Elektronisk mikroskopi med lav energi - Low-energy electron microscopy

Et lavenergi-elektronmikroskop som brukes til overflatevitenskapelige studier ved University of Illinois 'Frederick Seitz Materials Research Laboratory i Urbana, IL, USA.

Elektronmikroskopi med lav energi , eller LEEM , er en analytisk overflatevitenskapsteknikk som brukes til å avbilde atomare rene overflater, atomoverflateinteraksjoner og tynne (krystallinske) filmer. I LEEM sendes høyenergielektroner (15-20 keV) fra en elektronpistol , fokusert ved hjelp av et sett med kondensatoroptikk, og sendes gjennom en magnetstråleavbøyer (vanligvis 60 usually eller 90˚). De "raske" elektronene beveger seg gjennom en objektivlinse og begynner å redusere til lave energier (1-100 eV) nær prøveoverflaten fordi prøven holdes på et potensial nær pistolens. Elektronene med lav energi kalles nå "overflatefølsomme", og prøvetakingsdybden nær overflaten kan varieres ved å stille inn energien til de innfallende elektronene (forskjell mellom prøven og pistolpotensialet minus arbeidsfunksjonene til prøven og systemet). Elektronene med lav energi, elastisk tilbakespredning, beveger seg tilbake gjennom objektivlinsen, akselererer til pistolspenningen (fordi objektivlinsen er jordet) og passerer gjennom stråleseparatoren igjen. Imidlertid beveger elektronene seg nå bort fra kondensatoroptikken og inn i projektorlinsene. Bildebehandling av objektivets bakre fokalplan inn i objektplanet til projektorobjektivet (ved hjelp av en mellomlinse) produserer et diffraksjonsmønster ( lavenergi-elektrondiffraksjon , LEED) på bildeplanet og registreres på en rekke forskjellige måter. Intensitetsfordelingen av diffraksjonsmønsteret vil avhenge av periodisiteten på prøveoverflaten og er et direkte resultat av elektronenes bølgete natur. Man kan produsere individuelle bilder av diffraksjonsmønsterets spotintensiteter ved å slå av mellomlinsen og sette inn en kontraståpning i objektivets bakre fokalplan (eller, i toppmoderne instrumenter, i midten av separatoren. , som valgt av magnetiseringen av objektivobjektivet), og muliggjør dermed sanntidsobservasjoner av dynamiske prosesser på overflater. Slike fenomener inkluderer (men er ikke begrenset til): tomografi, faseoverganger, adsorpsjon, reaksjon, segregering, tynnfilmvekst, etsning, strekkavlastning, sublimering og magnetisk mikrostruktur. Disse undersøkelsene er bare mulig på grunn av tilgjengeligheten til utvalget; muliggjør et bredt utvalg av in situ studier over et bredt temperaturområde. LEEM ble oppfunnet av Ernst Bauer i 1962; imidlertid ikke fullt utviklet (av Ernst Bauer og Wolfgang Telieps ) før i 1985.

Introduksjon

LEEM skiller seg fra konvensjonelle elektronmikroskop på fire hovedmåter:

1. Prøven må belyses på samme side av bildebehandlingsoptikken, dvs. gjennom objektivobjektivet, fordi prøvene ikke er gjennomsiktige for elektroner med lav energi;
2. For å skille de innfallende og elastisk spredte lavenergielektronene, bruker forskere magnetiske "elektronprisma" -stråleseparatorer som fokuserer elektroner både inn og ut av strålegangens plan (for å unngå forvrengning i bildet og diffraksjonsmønstre);
3. I elektrostatisk nedsenkningsobjektiv bringer objektivet prøven nær pistolens, og bremser høynergielektronene ned til ønsket energi bare før de samhandler med prøveoverflaten;
4. Instrumentet må kunne arbeide under ultrahøyt vakuum (UHV) eller 10 ⁻¹⁰ torr (760 torr = 1 atm, atmosfærisk trykk), selv om instrumentene for "nær-omgivende trykk" (NAP-LEEM) er utviklet ved å legge til et rom med høyere trykk og differensialpumpetrinn, noe som gir rom for trykk på opptil 10 ⁻¹ mbar.

Overflatediffraksjon

Ewalds sfærekonstruksjon for tilfelle av normal forekomst av den primære elektronstrålen. Her gjøres dette i et typisk LEED-oppsett, men i LEEM er det kompliserte elektronoptikk som muliggjør avbildning av de resulterende diffraksjonsmønstre og dermed overflaten av prøven.

Kinematisk eller elastisk tilbakespredning oppstår når elektroner med lav energi (1-100 eV) rammer et rent, velordnet krystallinsk eksemplar. Det antas at hvert elektron bare gjennomgår en spredningshendelse, og innfallende elektronstråle blir beskrevet som en plan bølge med bølgelengden:

${\ displaystyle {\ begin {align} \ lambda = {\ frac {h} {\ sqrt {2mE}}}, \ qquad \ lambda [{\ textrm {A}}] = {\ sqrt {\ frac {150} {E [{\ textrm {eV}}}}} \ end {justert}}}$

Omvendt rom brukes til å beskrive periodikken til gitteret og interaksjonen mellom planbølgen og prøveoverflaten. I invers (eller "k-space") plass, bølge vektor av den innfallende og spredte bølger er og , henholdsvis, ${\ displaystyle {\ textbf {k}} _ {0} = 2 \ pi / \ lambda _ {0}}$${\ displaystyle {\ begin {align} {\ textbf {k}} = 2 \ pi / \ lambda \ end {align}}}$

og konstruktiv interferens oppstår ved Laue-tilstanden:

${\ displaystyle {\ textbf {k}} - {\ textbf {k}} _ {0} = {\ textbf {G}} _ {\ textrm {hkl}}}$

hvor (h, k, l) er et sett med heltall og

${\ displaystyle {\ textbf {G}} _ {\ textrm {hkl}} = h {\ textbf {a}} ^ {*} + k {\ textbf {b}} ^ {*} + l {\ textbf { c}} ^ {*}}$

er en vektor av det gjensidige gitteret.

Eksperimentelt oppsett

Et typisk LEEM / LEED-objektiv og strålediagram.

Et typisk LEEM-oppsett består av elektronpistoler , som brukes til å generere elektroner ved hjelp av termionisk eller feltemisjon fra en kildespiss. Ved termionisk utslipp unnslipper elektroner en kildespiss (vanligvis laget av LaB ₆ ) ved resistiv oppvarming og påføring av et elektrisk felt for effektivt å senke energien som trengs for elektroner å unnslippe overflaten. Når tilstrekkelig termisk vibrasjonsenergi er oppnådd, kan elektroner overvinne denne elektrostatiske energisperren, slik at de kan bevege seg i vakuum og akselerere nedover linsesøylen til pistolpotensialet (fordi linsene er på bakken). I feltutslipp, i stedet for å varme opp spissen for å vibrere elektroner fra overflaten, blir kildespissen (vanligvis wolfram) skjerpet til et lite punkt slik at når store elektriske felt påføres, konsentrerer de seg på spissen, og senker barrieren for å unnslippe overflaten i tillegg til å gjøre tunneling av elektroner fra spissen til vakuumnivå mer mulig.

Kondensator / belysningsoptikk brukes til å fokusere elektroner som forlater elektronpistolen og manipulere og / eller oversette belysningselektronstrålen. Elektromagnetiske kvadrupolelektronlinser brukes, hvor antallet avhenger av hvor mye oppløsning og fokuseringsfleksibilitet designeren ønsker. Den ultimate oppløsningen til LEEM bestemmes imidlertid vanligvis av objektivobjektivet.

Belysningsstråleåpning gjør det mulig for forskere å kontrollere området av prøven som er opplyst (LEEMs versjon av elektronmikroskopis “valgte områdediffraksjon”, betegnet mikrodiffraksjon) og ligger i stråleseparatoren på belysningssiden.

Magnetisk stråleseparator er nødvendig for å løse lys- og bildestrålen (mens den i sin tur romlig skiller optikken for hver). Det har vært mye utvikling på teknologien til elektronstråleseparatorer; de tidlige separatorene introduserte forvrengning i enten bildet eller diffraksjonsplanet. Imidlertid har IBM nylig utviklet en hybrid prismeoppstilling / nestet kvadratisk feltdesign, som fokuserer elektronstrålene både inn og ut av strålegangens plan, slik at avbøyning og overføring av bilde- og diffraksjonsplanene blir mulig uten forvrengning eller energispredning.

Elektrostatisk nedsenkningsobjektiv brukes til å danne et reelt bilde av prøven ved hjelp av et virtuelt bilde med 2/3 forstørrelse bak prøven. Ensartetheten av det elektrostatiske feltet mellom objektivlinsen og prøven, begrenset av sfæriske og kromatiske avvik som er større enn for andre linser, bestemmer til slutt instrumentets totale ytelse.

Kontraståpning er plassert i midten på projektorlinsesiden av stråleseparatoren. I de fleste elektronmikroskopier blir kontraståpningen innført i objektivets bakre brennplan (der det faktiske diffraksjonsplanet ligger). Dette er imidlertid ikke sant i LEEM, fordi mørkfeltavbildning (avbildning av ikke-spesifikke stråler) ikke ville være mulig fordi blenderåpningen må bevege seg sideveis og ville avskjære den innfallende strålen for store skift. Derfor justerer forskerne eksitasjonen av objektivlinsen slik at de produserer et bilde av diffraksjonsmønsteret midt i stråleseparatoren og velger ønsket punktintensitet til bildet ved hjelp av en kontraståpning som er satt inn der. Denne blenderåpningen tillater forskere å se på diffraksjonsintensiteter som kan være av spesiell interesse (mørkt felt).

Belysningsoptikk brukes til å forstørre bildet eller diffraksjonsmønsteret og projisere det på bildeplaten eller skjermen. Bildeplate eller skjerm som brukes til å avbilde elektronintensiteten slik at vi kan se den. Dette kan gjøres på mange forskjellige måter, inkludert fosforescerende skjermer, bildeplater, CCD, blant andre.

Spesialiserte bildebehandlingsteknikker

LEEM Bright-field (trinn / fasekontrast) bilde av Cr (100). Atomiske trinn, trinnbunter, øyer og terrasser er lett å skille fra vertikal diffraksjonskontrast som stammer fra bølgenaturen til elektroner. Synsfeltet er 5,6 μm.

Den Leems bilde som svarer til en sub-monolag palladium film (mørk kontrast) dyrket på (110) overflate av en wolfram krystall (lys kontrast). De knapt synlige øyene er wolframkarbider på grunn av karbonforurensning. Diameteren på det avbildede området er 10 mikrometer .

Elektrisk diffraksjon med lav energi (LEED)

Etter at en parallell stråle av lavenergielektroner samhandler med et eksemplar, danner elektronene et diffraksjon eller LEED-mønster som avhenger av periodisiteten tilstede på overflaten og er et direkte resultat av bølgenaturen til et elektron. Det er viktig å påpeke at i vanlig LEED blir hele prøveoverflaten belyst av en parallell stråle av elektroner, og dermed vil diffraksjonsmønsteret inneholde informasjon om hele overflaten.

LEED utført i et LEEM-instrument (noen ganger referert til som Very Low-Energy Electron Diffraction (VLEED), på grunn av de enda lavere elektronenergiene), begrenser området opplyst til strålepunktet, vanligvis i størrelsesorden kvadratmikrometer. Diffraksjonsmønsteret dannes i objektivets bakre fokalplan, avbildet i objektplanet til den projiserende linsen (ved hjelp av en mellomlinse), og det endelige mønsteret vises på den fosforescerende skjermen, fotografisk plate eller CCD.

Ettersom de reflekterte elektronene er bøyd bort fra elektronkilden av prismen, kan de speilreflekterte elektronene måles, til og med med utgangspunkt i null landingsenergi, da ingen skygge av kilden er synlig på skjermen (noe som forhindrer dette i vanlige LEED-instrumenter) . Det er verdt å merke seg at avstanden til diffrakterte bjelker ikke øker med kinetisk energi som for konvensjonelle LEED-systemer. Dette skyldes at de avbildede elektronene akselereres til den høye energien i bildekolonnen og blir derfor avbildet med en konstant størrelse på K-rom uavhengig av den innfallende elektronenergien.

Microdiffraksjon

Microdiffraction er konseptuelt akkurat som LEED. Imidlertid, i motsetning til i et LEED-eksperiment der det samplede overflatearealet er noen kvadratmillimeter, setter man inn belysningen og stråleåpningen i strålebanen mens man tar bilder av en overflate og reduserer dermed størrelsen på det samplede overflatearealet. Det valgte området varierer fra en brøkdel av et kvadrat mikrometer til kvadrat mikrometer. Hvis overflaten ikke er homogen, virker et diffraksjonsmønster oppnådd fra LEED-eksperiment kronglete og er derfor vanskelig å analysere. I et mikrodiffraksjonseksperiment kan forskere fokusere på en bestemt øy, terrasse, domene og så videre, og hente et diffraksjonsmønster som bare består av en enkelt overflatefunksjon, noe som gjør teknikken ekstremt nyttig.

Graphene på SiC er sammensatt av domener med forskjellig stabelrekkefølge. (venstre) Bright-field LEEM-mikroskop av eksempler på dobbeltlag, trelag og firelags interkalert grafen. (til høyre) Mørke feltbilder av samme område. Domener med vekslende kontrast er tydelig synlige, og indikerer områder med forskjellig stabelrekkefølge. Tilpasset fra

Lyse feltbilder

Bright Field imaging bruker den speilende, reflekterte (0,0) strålen for å danne et bilde. Også kjent som fase- eller interferenskontrastbildebehandling, bruker lysfeltavbildning spesielt bølgenaturen til elektronet for å generere vertikal diffraksjonskontrast, og gjør trinn på overflaten synlig.

Mørk feltbilder

I mørk feltavbildning (også kalt diffraksjonskontrastavbildning) velger forskere et ønsket diffraksjonspunkt og bruker en kontraståpning for å passere bare de elektronene som bidrar til det aktuelle stedet. I bildeplanene etter kontraståpningen er det mulig å observere hvor elektronene stammer fra i det virkelige rommet. Denne teknikken gjør det mulig for forskere å studere på hvilke områder av en prøve en struktur med en viss gittervektor (periodisitet) eksisterer.

Spektroskopi

Både (mikro-) diffraksjon så vel som lysfelt og mørk feltavbildning kan utføres som en funksjon av elektronlandingsenergien, og måler et diffraksjonsmønster eller et bilde for en rekke energier. Denne måten å måle på (ofte kalt LEEM-IV) gir spektre for hvert diffraksjonspunkt eller prøveposisjon. I sin enkleste form gir dette spekteret et `` fingeravtrykk '' av overflaten, som muliggjør identifikasjon av forskjellige overflatestrukturer.

En spesiell anvendelse av lysfelt-spektroskopi er tellingen av det nøyaktige antallet lag i lagdelte materialer som (få lag) grafen , sekskantet bornitrid og noen overgangsmetall-dikalkogenider .

Fotoekscitasjonselektronmikroskopi (PEEM) av Ag-stenger på Si. Her produserer en Hg-lampe fotoner med energi rett over arbeidsfunksjonsterskelen til Ag, og den resulterende sekundære elektronemisjonen blir avbildet.

Fotoemisjon elektronmikroskopi (PEEM)

I fotoemisjon elektronmikroskopi (PEEM), etter eksponering for elektromagnetisk stråling (fotoner), blir sekundære elektroner begeistret fra overflaten og avbildet. PEEM ble først utviklet tidlig på 1930-tallet, ved bruk av ultrafiolett (UV) lys for å indusere fotoemisjon av (sekundære) elektroner. Siden den gang har imidlertid denne teknikken gjort mange fremskritt, hvorav den viktigste var sammenkoblingen av PEEM med en synkrotronlyskilde , som gir avstemelig, lineær polarisert, venstre og høyre sirkulær stråling i det myke røntgenområdet. Slik anvendelse tillater forskere å hente topografisk, elementær, kjemisk og magnetisk kontrast av overflater.

LEEM-instrumenter er ofte utstyrt med lyskilder for å utføre PEEM-bildebehandling. Dette hjelper til med systemjustering og muliggjør innsamling av LEEM-, PEEM- og ARPES- data for en enkelt prøve i et enkelt instrument.

Speilelektronmikroskopi (MEM)

I speilelektronmikroskopi blir elektroner bremset i kondensatorens forsinkelsesfelt til grensen for instrumentet, og får derfor bare interagere med "nær overflaten" -området av prøven. Det er veldig komplisert å forstå de eksakte kontrastvariasjonene kommer fra, men de viktige tingene å påpeke her er at høydevariasjoner på overflaten av regionen endrer egenskapene til det forsinkende feltet, og påvirker derfor den reflekterte (spekulære) strålen. Det dannes ikke noe LEED-mønster fordi ingen spredningshendelser har funnet sted, og derfor er den reflekterte intensiteten høy.

Reflekterende kontrastbilder

Den elastiske tilbakespredningen av elektroner med lav energi fra overflater er sterk. Refleksjonskoeffisientene til overflater avhenger sterkt av energien til innfallende elektroner og kjerneladningen, på en ikke-monoton måte. Derfor kan kontrasten maksimeres ved å variere energien til elektronene som faller inn på overflaten.

Spinnpolarisert LEEM (SPLEEM)

SPLEEM bruker spinn-polariserte belysningselektroner for å avbilde den magnetiske strukturen til en overflate ved hjelp av spinn-spinn-kobling av de innfallende elektronene med overflaten.

Annen

Andre avanserte teknikker inkluderer:

• Lavenergipunktpotensiometri : Å bestemme forskyvningen av LEEM-spektre tillater bestemmelse av lokal arbeidsfunksjon og elektrisk potensial.
• ARRES : Angular Resolved Reflected Electron Spectroscopy.
• eV-TEM : Transmisjonselektronmikroskopi ved LEEM energier.

Referanser

• Bauer, Ernst (1998). "Grunnleggende om LEEM". Surface Review og Letters . 5 (6): 1275–1286. Bibcode : 1998SRL ..... 5.1275B . doi : 10.1142 / S0218625X98001614 .
• Bauer, Ernst (1994). "Lavenergi elektronmikroskopi" . Rep. Prog. Phys . 57 (9): 895–938. Bibcode : 1994RPPh ... 57..895B . doi : 10.1088 / 0034-4885 / 57/9/002 .
• Tromp, RM (2000). "Lavenergi-elektronmikroskopi" (PDF) . IBM J. Res. Dev . 44 (4): 503–516. doi : 10.1147 / rd.444.0503 .
• Anders, S .; Padmore, Howard A .; Duarte, Robert M .; Renner, Timothy; Stammler, Thomas; Scholl, Andreas; Scheinfein, Michael R .; Stöhr, Joachim; et al. (1999). "Elektronmikroskop for fotoemisjon for studier av magnetiske materialer" . Gjennomgang av vitenskapelige instrumenter . 70 (10): 3973–3981. Bibcode : 1999RScI ... 70.3973A . doi : 10.1063 / 1.1150023 . Arkivert fra originalen 2013-02-23 . Hentet 2020-03-19 .