Σύγχρονο Ηλεκτρονικό Μικροσκόπιο Διέλευσης. Transition Electron Microscopy TEM

Transcript

1 Σύγχρονο Ηλεκτρονικό Μικροσκόπιο Διέλευσης

2

3

4 Ανατομία ΤΕΜ

5 Silicon wafer

6 The transmission electron microscope (TEM) provides the user with advantages over the light microscope (LM) in three key areas: Resolution at high magnification. Resolution can be defined as the smallest distance between two closely opposed points, at which they may be recognized as two separate entities. The best resolution possible in a LM is about 200 nm whereas a typical TEM has a resolution of better than 1 nm. Structural information. If the material being viewed has a periodic structure like a crystal then the beam can interact with that structure in such a way that it diffracts. This provides information on crystal structure, symmetry and orientation of materials. Microanalysis i.e. the analysis of sample chemical composition can be performed in the TEM.

7

8 Κολώνα

9 Κολώνα Η κολώνα, στα Η/Μ με μεγάλη Διακριτική Ικανότητα, είναι κατακόρυφη για: μεγαλύτερη ευστάθεια αντοχή σε κραδασμούς καλύτερη στεγανότητα κενού. Ο αριθμός των φακών είναι 2 6.

10 Κατασκευή Φακών Ηλεκτρομαγνητικοί φακοί Το βάρος τους είναι μεγαλύτερο απο 12 κιλά και η εξωτερική τους διάμετρος cm. Αύξηση της ισχύος των φακών οδηγεί σε κατανάλωση μεγάλων ρευμάτων και κατ επέκταση σε ανάπτυξη υψηλών θερμοκρασιών, γεγονός που οδηγεί σε χρήση συστήματος ψύξης. Τα εξαρτήματα που αποτελούν τους φακούς είναι κατασκευασμένα και τοποθετημένα σε θέσεις με ακρίβεια μικρού του μέτρου και με τέτοιο τρόπο ώστε ο αστιγματισμός να είναι ελάχιστος.

11

12

13 Φυσικά Διαφράγματα Φακών Φυσικά διαφράγματα περιορισμού δέσμης έχουν όλοι οι φακοί. Τοποθετούνται πολύ κοντά στους πόλους (Σταθερά ή κινητά). Ακριβής θέση για την σωστή ευθυγράμμιση. Πλατίνα ή μολυβδαίνιο με σχήμα δίσκο, διάμετρος ~3mm, πάχος 0.5mm και άνοιγμα οπής 10μm 500μm. Τα πιο σημαντικά είναι του συμπυκνωτή και του αντικειμενικού.

14 Κολώνα Μεγάλης απόδοσης Η/Μ με 6 φακούς (2 συμπυκνωτές και 4 φακούς: (αντικειμενικό, περιθλασιακό, ενδιάμεσο και προβολικό). Μέτριας απόδοσης Η/Μ με 4 φακούς. (1 συμπυκνωτή και 3 φακούς: (αντικειμενικό, ενδιάμεσο και προβολικό).

15

16 Σύστημα φωτισμού Το σύστημα φωτισμού αποτελείται από την πηγή των ηλεκτρονίων ή, όπως συνηθίζεται να λέγεται, το ηλεκτρονικό όπλο (electron gun) που παράγει και επιταχύνει τα ηλεκτρόνια, και από το σύστημα του συμπυκνωτή που συλλέγει και κατευθύνει τα ηλεκτρόνια πάνω στο δείγμα. Η φωτεινότητα του τελικού ειδώλου εξαρτάται από τον αριθμό των ηλεκτρονίων (ή την πυκνότητα των ηλεκτρονίων) που μπορεί να ρυθμιστεί είτε από την πηγή είτε από την εστίαση του ή των φακών του συμπυκνωτή, αλλάζοντας έτσι και την περιοχή φωτισμού.

17 Σύστημα φωτισμού - Κάθοδος Μεταλλικό ηλεκτρόδιο. Χαρακτηριστικό όλων των μετάλλων είναι ότι περιέχουν ιόντα και ελεύθερα ηλεκτρόνια, τα οποία, αν και ελεύθερα να κινηθούν μέσα στο μέταλλο, δεν μπορούν από μόνα τους να περάσουν την επιφάνεια του μετάλλου και να φύγουν επειδή έλκονται πίσω από τα θετικά ιόντα. Η αύξηση της θερμοκρασίας του μετάλλου οδηγεί τα ηλεκτρόνια να έχουν μεγάλη κινητική ενέργεια και να διαφεύγουν σχηματίζοντας ένα νέφος ηλεκτρονίων, θερμιονική εκπομπή.

18 Σύστημα φωτισμού - Κάθοδος Για να απελευθερωθεί ένα ηλεκτρόνιο από την επιφάνεια του μετάλλου πρέπει να καταναλωθεί κάποιο έργο το οποίο ονομάζεται έργο εξόδου και είναι χαρακτηριστικό κάθε μετάλλου. Ο αριθμός των ηλεκτρονίων (n) που απελευθερώνονται είναι συνάρτηση, επομένως του έργου εξόδου (w) σύμφωνα με την σχέση: n = A T 2 e -W / kt Συνάρτηση ρεύματος /cm2, δηλαδή των ηλεκτρονίων, ως προς την θερμοκρασία για ένα νήμα (καθόδου) Όπου, Α και Κ είναι σταθερές και Τ η απόλυτη θερμοκρασία του μετάλλου. βολφραμίου.

19 Είδη νήματος καθόδου Field emission guns Thermionic guns

20 Σύστημα φωτισμού - Κάθοδος

21 Σύστημα φωτισμού Επιτάχυνση ηλεκτρονίων Το θερμαινόμενο νήμα εκπέμπει ηλεκτρόνια προς όλες τις κατευθύνσεις. Το νέφος των ηλεκτρονίων διαμορφώνεται σε δέσμη με ένα δεύτερο ηλεκτρόδιο που λέγεται κύλινδρος Wehnelt ή πλέγμα ή θωράκιση. Η επιτάχυνση πραγματοποιείται με ένα τρίτο ηλεκτρόδιο, την άνοδο. Σύστημα καθόδου-πλέγματος-ανόδου ενεργεί σαν ένα ηλεκτροστατικό φακό που επιτυγχάνει την πρώτη εστίαση της δέσμης. Ο σχεδιασμός και η κατασκευή αυτού του συστήματος καθώς και η σχετική θέση των διαφόρων εξαρτημάτων είναι πολύ κρίσιμη για την ικανοποιητική λειτουργία ενός Ηλεκτρονικού Μικροσκοπίου.

22 Φακοί συμπύκνωσης δέσμης

23 Φακοί συμπύκνωσης δέσμης Μετά την άνοδο, τοποθετείται ένας ή δύο φακοί με σκοπό να συμπυκνώσουν την δέσμη των ηλεκτρονίων πάνω στο δείγμα. Συνδυασμός δύο φακών συμπύκνωσης. Ένας φακός περιορίζει την περιοχή φωτισμού του δείγματος σένα άνοιγμα κύκλου ίσου με τον κύκλο στο σημείο διασταύρωσης της δέσμης μετά την άνοδο (προηγούμενο σχήμα). Αυτός ο κύκλος, λόγω κατασκευαστικών περιορισμών δεν μπορεί να είναι μικρότερος από περίπου 50 μm. Για μεγεθύνσεις πάνω από x1000 θα σχηματισθεί ένας φωτεινός κύκλος με 5cm διάμετρο πάνω στην φθορίζουσα οθόνη παρατήρησης. Δηλαδή θα έχουμε περιττό φωτισμό και θέρμανση του δείγματος, γεγονός ανεπιθύμητο.

24 Φακοί συμπύκνωσης δέσμης Ο συνδυασμός δύο φακών συμπύκνωσης, χρησιμεύει στην ελάττωση της περιοχής φωτισμού του δείγματος χωρίς αντίστοιχη ελάττωση στην φωτεινότητα. Με το σύστημα των δύο συμπυκνωτών έχει κανείς την ευχέρεια να εστιάσει την δέσμη πάνω στο δείγμα σε διαστάσεις ανάλογες με την μεγέθυνση που χρησιμοποιεί. Αυτό είναι ιδιαίτερα χρήσιμο γιατί όσο μεγαλώνει η μεγέθυνση τόσο η περιοχή του δείγματος αναλύεται μικραίνει.

25

26

27

28 Θέση και κίνηση του δείγματος

29 Θέση και κίνηση του δείγματος

30

31

32

33 Παρασκευή Δειγμάτων

34 Σκέδαση ηλεκτρονίων

35

36

37 Προετοιμασία Δειγμάτων

38

39

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51 MeV TEM 0.5 A

52 Hitachi 3 MeV TEM

53 Korea Basic Science Institute

54 Intermediate Voltage ( kv)

55

56

57

58

59

60

61