rezolutia ≈≈≈≈ ½ λλλλResolutia este limitata la aprox. 1/2 dinlungimea de unda a sursei de “lumina”

V - viteza

ElectronulElectronul





λλλλ ≈ ( 150 / V )1/2 Å

Daca V = 200 eV λλλλ = 0.87 Å

Pentru un fascicul cu V= 100 KeV

λλλλ= 0.0389 Å

o rezolutie de 0.0195 Å!

Dar in realitate microscoapele cele mai performante(TEM) au o rezolutie de numai 2.4 Å pentru 100KeV

ElectronulElectronul



400 0000.2 nm = 200 pmAtomul de uraniu

40 0002 nmMolecula AND

4 00020 nmVirusi

751 µµµµmBacterii

7.510 µµµµmCelule rosii

-150 µµµµmFir de par uman

-1 mm = 1000µµµµmGranula de nisip

Magnificarea

necesara (75 µµµµm/D)Diametru mediu D

Dimensiunile medii ale unor “obiecte” comune si cea maimica magnificare necesara vizualizarii lor

Necesitatea deNecesitatea de mariremarire ((magnificaremagnificare))



RezolutiaRezolutia

Vezi 2obiecteseparate??

Vezi 2obiecteseparate??



•Rezolutia unui microscop = cea mai mica distanta dintre douapuncte ale probei percepute ca separate in imagine.

•Rezolutia este determinata de lungimea de unda a radiatiei folosite.

•Criteriul Rayleigh

∆R = 0.61 λ / N.A.unde ∆R este rezolutia, λ – lungimea de unda a radiatiei folosite,N.A. – apertura numerica = sinusul a jumătate din unghiul de con cucare radiaiile care intră în lentilă

Rezolutia se obine prin folosirea unei lungimii de undă mai micasau prin cresterea cantitatii de date captate de la proba sau printr-omai mare N.A.

RezolutiaRezolutia



Microscopie

Microscoapele de scanare a probelor SPM – Microscopul de Forta Atomica AFM – Microscopul cu Efect de Tunelare STM

• Microscopul electronic de baleaj SEM

• Microscopul electronic de transmisie TEMFascicul deFascicul de

electronielectroni

Distanta constantaDistanta constanta

Curent constantCurent constant



Diferente

• In TEM electronii strabat proba de

grosime 50-1000 nm FASCICUL DEELECTRONI INCIDENTI CUDIAMETRU MARE (bulk beam)

• In SEM semnale emise de suprafataprobei groase FASCICUL DE

ELECTRONI INCIDENTI CUDIAMETRU MIC (narrow beam)



Constrangeri cu privire lautilizarea electronilor:

Vidul este esential (electronii cu energie moderata 60-200keV au in aer

un drum de numai cativa mm) Sistemul “optic” al electronilor necesita o lungime de ~1 m Probele nu trebuie sa fie ude sau volatile Absorbtia de electroni de catre un material depinde de densitatea

acestuia. Grosimea maxima este de < 500nm pentru electroni cu energia de

200kV.

Electronii au sarcina si interactioneaza puternic cu materia ionizand-o.

Daca electronii se acumuleaza pe proba

electronii incidenti vor firespinsi (mai ales in cazul SEM) Pentru a nu se mai acumula electronii proba se va acoperii cu depuneri

de carbon, aur, argint, etc. Fasciculul incident de electroni are o energie cinetica mare proba se

poate incalzi (pericol de alterare a probei).



Celule din sange

Bacterii

Structura celulelor din tesuturi animale

Microscopul cu o singura lentila

(Anton van Leeuwenhoek, 1670).

Lentile

Locul probei pe varful acului

Surubul pentru pozitionarea probei

Controlul focalizarii

Surubul pentru pozitionareamicroscopului



MicroscoapeMicroscoape electroniceelectronice::

19311931 -- Max KnollMax Knoll sisi Ernst RuskaErnst Ruska construiescconstruiesc primulprimulmicroscopmicroscop dede transmisietransmisie cucu electronielectroni..19331933 -- RuskaRuska construieconstruieşştete primulprimul microscopmicroscop dede transmisietransmisiecucu electronielectroni carecare depădepăşşeeşştete rezolurezoluiaia microscopuluimicroscopului opticoptic(are o(are o tensiunetensiune dede accelerareaccelerare de 75 kV)de 75 kV)

19341934 -- PrimaPrima micrografiemicrografie electronicaelectronica aa uneiunei probeprobebiologicebiologice..19371937 -- PrimulPrimul microscopmicroscop electronic deelectronic de baleiajbaleiaj..19391939 -- SiemensSiemens comercializeazacomercializeaza primulprimul microscopmicroscopelectronic deelectronic de transmisietransmisie..

……………………....19511951 -- PrimulPrimul ultraultra--microtonmicroton (Porter(Porter sisi Blum)Blum)19541954 -- PrimulPrimul cutitcutit cucu diamantdiamant (probe(probe subsubiriiri de 500de 500ÅÅ))………………………………………………..19831983 – – MicroscopMicroscop dede baleiajbaleiaj cu laser,cu laser, confocalconfocal..

19821982 – – SEM (SEM (curentcurent).).19861986 – – AFM (AFM (fortaforta).).



INTERACTIUNEA ELECTRONI-MATERIE







EnergiaEnergia electronilorelectronilor transmisitransmisi sausau elasticelastic imprastiatiimprastiati,, chiarchiar sisi celecele

difractatidifractati,, ramaneramane relativrelativ neschimbataneschimbata..

EnergiaEnergia unuiunui electronelectron imprastiatimprastiat inelasticinelastic esteeste intotdeaunaintotdeauna maimai micamica

decatdecat ceacea aa electronuluielectronului primarprimar..

ImprastiereImprastiere elasticaelastica

in probein probe amorfeamorfe

ImprastiereImprastiere elasticaelastica

in probein probe cristalinecristaline

ImprastiereImprastiere inelasticainelastica

in probein probe atomiceatomice









Proba cu numarul atomic 28Tensiunea de accelerare 20 kV




ProbaProba

ElectroniElectroni retroimprastiatiretroimprastiati

ElectroniElectroni secundarisecundari

ElectroniElectroni AugerAuger

ElectroniElectroni transmisitransmisi

Raze XRaze X

FononiFononi

TopografieTopografie sisi compozitiecompozitie

TopografieTopografie

StructuraStructura sisi compozitiecompozitie

CompozitieCompozitie

CompozitieCompozitie



SEM TEM

MicroscopieMicroscopie ElectronicaElectronica

Electroni

Electroni

Electronretroimprastiat

Electronisecundari

Fasciculprimar

Fasciculprimar

Nucleu

Nucleu

Electroni primari

Atomproba

Electroni nedeviati(transmisi)

Electronideviati elastic(unghi mare)

Electronideviatiinelastic

(unghimic)



MicroscopieMicroscopie ElectronicaElectronica



• Parte din electroni sunt imprastiatiatunci când trec prin seciuni subiri deproba

• Electronii transmisi sunt folositi pentru arealiza imaginea• Regiunile mai dense din probă,

imprastie electronii mai mult şi vorapare ca fiind mai întunecate

MicroscopieMicroscopie ElectronicaElectronica dede TransmisieTransmisie










1. Sistemul de iluminareTunul de electroniCondensatorii

2. Sistemul de formare a imaginii

Obiectivul3. Sistemul de proiectare

Lentile proiectoare4. Aperturile

Influenteaza formarea imaginii si aspectrului de difractie

InIn diferitediferite conditiiconditii dede magnificaremagnificare micamica sausau mare,mare, acelasiacelasi

componentcomponent poatepoate aveaavea altaalta functiefunctie

Selectare de zona (camp)ContrastApertura obiectiv

Focusarea imaginiiFocusarea difractieiLentilele pentru difractie

Focusarea difractieiFocusarea imaginiiLentilele obiectivului

Magnificare micaMagnificare mare



• Acelasi principiu ca microscopul optic• Apertura condensator opreşte electronii

deviati la unghi de mare primul pas în

îmbunătăirea contrastului.• Apertura obiectiv şi cea de zona (camp)selectat sunt opionale, dar pot spori

contrastul prin blocarea electronilordeviati cu unghi mare




• Avantaje:

– probe izolatoare (polimeri, ceramica, probebiologice)

– rezolutie foarte mare – imaginile pot fi obtinute direct

• Dezavantaje: – microscoape foarte scumpe – proba se incalzeste foarte tare si poate fi deteriorata

– se pot studia numai probe subtiri – nivelul de vid 10 -6 Torr – probele se pot vedea in proiectie




Sursa de electroni

Emisie termionica

Filament de W

Cristal de LaB6



Sursa de electroni



Centalitizarea

Filamentului

AliniereaTunului

Planeitatea

Tunului

Sursa de electroni



Drumul

electronilor





Rolul lentilelor condensatoare⇒ fasciculul

incident sa ajunga pe proba cat mai paralel

Lentilele condensatoare



Detectoarele microscopului• Pot fi obtinute două imagini

experimentale, functie de detectorulutilizat: – CAMP LUMINAT (BRIGHT FIELD - BF)

– CAMP INTUNECAT (DARK FIELD - DF)

• BF oferă informaii despre cantitatea de

electroni nedeviati• DF da informatii despre electronii deviati



• Faciculul incident

scanează proba• In acelaşi timp,fiecare detector,

înregistreazăsemnalul lor douăimagini

experimentalediferite darsimultane

Detectoarele microscopului





Imagine in camp intunecat• Având în vedere că

luminozitatea unui pixelcreşte cu numărul deprotoni din proba la unanumit timp, un

intensitatea luminoasaar trebui să dea o ideecalitativă despregrosimea relativă a

probei

Imagine in camp luminat



Imagine in camp luminat









Aliaj Al-Li-Cu

Spotul

central (x)este dat deelectroniitransmisi

Celelaltepuncte si liniisunt date de

electronii

difractati dediferite planecristaline dinproba



Carbon amorfMonocristal de Al

Au policristalin Si



MONOCRISTAL

TEXTURA PELETE

POLICRISTAL

Determinarea unei celule



Determinarea unei celule

elementare pentru un

cristal cubic nestiut



Prepararea probelor• Analog procedurilor de la microscopia

optica• Probele trebuie sa fie foarte subtiri• Probele trebuie sa fie fixate chimic si

acoperite cu un material cu multielectroni



• Pregatirea grosiera a probelor: – Probe mici montate pe site:

• depunere• spray-ere• rupere• sfaramare

– Taiere cu disc diamantat (optional montate apoi pe site)

– Dispozitive de macinare• Preparare intermediara: – Depunere in spatii - cavitati

• Prepararea fina: – Polizarea chimica

– electropolizarea – Ion thinning mill• PIMS: macinare foarte fina (SEM, suprafete foarte mici 1 X 1 µm2)• PIPS: polizare precisa cu ioni (la 4°) - inlaturarea rugozitatii suprafetei• Acoperirea cu masti epoxi sau actionarea pe suprafete usor atacabile chimic

Prepararea probelor





Proba bulk

Filme subtiri

Fibre si pulberi

Discuri(ϕ≤3mm)transparentela electroni

Imagine“prin” –vederegenerala

Imagine“paralela cusuprafata” –vedere insectiune Imagine “la

suprafata” –vedere inreflexie

Depunere pesite sau film

Transformarein bulk

Site



Site• Bare

• Mixte

• Pliabile

• Patrate

• Hexagonale

• Dimensiunea ochiurilor:

divisiuni/inch (50 – 1000)• Pot fi din Cu, Ni, Ti, Pt, Au,

Ag, etc.



Williams & Carter, 1996, Fig. 10-3



Aplicatii• Imagini ale retelelor cristaline

• Spectre de difractie de electroni• Pentru cristale foarte fine si mici⇒ structuri

cristaline

• In cazul imaginilor in proiectie este posibil sase observe morfologia particulelor foarte mici

• Poate fi studiata cristalinitatea interfetelor



Structura suprafetelorDoar din aceasta imagine nu se poate spune daca zonele mailuminoase sunt atomii sau spatiile dintre ei



Morfologia particulelor

8nm

25nm

Platinum metal particles on TiO2

TiO2 - Anatase





Amestec de oxizi de titan

cristalizati in rutil (sus) si

anatase (dreapta)



Segregare de faze intr-un aliaj de aluminiu:

Imagine BRIGHT FIELD (stanga) si imaginea de difractie pezona selectata (dreapta)

NanoparticNanoparticuulele CCoo



Co nanoparticles

7.8 ±1 nm

A

A

B

B

Monostratautoaranjat 2D

Monostratautoaranjat 2D

Multistratautoaranjat 3D

Multistratautoaranjat 3D

Modificareasuprafetei

60 nm60 nm

Interpretarea imaginilorInterpretarea imaginilor



p gp g

Vizualizarea atomilor/ defectelorVizualizarea atomilor/ defectelor


http://slidepdf.com/reader/full/tehnici-experiment-ale-pentru-nano-si-microstructuri-c5-7 65/70Vizualizarea atomilor/ defectelorVizualizarea atomilor/ defectelor


http://slidepdf.com/reader/full/tehnici-experiment-ale-pentru-nano-si-microstructuri-c5-7 66/70Vizualizarea atomilor/ defectelorVizualizarea atomilor/ defectelor


http://slidepdf.com/reader/full/tehnici-experiment-ale-pentru-nano-si-microstructuri-c5-7 67/70Vizualizarea atomilorVizualizarea atomilor


http://slidepdf.com/reader/full/tehnici-experiment-ale-pentru-nano-si-microstructuri-c5-7 68/70Prelucrarea imaginilorPrelucrarea imaginilor ⇒⇒⇒⇒⇒⇒⇒⇒ imagini 3Dimagini 3D


http://slidepdf.com/reader/full/tehnici-experiment-ale-pentru-nano-si-microstructuri-c5-7 69/70MicroscopieMicroscopie ElectronicaElectronica dede TransmisieTransmisie



• Morfologie – Dimensiunea, forma şi dispunerea particulelor

care alcătuiesc proba, precum şi relaia dintre ele,la scara atomica.• Informatii cristalografice

– Aranjamentul atomilor în proba şi de gradul lor deordonare, detectarea defectelor la scară atomică în zone de ordinul nanometrilor în diametru

• Informatii compozitionale – Elementele si compusii constituenti ai probei

precum si relatia dintre ei, pe suprafete de cativananometrii in diametru

Documents

Tehnici Experiment Ale Pentru Nano- Si Microstructuri -C5-7