Corso di Microscopia Elettronica a Scansione

Corso di Microscopia Elettronica a Scansione
Scanning Electron Microscopy Corso di Microscopia Elettronica a Scansione P.L. Fabbri – M. Tonelli

Schema di un microscopio generico
Sistema di illuminazione: genera la “sonda” che interagisce col campione Lenti e diaframmi per controllare la sonda Raccolta del segnale e formazione dell’immagine Campione da osservare Corso di Microscopia Elettronica a Scansione P.L. Fabbri – M. Tonelli

Schema di un microscopio elettronico
Cannone elettronico: genera il fascio di elettroni che interagisce col campione Lenti elettroniche e diaframmi per controllare gli elettroni + lenti di scansione Raccolta del segnale e formazione dell’immagine Campione da osservare Sistema per ottenere il “vuoto” Corso di Microscopia Elettronica a Scansione P.L. Fabbri – M. Tonelli

Vuoto e pressione Il termine "vuoto" si riferisce alla situazione fisica che si verifica quando la pressione esercitata da un gas contenuto in un ambiente è minore di quella atmosferica. La grandezza fisica pressione e’ rappresentata da una forza per unità di superficie ed ha diverse unità di misura a seconda dei contesti: p.es. 1 Pascal=1 Newton /1 m2. La pressione atmosferica equivale a Pa o 760 Torr. Denominazione Intervallo di pressione in Pa Intervallo di pressione in Torr Basso vuoto 105 ÷ 102 102 ÷ 10-1 Alto vuoto 10-2 ÷ 10-6 10-5 ÷ 10-9 Ultra-alto vuoto Inferiore a 10-6 Inferiore a 10-9 Corso di Microscopia Elettronica a Scansione P.L. Fabbri – M. Tonelli

Vuoto e pressione La pressione esercitata da un gas e’ legata al numero di atomi presenti in un ambiente. Vacuum Atoms/cm3 Distance between atoms (meters) Mean Free Path (meters) Time to monolayer (seconds) 1 Atm (760 Torr) 1019 5x10-9 10-7 10-9 10-2 Torr 1014 2x10-7 10-2 10-4 10-7 Torr 109 1x10-5 103 10-1 10-10 Torr 106 1x10-4 104 Corso di Microscopia Elettronica a Scansione P.L. Fabbri – M. Tonelli

Microscopio “sotto vuoto”
Il vuoto e’ necessario per consentire la generazione ed il movimento degli elettroni del fascio incidente e la raccolta di quelli emessi dal campione. I SEM utilizzano piu di una pompa e si creano zone con pressioni diverse. Tipicamente sono presenti pompe rotativa (basso vuoto) e pompe turbomolecolari (alto vuoto). Alcuni modelli di microscopio necessitano di ulteriori pompe per ottenere l’ultra-alto vuoto, in particolare nella camera di emissione. Corso di Microscopia Elettronica a Scansione P.L. Fabbri – M. Tonelli

Microscopio “sotto vuoto”
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Cannone elettronico: genera il fascio di elettroni che interagisce col campione Corso di Microscopia Elettronica a Scansione P.L. Fabbri – M. Tonelli

Sorgente di elettroni Le sorgenti si dividono in due categorie: emissione termoionica emissione di campo Le sorgenti di emissione termoionica possono essere formate filamento di Tungsteno cristalli di Esaboruro di Lantanio ♫ ♫ La legge di Richardson esprime la densità di corrente emessa per effetto termoionico Corso di Microscopia Elettronica a Scansione P.L. Fabbri – M. Tonelli

Lenti elettroniche e diaframmi per controllare gli elettroni + bobine di scansione. Corso di Microscopia Elettronica a Scansione P.L. Fabbri – M. Tonelli

Lenti elettroniche Le lenti elettroniche (elettro-magnetiche) sono formate da un corpo cilindrico (pezzo polare) di Ferro dolce contenente avvolgimenti con spire di Rame. Il passaggio di una corrente nelle spire genera un campo elettro-magnetico che interagisce con l’elettrone e ne controlla la traiettoria. Nei pezzi polari e lungo la colonna vengono inseriti i diaframmi per usare solo la parte centrale del fascio, meno affetta da aberrazioni. Corso di Microscopia Elettronica a Scansione P.L. Fabbri – M. Tonelli

Lenti elettroniche Schema delle lenti di un SEM costituito da tre lenti: due condensatrici ed una obiettivo. Lo scopo e’ ottenere un fascio collimato sul campione. ♫ Corso di Microscopia Elettronica a Scansione P.L. Fabbri – M. Tonelli

Bobine di deflessione Permettono di effettuare la scansione del fascio sul campione. Una coppia di bobine deflette il fascio lungo l’asse X, una seconda coppia lungo l’asse y e sono sincronizzate con il sistema di raccolta e formazione dell’ immagine. L’operatore puo’ determinare la velocita’ della scansione. Corso di Microscopia Elettronica a Scansione P.L. Fabbri – M. Tonelli

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

Campione da osservare Preparazione Corso di Microscopia Elettronica a Scansione P.L. Fabbri – M. Tonelli

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

Interazione tra fascio elettronico e campione
L’ interazione tra fascio elettronico e campione genera: secondari retrodiffusi raggi x luce … Informazioni morfologiche Informazioni compositive Rivelatore Proprietá fisiche Informazioni miste Corso di Microscopia Elettronica a Scansione P.L. Fabbri – M. Tonelli

SEM: zone di provenienza dei segnali prodotti
~ 1 mm e- Auger E ~ eV e- secondari (SE) E ~ 1-10 eV e- retrodiffusi (BSE) E~10 keV raggi X caratteristici spettro continuo superficie Elettroni incidenti SEM~1-30keV

SEM: Elettroni secondari
Bassa energia  piccola profondità di uscita maggiore per angoli grandi tra fascio e superficie  Contrasto topografico scarsa dipendenza da Z maggiore per E minore (a causa della minor penetrazione) Efficenza (intensità)  = SE/ in SE= n. elettroni secondari in= n.elettroni incidenti Rivelatore

Rivelatore per elettroni secondari Everhart Thornley Detector (ETD)
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Rivelatore per elettroni secondari Everhart Thornley Detector (ETD) griglia scintillatore guida ottica foto-moltiplicatore amplificatore La griglia attrae gli elettroni secondari - gli elettroni arrivano allo scintillatore e vengono trasformati in fotoni - la guida ottica convoglia la radiazione luminosa al foto-moltiplicatore che la trasforma in segnale elettrico - il segnale viene amplificato e inviato al monitor. ♫ Corso di Microscopia Elettronica a Scansione P.L. Fabbri – M. Tonelli

Detector secondari (ETD)
Rivelatore per elettroni secondari Everhart Thornley Detector (ETD) Detector secondari (ETD) Corso di Microscopia Elettronica a Scansione P.L. Fabbri – M. Tonelli

BS Scarsa risoluzione spaziale
SEM: Elettroni retrodiffusi (backscattered BS) Dipendenza del volume di provenienza da E (fascio incidente) e da Z e ρ (campione) BS Scarsa risoluzione spaziale

SEM: Elettroni retrodiffusi (backscattered BS) Dipendenza dell’efficenza di scattering η (intensità) da Z coefficiente η = ηBS/ ηin ηBS= n. elettroni BS ηin= n.elettroni incidenti Forte dipendenza da Z (contrasto composizionale) Scarsa dipendenza da E Scarsa dipendenza dall’angolo di incidenza (scarso contrasto topografico)

Rivelatore per elettroni retro-diffusi Solid State Detector (SSD) Corso di Microscopia Elettronica a Scansione P.L. Fabbri – M. Tonelli

Rivelatore SSD I rivelatori SSD sono dei semiconduttori a forma di anello con una giunzione P-N. Quando gli elettroni retrodiffusi colpiscono il semiconduttore si formano coppie elettroni-lacune che vengono separate dal campo elettrico della giunzione e raccolte da opportuni elettrodi. Si ha quindi un segnale in corrente proporzionale ai numero di elettroni retrodiffusi, numero fortemente dipendente dallo Z del campione. Si riescono a discriminare i diversi elementi presenti nel campione fino a elementi che differiscono di un solo numero atomico. Corso di Microscopia Elettronica a Scansione P.L. Fabbri – M. Tonelli

Rivelatore per elettroni retro-diffusi Solid State Detector (SSD) Corso di Microscopia Elettronica a Scansione P.L. Fabbri – M. Tonelli

Detector retrodiffusi (SSD)
Rivelatore per elettroni retro-diffusi Solid State Detector (SSD) Detector retrodiffusi (SSD) Corso di Microscopia Elettronica a Scansione P.L. Fabbri – M. Tonelli

Stati non occupati L K Energy Loss
EDS (o EDX): Energy Dispersive X-ray Spectroscopy  Microanalisi Ionizzazione dei gusci interni Stati non occupati Notazione Energy Loss incidente E = Ein lacuna emesso L K diffuso E = Ein - E Li K: 55 eV per eccitare un elettrone K U K: 99 keV per eccitare un elettrone K

Diseccitazione: emissione di fotone X caratteristico
fotone X - K (L-->K) L K Emissione isotropa Nomenclatura: fotone X - K (L -->K) fotone X - K (M-->K) fotone X - L (M-->L) ecc…. Struttura fine: fotone X - K1 (LIII-->K) fotone X - K2 (LII-->K) (con ELIII > ELII)

Notazione per transizioni con emissione
di fotoni Fotone K = riempio una lacuna nella shell K con un elettrone dalla shell L Fotone K = riempio una lacuna nella shell K con un elettrone dalla shell M

L L K K Competitivo con RX Fondo Frenamento per interazione col nucleo
 “diseccitazione”: Bremsstrahlung Diseccitazione: emissione di elettrone Auger (non radiativa) incidente E = Ein e Auger KL1L2,3 fotone X (continuo) L L K K E~ 100 eV - 10 keV molto assorbiti nel campione emissione dalla superficie (pochi nm); Competitivo con RX diffuso E = Ein-E Fondo

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

Rivelatore per raggi X Il fotone genera nel cristallo coppie elettrone-lacuna ed il loro numero sara’ proporzionale all’energia del raggio X. 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’. Corso di Microscopia Elettronica a Scansione P.L. Fabbri – M. Tonelli

Rivelatore per raggi X Registro MULTICANALE Ad ogni canale e’ associato un contatore Corso di Microscopia Elettronica a Scansione P.L. Fabbri – M. Tonelli

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

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

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

Mappatura degli elementi
Analisi quantitativa Basata sulla misura delle energie dei picchi di intensità Tutti i picchi coerenti con l’energia di eccitazione devono essere presenti Mappatura degli elementi Basata sulla distribuzione spaziale dell’emissione X Permessa dalla scansione Immagini rumorose a causa della scarsa emissione Analisi quantitativa Basata sul confronto delle intensità con campioni standard di riferimento Richiede correzioni per differente peso atomico, assorbimento e fluorescenza indotta

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