Microscopica Elettronica a Scansione (SEM)

Microscopica Elettronica a Scansione (SEM)
risoluzione
microscopia ottica (LM)
≈ 200 Å (0.02 µm)
microscopia elettronica (EM)
≈ 2 Å (0.2 10-3µm)
vantaggi SEM:
immagini di campioni massivi
grande profondità di campo
analisi della composizione chimica
TEM ≈ 0.1 nm
SEM ≈ 5 nm
immagini sempre a fuoco
immagini SEM
… ci hanno permesso di osservare nei più
piccoli dettagli il mondo naturale
artiglio della vedova nera (ragno)
guscio di arachide
pulce cervo
pulce dei gatti
microscopi elettronici a confronto
TEM
1934 Ruska e Knoll
1938 prodotto dalla
Siemens
richiede
grande perizia tecnica
per acquisizione e
interpretazione
immagini
necessaria
preparazione specifica
dei campioni
SEM
1942 Zwarkin
1965 prodotto dalla Cambridge
Scientific Instruments
semplice da usare
immagini facilmente
interpretabili
permette
analisi di campioni
massivi
microanalisi
identificazione degli
elementi costituenti
microscopi elettronici a confronto
dimensioni reali
SEM
TEM
Microscopio a Scansione Elettronica (SEM)
caratteristiche del SEM
sistema di scansione del
campione con il fascio elettronico*
rivelatori specifici
comunemente di tre tipi differenti
formazione
dell immagine su tubo
a raggi catodici *
dopo amplificazione
* la scansione del campione è
sincronizzata con la scansione
sullo schermo del tubo
rivelatori
camera porta campione
interazione elettroni-materia
Ein,ϕin
SCATTERING
diffusione
Elastico ΔE ~ 0
Anelastico ΔE < 0
θ > 90°
elettroni che
non attraversano
il campione
θ < 90°
elettroni che
attraversano il
campione
(SEM)
centro
diffusore
θ
Eout ,ϕout
(TEM)
Microscopia Elettronica a Scansione
e- primari
e- retrodiffusi
(BE)
e-
e- secondari (SE)
Auger
campione massivo
raggi X caratteristici (EDS)
e continuo
volume di
interazione
segnali comunemente analizzati al SEM
BE = back scattered electrons
SE = secondary elctrons
interazione anelastica (ΔE < 0)
elettroni di legame espulsi dal nucleo
e- secondari
(SE)
SE
elettroni di
bassa energia
(0-200eV)
BE
elettroni di
alta energia
(1-50 KeV)
e- retrodiffusi
(BE)
interazione elastica (ΔE ~ 0)
attrazione elettrostatica e-/nuclei
raggi X
caratteristici
emissione di un fotone dovuta
all’espulsone di elettroni secondari
interazione elettroni-materia
interazione anelastica (ΔE < 0)
elettroni e fotoni emessi
e- secondari (SE)
e- primari
deviati
e- primari
un e- del guscio esterno
occupa la vacanza nel
livello a minore energia
possibili fenomeni di
rilassamento energetico
raggi X
caratteristici
l energia rilassata viene
acquistata da un elettrone
del guscio esterno che è
espulso dall atomo
e- Auger
(50-3000 eV)
l energia rilassata viene
emessa sotto forma di
radiazione elettromagnetica
(raggi X)
un e- espulso
dal livello L
un e- espulso
dal livello K
un e- dal livello
L decade nel K
emissione raggi X
(livello L al K)
due e- dal livello M
decadono nel L
emissione raggi X
(livello M al L)
emissione e- Auger più
probabile per atomi leggeri
(minori forze internucleari)
elettroni di bassa energia
rappresentano solo gli strati
più superficiali
dall energia degli e- Auger
emessi si ricava la composizione
chimica della superficie
SAM = Scannig Auger Microscopy
(immagini chimiche ad alta risoluzione delle superfici)
e- retrodiffusi ad alta energia
e- secondari a bassa energia
rivelatore BE
caricato negativamente
(basso voltaggio)
respinge gli e- secondari
ma non riesce a deviare
gli e retrodiffusi che sono catturati
(D) rivelatore BE
anulare al fascio primario
(C) rivelatore SE
disposto lateralmente
rivelatore SE
caricato positivamente
(basso voltaggio)
attrae gli e- secondari
ma non riesce a
catturare gli e- retrodiffusi
elettroni secondari
e- a bassa energia
(max 200 eV)
rivelatore SE
rivelatore disposto
lateralmente
gli elettroni retrodiffusi ad
alti angoli riescono a
raggiungere il rivelatore
energia ottimale del raggio primario*
immagini da e- secondari
(SEI)
il numero di e- secondari prodotti dipende
  dalle specie atomiche della superficie
  dall inclinazione della superficie
il contrasto dipende dalla morfologia
(rilievi) della superficie del campione
(risoluzione 2-10 nm)
* a basso voltaggio la risoluzione migliora
SEI: dalle superfici di frattura agli… insetti
elettroni retrodiffusi
rivelatore BE
e- ad alta energia
comparabile agli e- incidenti (1-50 KeV)
rivelatore disposto ad
anulare intorno al fascio primario
intensità BE
numero di elettroni retrodiffusi
proporzionale al numero atomico Z
(densità elettronica)
le fasi contenenti elementi a
numero atomico maggiore
sono più luminose
numero atomico Z
immagini da e- retrodiffusi
(BEI)
danno informazioni sulla
morfologia dei domini a
diversa costituzione chimica
distribuzione delle fasi sulla
superficie del materiale
risoluzione diminuisce all aumentare della
penetrazione del fascio incidente nel materiale
volume di interazione
aumentando l energia degli eincidenti il fascio diminuisce di
diametro (*)
ma aumenta la penetrazione
effetto pera
 BE subiscono scattering in uscita e diminuiscono di numero
 SE prodotti anche in zone fuori dal fascio primario (SE tipo II)
(*) minimo
diametro
del fascio
migliore
risoluzione
simulazioni di penetrazione in
materiali per coating
diminuisce
la
risoluzione
e il
contrasto
delle
immagini
carbonio
elettroni a bassa energia (Auger, SE) non
riescono ad emergere dall interno del campione
rame
oro
risoluzione spaziale e volume di interazione
il volume di penetrazione
diminuisce al diminuire del
diametro del fascio incidente
il volume di penetrazione
aumenta all aumentare
dell energia del fascio incidente
contrasto delle immagini da elettroni secondari (SEI)
gli e- secondari sono sensibili alla topografia delle superfici
posizione del
rivelatore SE
SE prodotti in una cavità (A) vengono
assorbiti dalle pareti della cavità
SE prodotti da una zona emergente (B)
dalla superficie arrivano al rivelatore
differenti topografie della superficie
tiltando il campione rispetto alla
sorgente si ottengono
ombreggiature che
descrivono la topografia del
campione
posizione del
rivelatore SE
SEI
effetto del tilting del campione
superfici di circuiti
preparazione dei campioni
problemi nell analisi dei materiali polimerici:
  scarsa conducibilità dei campioni
  facilmente danneggiabili dagli elettroni ad alta energia
entrambi risolti con
elettroni a bassa energia
problema conducibilità
su superfici non conduttive si
determinano accumuli di carica locali che
interagiscono con il fascio incidente
C forma film sottili (1-2 nm)
ma produce pochi SE
preferito per analisi in raggi X
problema danneggiamenti
si minimizza il tempo di esposizione
dei campioni al raggio primario
ricoperti da elementi
conduttivi (Au, Au/Pd, Pt, C)*
Au è facilmente evaporabile e da molti SE
ma forma film continui solo se spessi (20 nm)
si perdono i dettagli delle superfici
il coating risolve in parte anche i
problemi di danneggiamento
* il coating con metalli migliora il segnale degli SE (alti Z)
danneggiamenti da elettroni ad alta energia
immagine TEM
struttura dendridica di una frattura
dovuta a scariche elettriche in un
cavo isolante di polietilene
zone danneggiate da una
precedente analisi SEM
evidente la scansione del raggio elettronico
SEI
con elettroni a bassa energia
immagini SEM della mosca del vino
insetto non ricoperto
immagine fortemente contrastata
ottenuta con elettroni a bassa energia
….. anche la colla è importante
a)  alto voltaggio, zero tilting
b)  basso voltaggio, tilting a 45°
in (b) si nota il buon incollaggio
particelle di toner per stampanti laser
il fuoco nella microscopia elettronica a scansione
la risoluzione e la profondità di fuoco/campo dipendono dalla dimensione del fascio incidente
grande
profondità
di fuoco
fasci stretti aumentano risoluzione e profondità di fuoco/campo
agendo sull apertura dell obiettivo e sulla distanza obiettivo-campione
è possibile massimizzare la profondità di campo/fuoco
 apertura dell obiettivo minore
 distanza dall obiettivo maggiore
SEI di spire della resistenza
di una lampadina a bulbo
SEI
profondità di campo/fuoco
delle immagini SEM
fibre di poliossimetilene (tessuto non-tessuto)
è possibile vedere le fibre interne del campione di tessuto
immagini SEM
da elettroni secondari
superficie di frattura di un
campione di polistirene atattico
le fratture in polimeri vetrosi
sono solitamente precedute da
formazione di craze
tilted 0°
craze in
campioni
stirati
la presenza di craze è meglio
evidenziata nell immagine tiltata
tilted 45°
immagini SEM
da elettroni secondari
superficie di frattura di un campione di
polipropilene caricato con fibre di vetro
nei compositi termoplastici con
fibre di vetro ottenuti per injection
moulding l orientazione delle
fibre influenza fortemente le
proprietà del manufatto
l analisi della SEI permette
una valutazione qualitativa
dell orientazione delle fibre
le zone vuote dimostrano scarsa
adesione delle fibre al polimero
immagini SEM
da elettroni secondari
campione di
polistirene espanso
materiali espansi
presentano strutture
cellulari interne
guscio di arachide
una struttura analoga si ritrova
nel guscio dell arachide
strutture cellulari permettono
grande leggerezza insieme ad una
elevata resistenza all impatto
immagini SEM
da elettroni retrodiffusi (BEI)
ammontare di BE dipende da:
numero atomico (Z), topologia
della superficie, cristallinità…
A
B
informazioni topologiche e di
composizione possono essere
opportunamente separate
A+B = informazioni sulla composizione
A-B = informazioni sulla topologia
BE danno risoluzione minore di SE
regione che genera BE è maggiore
(effetto pera)
immagini SEM
da elettroni retrodiffusi (BEI)
immagini XEDS
A-B
informazioni
topologiche
A+B
informazioni sulla
composizione
chimica
immagini SEM
da elettroni retrodiffusi (BEI)
lega di alluminio
immagine XEDS
A+B
informazioni sulla
composizione chimica
immagini SEM
da elettroni retrodiffusi (BEI)
pellicola pittorica a cinabro stesa al di sopra
di pellicola pittorica a ocra rossa (ematite)
il cinabro, più brillante e costoso, è
stato dato sopra un fondo di ematite
BEI
il cinabro appare più chiaro perché
contiene Hg (Z=80) che ha un elevato
numero di elettroni
rivelatore raggi X
XEDS
X-ray Energy Dispersive Spectroscopy
riconosce I raggi X caratteristici
dì singoli elementi
limite di rivelabilità 2000 ppm (0.2%)
esempio di analisi puntuale
immagini SEM
da elettroni secondari
film di s-PS dopo etching
cosa sono
questi
oggetti??
fine
microscopia elettronica a scansione
SEM