Lezione3 Stella 2013

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La microscopiaelettronica

Caratteristiche principali

| Risoluzione.

| Cam ioni massivi.

| Immagini 3D.

| Range dingrandimenti.| Variet dinformazioni.

un po di storia

| 1924 lipotesi di de Broglie sulle onde

associate agli elettroni.

| 1925 la formulazione della meccanica

ondulatoria da parte di Schrodinger.

| 1926 scoperta delle propriet focalizzanti

dei campi elettrici e magnetici a simmetria

assiale fatta da Bush.


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Ma.

| il fascio elettronico avrebbe distrutto o

danneggiato irreparabilmente il campione.

losservazione di preparati biologici.

Allora quasi per caso

| E. Ruska e M. Knoll nei

primi anni 30 svilupparono

il primo microscopio

.

ingegneri in elettrotecnica

con alcuna conoscenza di

meccanica ondulatoria

cos

| 1934 Marton ottenne prime microfotografie

di materiale biologico.

| 1940 Helmut Ruska ( fratello di Ernest

Ruskas) ottenne la prima ripresa fotografica

di un batterio.


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1938 Von Ardenne

..movimenta la vicenda

Aggiungendo bobine di scansione a TEM ottiene

la 1a Immagine in scansione

| Campione: cristallo ZnO

| Ingrandimento: 8000

| Risoluzione: 50-100 nm

| Scansione: 400x400 linee

| Tempo di acquisizione: 20min

.. la strada prosegue

1942 Zworykin realizzail primo SEM percampioni massivi

| Riduzione dello spot size.

| Miglioramento del rapporto s/n.

| Rivelatore elettroni secondari.

| Tre lenti elettrostatiche con scan coil trala seconda e la terza

| Risoluzione di 50nm

| 1948 1952 C.W.Oatley e McMullan aCambridge (UK) realizzano un SEM conrisoluzione di 50nm

| 1956 K.C.A Smith introduce le lentielettromagnetiche, amplificatore ,stigmatori, scan coil a doppia deflessione.

| 1960 Everhart e Thornley realizzano unrivelatore di elettroni secondari che prendeil loro nome.


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..e finalmente

Nel 1965 la Cambridge Instrument (UK)

realizza il primo SEM commerciale:

il Mark 1.

Seguita nellanno successivo dalla Jeol in

Giappone.. e la rincorsa inizia,

coinvolgendo diversi altri protagonisti.

Ma perch ci eravamo

fermati?

A met del secolo 19o lo sviluppo della

microscopia ottica si era fermato a

causa della limitazione al

m g oramen o e a r so uz one ovu o

al fenomeno della diffrazione

Se non ci fosse il fenomeno

della diffrazione


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. in realt

Diffrazione

61,0=d

Lunghezza

donda

s nAngolo didivergenza

Pattern di Airy


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In un microscopio ottico

| = 550 nm circa

| nosin = 1.6 nel caso pi favorevole (no:

indice dirifrazione)

| Risoluzione massima ottenibile:

200nm

Come si supera lempasse?

costante di Planck

Natura ondulatoria dellaparticelle cariche

h=velocit

massa della particella

meV2

Tensione di accelerazione

m


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Emettitori Termoionici

W LaB6

Effetto Termoionico

EB energia che deve avere un elettrone per lasciare la

superficie del metallo

EF energia di fermi energia massima di un elettrone libero a

0K

EW funzione lavoro

Funzione lavoro

Legge di Richardson

2 =

TemperaturaDensit di corrente emessa

wcc


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Cannone termoionico

Gun

Brillanza

doangolosoliarea

corrente

*=

| Ci interessa la brillanza piuttosto che la densit di corrente perch esiste

una limitazione nel massimo angolo di divergenza utilizzabile

| La brillanza rimane costante lungo tutta la colonna elettrottica


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Tensione di

accelerazione

Massima Brillanza

(Langmuir)

eEJc 0

Temperatura

del catodo

kT

Corrente, brillanza

Tip emettitore field emission


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Emissione di campo

| Emissione di elettroni a

temperatura ambiente

| Diametro del tip molto

piccolo: 100nm o meno

| Altissimo cam o elettrico

>107 V/cm

| Brillanza altissima

| Richiede bassissime

pressioni < 10-10 hPa

Field Emission Gun

Mezzi di focalizzazioneNel SEM vengono utilizzati per

demagnificare il diametro del fascio

elettronico

| Lenti elettrostatiche

| Lenti elettromagnetiche

| Bobine di deflessione


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Lenti elettrostatiche

Lenti elettrostatiche2

| a: accelera e converge

| b: accelera e diverge

c: decelera e diverge

b: decelera e converge

Vantaggi e svantaggi

| Possono essere di estremamente piccole

dimensioni

| Risposta molto veloce

| Si possono contaminare pi facilmente

| Coinvolgono potenziali estremamente alti


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Lenti elettromagnetiche 1


F = -e (v x B)

Densit di flusso

magnetico

Velocit e carica

de lielettroni


F = - e ( v H )

F = H e v sen


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Ottica geometrica 1

'

111

fSS io=+

o

i

S

SM =

Ottica geometrica 2

Astigmatismo


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Correzione astigmatismo

Risoluzione

Ottimizzazione


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Scansione

Segnali prodotti

Interazione fascio campione

5kV 20kV 20 kV 45


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Volume interazione

Elettroni secondari

Effetto bordo


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Sequenza operativa

| Considerare il meccanismo di

contrasto.

| Valutare gli effetti delle caratteristiche

e della posizione del collettore

utilizzato.

| Selezionare i parametri strumentali:

corrente ed energia del fascio.

| Valutare le limitazioni imposte dalla

brillanza e dalle aberrazioni del fascio.

Livelli di grigio

SE detector ESEM


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SE detector VP

Effetto di carica

Curva di stato dellacqua


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VPSE cooling stage

-200 Celsius

150 Celsius

VPSE vs BSD

| KV2525

| Pressure

30 Pa.30 Pa.

|| 0.22 Torr0.22 Torr

| Ma .

VPSE Image

5000x5000x

(Polaroid)

| VPSE

Detector

Semiconductor Passivation


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Top performance analytical FE-SEM

Top performance analytical FE-SEM

Cross section of a deep contact hole

Large chamber SEM

Secondary electron image of a specimen of concrete


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LEO 400 Series SEMs in the

Automotive Industry

Fractured steel


Automotive Industry

Dendrite in aluminium casting


Automotive Industry

Polished cross-section of aluminium alloy


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Automotive Industry

Cross section of weld - Backscatter image


Automotive Industry

Solder balls - Imaging and X-ray mapping, simultaneously


Automotive Industry

Surface of semiconductor device


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Automotive Industry

Worn spark plug - Uncoated

GSR Particles

LEO 420 - Easy to use compactSEM

Specimen of siltstone


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LEO 435VP - Variable pressureSEM

Specimen of fibres showing on-screen measurement f acilities

Generazione RaggiX

caratteristici

Detector EDS


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Detector EDS

EDX Integration in the LEO

400 Series

Backscattered electron image of a mineral specimen, showing simultaneous X-ray spectrum acquisition


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