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Tecniche microanalitiche X-EDS Tecniche microanalitiche X-EDS Pier Luigi Fabbri C.I.G.S. Università degli Studi di Modena e.

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Presentazione sul tema: "Tecniche microanalitiche X-EDS Tecniche microanalitiche X-EDS Pier Luigi Fabbri C.I.G.S. Università degli Studi di Modena e."— Transcript della presentazione:

1 Tecniche microanalitiche X-EDS Tecniche microanalitiche X-EDS Pier Luigi Fabbri C.I.G.S. Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia C entro I nterdipartimentale G randi S trumenti

2 Interazioni Elettroni-Materia P.L.Fabbri - C.I.G.S. C entro I nterdipartimentale G randi S trumenti Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia Le interazioni fra gli elettroni e la materia possono essere utilizzate per effettuare esperimenti in vari punti di un campione per ricavare informazioni morfologiche, composizionali e strutturali. I risultati di ogni esperimento possono essere riportati su una griglia bidimensionale correlata con la posizione del fascio.

3 Interazioni Elettroni-Materia P.L.Fabbri - C.I.G.S. C entro I nterdipartimentale G randi S trumenti Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia Se siamo in grado di produrre un fascio di elettroni collimato, lo facciamo muovere in modo ordinato sulla superficie del campione da esaminare e riusciamo, in qualche modo, di misurare gli effetti che si producono, saremo in grado di visualizzare i risultati degli esperimenti puntuali in forma di immagine. S canning E lectron M icroscope

4 SEM P.L.Fabbri - C.I.G.S. C entro I nterdipartimentale G randi S trumenti Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia SED BSD SED + BSD Al K Si Al SED-BSD SED+BSD

5 SEM P.L.Fabbri - C.I.G.S. C entro I nterdipartimentale G randi S trumenti Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia Control Unit SED BSD CLD X-EDS SCD EBIC.… Frame Buffer HT Lens Fil. Vac..... HVP LVP

6 Qual’e’ il maggior pregio di un SEM ? SEM P.L.Fabbri - C.I.G.S. C entro I nterdipartimentale G randi S trumenti Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia La capacita’ di rimpicciolire un oggetto !! Tanto piu’ piccole saranno le dimensioni del fascio elettronico sul campione tanto maggiori saranno i dettagli di informazione che riusciremo a ricavare. Importanti saranno, a questo scopo, sia la bonta’ delle lenti elettroniche ma anche le caratteristiche della sorgente

7 L’ggetto da rimpicciolire e’ l’immagine del filamento ( 1 o crossover ) SEM P.L.Fabbri - C.I.G.S. C entro I nterdipartimentale G randi S trumenti Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia Tanto piu’ piccole sono le dimesioni della zona di emissione, tanto piu’ facile sara’ ottenere uno spot piccolo sul campione. First crossover Tanto piu’ alta e’ la corrente che si riesce ad avere nel 1 o crossover, tanto piu’ sara’ intenso il fascio sul campione Queste due proprieta’ della sorgente si riassumono in un unica proprieta’ detta BRILLANZA

8 Comparazione fra varie sorgenti per SEM SEM P.L.Fabbri - C.I.G.S. C entro I nterdipartimentale G randi S trumenti Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia Tungsten filament LaB 6 Schottky (TF)Field Emission Apparent Source Size 100 micrometers 5 micrometers <100 Angstroms Brightness 1 A/cm 2 steradian A/cm 2 steradian A/cm 2 steradian A/cm 2 steradian Vacuum Required Torr10 -6 Torr10 -8 Torr10 -9 Torr Costo e complessita’

9 SEM P.L.Fabbri - C.I.G.S. C entro I nterdipartimentale G randi S trumenti Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia Scelta delle condizioni operative Una serie di domande senza … risposta !.... Quale Rivelatore ?.... Quale tensione di accelerazione ?.... Quale spot-size ?.... Quale distanza di lavoro ?.... Quale apertura finale ?

10 SEM P.L.Fabbri - C.I.G.S. C entro I nterdipartimentale G randi S trumenti Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia Rivelatore SED ( Secondary Electron Detetctor ) Informazioni prevalentemente morfologiche

11 SEM P.L.Fabbri - C.I.G.S. C entro I nterdipartimentale G randi S trumenti Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia Rivelatore BSD ( Backscattered Electron Detetctor ) Informazioni prevalentemente composizionali

12 SEM P.L.Fabbri - C.I.G.S. C entro I nterdipartimentale G randi S trumenti Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia A B Rivelatore BSD ( doppio rivelatore ) A-B A+B

13 SEM P.L.Fabbri - C.I.G.S. C entro I nterdipartimentale G randi S trumenti Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia SED 25Kv SED 5Kv HT - Morfologia superficiale 50 Mic.

14 SEM P.L.Fabbri - C.I.G.S. C entro I nterdipartimentale G randi S trumenti Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia BSD / SED / HT - informazioni di bulk BSD 25Kv BSD 12Kv SED 12KvSED 25Kv

15 SEM P.L.Fabbri - C.I.G.S. C entro I nterdipartimentale G randi S trumenti Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia Miglior risoluzione ?? SPOT > Ip > S/N >>> Peggioramento della qualita’ della immagine Spot size (corrente di fascio) Spot 3 Spot 6 Slow Scan

16 SEM P.L.Fabbri - C.I.G.S. C entro I nterdipartimentale G randi S trumenti Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia Effetti della distanza di lavoro WD 9 mm WD 31mm. WD

17 X- EDS P.L.Fabbri - C.I.G.S. C entro I nterdipartimentale G randi S trumenti Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia Generazione di raggi X per impatto elettronico Sistemi di rilevazione Artefatti dovuti al sistema di misura Effetti dovuti ai parametri del fascio elettronico Analisi Quantitative e Semiquantitative

18 X-EDS P.L.Fabbri - C.I.G.S. C entro I nterdipartimentale G randi S trumenti Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia Es. : materiale di densità 2.5 g.cm 3 bombardato con fascio elettronico di energia 15Kv la penetrazione sarà di ~2.3 µm. …more

19 X- EDS P.L.Fabbri - C.I.G.S. C entro I nterdipartimentale G randi S trumenti Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia Scattering anelastico Scattering elastico Elettroni retrodiffusi Elettroni diffratti Emisione di radiazione X Emissione di elettroni Auger

20 X- EDS P.L.Fabbri - C.I.G.S. C entro I nterdipartimentale G randi S trumenti Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia La generazione di un fotone X è un evento che si produce in tre fasi : 1) Scattering anelastico con ionizzazione di un elettrone da una shell interna ( es. K ) 2) L’atomo, dallo stato eccitato in cui si trova,ritorna all’equilibrio tramite lo spostamento di un elettrone da una shell più esterna ( es. L ) che va ad occupare la vacanza che si era creata nello strato più interno. 3) Contemporaneamente si ha l’emissione di un fotone X con energia corrispondente alla differenza dei due livelli energetici coinvolti oppure la emissione di un altro elettrone da un orbitale più esterno con energia cinetica caratteristica.

21 X- EDS P.L.Fabbri - C.I.G.S. C entro I nterdipartimentale G randi S trumenti Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia Maggiore e’ il numero atomico Z maggiore Sara’ il numero di elettroni che andranno a popolare gli strati ( shells ) K L M N a loro volta suddivisi in sottostrati ognuno dei quali caratterizzato da un livello energetico CARATTERISTICO dell’ atomo in questione

22 X- EDS P.L.Fabbri - C.I.G.S. C entro I nterdipartimentale G randi S trumenti Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia Righe K

23 X- EDS P.L.Fabbri - C.I.G.S. C entro I nterdipartimentale G randi S trumenti Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia Righe L

24 X- EDS P.L.Fabbri - C.I.G.S. C entro I nterdipartimentale G randi S trumenti Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia Righe L

25 X- EDS P.L.Fabbri - C.I.G.S. C entro I nterdipartimentale G randi S trumenti Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia Fondo o bremsstrahlung

26 X- EDS P.L.Fabbri - C.I.G.S. C entro I nterdipartimentale G randi S trumenti Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia Elettroni Auger

27 X- EDS P.L.Fabbri - C.I.G.S. C entro I nterdipartimentale G randi S trumenti Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia Resa di fluorescenza

28 X- EDS P.L.Fabbri - C.I.G.S. C entro I nterdipartimentale G randi S trumenti Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia Intensita’ del fondo continuo Intensita’ di una riga caratteristica

29 X- EDS P.L.Fabbri - C.I.G.S. C entro I nterdipartimentale G randi S trumenti Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia

30 X- EDS P.L.Fabbri - C.I.G.S. C entro I nterdipartimentale G randi S trumenti Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia Spettro EDS

31 Detector EDS Energy Dispersive Spectroscopy Dewar e dito freddo ( LN 2 ) Rivelatore Si ( Li )

32 X- EDS P.L.Fabbri - C.I.G.S. C entro I nterdipartimentale G randi S trumenti Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia Rivelazione dei raggi X Nei sistemi di EDS si usano dei rivelatori a stato solido ( Si o Ge ) per rivelare misurare e contare i fotoni X uscenti dal campione. Il detector vero e proprio consiste in un cristallo di silicio purissimo le cui impurezze residue sono state neutralizzate da atomi di Litio al fine di avere un volume sufficientemente esteso in cui il cristallo si comporta come un misuratore proporzionale, cioè un fotone di energia Ex produce un numero ben preciso di cariche proporzionale alla sua energia. …animazione

33 X- EDS P.L.Fabbri - C.I.G.S. C entro I nterdipartimentale G randi S trumenti Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia Rivelazione dei raggi X Occorrono 3.8eV per produrre una coppia di cariche elettrone-lacuna

34 X- WDS Wavelenght Dispersive Sepctroscopy P.L.Fabbri - C.I.G.S. C entro I nterdipartimentale G randi S trumenti Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia Rivelazione dei raggi X tramite misuara della lunghezza d’onda

35 X- WDS Wavelenght Dispersive Sepctroscopy P.L.Fabbri - C.I.G.S. C entro I nterdipartimentale G randi S trumenti Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia Rivelazione dei raggi X tramite misuara della lunghezza d’onda

36 X- WDS Wavelenght Dispersive Sepctroscopy P.L.Fabbri - C.I.G.S. C entro I nterdipartimentale G randi S trumenti Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia Rivelazione dei raggi X tramite misuara della lunghezza d’onda

37 X- WDS Wavelenght Dispersive Sepctroscopy P.L.Fabbri - C.I.G.S. C entro I nterdipartimentale G randi S trumenti Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia Rivelazione dei raggi X tramite misuara della lunghezza d’onda

38 WDS / EDS P.L.Fabbri - C.I.G.S. C entro I nterdipartimentale G randi S trumenti Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia CharacteristicWD crystal spectrometerED spectrometer Efficiency of X-ray collection Low - typical solid angle around steradians Higher - typically steradians.* ED detectors can be placed near the sample Resolution Good - depends on crystal, but typically of the order of 5-10eV Energy dependent - typically 133eV (5.9keV) Limit of detection <0.01%. Depending on matrix and element can be as low as parts per million Typically % Speed of analysis Slow - only one element can be analyzed at any one time by one crystal- Serial detection Fast - all elements are effectively analyzed simultaneously- Parallel detection Quantitative analysis Easy - measure peak minus backgroundComplex - algorithms needed for peak deconvolution and background subtraction

39 X- EDS P.L.Fabbri - C.I.G.S. C entro I nterdipartimentale G randi S trumenti Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia Artefatti del sistema di rivelazione Un altro tipico artefatto che si può presentare in presenza di un alto numero di conteggi quando si abbia una riga caratteristica particolarmente intensa è il cosiddetto escape peak cioè picco di fuga. Esiste una certa probabilità che un fotone X induca la ionizzazione di un atomo di Si con emissione di un fotone secondario SiK il quale invece di produrre ulteriori coppie di cariche dentro al cristallo, esce dal rivelatore; questo effetto produrrà quindi un picco secondario ad energia Ex-1.74 Kv, quindi facilmente identificabile. Lo spettro è relativo a un campione di SiO2 raccolto con 20kcps in ingresso al rivelatore. Un così alto count rate ha reso sufficientemente probabile la formazione di picchi somma che sono facilmente individuabili se si espande la scala verticale come in questo caso Si +SiSi +O

40 X- EDS P.L.Fabbri - C.I.G.S. C entro I nterdipartimentale G randi S trumenti Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia Analisi quantitativa e semiquantitativa Il campione nella zona di analisi ha una superficie piana e una distribuzione uniforme degli elementi nel volume di interazione. In queste condizioni è possibile eseguire anche analisi quantitative con notevole precisione. Gli algoritmi di calcolo sono in grado, se sono rispettate queste condizioni, di applicare alle intensità misurate le necessarie correzioni dovute agli effetti di matrice anche in assenza di standards. La inclusione di Fe può essere analizzata ma lo spettro avrà un notevole contributo del substrato di BaF2. Riducendo la energia degli elettroni la discriminazione fra le due fasi può essere migliorata anche se non ridotta del tutto. In questo modo si possono ottenere informazioni semiquantitative sia sulla composizione della particella sia sulle sue dimensioni.

41 X- EDS P.L.Fabbri - C.I.G.S. C entro I nterdipartimentale G randi S trumenti Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia Analisi quantitativa e semiquantitativa Il campione nella zona di analisi ha una superficie che presenta scabrosità dello stesso ordine di dimensioni del volume di generazione. In questo caso lo spettro potrebbe contenere un contributo anche da parte della particella di Fe e, a causa dell’autoassorbimento si avrà una sottostima del F nei confronti del Ba che potrebbe non permettere la corretta identificazione della composizione. In questa situazione potrebbe addirittura non essere sufficiente diminuire la energia degli elettroni per discriminare completamente le due fasi a causa della eccitazione della fase BaF2 da parte di elettroni diffusi

42 SEM-EDS P.L.Fabbri - C.I.G.S. C entro I nterdipartimentale G randi S trumenti Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia BSD ? 25Kv !?! 2 Kv ???? SED ? WD ???? HELP !!!!


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