Bài giảng Vật lý đại cương 2: Chương 6 - Kính hiển vi điện tử

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:26

Thêm vào BST

Báo xấu

3
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng "Vật lý đại cương 2" Chương 6 - Kính hiển vi điện tử, được biên soạn với mục tiêu giúp các bạn học có thể trình bày được tương tác giữa điện tử với vật chất; Trình bày được nguyên tắc cấu tạo và hoạt động của SEM và TEM; Trình bày được các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng ảnh;... Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Vật lý đại cương 2: Chương 6 - Kính hiển vi điện tử

Phần KÍNH HIỂN VI ĐIỆN TỬ
Phần HIỂN VI ĐIỆN TỬ Mục tiêu học tập: - Trình bày được tương tác giữa điện tử với vật chất. - Trình bày được nguyên tắc cấu tạo và hoạt động của SEM và TEM. - Trình bày được các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng ảnh.
Phần KÍNH HIỂN VI ĐIỆN TỬ - KHV ĐT là một thiết bị khoa học sử dụng năng lượng của chùm điện tử để quan sát rõ bề mặt vật chất. - KHV ĐT đã được phát triển vì những hạn chế của các kính hiển vi quang học trong lý thuyết ánh sáng. - Đầu những năm 1930, lý thuyết này đã được nghiên cứu và các nhà khoa học đã khao khát quan sát thấy chi tiết bên trong của các tổ chức tế bào. - Để có thể làm được điều này cần phải đạt được độ phóng đại 100.000 lần, điều mà các KHV quang học không làm được.
§6.1. HIỂN VI ĐIỆN TỬ QUÉT (Scanning Electron Microscope- SEM) KHV ĐT quét (SEM) xuất hiện lần đầu vào năm 1938 (Von Ardenne) và chỉ trở thành dụng cụ thương phẩm vào năm 1965. Quá trình phát triển bị chậm lại bởi sự “tham gia” của hệ chùm điện tử khi quét qua bề mặt mẫu đo. 1. Tương tác giữa điện tử với vật chất Khi các điện tử tới đập vào mẫu làm phát xạ các loại điện tử và sóng điện. Các điện tử phát xạ gồm: điện tử truyền qua, điện tử tán xạ ngược, điện tử thứ cấp, điện tử hấp thụ và Auger. Các sóng điện từ là tia X và huỳnh quang Catốt như hình 1.
1. Tương tác giữa điện tử với vật chất Điện từ truyền qua là chùm điện tử ban đầu xuyên qua mẫu, nó có được khi mẫu đủ mỏng.   .d I  I 0e I0 là cường độ của điện tử tới,  là hệ số hấp thụ của mẫu, d là chiều dày mẫu . Điện tử tán xạ ngược là điện tử tán xạ đàn hồi hoặc không đàn hồi ngược trở lại của chùm điện tử ban đầu, chùm này có năng lượng lớn.
1. Tương tác giữa điện tử với vật chất Điện tử thứ cấp là các đ.tử của ng.tử trong mẫu phát xạ từ bề mặt mẫu đo, đc kích thích bởi đ.tử tới. -n.lượng thấp. k0 đc phân biệt rõ với đ.tử tán xạ ngược. Đ.tử có E từ 0- 50eV. Đ.tử thứ cấp và tán xạ ngược ở sâu trong mẫu sẽ bị hấp thụ. hiệu suất phát xạ  vào góc giữa hướng tia tới và bề mặt, và công thoát của mẫu. -Bức xạ điện từ Tia X gồm bức xạ liên tục Điện tử Auger là đ.tử của lớp ngoài và đặc trưng. của ng.tử trong mẫu phát xạ do Huỳnh quang Catot. q.trình ion hoá nguyên tử. Tia X là do tương tác của đ.tử với mẫu. Huỳnh quang Catot là AS phát ra do chùm đ.tử tương tác với mẫu.
2. Thiết bị cho kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope- SEM) Hình 2. a) Sơ đồ khối thiết bị SEM, b) Kính hiển vi đ.tử quét Hitachi S4800
a) Nguồn phát điện tử - Nguồn đ.tử để tạo ra chùm đ.tử (súng đ.tử), điện áp từ 0 - 30kV, or - 60kV. Nguồn phát xạ trường Nguồn phát xạ nhiệt
b) Hệ thấu kính từ Cấu tạo và đường đi của đ.tử qua kính hội tụ a) Từ trường và v.tốc đ.tử, b) Lực từ làm điện tử c/đ xoắn quang trục AA, c) Kết quả c/đ của đ.tử như AS qua TK thủy tinh
c) Hệ thống chân k0 gồm có: - Buồng chân k0, bơm để tạo chân k0. - Van điều khiển chân k0, áp kế. c) Bộ thu và hiển thị tín hiệu: - Các detector thu tín hiệu. - Hệ thống tạo ra ảnh. 3. Những yếu tố ảnh hưởng tới ảnh hiển vi điện tử quét a) Nguồn điện tử -Chùm đ.tử này được hội tụ trên mẫu. - Đường kính và n.lượng chùm tia đ.tử tới mẫu. - Tính ổn định cao của chùm tia đ.tử và nguồn phát mạnh sẽ quyết định chất lượng ảnh. b) Độ phân giải - Độ phân giải là khả năng phân biệt 2 điểm ảnh gần nhau. Trong khi bạn có thể đạt được độ phóng đại cao để nhìn thấy đặc tính của v.chất, nhưng độ phân giải thì chưa chắc đã được như vậy.
b) Độ phân giải - Để độ phân giải cao trong SEM phải tạo đ.kính chùm tia nhỏ và có độ rọi lớn. - Độ phân giải là một t.số q.trọng của SEM. Đối với hầu hết các thiết bị SEM hiện nay độ phân giải cỡ 3,5-5nm. Chúng ta cũng có thể tăng độ phân giải bằng cách: • Tăng độ tụ của các thấu kính hội tụ. • Giảm bớt kích cỡ của khẩu độ tụ. • Giảm bớt k/cách đo từ bề mặt mẫu đến vật kính. c) Chiều sâu trường quan sát K.cách theo chiều sâu trên bề mặt mẫu mà có thể hội tụ được chùm đ.tử rõ ràng gọi là chiều sâu trường q.sát (Depth of Field). SEM có chiều sâu lớn, tạo ra một bức ảnh ba chiều thể hiện b/chất của vật. Cải tiến: - Tăng khoảng cách đo, - Giảm khẩu độ T.kính, - Giảm độ phóng đại
c) Chuẩn bị mẫu Mẫu đo có kích thước phù hợp trong buồng và được gắn trên một mặt đế có đ/kính đế khoảng 5-200mm. Chuẩn bị mẫu không phức tạp và có thể đặt nghiêng 450. Các mẫu kim loại, polyme, gốm, thuỷ tinh hoặc composite có thể được chuẩn bị bằng cách cắt, bẻ gãy, mài,.. Mẫu không dẫn điện cần phải tạo lớp dẫn điện và nối đất cho mẫu bằng cách phủ một lớp k.loại mỏng như vàng, platin, hợp kim platin/vàng, vonfram, osmium,… cỡ 10- 100Å trong chân không cao. Máy phún xạ ion.  điều này hạn chế khả năng phân giải các chi tiết siêu nhỏ.
e) Các kiểu tạo ảnh a) điện tử thứ cấp, b) điện tử tán xạ ngược với detector rắn, c) điện tử tán xạ ngược với bộ đếm nhấp nháy, d) dòng điện tử hấp thụ.
Ảnh SEM của hợp kim SnBi. Ảnh SEM điện tử thứ cấp của phấn hoa. Ảnh SEM điện tử thứ cấp của thanh nano ZnO. Ảnh SEM của Aspirin
4. Các phân tích trong SEM - Ảnh SEM cho biết đ.điểm hình dáng bề mặt. Do đó có thể nghiên cứu mối liên hệ trực tiếp giữa các đ.điểm này với t/c v.liệu. - Ảnh SEM cung cấp t.tin về sự kết tinh, k/thước hạt, cho phép quan sát vi cấu trúc: các màng mỏng, các khuyết tật, vết rạn nứt, sự nhiễm bẩn bề mặt,… - Ảnh SEM cho biết thành phần pha, sự t/tác giữa các pha, sự phân bố và tỷ lệ giữa các thành phần cấu tạo. Ngoài ra, ảnh SEM còn c.cấp t.tin về t/phần hóa học v.liệu: các ng.tố th/phần và tỷ lệ phần trăm giữa các ng.tố th/phần.
Ảnh KHV ĐT quét Hitachi S-4800
§6.2. HIỂN VI ĐIỆN TỬ TRUYỀN QUA 1. Kính hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electron Microscopy- TEM) KHV ĐT truyền qua (TEM) là loại KHV ĐT đầu tiên đc phát triển bởi Max knoll và Ernst Ruska (Đức) dựa trên cơ sở KHV q.học. Khác biệt giữa 2 loại này là thay vì AS đc chiếu vào mẫu là sự tập trung của một chùm tia đ.tử…
TEM là một thiết bị - cho ảnh thật của cấu trúc bên trong vật, - sử dụng chùm đ.tử có n.lượng cao xuyên qua mẫu v.rắn mỏng. - tạo ảnh với độ phóng đại lớn (tới hàng triệu lần), thu được trên màn huỳnh quang, trên phim hay ghi bằng các máy chụp kỹ thuật số. 2. Nguyên tắc c.tạo và h.động của hiển vi điện tử truyền qua a) Súng điện tử: tạo ra chùm tia điện tử - Sử dụng nguồn phát xạ nhiệt, đ.tử đc phát ra từ cathode đc đốt nóng. - có thời hạn sử dụng ngắn, như W, Pt, LaB6,… - Sử dụng nguồn phát xạ trường. Khi đó đ.tử phát ra từ cathode nhờ một điện thế lớn. Nguồn phát đ.tử có tuổi thọ cao, c.độ chùm đ.tử lớn, độ đơn sắc cao, đòi hỏi m.trường c.không cao