Analýza vrstev pomocí elektronové spektroskopie a...

Elektronovéspektroskopie

Pavel Soucek

SEM

TEM

EDX (EDS)

WDX a AES

XPS

Záver

Analýza vrstev pomocí elektronovéspektroskopie a podobných metod

Pavel Soucek

1. 4. 2010

1/23


Pavel Soucek

SEM

TEM

EDX (EDS)

WDX a AES

XPS

Záver

Obsah

SEM

TEM

EDX (EDS)

WDX a AES

XPS

Záver

2/23


Pavel Soucek

SEM

TEM

EDX (EDS)

WDX a AES

XPS

Záver

Scanning Electron Microscopy

I metoda analýzy textury povrchu, chemického složení akrystalové struktury[1]

I využívá svazek vysokoenergetických elektronu, kterédopadají na vzorek, kde ztrácejí energii a vyvolávajíodezvu ve forme nekolika druhu meritelného signálu

I sekundární elektrony, zpetne odražené elektrony,charakteristické rentgenové zárení a zárení ve viditelnéoblasti (katodoluminiscence)

SEM 3/23


Pavel Soucek

SEM

TEM

EDX (EDS)

WDX a AES

XPS

Záver

Sekundární elektrony

I elektrony emitovanéozáreným vzorkem, majíenergii 0 až 50 eV

I kvuli jejich nízké energii semužou uvolnovat jen ztenké vrstvy pod povrchemvrstvy (3 – 10 nm)[2]

I detekce sekundárníchelektronu není obtížná,obsahují informaci otopografii povrchu, uvhodných vzorku obsahují iinformaci o chemickémsložení, elektrických imagnetických polích

I mužeme dosáhnoutrozlišení až 1 nm

SEM 4/23


Pavel Soucek

SEM

TEM

EDX (EDS)

WDX a AES

XPS

Záver

Zpetne odražené elektrony

I elektrony, které opouštejí vzorek s energií 50 eV až senergií dopadajícího svazku

I dopadající elektrony, které byly ve vzorku rozptýleny oúhel blížící se 180◦

I výtežnost zpetne odražených elektronu silne závisí naprotonovém císle prvku vzorku a proto se zobrazenípomocí zpetne odražených elektronu používá pro zjištenípovrchového složení vzorku vzhledem k protonovémucíslu

I detekce zpetne odražených elektronu je vzhledem k jejichvýrazne vyšší energii obtížnejší

I detektor tak musí být umísten ve vhodné pozici nadvzorkem a musí být dostatecne velký, aby pochytil conejvetší cást elektronu

SEM 5/23


Pavel Soucek

SEM

TEM

EDX (EDS)

WDX a AES

XPS

Záver

Porovnání SE a BSE

1

1http://pubs.er.usgs.gov/SEM 6/23


Pavel Soucek

SEM

TEM

EDX (EDS)

WDX a AES

XPS

Záver

Mikroskop

I skládá se ze zdroje elektronu (nejcasteji elektronové delose žhavenou wolframovou katodou), elektronové optiky,držáku vzorku a jednoho nebo více detektorupožadovaného signálu

I elektronová optika se skládá ze zhušt’ovacích cívek, kteréelektrony emitované ze zdroje usmernují do jednohosmeru, objektivových cívek, které zaostrují elektronovýsvazek na velmi malou plochu a skenovacích cívek, kteréumožnuji vychylování paprsku a tedy skenování vzorku

I celý systém je z duvodu použití žhaveného elektronovéhozdroje a nutnosti vést elektronový svazek pod vakuem

SEM 7/23


Pavel Soucek

SEM

TEM

EDX (EDS)

WDX a AES

XPS

Záver

Mikroskop II

SEM 8/23


Pavel Soucek

SEM

TEM

EDX (EDS)

WDX a AES

XPS

Záver

Transmission Electron Microscopy

I metoda analýzy struktury, složení a krystalové strukturyvzorku[1]

I elektronový svazek interaguje s velmi tenkým vzorkemI kontrast je zpusoben jednak (pri nižším zvetšení) absorpcí

elektronu ve vzorku, jednak (pri vyšším zvetšení)komplexními vlnovými interakcemi mezi elektrony avzorkem

I dva zobrazovací mody - obrazový a difrakcní

TEM 9/23


Pavel Soucek

SEM

TEM

EDX (EDS)

WDX a AES

XPS

Záver

Obrázky

a

ahttp://www.temwindows.com/default.asp

a

ahttp://spie.org/x17488.xml?ArticleID=x17488

TEM 10/23


Pavel Soucek

SEM

TEM

EDX (EDS)

WDX a AES

XPS

Záver

Mikroskop

2

2FULTZ, B., HOWE, J.M. Transmission Electron Microscopy andDifractometry of Materials

TEM 11/23


Pavel Soucek

SEM

TEM

EDX (EDS)

WDX a AES

XPS

Záver

Energy-dispersive X-ray Spectroscopy

I kvalitativní i kvantitativnímetoda analýzychemického složení[3]

I na základe detekcecharakteristickéhorentgenového zárenívydávaného vzorkem

I zárení bud’ opouštíelektronový obal bez dalšíinterakce a mužedopadnout do detektoru,nebo muže dále svouenergii predat elektronu najiné hladine a ten vyrazit(Augerovský elektron)

EDX (EDS) 12/23


Pavel Soucek

SEM

TEM

EDX (EDS)

WDX a AES

XPS

Záver

Prístroj

I rentgenové paprsky unikajív porovnání se zpetnéodraženými, sekundárnímia Augerovskými elektrony znejvetší hloubky materiálu,proto se používá tatometoda na merení složeníobjemu

I nemužeme detekovat prvkylehcí než berylium

I problémem je prekrývánícar ruzných prvku, to jeobzvlášte patrné, pokud jdeo cáry vznikající priprechodu elektronu zruzných energiovýchslupek[4]

EDX (EDS) 13/23


Pavel Soucek

SEM

TEM

EDX (EDS)

WDX a AES

XPS

Záver

Merení

μm100 200 300 4000

μm100 200 300 4000

μm100 200 300 4000

0

20

40

60C Kα

2

1

0

Si Kα

400

600

200

0

Ti Kα

EDX (EDS) 14/23


Pavel Soucek

SEM

TEM

EDX (EDS)

WDX a AES

XPS

Záver

Wavelength Dispersive X-ray Spectroscopy

I princip je stejný jako EDXI rentgenové zárení prochází filtrem pro jednu specifickou

vlnovou délku a tedy merení probíhá vždy jen pro jednuvlnovou délku[3]

I merení tak tedy trvá mnohem déle a nehodí se prokvalitativní zjišt’ování složení vzorku

I výhodou je však mnohem vyšší citlivost oproti EDX(rádove až 10 ppm) a mnohem vyšší rozlišovacíschopnost jednotlivých píku

WDX a AES 15/23


Pavel Soucek

SEM

TEM

EDX (EDS)

WDX a AES

XPS

Záver

Auger Electron Spectroscopy

I Augerovské elektrony jsou jedním ze signálu vystupujícíchze vzorku po ozárení vysokoenergetickými elektrony

I strední volná dráha Augerovských elektronu je velmi malá(0,1 - 2 nm), proto je tato metoda povrchová[5]

I energie Augerovských elektronu je, stejne jako energiecharakteristického rentgenového zárení, charakteristickápro každý prvek

WDX a AES 16/23


Pavel Soucek

SEM

TEM

EDX (EDS)

WDX a AES

XPS

Záver

X-ray Photoelectron Spectroscopy

I metoda kvantitativníanalýzy chemickéhosložení, empirickéhovzorce, chemického aelektronového stavu prvkuprítomných ve vzorku[6]

I založena na fotoefektu,konkrétne merení kinetickéenergie elektronu, kteréjsou dopadajícímrentgenovým zárenímvyraženy z hluboké slupkyprvku

valenční pás

1s

2s

2p

3s3d3p

energie vakua

hυ

E = hυ - E2sK

XPS 17/23


Pavel Soucek

SEM

TEM

EDX (EDS)

WDX a AES

XPS

Záver

Jednotky

I kinetická energiefotoelektronu je všakzávislá na energiidopadajícího rentgenovéhozárení a není tak pouzevlastností materiálu

I v praxi se uvádí vazebnáenergie, která jecharakteristikou orbitalu, zekterého elektron pochází

I EB = hν − EK − Φ

I kde EB je vazebná energie,hν je energie dopadajícíhorentgenového zárení, EK jekinetická energie elektronua Φ je prístrojová funkce[7]

XPS 18/23


Pavel Soucek

SEM

TEM

EDX (EDS)

WDX a AES

XPS

Záver

Možnosti

I mužeme merit všechnyprvky krome vodíku a helia

I fotoelektrony se ze vzorkuuvolnují jen, pokud jsouvyraženy v hloubcepribližne do 10 nm

I nejvyšší dosažitelnérozlišení je približne100 ppm, v praxi sepohybuje spíše v rádu1000 ppm

I problémem je pri merenínevodivých vzorku jejichnabíjení

XPS 19/23


Pavel Soucek

SEM

TEM

EDX (EDS)

WDX a AES

XPS

Záver

Prístroj

I XPS spektrometr seskládá ze zdrojerentgenovéhozárení, držákuvzorku, elektronovéoptiky, analyzátoruenergie elektronu adetektoru elektronu

I systém pracuje priUHV podmínkách —10−7 až 10−9 Pa

XPS 20/23


Pavel Soucek

SEM

TEM

EDX (EDS)

WDX a AES

XPS

Záver

Záverecný prehled

I struktura — SEM (SE), TEMI složení objemové — EDX, WDXI složení povrchové — SEM (BSE), AES, XPS

Záver 21/23


Pavel Soucek

SEM

TEM

EDX (EDS)

WDX a AES

XPS

Záver

Literatura I

AMELINCKX, S. et al. Electron microscopy: Principles andFundamentals. Weinheim: VCH, 1997. 515 s. ISBN3-527-29479-1

SWAPP, S. Scanning electron microscopy (SEM) [online],2009. [Cit. 2009-6-10]. Dostupné na:<http://serc.carleton.edu/18401 >

HAFFNER, B. Energy Dispersive Spectroscopy on theSEM: A Primer [online], 2007. [Cit 2010-21-1]. Dostupnéna: <http://www.charfac.umn.edu/ instruments/eds_on_sem_primer.pdf>

GOODGE, J. Energy-dispersive detector [online], 2009.[Cit. 2009-6-10]. Dostupné na:<http://serc.carleton.edu/18414 >

Záver 22/23


Pavel Soucek

SEM

TEM

EDX (EDS)

WDX a AES

XPS

Záver

Literatura II

DARRELL, H. Wavelength-Dispersive X-Ray Spectroscopy(WDS) [online], 2010. [Cit. 2010-21-1]. Dostupné na: <http://serc.carleton.edu/ research_education/geochemsheets/ wds.html>

NIX, R. 5.3 Photoelectron Spectroscopy [online], 2009.[Cit. 2009-7-10]. Dostupné na: <http://www.chem.qmul.ac.uk/ surfaces/ scc/ scat5_3.htm >

VIJ, D. R. Handbook of Applied Solid State Spectroscopy.New York: Springer Science+Business Media, 2006. 741 s.ISBN 0-387-32497-6

Záver 23/23

Analýza vrstev pomocí elektronové spektroskopie a...

Documents

Transcript of Analýza vrstev pomocí elektronové spektroskopie a...