Inhalt. Einleitung und Vorstellung. Optische Methoden (Ionenstreuung und -spektroskopie)

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1 Einleitung und Vorstellung Inhalt Elektronenmikroskopie & Elektronenspektroskopie Optische Methoden (Ionenstreuung und -spektroskopie) Zentrum für Oberflächen- und Nanoanalytik Center for surface and nanoanalytics JKU Johannes Kepler University Linz Altenbergerstrasse Linz, Austria Tel.: Fax:

2 strategische F&E Projekte in Zusammenarbeit mit Industrie Zwei Christian Doppler Labors am ZONA: a) CDL für oberflächenoptische Methoden mit voestalpine Stahl GmbH, EVG, Konarka, Siemens Erlangen b) CDL für mikroskopische und spektroskopische Materialcharakterisierung mit voestalpine Stahl GmbH, EVG Kontaktpersonen: Univ. Doz. DI. Dr. David Stifter Univ. Prof. DI. Dr. Kurt Hingerl Adresse: Altenberger Straße 69, A-4040 Linz Tel: +43 (0) Internet: Mission: i. Wir betreiben Materialwissenschaft i ausgehend von den atomaren und nanoskopischen Eigenschaften der Materie und deren Grenz- und Oberflächen sowohl grundlagenorientiert als auch anwendungsbezogen. Ab initio Modellierung von physikalischen und chemischen Eigenschaften 2

3 Prinzipielle e Vorgangsweise: gs se new characterisation methods model systems/ applications applied / in- dustrial research established characterisation methods (basic) scientific research industrial applications Röntgenelektronenspektroskopie Rasteraugerelektronenspektoskopie Second Harmonics Generation (SHG) Sum Frequency (SF) Coherent Anti Stokes Raman Scattering (CARS) In Zusammenarbeit mit Leoben: Atomsonde Rasterelektronenmikroskopie (FIB-X- Beam) Transmissionselektronenmikroskopie Spektroskopische Ellipsometrie Konfokale Ramanspektroskopie Ionenimplantation 3

4 ... der Herrgott schuf den Atomlagen Festkörper - der Teufel die Oberfläche! Wolfgang Pauli 4

5 Zeiss LEO Cross beam (XB) 1540 Focused Ion Beam 5

6 6

7 Electron spectroscopy py I Photons and electrons excited by E-beam Back scattered el ect r ons Characteristic X-ray Incident electrons Photons Secondary electron (Auger electrons) Secondar y el ect r ons Characteristic X-rays (= Mikrosonde, EDX) Back scattered electrons ; (BSE) = Compo image Secondary electrons Observation = SEM elemental analysis = AES :atom :electron 7

8 Electron microscopy II Detection ranges for AES, EDX, SE, BSE Ra : Detection area of AES (10nm ~ 20nm ) Solid Sample Da : Detection depth of AES (0 ~ 6nm) Dx : Detection depth of EDX or SEM-EDXEDX (~1 m) Rx : Detection depth of EDX or SEM-EDS (~1 m) 8

9 Escape Depth of AES, SE, BSE; EDX Mean free path (nm m) 10 1 Au Ag Mo Be Ni Fe W C P Escape de epth Escape ratio from solid surface /e Electron energy (ev) Mean free path (λ 0 ) of electron in solid sample Escape ratio of electrons from solid surface 9

10 Fe particles in an Al foil (SEM-EDX) 5kV SE 5kV Compo 5kV (Fe) (Mag.: x3000) Fe particle in a shallower 15kV SE 15kV Compo 15kV (Fe) Fe particle in a deeper 10

11 Electron spectroscopy III Principles of surface analysis EPMA AES ESCA (XPS) electron Characteristic X-ray L-shell electron Auger electron L-shell Xray X-ray Photo electron L-shell K-shell K-shell K-shell atomic nucleus atomic nucleus atomic nucleus 11

12 What is an Auger spectrum? N(E) spectrum 10keV, 10nA, M4(dE/E=0.6%) Cu Cu Cu Intensity I Differentiated spectra 0 O Cu Cu Cu Electron energy [ev] Schematic electron energy spectrum emitted from solid surface excited by electron beam Example for Auger spectra 12

13 SAES maps with JEOL 9500F 30 kv, 4 na, 256 x 256 pix SEI 200nm x nm x Red: Al, Green: O, Blue: Fe 200nm x Red: Fe, Green: C, Blue: Pt 13

14 Electron spectroscopy py I Auger- specs: Spatial resolution : 10~20nmφ, Depth : 0 ~ 6nm Detectable elements : Li ~ U Detection limit : > 0.1% (atomic%) Main samples : metal, semiconductor, catalysis, multi-layer surface, etc Main objects : minute area analysis, chemical state analysis, depth profile for multi-layer suface, etc 14

15 JEOL 2011 TEM Nano-characterization applications: Up to 200 kev EDX Quantitative compositional analysis Digital x-ray maps and linescans Brightfield, Darkfield, 15

16 Vergleich von TEM und Lichtmikroskop Auflösungsgrenze des Lichtmikroskopes: etwa die Wellenlänge Elektronenquelle Kondensor Probe Objektiv Zwischenlinse Projektiv Screen Max. Auflösung ~ 0,1 nm Max. Auflösung ~ 250 nm 16

17 Zwei grundsätzliche Betriebsmoden Beugungsbild Realbild Durch Änderung des Projektivlinsensystems erzeugt man ein Beugungsbild Die Kohärenz wird nicht unterbrochen 17

18 Beugungsbild Realbild Das Beugungsbild g enthält Informationen über Kristallstruktur und Orientierung Das Realbild gibt Auskunft über Verteilung der Elemente 18

19 Darkfield Brightfield Beugungsbild in (011) Richtung. Zentraler Spot ausgewählt (000) PbTe in CdTe Brightfield. Nur Elektronen des (000) Spots generieren das reale Bild -> max. Elementkontrast (Rutherfordstreuung) 19

20 Darkfield Brightfield Beugungsbild in (011) Richtung. (002) Spot ausgewählt PbTe in CdTe Darkfield. Nur Elektronen des (002) Spots generieren den reale Bild 20

21 Kristalldefekte Maximum Kontrast Minimum Kontrast Durch Kippen der Probe kann der Spannungskontrast maximiert bzw. minimiert werden 21

22 Atomare Auflösung Querpräparat (011) Plainpräparat (001) 22

23 In der Biologie.. TEM Bild von Adenoviren RNA, DNA Froschgifte 23

24 Probenpräparation p für TEM Elektronentransparenz (E =200keV) Hochauflösung g( (bis zu 2M) Hohen Kontrast Präparation entweder mit FIB oder konventionell durch Ionenmühlen oder bei Polymeren durch Ultramikrotomie Probe mit einer Dicke von unter 100 nm 24

25 Microtomy: Ultramicrotomy: thin sections: >1µm, semi thin sections: 0,2-1µm optical microscopy, SEM Ultramicrotomy Semi- and ultrathin sections: nm TEM, AFM 25

26 X-ray Photoelectron Spectroscopy - XPS For analysis of surface adsorbates and additives Si2p Si: ev Si203: ev SiO2: ev 26

27 Breaking News : XPS- Röntgenphotoelektronenspektroskopie 27

28 Ion-Implanter Implanter Modification of the top surface layers Up to 400 kev, (RBS) Composition, hardness, abrasivity Monte Carlo Simulations of profiles 28

29 Atome Probe- MU Leoben Time of flight mass spectrometry; atoms are evaporated by laser beam / high voltage puls and detected at a grid =>3D reconstruction of atomic distributions of (semi)conducting materials Single atoms positioned with 50% efficiency; Spatial resolution sub-nanometer laterally, single atom layer in depth Composition determination by atom counting Specimen volume 100nm x 100nm x 5µm Analysis volume 50nm x 50nm x 500nm precipitation.. C- content at grain boundary Dr. Harald Leitner, MU Leoben 29

30 Optical techniques I: Spectroscopic Ellipsometry (SE) Measurements of Angstroem thick layers without touching and in-situ! 2x UV-VIS ( ev) and 1x NIR (1,6 µm 35 µm) systems BARE Si 1 nm SiO 2 2 nm " SiO 2 on Si Optimization of Solar cells 20 < > ENERGY (ev) SIOX.OPJ 30

31 Optical techniques II: Confocal Raman (1µm x1 µm x 2µm) res. Laser wavelengths: 532, 632 and 785 nm Spatial resolution: ~1 µm (x,y), ~2 µm (z) Applications: a) Phonons & Phase transitions in Solid State materials b) Fingerprint analysis and composition mapping in polymers 31

32 IR vibrational spectroscopy- Raman 0.06 H 2 O as CO Intens sity (cou unts) as H 2 O CO k ep 2 Wavenumber / cm -1 IR active are vibrations with transition dipole moment Raman: Polarizibility Change 32

33 IR- UV-VIS Ellipsometry and Raman (guanin) Vibrational mode Electronic in-plane transition out-of-plane C=O + N-H C-H 33 K. Hinrichs et al. Phys. Stat. Sol. (b) 242 (2005) 2681

34 Optical techniques III: nonlinear Optical Techniques Untersuchung von: organisch beschichteten ht t Metallen Polymersysteme Oberflächenkorrosion galvanische, katalytische Prozesse SFG: Aufbau für elektrochem. Untersuchung auf Metalloberflächen CARS: Identifikation v. Polymermischungen SHG: Korrosion unter Lackschicht SHG: Korrosionsinhibitoren auf Stahl 34

35 Zusammenfassung: Hochspezialisierte, s e z.t. selbstentwickelte t e Analysegeräte für Oberflächen-, Grenzflächen- und Nanostrukturen; bis in die Größenordnung von Atomabständen kombiniert mit theoretischem Verständnis und ab- initio Modellierung (Expertise) im Bereich Material Science Forschung im Bereich in prozeß oder in-situ kompatibler Meßverfahren zur Prozeßoptimierung i Spezielles Know How im Bereich Festkörper, Halbleiter, mechanische, elektrische und optische Eigenschaften Lassen Sie uns Ihr Aufgabenstellung wissen! 35