Hiển vi điện tử truyền qua TEM

Phương pháp Hiển vi điện tử truyền qua TEM trong phân tích cấu trúc

ch ơng 5 Chơng 5 Hiển vi điện tử truyền qua Các đặc điểm chính của kính hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electron Microscope-TEM) thông thờng đợc chỉ ra trong hình 5.1. Cột kính đợc hút chân không, ~10 -3 Pa hoặc cao hơn, chứa nguồn điện tử, thờng là sợi đốt vonfram hoặc tinh thể LaB 6 , và tổ hợp thấu kính tụ, kính vật và kính phóng. Thiết kế của các thiết bị thông thờng hiện nay đặc biệt chú ý đến sự chế tạo hệ chân không cao, sạch bằng cách sử dụng bơm ion để hạn chế tối thiểu sự nhiễm bẩn mẫu. Thiết bị trong hình 5.1 (a) có hệ chiếu năm thấu kính từ và có xu hớng nhiều hơn để tăng khả năng hoạt động của thiết bị, thí dụ, hạn chế xoay ảnh và tăng độ phóng đại. Sau khi thoát khỏi nguồn, các điện tử đợc tiêu tụ bằng hai thấu kính tụ trớc khi tới mẫu. Kính tụ thứ nhất tạo ảnh nguồn tia cha phóng đại có đờng kính cỡ 1m và đợc phóng đại bằng kính tụ thứ hai với độ phóng đại gấp hai lần. Điểm chiếu trên mẫu có đờng kính nhỏ 2 m đủ để cho ảnh phủ kín màn quan sát với độ phóng đại cao nhất. Mật độ dòng tia điện tử tới mẫu phụ thuộc vào đặc trng của sợi đốt và góc phân kỳ 2. Đờng kính lỗ khẩu độ kính tụ và góc phân kỳ tiêu biểu tơng ứng là ~ 400 m và ~ 10 -3 rad đối với thiết bị 100 keV. Thấu kính tụ thứ hai cho phép tạo chùm tia mảnh tiêu tụ và tinh chỉnh diện tích chiếu để giảm thiểu sự nhiễm bẩn diện tích xung quanh. Giá trị nhỏ hơn sẽ làm giảm kích thớc tia điện tử và do đó tăng độ tơng phản và khả năng phân giải của ảnh hiển vi và nhiễu xạ. Sau khi xuyên qua mẫu mỏng các điện tử đi vào vật kính với thiết kế và quang sai sao cho ảnh hởng ít nhất đến sự thực hiện của kính hiển vi. Các tia nhiễu xạ bragg kết hợp sau khi qua mẫu tạo thành ảnh trung gian với độ phóng đại thấp I 1 , hình 5.1(a). Thấu kính trung gian tạo ảnh trung gian thứ hai I 2 và đợc phóng đại trên màn quan sát bởi kính phóng cuối cùng. Màn quan sát là mặt phẳng kim loại đợc phủ lớp photpho kẽm, nó sẽ phát quang khi điện tử đập vào. ảnh đợc tiêu tụ trên màn quan 174 hiển vi điện tử truyền qua sát bằng cách thay đổi tiêu cự của kính vật và độ phóng đại đợc điều chỉnh nhờ sự thay đổi dòng của hai kính phóng. Một số thiết bị có thêm kính phóng để mở rộng thang phóng đại. ảnh đợc ghi nhận bằng máy ảnh hoặc hệ ghi số đặt dới buồng quan sát. Hình 5.1 (a) Sơ đồ mặt cắt của cột kính hiển vi điện tử truyền qua thông thờng. Các mẫu dạng đĩa với đờng kính cỡ 3 mm đợc đa vào buồng kính hiển vi nhờ van khí và giá mẫu có thể dịch chuyển theo các phơng x, y và z. Ngoài 175 ch ơng 5 ra, để tăng hiệu quả sử dụng giá mẫu đợc thiết kế quay và nghiêng mà ảnh vẫn không bị dịch, nhoà hoặc thay đổi độ phóng đại. Nhờ thế, có thể thực hiện đợc các chế độ tạo ảnh chính xác. Hình 5.1 (b) Sơ đồ đờng đi của tia trong kính hiển vi điện tử tơng ứng với sơ đồ hình 5.1 (a). Hệ hai kính tụ đợc giới thiệu chi tiết. Góc phân kỳ 2 của tia và kích thớc điểm chiếu đợc điều chỉnh bởi cờng độ dòng kính tụ C 2 . Giá trị lớn nhất của 2 là D/L thu đợc khi nguồn tia đợc tạo ảnh trên mẫu. Ưu điểm của kính tụ kép là tạo đợc kích thớc điểm chiếu nhỏ. Một sự phát triển rõ rệt đã đợc tiến hành là sử dụng bộ vi xử lí và máy tính để điều khiển, chỉ thị và xử lí các thông tin nhận đợc bằng kính hiển vi điện 176 hiển vi điện tử truyền qua tử. Các kính hiển vi điện tử hiện đại cho phép các điều kiện vận hành đều đợc hiển thị nh kiểu hoạt động, thế tăng tốc, kích thớc chùm tia, độ phóng đại, v.v . Hơn thế nữa, nhà sản xuất thờng cung cấp các tài liệu rất hữu ích giúp cho ngời vận hành tự chẩn đoán trạng thái thiết bị khi vận hành, bảo dỡng và sửa chữa. 5.1 Thuyết động học về tơng phản trên ảnh 5.1.1 Khái niệm Trong chơng 3 ta đã khảo sát ảnh nhiễu xạ từ tinh thể, tức là biên độ sóng nhiễu xạ ở khoảng cách rất xa kể từ tinh thể mà thực tế là ở vô cùng. Để tính toán sự tơng phản ảnh cần phải thiết lập sự phân bố cờng độ ở dới bề mặt tinh thể mà nó sẽ tạo nên ảnh nhờ thấu kính. Tơng phản nhiễu xạ phát sinh khi sử dụng trong hệ một điapham khẩu độ nào đó mà nó cho phép qua hoặc là chùm nhiễu xạ hoặc là chùm thẳng, hình 5.2. Trong trờng hợp cho qua chùm thẳng ta có ảnh trờng sáng và trờng hợp còn lại cho ảnh trờng tối. Bởi vậy cần phải tính sự phân bố cờng độ hoặc là của chùm xuyên thẳng hoặc là của chùm nhiễu xạ ở bề mặt dới của tinh thể. 5.1.2 ảnh trờng tối Để tính biên độ sóng nhiễu xạ ở dới bề mặt tinh thể ta phân chia nó thành nhiều lớp song song với bề mặt. Nếu chùm nhiễu xạ đi theo hớng nh trên hình 5.3 thì ta tính biên độ tại điểm P nhờ cách dựng đối với mỗi lớp mặt phẳng vùng frenen xung quanh điểm cắt của tia với mặt phẳng này. Sự đóng góp lớn nhất vào biên độ sóng từ mỗi mặt phẳng sinh ra ở một số vùng đầu tiên (giả sử là mời) tức là từ khu vực bán kính ~3R, ở đây R là bán kính vùng đầu tiên. Vì R = ( x) 1/2 , khu vực này trên mặt phẳng gần A sẽ vô cùng nhỏ mặc dù tinh thể có chiều dày ~ 1000 , giá trị R 6 . Phơng pháp khảo sát khác là nhờ biểu đồ biên độ-pha đợc xây dựng trên cơ sở giả thiết rằng mỗi phần tử diện tích đều tán xạ giống nhau. Song, vì mặt phẳng bao gồm các nguyên tử rời rạc, khu vực đợc khảo sát gồm một lợng nguyên tử đủ lớn sao cho sự thăng giáng là đều. Hai lý do này đa đến giả thiết rằng bán kính trung bình của khu vực mạng đóng góp hiệu dụng vào biên độ sóng tơng ứng với một số nguyên tử để cho tổng sự đóng góp chỉ là từ cột tinh 177 ch ơng 5 thể đờng kính cỡ 20 hớng dọc theo chùm nhiễu xạ. Bởi vậy biên độ sóng tại điểm P có thể thu đợc bằng cách cộng các thành phần từ mọi điểm dọc theo cột nút song song với sóng nhiễu xạ này. Đó là phép gần đúng cột. Giả thiết mặt phẳng phản xạ vuông góc với bề mặt thì đóng góp vào biên độ tại điểm P của đĩa A nằm cách bề mặt một khoảng r n , hình 5.4, là Hình 5.2 Tơng phản nhiễu xạ (trờng sáng). Chùm điện tử tới nhiễu xạ trên mẫu và chùm nhiễu xạ không qua lỗ khẩu độ vật kính. Tơng phản là do sự thay đổi cờng độ địa phơng I của chùm nhiễu xạ. ()( rikriK Fin n g '.2exp'.2exp cos ) trong đó r n là vectơ OA, r là vectơ OP, k' là vectơ sóng nhiễu xạ trong tinh thể. Thành phần cuối là nhân tố lan truyền không đổi. Bởi vậy: () ( ) [] ( ) ( ) zisrisrsgiriK znnn 2exp.2exp.2exp'.2exp ==+= trong đó z lấy dọc cột và vì thông số lệch s hầu nh song song với z, hình 5.4, nên số nhân này có thể viết dới dạng exp(-2 isz). Có nghĩa, nếu a là khoảng cách giữa các mặt phẳng song song với bề mặt thì () ( dzisz V Fi a dz isz Fin d c gg g ) 2exp cos 2exp cos == (5.1 a) 178 hiển vi điện tử truyền qua Hình 5.3 Phép gần đúng cột. Sự đóng góp lớn nhất vào biên độ sóng nhiễu xạ từ mỗi mặt phẳng phát sinh ở một số ít vùng Frenen đầu tiên; một số vùng này đợc chỉ rõ trong hình vẽ. áp dụng công thức chiều dày tắt (3.34): g c g F V cos = biểu thức (5.1 a) có thể viết dới dạng: ( dzisz i d g g ) 2exp = (5.1 b) Bởi vậy biên độ tổng cộng tại P là () = t g g dzisz i d 0 2exp (5.2) hay ( ist s tsi g g ) = exp sin (5.3) 179 ch ơng 5 Hình 5.4 Kích thớc hình học của cột dọc theo chùm nhiễu xạ. Hình 5.5 Thông số lệch s. trong đó t là chiều dày tinh thể. Cờng độ do đó thay đổi theo quy luật sin 2 ( ts)/( s) 2 , tức là dao động theo chiều sâu của màng, hình 5.6. Điều đó dẫn đến sự phát sinh dải vân chiều dày trong hình nêm tinh thể. Thí dụ về vân chiều dày đợc chỉ ra trên hình 5.7. Chu kỳ dao động z theo chiều sâu bằng 1/s, tức là độ lệch khỏi vị trí phản xạ càng lớn thì khoảng cách giữa các dải càng nhỏ. Kết quả này cũng có thể thu đợc sau khi dựng biểu đồ biên độ-pha. Biểu đồ biên độ-pha hình thành do sự đóng góp từ các phân tố khác nhau của cột chính là đờng tròn, hình 5.8, bán kính (2 s) -1 tơng đơng với biểu thức (5.2). Biên độ tổng cộng tạo thành vectơ OP, khi thay đổi chiều dày mẫu điểm P sẽ chuyển dịch theo vòng tròn, điều đó tơng ứng với sự dao động biên độ theo chiều dày thoả mãn biểu thức (5.3). Bán kính vòng tròn bị giảm đi cùng với sự tăng của s. Với sự thay đổi định hớng tinh thể, ở độ dày đã cho thì bán kính vòng tròn cũng thay đổi và vì vậy sự dao động cờng độ phải là hàm của góc nghiêng. Điều đó gây nên sự thể hiện vân méo phụ trong trờng hợp màng vênh. Về cơ bản vân méo xuất hiện khi s = 0. Nh đã trình bày trong chơng 3 về độ dài tắt, khi s = 0 mà t rất lớn là không thể tồn tại và để giải thích cặn kẽ hiện tợng nhiễu xạ cần phải sử dụng đến thuyết động lực học. 180 hiển vi điện tử truyền qua 181 Hình 5.6 Sự dao động của sóng nhiễu xạ và sóng truyền qua trong tinh thể do sự phát sinh dải chiều dày tại mép hình nêm tinh thể. Trong sự gần đúng này cờng độ sóng truyền qua tại các điểm đánh dấu tròn trắng là nh nhau và giống trên bề mặt trên. Hình 5.7 Vân chiều dày trong nhôm (Al) quanh hố sâu tròn. ch ơng 5 5.1.3 ảnh trờng sáng Hình 5.8 Biểu đồ biên độ-pha đối với cột trong tinh thể hoàn chỉnh. Biên độ tổng cộng là đoạn thẳng OP. Trong khảo sát gần đúng, cờng độ sóng truyền thẳng I T đợc tính bằng hiệu của dòng sơ cấp và cờng độ sóng nhiễu xạ I T = 1 - I N (5.4) trong đó I N là cờng độ sóng nhiễu xạ. Điều đó có nghĩa là ảnh trờng sáng và trờng tối phụ thuộc lẫn nhau hay độ tơng phản bù nhau. 5.1.4 Tơng phản từ tinh thể không hoàn chỉnh 5.1.4.1 Tổng quát Hãy khảo sát ảnh trờng tối của tinh thể không hoàn chỉnh từ kết quả đối với tinh thể hoàn chỉnh đã nhận đợc trong mục 5.1.2 của chơng này. Mỗi mặt phẳng song song với bề mặt, hình 5.3, cho đóng góp vào biên độ sóng nhiễu xạ ( ''.2exp n g riK ai ) (5.5) ở đây r' n = r n + R n , R n là độ dịch chuyển của ô mạng cơ bản khỏi vị trí đúng r n . Giả sử K' = g + s, bỏ qua thành phần sR n và gr n là số nguyên, ta có nhân số pha (xem 5.1.2): exp(-2 ig.R) exp(-2 isz) (5.6) trong đó R là độ dịch của ô mạng nguyên tố theo chiều sâu z trong tinh thể. Sử dụng phép gần đúng cột với dạng R không thay đổi quá nhanh theo hớng 182 hiển vi điện tử truyền qua vuông góc với cột. Sau khi thay tổng bằng tích phân ta nhận đợc biên độ sóng tán xạ tại bề mặt dới tinh thể nh sau ()( = t g g dziszRig i 0 2exp.2exp ) (5.7) Nh vậy, sự có mặt không hoàn chỉnh đã dẫn đến nhân số pha phụ exp(-i), ở đây = 2 gR. Kết quả đó cũng thu đợc trong mục 3.1.4 của chơng 3 khi khảo sát biên độ sóng nhiễu xạ bởi tinh thể sai hỏng. Đối với vài mục đích, để thuận lợi ta trình bày nhân số pha dới dạng công thức khác. Trong phơng trình (5.7), g là vectơ mạng đảo trong tinh thể hoàn chỉnh còn s là thông số lệch của mạng đảo. Song sự sai hỏng có thể khảo sát nh là sự thay đổi địa phơng của định hớng và thông số mạng đảo. Nếu ta ký hiệu g' là vectơ địa phơng của mạng đảo sai hỏng, thì nó đợc xác định theo hệ thức: g'. r' n = g. r n (5.8) Sau khi thay g' = g + g và r' n = r n + R n ta đợc (với độ chính xác đến giá trị vô cùng bé bậc một): g.R n + g. r n = 0 (5.9) Bởi vậy, có thể viết dới dạng: = 2 g.R = -2 g.r (5.10) Đại lợng R và g nói chung phụ thuộc vào z và một là tìm sự phụ thuộc này, hai là lấy tích phân phơng trình (5.7). Song điều đáng chú ý đó là nếu độ dịch R vuông góc với g thì tơng phản sẽ không có. Đó cũng là cơ sở để xác định vectơ Burgers. Ngợc lại, độ tơng phản là cực đại nếu R song song với g. Để khảo sát hiệu ứng này nên sử dụng đại lợng g. Hệ thức (5.8) thoả mãn đối với mọi điểm gần r n , vì thế hai điểm cách nhau một khoảng dx i của thành phần g dọc x i , tức là g xi , đợc biểu thị dới dạng sau i g x x R g i = (5.11) trong đó R g là thành phần R dọc theo g. Tốt nhất là lấy trục dọc theo g và vuông góc với g tơng ứng trong mặt phẳng tới (trong đó chứa vectơ sóng sơ cấp và g) và vuông góc với nó. Thành phần g, vuông góc với g nhng nằm trong mặt phẳng tới, phát sinh do sự quay địa phơng mạng. 183 . ch ơng 5 Chơng 5 Hiển vi điện tử truyền qua Các đặc điểm chính của kính hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electron Microscope -TEM) thông thờng đợc. bộ vi xử lí và máy tính để điều khiển, chỉ thị và xử lí các thông tin nhận đợc bằng kính hiển vi điện 176 hiển vi điện tử truyền qua tử. Các kính hiển vi