GIÁO TRÌNH KÍNH HIỂN VI ĐIỆN TỬ QUÉT (Scanning Electron Microscope)

CHƯƠNG 2: KÍNH HIỂN VI ĐIỆN TỬ QUÉT (Scanning Electron Microscope) 2.1. Tương tác giữa điện tử tới và vật chất: Khi các điện tử được gia tốc lên năng lượng cao (khoảng vài trăm keV) và được hội tụ vào mẫu phân tích, chúng sẽ tán xạ, hoặc tán xạ ngược (đàn hồi hoặc không đàn hồi) sẽ tạo ra nhiều loại tương tác làm nguồn cho nhiều loại tín hiệu như X-ray, điện tử Auger, hoặc ánh sáng như hình 2.1 dưới đây: Hình 2.1: Các tín hiệu điện tử phát ra khi có sự tương tác giữa điện tử năng lượng cao và mẫu. Điện tử thứ cấp (SE) Tia X Ánh sáng khả kiến Điện tử tán xạ ngược (BSE) Chùm điện tử tới năng lượng cao Điện tử Auger Mẫu Điện tử -lỗ trống Điện tử hấp thu Điện tử truyền qua Điện tử tán xạ đàn hồi Điện tử tán xạ không đàn hồi Các loại tín hiệu bức xạ bao gồm: điện tử thứ cấp, điện tử tán xạ ngược (BSE), các đặc tính của X-ray, ánh sáng huỳnh quang catốt (cathodoluminescence), dòng dẫn của mẫu, và các điện tử truyền qua. Trong đó, điện tử thứ cấp thông dụng với đa số các máy SEM. Điện tử chỉ có thể truyền qua mẫu trong trường hợp mẫu đủ mỏng. Chúng chính là các điện tử tới bị tán xạ đàn hồi hoặc không đàn hồi trong khi xuyên vào mẫu và giảm số lượng khi tích chiều dày và khối lượng mẫu tăng. Cường độ I của các điện tử truyền qua theo chiều dày được cho bởi biểu thức: ( ) xexpIxexpII 00 ρ         ρ µ −=µ−= (2.1) Trong đó: I 0 là cường độ của điện tử tới, µ là hệ số hấp thụ của mẫu, và ρ là mật độ mẫu. Hệ số hấp thụ phụ thuộc vào thế tăng tốc của điện tử, nó giảm khi thế tăng tốc tăng. Cường độ của điện tử truyền qua mẫu tinh thể phụ thuộc vào định hướng của tinh thể, cường độ sẽ thay đổi mạnh khi điều kiện nhiễu xạ bị thay đổi. Điện tử thứ cấp (Secondary electrons): Đây là chế độ ghi ảnh thông dụng nhất của kính hiển vi điện tử quét. Chế độ này cung cấp cho ta hình ảnh bề mặt mẫu có độ phân giải cao. Điện tử thứ cấp sinh ra do sự tán xạ không đàn hồi giữa các điện tử tới với các điện tử của mẫu gần bề mặt. Chùm điện tử thứ cấp có năng lượng thấp (thường nhỏ hơn 50 eV) được ghi nhận bằng ống nhân quang nhấp nháy. Vì chúng có năng lượng thấp nên chủ yếu là các điện tử phát ra từ bề mặt mẫu với độ sâu chỉ vài nanomet, do vậy chúng tạo ra ảnh hai chiều của bề mặt mẫu. Điện tử tán xạ ngược (Backscattered electrons): Điện tử tán xạ ngược là chùm điện tử ban đầu khi tương tác đàn hồi với bề mặt mẫu bị bật ngược trở lại, do đó chúng thường có năng lượng cao (lớn hơn 50 eV) bao gồm cả điện tử Auger. Sự tán xạ này phụ thuộc rất nhiều vào vào số nguyên tử Z của các nguyên tố vật liệu mẫu, cũng như hình thái bề mặt mẫu. Nguyên tố mẫu có số nguyên tử Z càng cao thì khả năng tán xa ngược càng lớn, do đó hình ảnh thu được càng sáng. Ảnh điện tử tán xạ ngược rất hữu ích cho phân tích về độ tương phản thành phần hóa học. Ngoài ra, ảnh nhiễu xạ điện tử tán xạ ngược còn giúp cho việc phân tích cấu trúc tinh thể (chế độ phân cực điện tử). Điện tử Auger là điện tử lớp ngoài cùng của nguyên tử trong mẫu phát xạ do quá trình ion hóa nguyên tử. Qúa trình Auger này sẽ được trình bày rõ trong phần XPS. Tia X phát ra từ mẫu: Sư tương tác giữa điện tử với vật chất có thể sản sinh phổ tia X đặc trưng, rất hữu ích cho phân tích thành phần hóa học của vật liệu. Các phép phân tích có thể là phổ tán sắc năng lượng tia X (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy - EDXS) hay phổ tán sắc bước sóng tia X (Wavelength Dispersive X-ray Spectroscopy - WDXS) Huỳnh quang catốt (Cathodoluminesence): Là các ánh sáng phát ra do tương tác của chùm điện tử với bề mặt mẫu. Phép phân tích này rất phổ biến và rất hữu ích cho việc phân tích các tính chất quang, điện của vật liệu. Nếu gọi dòng chùm điện tử tới là I 0 , dòng tán xạ ngược là I BSE , dòng điện tử thứ cấp là I SE , và dòng điện truyền qua mẫu xuống đất là I SC , theo định luật dòng Kirchoff: I 0 = I BSE + I SE + I SC (2.2) Khi I 0 tăng thì các dòng còn lại cũng gia tăng theo. Hiệu suất tán xạ ngược η được xem như là tỷ số giữa số điện tử tán xạ ngược với số điện tử tới, và được tính bằng công thức: η= I BSE /I 0 . (2.3) Hiệu suất của điện tử thứ cấp được tính: δ=I SE /I 0 . (2.4) Trong thể tích mẫu, các điện tử bức xạ sẽ thoát ra từ những vùng khác nhau như trong hình dưới: Hình 2.2: Độ sâu khả dĩ của các bức xạ điện tử có thể thoát ra khỏi bề mặt mẫu. Hình 2.3: Phổ phân bố năng lượng của điện tử bức xạ. Từ hình 2.3 ta thấy, năng lượng của điện tử tán xạ ngược khá lớn, trong khi năng lượng của điện tử thứcấp luôn nhỏ hơn 50 eV. Vùng tia X thoát ra Chùm điện tử Vùng điện tử Auger thoát ra Vùng điện tử tán xạ ngược thoát ra Vùng e thứ cấp Phân bố năng lượng của các điện tử bức xạ Năng lượng điện tử Điện tử thứ cấp Các pic Auger Điện tử tán xạ ngược Hình 2.4: Mô phỏng Monter Carlo quá trình tán xạ của điện tử trong mẫu C, Fe, và Au, năng lượng tới 5 keV, đường kính chùm điện tử là 10 nm. Mẫu C Mẫu Fe Mẫu Au Bảng 2.1: Lĩnh vực ứng dụng của các tín hiệu. Ứng dụng Tín hiệu Hình thái học Tất cả các dạng tín hiệu, trừ tia X và điện tử Auger. Phân tích nguyên tố Tia X, huỳnh quang cathode, điện tử Auger, và điện tử tán xạ ngược. Tinh thể học Điện tử tán xạ ngược, điện tử truyền qua, điện tử thứ cấp và tia X. Liên kết hóa học Điện tử Auger, và tia X. Tính chất điện từ Điện tử thứ cấp và suất điện động. Độ phân giải của SEM khá cao khoảng 1-5 nm (kích thước). Độ phóng đại được điều chỉnh dễ dàng từ 10x - 300,000x. Nếu so sánh SEM với các loại kính hiển vi quang học tốt nhất, thì hình ảnh của SEM có độ sâu ảnh trường tốt hơn 100 lần và độ phóng đại của ảnh có thể tốt hơn 100.000 lần. Ngoài ra, khi so sánh với TEM chỉ cung cấp hình ảnh hai chiều, SEM có thể cung cấp hình ảnh ba chiều, điều nay tạo rất nhiều thuận lợi cho các nhà khoa học trong việc nghiên cứu các mẫu vật. Hơn nữa, việc chuẩn bị mẫu của SEM đơn giản hơn rất nhiều so với TEM. 2.2. Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope, thường viết tắt là SEM): 2.2.1. Giới thiệu: SEM là một loại kính hiển vi điện tử có thể tạo ra ảnh với độ phân giải cao của bề mặt mẫu vật bằng cách sử dụng một chùm điện tử hẹp quét trên bề mặt mẫu. Chùm điện tử sẽ tương tác với các nguyên tử nằm gần hoặc tại bề mặt mẫu vật sinh ra các tín hiệu (bức xạ) chứa các thông tin về hình ảnh của bề mặt mẫu, thành phần nguyên tố, và các tính chất khác như tính chất dẫn điện. SEM lần đầu tiên được phát triển bởi nhà khoa học Zworykin vào năm 1942, là một thiết bị gồm một súng phóng điện tử, ba thấu kính tĩnh điện và hệ thống các cuộn quét điện từ đặt giữa thấu kính thứ hai và thứ ba, và ghi nhận chùm điện tử thứ cấp bằng một ống nhân quang điện. Hình 2.5: Thiết bị kính hiển vi điện tử quét Jeol 5410 LV tại Trung tâm Khoa học Vật liệu, Đại học Quốc gia Hà Nội. Năm 1948, C. W. Oatley ở Đại học Cambridge (Vương quốc Anh) phát triển kính hiển vi điện tử quét trên mô hình này và công bố trong luận án tiến sĩ của D. McMullan với chùm điện tử hẹp có độ phân giải đến 500 Angstrom. Trên thực tế, kính hiển vi điện tử quét thương phẩm đầu tiên được sản xuất vào năm 1965 bởi Cambridge Scientific Instruments Mark I. 2.2.2. Thiết bị: Các bộ phận chính của SEM gồm: - Nguồn phát điện tử (súng phóng điện tử). - Hệ thống các thấu kính từ. - Buồng chân không chứa mẫu. - Bộ phận thu nhận tín hiệu detector (tùy từng loại mục đích phân tích, thông thường là detector điện tử thứ cấp). - Thiết bị hiển thị. Các bộ phận khác: Nguồn cấp điện, hệ chân không, hệ thống làm lạnh, bàn chống rung, hệ thống chống nhiễm từ trường và điện trường. Hình 2.6: Sơ đồ kính hiển vi điện tử quét. Súng điện tử Anốt Chùm điện tử Máy quang phổ Bơm Mẫu đo Kính hội tụ Cuộn quét Vật kính Hệ thống quang - Hình 2.7: Sơ đồ hệ thống thấu kính từ của kính hiển vi điện tử quét. a. Súng phóng điện tử: Súng điện tử thường hoạt động trong khoảng từ 0 đến 30 kV, đôi khi 60 kV tùy thuộc thiết bị. Việc phát các chùm điện tử trong SEM cũng giống như việc tạo ra chùm điện tử trong các thiết bị quang học điện tử khác, tức là điện tử được phát ra từ súng phóng điện tử (có thể là phát xạ nhiệt, hay phát xạ trường nóng hoặc lạnh), sau đó được tăng tốc. Cuộn dây Chùm điện tử Kính hội tụ Các cuộn quét Vật kính Detector điện tử thứ cấp Detector năng lược tán xạ tia X Khe Điều chỉnh khe Detector điện tử tán xạ ngược Camera hồng ngoại Buồng mẫuMẫu Đế Bơm hút Wehnelt Dây cáp cao thế Anốt Súng phát xạ nhiệt điện tử (A thermionic electron gun): Khi nung nóng một vật liệu dẫn điện đến điểm mà các điện tử ở lớp quỹ đạo ngoài cùng có đủ năng lượng vượt qua được rào thế năng và thoát ra ngoài, chùm điện tử sẽ được sinh ra. Có hai loại vật liệu chính làm nguồn nhiệt là cuộn dây tungsten và lanthanum hexaboride (LaB 6 ), chúng hoạt động trong môi trường chân không cao ~10 -5 và ~10 -7 torr. Cuộn catốt tungsten thường được sử dụng cho phát xạ nhiệt của súng phóng điện tử do nó có giá thành rẻ. Đường kính cuộn khá nhỏ khoảng 0.1 mm, và được uốn cong thành hình chữ V như hình 2.8. Cuộn có độ nóng chảy cao và áp suất bay hơi thấp. Để đảm bảo cho nguồn phóng điện tử ổn định, nhiệt độ cuộn tungsten phải đạt khoảng 3000 0 C. Tuy nhiên cuộn dây tungsten cũng có những hạn chế là nhiệt độ hoạt động khá cao khoảng 2700 K, và phải thường xuyên thay mới do sự bay hơi. Điện tử khi thoát ra khỏi cuộn dây sẽ có năng lượng là: kTE = (2.5) Với k là hằng số Boltzmann (8.617398 x 10 -5 eV/K); T là nhiệt độ của cuộn dây (2700K), Vậy năng lượng điện tử phát xạ là khoảng 0.23 eV. Lanthanum hexaboride (LaB 6 ) hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn cuộn dây tungsten, và do đó nó có sản lượng phát xạ cao hơn. Tuy nhiên cuộn dây LaB 6 cần phải có chân không cao hơn tungsten mới có thể hoạt động ổn định và kéo dài tuổi thọ. Hình 2.8: Sơ đồ súng phát xa nhiệt điện tử. Nối đất Wehnelt Cuộn dây Anốt Điện trở Nơi giao căt Súng phát xạ nhiệt điện tử [...]... dưới: Súng Khe Kính hội tụ Khe Vật kính Mẫu Hình 2.22: Đường kính của chùm điện tử Đường kính chùm điện tử thay đổi khi ta điều chỉnh dòng của kính hội tụ Khi đường kính chùm giảm thì: - Độ phân giải gia tăng Quang sai của các thấu kính giảm - Dòng điện tử giảm Hình 2.23: Ảnh bề mặt của một vật liệu gốm [5] Hình trái: đường kính chùm điện tử nhỏ hơn nên ảnh sắc nén hơn Dòng chùm điện tử nhỏ, đưa đến... trong các kính hiển vi điện tử khác, chùm điện tử tới được tiêu tụ trên mẫu, nhưng cũng có thể không tiêu tụ Độ phân giải được xác định bởi đường kính của tia điện tử tới mẫu và kiểu vận hành Tính đồng bộ của nguồn điện tử không quan trọng bằng độ thăng giáng năng lượng của chùm điện tử Độ thăng giáng này phải giữ ở mức thấp nhất có thể để hạn chế sắc sai Như vậy tính ổn định cao của chùm điện tử và nguồn... Trong từ trường, các điện tử chuyển động và chịu tác động bởi lực từ:    F = −eV × B (2.6) Với V là vận tốc của điện tử, B là từ trường Lực này gây cho điện tử chuyển động theo hướng vuông góc với trục kính và xoắn ốc theo trục chùm như hình 2.7: Hình 2.10: Sự chuyển động của điện tử trong thấu kính từ Hình a: Từ trường và vật tốc ban đầu của điện tử; Hình b: Lực từ làm cho điện tử chuyển động xoắn... Chùm điện tử Mẩu cực Khe Cuộn đồng Khe khí Vỏ sắt Tiêu cự Hình 2.11: Sơ đồ kính hội tụ và hai khe vào và khe ra (còn gọi là khe giới hạn limiting aperture) của chùm điện tử Tiêu cự Tiêu cự Hình 2.12: Sự thay đổi dòng điện trong thấu kính hội tụ làm cho tiêu cự của chùm điện tử bị thay đổi Lưu ý là ta nên chỉnh cho tiêu cự chùm điện tử luôn ở trên khe ra như trong hình b và c Đường kính chùm điện tử. .. (đạt bảo hòa) Khi phát xạ điện tử, cần phải điều chỉnh thế để chùm phát xạ điện tử càng cao càng tốt nhưng phải đảm bảo độ bền của cuộn dây Có hai yếu tố ảnh hưởng đến súng phát xạ nhiệt điện tử: 1 Dòng điện của cuộn dây: Dòng điện này điều khiển nhiệt độ của cuộn dây, do đó nó tạo ra số lượng điện tử bức xạ hay dòng bức xạ Điều cần đạt được là phải tạo ra một số lượng lớn điện tử bức xạ trong một đoạn... chùm điện tử (được điều chỉnh qua kính hội tụ) và vật liệu chế tạo cuộn dây phát xạ địện tử Đường kính này có thể đạt tới ~ 6nm với nguồn phát xạ nhiệt tungsten thông thường và ~ 3 nm đối với nguồn phát xạ trường khi yêu cầu cường độ lớn Mối liên hệ giữa chúng được diễn tả qua hình 2.13 Dòng điện tử (A) Súng phát xạ trường Đường kính chùm điện tử (nm) Hình 2.13: Mối liên hệ giữa đường kính chùm điện tử. .. kính cuối cùng và hiệu ứng nhiễu xạ Đối với hầu hết các thiết bị hiện nay, độ phân giải đạt cỡ 3.5 – 5 nm Để đạt được độ phân giải siêu cao trong SEM, phải tạo được đường kính chùm tia X nhỏ nhất và nguồn điện tử có độ rọi lớn nhất, kết hợp với khả năng thu điện tử thứ cấp phát xạ với hiệu suất cao nhất Sự ảnh hưởng của đường kính chùm điện tử lên độ phân giải: Đường kính dp, dB, dG của chùm điện tử. .. là sấy khô mẫu Kính hiển vi quét môi trường (Enviroment Scanning Electron Microscope – ESEM) đã khắc phục được khó khăn trong xử lý mẫu trên đối với SEM Với ESEM ta có thể quan sát và phân tích các mẫu mà không cần xử lý: mẫu không dẫn điện, mẫu chứa nước hoặc dầu, mẫu nhả khí mạnh, và mẫu cho kính hiển vi quang học 2.2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng ảnh SEM 2.2.4.1 Nguồn điện tử: Trong SEM cũng... trường: Gồm một điện trường mạnh (10 5 to 108 V/cm) đặt giữa anốt và catốt Catốt T là một mũi nhọn sắc (thường làm bằng tungsten), bán kính mũi nhỏ hơn 100 nm Hiệu điện thế V1 giữa mũi T và anốt thứ 1 (FA) tạo nên một điện trường, tâp trung vào mũi nhọn để tạo thuận lợi cho vi c phát xạ điện tử Hiệu điện thế V0 giữa mũi dò T và anốt thứ hai (SA - được nối đất), để gia tốc các điện tử, hiệu thế này... điện tử chuyển động xoắn quanh trục A của kính Lưu ý là chùm bị phân kỳ sau khi đi qua khỏi điểm hội tụ, Hình c: Kết quả chuyển động của điện tử giống như trong thấu kính quang Hệ thống thấu kính từ bao gồm: kính hội tụ 1 và 2 (condenser), và vật kính như trong hình 2.7 Kính hội tụ (condenser): Hoạt động giống như một thấu kính đơn Khi gia tăng dòng qua thấu kính hội tụ, thì tiêu cự của nó giảm và sự . vi điện tử quét. Súng điện tử Anốt Chùm điện tử Máy quang phổ Bơm Mẫu đo Kính hội tụ Cuộn quét Vật kính Hệ thống quang - Hình 2.7: Sơ đồ hệ thống thấu kính từ của kính hiển vi điện tử quét. a sáng khả kiến Điện tử tán xạ ngược (BSE) Chùm điện tử tới năng lượng cao Điện tử Auger Mẫu Điện tử -lỗ trống Điện tử hấp thu Điện tử truyền qua Điện tử tán xạ đàn hồi Điện tử tán xạ không. cathode, điện tử Auger, và điện tử tán xạ ngược. Tinh thể học Điện tử tán xạ ngược, điện tử truyền qua, điện tử thứ cấp và tia X. Liên kết hóa học Điện tử Auger, và tia X. Tính chất điện từ Điện tử