Physikalische Messverfahren

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1 D.2. ELEKTRONENMIKROSKOPIE Physikalische Messverfahren Grundlagen Rasterelektronenmikroskopie (SEM) Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) Inhalt Vorwort Die Bedeutung der Meßtechnik in Naturwissenschaft und Technik Definitionen, Konventionen und Fehlerabschätzung Einfache Meßgrößen Messung von Längen Messung von Kräften, Drücken und Beschleunigungen Temperaturmessung Zeitmessung Elektromagnetische Feldgrößen Schallfeldgrößen Masse- und Volumendurchflußmessung Zusammengesetzte Meßgrößen Energieflußmessung Präzisions-Sensoren che Resonatoren als SensoPiezoelektrisrelemente Spezielle Meßverfahren Neutronenstreuung Elektronenmikroskopie Mechanische und thermische Eigenschaften Magnetische und elektronische Eigenschaften Physikalische Grenzen Ursachen des Rauschens Methoden zur Rauschunterdrückung Methoden zur Verbesserung des Signal- zu Rauschverhältnisses Das Elektron als Sonde m 0 = x g (m 0n = x g) m 100 kev 0 / m 0 = v 100 kev / c = 0.55 m 200 kev 0 / m 0 = v 200 kev / c = 0.70 m 1000 kev 0 / m 0 = v 1000 kev / c = 0.94 λ100 kev = nm λ200 kev = nm λ 1000 kev = nm 1 5. März März

2 Rasterelektronenmikroskopie schematisch Erstes 400 kev TEM der Firma Philips aus dem Jahre Erstes TEM aus dem Jahre 1931 (RUSKA) Elektronenmikroskopische Verfahren Anwendungen in Materialwissenschaften und Biologie Vergrößerungen (10 x x) 3 5. März März

3 Unterschied zwischen Rückstreu- und Sekundärelektronen Rückstreuelektronen (R), Augerelektronen (AE) und Sekundärelektronen (S). Streuprozesse der Elektronen Wechselwirkung Elektron - Materie Elastische Streuprozesse ( Transm.-Elektronen, Rückstreu-Elektronen): Richtungsänderung, E E o Coulomb-Kräfte - Vorwärtsstreuung mit kleinen Ablenkwinkeln Streuung an Kernladungen und Elektronen der Atomhülle Inelastische Streuprozesse ( Sekundär-Elektronen, Auger-Elektronen) Energieabgabe, Abbremsung der Primär-Elektronen Phononenanregung (< 1 ev, Erwärmung der Probe) Plasmonenanregung (5-30 ev) Ionisation der Probenatome (kev für innere Orbitale) Energieabgabe bei Richtungsänderung (Bremsstrahlung.-Coulomb WW mit Kern) Emission von SE (1-50 ev), Photonen: Charak.Röntgenstr., AE (Ionisation innerer Orbitale) Kathodolumineszenz (Ionisation äußerer Orbitale) 5 5. März März

4 Elektronenstrahl als Welle Doppelnatur von Wellen- und Korpuskularstrahlen De Broglie 1924 h λ = p h e.v, V = 0 V 1+ 2 e m 2 m0 c 0 V0 = 2 Beschleunigungsspannung V [kev] Wellenlänge λ [nm] v / c Auflösungsgrenze G λ sin ϑ1 = n d 061, λ 061, λ d min = =, (A... numerische Apertur) n sin α A Elektronenquellen W LaB 6 W-Feldemission O A W LaB 6 Heiße Feldemission Kalte Feldemission Temperatur in K Helligkeit in A/cm 2 sr 2.5x10 5 1x10 7 1x10 8 2x10 8 Lebensdauer in h Vakuum in mbar Zur Bildentstehung und zum Auflösungsvermögen im Mikroskop nach E.v. Abbe (G-Objekt, O-Objektiv, A-Brennebene, B-Bildebene) Sondengröße in nm Sondenstrom in na bei 100 kev Beschleunigung 7 5. März März

5 Magnetische Linsen für Elektronenstrahlen Linsenabbildungsfehler [ v ] (BUSCH1926). K = - e B = + f b g Schraubenförmige Elektronenbahnen in einem homogenen Magnetfeld RASTERELEKTRONENMIKROSKOPIE (SEM) Schematischer Aufbau eines SEM Signal-Rauschverhältnis, Kontrast, Scanzeit Förderliche Vergrößerung, Auflösungsvermögen, Strahldurchmesser Schärfentiefe Vergleich von Lichtmikroskop (a) und Elektronenmikroskop (b). Detektoren Kontrastentstehung im SEM 9 5. März März

6 Vegrößerung SEM Vergleich thermische und FE-Kathode in einem modernen SEM Verkleinerte Abbildung des Cross-Overs auf die Probenoberfläche Schematischer Aufbau eines SEM Vegrößerung SEM März März

7 Auflösung SEM Die Schwankung von δn um den Mittelwert n erfolgt nach der Zufallsverteilung δ n n Das Kriterium für das SE-Emissionsrauschen wird zu: δ S δ δ S > 10 N = 10 n S n C > 10 n n n > 100 C 2 Für den notwendigen Strom i 0 um ein Signal δs/s zu erkennen gilt dann die Beziehung: i min = 1 δ S/S 2 e 100 τ Beispiel: δs/s=10% 10 6 Bildpunkte (1000 Zeilen) - Scanzeit 500 s τ= 5x10-4 s i min = 3x10-12 A Signal-Rauschverhältnis, Kontrast, Scanzeit Standard-SE Detektor Der Kontrast ist definiert als: C = δ S S Zeilen und Bildpunkte Signalintensität ohne (a) und mit (b) Rauschen. Eine Kombination von Szintillator-Fotomultilplier-Kombination wird als Sekundärelektronen- (SE) und Rückstreuelektronen (RE)-Detektor verwendet. Die SE werden durch das positive Potential (+200 V) in Richtung auf das Netz des Kollektors angesaugt. Beschleunigung auf 10 kev durch den Metallbelag des Plastik Szintillators. Im Szintillator werden Photonen emittiert und im Photomultiplier wird das Signal verstärkt. Im Falle des Auftretens von Rauschen : δ S > 10 δ N Trifft ein Elektronenstrahl τ Sekunden auf einen Bildpunkt (10 x 10 nm Kantenlänge), so fallen bei einem Primärstrom i 0 Elektronen auf diese Fläche. i 0 τ n = e Schematischer Aufbau eines Sekundärelektroenendetektors März März

8 Sekundärelektronen (SE) α e Rückstreuelektronen (RE BE), Materialkontrast SE Bild einer Rotwanze Sekundärelektronenausbeute δ als Funktion der PE-Energie und Einfallswinkel Rückstreuelektronen (RE BE), Materialkontrast α e Röntgenstrahlung, X-ray Halbleiter-BE (RE) Detektor Rückstreukoeffizient als Funktion von Z und Einfallswinkel α März März

9 Energiedispersiver Röntgen-Halbleiterdetektor (EDX) Topographiekontrast - Flächenneigungskontrast Flächenneigungskontrast beim SEM in Analogie zur Lichtintensität bei seitlicher Beleuchtung und diffus streuender Fläche Flächenneigungskontrast und Abschattung (a) SE-Bild, (b) RE-Bild Schematischer Aufbau eines Halbleiter EDX-Detektors Videosignal bei Abbildung einer Objekterhebung. Bildentstehung Kanteneffekt Tridymit-Kristalle auf Goldblech (a) 10 kev, (b) 30 kev Reichweite und Austrittstiefen der RE (T) und der SE(t): Schematischer Intensitätsverlauf des SEund RE-Signals bei Beobachtung einer Kante K und Oberflächenstufen A und B März März

10 Probenpräparation - Ionenstrahldünnen > Ar+:3~5KeV Gatan- Precision Ion Polishing System Probenkanten sind durchstrahlbar im TEM TRANSMISSIONSELEKTRONENMIKROSKOPIE (TEM) Probenpräparation Das Gerät Elektronenbeugung (Bragg sches Gesetz und Ewaldkugel) Schematischer Aufbau eines TEM Vakuumsystem im TEM Beugungskontrast kristalliner Präparate (Hell- und Dunkelfeldabbildung Hochauflösungselektronenmikroskopie Analytische TEM (EDS) Energieverlust-Spektroskopie (EELS) März März

11 Transmissionselektronenmikroskop Prinzip W Elektronenbeugung Im Falle kleiner Beugungswinkel gilt: λ L = R H d H LaB 6 W-FE R ist der Abstand des Beugungspunktes vom Mittelpunkt im Beugungsbild und L ist die Kameralänge des Mikroskopes. λ.l wird als Beugungslänge bezeichnet. Einfluß der Form der Kristallinität auf das Elektronenbeugungsbild von Au Elektronenbeugung (Bragg sches Gesetz und Ewaldkugel) analog zur Röntgenbeugung Unterscheidung: Einkristall- und Vielkristallbeugung. für Elektronenbeugungsinterferenzen gilt das Bragg sche Gesetz: n λ =2 d sinθ oder k - k 0 = g Indizierung von Einkristall-Beugungsdiagrammen Es gilt die Regel der Vektoraddition: R 3 = R 1 + R 2 SmCo 5 2 d sinθ = λ H λ θn sinθn = 2 d n H Reziprokes Gitter: g = h.a*+ k.b*+l.c* a.a* = b.b* = c.c* = 1 a* = (b c)/a. (b c) b* = (c a)/b. (c a) c* = (a b)/c. (a b) Beispiel für die Regel der Vektoraddition für die vom Nullpunkt (000) zu den Beugungspunkten (hkl) führenden Vektoren R n März März

12 Beugungskontrast kristalliner Präparate Der durch die Kontrastaperturblende (Objektivlinse) hindurchgehende Hauptstrahl erzeugt das vergrößerte Bild der Probe, zunächst in der Bildebene der Objektivlinse. Das auf diese Weise auf dem Endbildleuchtschirm entstehende Bild ist das Hellfeldbild. Das Dunkelfeldbild entsteht hingegen, wenn man zur Abbildung nicht den Hauptstrahl, sondern eine bestimmte Braggsche Beugungsinterferenz verwendet. Der Beugungskontrast hängt von der Art der zur Bildentstehung verwendeten Braggschen Beugungsinterferenz ab. Folgende Kristallgitterdefekte lassen sich eindeutig charakterisieren: Versetzungen Planare Defekte: Stapelfehler, Antiphasengrenzen, Zwillingsgrenzen,Korngrenzen Ausscheidungen: kohärent und nicht kohärent Röntgenstrahl-Mikroanalyse LN gekühlter Si(Li) EDS Detektor Luftgekühlter Detektor Fensterloser Detektor Fensterloser Detektor Fenster Kristall Kristallgrößen: 10 mm 2 30 mm 2 50 mm 2 LN gekühlter Si(Li) EDS Detektor Luftgekühlter Detektor HOCHAUFLÖSUNGSELEKTRONENMIKROSKOPIE - (HREM) EDX - Spektren Ni 80 Fe 2 Hell- und Dunkelfeld Abbildung Hochauflösungsbild Elektronenbeugung, EDX- and EELS-Spektren März März

13 Vergleich der Elektronenstreuung zwischen einer dünnen (TEM) und einer "bulk"-probe (SEM). Energieverlust-Spektrometrie - (EELS) Im Falle der Energieverlustspektrometrie wird der Energieverlust der transmittierten Elektronen infolge inelastischer Elektronenstreuung bestimmt. Die Streuwinkel elastisch gestreuter Elektronen liegt bei ca. 1-2 (20-40 mr), bei kristallinen Proben gemäß λ sinθ e = 2d Die Abschätzung des Streuwinkels infolge inelastischer Streuung folgt aus (v.. Geschwindigkeit der einfallenden e - ) tan θ i 2 ΔE ΔE v m 0 v = = E c 1/ 2 z.bsp.: ΔE 250 ev und 200keV ergibt θ i =1.3 mr. Darstellung der Apertur bei der Aufnahme eines EELS Spektrums. Cliff-Lorimer Beziehung bei dünnen Proben (< 50 nm) (standardlose quantitative Auswertung des EDS-Röntgenspektrums) C C A B I A = k AB, CA + CB = 1 I B Die Cliff-Lorimerfaktoren hängen von der Beschleunigungsspannung ab und sind unabhängig von der Probendicke. Bei zunehmender Probendicke und vor allem bei leichten Elementen muss eine Absorptions- und Floureszenzkorrektur durchgeführt werden. C C A B A TF I A SPEC = k AB B I B ( μ / ρ) 1-exp -( ( μ / ρ) SPEC 1-exp -( B [ μ / ρ) SPEC ρ t cosecα x ] A [ μ / ρ) SPEC ρ t cosecα x ] (μ/ρ) X SPEC ist der Massenabsorptionskoeffizient des Elementes X in der Probe, ρ ist die Dichte der Probe und α x ist der take-off angle des Detektors und t ist die Probend März März

14 Bei der quantitativen EELS-Analyse werden die Spektren bearbeitet: 1. Abzug des Untergrundes 2. Dekonvolution von überlappenden Peaks 3. Umwandlung von Peakintensitäten in Zusammensetzung Abhängigkeit des EELS Spektrums von der Art der chemischen Bindung Inelastische Streuprozesse bestehen aus: 1. Phononenanregung (ΔE 0.02 ev) 2. Elektronenanregung (Valenzelektronen) (ΔE ev) 3. Inner-shell ionization (ΔE 50-einige tausend ev) 4. Plasmonenanregung (ΔE ev) Üblicherweise wählt man ß 0 so, dass man ein Spektrum von 0 bis 2000 ev Energieverlust erhält. EELS ist eine zur EDS- Röntgenmikroanalyse komplementäre Methode zur Elementanalyse. Der Vorteil von EELS liegt in der Analyse von leichten Elementen März März