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Microscopia elettronica in trasmissione di nanostrutture

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<strong>Microscopia</strong> <strong>elettronica</strong> <strong>in</strong> <strong>trasmissione</strong> <strong>di</strong><br />

<strong>nanostrutture</strong><br />

Mauro Gemmi<br />

Dipartimento <strong>di</strong> Scienze della Terra ”A. Desio”<br />

Universita’ <strong>di</strong> Milano<br />

Mauro Gemmi Scuola GNM 2004 Otranto 14-18 Giugno 2004


Summary<br />

• 1. Inroduction<br />

• 2. Electron <strong>di</strong>ffraction<br />

• 3. Imag<strong>in</strong>g<br />

• 4. Probe techniques<br />

• 5. Examples<br />

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1. Introduction<br />

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Source (Gun)<br />

It can be thermionic or field emission<br />

Illum<strong>in</strong>ation system<br />

Two condenser lenses C1 and C2<br />

C1 : <strong>di</strong>fferent spot sizes<br />

C2 : convrgence of the beam<br />

Objective Lens<br />

It creates the first image of the sample<br />

Projection system<br />

Interme<strong>di</strong>ate lens: to change from<br />

image mode to <strong>di</strong>ffraction mode<br />

Projection lens: to change the<br />

magnification<br />

Screen<br />

CCD or Photographic plates<br />

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Microscope as an electron source<br />

-Electron <strong>di</strong>ffraction:<br />

Selected area (SAD)<br />

Convergent beam (CBED)<br />

Micro and nano <strong>di</strong>ffraction<br />

- High resolution electron imag<strong>in</strong>g (HREM)<br />

- EDS (X-ray maps, microanalysis with high spatial resolution)<br />

- EELS electron energy loss spectroscopy<br />

- STEM Scann<strong>in</strong>g Transmission Electron microscopy:<br />

imag<strong>in</strong>g with backscattered electrons<br />

high angle anular dark field (HAADF) imag<strong>in</strong>g<br />

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Image resolution<br />

With TEM microscopes we can obta<strong>in</strong> images of crystall<strong>in</strong>e<br />

materials with atomic resolution:<br />

Acceleration voltage (kV) Po<strong>in</strong>t resolution (Å)<br />

120 ~3<br />

200 2.0<br />

300 1.7<br />

We can see nano-crystals<br />

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Brightness and beam size<br />

FEG Guns have a higher brightness (10 3 ):<br />

we can use beams with a smaller <strong>di</strong>ameter hav<strong>in</strong>g<br />

enough current for obta<strong>in</strong><strong>in</strong>g a detectable signal<br />

Thermionic<br />

FEG<br />

Smallest beam size 10nm


Back focal plane<br />

Image plane<br />

e -<br />

θ<br />

Object (sample)<br />

Lens<br />

Diffraction<br />

(Fourier transform)<br />

Image<br />

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SAD Mode<br />

HREM Mode<br />

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SAD<br />

HREM<br />

Reciprocal space<br />

Direct space<br />

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2. Electron Diffraction<br />

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Laue con<strong>di</strong>tions k i<br />

-k d<br />

=h<br />

Electron <strong>di</strong>ffraction<br />

Bragg law 2d h<br />

s<strong>in</strong>θ=nλ k=2π/λ<br />

S(r)<br />

r<br />

{ V(r) r<br />

crist<br />

r<br />

ρ e<br />

(r)<br />

for electrons<br />

for x ray<br />

r<br />

F h<br />

r r r<br />

= iφ I h<br />

Electron structure factor<br />

Stronger scatter<strong>in</strong>g!<br />

r r r<br />

f h : f h ≈ 1 : 10<br />

( ) F( h) exp( ( h<br />

) = [ S(r) ]<br />

F<br />

r<br />

( h ) ( ) e<br />

F h X<br />

≠ ( ) ( )<br />

3<br />

X<br />

e<br />

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• Dynamical effects<br />

Electron <strong>di</strong>ffraction is far from be<strong>in</strong>g<br />

k<strong>in</strong>ematical<br />

( )<br />

Iexp ≈ Fh<br />

r 2<br />

(200)<br />

forbidden<br />

(111)<br />

allowed<br />

(111)<br />

(200)<br />

(111)<br />

Si [011] spg Fd3m<br />

(h00) allowed only if h=4n<br />

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Electron <strong>di</strong>ffraction<br />

VOLTAGE λ IN Å<br />

IN KV<br />

100 0.0370<br />

300 0.0197<br />

1000 0.0087<br />

The Ewald sphere is flat!<br />

In one shot we record a reciprocal<br />

lattice plane<br />

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Polycrystal<br />

Fe oxides<br />

Modulated<br />

structures<br />

Bi 6<br />

Pb 2<br />

O 11<br />

Example of SAD patterns<br />

S<strong>in</strong>gle<br />

crystal<br />

[111] BaCuO 2<br />

Quasicrystal<br />

AlPdMn Alloy<br />

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3 .Imag<strong>in</strong>g<br />

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Amplitude and phase contrast<br />

2<br />

2<br />

Ψ( r ) = A( x,<br />

y)<br />

r r r<br />

Ψ( ) = exp( −iu<br />

⋅<br />

)<br />

e -<br />

Ψ( r ) = A( x,<br />

y)exp( −iφ(<br />

x,<br />

y)<br />

)<br />

2<br />

Ψ( r ) = 1<br />

r r r<br />

Ψ( ) = exp(<br />

−iu<br />

⋅<br />

)<br />

e - Ψ( r ) = exp( −iφ(<br />

x,<br />

y)<br />

)<br />

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Electrons as particles or waves<br />

Ψ( r )<br />

r<br />

p =<br />

r<br />

mv<br />

λ =<br />

h<br />

p<br />

E<br />

= T<br />

=<br />

e - 0<br />

In free space the energy is completely k<strong>in</strong>etic<br />

2<br />

p<br />

2m<br />

λ =<br />

h<br />

2meV 0<br />

p = 2mT<br />

= 2meV<br />

V 0 is the accelerat<strong>in</strong>g potential<br />

Ψ<br />

r<br />

u<br />

r<br />

( r ) = exp( − iu ⋅ r )<br />

=<br />

2π<br />

λ<br />

r<br />

r<br />

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Electrons <strong>in</strong>side a crystal<br />

Inside the crystal the electrons<br />

have also a potential energy<br />

E<br />

T<br />

= eV0<br />

= eV0<br />

r<br />

= T − eV (r )<br />

r<br />

+ eV (r )<br />

λ before =<br />

h<br />

2meV 0<br />

λ<br />

<strong>in</strong>side<br />

=<br />

h<br />

( V ( r ) + )<br />

2me<br />

V 0<br />

V (r r )<br />

Crystal<br />

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Phase shift<br />

Ψ<br />

r<br />

( r ) = exp( − iu ⋅ r ) = exp( − iφ<br />

)<br />

r 2π<br />

u =<br />

λ<br />

r<br />

r<br />

⎛<br />

⎞<br />

⎛<br />

⎞<br />

⎜<br />

2π<br />

2π<br />

⎟<br />

2π<br />

r<br />

= ⎜<br />

V ( r )<br />

⎟<br />

π<br />

dφ<br />

= − dz<br />

1+<br />

−1<br />

dz = V dz<br />

⎝ λ<strong>in</strong>side λbefore<br />

⎠ λbefore<br />

⎝ V0<br />

⎠ λbeforeV0<br />

φ<br />

t<br />

( r ) + K<br />

2πmeλ<br />

, ∫ =<br />

cell ∫ dz<br />

2<br />

h<br />

( x y) = V ( x,<br />

y,<br />

z) dz σN<br />

V ( x,<br />

y,<br />

z)<br />

Ψ<br />

0<br />

unit cell<br />

( )<br />

( x, y) = exp − iσN<br />

V ( x y)<br />

cell proj<br />

,<br />

t<br />

The phase of the exit wave function<br />

is a map of the projected potential<br />

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Weak phase object<br />

for electrons<br />

Ψ<br />

2<br />

( ) = 1−<br />

iσN<br />

V ( x,<br />

y) − ( σN<br />

V ( x,<br />

)) + K<br />

( x y) = exp − iσN<br />

V ( x,<br />

y)<br />

, y<br />

cell<br />

proj<br />

cell<br />

proj<br />

cell<br />

proj<br />

Direct space<br />

Ψ<br />

( x, y) = 1 − iσN<br />

V ( x y)<br />

cell proj<br />

,<br />

Direct beam<br />

Scattered beams<br />

Ψ<br />

2<br />

( x,<br />

y) = 1<br />

Fourier (reciprocal)<br />

Space<br />

Diffraction<br />

~ r r λt<br />

ψ<br />

i r<br />

Ω<br />

( u) = δ ( u) − F( u)<br />

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Zernike’s microscope<br />

e -<br />

back focal plane<br />

image plane<br />

object plane<br />

Lens<br />

phase chang<strong>in</strong>g plate<br />

Ψ<br />

π<br />

2<br />

2<br />

( x,<br />

y) = exp( ± i ) − iσN<br />

V ( x,<br />

y) = 1±<br />

2σN<br />

V ( x y)<br />

im cell proj<br />

cell proj<br />

,<br />

By defocus<strong>in</strong>g the ojective lens <strong>in</strong> TEM we produce a phase shift <strong>in</strong> the<br />

<strong>di</strong>rect beam so that we have a visible contrast. HREM images are taken<br />

always out of focus!!!!<br />

2<br />

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Sample<br />

Image formation<br />

e -<br />

Objective<br />

Lens<br />

Back Focal<br />

Plane<br />

resolution<br />

Image<br />

Plane<br />

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Bright Field<br />

On Oliv<strong>in</strong>e<br />

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Bright Field<br />

On Diamond<br />

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Dark Field<br />

On a Silicon Film<br />

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High resolution<br />

On uvarovite<br />

Ca 3<br />

(Al 0.4<br />

Cr 0.6<br />

) 2<br />

(SiO 4<br />

) 3<br />

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Defocus<br />

-77nm -115nm -154nm<br />

2 celle<br />

50 Å<br />

Forsterite<br />

Thickness<br />

100 Å<br />

200 Å<br />

300 Å<br />

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4. Probe techniques<br />

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X-ray Microanalysis<br />

• Microanalysis on a nanometric scale<br />

(FEG)<br />

• Problems with light elements<br />

• X maps (STEM)<br />

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STEM imag<strong>in</strong>g<br />

2 A<br />

High angle anular<br />

dark field detector<br />

Coherent scatter<strong>in</strong>g at low angle<br />

Incoherent Rutherford scatter<strong>in</strong>g at high angle Pure Z contrast with<br />

atomic resolution<br />

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EELS Electron Energy Loss Spectroscopy<br />

Ionization edges: chemical<br />

analysis on light elements<br />

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5. Examples<br />

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Oliv<strong>in</strong>e planar defects along [001]<br />

600 - 700 °C<br />

Bright field<br />

HREM<br />

a<br />

c<br />

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Hematite formation<br />

600 - 700 °C<br />

(Mg 0.84<br />

Fe 2+ 0.16 ) 2 SiO 4 + 0.08O 2 0.16Fe3+ 2 O 3 + 0.84Mg 2 SiO 4 + 0.16SiO 2<br />

Hematite Forsterite Amorphous silica<br />

• Hematite stable up to 1130 °C<br />

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Elongated precipitates 800 - 900 °C<br />

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Globular precipitates 800 - 900 °C<br />

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800 - 900 °C<br />

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800 - 900 °C<br />

Oliv<strong>in</strong>e [210]<br />

Amorphous SiO 2<br />

Hematite [301]<br />

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800 - 900 °C<br />

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800 - 900 °C<br />

SAED<br />

FFT<br />

[010] OL<br />

= [010] HE<br />

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Oliv<strong>in</strong>e and hematite grow coherently by conserv<strong>in</strong>g the hexagonal close<br />

pack<strong>in</strong>g of O atoms<br />

Topotactic relationship:<br />

(100) OL<br />

//(001) HE<br />

(001) OL<br />

//(100) HE<br />

a OL<br />

//c HE<br />

b OL<br />

//b HE<br />

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Oliv<strong>in</strong>e<br />

Hematite<br />

a=4.814Å<br />

b=10.40 Å<br />

c=6.086 Å<br />

Oliv<strong>in</strong>e (Orto)<br />

Hematite(Hex)<br />

a=4.984 Å<br />

c=14.33 Å<br />

Supercell (Orto)<br />

c s<br />

=3a OL<br />

~c HE<br />

=14.4 Å<br />

c s<br />

=b OL<br />

~2b HE<br />

=10.4 Å<br />

c s<br />

=3c OL<br />

~4*s<strong>in</strong>(60°)a HE<br />

//(010) HE<br />

=17.4 Å<br />

(010)<br />

(0-10)<br />

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A) 30 OL + 5 HE1 supercells<br />

B) 15 OL + 5 HE2 + 15 OL supercells<br />

Thickness = 350 Å<br />

Defocus = -115nm<br />

C) 20 OL + 5 HE1 + 5 HE2 supercells<br />

Thickness = 306 Å<br />

Defocus = -120nm<br />

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Pyroxene formation<br />

1000-1300 °C<br />

Mg 2<br />

SiO 4<br />

+ SiO 2<br />

2Mg SiO 3<br />

Forsterite Amorphous silica Pyroxene<br />

• Pyroxene forms at 1040 °C<br />

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Disordered Enstatite (Cl<strong>in</strong>o-Proto)<br />

1000-1300 °C<br />

HREM<br />

SAED<br />

Strong streak<strong>in</strong>g is evident<br />

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Ordered regions 1000-1300 °C<br />

A) Cl<strong>in</strong>o enstatite tilted<br />

B) Proto enstatite tilted<br />

FFT<br />

[010]<br />

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Gra<strong>in</strong> boundaries with oliv<strong>in</strong>e<br />

1000-1300 °C<br />

FFT<br />

• None topotactic relationship<br />

between pyroxene and oliv<strong>in</strong>e<br />

[010] EN<br />

[112] OL<br />

Pyroxene has never been observed<br />

<strong>in</strong>side the oliv<strong>in</strong>e matrix but always at<br />

the gra<strong>in</strong> boundaries<br />

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1100 - 1300 °C<br />

SAED<br />

[010] Oliv<strong>in</strong>e<br />

SAED<br />

?<br />

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SAED simulations<br />

1100 - 1300 °C<br />

+<br />

[010] Oliv<strong>in</strong>e<br />

[211] Magnetite<br />

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Simulation<br />

SAED<br />

1100 - 1300 °C<br />

Zone axes:<br />

Oliv<strong>in</strong>e [010]<br />

Magnetite [211]<br />

Topotactic relation (100)Ol // (111)MT ; (001)Ol //(110)MT<br />

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Ba-Cu-C-O System<br />

Aragonite – like structure<br />

CuO<br />

(Courtesy of A. Migliori)<br />

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Witherite γ−BaCO 3<br />

(Courtesy of A. Migliori)<br />

Ba(CuO x<br />

) 1/2<br />

(CO 3<br />

) 1/2<br />

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Ti 2 P: a structure ordered on a nanoscale<br />

Literature:<br />

• hexagonal a = 11.5 Å , c = 3.45 Å<br />

• Laue symmetry 6/mmm<br />

• Distorted Fe 2<br />

P model (hypothesis)<br />

Fe<br />

P<br />

b<br />

c<br />

a<br />

[001]<br />

[100]<br />

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b


Ti 2 P: a structure ordered on a nanoscale<br />

[001] [100]<br />

• Superstructure x3 a and b: a = 19.93 Å c = 3.45 Å<br />

• Disorder on the a b plane<br />

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Ti 2 P: a structure ordered on a nanoscale<br />

[001]<br />

[100]<br />

Structure solved with electron<br />

<strong>di</strong>ffraction data<br />

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HREM <strong>in</strong> [100]<br />

The structure is <strong>di</strong>sordered on a very small scale<br />

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HREM <strong>in</strong> [100]<br />

Symmetry of the superstructure must be reduced !<br />

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3 P vacancies<br />

Space Group P-6<br />

Simulations <strong>in</strong> [100]<br />

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Simulations <strong>in</strong> [001]<br />

a) a) P-6 model<br />

b) b) P-62m model<br />

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