Bài giảng ỨNG DỤNG PHÁT XẠ NHIỆT điện tử TRONG SEM

Kính hiển vi điêÊn tử quét thương phẩm đầu tiên được sản xuất vào năm 1965 bởi Cambridge Scientific Instrument Mark I... Ống nhân quang điêÊn, dùng để ghi nhâÊn chùm đi

HVTH: Võ Thị Ngọc Thủy

GVHD: PGS.TS Lê Văn Hiếu

ỨNG DỤNG PHÁT XẠ

NHIỆT ĐIỆN TỬ TRONG

SEM

 Dịch tiếng anh chuyên nghành trực tuyến:

http://www.mientayvn.com/dich_tieng_anh_chuyen_ nghanh.html

http://www.mientayvn.com/OCW/MIT/Vat_li.html

(1889-1982), Russia

1 GIỚI THIÊÊU VỀ KÍNH HIỂN VI ĐIÊÊN TỬ QUÉT SEM

Kính hiển vi điêÊn tử SEM đầu tiên

được phát triển bởi Zworykin vào

năm 1942

Đến năm 1948 C W Oatley phát

triển kính hiển vi điêÊn tử quét trên

mô hình này với chùm điêÊn tử hẹp

có đôÊ phân giải đến 500 A0

Kính hiển vi điêÊn tử quét thương

phẩm đầu tiên được sản xuất vào

năm 1965 bởi Cambridge Scientific

Instrument Mark I

LƯỢC SỬ VỀ KÍNH HIỂN VI ĐIÊ ÊN TỬ SEM

Charles Oatley (1904-1996)

2 Cấu tạo của SEM

Kính hiển vi điê ên tử gồm có các bô ê phâ ên sau:

 Súng điê ên tử

 Hê ê thấu kính từ.

(HêÊ thống các cuôÊn quét, được đăÊt giữa thấu kính thứ hai và thứ ba)

 Bô ê phâên giữ mẫu

 Hê ê thống thu nhâ ên ảnh.

(Ống nhân quang điêÊn, dùng để ghi nhâÊn chùm điêÊn tử thứ cấp)

2.1 Súng điêÊn tử

 Súng phóng điêÊn tử tạo ra chùm điêÊn tử với kích thước điểm nhỏ, năng lượng có thể điều chỉnh được và đôÊ tán sắc nhỏ.

Súng điêÊn tử thường gồm ba

phần: sợi đốt (tungsten) hình

chữ V, hình trụ Wehnelt (điều

chỉnh dòng phát xạ e-) và anode

 Cường độ chùm điện tử phát ra

sẽ tuân theo định luật Richardson:

J = A.T2.exp(-F/kT)

Units Tungsten LaB 6 FEG (cold) FEG

(thermal) (Schottky) FEG

Work Function eV 4.5 2.4 4.5 -

-Operating

Temperature K 2700 1700 300 - 1750

Current

Density A/m

2 5*10 4 10 6 10 10 -

-Crossover Size μ m 50 10 <0.005 <0.005 0.015-0.030

Brightness A/cm 2 sr 10 5 5 × 10 6 10 8 10 8 10 8

Energy Speed eV 3 1.5 0.3 1 0.3-1.0

Stability %/hr <1 <1 5 5 ~1

Vacuum PA 10 -2 10 -4 10 -8 10 -8 10 -8

Lifetime hr 100 500 >1000 >1000 >1000

Comparison of Electron Sources at 20kV

2.2 HêÊ thấu kính tư

HêÊ thấu kính tư có tác dụng tập trung chùm điện tử vưa được phát ra khỏi súng phóng điêÊn tử và điều khiển kích thước cũng như độ hội tụ của chùm tia

Thấu kính tụ sáng (condenser lens):

Tập trung chùm điện tử vưa phát

ra khỏi súng phóng và điều khiển kích thước cũng như độ hội tụ của chùm tia

Vâêt kính (Objective len):

Chùm điêÊn tử tiếp tục phân kỳ sau khi đi qua thấu kính tụ sáng VâÊt kính thường được dùng để hôÊi tụ chùm điêÊn tử vào điểm dò trên bề măÊt mẫu giúp hôÊi tụ tốt hơn

Thấu kính tư thực chất là một nam châm điện, có cấu trúc là một cuộn dây cuốn trên lõi làm bằng vật liệu tư mềm Vì cuộn dây mang dòng điện nên nó tỏa rất nhiều nhiệt và đòi hỏi một hệ làm lạnh (bằng nước hoặc Nitơ lỏng)

Hình 2.4: Cấu tạo của thấu kính tư

Hoạt động dựa trên nguyên lý lệch đường đi của điện tử trong tư trường dưới tác dụng của lực Lorentz Tư trường trong thấu kính được thay đổi bằng cách thay đổi cường độ dòng điện trong cuộn dây =>Tiêu cư của thấu kính được thay đổi bằng dòng dùng để điều khiển nam châm

Bán kính quỹ đạo của điê ên tử được xác định theo công thức:

1 2 0

2

e

E

m E

E r

eB

=

Khe từ tạo ra từ trường có phân bố thích hợp để

điều khiển quỹ đạo của điện tử.Ta có thể điều khiển quỹ đạo của điện tử bằng cách điều khiển sự phân

bố của từ trường B trong khe từ

2.3 HÊ Ê THỐNG THU NHÂÊN VÀ TẠO ẢNH

3 NGUYÊN TẮC HOẠT ĐÔÊNG CỦA KÍNH HIỂN VI ĐIÊ ÊN TỬ SEM

Độ phân giải của kính hiển vi SEM

ĐôÊ phân giải của SEM phụ thuộc vào kích thước của chấm điêÊn tử đập vào mẫu

Thông thường, kích thước chấm điêÊn tử lớn hơn kích thước nguyên tử , do đó SEM không phân tích được ở cấp độ nguyên tử Các kính SEM hiêÊn đại có đôÊ phân giải trong khoảng 1nm-10nm

Các yếu tố ảnh hưởng đến đôÊ phân giải của kính SEM: đường kính chùm điêÊn tử, thế gia tốc, dòng dò v.v

giảm đường kính chùm điêÊn tử đến mẫu , dùng khẩu đôÊ

HiêÊn tượng quang sai (Aberration)

HiêÊn tượng quang sai là hiêÊn tượng sai lêÊch ảnh thu được qua dụng cụ quang học

Cầu sai

Sắc sai

các chùm tia ở xa trục chính sẽ hội tụ kém hơn so với các chùm tia đi gần trục chính và

do đó cũng tạo ra một đĩa tán rộng thay vì hội tụ tại

Do sự kém đơn sắc trong bước sóng của chùm hạt mang điện

Cầu sai ( Spherical aberration)

DOLC

 The focal length of near axis electrons is longer than that of off axis electrons

 All lenses have spherical aberration -minimum spot size dmin = 0.5Cs a3

 Cs is a lens constant equal to the working distance of the lens

 Spherical aberration makes the probe larger, degrades the beam profile, and limits the numerical aperture (a) of the probe lens

This reduces the current IB which varies as a2

α

Sắc sai (Chromatic aberration)

 The focal length of higher energy electrons is longer than that for lower energy electrons

 Chromatic aberration puts a ‘skirt’ around the beam and reduces

image contrast

 The minimum spot size at DOLC is

d min= Ccα.∆E/E 0 which increase at low

energies and when using sources such as thermionic emitters with a high energy spread ∆E

α

Cách khắc phục quang sai

1/ Đôô đơn sắc

Chọn nguồn phát xạ nhiêôt thích hợp

Giảm Giảm quang sai và tăng đôô phân giải

2/ Chiếu chùm xung, giảm thế áp vào điêôn cực, giúp cho viêôc hôôi tụ các e- châôm và e- nhanh hơn cùng lúc.

3/ Giảm tiêu cự vâôt kính (bằng cách điều chỉnh dòng (thế)

4/ Đăôt thêm khẩu đôô

E

∆

Mẫu được

đăÊt vào

trong Tk ->

giảm f->

giảm cầu

sai

4 U ĐI M C A SEM Ư Ê U

 Kính hiển vi điêôn tử chúng ta có thể biết được cấu trúc tinh thể cũng như bề măôt của mẫu vâôt

 Phân tích mà không cần phá hủy mẫu vật

 Hoạt động ở chân không thấp.

 Tốc đôô thu dữ liêôu nhanh.

 Đôô phân giải cao

 Viêôc chuẩn bị mẫu đơn giản

 Giá thành của SEM thấp hơn rất nhiều so với

TEM.