Physikalische Messverfahren

Josef FidlerJosef FidlerPMV/SS07PMV/SS07D.2. ELEKTRONENMIKROSKOPIEPhysikalischeMessverfahren134.047GrundlagenRasterelektronenmikroskopie (SEM)Transmissionselektronenmikroskopie(TEM)josef.fidler@tuwien.ac.atjosef.fidler@tuwien.ac.atInhaltVorwort Die Bedeutung der Meßtechnik in Naturwissenschaft und TechnikDefinitionen, Konventionen und FehlerabschätzungEinfache Meßgrößen Messung von Längen Messung von Kräften, Drücken und Beschleunigungen Temperaturmessung Zeitmessung Elektromagnetische Feldgrößen Schallfeldgrößen Masse- und VolumendurchflußmessungZusammengesetzte Meßgrößen EnergieflußmessungPräzisions-Sensoren che Resonatoren als SensoPiezoelektrisrelementeSpezielle Meßverfahren Neutronenstreuung Elektronenmikroskopie Mechanische und thermische Eigenschaften Magnetische und elektronische EigenschaftenPhysikalische Grenzen Ursachen des Rauschens Methoden zur Rauschunterdrückung Methoden zur Verbesserung des Signal- zu RauschverhältnissesPMV/SS07Das Elektron als Sondem 0 = 9.109 x 10 -28 g (m 0n = 1.675 x 10 -24 g)m100 keV0 / m 0 = 1.196 v 100 keV / c = 0.55m200 keV0 / m 0 = 1.391 v 200 keV / c = 0.70m1000 keV0 / m 0 = 2.957 v 1000 keV / c = 0.94λ100 keV= 0.00370 nmλ200 keV= 0.00251 nmλ 1000 keV = 0.00087 nmPMV/SS07josef.fidler@tuwien.ac.atjosef.fidler@tuwien.ac.at15. März 2007 125. März 2007 2

Josef FidlerJosef FidlerPMV/SS07PMV/SS07Rasterelektronenmikroskopie schematischErstes 400 keV TEM der Firma Philipsaus dem Jahre 1947.Erstes TEM aus dem Jahre 1931 (RUSKA)josef.fidler@tuwien.ac.atjosef.fidler@tuwien.ac.atPMV/SS07PMV/SS07Elektronenmikroskopische VerfahrenAnwendungen inMaterialwissenschaftenund BiologieVergrößerungen(10 x - 1.000.000 x)josef.fidler@tuwien.ac.atjosef.fidler@tuwien.ac.at35. März 2007 345. März 2007 4

Josef FidlerJosef FidlerPMV/SS07PMV/SS07Vegrößerung SEMVergleich thermische und FE-Kathodein einem modernen SEMVerkleinerte Abbildung des Cross-Oversauf die Probenoberflächejosef.fidler@tuwien.ac.atjosef.fidler@tuwien.ac.atPMV/SS07PMV/SS07Schematischer Aufbau eines SEMVegrößerung SEMjosef.fidler@tuwien.ac.atjosef.fidler@tuwien.ac.at115. März 2007 11125. März 2007 12

Josef FidlerJosef FidlerPMV/SS07PMV/SS07Sekundärelektronen (SE)αeRückstreuelektronen (RE ≡ BE), MaterialkontrastSE Bild einer RotwanzeSekundärelektronenausbeute δ alsFunktion der PE-Energie und Einfallswinkeljosef.fidler@tuwien.ac.atjosef.fidler@tuwien.ac.atRückstreuelektronen (RE ≡ BE), MaterialkontrastαePMV/SS07Röntgenstrahlung, X-rayPMV/SS07Halbleiter-BE (RE) DetektorRückstreukoeffizient als Funktionvon Z und Einfallswinkel αjosef.fidler@tuwien.ac.atjosef.fidler@tuwien.ac.at155. März 2007 15165. März 2007 16

Josef FidlerJosef FidlerPMV/SS07PMV/SS07Energiedispersiver Röntgen-Halbleiterdetektor (EDX)Topographiekontrast - FlächenneigungskontrastFlächenneigungskontrast beim SEMin Analogie zur Lichtintensität bei seitlicherBeleuchtung und diffus streuender FlächeFlächenneigungskontrast und Abschattung(a) SE-Bild, (b) RE-BildSchematischer Aufbau eines Halbleiter EDX-Detektorsjosef.fidler@tuwien.ac.atVideosignal bei Abbildung einer Objekterhebung.josef.fidler@tuwien.ac.atPMV/SS07PMV/SS07BildentstehungKanteneffektTridymit-Kristalle auf Goldblech (a) 10 kEV, (b) 30 keVReichweite und Austrittstiefen der RE (T) und der SE(t):Schematischer Intensitätsverlauf des SEundRE-Signals bei Beobachtung einerKante K und Oberflächenstufen A und B.josef.fidler@tuwien.ac.atjosef.fidler@tuwien.ac.at175. März 2007 17185. März 2007 18

Josef FidlerJosef FidlerPMV/SS07Probenpräparation - IonenstrahldünnenPMV/SS07>Ar+:3~5KeVGatan- Precision Ion Polishing SystemProbenkanten sind durchstrahlbar im TEMjosef.fidler@tuwien.ac.atjosef.fidler@tuwien.ac.atTRANSMISSIONSELEKTRONENMIKROSKOPIE (TEM)ProbenpräparationDas GerätElektronenbeugung(Bragg´sches Gesetz und Ewaldkugel)PMV/SS07Schematischer Aufbau eines TEMPMV/SS07Vakuumsystem im TEMBeugungskontrast kristalliner Präparate(Hell- und DunkelfeldabbildungHochauflösungselektronenmikroskopieAnalytische TEM (EDS)Energieverlust-Spektroskopie (EELS)josef.fidler@tuwien.ac.atjosef.fidler@tuwien.ac.at195. März 2007 19205. März 2007 20

Josef FidlerJosef FidlerPMV/SS07PMV/SS07TransmissionselektronenmikroskopPrinzipWElektronenbeugungIm Falle kleiner Beugungswinkel gilt:λ ⋅ L =R⋅Hd HLaB 6W-FER ist der Abstand des Beugungspunktesvom Mittelpunkt im Beugungsbild undL ist die Kameralänge des Mikroskopes.λ.L wird als Beugungslänge bezeichnet.Einfluß der Form der Kristallinität auf dasElektronenbeugungsbild von Aujosef.fidler@tuwien.ac.atjosef.fidler@tuwien.ac.atPMV/SS07PMV/SS07Elektronenbeugung (Bragg´sches Gesetz und Ewaldkugel)analog zur RöntgenbeugungUnterscheidung: Einkristall- und Vielkristallbeugung.für Elektronenbeugungsinterferenzen gilt das Bragg´sche Gesetz:n⋅λ=2⋅d⋅sinθoder k - k 0= gIndizierung von Einkristall-BeugungsdiagrammenEs gilt die Regel der Vektoraddition: R 3= R 1+ R 2SmCo 52⋅d⋅ sinθ= λHλθn≈ sinθn=2 ⋅ dnHReziprokes Gitter:g = h.a*+ k.b*+l.c*a.a* = b.b* = c.c* = 1a* = (b∧c)/a . (b∧c)b* = (c∧a)/b . (c∧a)c* = (a∧b)/c . (a∧b)josef.fidler@tuwien.ac.atBeispiel für die Regel der Vektoraddition für die vom Nullpunkt (000)zu den Beugungspunkten (hkl) führenden Vektoren R n .10.10-1.011.101.0josef.fidler@tuwien.ac.at215. März 2007 21225. März 2007 22

Josef FidlerJosef FidlerBeugungskontrast kristalliner PräparateDer durch die Kontrastaperturblende (Objektivlinse) hindurchgehendeHauptstrahl erzeugt das vergrößerte Bild der Probe, zunächst in derBildebene der Objektivlinse. Das auf diese Weise auf demEndbildleuchtschirm entstehende Bild ist das Hellfeldbild.Das Dunkelfeldbild entsteht hingegen, wenn man zur Abbildung nicht denHauptstrahl, sondern eine bestimmte Braggsche Beugungsinterferenzverwendet.Der Beugungskontrast hängt von der Artder zur Bildentstehung verwendetenBraggschen Beugungsinterferenz ab.Folgende Kristallgitterdefekte lassen sicheindeutig charakterisieren: Versetzungen Planare Defekte:Stapelfehler, Antiphasengrenzen,Zwillingsgrenzen,Korngrenzen Ausscheidungen: kohärent und nicht kohärentPMV/SS07josef.fidler@tuwien.ac.atRöntgenstrahl-MikroanalyseLN gekühlter Si(Li) EDS Detektor„Luftgekühlter“ Detektor„Fensterloser“ Detektor„Fensterloser“ DetektorFensterKristallKristallgrößen:10 mm 230 mm 250 mm 2PMV/SS07LN gekühlter Si(Li) EDS Detektor„Luftgekühlter“ josef.fidler@tuwien.ac.atDetektorHOCHAUFLÖSUNGSELEKTRONENMIKROSKOPIE - (HREM)PMV/SS07EDX - SpektrenPMV/SS07Ni 80 Fe 2Hell- und DunkelfeldAbbildungHochauflösungsbildElektronenbeugung, EDX- and EELS-Spektrenjosef.fidler@tuwien.ac.atjosef.fidler@tuwien.ac.at235. März 2007 23245. März 2007 24

Josef FidlerJosef FidlerVergleich der Elektronenstreuung zwischen einerdünnen (TEM) und einer "bulk"-Probe (SEM).PMV/SS07Energieverlust-Spektrometrie - (EELS)PMV/SS07Im Falle der Energieverlustspektrometrie wird der Energieverlust dertransmittierten Elektronen infolge inelastischer Elektronenstreuung bestimmt.Die Streuwinkel elastisch gestreuterElektronen liegt bei ca. 1-2° (20-40 mr),bei kristallinen Proben gemäßλsinθ e=2dDie Abschätzung des Streuwinkels infolgeinelastischer Streuung folgt aus(v .. Geschwindigkeit der einfallenden e - )tanθ i2ΔEΔE⎛ v12 22 m0v⎟ ⎞= =⎜ −E ⋅ ⎝ c ⎠1/2josef.fidler@tuwien.ac.atz.Bsp.: ΔE≈250 eV und 200keVergibt θ i=1.3 mr.Darstellung der Apertur bei derAufnahme eines EELS Spektrums.josef.fidler@tuwien.ac.atPMV/SS07Cliff-Lorimer Beziehung bei dünnen Proben (< 50 nm)(standardlose quantitative Auswertung des EDS-Röntgenspektrums)PMV/SS07CCABIA= kAB⋅ , CA+ CB= 1IBDie Cliff-Lorimerfaktoren hängen von der Beschleunigungsspannung ab undsind unabhängig von der Probendicke.Bei zunehmender Probendicke und vor allem bei leichten Elementen musseine Absorptions- und Floureszenzkorrektur durchgeführt werden.CCABATFIASPEC= kAB⋅ ⋅ ⎡ BIB ⎣ ⎢ ( μ / ρ)⎤ ⎧⎪1-exp -(⎥ ⋅ ⎨( μ / ρ)SPEC ⎦ ⎩⎪ 1-exp -(B[ μ / ρ) SPEC⋅ρ⋅t⋅cosecαx ]A[ μ / ρ) SPEC⋅ρ⋅t⋅cosecαx ](μ/ρ) X SPECist der Massenabsorptionskoeffizient des Elementes X in der Probe,ρ ist die Dichte der Probe und α xist der „take-off angle“ des Detektors und t ist die Probend⎫⎪⎬⎭⎪josef.fidler@tuwien.ac.atjosef.fidler@tuwien.ac.at255. März 2007 25265. März 2007 26

Josef FidlerJosef FidlerBei der quantitativen EELS-Analyse werden die Spektren bearbeitet:1. Abzug des Untergrundes2. Dekonvolution von überlappenden Peaks3. Umwandlung von Peakintensitäten in ZusammensetzungPMV/SS07Abhängigkeit des EELS Spektrums von der Art der chemischen BindungPMV/SS07josef.fidler@tuwien.ac.atjosef.fidler@tuwien.ac.atPMV/SS07PMV/SS07Inelastische Streuprozesse bestehen aus:1. Phononenanregung (ΔE≈0.02 eV)2. Elektronenanregung (Valenzelektronen) (ΔE≈1-150 eV)3. “Inner-shell ionization“ (ΔE≈50-einige tausend eV)4. Plasmonenanregung (ΔE≈10-50 eV)Üblicherweise wählt man ß 0 so, dass man ein Spektrumvon 0 bis 2000 eV Energieverlust erhält.EELS ist eine zur EDS- Röntgenmikroanalyse komplementäreMethode zur Elementanalyse.Der Vorteil von EELS liegt in der Analyse von leichten Elementen.josef.fidler@tuwien.ac.atjosef.fidler@tuwien.ac.at275. März 2007 27285. März 2007 28