Rozlišovací limity zobrazování zpětně odraženými elektrony o nízké energii ve Skenovací Elektronové Mikroskopii

Resolution Limits of Low Voltage BSE Imaging in Scanning Electron Microscopy Resolution Limints of Low Voltage BSE Imaging in Scanning Electron Microscopy

článek ve sborníku ve WoS nebo Scopus

en

Scanning electron microscopy is an important part of material sciences and brings new perspectives into study of materials. Modern material engineering follows tend to develop materials in nanoscale. There can arise many problems with analysis and even electron microscopy can reach its borders. Conventional access allows to analyse parts of the materials with size of about few microns or hundreds of nanometres. This restriction is caused by construction of detectors which requires electrons with relatively high energy. As an example can be mentioned four-quadrant silicon detector of back scattered electrons (AsB). This detector is able to detect electrons with energies in range 5-30 keV (ideally 10-20 keV). Interaction volume and penetration depth of electrons with a high landing energy is about 1-2 micrometers. Therefore, there is limitation in the size of the observed parts of the materials. This problem can be reduced using electron microscopy at low landing energy (0.1-3 keV). Interaction volume of the low energy electrons is about few nanometers. When the impact energy is lowered to 2 keV, detector positioned in the electron optics (in-lens) for BSE has to be used (EsB). The contrast mechanism at low impact energies does not depend on atomic number or material density, but only on the bonding structure of the outer shell electrons. There we get ionization losses, resonances (phonons, plasmons) or band gap losses. Low Voltage BSE imaging allows phase contrast imaging (like high voltage BSE imaging) and in addition arises capability observe non-conductive samples due to decrease charging of the materials.

Skenovací elektronová mikroskopie je důležitou součástí materiálových věd a přináší nové pohledy do studia materiálů. Současné materiálové inženýrství vyvíjí nové materiály s rozměry nanometrů. Tento trend přináší mnoho problémů s analýzou těchto materiálů a dokonce elektronová mikroskopie může narazit na své zobrazovací hranice. Konvenční přístup umožňuje zobrazovat částice s velikostí řádově mikrometrů, nebo stovek nanometrů. Toto omezení je dáno konstrukcí detektorů, které vyžadují pro svoji činnost elektrony s relativně vysokou energií. Jako příklad může být uveden čtyř kvadrantový křemíkový detektor zpětně odražených elektronů (AsB). Tento detektor je schopen zobrazovat v rozmezí urychlovacích napětí 5-30 kV (ideálně 10-20 kV). Interakční objem a penetrační hloubka elektronů s vysokou energií je okolo 1-2 mikrometrů. Z tohoto důvodu existuje omezení ve schopnosti pozorovat menší částice. Tento problém může být vyřešen použitím elektronové mikroskopie s nízkou energií elektronů primárního svazku (0,1-3 keV). Interakční objem elektronů s nízkou energií je pouze několik nanometrů. Jestliže je dopadová energie nižší než 2 keV, tak může být použit detektor zpětně odražených elektronů umístěný v elektronové optice (EsB). Mechanismus vzniku kontrastu při dopadu elektronů o nízké dopadové energii nezávisí na atomovém čísle nebo hustotě materiálu, ale pouze pouze na struktuře vnějších elektronových slupek atomů. Na těchto strukturách vznikají ionizační ztráty, rezonance (fonony, plazmony), nebo ztráty na pásových mezerách. Z tohoto důvodu je při použití LVBSE snímkování stále patrný kontrast a může dokonce přinést i nějaké doplňkové informace. Alnalýza za pomoci zpětně odražených elektronů o nízké energii umožňuje zobrazit kontrast mezi různými fázemi a zároveň snížit míru nabíjení nevodivých materiálů.

Scanning electron microscopy is an important part of material sciences and brings new perspectives into study of materials. Modern material engineering follows tend to develop materials in nanoscale. There can arise many problems with analysis and even electron microscopy can reach its borders. Conventional access allows to analyse parts of the materials with size of about few microns or hundreds of nanometres. This restriction is caused by construction of detectors which requires electrons with relatively high energy. As an example can be mentioned four-quadrant silicon detector of back scattered electrons (AsB). This detector is able to detect electrons with energies in range 5-30 keV (ideally 10-20 keV). Interaction volume and penetration depth of electrons with a high landing energy is about 1-2 micrometers. Therefore, there is limitation in the size of the observed parts of the materials. This problem can be reduced using electron microscopy at low landing energy (0.1-3 keV). Interaction volume of the low energy electrons is about few nanometers. When the impact energy is lowered to 2 keV, detector positioned in the electron optics (in-lens) for BSE has to be used (EsB). The contrast mechanism at low impact energies does not depend on atomic number or material density, but only on the bonding structure of the outer shell electrons. There we get ionization losses, resonances (phonons, plasmons) or band gap losses. Low Voltage BSE imaging allows phase contrast imaging (like high voltage BSE imaging) and in addition arises capability observe non-conductive samples due to decrease charging of the materials.

Skenovací elektronová mikroskopie; nanomateriály; interakční objem; zobrazování BSE při nízkých energiích; nevodivé materiály

Scanning electron microscopy; nanoscale materials; Interaction volume; Low voltage BSE imaging; non-conductive samples; EsB; in-lens

2015

05.06.2015

Brno University of Technology

Brno

978-80-214-5146-9

NEUVEDENO

MULTI-SCALE DESIGN OF ADVANCED MATERIALS CONFERENCE PROCEEDINGS

30–35

6