Monosti klasickej transmisnej elektrnovej mikroskopie TEM a CTEM - obmedzenia a monostiPrprava vzorieko je TEMPrincp metdyZkladn technikyPrklad, kde je TEM nenahraditen

Autor: Alica Rosov, Elektrotechnick stav SAV, Bratislava

Klasick transmisn elektrnov mikroskopia (CTEM, TEM)TEM umouje zobrazenie a analza OBJEMU vzorky na LOKLNEJ rovni

Klasick TEM dnes bene dosahuje zvenia do 500 000-krt s rozlenm pod 1 nm.Pomocou vysokorozliovacieho mikroskopu (HREM ) mono dosiahnu rozlenie na atomrnej rovni. Pod skratkou CTEM sa okrem nzvu Classic TEM asto ukrva aj nzov Cryogenic TEM, o je klasick TEM s pouitm driaka vzoriek chladenho najastejie tekutm duskom.

Vhody a nevhody TEMje to priame pozorovanie objemu, ako jedin metda umouje zisti Burgersov vektor dislokcieumouje v jednom experimente uri morfolgiu (obraz) i truktru ltky (difrakcia)vzhadom na rozlenie vhodn na nano-materily (napr. ltky, ktor sa zdaj by amorfn z rtg difrakcie, nemusia by... )

metda je detruktvnatreba pripravi tenk fliu priesvitn pre urchlen elektrnyprstroj i jeho prevdzka s drahkvalita zskanej informcie vemi zvis od kvality prpravy tenkej flie

Prprava tenkch fli pre TEM Homognne vzorky sa pripravuj chemickm leptanm, chemicky s prdom tekutiny, elektrochemickm leptanm, mechanicky microtomy - rezanm a tiepanm, drvenm, krabanm..........

Prprava vzorky pre TEM pomocou FIBhttp://en.wikipedia.org/wiki/Focused_ion_beamZa nzvom Focused Ion Beam sa ukrva technika tvarovania vzorky pomocou odpraovania materilu vemi tenkm lom urchlench inov. L je vychyovan podobne ako v skenovacom mikroskope alebo klasickej obrazovke televzora. Naprogramovanm jeho cesty sa d vylepta truktra ako na obrzku, kde v strede vzorky (na mieste, kde sa nachdza zaujmav miesto, ktor chceme pozorova v TEM) zostala flia tenk 300 nm. Metda je vhodn hlavne pre vzorky s kombinciou materilov, ktor maj vek rozdiely v rchlosti odpraovania alebo chemickho leptania, pre provit materily a komplikovan truktry s nanometrovmi rozmermi, ktor sa ako lokalizuj pri klasickej prprave.

TEM pracuje analogicky ako sveteln mikro-skop na priesvit. Prd urchlench elektrnov elektrnov l je usmerovan elektromagnetick-mi oovkami podobne ako sveteln l skle-nenmi optickmi oovkami. o je TEM ?Preostrenm ooviek mono vidie striedavo obraz priamej mrieky (analg ku obrazu v optickom mikroskope ) alebo obraz reciprokej mrieky (difrakn zznam analogick s rentgenovou alebo neutrnovou difrakciou )

Zkladn informcia dosiahnuten z TEMZobrazenie reciprokej mriekyElektrnov difrakcia (SAD,SAED )truktra, orientcia, usporiadanie...Zobrazenie priamej mriekyMorfolgia, umiestnenie, charakter poruchy...

Princp metdy interakcia urchlench elektrnov s ltkou2d sin = nElektrnov l prechdza tenkou vzorkou a interaguje s periodicky usporiadanm atmami ltky. Jav sa d popsa ako interferencia vlnenia s vlnovou dkou pri prechode mriekou so vzdialenosou rovn d pod uhlom dopadu a vyplva z neho , e dopadajci l je ltkou odklonen do smerov, kde je splnen Bragova podmienka:

Elektrnov difrakciaReciprok mrieka, Ewaldova kontrukciaEwaldova kontrukcia sa pouva pre svoju nzornos a jednoduchos. Pomha analyzova elektrnov difrakn zznamy. Doteraz sme uvaovali body reciprokej mrieky iba ako koncov body vektora. Relne rozmery bodu reciprokho priestoru zvisia od:- tvaru pozorovanej oblasti, - napt v mrieke, - orientcie domn...Reciprok mrieka monokrytlu je sborom diskrtnych bodov. Difrakn zznam je vsledkom rezu reciprokej mrieky povrchom gule s polomerom 1/ ( je vlnov dka pouitho la, pri elektrnovej mikroskopii je podstatne menia ako vlnov dka rentgenovho iarenia).

Polykrytalick materilyPrednostn orientcia - textraAg/Ni multivrstvy s rznym stupom prednostnej orientcie krytlovModel reciprokej mrieky polykrytalickho meterilu s prednostou orientciou v smere [uvw].Reciprok mrieka polykrytalickej ltky bez prednostnej orientcie je sborom guovch povrchov elektrnov difrakcia je rezom reciprokej mrieky vsledkom je sbor sstrednch krunc vo vetkch smeroch rezov.

Informcia o tvare bodu reciprokej mriekyEpitaxn vrstva CeO2 na Al2O3 pozostva z blokov orientovanho CeO2. Bloky s mierne vzjomne natoen, zniuj tak naptie vyplvajce z vekho mrieko-vho neprispsobenia medzi vrstvou a substrtom (misfit 13,7%). Natoenie blokov sa na difrakcii prejav pretiahnutm difraknch bodov do oblikov. Rozorientcia mozaikovch blokov

Informcia z jemnej truktry SAEDMonokrytl YBa2Cu3O7-, je zloen z domn v tvare lamiel, ktorch mrieky s navzjom jemne natoen o uhol vyplvajci zo symetrie krytalografickej mrieky ortorombickej fzy a smeru dvojaovch hranc a . Uhol natoenia odra difrakcia je to uhol medzi zdanlivo zdvojenmi bodmi 110A (od mrieky lamiel A ) a 110B (od mrieky lamiel B) reciprokej mrieky.

(110)

Pretiahnut jemne difzne body na elektrnovej difrakcii (oznaen pkou) indikuj prtomnos malch domn vo vnutri dvojaovch lamiel, ktor vznikli stratou kyslka v pvodne dobre naoxidovanom krytle. Kyslkov vakancie (przdne miesta) sa prirodzene usporiadvaj tak, e v rovinch O4-O5 (vyfarben) sa striedaj reazce kyslkovch vakanci O5-O5 s reazcami kyslkovch atmov O5-O5. Usporiadanm (ordering) kyslkovch atmov tak vznikne fza s dvojnsobnm mriekovm parametrom v smere [100]. Informcia z jemnej truktry SAED

Informcia o symetrii mrieky

symetria rezov reciprokej mrieky minimlne 3 nezvisl smery ved k rekontrukcii reciprokej mrieky (pri zloitejch mriekach treba pre definovanie pozci bodov reciprokej mriey viac rezov ) Kikuchiho iary a psy s dsledkom neelastickej interakcie elektrnov s materilom. as elektrnov pri nej strca mal mnostvo energie a pri nslednej elastickej interakcii vytvraju v pozad elektrnovej difrakcie skupinu tmavch a svetlejch psov, ktor reaguj ovea jemnejie na zmenu orientcie vzorky ako difrakn zznam; d sa z nich zska informcia o odchlke od Braggovej difraknej podmienky (potrebn napr. pre analzu kontrastu)Difrakn zznam (SAED ) monokrytlu Si z hrubej asti stenenej flie [Whelan in: P.B.Hirsch et al. Electron Microscopy of Thin Crystals 1965] Orientcia [001] Si

Convergent Beam Electron Diffraction (CBED)Pre tto techniku je nevyhnut monos zska v TEM silne konvergentn elektrnov l (10-2 rad). Mikroskop po preladen do CBED mdu

Presnejie odra symetriu mrieky (trukturlna analza, fzov prechody... ) Presnejie meranie mriekovch parametrov Citlivo odra naptia v mrieke a jej deformciu Umouje mera aj na malch objemoch (precipitty, okolie porch... ) umouje skmanie vntornej truktry difraknch bodov/diskov.

[R. Vincent, J. Electron. Microsc. Tech. 13 (1989) 40.]

Kontrast v zobrazen priamej mriekyDIFRAKN vznik pouitm jednho vybranho la prechdzjceho bez difrakcie alebo difraktovanho a eliminciou ostatnch lovFZOV vznik pouitm viacerch lov a ich rekombinciou (interferenciou )RuO2/SiO2/SiCeO2/Al2O3(Moir kontrast)Fialov krunica oznauje vekos pouitej objektvovej clony. Obraz je tvoren lmi vo vntri kruhu.

plane-view TEMSvetl pole - Bright Field (BF)Tmav pole - Dark Field (DF) DIFRAKN KONTRAST - technika svetlho a tmavho poa SrRuO3/SiO2/Si nanokrytalick tenk vrstva s vkenmi vmi a menmi zrnami toho istho materiluPri technike svetlho poa je obraz tvoren neodklonenm lom elektrnov. Tie asti ltky, ktor spaj Braggovu podmienku, l na nich difraktuje a je odklonen clonou (erven), s tmav. Kee relny bod reciprokej mrieky m urit vekos, tvar a intenzitu, odchlka od presnej Braggovej podmienky uruje intenzitu stmavnutia (okrem inch faktorov). Obraz je tvoren jednm lom difraktovanm na rovinch (hkl) krytlu. Prejde cez clonu (zelen) a na obraze s svetl asti tie, ktor spaj Braggovu podmienku pri danej orientcii vzorky.

DIFRAKN KONTRAST - technika svetlho a tmavho poaVrstevn porucha (stacking fault) zliatina Cu+7%Al [Hashimoto et al in P.B.Hirsch et al. Electron Microscopy of Thin Crystals 1965] BFDFPorovnanie rozloenia kontrastu pri zobrazen v tmavom a svetlom poli pome (pomocou vypotanch simulci) uri charakter defektu.

DIFRAKN KONTRAST- zobrazenie defektov - dislokcieDislokcie v monokrytle Si[Booker in P.B.Hirsch et al. Electron Microscopy of Thin Crystals 1965] Sie misfit dislokci na rozhran monokrytalickch vrstiev zlato a paldium[J. W. Matthews in:Single-Crystal Films, Ed. M. H. Francombe and H. Sato, 1964]

FZOV KONTRAST Elektrnov mikroskopia s vysokm rozlenm (HREM)CeO2/Al2O3Moir kontrastZskan informcia zvis od potu a polohy vybranch lov a od rozliovacej schopnosti mikroskopu

Moir kontrastCeO2/Al2O3 Vznik pri prekryve dvoch periodickch mrieok s rozorientciou alebo mriekovm neprispsobenm Znsobuje a vizualizuje rozorientciu dvoch krytlov na uloench nad sebou. Vizualizuje prtomnos dislokci (pozor! Nezobrazuje priamo dislokciu vi. (b ) na schme)

Transmisn elektrnov mikroskopia s vysokm rozlenm (HREM)CeO2/Al2O3 misfit 13,68%HREM sce tvor samostatn metdu a vyaduje vyie rozlenie ako u klasickch TEM prstrojov, ale samotn zobrazenie periodicity mrieky je vlastne klasickou technikou zskavania fzovho kontrastu. Pri tom type zobrazenia ako na obrzku periodicita obrazu odpoved periodicky sa opakujcim stpcom atmov v krytle.

FZOV KONTRAST100 a 010 orientovan tenk vrstva YBa2Cu3O7-Ako sa d zskat obraz periodicity mrieky bez monosti vysokho rozlenia? Niie rozlenie klasickho mikroskopu umonilo zobrazi kontrast od interferen-cie bodov vybranch clonou (oznaench fialovm krkom) z difrakcie tenkej vrstvy YBa2Cu3O7-y. S to le difraktovan na rovinch (001), ktor maj vzdialenost 1,17 nm. Preto vidme obraz periodicity (001) rovn lattice fringes Keby sme pouili vysok rozlenie, mohli by sme vybra le zelenou clonou a dostali by sme zloitej HREM obrzok.

Orientovan vrstva je zloen z 100 alebo 010 orientovanch domn, tak ich (001) roviny s na seba navzjom kolm.

Kde je TEM nenahraditen - epitaxia v polykrytalickch materiloch Trojvrstva RuO2/TiO2/RuO2 na Si: Kee RuO2 rastie na Si bez prednostnej orientcie, spodn RuO2 vrstva je nhodne orientovan vo vetkch smeroch. Pri raste TiO2 na RuO2 a nsledne pri raste vrchnej RuO2 vrstvy na TiO2 sa vaka rovnakej mrieke (P42/mmm) a malmu rozdielu mriekovch parametrov (aRuO2=0.4499nm, cRuO2=0.3107nm; aTiO2=0.4593nm, cTiO2=0.2959nm) uplatuje pri vhodnch podmienkach epitaxn rast. Klasicky pouvan rtg difrakcia v konfigurcii Brag-Brentano (-2) uke zznam netexturovanej polykrytalickej vrstvy. Monos TEM lokalizova miesto aj s orientciou krytlu v jednom experimente doke loklnu epitaxiu a vznik epitaxne rastench stpcov v inak netexturovanej polykrytalickej trojvrstve.

RuO2/TiO2/RuO2- epitaxia v polykrytalickch materilochPlane-view Pri pozorovan trojvrstvy v orientcii plane-view(pohad zhora) difrakcia m charakter polykrytalickej netexturovanej vzorky, ibae pri detailnom skman difraknho zznamu vidie, e body odpovedajce RuO2 a TiO2 s sprovan. Takto sprovanie bodov by mohlo by pozorovan aj pri textrnych meraniach pomocou RTG difrakcie, avak bez priameho prepojenia na lokalizciu jednotlivch zn.

Svetl polePodad zboku (cross-section) uke stpekov rast trojvrstvy. Pri detailnom pohade vidie, e difrakn body s zdvojen z prspevkov od RuO2 a TiO2 zrna epitaxne narastenho na RuO2 zrne prvej vrstvy v jednom stpci. Cross-sectionDetailn pohad na vybran difrakn bod

Doplujca literatra:

http://en.wikipedia.org/wiki/Transmission_electron_microscopyhttp://www.msm.cam.ac.uk/doitpoms/tlplib/tem/tem.phphttp://www.rodenburg.org/ P. B. Hirsch et al.: Electron Microscopy of Thin Crystals, Butterworths, London, 1965.J. W. Edington: Practical Electron Microscopy in Materials Science. Philips, Eindhoven, 1975.D. B. Williams and C. B. Carter: Transmission Electron Microscopy, Springer Science 1996.