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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