Растровая электронная микроскопия. физический принцип
Особенности изображений в РЭМ
14.30M
Категория: ЭлектроникаЭлектроника

3.1 РЭМ

1. Растровая электронная микроскопия. физический принцип

2.

Принцип сканирования
Сканирование последовательное изучение
поверхности с помощью
развертки .
Развертка - периодическое
отклонение по осям X и Y с
целью
формирования
растра.
Прямой ход сканера
Растр - система
сканирования.
линий
Обратный ход сканера

3.

Пример:
телевизор
Отклоняющие
катушки

4.

Растровая электронная микроскопия
Формирование электронного луча

5.

Виды катодов для электронной пушки
Вольфрамовый катод
Стержневой
катод LaB6

6.

Источником электронов является
электронная пушка. Основные
ее элементы - катод (эмитирует
электроны), цилиндр Венельта
(управляющий электрод) и анод.
Эмиссия
1) термоэлектронная
2) автоэлектронная
1. Испускание электронов катодом происходит за счет
нагрева.
2. Испускание электронов происходит при приложении
сильного электрического тока.

7.

Основные параметры источников
Эмиссия
Термоэмиссия
Автоэмиссия
W
LaB6
FE
Размер (nm)
1 x 10
5
2 x 10
4
0.2
Яркость
2
(A/cм *ср)
104 - 105
105 - 106
107 - 109
Разброс
энергий (эВ)
1-5
0.5 – 3.0
0.2 – 0.3
Время работы
(ч)
>20
>100
>300
Вакуум (torr)
-4
10 – 10
-5
-6
10 – 10
-7
-9
10 – 10
-10

8.

Преимущества по сравнению с другими
методами:
Со световой микроскопией:
Бóльшая разрешающая способность и глубина
резкости;
Легкость интерпритации полученных
изображений благодаря их трехмерному
представлению;
Возможность подключения дополнительных
приборов для анализа в микродиапазоне;
Низкие требования к пробоподготовке;

9.

Преимущества по сравнению с другими
методами:
Со сканирующей зондовой микроскопией:
Исследование существенно больших
участков поверхности;
Работа с сильно рельефными
поверхностями;
Широкий диапазон увеличений;
Информация не только о поверхности, но
и о тонком приповерхностном слое;

10.

Растровая электронная микроскопия
Растровый электронный микроскоп EVO 50 XVP

11.

Рабочая камера микроскопа и сопутствующие данные

12.

Растровая электронная микроскопия
Современный РЭМ
позволяет работать в
широком диапазоне
увеличений
от 3-10 до 1 000 000 крат
Предназначен для получения
изображения поверхности
объекта с высоким (до 0,4
нанометра)
пространственным
разрешением

13.

Растровый электронный микроскоп состоит
из электронной оптики (электронная пушка, линзы,
система диафрагм), которая формирует электронный
пучок со следующими параметрами:
ток пучка
10-12 - 10-6 А,
диаметр пучка 5 нм - 1 мкм,
системы
сканирования
(электромагнитные
отклоняющие
катушки),
которая
осуществляет
перемещение пучка по развертке, в результате чего
пучок
перемещается
через
последовательные
положения на поверхности образца, каждому их которых
соответствует определенная интенсивность сигнал.
За фокусировку пучка отвечают линзы.

14.

Сканируемая область в зависимости от увеличения
Увеличение
Область
сканирования на
образце
10
100
(1 см)2
(1 мм)2
1000
10 000
(100 мкм)2
(10 мкм)2
100 000
(1 мкм)2
При развертке 10х10 см
Увеличение в РЭМ зависит только от тока
отклоняющих катушек, таким образом, если получено
сфокусированное изображение при больших увеличениях,
то оно будет сфокусированное и при малых.

15.

Полезное увеличение
На рис. а – в присутствует информация о мелкомасштабной структуре.
На рис. г края размыты и никакой дополнительной информации , которая бы
отсутствовала на рисунках а – в при меньшем увеличении, нет

16.

Глубина фокуса
пучок
Плоскость
оптимальной
фокусировки
Область
изображения с
эффективной
фокусировкой

17.

Электронные микроскопы позволяют получать увеличенное
изображение объекта исследования. При этом разрешение
современных растровых электронных микроскопов может
достигать до 1 нм.
Работа растрового электронного микроскопа основана на
принципе сканирования поверхности образца тонким
электронным лучом.
Падающий пучок электронов вызывает в анализируемом
материале несколько продуктов взаимодействия.
К основным регистрируемым сигналам относятся:
- Электронные – регистрируются электроны, образовавшиеся
в зоне возбуждения;
- Фотонные – регистрируются кванты испущенного из зоны
возбуждения излучения в рентгеновском (характеристическое
и тормозное излучение) и оптическом (катодолюминесценция)
диапазонах.

18.

Область,
в которой происходит потеря
направленности движения и полная потеря
первоначальной энергии электрона, называется
областью рассеяния электронов зонда в образце.
Для растровой электронной микроскопии в
материаловедении
наибольший
интерес
представляют
вторичные электроны (BE)
обратноотраженные
(обратнорассеянные)
электроны (BSE)
характеристическое
рентгеновское
излучение (X-ray).

19.

Растровая электронная микроскопия
до 10 мкм
50-500 Å
Вторичные
электроны
10Å Ожеэлектроны
Катодолюминисценция
Отраженные
элетроны
Характеристич
еское
рентгеновское
излучение
Непрерывное
рентгеновское
излучение
Вторичная
флуоресценция
1-5 мкм
Схематическое изображение области генерации
и
пространственного
разрешения
в
отраженных,
вторичных
электронах,
рентгеновском излучении и Оже-электронах,
образующихся в РЭМ

20.

Растровая электронная микроскопия
Вторичные электроны - электроны атомов материала,
оторвавшиеся в результате взаимодействия электронов
первичного пучка (энергия электронов примерно 10-30
кэВ) с атомами образца
Энергия менее 50 эВ (низкая)
Область эмиссии – поверхностный слой, толщиной менее
10 нм
Количество вторичных электронов зависит от угла
столкновения электронного пучка с поверхностью
образца, то есть от топографии. Поэтому сигнал
вторичных электронов применяется для воспроизведения
топографии образца

21.

Растровая электронная микроскопия
Особенности детектора по
Эверхарту и Торнли:
- большое усиление
электронного сигнала при
малом уровне шума в
широкой полосе частот;
- способность
детектировать вторичные
(эффективность более 50
%) и отраженные
(эффективность 1 - 10 %)
электроны

22.

Растровая электронная микроскопия
Обратноотраженные электроны - электроны пучка,
отражённые от образца упругим рассеиванием.
Энергия более 50 эВ (высокая)
Область эмиссии – поверхностный слой, толщиной более
10 нм
Интенсивность сигнала напрямую связана со средним
атомным номером (Z) облучаемой в данным момент
электронным пучком области образца, изображения,
полученные в режиме обратноотраженных электронов
несут в себе информацию о распределении различных
элементов в образце.

23.

Растровая электронная микроскопия
Схема полупроводникового детектора отраженных электронов
Чаще всего эффективная работа возможна при ускоряющем напряжении не
менее 7 кВ (электронам необходимо преодолеть слой золота).
Также важным параметром при работе с детектором отраженных
электронов является рабочее расстояние WD. Если оно мало, то большая
часть отраженных электронов будет пролетать через отверстие детектора,
если велико - то электроны просто будут пролетать мимо детектора.

24.

Растровая электронная микроскопия
Использование парного детектора (Д1, Д2) для разделения
композиционного и топографического контрастов

25.

Растровая электронная микроскопия
а
б
Сплав ВК8: а – композиционный контраст, б - топографический контраст.

26.

27. Особенности изображений в РЭМ

При детектировании электрона определяется
его энергия - прямо (фактическое значение) или
косвенно (по силе взаимодействия электрона с
детектором)
В
результате
изображение
с
полутонов.
получаем
большим
черно-белое
количеством
Белые участки соответствуют бóльшей энергии
электронов или бóльшему их количеству
Изображение псевдо объемное!

28.

Рабочие параметры микроскопа:
Основными параметры микроскопа являются
ускоряющее напряжение EHT - определяет энергию
падающих электронов. С увеличением ускоряющего
напряжения и уменьшением плотности исследуемого
материала (т.е. уменьшением атомного номера в таблице
Менделеева) увеличивается глубина проникновения
электронов в материал.
ток пучка I probe - определяет диаметр электронного луча,
которому обратнопропорционально получаемое
разрешение.
рабочее (фокусное) расстояние (WD) - это расстояние
между сфокусированной поверхностью образца и краем
объективной линзы.
размер диафрагмы (Aperture) - определяет глубину
резкости, поэтому для получения высокого разрешения
необходимо выбирать минимальный размер диафрагмы.

29.

Взаимосвязь входных и выходных параметров для
растрового электронного микроскопа
Задачи исследования
максимально
Управляющи
Максимальна Максимально
Максимально
е
е параметры
я глубина
е обзорное
е разрешение соотношение
резкости
увеличение
шум/сигнал
Ускоряющее
напряжение
+
+
+
-
Рабочее
расстояние
-
-
+
+
Ток пучка
-
+
-
+
Размер
диафрагмы
-
+
-
+
" + " обозначает положительную связь входных и выходных параметров
" - " - отрицательную обратную связь.

30.

рабочее расстояние (WD)
Вид исследования WD, мм
высокое
разрешение
3-6
обзорные
изображения
20
обычный режим
10 - 12
ток пучка Iprobe
Для получения высокого
разрешения необходимо
использовать ток 1 - 20 пА,
в обычном режиме - 200 - 500 пА,
энергодисперсионный анализ
проводят на токе 500 - 2000 пА.
рентгеноспектрал в зависимости от
ьный
положения
микроанализ
детектора
ускоряющее напряжение EHT
Обычное ускоряющее напряжение составляет 15 - 20 кВ.
Для непроводящих образцов - 1 - 3 кВ,
с проводящим покрытием - 5 - 15 кВ.

31.

Дефекты изображения в РЭМ
Недофокусировка
Перефокусировка

32.

Дефекты
изображения в
РЭМ
Астигматизм
1 - по оси х
2 - по оси y
1
2

33.

Растровая электронная микроскопия

34.

Растровая электронная микроскопия

35.

Растровая электронная микроскопия

36.

Растровая электронная микроскопия

37.

Растровая электронная микроскопия

38.

Растровая электронная микроскопия

39.

Растровая электронная микроскопия

40.

Растровая электронная микроскопия

41.

Растровая электронная микроскопия
Форма и размеры порошка меди (а) и структура поверхности порошинки (б).

42.

Растровая электронная микроскопия

43.

44.

Поверхность разрушения болта. Стрелки указывают на очаги
усталостного разрушения

45.

Макропоры на поверхности разрушения

46.

Морфология покрытия

47.

Структура стали

48.

Поверхность разрушения алюминиевого сплава

49.

Морфология покрытия
English     Русский Правила