Сканирующая электронная спектроскопия с использованием полевых эмиттеров Сверх

Сканирующая электронная спектроскопия с использованием полевых эмиттеров Сверх высокое пространственное разрешение получают при детектировании вторичных и обратно отраженных электронов из области равной диаметру пучка – 1 нм или меньше. Пучок такого диаметра получают с помощью эл. пушек с автоэмиссионными катодами. Два типа автоэмиссионных катодов: Катод Шотки: Zr. O/W(100) подогревной катод диаметр острия 0. 6 -1 мкм. Работа выхода понижается до 2. 8 э. В Нагрев до 1800 К. Использование поля для экстракции электронов. Яркость на три порядка выше энергетическое распределение в 2 раза уже чем у термоионных катодов.

W – автоэмиссионный катоды (АЭК)- острие – монокристалл вольфрама (100) или (321) радиус острия 10 -50 нм поле 100 В/см. Между катодом и первым анодом 4 -5 кэ. В Второй анод для ускорения или замедления первичных электронов. Холодные катоды работают при комнатной температуре и дают типичную плотность тока ~ 2*105 А/см 2. Необходимо прогревать для удаления адсорбирующихся газов. Очень узкое распределение по энергии эл. пучка. Горячие АЭК работают при температуре порядка 1800 К, что увеличивает энергетическую ширину пучка в два раза по сравнению с холодными АЭК. Ток на порядок больше. Еще одно преимущество более стабильный ток эмиссии. Максимальное достигнутое разрешение около 0. 4 нм при 30 кэ. В.

Максимальное разрешение достигается при • Уменьшении рабочего отрезка, «образец внутри линз» • При большем увеличении, когда размер растра меньше размера области генерации вторичных электронов - ~ 10 мкм для углерода и 1 мкм для золота, тогда вклад рассеянных вторичных равномерен по полю и контраст формируется исключительно обратно отраженными електронами. Напыление сверхтонких пленок металла приводит к увеличению контраста за счет увеличения упругого отражения от эффективной толщины пленки на изгибах микрорельефа. Увеличение отражения от тяжелых металлов

Пример исследования клетки. Образец замораживали затем либо резали (а, b) либо ломали (c, d). Сверху напыление 2. 5 нм платины. Кристаллы циолита со ступеньками роста. Pt/C напыление 3 нм под разными углами

Использвание сверхтонких пленок металла – Au, W для увеличения контраста и снятия заряда. Микрофотография березовой пыльцы с яркими точками – колоидного золота.

Низковольтная сканирующая микроскопия Микроскопия с энергиями электронов менее 5 кэ. В и до 50 э. В и даже ниже Ep=30 кэ. В 2 мкм 200 нм С 200 нм Au Ep=5 кэ. В 20 нм Ep=30 кэ. В Ep=5 кэ. В Основные преимущества: • Уменьшение глубины проникновения первичного пучка –уменьшения области распространения вторичных электронов • Увеличение выхода вторичных электронов за счет уменьшения глубины и следовательно вероятности выхода. Увеличение отношения сигнал/шум. • Подбор энергии первичных электронов до КВЭЭ=1 устраняет зарядку непроводящих образцов и необходимость напыления металла. 2 нм Ep=1 кэ. В Ep=31 кэ. В Расчет траекторий движения первичных электронов в твердом теле Методом Монте-Карло.

Формирование контраста более сложное чем при высоких энергиях • Изменение коэф. Обратного отражения в этой области энергий носит немонотонный характер, что приводит к увеличению контраста от материала • Значительное уменьшение радиационного повреждения материала. η δ 0 Атомный номер, δ+η 100 η δ Зависимость от энергии коэффициентов вторичной электронной эмиссии δ и неупргого отражения η 0 Ер, кэ. В 4

Сравнение контраста для низковольтоной SEM и AFM LE-phase, uncoated area LE-фаза, без маски Область покрытая маской Вторично-эмиссионное изображение (A and B) и AFM топография (C and D) оной области 1, 2 -dipalmitoyl-sn-glycero-3 -phosphothioethanol (DPPTE) монослоя на кремниевой подложке. покрытой Pt/C ультратонкой пленкой с маской

Изменение контраста изображения в зависимости от энергии первичного пучка для образца keratinocyte. Ниибольшее количество мелких деталей наблюдается при 2 кэ. В

Недостатки низковольтной сканирующей микроскопии • Уменьшение разрешения из-за увеличения абераций и дифракционных эффектов • Высокая чувствительность к остаточным электромагнитным полям • Необходимость в специальных детекторах • Большая чувствительность к поверхностным загрязнениям • Уменьшение топографического контраста из-за уменьшения зависимости коэффициентов от угла • Формирование контраста более сложное благодаря немонотонности зависимостей коэффициентов от энергии, атомного номера, толщины • Проблема детекторов – меньше энергия – меньше разница между вторичными и отраженными Благодаря новейшим достижениям в проектировании высокостабильных электромагнитных линз хроматические и сферические аберации уменьшены в 30 раз и достигается разрешение менее 1 нм при 1 кэ. В Использование электростатических линз на выходе позволяет формировать малую энергию пучка лишь на выходе из пушки в то время как формирование пучка идет при высоких энергиях, что уменьшает аберации и увеличивает яркость источника. В микроскопах с задерживающим полем получены микрофотографии с электронами с энергией 0. 5 е. В Использование постоянных магнитов, миниатюризация микроскопов до размеров менее 10 см.

Основное применение: • в случае радиационно чувствительных образцов полимеров и полупроводников • в случае изоляторов без возможности нанесения проводящего покрытия. • При необходимости исследования тонких слоев, пленок или пористых структур • Возможность «профильного анализа» по средствам изменения энергии первичного пучка. • Для исследования полупроводниковых устройств с индуцированием потенциала или тока электронным лучом Полупроводниковое устройство (скол) с барьерами Шотки на вольфрамовых контактах. Затемнение у контактов- барьер Шотки ~0. 6 э. В

Фосфолипид/протеиновая пленка на поверхности кремния А) – покрытая проводящей пленкой В) не покрытая Самоорганизующиеся органические молекулы дают контраст, который пропадает при напылении проводящего покрытия Изображение стеклянной микропипетки без эффектов зарядки поверхности

Рентгеновский Микроанализ в сканирующей микроскопии Основные особенности: • Малое поглощение в веществе по сравнению с электронами • Большая зона генерации по сравнению с пятном первичных электронов • Возможность одновременного получения вторично-электронного изображения и расперделения элементов в приповерхностной области. • Сложная зависимость от таких факторов как: обратное рассеяние электронов, рентгеновская флюорисценция, рентгеновская адсорбция, ZAF коррекция. • Определение элементов начиная с 4 -6 го в зависимости от детектора. • Низкая чувствительность к легким элементам. R [μm] = (0. 0276 A/ρZ 0. 89) · (E 01. 67 − Ex 1. 67) Формула определяющая область генерации рентгеновского излучения в образце. Ρ – плотность Z – атомный номер, A – атомный вес. Ео – энергия первичных электронов, Ех – энергия рентгеновского излучения.

Два типа используемых детекоров для регистрации: EDX детекторы на основе твердотельного полупроводникового элемента. Ток определяется количеством электрон-дырочных пар их количество пропорционально энергии рентгеновского кванта. Порого насыщения 103 -105 сps WXD детекторы – выделение определенной длины волны за счет дифракции, сканирование по длинам волн врашением кристалла.

Пример рентгеновского спектра образца сплава Fe. Cr c включениями Si (Слева) и элементная карта (Справа )

Дифракция быстрых обратно отраженных электронов EBSD 2 d sin ϑ = nλ Картинки Кикучи – пересечение наблюдатльной плоскости касательной к сфере рассеяния электронов с пучками электронов образующихся при отражении от кристаллографических плоскостей