analýza vrstev pomocí elektronové spektroskopie a...
Post on 20-Mar-2020
10 Views
Preview:
TRANSCRIPT
Elektronovéspektroskopie
Pavel Soucek
SEM
TEM
EDX (EDS)
WDX a AES
XPS
Záver
Analýza vrstev pomocí elektronovéspektroskopie a podobných metod
Pavel Soucek
1. 4. 2010
1/23
Elektronovéspektroskopie
Pavel Soucek
SEM
TEM
EDX (EDS)
WDX a AES
XPS
Záver
Obsah
SEM
TEM
EDX (EDS)
WDX a AES
XPS
Záver
2/23
Elektronovéspektroskopie
Pavel Soucek
SEM
TEM
EDX (EDS)
WDX a AES
XPS
Záver
Scanning Electron Microscopy
I metoda analýzy textury povrchu, chemického složení akrystalové struktury[1]
I využívá svazek vysokoenergetických elektronu, kterédopadají na vzorek, kde ztrácejí energii a vyvolávajíodezvu ve forme nekolika druhu meritelného signálu
I sekundární elektrony, zpetne odražené elektrony,charakteristické rentgenové zárení a zárení ve viditelnéoblasti (katodoluminiscence)
SEM 3/23
Elektronovéspektroskopie
Pavel Soucek
SEM
TEM
EDX (EDS)
WDX a AES
XPS
Záver
Sekundární elektrony
I elektrony emitovanéozáreným vzorkem, majíenergii 0 až 50 eV
I kvuli jejich nízké energii semužou uvolnovat jen ztenké vrstvy pod povrchemvrstvy (3 – 10 nm)[2]
I detekce sekundárníchelektronu není obtížná,obsahují informaci otopografii povrchu, uvhodných vzorku obsahují iinformaci o chemickémsložení, elektrických imagnetických polích
I mužeme dosáhnoutrozlišení až 1 nm
SEM 4/23
Elektronovéspektroskopie
Pavel Soucek
SEM
TEM
EDX (EDS)
WDX a AES
XPS
Záver
Zpetne odražené elektrony
I elektrony, které opouštejí vzorek s energií 50 eV až senergií dopadajícího svazku
I dopadající elektrony, které byly ve vzorku rozptýleny oúhel blížící se 180◦
I výtežnost zpetne odražených elektronu silne závisí naprotonovém císle prvku vzorku a proto se zobrazenípomocí zpetne odražených elektronu používá pro zjištenípovrchového složení vzorku vzhledem k protonovémucíslu
I detekce zpetne odražených elektronu je vzhledem k jejichvýrazne vyšší energii obtížnejší
I detektor tak musí být umísten ve vhodné pozici nadvzorkem a musí být dostatecne velký, aby pochytil conejvetší cást elektronu
SEM 5/23
Elektronovéspektroskopie
Pavel Soucek
SEM
TEM
EDX (EDS)
WDX a AES
XPS
Záver
Porovnání SE a BSE
1
1http://pubs.er.usgs.gov/SEM 6/23
Elektronovéspektroskopie
Pavel Soucek
SEM
TEM
EDX (EDS)
WDX a AES
XPS
Záver
Mikroskop
I skládá se ze zdroje elektronu (nejcasteji elektronové delose žhavenou wolframovou katodou), elektronové optiky,držáku vzorku a jednoho nebo více detektorupožadovaného signálu
I elektronová optika se skládá ze zhušt’ovacích cívek, kteréelektrony emitované ze zdroje usmernují do jednohosmeru, objektivových cívek, které zaostrují elektronovýsvazek na velmi malou plochu a skenovacích cívek, kteréumožnuji vychylování paprsku a tedy skenování vzorku
I celý systém je z duvodu použití žhaveného elektronovéhozdroje a nutnosti vést elektronový svazek pod vakuem
SEM 7/23
Elektronovéspektroskopie
Pavel Soucek
SEM
TEM
EDX (EDS)
WDX a AES
XPS
Záver
Mikroskop II
SEM 8/23
Elektronovéspektroskopie
Pavel Soucek
SEM
TEM
EDX (EDS)
WDX a AES
XPS
Záver
Transmission Electron Microscopy
I metoda analýzy struktury, složení a krystalové strukturyvzorku[1]
I elektronový svazek interaguje s velmi tenkým vzorkemI kontrast je zpusoben jednak (pri nižším zvetšení) absorpcí
elektronu ve vzorku, jednak (pri vyšším zvetšení)komplexními vlnovými interakcemi mezi elektrony avzorkem
I dva zobrazovací mody - obrazový a difrakcní
TEM 9/23
Elektronovéspektroskopie
Pavel Soucek
SEM
TEM
EDX (EDS)
WDX a AES
XPS
Záver
Obrázky
a
ahttp://www.temwindows.com/default.asp
a
ahttp://spie.org/x17488.xml?ArticleID=x17488
TEM 10/23
Elektronovéspektroskopie
Pavel Soucek
SEM
TEM
EDX (EDS)
WDX a AES
XPS
Záver
Mikroskop
2
2FULTZ, B., HOWE, J.M. Transmission Electron Microscopy andDifractometry of Materials
TEM 11/23
Elektronovéspektroskopie
Pavel Soucek
SEM
TEM
EDX (EDS)
WDX a AES
XPS
Záver
Energy-dispersive X-ray Spectroscopy
I kvalitativní i kvantitativnímetoda analýzychemického složení[3]
I na základe detekcecharakteristickéhorentgenového zárenívydávaného vzorkem
I zárení bud’ opouštíelektronový obal bez dalšíinterakce a mužedopadnout do detektoru,nebo muže dále svouenergii predat elektronu najiné hladine a ten vyrazit(Augerovský elektron)
EDX (EDS) 12/23
Elektronovéspektroskopie
Pavel Soucek
SEM
TEM
EDX (EDS)
WDX a AES
XPS
Záver
Prístroj
I rentgenové paprsky unikajív porovnání se zpetnéodraženými, sekundárnímia Augerovskými elektrony znejvetší hloubky materiálu,proto se používá tatometoda na merení složeníobjemu
I nemužeme detekovat prvkylehcí než berylium
I problémem je prekrývánícar ruzných prvku, to jeobzvlášte patrné, pokud jdeo cáry vznikající priprechodu elektronu zruzných energiovýchslupek[4]
EDX (EDS) 13/23
Elektronovéspektroskopie
Pavel Soucek
SEM
TEM
EDX (EDS)
WDX a AES
XPS
Záver
Merení
μm100 200 300 4000
μm100 200 300 4000
μm100 200 300 4000
0
20
40
60C Kα
2
1
0
Si Kα
400
600
200
0
Ti Kα
EDX (EDS) 14/23
Elektronovéspektroskopie
Pavel Soucek
SEM
TEM
EDX (EDS)
WDX a AES
XPS
Záver
Wavelength Dispersive X-ray Spectroscopy
I princip je stejný jako EDXI rentgenové zárení prochází filtrem pro jednu specifickou
vlnovou délku a tedy merení probíhá vždy jen pro jednuvlnovou délku[3]
I merení tak tedy trvá mnohem déle a nehodí se prokvalitativní zjišt’ování složení vzorku
I výhodou je však mnohem vyšší citlivost oproti EDX(rádove až 10 ppm) a mnohem vyšší rozlišovacíschopnost jednotlivých píku
WDX a AES 15/23
Elektronovéspektroskopie
Pavel Soucek
SEM
TEM
EDX (EDS)
WDX a AES
XPS
Záver
Auger Electron Spectroscopy
I Augerovské elektrony jsou jedním ze signálu vystupujícíchze vzorku po ozárení vysokoenergetickými elektrony
I strední volná dráha Augerovských elektronu je velmi malá(0,1 - 2 nm), proto je tato metoda povrchová[5]
I energie Augerovských elektronu je, stejne jako energiecharakteristického rentgenového zárení, charakteristickápro každý prvek
WDX a AES 16/23
Elektronovéspektroskopie
Pavel Soucek
SEM
TEM
EDX (EDS)
WDX a AES
XPS
Záver
X-ray Photoelectron Spectroscopy
I metoda kvantitativníanalýzy chemickéhosložení, empirickéhovzorce, chemického aelektronového stavu prvkuprítomných ve vzorku[6]
I založena na fotoefektu,konkrétne merení kinetickéenergie elektronu, kteréjsou dopadajícímrentgenovým zárenímvyraženy z hluboké slupkyprvku
valenční pás
1s
2s
2p
3s3d3p
energie vakua
hυ
E = hυ - E2sK
XPS 17/23
Elektronovéspektroskopie
Pavel Soucek
SEM
TEM
EDX (EDS)
WDX a AES
XPS
Záver
Jednotky
I kinetická energiefotoelektronu je všakzávislá na energiidopadajícího rentgenovéhozárení a není tak pouzevlastností materiálu
I v praxi se uvádí vazebnáenergie, která jecharakteristikou orbitalu, zekterého elektron pochází
I EB = hν − EK − Φ
I kde EB je vazebná energie,hν je energie dopadajícíhorentgenového zárení, EK jekinetická energie elektronua Φ je prístrojová funkce[7]
XPS 18/23
Elektronovéspektroskopie
Pavel Soucek
SEM
TEM
EDX (EDS)
WDX a AES
XPS
Záver
Možnosti
I mužeme merit všechnyprvky krome vodíku a helia
I fotoelektrony se ze vzorkuuvolnují jen, pokud jsouvyraženy v hloubcepribližne do 10 nm
I nejvyšší dosažitelnérozlišení je približne100 ppm, v praxi sepohybuje spíše v rádu1000 ppm
I problémem je pri merenínevodivých vzorku jejichnabíjení
XPS 19/23
Elektronovéspektroskopie
Pavel Soucek
SEM
TEM
EDX (EDS)
WDX a AES
XPS
Záver
Prístroj
I XPS spektrometr seskládá ze zdrojerentgenovéhozárení, držákuvzorku, elektronovéoptiky, analyzátoruenergie elektronu adetektoru elektronu
I systém pracuje priUHV podmínkách —10−7 až 10−9 Pa
XPS 20/23
Elektronovéspektroskopie
Pavel Soucek
SEM
TEM
EDX (EDS)
WDX a AES
XPS
Záver
Záverecný prehled
I struktura — SEM (SE), TEMI složení objemové — EDX, WDXI složení povrchové — SEM (BSE), AES, XPS
Záver 21/23
Elektronovéspektroskopie
Pavel Soucek
SEM
TEM
EDX (EDS)
WDX a AES
XPS
Záver
Literatura I
AMELINCKX, S. et al. Electron microscopy: Principles andFundamentals. Weinheim: VCH, 1997. 515 s. ISBN3-527-29479-1
SWAPP, S. Scanning electron microscopy (SEM) [online],2009. [Cit. 2009-6-10]. Dostupné na:<http://serc.carleton.edu/18401 >
HAFFNER, B. Energy Dispersive Spectroscopy on theSEM: A Primer [online], 2007. [Cit 2010-21-1]. Dostupnéna: <http://www.charfac.umn.edu/ instruments/eds_on_sem_primer.pdf>
GOODGE, J. Energy-dispersive detector [online], 2009.[Cit. 2009-6-10]. Dostupné na:<http://serc.carleton.edu/18414 >
Záver 22/23
Elektronovéspektroskopie
Pavel Soucek
SEM
TEM
EDX (EDS)
WDX a AES
XPS
Záver
Literatura II
DARRELL, H. Wavelength-Dispersive X-Ray Spectroscopy(WDS) [online], 2010. [Cit. 2010-21-1]. Dostupné na: <http://serc.carleton.edu/ research_education/geochemsheets/ wds.html>
NIX, R. 5.3 Photoelectron Spectroscopy [online], 2009.[Cit. 2009-7-10]. Dostupné na: <http://www.chem.qmul.ac.uk/ surfaces/ scc/ scat5_3.htm >
VIJ, D. R. Handbook of Applied Solid State Spectroscopy.New York: Springer Science+Business Media, 2006. 741 s.ISBN 0-387-32497-6
Záver 23/23
top related