Niskoenergetyczna mikroskopia elektronowa

Niskoenergetyczny mikroskop elektronowy używany do badań nauk o powierzchni w Laboratorium Badawczym Materiałów im. Fredericka Seitza Uniwersytetu Illinois w Urbana, IL, USA.

Niskoenergetyczna mikroskopia elektronowa lub LEEM to analityczna technika nauki o powierzchni stosowana do obrazowania atomowo czystych powierzchni, interakcji atom-powierzchnia i cienkich (krystalicznych) warstw. W LEEM elektrony o wysokiej energii (15-20 keV) są emitowane z działa elektronowego , zogniskowana za pomocą zestawu optyki kondensorowej i przesłana przez deflektor wiązki magnetycznej (zwykle 60˚ lub 90˚). „Szybkie” elektrony przemieszczają się przez soczewkę obiektywu i zaczynają zwalniać do niskich energii (1-100 eV) w pobliżu powierzchni próbki, ponieważ próbka jest utrzymywana na potencjale zbliżonym do potencjału pistoletu. Niskoenergetyczne elektrony są teraz określane jako „czułe powierzchniowo”, a głębokość próbkowania przy powierzchni można zmieniać, dostrajając energię padających elektronów (różnica między potencjałami próbki i pistoletu minus funkcje robocze próbki i systemu). Elektrony o niskiej energii, elastycznie rozproszone wstecz, wracają przez soczewkę obiektywu, ponownie przyspieszają do napięcia pistoletu (ponieważ soczewka obiektywu jest uziemiona) i ponownie przechodzą przez separator wiązki. Jednak teraz elektrony przemieszczają się z optyki kondensatora do soczewek projektora. Obrazowanie tylnej płaszczyzny ogniskowej soczewki obiektywu na płaszczyznę obiektywu soczewki projektora (za pomocą soczewki pośredniej) tworzy wzór dyfrakcyjny ( dyfrakcja elektronów niskoenergetycznych , LEED) na płaszczyźnie obrazowania i rejestrowany na wiele różnych sposobów. Rozkład intensywności dyfrakcji wzór będzie zależał od okresowości na powierzchni próbki i jest bezpośrednim wynikiem falowej natury elektronów. Pojedyncze obrazy intensywności plamek obrazu dyfrakcyjnego można uzyskać, wyłączając soczewkę pośrednią i wstawiając aperturę kontrastową w tylnej płaszczyźnie ogniskowej soczewki obiektywu (lub, w najnowocześniejszych instrumentach, w środku separatora , wybrany przez wzbudzenie soczewki obiektywu), umożliwiając w ten sposób obserwacje procesów dynamicznych na powierzchniach w czasie rzeczywistym. Takie zjawiska obejmują (między innymi): tomografię, przemiany fazowe, adsorpcję, reakcję, segregację, wzrost cienkiej warstwy, trawienie, odprężanie, sublimację i mikrostrukturę magnetyczną. Badania te są możliwe tylko dzięki dostępności próbki; pozwalając na szeroką gamę badań in situ w szerokim zakresie temperatur. LEEM został wynaleziony przez Ernsta Bauera w 1962 roku; jednak nie w pełni rozwinięty (przez Ernsta Bauera i Wolfganga Teliepsa) do 1985 roku.

Wstęp

LEEM różni się od konwencjonalnych mikroskopów elektronowych na cztery główne sposoby:

Próbka musi być oświetlona po tej samej stronie optyki obrazującej, tj. przez soczewkę obiektywu, ponieważ próbki nie są przezroczyste dla niskoenergetycznych elektronów;
Aby oddzielić padające i elastycznie rozproszone elektrony o niskiej energii, naukowcy wykorzystują magnetyczne separatory wiązek „pryzmatów elektronowych”, które skupiają elektrony zarówno w płaszczyźnie ścieżki wiązki, jak i poza nią (aby uniknąć zniekształceń obrazu i wzorów dyfrakcji);
W zanurzeniu elektrostatycznym soczewka obiektywu zbliża próbkę do pistoletu, spowalniając wysokoenergetyczne elektrony do pożądanej energii tylko tuż przed interakcją z powierzchnią próbki;
Przyrząd musi być w stanie pracować w ultrawysokiej próżni (UHV) lub 10-10 ^tor (760 torr = 1 atm, ciśnienie atmosferyczne), chociaż instrumenty „pod ciśnieniem zbliżonym do otoczenia” (NAP-LEEM) zostały opracowane przez dodanie komora o wyższym ciśnieniu i zróżnicowane stopnie pompowania, pozwalające na uzyskanie ciśnień w pomieszczeniu do pobierania próbek do 10-1 ^mbar .

Dyfrakcja powierzchniowa

Konstrukcja kuli Ewalda dla przypadku normalnego padania pierwotnej wiązki elektronów. Tutaj odbywa się to w typowym układzie LEED, jednak w LEEM istnieje skomplikowana optyka elektronowa, która pozwala na obrazowanie powstałych wzorów dyfrakcji, a tym samym powierzchni próbki.

Kinematyczne lub elastyczne rozpraszanie wsteczne występuje, gdy elektrony o niskiej energii (1-100 eV) uderzają w czystą, dobrze uporządkowaną próbkę krystaliczną. Zakłada się, że każdy elektron podlega tylko jednemu zdarzeniu rozpraszania, a padająca wiązka elektronów jest opisana jako fala płaska o długości fali:

{\ Displaystyle {\ rozpocząć {wyrównane} \ lambda = {\ Frac {h} {\ sqrt {2mE}}}, \ qquad \ lambda [{{ \textrm {A}}]={\sqrt {\frac {150}{E[{\textrm {eV}}]}}}\end{wyrównane}}}

Przestrzeń odwrotna jest używana do opisania okresowości sieci i interakcji fali płaskiej z powierzchnią próbki. W przestrzeni odwrotnej (lub „k-przestrzeni”) wektor falowy fal padających i rozproszonych wynosi ${\ Displaystyle {\ textbf {k}} _ {0} = 2 \ pi / \ lambda _ {0}}$ i odpowiednio ${\ Displaystyle {\ rozpocząć {wyrównane} {\ textbf {k}} = 2 \ pi / \ lambda \ koniec {wyrównane}}$ }

a konstruktywna interferencja występuje w warunku Lauego:

{\ Displaystyle {\ textbf {k}} - {\ textbf {k}} _ {0} = {\ textbf {G}} _ {\ textrm {hkl}}}

gdzie (h,k,l) jest zbiorem liczb całkowitych i

\ Displaystyle {\ textbf {G}} _ {\ textrm {hkl}} = h {\ textbf {a}} ^ {*} + k {\ textbf {b}}^{*}+l{\textbf {c}}^{*}}

jest wektorem sieci odwrotnej.

Zestaw doświadczalny

Typowa soczewka LEEM / LEED i diagram promieni.

Typowa konfiguracja LEEM składa się z działa elektronowego , używanego do generowania elektronów w drodze emisji termionowej lub polowej z końcówki źródła. W emisji termojonowej elektrony uciekają z końcówki źródła (zwykle wykonanej z LaB ₆ ) poprzez ogrzewanie rezystancyjne i zastosowanie pola elektrycznego w celu skutecznego obniżenia energii potrzebnej do ucieczki elektronów z powierzchni. Po osiągnięciu wystarczającej energii drgań cieplnych elektrony mogą pokonać tę barierę energii elektrostatycznej, umożliwiając im podróż w próżni i przyspieszenie w dół kolumny soczewki do potencjału pistoletu (ponieważ soczewki są na ziemi). W przypadku emisji polowej, zamiast podgrzewania końcówki w celu wibracyjnego wzbudzenia elektronów z powierzchni, końcówka źródła (zwykle wolfram) jest zaostrzona do małego punktu, tak że po przyłożeniu dużych pól elektrycznych koncentrują się one na końcówce, obniżając barierę ucieczki powierzchni, a także umożliwienie tunelowania elektronów z końcówki do poziomu próżni.

Optyka skraplacza / oświetlenia służy do skupiania elektronów opuszczających działo elektronowe oraz manipulowania i / lub translacji wiązki elektronów oświetlających. Stosowane są elektromagnetyczne soczewki kwadrupolowe, których liczba zależy od rozdzielczości i elastyczności ogniskowania życzeń projektanta. Jednak ostateczna rozdzielczość LEEM jest zwykle określana przez soczewkę obiektywu.

Apertura wiązki oświetlającej pozwala naukowcom kontrolować obszar próbki, który jest oświetlany (wersja LEEM „dyfrakcji wybranego obszaru”, określana jako mikrodyfrakcja) i znajduje się w separatorze wiązki po stronie oświetlenia.

Separator wiązki magnetycznej jest potrzebny do rozdzielenia wiązki oświetlającej i obrazującej (jednocześnie z kolei przestrzennie oddzielając optykę dla każdej z nich). Nastąpił duży postęp w technologii separatorów wiązek elektronów; wczesne separatory wprowadzały zniekształcenia obrazu lub płaszczyzny dyfrakcji. Jednak ostatnio IBM opracował hybrydową matrycę pryzmatów / zagnieżdżone pole kwadratowe, skupiając wiązki elektronów zarówno w płaszczyźnie ścieżki wiązki, jak i poza nią, umożliwiając odchylanie i przenoszenie obrazu i płaszczyzn dyfrakcji bez zniekształceń lub dyspersji energii.

Elektrostatyczna soczewka zanurzeniowa służy do tworzenia rzeczywistego obrazu próbki za pomocą wirtualnego obrazu o powiększeniu 2/3 za próbką. Jednorodność pola elektrostatycznego między soczewką obiektywu a preparatem, ograniczona przez aberracje sferyczne i chromatyczne większe niż w przypadku innych soczewek, ostatecznie określa ogólną wydajność instrumentu.

Otwór kontrastowy znajduje się pośrodku separatora wiązki po stronie obiektywu projektora. W większości mikroskopów elektronowych apertura kontrastowa jest wprowadzana w tylny plan ogniskowy obiektywu (tam, gdzie leży rzeczywista płaszczyzna dyfrakcji). Jednak nie jest to prawdą w przypadku LEEM, ponieważ obrazowanie ciemnego pola (obrazowanie wiązek nieodblaskowych) nie byłoby możliwe, ponieważ apertura musi poruszać się w bok i przechwytywałaby padającą wiązkę dla dużych przesunięć. Dlatego badacze dostosowują wzbudzenie soczewki obiektywu, aby uzyskać obraz obrazu dyfrakcyjnego w środku separatora wiązki i wybierają żądaną intensywność plamki do obrazu za pomocą umieszczonej tam apertury kontrastowej. Ta apertura umożliwia naukowcom obrazowanie intensywności dyfrakcji, które mogą być szczególnie interesujące (ciemne pole).

Optyka iluminacyjna służy do powiększania obrazu lub wzoru dyfrakcyjnego i rzutowania go na płytkę obrazową lub ekran. Płyta obrazowa lub ekran używany do obrazowania natężenia elektronów, abyśmy mogli je zobaczyć. Można to zrobić na wiele różnych sposobów, w tym między innymi na ekranach fosforyzujących, płytach obrazowych, matrycach CCD.

Specjalistyczne techniki obrazowania

Obraz Cr(100) w jasnym polu LEEM (kontrast krokowy/fazowy). Stopnie atomowe, pęczki stopni, wyspy i tarasy są łatwo dostrzegalne na podstawie pionowego kontrastu dyfrakcyjnego pochodzącego z falowej natury elektronów. Pole widzenia wynosi 5,6 μm.

Obraz LEEM odpowiadający sub-monowarstwowej warstwie palladu (ciemny kontrast) wyhodowanej na (110) powierzchni kryształu wolframu ( jasny kontrast). Ledwo widoczne wyspy to węgliki wolframu spowodowane zanieczyszczeniem węglem. Średnica obrazowanego obszaru wynosi 10 mikrometrów .

Dyfrakcja elektronów o niskiej energii (LEED)

Po tym, jak równoległa wiązka niskoenergetycznych elektronów oddziałuje z próbką, elektrony tworzą wzór dyfrakcyjny lub LEED, który zależy od okresowości obecnej na powierzchni i jest bezpośrednim wynikiem falowej natury elektronu. Należy zaznaczyć, że w zwykłym LEED cała powierzchnia próbki jest oświetlana równoległą wiązką elektronów, a zatem obraz dyfrakcyjny będzie zawierał informacje o całej powierzchni.

LEED przeprowadzony w instrumencie LEEM (czasami określany jako dyfrakcja elektronów o bardzo niskiej energii (VLEED), ze względu na jeszcze niższe energie elektronów) ogranicza oświetlany obszar do plamki wiązki, zwykle rzędu mikrometrów kwadratowych. Obraz dyfrakcyjny powstaje w tylnej płaszczyźnie ogniskowej soczewki obiektywu, jest obrazowany w płaszczyźnie przedmiotowej soczewki projekcyjnej (za pomocą soczewki pośredniej), a ostateczny wzór pojawia się na ekranie fosforyzującym, płycie fotograficznej lub matrycy CCD.

Ponieważ odbite elektrony są odchylane od źródła elektronów przez pryzmat, można mierzyć lustrzane odbite elektrony, nawet zaczynając od zerowej energii lądowania, ponieważ na ekranie nie widać cienia źródła (co zapobiega temu w zwykłych instrumentach LEED) . Warto zauważyć, że rozstaw ugiętych wiązek nie zwiększa się wraz z energią kinetyczną, jak w przypadku konwencjonalnych systemów LEED. Wynika to z tego, że obrazowane elektrony są przyspieszane do wysokiej energii kolumny obrazującej i dlatego są obrazowane ze stałą wielkością przestrzeni K, niezależnie od padającej energii elektronów.

Mikrodyfrakcja

Mikrodyfrakcja jest koncepcyjnie dokładnie taka sama jak LEED. Jednak w przeciwieństwie do eksperymentu LEED, w którym próbkowana powierzchnia wynosi kilka milimetrów kwadratowych, podczas obrazowania powierzchni wprowadza się oświetlenie i aperturę wiązki do ścieżki wiązki, a tym samym zmniejsza się wielkość próbkowanego obszaru powierzchni. Wybrany obszar mieści się w zakresie od ułamka mikrometra kwadratowego do mikrometra kwadratowego. Jeśli powierzchnia nie jest jednorodna, obraz dyfrakcyjny uzyskany w eksperymencie LEED wydaje się zagmatwany i dlatego trudny do analizy. W eksperymencie mikrodyfrakcyjnym badacze mogą skupić się na konkretnej wyspie, tarasie, domenie itd. i pobrać obraz dyfrakcyjny składający się wyłącznie z pojedynczej cechy powierzchni, co czyni tę technikę niezwykle użyteczną.

Grafen na SiC składa się z domen o różnej kolejności układania. (po lewej) Mikrografia LEEM w jasnym polu próbek dwuwarstwowego, trójwarstwowego i czterowarstwowego interkalowanego grafenu. (po prawej) Obrazy tego samego obszaru w ciemnym polu. Domeny o zmiennym kontraście są wyraźnie widoczne, wskazując obszary o różnej kolejności układania. Przyjęty z

Obrazowanie w jasnym polu

Obrazowanie w jasnym polu wykorzystuje zwierciadlaną, odbitą wiązkę (0,0) do utworzenia obrazu. Obrazowanie w jasnym polu, znane również jako obrazowanie z kontrastem fazowym lub interferencyjnym, w szczególności wykorzystuje falową naturę elektronu do generowania pionowego kontrastu dyfrakcyjnego, dzięki czemu widoczne są stopnie na powierzchni.

Obrazowanie w ciemnym polu

W obrazowaniu w ciemnym polu (nazywanym również kontrastowym obrazowaniem dyfrakcyjnym) badacze wybierają żądany punkt dyfrakcyjny i używają apertury kontrastowej, aby przepuszczać tylko te elektrony, które przyczyniają się do tego konkretnego miejsca. Na płaszczyznach obrazu za aperturą kontrastową można wtedy zaobserwować, skąd pochodzą elektrony w rzeczywistej przestrzeni. Ta technika pozwala naukowcom badać, w których obszarach próbki istnieje struktura o określonym wektorze sieci (okresowości).

Spektroskopia

Zarówno obrazowanie (mikro-)dyfrakcyjne, jak i jasne i ciemne pole można wykonać w funkcji energii lądowania elektronu, mierząc wzór dyfrakcyjny lub obraz dla zakresu energii. Ten sposób pomiaru (często nazywany LEEM-IV) daje widma dla każdej plamki dyfrakcyjnej lub pozycji próbki. W najprostszej formie widmo to daje „odcisk palca” powierzchni, umożliwiając identyfikację różnych struktur powierzchni.

Szczególnym zastosowaniem spektroskopii w jasnym polu jest zliczanie dokładnej liczby warstw w materiałach warstwowych, takich jak (kilka warstw) grafen , heksagonalny azotek boru i niektóre dichalkogenki metali przejściowych .

Mikroskopia elektronowa z fotowzbudzeniem (PEEM) prętów Ag na Si. W tym przypadku lampa rtęciowa wytwarza fotony o energii tuż powyżej progu pracy wyjścia Ag, a wynikowa emisja elektronów wtórnych jest obrazowana.

Fotoemisyjna mikroskopia elektronowa (PEEM)

W fotoemisyjnej mikroskopii elektronowej (PEEM) po ekspozycji na promieniowanie elektromagnetyczne (fotony) elektrony wtórne są wzbudzane z powierzchni i obrazowane. PEEM został po raz pierwszy opracowany na początku lat trzydziestych XX wieku, wykorzystując światło ultrafioletowe (UV) do wywołania fotoemisji (wtórnych) elektronów. Jednak od tego czasu technika ta poczyniła wiele postępów, z których najważniejszym było połączenie PEEM z synchrotronowym źródłem światła , dostarczając przestrajalne, spolaryzowane liniowo, lewe i prawe promieniowanie kołowe w zakresie miękkiego promieniowania rentgenowskiego. Takie zastosowanie pozwala naukowcowi na uzyskanie topograficznego, elementarnego, chemicznego i magnetycznego kontrastu powierzchni.

Instrumenty LEEM są często wyposażone w źródła światła do wykonywania obrazowania PEEM. Pomaga to w zestrojeniu systemu i umożliwia gromadzenie danych LEEM, PEEM i ARPES z pojedynczej próbki w jednym urządzeniu.

Lustrzana mikroskopia elektronowa (MEM)

W lustrzanej mikroskopii elektronowej elektrony są spowalniane w opóźniającym polu soczewki kondensora do granic możliwości instrumentu, a zatem mogą oddziaływać tylko z obszarem „bliskiej powierzchni” próbki. Zrozumienie, skąd dokładnie pochodzą zmiany kontrastu, jest bardzo skomplikowane, ale ważne jest, aby podkreślić, że zmiany wysokości na powierzchni obszaru zmieniają właściwości pola opóźniającego, wpływając w ten sposób na odbitą (zwierciadlaną) wiązkę. Nie powstaje żaden wzór LEED, ponieważ nie miały miejsca żadne zdarzenia rozpraszające, a zatem intensywność odbitego światła jest wysoka.

Holografia elektronów niskoenergetycznych

Niskoenergetyczna holografia elektronowa cząsteczek DNA rozciągniętych na koronkowym węglu. Zaadaptowano z Latychevskaia et al.

Niskoenergetyczna holografia elektronowa realizowana jest za pomocą elektronów o energiach kinetycznych w zakresie 30 - 250 eV. Źródłem spójnej wiązki elektronów jest ostra metalowa końcówka, a elektrony są wydobywane przez emisję polową. Fala przechodząca przez próbkę rozchodzi się do detektora, gdzie rejestrowany jest obraz interferencyjny, utworzony przez nałożenie się fali rozproszonej z falą nierozproszoną (referencyjną), tworząc hologram in-line. Struktura obiektu (makrocząsteczki) jest następnie rekonstruowana z hologramu metodami numerycznymi. Niskoenergetyczna holografia elektronowa została z powodzeniem zastosowana do obrazowania pojedynczych cząsteczek biologicznych, w tym: purpurowej błony białkowej, cząsteczek DNA, cząsteczek ftalocyjaninatopolisiloksanu, wirusa mozaiki tytoniu8, bakteriofaga, ferrytyny i poszczególnych białek (albuminy surowicy bydlęcej, cytochromu C i hemoglobiny). ). Rozdzielczość uzyskiwana dzięki niskoenergetycznej holografii elektronowej wynosi około 0,7 - 1 nm.

Obrazowanie z kontrastem odbicia

Elastyczne rozpraszanie wsteczne elektronów o niskiej energii z powierzchni jest silne. Współczynniki odbicia powierzchni silnie zależą od energii padających elektronów i ładunku jądrowego w sposób niemonotoniczny. Dlatego kontrast można zmaksymalizować, zmieniając energię elektronów padających na powierzchnię.

LEEM z polaryzacją spinową (SPLEEM)

SPLEEM wykorzystuje spinowo spolaryzowane elektrony oświetleniowe do obrazowania struktury magnetycznej powierzchni za pomocą sprzężenia spinowo-spinowego padających elektronów z powierzchnią.

Inny

Inne zaawansowane techniki obejmują:

Potencjometria elektronów niskoenergetycznych : Określenie przesunięcia widma LEEM umożliwia określenie lokalnej pracy wyjścia i potencjału elektrycznego.
ARRES : Angular Resolved Reflected Electron Spectroscopy.
eV-TEM : Transmisyjna mikroskopia elektronowa przy energiach LEEM.

Bauer, Ernst (1998). „Podstawy LEEM”. Recenzja powierzchni i listy . 5 (6): 1275–1286. Bibcode : 1998SRL.....5.1275B . doi : 10.1142/S0218625X98001614 .
Bauer, Ernst (1994). „Niskoenergetyczna mikroskopia elektronowa” . Reprezentant Prog. fizyka . 57 (9): 895–938. Bibcode : 1994RPPh...57..895B . doi : 10.1088/0034-4885/57/9/002 .
Tromp, RM (2000). „Niskoenergetyczna mikroskopia elektronowa” (PDF) . IBM J. Res. Dev . 44 (4): 503–516. doi : 10.1147/rd.444.0503 .
Anders S.; Padmore, Howard A.; Duarte, Robert M.; Renner, Tymoteusz; Stammler, Thomas; Scholl, Andreas; Scheinfein, Michael R.; Stöhr, Joachim; i in. (1999). „Fotoemisyjny mikroskop elektronowy do badania materiałów magnetycznych” . Przegląd instrumentów naukowych . 70 (10): 3973–3981. Bibcode : 1999RScI...70.3973A . doi : 10.1063/1.1150023 . Zarchiwizowane od oryginału w dniu 2013-02-23 . Źródło 2020-03-19 .