نانو درس سمینارالکترونیک

میکروسکوپی الکترونی روشی برای

شناسایی نانوساختارها

جناب آقای دکتر محمدنژاد: استاد

ارائه دهنده: کیوان فیاضی فرد

93اردیبهشت

فهرست مطالب

تفنگ الکترونی و لنز های •الکترومغناطیس

SEMمقدمه ای بر •

سیستم روبشگر و آشکارسازها•

برهم کنش پرتو الکترونی با نمونه•

سیستم های تصویرسازی و خال•

توسعه نوری های میکروسکوپ محدودیت خاطر به الکترونی های میکروسکوپ . سطح انحنای تغییر با بتوان شاید نوری میکروسکوپ در اند کرده پیدا ) زیاد) مقدار هر به را تصاویر بزگنمائی آنها تعداد و تحدب و تقعر میزان عدسی هاباالی بزرگنمائی های در تصاویر عمال نور، موج طول بودن بلند علت به اما کرد،

2000. می دهند دست از را خود وضوح . از می شود استفاده الکترونی پرتوی از نور بجای الکترونی های میکروسکوپ درمیکروسکوپ در پس باشد، کوتاه بسیار تواند می الکترون موج طول که آنجایی ( میلیون یک حد تا یافت دست باال بسیار بزرگنمائی به توان می الکترونی های

.) الکترونی های میکروسکوپ از بعضی در برابردست به ماده از باال بزرگنمایی با تصاویر میکروسکوپی، های روش از استفاده با . تصاویر تفکیک قدرت نمود مطالعه دقت با را آن جزئیات بتوان تا آید می . عنوان به شود می مشخص استفاده مورد پرتوی نوع به توجه با میکروسکوپی

حدود در تفکیکی قدرت نوری، های میکروسکوپ از استفاده با میکرومتر 1مثال، Pحتی اPلکتروPنی، 200یا های میکروسکوپ از Pاستفاده با و ، STMناPنومتر AFM و

. است دسترسی قابل انگستروم چند تا نانومتر یک حدود در باال وضوح با یونی

بر ای مقدمه و الکترونی های SEMمیکروسکوپ

. است تصویربرداری مختلف های روش افقی و عمودی وضوح ی نشاندهنده که طرحی

آن بPه کPه روبشPی الکPترونی Scanning ElecronمیکروسPکوپMicroscope اختصار به بسیار SEMیا انواع از یکی گویند،

خصوصا که است الکترونی های میکروسکوپ معروف . است کرده پیدا نانو فناوری در بسیاری کاربردهای

و SEMساخت سادگی به را ها نمونه بتوانند محققان تا شد سبب . الکترونی پرتوی با نمونه بمباران کنند مطالعه بیشتر وضوح بابه و خارج هایی فوتون و ها الکترون نمونه از تا شود می سببسیگنال به تبدیل قسمت آن در که شوند رها آشکارسازها سمت

. شوند میبیشتر ی jتلی SEMتوسعه ا چارلز پروفسور توسط

(CharlesOatley )استوارت qری گ همکارش و(GaryStewart )در و رسید انجام به بریتانیا کمبریج دانشگاه در

.1965سال شد بازار ی روانه تجاری صورت به بار اولین برای

روبشی ) الکترونی (SEMمیکروسکوپ

دستگاه یک از امروزی SEMتصویری

و نمونه کنش برهمالکترونی پرتوی

عملکرد است :SEMاصول استوار اصل سه بر

نمونه؛- 1 با الکترونی پرتوی کنش برهمروبشگر- 2 الکترونی پرتوی های مشخصه کنترل و تولید امکان

مغناطیسی؛ و الکتریکی های میدان دردر- 3 نمونه سوی از شده ساطع پرتوهای آشکارسازی امکان

. ورودی الکترونی پرتوی با آن کنش برهم اثر

آنها بین کند، می برخورد نمونه با روبشی الکترونی پرتوی وقتی . پرتوهایی شدن ساطع آن، ی نتیجه دهد می روی برهمکنشو شوند می شناسایی و دریافت آشکارسازها کمک با که است

. سازند می آشکار را ماده مشخصات

نمونه و الکترونی پرتوی برهمکنش

در که مواردی آن خصوصا و ها برهمکنش ترین باشند SEMعمده می مطرح. باشند می االستیکی غیر و االستیکی پراکندگی

است ماده های اتم ورودی، الکترونی پرتو های الکترون برخورد هدف واقع، در . برخورد اثر در باشند می آن اطراف های الکترون و هسته شامل خود کهتغییر آنها حرکت جهت ماده، اتم های الکترون با ورودی الکترونی پرتوی االستیک . با ورودی الکترونی پرتوی اگر گردد می فراهم بعدی برخوردهای امکان و نمودهحالت دو شود، پراکنده غیراالستیکی صورت به و کند برخورد اتم های الکترون

. دارد وجود

ثانویه- 1 الکترون پرتوپرتو- 2 مشخصه xخطوط

اتفاق توانند می هم االستیکی های پراکندگی غیراالستیکی، پراکندگی کنار دراتم،. ی هسته با واکنش در الکترونی پرتوی یک شدید االستیک پراکندگی با بیفتند

از بیش جهت تغییر امکان توان می خوبی پرتوی 90به الکترون مسیر در درجه . به پرتو بازگشت امکان تواند می جهتی تغییر چنین شد متصور را الکترونی . را نمونه داخل از بازگشته های الکترون این سازد فراهم را سطح سمت

بازگشتی« ) های . BSE=Back Scattered Electrons»الکترون نامند ( می

ثانویه« »الکترون آن به که اتم از شده خارج الکترون انرژی   حدود معموال . 50گویند، اینحال با است ولت % 90الکترون

از کمتر انرژی ها الکترون .15این دارند ولت الکترون

ثانویه ) های الکترون نسبی فراوانی ی نشاندهنده که الکترونی اوژه( )Sطیف ،A( )برگشتی .Bو است( الکترون انرژی حسب بر

رفتن دست از به توجه باپراکندگی در انرژیپرتوی غیراالستیکدر ورودی الکترونیالکترون¬های با برخوردالکترون خروج احتمال اتم،حداکثر عمق از ثانویه های

10 . از دارد وجود نانومترپراکندگی در دیگر، سویالکترونی پرتوی االستیکاتم، ی هسته با ورودیرفتن دست از مقدارقابل و ناچیز بسیار انرژی . است پوشی چشمخروج عمق بنابراینبازگشتی های الکترون

حدود در و 2بیشتر . البته باشد می میکرومتردر که داشت خاطر به بایدساطع میزان مورد، دو هرو ثانویه های الکترون شدنانرژی از متأثر بازگشتی،و ورودی الکترونی پرتوی

  است ماده نوع

) الف ) (SEتصویر ب ) .BSEو ذره یک مقطع سطح از

خروج که داشت انتظار توان می پراکندگی، های مکانیزم به توجه باعمق از ثانویه های الکترون های 10پرتوی الکترون پرتوی و نانومتری

عمق از . 2برگشتی به بسته اعداد این البته بیفتد اتفاق میکرومتری . توان می سادگی به است متغیر ماده و ورودی الکترونی پرتوی شرایطو کند می برخورد ماده سطح به ورودی، الکترونی پرتوی که کرد تصور . به قبل ی جمله در عمق و سطح بیان دهد می قرار تأثیر تحت را عمقی

( اندرکنشی حجم یک وجود از حاکی ( interaction volumeوضوحاست.

پرتو ورود ی منطقه در که است شکل گالبی صورت به اندرکنشی حجم. باشد می تصور قابل ماده داخل به

- بستگی ماده و الکترونی پرتوی شرایط به کنش برهم گستردگی و عمقدارد.

اندرکنش حجم

نمونه و الکترونی پرتوی کنش برهم از ناشی مختلف های پدیده نفوذ عمق

. همین به است نیاز خأل محیط به الکترونی میکروسکوپ با کار برایستون داخل اتمسفر محفظه، در نمونه دادن قرار از پس دلیل . وقتی رسد می مناسب خأل به موجود های پمپ کمک به میکروسکوپتوسط و تولید الکترونی پرتوی شد، حاصل موردنیاز خأل که . در شود می متمرکز نمونه روی و باریک لنزهای الکترومغناطیسی

( شود می روبش نمونه روی بر الکترونی پرتوی از( scanحقیقت تا . پرتوی برخورد ی نتیجه در آید دست به اطالعات آن مختلف نقاطتوسط که شوند می تولید مناسب های سیگنال نمونه، با الکترونیموردنظر اطالعات دیگر یا تصویر به نهایت در و دریافت آشکارسازها . یک که یابیم درمی عملکرد، ی خالصه این به توجه با شوند می تبدیل

:SEMمیکروسکوپ است یافته تشکیل زیر اجزای از

روبشی الکترونی میکروسکوپ عملکرد و اجزاء

الکترونی- 1 تفنگلنزهای- 2

الکترومغناطیسی روبش- 3 سیستمآشکارسازها- 4

و) آوری جمع سیستم) سیگنال تقویت

نمایش- 5 سیستمتصویر

خأل- 6 سیستم

روبشی الکترونی میکروسکوپ یک کلی SEMطرح

محل خورد، می رقم الکترونی پرتوی مشخصات که قسمتی اولینالکترونی ) تفنگ یعنی آن، . Electron Gunتولید دیگر،( بیان به است

الکترونی پرتو که است الکترون از پایداری نسبتا منبع الکترونی تفنگ . دسته دو به مکانیزم نظر از الکترونی های تفنگ کند می ساطع را

: شوند می تقسیم

حرارتی- )1 نشر الکترونی های بر( Thermoionic Gunsتفنگ که . شدن گرم با نوع، این در می¬کنند عمل ترمویونی ی پدیده مبنایسطح به آن های الکترون از معینی درصد باال، بسیار دمایی تا تفنگ

کنند؛ ترک را آن سطح توانند می و رسند می انرژی از مشخصیمیدانی- )2 نشر الکترونی های از( Field Emission Gunsتفنگ که

. تفنگ نوع این در کنند می استفاده الکترون تولید جهت تونلی ی پدیدهها الکترون و گیرد می قرار باال بسیار ولتاژ یک تحت سطح الکترونی،تابع انرژی اعمال به نیاز آنکه بدون کنند، ترک را آن سطح توانند می

. بیشتراز بسیار ها فیالمان این تولید قدرت باشد ترمویونی کاری. است ترمویونی های فیالمان

اول الکترونی: SEMجزء تفنگ

می استفاده الکترونی تفنگ عنوان به تجاری فیالمان نوع سهشوند:

سری؛- 1 سنجاق تنگستن فیالمانبراید- )2 هگزا النتانم ؛(LaB6فیالمانیونی- )3 نشر (.FEGفیالمان

اوال که است ای ماده از استفاده ترمویونی، ی پدیده از استفاده در گزینه بهتریندمای تا را خود مکانیکی مشخصات و شکل تا باشد داشته باالیی بسیار ذوب نقطه . دمای در تا باشد داشته پایینی ترمویونی کاری تابع ثانیا، کند حفظ الکترون انتشار . می استفاده تنگستن از دلیل همین به کند الکترون انتشار به شروع کمتری نسبتا

(   باال ذوب نقطه با تنگستن فلزات( )  K3653شود؛ اغلب مشابه کاری تابع Ewوبا ( 4.5برابر تولید های سازه در استفاده برای ماده ترین رایج ولت الکترون

. کاری تابع با النتانم براید هگزا از استفاده صورت در وجود، این با است الکترونبا تا 0.3برابر الکترون تولید قدرت ولت .10الکترون کند می پیدا افزایش برابر

شکل به سری سنجاق تنگستن حدود Vفیالمان آن نوک شعاع و 100شکلستون باالی در الکترون ی کننده تولید کاتد عنوان به که است میکرومتر . حدود الکترون انتشار هنگام در فیالمان کاری دمای شود می نصب میکروسکوپ

K2700. باشد میحد یک به و یابد می افزایش الکترون انتشار جریان فیالمان، جریان افزایش با . مقدار از فیالمان جریان افزایش با که است این پدیده این دلیل رسد می اشباعمیدان گرادیان و یابد می افزایش نیز بایاس ولتاژ الکترون، انتشار برای نیاز موردفیالمان، سمت به ها الکترون بازگشت با و گرفته شدت فیالمان اطراف در منفی

الکترون ) .ibانتشار سازد( می محدود را آن از

تنگستنی فیالمان با های تفنگ

تنگستنی فیالمان الکترونی تفنگ شماتیک الکترون انتشار جریان با فیالمان جریان ی رابطه

بر را کاتد نقش براید هگزا النتانم جنس از کریستالی تک ها، تفنگ نوع این در . طول و مربع میلیمتر یک قطر به مفتولی شکل به کریستال تک این دارد عهده

قطر 1.6 تا آن نوک و تولید متر شکل ) 10سانتی شود می تیز این(. 2میکرون دراز باالتر بسیار فیالمان تبخیر نرخ به الکترون انتشار جریان چگالی نسبت کاتد، نوع

. های فیالمان با کردن کار اینحال با است تنگستنی های مشکالتی LaB6فیالمان با: از عبارتند آنها ترین اصلی که است همراه

حدود- 1 به که باالتر خأل به رسد؛ 10نیاز می تنگستنی های فیالمان کاری خأل برابرترکیب- 2 مستقیم کردن گرم امکان فیالمان. LaB6عدم در که حالیست در این

- می گرم الکتریکی جریان عبور با مستقیما تنگستنی سیم ی رشته تنگستنی، هایشود.

کاتد کردن گرم جهت مختلفی های معروف LaB6روش جمله از که دارد وجودمفتول دادن قرار آن، های روش النتانم LaB6ترین یا گرافیت جنس از ای الیه در

. این سپس کند می عمل فیالمان حرارتی واسط عنوان به نوار این که است براید. شوند می متصل الکتریکی اتصال های پایه به مجموعه

هگزابراید النتانم فیالمان با های تفنگ

( . استخراج آند آند اولین به است شده تعبیه آند دو تفنگ، نوع این درمثبت( ولتاژ جریان V1کننده ی کننده کنترل نقش و گردد می اعمال

. ولتاژ دوم آند به ترتیب، همین به کند می ایفا را می V0انتشار اعمال . است الکترونی پرتوی نهایی انرژی ی کننده تعیین ولتاژ این که شود ) ( جذب گرفتن امکان که شود می طراحی طوری آندها این شکل

. باشد داشته را الکترودها ی روزنه اطراف ناچیز و ضعیف میدان

میدانی نشر های تفنگ

میدانی نشر الکترونی تفنگ از شماتیکی

الکترونی های تفنگ مشخصات

- اپتیک الکترون ستون اجزای ترین تحت SEMاصلی که هستند آن مغناطیسی لنزهای ، . - هیچ اثر تحت ورودی پرتوی ای، شیشه لنزهای خالف بر لنزها، این در کنند می کار خألمیدان از ناشی شود می ایجاد آن در که تغییراتی ی کلیه و گیرد نمی قرار مادی محیط . الکترون تمرکز و جهت تغییر هاست پیچ سیم توسط شده ایجاد الکترومغناطیسی هایها پیچ سیم الکترومغناطیسی های میدان توسط تنها الکترونی های میکروسکوپ در هامشابهتی هیچ و بوده مطلب بهتر درک برای تنها آنها به لنز نام اطالق و گیرد می انجامقابل کامال مشخصات با ها پیچ سیم و ثابت مشخصات با ای شیشه صلب لنزهای بین

. ندارد وجود کنترل

از ای مجموعه شامل تواند می خود یک هر که دارد وجود ستون در لنز نوع دو معموال: . از عبارتند لنزها این باشد لنزها

کننده- 1 متمرکز لنزهاینهایی- 2 لنز

اپتیکی ستون در لنز دو این کاربرد از اصلی افزایش SEMهدف و پرتو قطر کاهش ،ی اولیه مقدار از آن قطر که طوری به است آن ) 25-100تراکم تفنگ در میکرون

کم( بسیار قطر به تا 50الکترونی ( 1آنگستروم ( پیدا کاهش نیاز حسب بر میکرومترکند.

دوم الکترومغناطیسی: SEMجزء لنزهای

کننده متمرکز مغناطیسی لنز مقطع سطح از شماتیکی نهایی لنز از ای ساده شماتیک

به نوبت شد، تولید مناسب قطر با موازی پرتوی یک اینکه از پس . گیرد، می صورت مرحله این در که عملی رسد می روبش ی مرحلهتا است لنزها از شده ساطع پرتوی کردن کج همان یا گرفتن زاویه . روبش این گردد فراهم سطح روبش فرایند انجام امکان ترتیب بدینو گیرد شکل روبش خط یک تا شود می انجام نقطه به نقطه صورت به

. کند می پیدا ادامه خط به خط فرایند این

( روبشPی پیچ سPیم دو از الکPترونی پرتPوی کPردن کج منظPور scanبهcoil )مغناطیسی های میدان اعمال با دو هر که شود می استفاده

می کج مناسب سمت به را الکترونی پرتوی اپتیکی، محور بر عمودکند. می ایجاد را اپتیکی محور با مناسب ی زاویه پیچ، سیم اولین کنند

. گرداند برمی اپتیکی محور سمت به را آن دومی و

سوم روبشگر: SEMجزء سیستم

ای مرحله دو روبش . SEMسیستم

میان از پیچیده بسیار مسیری طی با الکترونی تفنگ در شده تولید الکترونی پرتوی . شود می سازی آماده نهایی لنز و روبشی های پیچ سیم کننده، متمرکز لنزهایو خوب تراکمی توزیع مناسب، قطر دارای نهایتا که است ای گونه به نهایی پرتوی . با و شود می روبش سطح روی پرتو این باشد ای دایره و متقارن االمکان حتیرخ ماده و الکترونی پرتوی متقابل واکنش نمونه، سطح از واحد هر به آن برخورد . به نیاز سازی، تصویر برای گردد می خاصی های پرتو گسیل موجب که دهد می

. است بعدی دو عموما دیجیتال تصویر یک به آنها ی ترجمه و پرتوها این آوری جمع

یک به نیاز ساخت، تصویر شده، آوری جمع پرتو ناچیز مقدار از بتوان اینکه برای . است قوی بسیار ی کننده تقویت

- تورنلی اورهارت با E-Tآشکارساز کار برای بیشتر است، آشکارساز ترین رایج کهنیمه نوع چون آشکارسازهایی دیگر از و شود می استفاده ثانویه های الکترون . شود می استفاده برگشتی های الکترون برای لنزی درون و رابینسون هادی،

کنند، E-Tآشکارساز می عمل کننده تقویت و زن جرقه سیستم مبنای رابینسونبر و - جریان و حفره الکترون های زوج هادی، نیمه آشکارساز عملکرد اساس حالیکه در

. باشد می آنها از حاصل

چهارم آشکارسازها: SEMجزء

- تورنلی اورهارت آشکارساز

در بPرداری تصPویر کاتPدی SEMسیسPتم پرتPوی ی لولPه از اسPتفاده Cathode RayبPرTube) CRT. است( مبتنی

تولید نور های فوتون زن، جرقه به نمونه از شده ساطع الکترونی پرتوی برخورد با . با کرده برخورد الکترونی پرتوی انرژی با ها فوتون از یک هر انرژی شوند می . تقویت داخل به نوری هدایتگر توسط مذکور های فوتون است متناسب آشکارساز ) ( در و شده هدایت دارد قرار دستگاه خأل ی محفظه از خارج در که نوری ی کننده . فوتون مرحله، این از پس شوند می تقویت متعدد مراحل در باالیی شدت با آنجاالکترون پرتوی انرژی با متناسب انرژی نسبت حفظ با شده، تقویت نوری های . کار این شود می الکتریکی سیگنال تولید بخش وارد زن، جرقه به کرده برخورد . تبدیل الکترون به نور مجددا مرحله، این در گیرد می انجام کاتد فوتو یک توسطمشاهده قابل تصویری نقاط ایجاد موجب فسفرسنت، ی صفحه به برخورد با و شده

. گردد می دستگاه نمایش ی صفحه روی بر

روی بر تصویر یک ایجاد :CRTبنابراین دارد عامل دو کنترل و تعیین به نیازالکترونی- 1 پرتوی شدتفسفرسنت- 2 ی صفحه به الکترون برخورد محل

پنجم تصویرسازی: SEMجزء سیستم

پنجم تصویرسازی: SEMجزء سیستم

نمایش های صفحه و ها تلویزیون در استفاده مورد کاتدی پرتوی های لوله شماتیک

خصوص به و الکترونی های سیستم در خأل برقراری به نیاز اصلی علتالکترونی پرتوی و نور ی عمده تفاوت یک از الکترونی های میکروسکوپ . می پراکنده شدت به گازی های محیط در ها الکترون گیرد می نشأتاز کمتر بسیار مشابه، های محیط در نور شدن پراکنده درحالیکه شوند، . آنقدر گازی های محیط در ها الکترون شدن پراکنده شدت است الکترونالکترونی میکروسکوپ در اپتیکی مسیرهای تمام است الزم که است زیاد

از کمتر فشاری . 10-10تا در ها الکترون شدن پراکنده شوند خأل پاسکال. گردد می تصویر وضوح و تفکیک قدرت کاهش باعث نامناسب خأل شرایط

الکترونی های میکروسکوپ در باال خأل ایجاد تجهیزات ترین عمومی از( چرخشی های پمپ خأل( Rotary Pumpروبشی، که هستند مکانیکی

. پمپ سیستم، در نهایی خأل ایجاد منظور به کنند می ایجاد را اولیه( تPوربومولکPولی تPر قPوی هPای پPمپ همPرPاه بPه مPذکPور PانیکیPکPمTurbo

Molecular Pump( )نفوذی های پمپ -Diffusion Pumpیا می( کار بهروند

ششم خأل: SEMجزء سیستم

اعمال با مشهورند، نیز ای پره های پمپ به که چرخشی های پمپپره چرخش با که کنند می کار مرکز از خارج ی پره یک بر روغن فشار . پمپ، این کار ی نتیجه گیرد می انجام هوا ی ساده جابجایی مذکور ی

حدود در ضعیفی خأل . 10-2 ایجاد باشد می تور

چرخشی مکانیکی های پمپ

چرخشی مکانیکی پمپ یک مقطع سطح

ستون زیر در مستقیما نفوذی ی SEMپمپ مرحله و گیرد می قرار . حداکثر دهد می انجام مکانیکی پمپ پشتیبانی به را خأل ایجاد نهایی

نفوذی های پمپ توسط شده ایجاد .10-5 خأل باشد می توراین که می شود استفاده خأل ایجاد در روغن بخار از نفوذی های پمپ در

. شود می محفظه در روغن بخار مقادیر ماندن باقی به منجر امر

نفوذی های پمپ

به در باالیی توانایی زیرا برخوردارند، باالیی اهمیت از ها پمپ نوع ایندر آلودگی رساندن . SEMحداقل هنگامی خصوصا موضوع این دارند

پیدا اهمیت باشد نیاز نمونه در موجود عناصر آنالیز در باالیی دقت که . کند می

آنها باالی قیمت نفوذی، های پمپ به نسبت ها پمپ این محدودیت تنها. باشد می

توربومولکولی های پمپ

پنجم تصویرسازی: SEMجزء سیستم