TARAMALI ELEKTRON MİKROSKOBU BAHAR 2010
TARİHSEL GELİ İM 1878 Abbe Işık şiddet sınırını buldu 1923 de Broglie elektronların dalga davranışına sahip olduğunu gösterdi 1926 Busch elektronların mağnetik alanda saptığını gösterdi 1932 Von Borris ve Ruska TEM i icat etti 1935 Max Knoll Đlk SEM i üretti 1938 Siemens Đlk ticari TEM üretti 1965 Đlk ticari SEM üretildi
TARİHSEL GELİ İM Max Knoll, 1935 te Berlinde ilk Taramalı Elektron Mikroskopu imal ettiğinde daha yüksek çözünürlüğe sahip olan Geçirimli Elektron Mikroskopunun-Transmission Electron Microscopy- gölgesinde kalmış olduğunu fark eder ve patent almaya gerek duymaz!!! Yıllar sonra Siemens und Halke Berlin de çalışan Von Borris ve Ruska-Yüksek çözünürlüklü TEM in mucitleri- Manfred von Ardenne adlı bir mucitin kendi özel laboratuarında geliştirilmesi için verilen SEM projesinin iptali için başvururlar. Şirket kendi parasını çöpe atma pahasına mucitleri kırmaz ve proje iptal edilir. Bu iki mucid SEM in hiçbir zaman TEM e rakip olamayacağı için iptalini istedikleri söylenir ancak muhtemeldir ki SEM in TEM e rakip olabileceği akıllarından geçmiş olabilir. Ancak şuda varki TEM de uygulanan real time mikroskopi tekniğinin o zamanki SEM makinalarında uygulanması oldukca zordu. Ancak elektroniğin gelişmesi ile buda aşılmış olmasına rağmen yinede SEM bir alternatif olarak düşünülmemiştir. Field Emission Gun-Alan Etkili Elektron Tabancalar icat edildiğinde bu görüş değişmiş ve SEM in potansiyeli fark edilmiş.
TARİHSEL GELİ İM Son yıllarda SEM lerde ortaya çıkan gelişmeler SEM in kullanım alanlarını genişletmiş ve malzeme analizinde artık birincil araç olarak kullanılmaya başlanmıştır. Son gelişmeler örneğin 0.5kV hızlandırma geriliminin kullanılması- Bilgisayarların efektif kullanımı ile dijital resimleme, kolon ve hassas elektronik kontroller EBSD ile oryantasyonların çıkarılması Düşük vakum altında biyolojik ve hassas numunelerin yüksek çözünürlükle incelenmesi vb.. Elektron sayıcı- Everhart-Thornley detektör ü, ilk defa Sir Charles Oatley önerilmiş ancak bugünlerde her firmanın neredeyse kendi geliştirdiği özel detektörler kullanılmaktadır. Si-Li X-ışını detektörlerinin dahada geliştirilmesi ile Malzeme analizleri daha hassas hala gelmiştir. Bunun en önemli kısmı kullanılan ekranlamanın daha düşük atom numaralı elementlerle yapılıp kalınlığının oldukca azaltılması SEM in analitik çözme kabiliyetinin artırılması ile sağlanmıştır.
TARİHSEL GELİ İM Çözünürlük
AVANTAJLAR-DEZAVANTAJLAR Avantajları Çözme Gücü Çözme Derinliği Büyütme Dezavantajları Vakum Đletken numune Bakım masrafları yüksek Pahalı ($300K)
KULLANIM YERLERİ Topografi Morfoloji Şekil, boyut, vs. Bileşim Kristalografik Bilgi
TANIM Taramalı Elektron Mikroskopu yüksek çözünürlüklü resim oluşturmak için vakum ortamında oluşturulan ve aynı ortamda elektromağnetik lenslerle inceltilen elektron demeti ile incelenecek malzemeyi analiz etme imkanı sunar. Mikroskopta oluşturulan resimler, elektron demetinin malzeme ile olan etkileşiminden ortaya çıkan ışımalar veya geri yansıyan elektronlar sayılarak oluşturulur. Bunlar Đkincil elektron yansımalı(secondary electron image) geri yansımaya uğramış elektronlar (backscattered electrons), karakteristik x ışınları, Auger elektronları, vs.
MİKROSKOP KOLONU Tipik bir Taramalı Elektron Mikroskopunun diyagramı yanda verilmiştir: Elektron tabancası Elektron Tabancası Yoğunlaştırma lensi Saptırma Bobinleri Tarama bobinleri Elektron demeti Yoğunlaştırıcı EM lensler Vakum Detektör Objektif lensi Son apertüre Detektör Görüntü Numune
MİKROSKOP KOLONU Elektron demeti Elektron tabancası Anot Yoğunlaştırma lensi TV ekranı Tarama bobinleri Gerisaçılım elektron dedektörü Numune platformu Đkincil elektron dedektörü Numune
SEM DONANIMI Vakum Sistemi Elektron Tabancası Elektromağnetik Mercekler Apertürler Numune Haznesi Elektron tabancası SEM kolonu Yoğunlaştırma Lensleri Görüntü Objektif Lensleri Tarama Bobinleri Dedektör SEM KOLONU.mov
VAKUM SİSTEMİ Mekanik Pompa(Fore-Rotary) 100-1000 Liter per minute 0.01 Torr sınırı vardır Difüzyon Pompası 100-1000 Liter per minute 10 -(5-7) Torr a ulaşılır
VAKUM SEM de vakum sistemi oldukca önemlidir, basınç elektron tabancasının çalışmasını engellemeyecek kadar düşük olmalıdır. Elektron yayan yüzeylerin koroze olmasını engellemek için düşük olması istenir. Tungsten filamant için 10-5 torr olması ve LaB6 filamant içinse 10-5 ile 10-6 torr arası ve FEG filament için 10-9 torr dur. Eğer iyi bir vakum yoksa yüzeyde pislikler birikecektir. Bu tür pislikler Elektron Tabanca haznesinde birikip performasını etkileyecektir. Çünkü bu tür yüzeyler voltaj ölçümlerinin hassasiyetini azaltır. Elektron tabancasının haznesi ve kolon ortak olarak vakuma alınır!!. SEM lerde difüzyon pompası kullanılır ve bazende rotary pompalarla desteklenir. Yüksek vakum için-feg- iyon pompaları kullanılır.
ELEKTRON TABANCALARI Neden ihtiyaç duyulur? Elektron tabancaları numune üzerine yoğunlaştıracak kadar elektron üreten kaynaklardır. 3 tür elektron tabancası mevcuttur!!! Hairpin Tungsten Lanthanum hexaboride (LaB6) Field emission electron tabancaları
ELEKTRON TABANCASI Filament, elektrik akımı verilerek ısıtılır. Bu sayede yeterli enerjiye sahip elektronlar filamentin ucunda birikerek bir elektron bulutu oluştururlar. Eğer filamente verilen akım kaldırılısa bu elektronlar filament tarafından tekrar absorbe edilirler. Eğer filamentin yanına bir pozitif yüklü bir plaka (Anot) yerleştirilirse, elektronlar bu anotun çekim etkisi altında kalırlar. Bu durumda da elektronlar anot tarafından absorbe edilirler. Eğer anotla elektron bulutu arasına negatif yüklü bir plaka (katod) yerleştirilirse anoda doğru yönlenen elektronlardan dikey doğrultuda bir ışınım elde edilir. Tungsten filament Wehlnet silindiri (-) (~500-50000V) Elektronlar W filament Elektron bulutu Katod (-) Anot (+) Anot(+) Apertüre Bahar Sem-gun.mov 2009
Tungsten filament Wehlnet silindiri (-) (~500-50000V) Elektronlar W filament Elektron bulutu Katod (-) Anot (+) Anot(+) Apertüre
ELEKTRON TABANCALARI Tungsten Tel filament ve LaB6 uç FEG filamantı
TUNGSTEN TABANCA Bu kaynakta yayınım yüzeyinin çok küçük olması için 120- µm tungsten tel ince uç biçimi verecek şekilde bükülmüştür. Đçinden geçen akımla filamant ısınır. Yeterince enerji verildiğinde elektronlar yüzeyi terk ederler. 2700 o C ye kadar ısı üretilir. 50-150 saat ömrü vardır. Ucuzdur 10-5 torr çalışma vakumuna ihtiyaç duyar.
LANTHANUM HEXABORIDE (LaB6) TABANCA Lanthanum hexaboride (LaB6) elektron tabancası kristal haldeki LaB6 in Tungsten veya Rhenium üzerine oturtulması ile oluşturulur. Voltaj uygulandığında kristal ısınır ve elektron yaymaya başlar. Düşük sıcaklıkta çalışır ve yüksek akımları kaldıracak kadar dayanıklıdır.
TERMOİONİK TABANCALAR Sıcaklık arttıkça filamentten ayrılan elektronların sayısı artar. J = AT 2 e Φ kt J=Elektron akışı A=Malzeme sabiti T=Filament sıcaklığı Φ=Đş fonksiyonu k=boltzman sabiti (1.38 x10-23 J/K)
FEG TABANCA FEG tabancası tungsten-zirconium uca sahiptir ve en iyi çözme gücüne ve performans a sahiptir. Yüksek vakumda ve yüksek mağnetik alan etkisiyle elektronlar telden çekilir. Bu tabancada ısıtma yoktur- Soğuk katod Diğer elektron tabancalarına karşı olan avantajları: Yüksek ışık verme kabiliyeti- daha fazla elektron- Elektronlar daha küçük bir alandan yayınırlar. Ve daha düşük enerjide elektron salınımı sağlar ve çözünürlüğü daha yüksektir. Tungsten elektrodun 1/10 u ve LaB6 in 1/5 i. BU tabancanın ömrü Tungsten filamantınkinden 1000 kat daha fazladır. 10-9 ve ya 10-10 vakum gerektirir. W filament Katot Anot Elektron demeti
ELEKTRON TABANCALARI Enerji dağılımının ( E/E) küçük olması elde edilen elektronların enerjilerinin birbirine yakın olması anlamına gelir. Bu sayede elde edilen görüntülerin kalitesi daha yüksek olur. Birim W LaB 6 FEG Φ (Eşik enerjisi) ev 4.5 2.4 4.5 Çalışma sıcaklığı K 2700 1700 300 Parlaklık A/m 2 10 9 5x10 10 10 13 Enerji saçılımı ev 3 1.5 0.3 Vakum Pa 10-2 10-4 10-8 Kullanım ömrü saat 100 500 >1000
Haftaya!! Saptırma bobinleri Mercekler Detektörler Numune-Elektron etkileşimi Daha sonraki hafta Resim oluşumu vs.. Kontrast tekniklerinin kullanımı
5.HAFTA
ELEKTRON-NUMUNE ETKİLE İMİ Filamentten elde edilen elektronların numune ile çarpışması sonucu ortaya çıkan sonuçlar iki kategoriye ayrılır: Elektron sinyalleri Photon sinyalleri Gelen elektronlar Gerisaçılan elektronlar X-ışınları Auger elektronları Katod ışıması Đkincil elektronlar Elastik olmayan bir şekilde saçılan elektronlar Saçılmayan elektronlar Elastik şekilde Saçılan elektronlar
ELEKTRON-NUMUNE ETKİLE İMİ Elektron demeti Numune yüzeyi Auger elektronlarının elde edildiği hacim (D 10Å) Geri saçılan elektronların elde edildiği hacim (D 1-2µ) Đkincil elektronların elde edildiği hacim. (D 100Å) X-ışınlarının elde edildiği hacim (D 5µ)
ELEKTRON-NUMUNE ETKİLE İMİ Đkincil elektronlar Gerisaçılan elektronlar Gelen Elektronlar Gelen Elektronlar Đkincil Elektronlar Gelen Elektronlar Gelen Elektronlar
İKİNCİL ELEKTRONLAR Bu elektronlar gelen elektronlar ile iletkenlik bandındaki zayıf bağlı elektronlar veya valans elektronları arasındaki elastik olmayan (enerji transferine yol açan) çarpışmadan dolayı meydan gelir. Transfer edilen enerji elektronların bağlanma enerjilerini yenmeye yeterli büyüklüktedir. Böylece incelenen numuneden elektron koparılmış olur. Gelen Elektronlar Gelen Elektronlar Đkincil Elektronlar Bu elektronlar ikincil elektronlar olarak isimlendirilir.
İKİNCİL ELEKTRONLAR Đkincil elektronlar düşük enerjili elektronlardır. Detektöre 100-300V arasında bir positif voltaj uygulanması ile kolaylıkla toplanabilirler. Bu yolla ikincil elektronların %50-100 arasındaki kısmı toplanabilir. Böylece incelenen bölgenin 3 boyutlu görüntüsü elde edilmiş olur. Çukurda kalan bölgelerden kaynaklanan ikincil elektronlar sayısı, tümseklerden kaynaklanan elektronların sayısından farklıdır. Bundan dolayı fotoğrafta değişik bölgeler için kontrast görülür.
GERİSAÇILAN ELEKTRONLAR Gerisaçılan elektronlar, gelen elektronlar ile incelenen numunedeki atomların çekirdekleri ile arasındaki elastik (enerji trasferi olamayan) çarpışmalardan dolayı oluşur. (Rutherford saçınımı) Numunedeki atomların atom numarası ne kadar büyük olursa o kadar çok sayıda gerisaçılan elektron elde edilir. Gelen Elektronlar Gelen Elektronlar Elastik çarpışmada, gelen elektronların enerji kaybı çok küçüktür (<1eV)
GERİSAÇILAN ELEKTRONLAR Gerisaçılan elektronlar ile elde edilen görüntüler, incelenen numunedeki atomların atom numaraları hakkında bilgi verir. Atomik numarası küçük olan elementler daha az sayıda elastik elektron yansıtır(düşük parlaklık) ve atom numarası büyüdükçe elastik bir şekilde yansıtılan elektronların sayısı artar (yüksek parlaklık). Atom numarasına bağlı olarak ortaya çıkan bu durum SEM fotoğrafında bir kontrast meydana getirir. C Fe Au
GÖRÜNTÜLEME MODLARI Đkincil Elektron Fotoğrafı Gerisaçılım Fotoğrafı Kursun-Kalay alaşımı. Gerisaçılan elektronların kullanıldığı fotoğrafta beyaz bölgeler Kursun konsantrasyonunun yüksek olduğu bölgelerdir.
DEDEKTÖRLER Đkincil Elektron Detektörü Gerisaçılan Elektron Detektörü
BÜYÜTME ORANI Taranan alanın boyutu küçültülürse büyütme oranı (magnification) artar. Numune üzerinde taranan alan I Katod tüpü üzerinde taranan alan L Büyütme oranı Alan 10x (1cm) 2 100x (1mm) 2 1Kx (100µ) 2 10Kx (10µ) 2 100Kx (1µ) 2 1Mx (100nm) 2 Büyütme oranı:m=l/i
BÜYÜTME ORANI
EDS ANALİZİ
EDS ANALİZİ Đkincil Elektronlar Numunenin yüzeyine yüksek enerjili elektronlar çarptığında bu çarpışmalardan dolayı, numune yüzeyinden bazı elektronlar kopar. Eğer bu elektronlar içteki (çekirdeğe yakın) orbitallerden koparılmışlarsa atomlar kararlıklarını kaybederler. Tekrar karalı hale gelebilmek için dış orbitallerdeki elektronlar iç orbitallerdeki boşlukları doldururlar. Gelen Elektronlar Dış orbitallerdeki elektronların enerjileri iç orbitallerdeki elektronların enerjilerinden daha yüksek olduğu için, dış orbital elektronları iç orbitalleri doldururken belli bir miktar enerji kaybetmek zorundadırlar. Bu kaybedilen enerji X-ışını şeklinde ortaya çıkar.
EDS ANALİZİ 6400 ev 7057 ev 704 ev Ortaya çıkan X-ışınlarının enerjisi ve dalgaboyu sadece atomla ilgili olmayıp o atomun alışverişde bulunan orbitalleri ile ilgili karakteristik bir özelliktir.
EDS ANALİZİ Orbitaller arasındaki elektron geçişi ve oluşan X-ışınlarının isimlendirilmesi. O N M K δ L γ L β L α L K K γ K α K β M α M β
EDS ANALİZİ Numuneden kaynaklanan x-ışınları yarıiletken detektör tarafından algılanır. Đletkenlik bandına geçen elektronlar, elektrik sinyaline dönüştürülür. x-ışını E= hc λ Đletkenlik bandı Valans bandı
EDS ANALİZİ Enerji (kev)
EDS ANALİZİ Ni bazlı alaşım Numune içindeki elementlerin yüzdeleri, elementlerin piklerinin altındaki alanlarla orantılıdır.
ARA
EDS HARİTASI Sadece, ilgi duyulan elementin sahip olduğu piklerin temsil ettiği X- ışınlarının seçilmesiyle ve sadece X ışınlarının EDX detektöründe sayılmasıyla, numune yüzeyindeki her bir nokta için o elementin göreceli oranı tespit edilebilir. Bu sayımların iki boyutlu dağılımı gösterimi (haritası) o elementin X-ışınları haritasını verir. SEM Fotoğrafı Cu Haritası
EDS HARİTASI SEM Fotoğrafı Ni Haritası Cu Haritası Sn Haritası Pb Haritası Ni,Pb ve Sn Haritası
EDS HARİTASI Si (Açık renk) Al (Açık renk)
EDS HARİTASI
EDS HARİTASI
EDS-DOĞRUSAL PROFİL
WDS ANALİZİ
WDS-EDS WDS:Wavelength Dispersive Spectrometry EDS:Energy Dispersive Spectrometry
FAZ DURUMU Faz farkına göre toplam şiddet değişmektedir. λ Faz farkı=0 Faz farkı=0.25λ Eğer faz farkı dalga boyunun tam katları ise toplam şiddet maksimum olmaktadır. Faz farkı=0.4λ Faz farkı=0.5λ Eğer faz farkı dalgaboyunun yarısının tek katları ise toplam şiddet sıfırdır. Faz farkı=0.75λ Faz farkı=λ
BRAG YASASI Θ Θ d hkl ΘΘ dsinθ dsinθ Ekstra mesafe= 2dSinΘ Dalga şiddetlerinin toplarının maksimum olması için ikinci ışının katettiği ekstra mesafe (faz farkı) dalga boyunun katları olmalıdır. nλ= 2dSinΘ
WDS ANALİZİ Kristal de kırılan x-ışınlarının ancak Bragg koşulunu sağlayan dalga boyuna sahip olanları güçlü bir şekilde yansıtılır ve detektör tarafından algılanır. Böylece detektörde x-ışınları enerjilerine göre değil dalga boylarına göre sınıflandırılmış olur. Elektron Demeti Kristal Rowland Çemberi Numune X-ışını dedektörü n λ= 2d sinθ
WDS DETECTOR Wdsrow.mov
EDS-WDS KAR ILA TIRILMASI
EDS-WDS KAR ILA TIRILMASI EDS Z 4 olan elementleri belirleyebilir. Çözünürlük 70-130 ev Aynı anda birçok elementi belirleyebilir. (Paralel teknik) SEM ve TEM ile birlikte kullanılabilir. Tipik olarak tarama için 2-3 dk yeterlidir. WDS Z 4 olan elementleri belirleyebilir. Çözünürlük 2-20 ev Elementler seri halde (ardışık olarak) belirlenir. Ancak çözünürlük oldukça yüksek. Yüksek oranda x-ışını oluşumuna ihtiyaç vardır. Bu yüzden dolayı TEM ile kullanılması zordur. Tipik olarak tarama saatler sürer.
EDS-WDS KAR ILA TIRILMASI 0.97 1.07 1.17 1.27 1.37 1.47 1.57 Energy (kev)
WDS HARİTASI Ni-19Si-3Nb-0.3B alaşımında WDS ile elde edilen B haritası
EDS-WDS KAR ILA TIRILMASI Gerisaçılım modu Nikel (EDS) Demir (EDS) Krom (EDS) Bor (WDS) Silisyum(WDS) Karbon(WDS)