Shrnutí předchozí lekce 1 • SEM: zvětšení 106, 200 V -30 kV, rozlišení 1,5 nm-0,5 nm, části: zdroj e. el.mag a el.stat. čočky, astigmátory, deflektory • čočky • el.stat. – e. získávají radiální i axiální přírůstek rychlosti, nerotují kolem osy • el.mag. – e. získávají radiální a azimutální přírůstek rychlosti, výsledná dráha má tvar spirály • kondenzory: první čočka za zdrojem, upravují tvar svazku: silné buzení/malá stopa a vice versa • objektivové čočky: poslední čočka před vzorkem, el.mag. (pokud to neruší vzorek), největší efekt na výsledné optické vlastnosti přístroje • deflektory: dva páry pro vychýlení ve směry x a y • detektory • E-T detektor SE: scintilační: kolektor -> scintilátor-> fotony na fotonásobič-vzniklý proud detekován • umístěn mezi čočkou objektivu a vzorkem mimo osu • BSE detektor: polovodičový, prstencová Si destička pod objektivem, může být rozdělen na víc segmentů BSE topo, nemá kolektor • vývěvy: transportní/sorpční • rotační olejová vývěva: rotující lopatky vyváří tok, ot. až 1500 min-1, olej: těsní, maže, chladí, p až 10-2 Pa • turbomolekulární vývěva: lopatky udělí hybnost mol. plynu, ot. až 90 000 min-1, tlak až 10-7 Pa Signální elektrony v SEM výsledkem interakcí PE se vzorkem je generace signálních e. 2 Schéma energiového rozdělení signálních e. Dvě hlavní skupiny: 1) Elektrony s energií E≤50eV – Sekundární elektrony (SE) 2) Elektrony s energií 50eV až EPE – zpětně odražené elektrony BSE • Výtěžek SE (počet SE/počet PE) =koef. emise SE δ • Výtěžek BSE (počet BSE/počet PE) =koef. emise BSE η obecně platí: • δ se zvyšuje s EPE (300-800 eV) a pak se snižuje se zvyšující EPE • η zůstává pro EPE > 10 keV téměř neměnný. Roste se středním protonovým číslem ҧ𝑍 vzorku Klasifikace signálních elektronů v EM 3 Klasifikace signálních elektronů v EM 4 S rostoucí energií PE roste interakční objem ve vzorku, roste energie BSE, které jsou emitovány ze stále větší hloubky a je jejich rostoucí energií roste jejich schopnost vyrážet detekovatelné, avšak parazitní signální elektrony z kovových částí v komoře vzorku (SE III). Současně klesá koeficient emise (SE I a Se II). V důsledku toho dochází ke změně informace zachycené detektorem, interpretované změnou kontrastů v obraze. Detekce SE 5 koef. emise SE δ: intenzita SE/intenzita PE • δ roste při snižující se energie PE • δ roste při zvyšujícím se náklonu vzorku δ jako funkce Z pro energii PE 1,5 a 20 keV δ jako funkce energie PE pro různé prvky Koeficient δ roste v důsledku nárůstu objemu v nakloněném vzorku (úhel náklonu φ), z něhož jsou schopny SE uniknout (tmavě šedá oblast) Vliv jednotlivých složek SE signálu na rozlišení obrazu 6 Vyšší rozlišení SE I + SE II • SE I vystupují z povrchové oblasti vzorku • SE I emisní plocha srovnatelná se stopou elektronového svazku • SE II – generace pomocí BSE • SE II – emise z větší hloubky vzorku než SE I • SE I + SE II tvoří méně jak 50 % signálu (poměr může být vyšší u optimalizovaných ETD) Charakteristický typ elektronů – složka SE III • zavádí do obrazu BSE signál • snižuje rozlišení • projevuje se jako „temný šum“ • může tvořit až polovinu celkového signálu u detektoru umístěného pod objektivem Podíl výtěžku jednotlivých složek SE v celkové hodnotě SE signálu (ET detektor umístěný pod objektivem) Emise jednotlivých typů SE Oddělení složek SE I a SE II 7 • Rozdílný počet elektronů složek SE I a SE II závisí na emisní hloubce a na průměru emisního povrchu • SE I jsou zdrojem nejvyššího rozlišení • SE I vychází z hloubky vzorku asi 5 nm • průměr emise SE I odpovídá průměru stopy elektronového svazku • experimentální oddělení SE I a SE II je obtížné • Lze využít odečítání následujících signálů (doc. Neděla UPT AVČR) SE = SE I +SE II + SE III BSE je zdrojem SE II a SE III SE – BSE = SE I +SE II + SE III – (SE II a SE III) = SE I odečtením BSE signálu od SE signálu je možné obdržet obraz s vysokým podílem složky SE I. Detektor sekundárních elektronů Velikost detekovaného proudu: σ – koeficient sekundární emise C – sběrová účinnost detektoru Původní návrh: Everhart T.E. a Thornley R.F.M., J. Sci. Instruments 37 (1960) 246. Everhart-Thornley (E-T) detektor • SE emitované ze vzorku jsou směrovány pomocí elektrody (kolektor) na které je vloženo napětí až stovky V na scintilátor • vedené SE jsou urychleny vysokým napětím +10 kV aplikovaným na Al-film scintilátoru a dále pomocí scintilátoru přeměněny na světlo (fotony) • povrch scintilátoru je potažen hliníkem, aby se zabránilo vybíjení a degradaci povrchu) • vzniklé fotony jsou pomocí fotonásobiče (PMT) přeměněny na elektrický proud, který je zesílen a následně detekován. • pomocí ET detektoru je také detekováno několik množství zpětně odražených elektronů • ET detektor je umístěn v prostoru mezi čočkou objektivu a vzorkem (v boční části komory) 8 Původní schéma E-T detektoru SE Everhart-Thornley (E-T) detektor Výhody: detektor podával ve srovnání s ostatními systémy nejkvalitnější informaci o zkoumaném povrchu látky Nevýhody: • plastický scintilátor s nízkou účinností energiové přeměny elektron-foton • nevhodná geometrie detektoru • nevhodná geometrie scintilátoru – hemisféra => ztráta světla na okrajích Řešení (ÚPT AVČR) • monokrystalický scintilátor YAG (Y3Al5O12), YAP (YAlO3) • změna geometrie • kuželová geometrie scintilátoru (v praxi se spíše užívá disk) 9 SE detektor s monokrystalickým kuželově tvarovaným scintilátorem YAG Everhart-Thornley (E-T) detektor Téměř 100% vyráběných SEM využívá scinitlačně - fotonásobičový systém detektorů SE 10 a) detektor konvenční b) konvenční JEOL detektor c) vliv kolektorové mřížky d) modifikovaný detektor s monokrystalickým scintilátorem Vliv konstrukčních úprav SE detektrou 11 • úpravou tvaru kolektorové mřížky, zvětšením ok mřížky a zmenšením povrchu přítlačného kroužku byl zvýšen výstupní signál SE modifikovaného detektoru o 44%, vůči konvenčnímu JEOL detektoru • Díky tomuto zlepšení je možné použít nižší proud svazku o 44% při zachování původního poměru signálu k šumu. Nižší proud svazku může znamenat zmenšení poměru stopy svazku a tedy vyšší rozlišovací schopnost. Ale také menší radiační poškození, kontaminaci atp… Vliv konstrukčních úprav SE detektrou 12 • částice zlata zobrazené pomocí rozdílných detektorů a) konvenčním JEOL SE detektorem b) modifikovaným SE detektorem • Parametry měření: I0= 10 pA, E0=20 keV WD = 10 mm, zvětšení 100 000x W katoda, scinitlator prášek P47 Simulace sběrové účinnosti detektoru SE pólový nástavec objektivu ET detektor Trajektorie SE emitovaných pod různým polárním a azimutálním úhlem Rozložení ekvipotenciál při různých WD WD=10 mm WD=20 mm Trajektorie SE dopadajících na scintilátor Sběrová účinnost detektoru SE v závislosti na pracovní vzdálenosti 13 E-T detektor, vliv WD 14 S rostoucí pracovní vzdáleností roste kolekční účinnost ET detektoru a proto také roste úroveň detekovaného signálu. Při WD 20 mm nastává maximum, přičemž s rostoucí WD nad 20 mm úroveň detektoru signálu klesá. Světelný výtěžek 15 Světelný výtěžek detektoru jako funkce napětí na scintilátoru pro různé proudy Světelný výtěžek detektoru jako funkce proudu elektronového svazku pro různé napětí na scintilátoru Měřené výsledky odpovídají konkrétním podmínkám experimentu (typ detektoru, jeho uspořádání a pozice v komoře vzorku atd..) Ze závislostí je vidět, jak je možné zvýšit poměr signálu k šumu E-T detektor, vliv napětí na scintilátoru 16 E-T detektor, vliv napětí na mřížce 17 S klesajícím napětím na odsávací mřížce ET detektoru klesá úroveň detekovaného signálu (musí být stále více kompenzována hodnota kontrastu – zesílením zesilovače) a převažuje podíl vysokoenergiových signálních elektron., což ale nemusí znamenat ztrátu informace o topografii. Napětí na vodivé vrstvě scintilátoru je konstantních 10 kV E-T detektor, kofigurace 18 E-T detektor, vliv umístění 19 In-lens SE detektor s r-filtrem 20 Se detektorový systém s r-filtrem Energiové rozdělení s potlačením nízkoenergiových elektronů prostřednictvím r-filtru • elektrody s kladným a záporným napětím desítky volt • různý ohyb elektronů v elektrostatickém poli • nízkoenergiové SE dopadají na filtr • SE s vyšší energií jsou detekovány • vhodné pro práci při nízkých energiích primárního elektronového svazku (do 3 keV) In-lens SE detektor s r-filtrem 21 snížení nábojových artefaktů pomocí SE in-lens detekčního systému s r-filtrem nabíjecí efekt na nevodivém vzorku je potlačen selektivní detekcí sekundárních elektronů použitím r-filtru Nízkoenergiové zpětně odražené elektrony jsou detekovány při potlačení nízkoenergiových sekundárních elektronů díky rfiltru. V tomto nastavení je zachován koncentrační kontrast SE detektory-shrnutí 22 • účinný scintilátor s vysokým světelným výtěžkem a rychlými časovými odezvami • spektrální přizpůsobení scintilátoru k fotokatodě PMT • optimální geometrie detektoru a jeho elektrické parametry • malý průměr stopy elektronového svazku • nízký proud elektronového svazku (u wolfram. katody) • blízká energie elektronového svazku • náklon vzorku k detektoru • eliminace složky SE III a BSE • umístění detektoru v objektivové čočce Detekce BSE 23 • BSE-elektrony, které opouštějí vzorek s energií větší než 50 eV • koeficient zpětného odrazu η: poměr intenzity BSE a intenzity PE • η se zvyšuje se středním protonovým číslem vzorku ҧ𝑍 • η se zvyšuje se zvyšujícím náklonem vzorku η jako funkce protonového čísla Z pro energii el. svazku 1, 5 a 20 keV η jako funkce energie el. svazku Úhlové rozdělené emise BSE 24 • BSE se šíří v oblasti bez pole přímočaře v prostorovém úhlu 0 až 2π sr • závisí na: směru dopadajících primárních elektronů (PE), tloušťce vrstvy vzorku, energii PE, atomovém čísle vzorku • pro kolmý dopad elektronů je vyjádřeno Lambertovým kosinovým zákon Úhlové rozdělení η z hliníku a zlata pro a) kolmý a b) šikmý dopad PE Detekce nízko-ztrátových (low-loss) BSE 25 • low loss BSE je možné detekovat díky účinné úhlové a poté energiové filtraci v tubusu SEM • mají energii jen o cca 100eV nižší než je energie primárního elektronového svazku • emitovány z výrazně menšího interakčního objemu než BSE a proto lze jejich detekcí dosáhnout vyššího rozlišení Polystyrenové kuličky značené koloidním zlatem zobrazené pomocí BSE (vlevo) a Low-loss BSE (vpravo) v SEM Hitachi vybaveným in-lense filtrem BSE Schématické uspořádání detektoru low-loss BSE Energetické spektrum emitovaných elektronů Detekce BSE 26 A) nízkoztrátové BSE (s filtrem): přinášejí topografický kontrast B) vysokoztrátové BSE: přinášejí materiálový kontrast Detekce BSE 27 nízkoztrátové BSE (s filtrací) nízkoztrátové BSE (bez filtrace) vysokoztrátové BSE Detektory zpětně odražených elektronů 28 • Polovodičové na bázi dotovaného Si Nejpoužívanější detektory v mikroskopech střední třídy Výhody: • jednoduchá konstrukce a elektronika • možnost záznamu materiálového i topografického kontrastu • úspornost rozměru detektoru Nevýhody: • dříve nižší citlivost pro nízkoenergiové BSE • nízký poměr S/N při velmi vysokých rychlostech rastrování • Robinson detektor s plastickým scintilátorem Výhody: • snadno opracovatelný plastický materiál • krátké časové charakteristiky Nevýhody: • velmi nízká odolnost vůči poškození zářením • bez možnosti topografického kontrastu Detektory zpětně odražených elektronů 29 • Kanálkové násobiče Výhody: • možnost jednoduché úpravy tvaru kolektoru Nevýhody: • pokles účinnosti s častou změnou vakuum-vzduch • malá šíře pásma, nevhodná pro TV snímání • nízká kvantová účinnost pro nízkoenergické elektrony • Monokrystalická YAG a YAP Výhody: • vysoká konverzní účinnost • citlivost pro BSE s energií od 1keV (možnost pro energie >0,2 keV) • dostatečná šíře pásma pro TV snímání • neomezená životnost, variabilita geometrie monokrystalů (obrobitelnost) Nevýhody: • vysoká cena • zdvojení elektroniky pro současný záznam topografického a materiálového kontrastu a nutnost použití světlovodů Polovodičový BSE detektor 30 Křemíkový polovodičový detektor-běžně užívaný • využívá fotodiodu PIN – při vstupu BSE vznikne pár e(-).-díra(+) v I vrstvě->tok e(-) do N a díra(+) do P => zesilováním proudu tokem e.(-) a díra(+) vzniká BSE obraz • prstencová tenká deska s otvorem uprostřed umístěná pod objektivem-vysoká účinnost • na detektor není aplikováno napětí (na rozdíl od SE-detektoru), protože BSE mají dostatečnou E k dopadu na detektor • často rozdělen na dva (nebo čtyři) segmenty –při součtu signálů vzniká koncentrační obraz, při odečtení vzniká topografický obraz • může být doplněn dalším polovodičovým detektorem pro detekci BSE pod nízkým úhlem -> lepší stereoskopický obraz BSE +BSE-topo, diamond grindstone, 10kV Robinson detektor s plastickým scintilátorem 31 • detektor BSE elektronového mikroskopu obsahující rameno ze scintilačního materiálu s otvorem, kterým prochází elektronový paprsek, přičemž otvor je opatřen odnímatelnou uzemněnou vložkou pro usnadnění čištění a předcházení problémům s astigmatismem v důsledku hromadění elektronů • skládá se ze scintilátoru (1), trubice fotonásobiče (7), přírubu pro montáž (6) • scintilátor je vyroben z vysoce leštěného polymeru se spodním povrchem potaženým scintilačním materiálem rozpuštěným v toludenu a nedetekční horní a boční plochy jsou elektricky stíněny uzemněným hliníkovým štítem z důvodu ochrany scintilátoru. • Centrálně umístěný otvor (lemovaný zlatým povlakem) procházející horním a spodním povrchem scintilátoru umožňuje průchod svazku primárních elektronů, když je detektor umístěn v provozní poloze. Když zpětně odražené elektrony narazí na scintilační povlak, produkují se fotony světla. Ty vstupují do čirého polymerového světlovodu, který nasměruje fotony do přiložené trubice fotonásobiče. Fotonásobič zesiluje signál, který lze použít k vytvoření obrazu. Patent US4217495 issued to Vivian N. E. Robinson on August 12 1980 YAG detektor s vysokým úhlem snímání • YAG scintilátor ve tvaru kotoučové desky o průměru 20mm • tloušťka 2 mm, uprostřed kónusová díra o průměru 1,7 mm • vodivý povrch • materiálový kontrast ve vysokém úhlu snímání • stínový kontrast (TOPO) při vysunutí scintilátoru do stranové polohy 32 Kanálkový násobič 33 • Microchannel plate (MCP) je elektronový multiplikátor pro detekci rentgenového záření, ultrafialového záření a nabitých částic. • Deska se skládá ze skleněných trubiček spojených dohromady do tenkého disku. Obě strany disku jsou pokoveny, aby poskytovaly paralelní elektrické připojení ke všem kanálům. Ve vakuu a s rozdílem potenciálů na desce se každý kanál stává kontinuálním dynodovým elektronovým multiplikátorem, který funguje na stejném principu jako jednokanálový multiplikátor BSE detektory-shrnutí 34 • koeficient η se zvyšuje se Z, je nezávislý na E0=10-100 keV, zvyšuje se s náklonem vzorku • úhlové rozdělení při kolmém dopadu PE se řídí kosinovým zákonem • energiové rozdělení se pohybuje v rozsahu 50eV až energie PE a výtěžek BSE roste s náklonem vzorku • interakční objem se snižuje s náklonem vzorku • BSE mohou poskytnout zisk materiálového, topografického a kanálového kontrastu • obraz podléhá méně nábojovým a kontaminačním vlivům, neobjevuje se přesvětlení hran vzorku v obraze Scintilační materiály 35 • Výběr scintilátoru ovlivňuje zásadním způsobem vlastnosti detektoru. Přehled a srovnání vlastností scintilačních materiálů. Scintilační materiály 36 1. Plastické scintilátory • snadná výroba chemickou polymerací • možnost levného tvarování polymethylmethakrylátu • velmi krátká doba doznívání (jednotky ns) • vážná nevýhoda: nízká odolnost proti poškození zářením (pokles účinnosti až 50% za 1 hod) 2. Skleněné scintilátory • skla aktivovaná lithiem • krátká časová konstanta • nízký světelný výtěžek (40% plast. scintilátoru) 3. Práškové scintilátory • často používaný P47 – křemičitan ytritý aktivovaný cérem • 2,5krát vyšší světelný výtěžek ve srovnání s plast. scintilátorem • doba doznívání krátká (40 ns) • náchylnost k poškození a nutnost častější výměny • bez podložky nepoužitelný Scintilační materiály 37 Monokrystalické scintilátory • Organické monokrystaly • jediný vhodný zástupce je antracén • vysoký světelný výtěžek (150% oproti plastu) • vyhovující doba doznívání (30ns) • pro hydroskopičnost nepoužitelný v elektronovém mikroskopu • Anorganické monokrystaly • ytrito-hlinitý granát (YAG) nebo perovskit (YAP) • krátká doba doznívání pokud aktivovaný cérem • vysoká účinnost • neomezená životnost • nevýhody: složitá příprava, vysoká cena Anorganické monokrystalické scintilátory dnes hrají vedle práškového P47 stěžejní roli při stavbě detektorových systémů v SEM. Scintilační materiály 38 Scintilační materiály 39 Požadavky kladené na účinný scintilátor • emise světla ve spektrální oblasti odpovídající maximální citlivosti fotoelektrického násobiče • velká propustnost světla vlastní emise • vysoká účinnost energetické přeměny elektron-foton • nízký vlastní šum • velký dynamický rozsah • velká optická účinnost výstupu světla • odolnost proti poškození zářením • dlouhá živostnost • vakuová netečnost • schopnost tvarování Rozbor elektronové optických vlastností scintilačněfotonásobičového řetězce 40 Rozbor elektronové optických vlastností scintilačněfotonásobičového řetězce 41 Verze vysokoúčinného YAG detektoru 42 Modifikace YAG detektoru s vysokým úhlem snímání pro vysokoúčinný přenos fotonů k PMT • 4× vyšší signál ve srovnání s původním stavem • rozlišení středního atomového čísla 0,07 • rozlišovací schopnost pro proteinové částice značené koloidním zlatem 0,8 nm • rozlišovací schopnost u vzorku s materiálovým kontrastem srovnatelná s „in lens“ SE detektorem Verze vysokoúčinného YAG detektoru 43 Výsledek zobrazení s vysokoúčinným YAG-BSE detektorem při vysokém úhlu snímání • zirkonium na wolframu