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Fachgebiet 3D-Nanostrukturierung, Institut für Physik
Contact: [email protected] [email protected]
Office: Heliosbau 1102, Prof. Schmidt-Straße 26 (tel: 3748) www.tu-ilmenau.de/nanostruk
Vorlesung: Mittwochs (U), 9 – 10:30, C 108 Übung: Mittwochs (G), 9 – 10:30, C 108
Yong Lei, Fabian Grote
Techniken der Oberflächenphysik (Technique of Surface Physics)
Electron microscopy • SEM – Scanning Electron Microscopy
REM – Rasterelektronenmikroskopie • TEM – Transmission Electron Microscopy
Why Electron microscopy?
Resolution limit (d) after Abbe:
𝑑 = λ2𝑛 sin 𝛼
λ: Wave length n: refraction index 𝛼: aperture angle of lens dmax: approx. 200 nm
Why Electron microscopy?
Kinetic energy of electrons De Broglie equation
𝐸 = 1/2𝑚𝑣
𝞴 = ℎ/𝑝
𝞴 = ℎ/ 2𝐸𝑚
SEM
Difference to ordinary light microscope • Higher magnification due to the use of electrons
compared to photons • Higher field depth (Schärfentiefe) due to scanning
principle • Only black and white images Application: Images of surfaces, nanostructures, material composition
SEM
Course of electron beam in a SEM
Vacuum 1. Rotary pump for
vacuum lock: 10-3 mbar
2. Turbo molecular pump for chamber: 10-5mbar
3. Ion getter pump for electron gun: 10-7 mbar
Cathodes for electron microscopy
Thermisch Schottky Emitter
Feldemission (FE)
Wolfram LaB6 Zirkon-Wolfram
Wolfram
Helligkeit [Acm-2sr V]
1-10 10-100 1000-10000 1000-10000
Energiebreite [eV]
0,6-1,5 0,4-1,5 0,5-1,5 0,25 (kalt) 0,5 (1200 K)
Stromstabilität [%]
1 0,4 1 3 (kalt) 10 (warm)
Durchmesser der Quelle [nm]
20000 10000 20 - 50 2 - 10
Wehnelt- spannung (z.B. -30,5 kV)
Wehnelt
Filament Heizung
Kathoden- spannung (z.B. -30 kV)
Anode (0V)
"Crossover"
Estimation of the electric field in a FE-Cathode
∆𝑥 = 𝝓 𝜀 = 𝝓∆
𝜖~10 − 10 𝑉/𝑚 • Classically: no electron current • quantum mechanically: emission of electrons due to tunneling effect • Current density of field emission according to Fowler-Nordheim-
equation
Primärstrahl 3 - 1000 nm Durchmesser E0 = 3 - 30 kV
Sekundärelektronen max. Tiefe 50 nm max. Energie 50 eV
Rückstreuelektronen max. Tiefe 200 nm max. Energie E0
Röntgenstrahlung Tiefe 500 nm - 10 µm
Interaction of electrons with a bulk material in SEM
• Back scattered electrons (BSE) SEM
• Secondary electrons (SE) SEM
• Fluorescent X-ray radiation EDX
Energy distribution of electrons from sample
50 eV E o
I n t e
n s i t ä
t
Energie
Element mit hoher Ordnungszahl
Element mit kleiner Ordnungszahll
Augerelektronen
Signal detection
BSE detector
Back scattered electrons
Material contrast
Everharth-Thornley-Detector
Secondary electrons
Surface sensitive technique
chamber
sample
SE - Everharth-Thornley-Detector
Simulation under following link http://www.materials.ac.uk/elearning/matter/IntroductionToElectronMicroscopes/SEM/everhart.html
Er besteht aus einer Kombination eines Szintillators und eines Photomultipliers. Im Szintillator (Plastikszintillator) erzeugen die Elektronen Photonen aufgrund von Kathodolumineszenz (10-15 Photonen pro 10 keV-Elektron, der Großteil der Elektronenenergie wird in Wärme umgewandelt). Der Szintillatorkopf ist von einem Kollektor mit einem Gitter, dessen Potential sich von -200 V bis +200 V variieren lässt umgeben. Befindet sich das Gitter auf positivem Potential werden die SE angezogen und gesammelt. Bei negativem Potential (<-50 V) können keine SE das Gitter überwinden, nur die energiereicheren RE können dann den Szintillator erreichen. Die Szintillatoroberfläche ist mit einer 50-100 nm dicken Schicht Aluminium bedampft und befindet sich auf einem Potential von 10 kV ist. Die SE, die das Kollektorgitter passiert haben, werden folglich auf den Szintillator beschleunigt, durchdringen die Metallschicht und erzeugen ca. 3000 Elektron-Loch-Paare, von denen ca. 1-3 % an Lumineszenzzentren zu Photonen rekombinieren. Ein Teil der Photonen wird aufgrund von Totalreflexion entlang des Lichtleiters (Plexiglas, Quarzglas) zur Photokathode des Photomultipliers geführt, wo sie mit einer Ausbeute von 5-20 % Photoelektronen auslösen (Anmerkung: Pro auf den Szintillator treffendes SE werden nur ca. 1-10 Photoelektronen erzeugt. Diese relativ kleine Konversionsrate zeigt jedoch ein außerordentlich geringes Rauschen). Die Photoelektronen werden anschließend auf die erste Dynode (ca. +100 V) beschleunigt wo sie Sekundärelektronen auslösen, die über weitere Dynoden lawinenartig verstärkt werden. Durch Verändern der Photomultiplier-Spannung kann die Verstärkung über mehrere Größenordnungen variiert werden.
BSE - Detector • Electrons with energy higher than 50 eV • Resolution depends on acceleration voltage and atomic
number of the material Advantage of dependence of atomic number • Material contrast
grey shades (Graustufen) indicate different materials
Contrast in BSE
Cross-section BSE image, showing pore opening, pore wall, and SnO2 layer. Al2O3 membrane and SnO2 show different contrast. Tin dioxide is brighter compared to Al2O3 because of higher z-value
Cross-section SE-SEM image, showing UTAM filled with SnO2. The present of two different materials can not be observed clearly. BSE detection proves the existance of 2 materials.
Bild – Abhängigkeit von Beschleunigungsspannung und Probenstrom Stapel Bariumglas – Nickel – Platin – Aluminiumoxid - Kohlenstoffbeschichtet 1 kV 5 µA 1 kV 20 µA 6 kV 5 µA 15 kV 10 µA 30 kV 10 µA 30 kV 25 µA
Shading effect
SE-Elektronen BSE-Elektronen
S i g
n a l
S i g
n a l
Schattenraum Schattenraum Kollektor/ Detektor
Effect on Edges
• More electrons are emitted on edges compared to planar structures
Edges appear especially bright
Schärfentiefe (Fokusbereich für scharfes Bild) Die mit am bedeutungsvollste Eigenschaft eines REM. Abhängig von Strahlkonvergenz und Vergrößerung für großen Sichtbereich schmalen Strahl kleine Strahlkonvergenz großer Arbeitsabstand Näherungsformel
Vergrößerung 1000x Lichtmikroskop D = 0.8 µm REM D = 50 µm
MmmrD
2.02
Diagramm zur Bestimmung der Schärfentiefe im REM
Field depth - Schärfentiefe Light microscope: large aperture to gain high magnification SEM: wave length very small (approx. 0.04 nm at 1 kV) With small aperture (e.g. 50 µm) and large working distance (10 mm) it is still possible to gain a theoretical resolution of D < 1 nm.
Low aperture in SEM leads to low circle of confusion (Zerstreuungskreis) of objects, which are not in focus High field depth (Schärfentiefe) in SEM.
Tiefenschärfe, Auflösung und förderliche Vergrößerung
Förderliche Vergrößerung
Punktauflösung X 10 µm
102
10
0,1
1
1 µm 0,1 µm 10 nm 104
103
20 100 1000 10000 40000
T i e f
e n s c
h ä r f
e [
m ]
Rasterelektro- nenmikroskop
Licht- mikroskop
EDX - Detector
• Prinzip des EDX: Röntgenstrahlung wird im Detektorkristall, einer in Sperrrichtung gepolten Diode, in elektrische Ladung umgewandelt; diese ist der Energie der Röntgenstrahlung proportional. Im Feldeffekttransistor wird die Ladung anschließend in Spannung umgewandelt und verstärkt. Um ein möglichst rauscharmes Signal zu erhalten, werden Kristall und Transistor mit flüssigem Stickstoff gekühlt. Aus dem stufenförmigen Ausgangssignal erzeugt der Impulsprozessor Spannungsimpulse. Jedem Impuls wird durch den AD-Wandler je nach Höhe ein digitaler Wert zugeordnet und dieser in den entsprechenden Kanal eines Vielkanal-Analysators sortiert. Auf dem Monitor stellt die Zahl der Impulse pro Kanal das Röntgenspektrum dar.
• X-ray is transformed into electric charge in a reversed diode
• Created charge is proportional to the energy of the x-ray
• FET transfers charge into voltage and amplifies it • Detector is cooled by liquid nitrogen to reduce noise
EDX-Anregungsbereich
Al- Substrat 30 kV
Pt- Substrat 30 kV
500 nm Al- Schicht auf Pt – Substrat 30 kV
500 nm Pt- Schicht auf Al – Substrat 30 kV
Sample preparation
• Sample need to be electrically conductive • Sample with low conductivity need to be coated with a thin
film (< 10 nm) of a conductive material (e.g. gold or carbon) • It should be noted, that gold is not a good choice if BSE or EDX
measurement are done (high atomic number (z-value))
TEM
Philips TECNAI in Feynmanbau
Electron gun
Vacuum lock
Sample/Chamber
lens system
CCD camera/ fluorescent screen
Schematic cross section of TEM
Interaction of electrons with material in TEM • durchdringende Elektronen
TEM • Energieverlust durchdringender
Elektronen EELS • Elektronenbeugung • Rückgestreute Elektronen (BSE) SEM
• Sekundärelektronen (SE) SEM • Augerelektronen AES • Röntgenfluoreszenzstrahlung
EDX, WDX •Jede Detektionsmöglichkeit kann ein neues Verfahren ergeben!
Dicke Probe
Kohärent einfallender
Elektronenstrahl Inkohärent
elastisch rückgestreute Elektronen
Anregungs- bereich
Sekundär- Elektronen
Auger- Elektronen
Röntgen- strahlen
Dünne Probe (~100 nm)
Kohärent einfallender
Elektronenstrahl Inkohärent
elastisch rückgestreute Elektronen
Inkohärent inelastisch vorwärtsgestreute Elektronen
Inkohärent elastisch vorwärtsgestreute Elektronen
Kohärent elastisch vorwärtsgestreute Elektronen
Anregungs- bereich
Sekundär- Elektronen
Röntgen- strahlen
Röntgen- strahlen
Direkter ungebeugter Strahl
Bright Field Imaging
• Image intensity direct beam intensity
• Scattering is proportional to Z2 • Weakly diffracting regions
appear bright • Strongly diffracting regions
appear dark • Standard imaging mode of
conventional TEM • Bread range of applications
Bright field detector
Dark Field Imaging
• Image intensity diffracted beam intensity
• Weakly diffracting regions appear dark
• Strongly diffracting regions appear bright
• Typical application: grain size determination, second-phase particles
HAADF-STEM Image of Ag nano prism [1] [1] L.J. Sherry et al, Nano Letters, Vol 6
Sample preparation for NT and NW
D. V. Sridhara Rao, K. Muraleedharan and C. J. Humphreys, TEM specimen preparation techniques http://www.medicine.mcgill.ca/femr/Rao%20et%20al%202010%20TEM%20Preparation%20Materials.pdf
TEM sample preparation can be time consuming and very difficult, but the fabrication of NT and NW samples is easy. The wires are dispersed by ultrasonification in water or ethanol. A drop of the solution is put on the copper grid and dried in air.
Copper grid