• Uvod do tematiky, základní literatura. • Interakce elektronů s pevnou látkou. • Typy elektronových mikroskopů. TEM a SEM. • Pracovní módy elektronových mikroskopů, konstrukce. • Příprava vzorků pro TEM. V1 "r ltd Základní literatura: D. B. Williams a C. B. Carter: Transmission Electron Microscopy (4 díly, Plenum Press, NY, 1996) J. Goldstein aj.: Scanning Electron Microscopy and X-Ray Analysis (3rd ed., Kluwer, NY, 2003) P. B. Hirsch aj.: Electron Microscopy of Thin Crystals (Butterworths, London, 1965 nebo pozdější dotisky) M. Karlík: Uvod do transmisní elektronové mikroskopie (vydalo nedávno nakladatelství ČVUT, Praha, 2011) Další zdroje: www, j ems -saas. ch (Pierre Stadelmann, Lausanne, CH) www.amc.anl.gov (microscopy and microanalysis server) V1 "r IUI Historie: první TEM: 1932 (Knoll a Ruska, Nobelova cena 1986) 1949: Heidenreich ztenčuje kovové fólie 50. léta: pozorování carových a plošných defektů krystalové mřížky, rozvoj mikroanalytických metod, vysokovoltážní a in situ mikroskopie, řádkovacích módů, rozlišení ~ 0.4 nm 1956: atomové roviny (lattice fringes) v pthalokyaninech (Menter) 1957: Cowley, Moodie: základy teorie a simulace HRTEM obrazu + zlepšení teplotní stability, mechanické stability, kvality vakua, elektronické stability, designu čoček (CS korektory, energiové filtry), nové typy katod zlepšení možnosti reprodukovatelné přípravy kvalitních tenkých fólií l rozlišovací schopnost -0.1 nm 1931: 16x 2 čočky 1933: 12000x Rozlišení lepší než světelný mikroskop Figure 1.1. The electron microscope built by Ruska and Knoll in Berlin in the early 1930s. Brno, 1950 Brno, 1968 Elektronové mikroskopy B Figure 1.9. Different TEMs: (A) a JEOL 1.25-MV high voltage microscope, used for high-resolution imaging; (B) a Hitachi specialized ultrahigh vacuum TEM for high-resolution surface imaging; (C) a Philips 200-kV analytical microscope with an X-ray spectrometer attached to the stage (the liquid-N2 dewar cools the detector); and (D) a VG dedicated 100-kV ultrahigh vacuum scanning transmission microscope. Comparison with Ruska's instrument (Figure 1.1) which is 50-60 years older is instructive. V1 "r ltd Titan G2 60-300 Energy spread Point resolution Information limit STEM resolution Image corrector 0.7 to 0.8 eV** 80 pm 80 pm 136 pm Probe corrector 0.7 to 0.8 eV** 200 pm < 100 pm 80 pm Monochromator + X-FEG 02 to 03 eV* 200 pm 80 pm 136 pm Interakce elektronů s pevnou látkou Coherent incident beam TEM Incoherent elastic \ backscattered electrons \ Secondary electrons ^ffrom within the specimen Scattered Primary Electron • Incident *" Electron Thin specimen Ejected Orbital Electron Electron Transition L to K Coherent elastic scattered electrons Direct beam Incoherent elastic forward scattered electrons Incoherent inelastic scattered electrons j X-Ray Photon Emitted Figure 6.5. Inner shell electron ionization in an atom and subsequent de-excitation by electron transitions. The incident electron is elastically scattered. The unscattered direction of the incident electron is shown by the dotted line. The dill'erence in energy from an electron transition is expressed either as the ejection of an energetic electron with characteristic energy (Auger process) or by the emission of a characteristic x-ray photon. Coherent incident beam Incoherent elastic backscattered electron Incoherent elastic backscattered electrons 2f Secondary electrons from S within the specimen SEM Bulk specimen Schéma chodu elektronového svazku v TEM Fixed DIFRAKCE )attern Specimen SAD aperture Intermediate image 1 Change strength Second intermediate 'image' ■*t- Fixed —• strength Screen Intermediate lens B Objective lens Objective aperture (back focal plane) ■*■ Remove aperture OBRAZ basic operations of the TEM imaging system involve (A) projecting the diffraction pattern on the ; screen. In each case the intermediate lens selects either the back focal plane or the image plane ot Vlastnosti elektronových zdrojů - porovnání TABLE 5.1. Characteristics of the Three Principal Sources Operating at 100 kV Units Tungsten LaB, Field Emission Work function, O Richardson's constant Operating temperature Current density Crossover size Brightness Energy spread Emission current stability Vacuum Lifetime eV A/m2K2 K A/m2 (im A/m2sr eV %/hr Pa hr 4.5 6 X 105 2700 5 X 104 50 109 3 <1 10"2 100 2.4 4 X 105 1700 106 10 5 X 1010 1.5 <1 10"4 500 4.5 300 1010 <0.01 1013 0.3 5 io-8 >1000 Elektromagnetická čočka: Vady čoček v EM: sférická vada a efekt difrakce na cloně Aberration (a) (b) Figure 2.21. Schematic diagrams showing how (a) spherical aberration and (b) aperture diffraction in a lens cause a point object at P to blur into an enlarged spot at the Gaussian image plane. The disk of minimum confusion ds and one-half the Airy disk dti are used in calculations of probe size. (Adapted from Hall, 1966, and Oatley, 1972.) ds=Csa3 dd=0.6lÄ/a C = 1 + 2mm Abbe, Airy Vady čoček v EM: vliv na rozlišovací schopnost EM d = ^jd/+ds2 = ^j(0.6ÍÁ/a)\[Csa3) 2 1/4 = 00^=0.77-^77, rf^=0.9l(C^3) *0.15nm da opt C 1/4 5 E c (0 c 0 1 d) < 8.0 6.0 4.0 2.0 0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010 Aperture Angle a (radians) Figure 2.22. Spherical aberration disk d, and aperture diffraction disk d& plotted against aperture angle a. For the smallest electron probe and the best image resolution, the aperture angle is taken as aopI. Z historie korekcí vad čoček v EM: Otto Scherzer (1936): teorém o vadách rotačně symetrických cocek d> 100 A, U < 300 kV^ X > 2pm Otto Scherzer (1947): o možnosti korekce vad zařazením sad rotačně nesymetrických čoček (multipólů) Harald H. Rose, projekt TEAM A -i 0 . 1 0.01 0.001 0.0 0 0 1 —I—I—I—I-1 I I I I I I ■ I I Aberration Collection Haidei] et al. (hexapole corrector) Knvanek (quadnipole-octopole corrector) TEAM Berkeley, Stuttgart HVEM Electron Microscope M a r t o n Ruska Lieht Microscope 1800 1840 1880 1920 1960 2000 2040 Year Blok korektoru: Compound Achromator and Aplanator (Achroplanator) xz-section: QP1 QP2 QP3 QP2" QPľ TL21 TL22 QP QP QP QP QP TL3 SMS' I I I yz-section: V1 "r ltd Energiové filtry: Type and Designers First realization Commercial Microscope High Voltage Dispersion Correction Non- Isochromaticity Transmissivity " 1eV Prism - Filter Castaing-Henry Henry 1964 ZEISS EM 902 80 kV 1,5pm/eV (80kV) none 23 eV 12x106 pm2 (80kV) OMEGA-Filter Lanio-Krahl-Rose Krahl 1992 Zeiss 912/922 120 kV/200 kV 0,75pm/eV (200kV) partial second-order correction 15 eV 9.3x106 pm2 (200kV) Corrected OMEGA-Filter Rose-Krahl Krahl (FHI Berlin) 1986 SESAMe I : II Zeiss Libra 200 200 kV FEG 1,85pm/eV (200kV) 2. order corrected 3. order optimized isochromatic 0.2x10-3pm2(200kV) MANDOLINE-Filter Uhlemann-Rose Essers (Zeiss) 2005 Zeiss SESAMe 200 kV FEG 6,2pm/eV (200kV) 2. order corrected 3. order corrected isochromatic 11x103 pm2 (200kV) Hloubka pole (D) a hloubka ostrosti (D y . f4 -lvi 2Č Příklad TEM: Pro ô«2nm, a«6mrad je D«700nm>tloušťka vzorku. Na stínítku pak D'=DM2, pro M=53000 je D «2km! (pro 8«0.1nm je D «100m) Hloubka pole (D) a hloubka ostrosti (D y povrch vzorku skloněný 70° Příprava vzorků pro elektronovou mikroskopii SEM: metalografické výbrusy, případně naleptání základní požadavek: vodivost (+C? Au) náročnější příprava např. pro EBSD TEM: tenké fólie (ztenčení, důlek, finální úprava elektrolyticky nebo iontovým ztenčováním) repliky povrchu extrakční repliky prášky aj. na uhlíkové blance (+Cu mřížka) FIB replika povrchu extrakční replika Plastic Sample Acetone Plastic Evaporate C, Cr or Pt V Self-supporting replica Bulk sample Etch surface B Direction of motion of Water Replica Figure 10.15. (A) Replication of a surface by the two-step method: spray acetone on the surface to be replicated before pressing a plastic (usually cellulose acetate) onto the surface which softens in contact with the acetone; the plastic is removed from the surface when it has hardened and a C, Cr, or Pt film is evaporated onto the replicated plastic surface: the plastic is then dissolved with acetone and the evaporated film retains the original topography. (B) Alternatively, the direct carbon replica of a metal surface may be floated off on distilled water after scratching the carbon and etching to free the film, which may subsequently be shadowed obliquely to enhance the topography. Coat Remove bulk Figure 10.16. Extraction replication: particles embedded in a matrix are revealed by etching the matrix, which leaves the particles standing proud of the surface; a thin amorphous carbon film is evaporated over the particles, then the rest of the matrix is etched away leaving the particles adhering to the carbon film. Luc Beaunier Jacqueline Boumend lllllllIillllKMIIW 18039 ^ggsaDrielle tnret *P Daniele Laub Sample Preparation Handbook for Transmission Electron Microscopy iques When faced with a choice. Regardless of the path you choose, Don 7 go down it halfway. Be patient, be persistent. Be courageous, and creative. The reward is at the end.... Jeanne Avache Springei (Nano)prášky na uhlíkové blance (+Cu mřížka) (Nano)prášky na uhlíkové blance (+Cu mřížka) Drcený křehký vzorek na uhlíkové blance (+Cu mřížka): Drcený křehký vzorek na uhlíkové blance (+Cu mřížka): nebezpečí modifikace vzorku energetickým svazkem elektronů Moderní doplněk SEM: technika přípravy fólií pro TEM z míst vybraných na základě pozorování v SEM (FIB - focused ion beam) Přesný výběr oblasti vzorku pro TEM (cca 50 nm!) jmi; Příprava lamelky pro TEM pomocí FIB: Pt ochranná vrstva 12 x 2 |im, tloušťka Pt 1+2 |im FIB: 30 kV, proudy 16 nA 4 nA 900 pA 300 pA Dolešťování s náklonem ± 2° nebo ± 1° Finální rozměry lamely cca 10 \im x 8 \im x 100 nm (diskuse artefaktů) Lamelka v SEM před finálním ztenčením: Lamelka v TEM (přehledové zvětšení) Materiál při přípravě lamelky reaguje selektivně: Příklad pásků Fe-Si-Nb připravených metodou melt spinning a následně žíhaných za různých podmínek (Ml Další literatura: Transmission Electron Microscopy and Diffractometry of Materials 3rd Edition Marc De Graef introduction to Conventional Transmission Electron Microscopy