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Corso di Microscopia Elettronica a Scansione P.L. Fabbri – M. Tonelli S S canning E E lectron M M icroscopy.

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Presentazione sul tema: "Corso di Microscopia Elettronica a Scansione P.L. Fabbri – M. Tonelli S S canning E E lectron M M icroscopy."— Transcript della presentazione:

1 Corso di Microscopia Elettronica a Scansione P.L. Fabbri – M. Tonelli S S canning E E lectron M M icroscopy

2 Interazione tra fascio elettronico e campione Corso di Microscopia Elettronica a Scansione P.L. Fabbri – M. Tonelli

3 Interazione tra fascio elettronico e campione Informazioni morfologiche Informazioni compositive Informazioni miste Proprietá fisiche Corso di Microscopia Elettronica a Scansione P.L. Fabbri – M. Tonelli

4 Rivelatore per raggi X Corso di Microscopia Elettronica a Scansione P.L. Fabbri – M. Tonelli Viene sfruttata l’interazione tra raggi X ed il rivelatore a semiconduttore (Si drogato con Li). Il fotone genera nel cristallo coppie elettrone- lacuna ed il loro numero sara’ proporzionale all’energia del raggio X. Le coppie elettrone-lacuna vengono separate da un campo elettrico e generano un segnale elettrico che viene poi amplificato e trattato successivamente. Rivelatore ed elettronica devono essere raffreddati con Azoto liquido (-195°C) per ridurre il rumore di fondo.

5 Rivelatore per raggi X Corso di Microscopia Elettronica a Scansione P.L. Fabbri – M. Tonelli Per generare una coppia a -195°C basta un’energia di 3.8 eV. Un atomo di Ferro puo’ emettere raggi X con energia di 6.39 KeV, in grado quindi di generare circa 1680 coppie. L’ intensita’ del segnale elettrico sara’ proporzionale al numero di coppie, quindi all’energia del raggio X incidente. Tutti i segnali verranno registrati e suddivisi in base alla loro intensita’. Il raggio X genera un numero di coppie elettrone-lacuna proporzionale alla propria energia.

6 Rivelatore per raggi X Corso di Microscopia Elettronica a Scansione P.L. Fabbri – M. Tonelli Registro MULTICANALE Ad ogni canale e’ associato un contatore Se lascio proseguire la misura aumento il numero dei conteggi in ogni canale e miglioro la statistica

7 Rivelatore per raggi X Corso di Microscopia Elettronica a Scansione P.L. Fabbri – M. Tonelli Questo sistema divide i raggi X raccolti in base alla loro energia e lo spettro che si ricava e’ un istogramma dove in ascisse abbiamo l’energia di ogni raggio ed in ordinata il numero di raggi raccolti con quella energia.

8 Rivelatore EDS per raggi X Corso di Microscopia Elettronica a Scansione P.L. Fabbri – M. Tonelli Il rivelatore deve essere mantenuto alla temperatura dell’azoto liquido (-195°C) ed essere protetto da una finestra sottile di Berillio o polimerica.

9 Rivelatore EDS per raggi X Corso di Microscopia Elettronica a Scansione P.L. Fabbri – M. Tonelli

10 Rivelatore EDS per raggi X Corso di Microscopia Elettronica a Scansione P.L. Fabbri – M. Tonelli ElementoTipo emissione Energia (KeV) CKαKα0.28 OKαKα0.53 SiKαKα1.74 FeLαLα0.70 LβLβ0.72 KαKα6.40 (6.39) KβKβ7.06 NiLαLα0.85 LβLβ0.87 KαKα7.48 (7.46) KβKβ8.26 CuLαLα0.93 LβLβ0.95 KαKα8.05 (8.03) KβKβ8.91

11 Rivelatore EDS per raggi X Corso di Microscopia Elettronica a Scansione P.L. Fabbri – M. Tonelli BeBCNOFNa Energia K-alfa (KeV) Tipo di finestra Berillio UTW SUTW Percentuali di trasmissivita’ per elementi a basso numero atomico con diverse “finestre”

12 Rivelatore EDS per raggi X Corso di Microscopia Elettronica a Scansione P.L. Fabbri – M. Tonelli Ogni picco ha un’ ampiezza in energia che definisce la risoluzione del rivelatore. Viene presa come riferimento l’ ampiezza a meta’ altezza del picco dovuto all’ emissione K-alfa del Manganese e del Fluoro.

13 Rivelatore EDS per raggi X Corso di Microscopia Elettronica a Scansione P.L. Fabbri – M. Tonelli La generazione di coppie elettrone-lacuna e’ comunque un fenomeno di natura statistica.

14 Rivelatore EDS per raggi X Corso di Microscopia Elettronica a Scansione P.L. Fabbri – M. Tonelli ElementoTipo emissione Energia (KeV) Fe LαLα0.70 LβLβ0.72 KαKα6.40 (6.39) KβKβ7.06 Ni LαLα0.85 LβLβ0.87 KαKα7.48 (7.46) KβKβ8.26 Cu LαLα0.93 LβLβ0.95 KαKα8.05 (8.03) KβKβ8.91

15 Rivelatore EDS per raggi X Corso di Microscopia Elettronica a Scansione P.L. Fabbri – M. Tonelli ElementoTipo emissioneEnergia (KeV) SKαKα2.30 KβKβ2.46 MoLαLα2.29 LβLβ2.39 CrKαKα5.41 KβKβ5.95 MnKαKα5.89 KβKβ6.49 La risoluzione del rivelatore comporta effetti di sovrapposizione tra i picchi di elementi diversi.

16 Sensibilita’ del rivelatore EDS Corso di Microscopia Elettronica a Scansione P.L. Fabbri – M. Tonelli Il raggio X genera un numero di coppie elettrone-lacuna proporzionale alla propria energia. La concentrazione di ciascun elemento determina il numero di raggi X con energia caratteristica.

17 Tempo “morto” Corso di Microscopia Elettronica a Scansione P.L. Fabbri – M. Tonelli La catena: raggio X-coppie elettrone/lacuna-misura del segnale elettrico-conteggio dei segnali (suddivisi in base alla loro intensita’) comporta un tempo nell’ordine delle centinaia di micro-secondi. In questo intervallo di tempo il rivelatore non e’ in grado di elaborare altri raggi X. Il numero di raggi X in arrivo dovra’ tener conto di questo tempo “morto”, ovvero occorre lavorare con un corretto numero di conteggi al secondo.

18 Tempo “morto” – Process Time Corso di Microscopia Elettronica a Scansione P.L. Fabbri – M. Tonelli Process Time BREVE Elettronica “veloce” Process Time LUNGO Elettronica “lenta” Basso tempo morto Alto numero di conteggi Peggiora la risoluzione Alto tempo morto Basso numero di conteggi Migliora la risoluzione

19 Informazioni compositive qualitative Corso di Microscopia Elettronica a Scansione P.L. Fabbri – M. Tonelli - energia elettroni - densitá campione - angolo fra fascio e campione ≈ micron ! controllare la “provenienza” del segnale !

20 Informazioni compositive quantitative Corso di Microscopia Elettronica a Scansione P.L. Fabbri – M. Tonelli Basata sul confronto delle intensità con campioni standard di riferimento Richiede correzioni per differente peso atomico, assorbimento e fluorescenza indotta Occorre considerare la geometria del campione rispetto al rivelatore

21 Informazioni compositive quantitative Corso di Microscopia Elettronica a Scansione P.L. Fabbri – M. Tonelli La composizione del campione ha effetto sullo spettro X (effetti di matrice) e devo applicare delle correzioni. ZAF corrections (Z) Atomic number (A) Absorption (F) Fluorescence Atomic Number Corrections L’intensitá dei raggi X diminuisce con Z per effetto della retro-diffusione.

22 Informazioni compositive quantitative Corso di Microscopia Elettronica a Scansione P.L. Fabbri – M. Tonelli La composizione del campione ha effetto sullo spettro X (effetti di matrice) e devo applicare delle correzioni. ZAF corrections (Z) Atomic number (A) Absorption (F) Fluorescence Absorption Corrections I raggi X generati ad una certa profonditá rischiano di venire assorbiti durante il percorso per uscire dal campione verso il rivelatore. La funzione di distribuzione dell’intensitá dei raggi X in funzione della profonditá cambia poco al cambiare degli elementi che compongono il campione.

23 Informazioni compositive quantitative Corso di Microscopia Elettronica a Scansione P.L. Fabbri – M. Tonelli La composizione del campione ha effetto sullo spettro X (effetti di matrice) e devo applicare delle correzioni. ZAF corrections (Z) Atomic number (A) Absorption (F) Fluorescence Fluorescence Corrections I raggi X vengono generate dalle collisioni tra elettroni ed atomi, ma possono nascere anche per effetto di altri raggi X piú energetici.

24 Informazioni compositive (semi)quantitative Corso di Microscopia Elettronica a Scansione P.L. Fabbri – M. Tonelli 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.

25 Informazioni compositive (semi)quantitative Corso di Microscopia Elettronica a Scansione P.L. Fabbri – M. Tonelli 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’auto-assorbimento 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.

26 Informazioni compositive (semi)quantitative Corso di Microscopia Elettronica a Scansione P.L. Fabbri – M. Tonelli Intensita’ del fondo continuo Intensita’ di una riga caratteristica

27 Informazioni compositive (semi)quantitative Corso di Microscopia Elettronica a Scansione P.L. Fabbri – M. Tonelli

28 Informazioni compositive (semi)quantitative Corso di Microscopia Elettronica a Scansione P.L. Fabbri – M. Tonelli Apparent Concentration = Intensity A* (wt.% Astd) / Intensity element Astd concentrazione in prima approssimazione senza correzioni di matrice k ratio Intensity A*/Intensity Astd Intensity correction rapporto fra fattori di matrice sul campione e sullo standard. Idealmente 1.0, nella pratica varia nel range 0.8 to 1.2. Weight % concentrazione in peso (dopo le correzioni di matrice) Wt % = Apparent conc./Intensity correction (normalizzato a 100) Weight % Sigma errore statistico Atomic % concentrazione atomica, Atomic % = Wt. %/Atomic wt.(normalizzata a 100)

29 Artefatti Corso di Microscopia Elettronica a Scansione P.L. Fabbri – M. Tonelli Sum peak Escape peak

30 Mappature a raggi X Corso di Microscopia Elettronica a Scansione P.L. Fabbri – M. Tonelli

31 Mappature a raggi X Corso di Microscopia Elettronica a Scansione P.L. Fabbri – M. Tonelli

32 Mappature a raggi X Corso di Microscopia Elettronica a Scansione P.L. Fabbri – M. Tonelli

33 Corso di Microscopia Elettronica a Scansione P.L. Fabbri – M. Tonelli

34 Mappature a raggi X Corso di Microscopia Elettronica a Scansione P.L. Fabbri – M. Tonelli Process Time BREVE Elettronica “veloce” Basso tempo morto Alto numero di conteggi Peggiora la risoluzione

35 Mappature a raggi X Parametri di raccolta Elemento-picco Tempo morto-Process time Numero di conteggi “Dwell time” Numero di pixels Parametri del microscopio Intensita’ del fascioelettronico Zona da mappare Ingrandimento Corso di Microscopia Elettronica a Scansione P.L. Fabbri – M. Tonelli

36 Corso di Microscopia Elettronica a Scansione P.L. Fabbri – M. Tonelli Rivelazione dei raggi X tramite la misura della loro lunghezza d’onda Rivelatore WDS per raggi X Wavelenght Dispersive Spectroscopy

37 Corso di Microscopia Elettronica a Scansione P.L. Fabbri – M. Tonelli Rivelatore WDS per raggi X Wavelenght Dispersive Spectroscopy

38 Corso di Microscopia Elettronica a Scansione P.L. Fabbri – M. Tonelli Rivelatore WDS per raggi X Wavelenght Dispersive Spectroscopy

39 Corso di Microscopia Elettronica a Scansione P.L. Fabbri – M. Tonelli Rivelatore WDS per raggi X Wavelenght Dispersive Spectroscopy

40 Corso di Microscopia Elettronica a Scansione P.L. Fabbri – M. Tonelli Rivelatore WDS per raggi X Wavelenght Dispersive Spectroscopy CharacteristicWD crystal spectrometerED spectrometer Efficiency of X-ray collectionLow - typical solid angle around steradians Higher - typically steradians.* ED detectors can be placed near the sample ResolutionGood - 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 analysisSlow - 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 analysisEasy - measure peak minus backgroundComplex - algorithms needed for peak deconvolution and background subtraction


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