Tecniche di caratterizzazione

Processi

Monitoraggio in situ

Monitoraggio ex situ

Materiali

Strutture

Componenti o dispositivi finali

Morfologia

Composizione

Struttura

Propriet ottiche, elettriche,

Termiche, meccaniche, biologiche,

Interazione con i gas e fluidi,

Verifica di funzionamento 1

Tecniche di caratterizzazione.

I principi:

2

3

Microscopie Elettroniche

4

Le lenti

Una lente costituita dallinsieme di due superfici rifrangenti.

Ad esempio nel caso di due superfici rifrangenti sferiche in aria,

costituite da un mezzo di indice di rifrazione n, in cui la distanza tra i

vertici O1 e O2 molto piccola abbiamo un lente sottile.

p, oggetto

q, immagine

MICROSCOPIA OTTICA

5

Un raggio luminoso proveniente da P incontra dapprima la superficie

sferica convessa 1 e si rifrange, il raggio rifratto incontra poi la

superficie sferica concava 2 e si rifrange nuovamente.

Mettendo insieme le due rifrazioni con O1O2=0 otteniamo:

Formula di Descartes per una lente sottile Convenzioni di segno:

tutti i segmenti a destra di O sono positivi, quelli a

sinistra negativi.

12

111

11

rrn

qp6

Punti focali o fuochi

Fuoco oggetto

Fuoco immagine

oi

i

o

o

FF

Fq

rrn

F

Fpq

p

111

1

12

Se lente convergente

lente divergente 0

0

o

o

F

F

p, oggetto

q, immagine

12

111

11

rrn

qp

7

12

111

1

rrn

Fo

Equazione dei costruttori

di lenti

Centro ottico

Il punto O detto centro ottico.

Si pu dimostrare che i raggi luminosi passanti per O non vengono

deviati.

12

111

11

rrn

qp

0

111

Fqp

8

Costruzione delle immagini per lenti sottili

Nellapprossimazione parassiale

(i) limmagine di un punto un punto,

(ii) limmagine di un segmento AB perpendicolare allasse

principale un segmento ab anchesso perpendicolare allasse

principale.

lente biconvessa (convergente) lente biconcava (divergente)

Aberrazioni

Aberrazione sferica: dovuta alla non perfetta validit

dellapprossimazione parassiale. Aberrazione cromatica: dovuta al fatto che lindice di rifrazione

funzione della lunghezza donda della luce.

p q p

9

Aberrazioni Aberrazione sferica: dovuta alla non perfetta validit dellapprossimazione

parassiale [secondo la quale per un raggio avente raggio di inclinazione a

rispetto allasse ottico a=sina=tga, vale quindi leq. delle lenti, limmagine di

un punto un punto, limmagine di un segmento AB perpendicolare allasse

principale un segmento ab anchesso perpendicolare allasse principale].

fortemente dipendente dalla forma delle lenti utilizzate e dalla distanza

delloggetto 10

Aberrazione cromatica: dovuta al fatto che lindice di rifrazione funzione della

lunghezza donda della luce.

Aberrazioni

fortemente dipendente dalla forma e dalla dispersione n(l) delle lenti utilizzate

Possibile soluzione:

doppietto acromatico

11

Il microscopio composto

consiste in due lenti convergenti: una detta obiettivo, laltra detta oculare.

SISTEMI OTTICI

La distanza OO tra le due lenti maggiore delle distanze focali

OO > f+f

Loggetto AB posto poco al di sopra di f.

Esso forma una immagine ab (capovolta) poco sotto il fuoco f.

ab loggetto per loculare che forma una immagine ab virtuale,

capovolta e molto grande delloggetto.

La distanza focale f

dellobiettivo molto

pi piccola della

distanza focale f

delloculare: f

ab si deve formare ad una

distanza dalloculare pari

alla distanza minima della

visione distinta.

Per far ci si muove lintero

microscopio rispetto

alloggetto (messa a fuoco).

Lingrandimento vale:

'

'

''

''

fM

ff

LM

f

LM

MMAB

ba

ba

ab

AB

abM

oc

ob

oboc

Nei microscopi reali L circa la distanza tra

obiettivo ed oculare

SISTEMI OTTICI

Il microscopio composto

13

La capacit di ingrandimento di un microscopio non aumentabile a piacere

a causa del fenomeno della diffrazione.

La diffrazione dellobiettivo limita la distanza minima tra due oggetti che si

possono vedere ancora distinti in una immagine e quindi limita

lingrandimento.

SISTEMI OTTICI

Il microscopio composto

Ricordiamo il fenomeno di diffrazione ..

14

La capacit di ingrandimento di un microscopio non aumentabile a piacere

a causa del fenomeno della diffrazione.

La diffrazione dellobiettivo limita la distanza minima tra due oggetti che si

possono vedere ancora distinti in una immagine e quindi limita

lingrandimento.

2

20

l

l

bsin

bsinsin

IImedia

SISTEMI OTTICI

Il microscopio composto

Ricordiamo il fenomeno di diffrazione per una fenditura rettangolare

bmsin

m

mbsinImedia

l

l

,...2,1

0

I punti di annullamento si trovano imponendo 15

Potere risolutore di una fenditura rettangolare

Il potere risolutore definito come il minimo angolo di separazione tra due onde piane le cui figure di diffrazione sono ancora visivamente separabili su uno schermo. Il criterio ideato da Rayleigh dice che:

due figure di diffrazione sono risolvibili se come situazione limite il

massimo centrale di una delle due cade sul primo zero dellaltra.

Cio se langolo di incidenza delle due onde piane

differisce al minimo di: bse

b l

l 16

Se la fenditura circolare..

22.1D

sinl

I punti di annullamento della figura di

diffrazione si trovano imponendo

Usando lo stesso criterio (quello di

Rayleigh)utilizzato per la fenditura

rettangolare otteniamo che langolo

minimo tra le direzioni di due onde

piane le cui figure di diffrazione sono

ancora separabili su uno schermo posto ad

una grande distanza dalla fenditura vale:

22.1 DseD

ll

Dischi di Airy

17

Potere risolutore di un microscopio.

Limmagine di un microscopio che si forma alla distanza minima

della visione distinta deve essere al minimo ab=10-2 cm.

Le dimensioni AB delloggetto sono limitate dalla diffrazione

dellobiettivo. Infatti, i punti A e B hanno una immagine che

la figura di diffrazione dei fronti donda che passano attraverso il

foro costituito dallobiettivo. 18

Lente obiettivo

b D

Nel caso del microscopio fpAO

DftgfAB vetro

laaa 22.1con minminmin

quindi

ftgf

fD

AB vetrovetro

b

ll

222.122.1

Potere risolutore di un microscopio.

b

l

sin 2

1

vetro

vuoto

nAB

19

NA = n sin (m) n: indice di rifrazione

Apertura numerica e risoluzione

Aumento Apertura Numerica NA

Aumento risoluzione

Apertura numerica e dimensione dischi di Airy

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

31

32

Elettroni:

40-200 keV

(standard)

200 keV 3 MeV

(high voltage)

33

34

35

36

37

38

39

40

41

Electron Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS)

Electron Energy Loss Spectroscopy (EELS)

42

43

44

45

46

47

MICROSCOPIA A SCANSIONE

(SEM)

Elettroni: 0,5 40 keV

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

61

62

63

64

65

66