Fachgebiet 3D-Nanostrukturierung, Institut für Physik

Contact: yong.lei@tu-ilmenau.de fabian.grote@tu-ilmenau.de

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Vorlesung: Mittwochs (U), 9 – 10:30, C 108 Übung: Mittwochs (G), 9 – 10:30, C 108

Yong Lei, Fabian Grote

Techniken der Oberflächenphysik (Technique of Surface Physics)

Electron microscopy • SEM – Scanning Electron Microscopy

REM – Rasterelektronenmikroskopie • TEM – Transmission Electron Microscopy

Why Electron microscopy?

Resolution limit (d) after Abbe:

𝑑 = λ2𝑛 sin 𝛼

λ: Wave length n: refraction index 𝛼: aperture angle of lens dmax: approx. 200 nm

Why Electron microscopy?

Kinetic energy of electrons De Broglie equation

𝐸 = 1/2𝑚𝑣

𝞴 = ℎ/𝑝

𝞴 = ℎ/ 2𝐸𝑚

Resolution of TEM, REM, RTM/AFM in comparison– Stand 1993/2008

REM/SEM

SEM

SEM Hitachi S4800 im Feynmanbau

Electron gun

Vacuum lock Sample/Chamber

Lens system

SEM

Difference to ordinary light microscope • Higher magnification due to the use of electrons

compared to photons • Higher field depth (Schärfentiefe) due to scanning

principle • Only black and white images Application: Images of surfaces, nanostructures, material composition

SEM

Course of electron beam in a SEM

Vacuum 1. Rotary pump for

vacuum lock: 10-3 mbar

2. Turbo molecular pump for chamber: 10-5mbar

3. Ion getter pump for electron gun: 10-7 mbar

Cathodes for electron microscopy

Thermisch Schottky Emitter

Feldemission (FE)

Wolfram LaB6 Zirkon-Wolfram

Wolfram

Helligkeit [Acm-2sr V]

1-10 10-100 1000-10000 1000-10000

Energiebreite [eV]

0,6-1,5 0,4-1,5 0,5-1,5 0,25 (kalt) 0,5 (1200 K)

Stromstabilität [%]

1 0,4 1 3 (kalt) 10 (warm)

Durchmesser der Quelle [nm]

20000 10000 20 - 50 2 - 10

Wehnelt- spannung (z.B. -30,5 kV)

Wehnelt

Filament Heizung

Kathoden- spannung (z.B. -30 kV)

Anode (0V)

"Crossover"

Estimation of the electric field in a FE-Cathode

∆𝑥 =   𝝓 𝜀 = 𝝓∆

𝜖~10  − 10 𝑉/𝑚 • Classically: no electron current • quantum mechanically: emission of electrons due to tunneling effect • Current density of field emission according to Fowler-Nordheim-

equation

Primärstrahl 3 - 1000 nm Durchmesser E0 = 3 - 30 kV

Sekundärelektronen max. Tiefe 50 nm max. Energie 50 eV

Rückstreuelektronen max. Tiefe 200 nm max. Energie E0

Röntgenstrahlung Tiefe 500 nm - 10 µm

Interaction of electrons with a bulk material in SEM

• Back scattered electrons (BSE) SEM

• Secondary electrons (SE) SEM

• Fluorescent X-ray radiation EDX

Energy distribution of electrons from sample

50 eV E o

I n t e

n s i t ä

t

Energie

Element mit hoher Ordnungszahl

Element mit kleiner Ordnungszahll

Augerelektronen

Signal detection

BSE detector

Back scattered electrons

Material contrast

Everharth-Thornley-Detector

Secondary electrons

Surface sensitive technique

chamber

sample

SE - Everharth-Thornley-Detector

Simulation under following link http://www.materials.ac.uk/elearning/matter/IntroductionToElectronMicroscopes/SEM/everhart.html

Er besteht aus einer Kombination eines Szintillators und eines Photomultipliers. Im Szintillator (Plastikszintillator) erzeugen die Elektronen Photonen aufgrund von Kathodolumineszenz (10-15 Photonen pro 10 keV-Elektron, der Großteil der Elektronenenergie wird in Wärme umgewandelt). Der Szintillatorkopf ist von einem Kollektor mit einem Gitter, dessen Potential sich von -200 V bis +200 V variieren lässt umgeben. Befindet sich das Gitter auf positivem Potential werden die SE angezogen und gesammelt. Bei negativem Potential (<-50 V) können keine SE das Gitter überwinden, nur die energiereicheren RE können dann den Szintillator erreichen. Die Szintillatoroberfläche ist mit einer 50-100 nm dicken Schicht Aluminium bedampft und befindet sich auf einem Potential von 10 kV ist. Die SE, die das Kollektorgitter passiert haben, werden folglich auf den Szintillator beschleunigt, durchdringen die Metallschicht und erzeugen ca. 3000 Elektron-Loch-Paare, von denen ca. 1-3 % an Lumineszenzzentren zu Photonen rekombinieren. Ein Teil der Photonen wird aufgrund von Totalreflexion entlang des Lichtleiters (Plexiglas, Quarzglas) zur Photokathode des Photomultipliers geführt, wo sie mit einer Ausbeute von 5-20 % Photoelektronen auslösen (Anmerkung: Pro auf den Szintillator treffendes SE werden nur ca. 1-10 Photoelektronen erzeugt. Diese relativ kleine Konversionsrate zeigt jedoch ein außerordentlich geringes Rauschen). Die Photoelektronen werden anschließend auf die erste Dynode (ca. +100 V) beschleunigt wo sie Sekundärelektronen auslösen, die über weitere Dynoden lawinenartig verstärkt werden. Durch Verändern der Photomultiplier-Spannung kann die Verstärkung über mehrere Größenordnungen variiert werden.

BSE - Detector • Electrons with energy higher than 50 eV • Resolution depends on acceleration voltage and atomic

number of the material Advantage of dependence of atomic number • Material contrast

grey shades (Graustufen) indicate different materials

Contrast in BSE

Cross-section BSE image, showing pore opening, pore wall, and SnO2 layer. Al2O3 membrane and SnO2 show different contrast. Tin dioxide is brighter compared to Al2O3 because of higher z-value

Cross-section SE-SEM image, showing UTAM filled with SnO2. The present of two different materials can not be observed clearly. BSE detection proves the existance of 2 materials.

Bild – Abhängigkeit von Beschleunigungsspannung und Probenstrom Stapel Bariumglas – Nickel – Platin – Aluminiumoxid - Kohlenstoffbeschichtet 1 kV 5 µA 1 kV 20 µA 6 kV 5 µA 15 kV 10 µA 30 kV 10 µA 30 kV 25 µA

Shading effect

SE-Elektronen BSE-Elektronen

S i g

n a l

S i g

n a l

Schattenraum Schattenraum Kollektor/ Detektor

Effect on Edges

• More electrons are emitted on edges compared to planar structures

Edges appear especially bright

Schärfentiefe (Fokusbereich für scharfes Bild) Die mit am bedeutungsvollste Eigenschaft eines REM. Abhängig von Strahlkonvergenz und Vergrößerung für großen Sichtbereich schmalen Strahl kleine Strahlkonvergenz großer Arbeitsabstand Näherungsformel

Vergrößerung 1000x Lichtmikroskop D = 0.8 µm REM D = 50 µm

MmmrD

2.02

Diagramm zur Bestimmung der Schärfentiefe im REM

Field depth - Schärfentiefe Light microscope: large aperture to gain high magnification SEM: wave length very small (approx. 0.04 nm at 1 kV) With small aperture (e.g. 50 µm) and large working distance (10 mm) it is still possible to gain a theoretical resolution of D < 1 nm.

Low aperture in SEM leads to low circle of confusion (Zerstreuungskreis) of objects, which are not in focus High field depth (Schärfentiefe) in SEM.

Tiefenschärfe, Auflösung und förderliche Vergrößerung

Förderliche Vergrößerung

Punktauflösung X 10 µm

102

10

0,1

1

1 µm 0,1 µm 10 nm 104

103

20 100 1000 10000 40000

T i e f

e n s c

h ä r f

e [

m ]

Rasterelektro- nenmikroskop

Licht- mikroskop

EDX - Detector

• Prinzip des EDX: Röntgenstrahlung wird im Detektorkristall, einer in Sperrrichtung gepolten Diode, in elektrische Ladung umgewandelt; diese ist der Energie der Röntgenstrahlung proportional. Im Feldeffekttransistor wird die Ladung anschließend in Spannung umgewandelt und verstärkt. Um ein möglichst rauscharmes Signal zu erhalten, werden Kristall und Transistor mit flüssigem Stickstoff gekühlt. Aus dem stufenförmigen Ausgangssignal erzeugt der Impulsprozessor Spannungsimpulse. Jedem Impuls wird durch den AD-Wandler je nach Höhe ein digitaler Wert zugeordnet und dieser in den entsprechenden Kanal eines Vielkanal-Analysators sortiert. Auf dem Monitor stellt die Zahl der Impulse pro Kanal das Röntgenspektrum dar.

• X-ray is transformed into electric charge in a reversed diode

• Created charge is proportional to the energy of the x-ray

• FET transfers charge into voltage and amplifies it • Detector is cooled by liquid nitrogen to reduce noise

EDX-Anregungsbereich

Al- Substrat 30 kV

Pt- Substrat 30 kV

500 nm Al- Schicht auf Pt – Substrat 30 kV

500 nm Pt- Schicht auf Al – Substrat 30 kV

Sample preparation

• Sample need to be electrically conductive • Sample with low conductivity need to be coated with a thin

film (< 10 nm) of a conductive material (e.g. gold or carbon) • It should be noted, that gold is not a good choice if BSE or EDX

measurement are done (high atomic number (z-value))

TEM

Philips TECNAI in Feynmanbau

Electron gun

Vacuum lock

Sample/Chamber

lens system

CCD camera/ fluorescent screen

Schematic cross section of TEM

Interaction of electrons with material in TEM • durchdringende Elektronen

TEM • Energieverlust durchdringender

Elektronen EELS • Elektronenbeugung • Rückgestreute Elektronen (BSE) SEM

• Sekundärelektronen (SE) SEM • Augerelektronen AES • Röntgenfluoreszenzstrahlung

EDX, WDX •Jede Detektionsmöglichkeit kann ein neues Verfahren ergeben!

Dicke Probe

Kohärent einfallender

Elektronenstrahl Inkohärent

elastisch rückgestreute Elektronen

Anregungs- bereich

Sekundär- Elektronen

Auger- Elektronen

Röntgen- strahlen

Dünne Probe (~100 nm)

Kohärent einfallender

Elektronenstrahl Inkohärent

elastisch rückgestreute Elektronen

Inkohärent inelastisch vorwärtsgestreute Elektronen

Inkohärent elastisch vorwärtsgestreute Elektronen

Kohärent elastisch vorwärtsgestreute Elektronen

Anregungs- bereich

Sekundär- Elektronen

Röntgen- strahlen

Röntgen- strahlen

Direkter ungebeugter Strahl

Bright Field Imaging

• Image intensity direct beam intensity

• Scattering is proportional to Z2 • Weakly diffracting regions

appear bright • Strongly diffracting regions

appear dark • Standard imaging mode of

conventional TEM • Bread range of applications

Bright field detector

Dark Field Imaging

• Image intensity diffracted beam intensity

• Weakly diffracting regions appear dark

• Strongly diffracting regions appear bright

• Typical application: grain size determination, second-phase particles

HAADF-STEM Image of Ag nano prism [1] [1] L.J. Sherry et al, Nano Letters, Vol 6

Sub-nanometer region • Fringes • Lattice constant • High resolution TEM

Sample preparation for NT and NW

D. V. Sridhara Rao, K. Muraleedharan and C. J. Humphreys, TEM specimen preparation techniques http://www.medicine.mcgill.ca/femr/Rao%20et%20al%202010%20TEM%20Preparation%20Materials.pdf

TEM sample preparation can be time consuming and very difficult, but the fabrication of NT and NW samples is easy. The wires are dispersed by ultrasonification in water or ethanol. A drop of the solution is put on the copper grid and dried in air.

Copper grid

Composition – EDX line scan

Phys. Chem. Chem. Phys., 2011, 13, 15221–15226 15221

Thanks for listening