Mikroskopia

Przy wyborze metod badawczych odrzucono mikroskopię świetlną na rzecz mikroskopii elektronowej. Rozdzielczość mikroskopii świetlnej jest niższa niż elektronowej, poniżej przedstawiono dlaczego dokonano takiego wyboru.

Maksymalną zdolność rozdzielczą mikroskopu można przybliżyć zależnością:

d A (Wzór 2.)

gdzie: λ - jest długością fali, zaś A - aperturą.

Długość fal elektromagnetycznych widzialnych przez człowieka zawiera się między około 400nm, a około 700nm. Aperturę można wyznaczyć z zależności:

sin 2 n

A (Wzór 3.)

gdzie: n - jest współczynnikiem załamania światła środowiska wypełniającego przestrzeń pomiędzy obiektywem i przedmiotem, Θ - jest kątem zbieżności wiązki padającej.

Wartość apertury w suchych obiektywach stosowanych w mikroskopach metalograficznych sięga około A=1,4. W obiektywach immersyjnych przestrzeń między obiektywem a próbką wypełnia ciecz immersyjna, dobrana tak, żeby współczynnik załamania n był większy niż 1 dla powietrza, co nieznacznie poprawia rozdzielczość obserwacji. Sprawia to, że rozdzielczość mikroskopu optycznego nigdy nie przekroczy 285nm. W praktyce układ optyczny posiada pewne wady, które sprawiają, że rozdzielczość jest jeszcze gorsza i na ogół sięga pojedynczych mikrometrów. Spodziewane rozmiary niektórych elementów mikrostruktury badanych materiałów nie powinny przekraczać 10nm, co stanowi uzasadnienie dla wykorzystania wyłącznie metod mikroskopii elektronowej w tej pracy.

13 3.1.1. Mikroskopia elektronowa

Transmisyjny mikroskop elektronowy

W mikroskopach elektronowych obserwuje się obraz pośrednio. Sygnał jest rejestrowany przez detektor/kamerę i przetwarzany na obraz widzialny dla człowieka Wzorem 2 można również przybliżyć rozdzielczość transmisyjnego mikroskopu elektronowego.

Zależność na długość fali elektronów można zapisać w następujący sposób:

E

Ze wzoru 5 wynika, że zwiększając napięcie przyspieszające elektrony otrzymamy falę o bardzo małej długości, np. dla 200 kV byłoby to 0,027 Å. Jednak na rozdzielczość transmisyjnego mikroskopu elektronowego (TEM) w znaczny sposób wpływają wady soczewek elektromagnetycznych (np.: aberracja sferyczna, chromatyczna, astygmatyzm, błąd dyfrakcji). Mimo tych wad rozdzielczość jednego z mikroskopów, na którym były prowadzone badania, Hitachi HD-2700, jest bardzo wysoka i przekracza 1 Å. Obrazy pochodzące z TEM charakteryzują się dużą głębią ostrości w porównaniu do grubości próbki, zaś same zdjęcia są rzutem całej mikrostruktury prześwietlonej przez wiązkę.

Obraz obserwowany za pomocą TEM powstaje głównie w wyniku dyfrakcji elektronów na strukturze materiału, stąd ziarna tej samej fazy o tej samej grubości mogą mieć różne odcienie szarości, odzwierciedlające różnice w orientacji. Kolejnym źródłem kontrastu w obserwacjach są różnice w pochłanianiu elektronów przez próbkę – widoczne są różnice między litym materiałem, a pustkami oraz różnice między fazami różnie pochłaniającymi elektrony. Próbki badane za pomocą transmisyjnego mikroskopu elektronowego muszą być transparentne dla wiązki elektronów, dlatego powinny być bardzo cienkie, szczególnie próbki do obserwacji w bardzo wysokiej rozdzielczości (HR High Resolution).

14 Ponieważ spodziewana grubość niektórych membran nie powinna przekraczać 10 nm, a wielkość krystalitów może być jeszcze mniejsza, TEM jest bardzo dobrą metodą badania takiego materiału.

Skaningowy mikroskop elektronowy – SEM

Innym rodzajem użytego mikroskopu elektronowego był mikroskop skaningowy.

Jego rozdzielczość jest zdeterminowana głównie przez szerokość wiązki padającej, a nie długości fali, jak w mikroskopach prześwietleniowych. Wiązka omiata próbkę poruszając się wzdłuż równoległych linii, sygnał rejestrowany przez detektor jest wzmacniany i przetwarzany na obraz. Wiązka padając na próbkę doprowadza do szeregu zjawisk fizycznych, ulega odbiciu sprężystemu, niesprężystemu oraz jonizuje atomy. W zależności od zastosowanego detektora sygnał przekazuje różne informacje. W badaniach użyto detektora elektronów wtórnych (SE Secondary Electrons) oraz detektora elektronów wstecznie rozproszonych (BSE Backscattered Electrons). Obrazy otrzymane z mikroskopu skaningowego w trybie SE powstają w dużej części dzięki kontrastowi topograficznemu, dlatego używano trybu SE do obserwacji powierzchni próbki oraz po przełamaniu próbki do określenia grubości membrany. Prawie wszystkie badane próbki były naparowane cienką warstwą przewodnika. Tylko, jeśli nie były wymagane duże powiększenia, próbki badane były w stanie pierwotnym (bez naparowania) w obniżonej próżni, za pomocą detektora BSE.

15

Rysunek 4. Typowy kształt, rodzaj oraz głębokość pochodzenia sygnału z litej próbki wywołany wiązką o energii 30keV o średnicy 100nm

(Żródło: ELECTRON -SPECIMEN INTERACTIONS SPECIMEN PREPARATION ELECTRON MICROSCOPES EML 5930 (27-750), Advanced Characterization and Microstructural Analysis, A. D. Rollett, P.N Kalu,

Springer-Verlag 2008)

Obraz BSE powstaje w wyniku kontrastu topograficznego oraz chemicznego. Pierwiastki o wyższej masie atomowej lepiej odbijają wiązkę elektronów, dzięki czemu miejsca, w których występują są widoczne jako jaśniejsze. Kontrast topograficzny w BSE jest większy niż SE, ale za to charakteryzuje się niższą rozdzielczością.

Badanie struktury atomowej

Na obrazach HRTEM struktury krystalicznej można zaobserwować płaszczyzny atomowe, zmierzyć kąty między nimi i określić orientację kryształu. Struktura krystaliczna na obrazach HR będzie zdecydowanie różnić się od amorficznej. W przypadku obrazowania mikrostruktury w wysokiej rozdzielczości grubość próbki powinna być jak najmniejsza, nawet rzędu kilku odległości międzyatomowych.

Za pomocą mikroskopu elektronowego pośrednio można uzyskać wiele informacji.

Elektrony rozproszone sprężyście na periodycznej strukturze tworzą obraz dyfrakcyjny.

Elektronogramy są cennym źródłem informacji na temat mikrostruktury materiału, budowy

16 krystalicznej, rozmiaru ziarna. Dyfrakcja elektronów jest metodą, przy pomocy której można otrzymać informację, które z powodu ograniczonej rozdzielczości mikroskopu były niemożliwe do zaobserwowania w trybie obrazowania prześwietleniowego. Podsumowanie możliwości obserwacji cienkiej folii w mikroskopie transmisyjnym przedstawiono na rysunku 5.

Rysunek 5. Cienka folia o grubości t<300nm, kształt obszaru i rodzaje sygnałów wywołane w niej przez wiązkę elektronów

(Żródło: ELECTRON -SPECIMEN INTERACTIONS SPECIMEN PREPARATION ELECTRON MICROSCOPES EML 5930 (27-750), Advanced Characterization and Microstructural Analysis, A. D. Rollett, P.N Kalu,

Springer-Verlag 2008)