Электронная микроскопия низких энергий
Низкоэнергетическая электронная микроскопия , или LEEM , представляет собой аналитический метод исследования поверхности , используемый для изображения атомарно чистых поверхностей, взаимодействий атом-поверхность и тонких (кристаллических) пленок. [ 1 ] В LEEM электроны высокой энергии (15-20 кэВ) испускаются из электронной пушки , фокусируются с помощью набора конденсаторной оптики и направляются через магнитный дефлектор луча (обычно 60˚ или 90˚). «Быстрые» электроны проходят через линзу объектива и начинают замедляться до низких энергий (1–100 эВ) вблизи поверхности образца, поскольку образец удерживается под потенциалом, близким к потенциалу пушки. Электроны с низкой энергией теперь называются «поверхностно-чувствительными», а глубину отбора проб вблизи поверхности можно изменять путем настройки энергии падающих электронов (разница между потенциалами образца и пушки минус работы выхода образца и системы). Низкоэнергетические упруго рассеянные электроны проходят обратно через линзу объектива, повторно ускоряются до напряжения пушки (поскольку линза объектива заземлена) и снова проходят через сепаратор луча. Однако теперь электроны уходят от оптики конденсатора и попадают в линзы проектора. Изображение задней фокальной плоскости объектива в предметной плоскости линзы проектора (с использованием промежуточной линзы) создает дифракционную картину ( дифракция низкоэнергетических электронов (LEED) в плоскости изображения и регистрируется различными способами. Распределение интенсивности дифракционной картины будет зависеть от периодичности на поверхности образца и является прямым результатом волновой природы электронов. Индивидуальные изображения интенсивностей пятен дифракционной картины можно получить, отключив промежуточную линзу и вставив контрастную апертуру в заднюю фокальную плоскость объектива (или, в современных приборах, в центр сепаратора). , по выбору возбуждения объектива), что позволяет в реальном времени наблюдать динамические процессы на поверхностях. Такие явления включают (но не ограничиваются ими): томографию, фазовые переходы, адсорбцию, реакцию, сегрегацию, рост тонких пленок, травление, снятие напряжения, сублимацию и магнитную микроструктуру. Эти исследования возможны только благодаря доступности образца; что позволяет проводить самые разнообразные исследования in situ в широком диапазоне температур. LEEM был изобретен Эрнст Бауэр в 1962 году; однако не был полностью разработан (Эрнстом Бауэром и Вольфгангом Телипсом ) до 1985 года.
Введение
[ редактировать ]LEEM отличается от обычных электронных микроскопов четырьмя основными способами:
- Образец должен быть освещен с той же стороны оптики изображения, т. е. через линзу объектива, поскольку образцы не прозрачны для электронов низкой энергии;
- Чтобы разделить падающие и упруго рассеянные электроны низкой энергии, ученые используют магнитные сепараторы пучка «электронной призмы», которые фокусируют электроны как в плоскости траектории луча, так и за ее пределами (чтобы избежать искажений изображения и дифракционных картин);
- В электростатическом иммерсионном объективе образец приближается к образцу пистолета, замедляя электроны высокой энергии до желаемой энергии только непосредственно перед взаимодействием с поверхностью образца;
- Прибор должен быть способен работать в условиях сверхвысокого вакуума (СВВ) или 10 −10 торр (760 торр = 1 атм, атмосферное давление), хотя приборы с «давлением, близким к атмосферному» (NAP-LEEM) были разработаны путем добавления отсека с более высоким давлением и ступеней дифференциальной откачки, что позволяет поддерживать давление в помещении для отбора проб до 10 −1 мбар. [ 2 ]
Поверхностная дифракция
[ редактировать ]Кинематическое или упругое обратное рассеяние происходит, когда электроны низкой энергии (1–100 эВ) сталкиваются с чистым, хорошо упорядоченным кристаллическим образцом. Предполагается, что каждый электрон испытывает только один акт рассеяния, а падающий электронный пучок описывается как плоская волна с длиной волны:
Обратное пространство используется для описания периодичности решетки и взаимодействия плоской волны с поверхностью образца. В обратном (или «k-пространстве») пространстве волновой вектор падающей и рассеянной волн равен и , соответственно,
а конструктивная интерференция возникает при условии Лауэ:
где (h,k,l) — набор целых чисел и
– вектор обратной решетки.
Экспериментальная установка
[ редактировать ]Типичная установка LEEM состоит из электронной пушки , используемой для генерации электронов посредством термоэлектронной или автоэмиссии с кончика источника. При термоэлектронной эмиссии электроны покидают наконечник источника (обычно изготовленный из LaB 6 ) за счет резистивного нагрева и приложения электрического поля, чтобы эффективно снизить энергию, необходимую для выхода электронов с поверхности. Как только будет достигнута достаточная энергия тепловых колебаний, электроны могут преодолеть этот электростатический энергетический барьер, позволяя им перемещаться в вакуум и ускоряться вниз по столбу линзы до потенциала пушки (поскольку линзы находятся на земле). При автоэлектронной эмиссии вместо нагрева наконечника для колебательного возбуждения электронов с поверхности наконечник источника (обычно вольфрамовый) заостряется до небольшой точки, так что при приложении больших электрических полей они концентрируются на наконечнике, снижая барьер для выхода. поверхность, а также сделать туннелирование электронов от острия до уровня вакуума более осуществимым.
Конденсаторная/осветительная оптика используется для фокусировки электронов, покидающих электронную пушку, а также для управления и/или перемещения электронного луча освещения. Используются электромагнитные квадрупольные электронные линзы, количество которых зависит от того, какое разрешение и гибкость фокусировки желает проектировщик. Однако максимальное разрешение LEEM обычно определяется разрешением объектива.
Апертура луча освещения позволяет исследователям контролировать освещаемую область образца (версия LEEM «дифракции выбранной области» электронной микроскопии, называемая микродифракцией) и расположена в сепараторе луча на стороне освещения.
Магнитный сепаратор пучка необходим для разделения освещающего и визуализирующего луча (при этом пространственно разделяя оптику каждого из них). Технология сепараторов электронного пучка получила большое развитие; первые сепараторы вносили искажения либо в изображение, либо в плоскость дифракции. Однако недавно компания IBM разработала гибридную конструкцию призменной матрицы/вложенного квадратичного поля, фокусирующую электронные лучи как в плоскости траектории луча, так и за ее пределами, что позволяет отклонять и перемещать плоскости изображения и дифракции без искажений или дисперсии энергии.
Электростатический иммерсионный объектив используется для формирования реального изображения образца посредством виртуального изображения позади образца с увеличением 2/3. Однородность электростатического поля между линзой объектива и образцом, ограниченная сферическими и хроматическими аберрациями, большими, чем у любых других линз, в конечном итоге определяет общую производительность прибора.
Контрастная апертура расположена в центре светоделителя со стороны объектива проектора. В большинстве электронных микроскопов контрастная апертура расположена в задней фокальной плоскости объектива (где находится фактическая плоскость дифракции). Однако в случае LEEM это неверно, поскольку получение изображений в темном поле (изображение незеркальных лучей) будет невозможно, поскольку апертура должна перемещаться вбок и перехватывать падающий луч при больших смещениях. Поэтому исследователи регулируют возбуждение объектива так, чтобы получить изображение дифракционной картины в середине сепаратора пучка, и выбирают желаемую интенсивность пятна для изображения, используя вставленную туда контрастную апертуру. Эта апертура позволяет ученым получать изображения интенсивности дифракции, которая может представлять особый интерес (темное поле).
Осветительная оптика используется для увеличения изображения или дифракционной картины и проецирования его на пластину визуализации или экран. Пластина или экран для визуализации, используемый для отображения интенсивности электронов, чтобы мы могли ее видеть. Это можно сделать разными способами, включая фосфоресцентные экраны, пластины визуализации, ПЗС-матрицы и другие.
Специализированные методы визуализации
[ редактировать ]Дифракция электронов низких энергий (LEED)
[ редактировать ]После того, как параллельный пучок электронов низкой энергии взаимодействует с образцом, электроны образуют дифракционную картину или картину ДМЭ, которая зависит от периодичности, присутствующей на поверхности, и является прямым результатом волновой природы электрона. Важно отметить, что при обычном ДМЭ вся поверхность образца освещается параллельным пучком электронов, поэтому дифракционная картина будет содержать информацию обо всей поверхности.
LEED, выполняемый с помощью прибора LEEM (иногда называемый дифракцией электронов очень низкой энергии (VLEED) из-за еще более низких энергий электронов), ограничивает освещенную область пятна луча, обычно порядка квадратных микрометров. Дифракционная картина формируется в задней фокальной плоскости объектива, отображается в предметную плоскость проекционной линзы (с помощью промежуточной линзы), а окончательная картина появляется на фосфоресцентном экране, фотопластине или ПЗС-матрице.
Поскольку отраженные электроны отклоняются призмой от источника электронов, зеркально отраженные электроны можно измерить, даже начиная с нулевой энергии приземления, поскольку на экране не видно тени источника (что предотвращает это в обычных приборах LEED). . Стоит отметить, что расстояние между дифрагированными лучами не увеличивается с увеличением кинетической энергии, как в обычных системах LEED. Это связано с тем, что отображаемые электроны ускоряются до высокой энергии столбца изображения и поэтому отображаются с постоянным размером K-пространства независимо от энергии падающих электронов.
Микродифракция
[ редактировать ]Микродифракция концептуально точно такая же, как LEED. Однако, в отличие от эксперимента LEED, где площадь поверхности образца составляет несколько квадратных миллиметров, освещение и апертура луча вставляются в траекторию луча при визуализации поверхности и, таким образом, уменьшаются размер площади поверхности образца. Выбранная площадь варьируется от долей квадратного микрометра до квадратных микрометров. Если поверхность неоднородна, дифракционная картина, полученная в эксперименте LEED, выглядит извилистой и поэтому ее трудно анализировать. В эксперименте по микродифракции исследователи могут сосредоточиться на конкретном острове, террасе, домене и т. д. и получить дифракционную картину, состоящую исключительно из одного элемента поверхности, что делает этот метод чрезвычайно полезным.
Яркое поле изображения
[ редактировать ]При визуализации в светлом поле для формирования изображения используется зеркальный отраженный луч (0,0). При визуализации в светлом поле, также известной как фазовый или интерференционный контраст, используется волновая природа электрона для создания вертикального дифракционного контраста, что делает видимыми ступеньки на поверхности.
Визуализация в темном поле
[ редактировать ]При визуализации в темном поле (также называемой дифракционно-контрастной визуализацией) исследователи выбирают желаемое дифракционное пятно и используют контрастную апертуру, чтобы пропускать только те электроны, которые вносят вклад в это конкретное пятно. В плоскостях изображения после контрастной апертуры можно наблюдать, откуда в реальном пространстве берутся электроны. Этот метод позволяет ученым изучить, на каких участках образца существует структура с определенным вектором решетки (периодичностью).
Спектроскопия
[ редактировать ]Как (микро)дифракция, так и визуализация в светлом и темном поле могут выполняться в зависимости от энергии приземления электрона, измеряя дифракционную картину или изображение для диапазона энергий. Этот способ измерения (часто называемый LEEM-IV) дает спектры для каждого дифракционного пятна или положения образца. В своей простейшей форме этот спектр дает «отпечаток пальца» поверхности, позволяющий идентифицировать различные поверхностные структуры.
Особым применением спектроскопии светлого поля является подсчет точного количества слоев в слоистых материалах, таких как (многослойный) графен , гексагональный нитрид бора и некоторые дихалькогениды переходных металлов . [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]
Фотоэмиссионная электронная микроскопия (ПЭЭМ)
[ редактировать ]В фотоэмиссионной электронной микроскопии (PEEM) под воздействием электромагнитного излучения (фотонов) вторичные электроны возбуждаются с поверхности и визуализируются. PEEM был впервые разработан в начале 1930-х годов с использованием ультрафиолетового (УФ) света для индукции фотоэмиссии (вторичных) электронов. Однако с тех пор в этом методе было сделано много достижений, наиболее важным из которых было объединение PEEM с источником синхротронного света , обеспечивающим перестраиваемое линейно поляризованное, левое и правое циркулярное излучение в мягком рентгеновском диапазоне. Такое приложение позволяет ученым восстанавливать топографический, элементный, химический и магнитный контраст поверхностей.
Приборы LEEM часто оснащаются источниками света для получения изображений PEEM. Это помогает в настройке системы и позволяет собирать данные LEEM, PEEM и ARPES для одного образца в одном приборе.
Зеркальная электронная микроскопия (МЭМ)
[ редактировать ]В зеркальной электронной микроскопии электроны замедляются в задерживающем поле линзы конденсатора до предела возможностей прибора и, таким образом, им разрешено взаимодействовать только с «приповерхностной» областью образца. Очень сложно понять, откуда берутся точные изменения контраста, но здесь важно отметить, что изменения высоты на поверхности области изменяют свойства замедляющего поля, тем самым влияя на отраженный (зеркальный) луч. Картина ДМЭ не формируется, поскольку не произошло никаких событий рассеяния и, следовательно, интенсивность отраженного света высока.
Низкоэнергетическая электронная голография
[ редактировать ]Низкоэнергетическая электронная голография [ 8 ] реализуется электроном с кинетической энергией в диапазоне 30 – 250 эВ. Источником когерентного электронного луча является острый металлический наконечник, а электроны извлекаются посредством автоэмиссии. Волна, прошедшая через образец, распространяется к детектору, где регистрируется интерференционная картина, образованная суперпозицией рассеянной и нерассеянной (опорной) волны, представляющая собой линейную голограмму. Затем по голограмме численными методами восстанавливается структура объекта (макромолекулы). Низкоэнергетическая электронная голография успешно применяется для визуализации отдельных биологических молекул, в том числе: пурпурной белковой мембраны, молекул ДНК, молекул фталоцианинатополисилоксана, вируса табачной мозаики8, бактериофага, ферритина и отдельных белков (бычий сывороточный альбумин, цитохром С и гемоглобин). ). Разрешение, достигаемое с помощью низкоэнергетической электронной голографии, составляет около 0,7–1 нм. [ 7 ]
Контрастное изображение по отражательной способности
[ редактировать ]Упругое обратное рассеяние электронов низкой энергии от поверхностей является сильным. Коэффициенты отражения поверхностей сильно зависят от энергии падающих электронов и заряда ядра немонотонным образом. Следовательно, контраст можно максимизировать, варьируя энергию падающих на поверхность электронов.
Спин-поляризованный ЛЭЭМ (СПЛИЭМ)
[ редактировать ]SPLEEM использует спин-поляризованные электроны освещения для изображения магнитной структуры поверхности посредством спин-спиновой связи падающих электронов со структурой поверхности.
Другой
[ редактировать ]Другие передовые методы включают в себя: [ 4 ]
- Потенциометрия низкоэнергетических электронов : определение сдвига спектров LEEM позволяет определить локальную работу выхода и электрический потенциал.
- ARRES : Спектроскопия отраженных электронов с угловым разрешением.
- eV-TEM : Просвечивающая электронная микроскопия при энергиях LEEM.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Бауэр, Э. (1994). «Микроскопия низкоэнергетического электрона». Отчеты о прогрессе в физике . 57 (9): 895–938. Бибкод : 1994РПФ...57..895Б . дои : 10.1088/0034-4885/57/9/002 . ISSN 0034-4885 . S2CID 250913078 .
- ^ Франц, Торстен; фон Бон, Бернхард; Маркетто, Хелдер; Боркенхаген, Бенджамин; Лилиенкамп, Герхард; Даум, Винфрид; Имбил, Рональд (2019). «Каталитическое окисление CO на Pt при давлении, близком к атмосферному: исследование NAP-LEEM». Ультрамикроскопия . 200 . Эльзевир Б.В.: 73-78. дои : 10.1016/j.ultramic.2019.02.024 . ISSN 0304-3991 . ПМИД 30836286 . S2CID 73480940 .
- ^ де Йонг, штат Техас; Красовский Э.Е.; Отт, К.; Тромп, Р.М.; ван дер Молен, SJ; Джобст, Дж. (31 октября 2018 г.). «Собственные домены укладки в графене на карбиде кремния: путь интеркаляции» . Материалы физического обзора . 2 (10). Американское физическое общество (APS): 104005. arXiv : 1807.04185 . doi : 10.1103/physrevmaterials.2.104005 . ISSN 2475-9953 .
- ^ Перейти обратно: а б Тромп, Рудольф (2019). «Спектроскопия с помощью электронного микроскопа низкой энергии». В Хоксе, Питер В.; Спенс, Джон Ч. (ред.). Справочник Springer по микроскопии . Справочники Спрингера. Международное издательство Спрингер. стр. 576–581. дои : 10.1007/978-3-030-00069-1_11 . ISBN 978-3-030-00069-1 . S2CID 210235774 .
- ^ де ла Баррера, Серхио К.; Линь, Ю-Чуань; Эйхфельд, Сара М.; Робинсон, Джошуа А.; Гао, Цинь; Видом, Майкл; Финстра, Рэндалл М. (июль 2016 г.). «Характеристика толщины атомарно тонкого WSe2 на эпитаксиальном графене с помощью колебаний отражательной способности низкоэнергетических электронов» . Журнал вакуумной науки и технологий B, Нанотехнологии и микроэлектроника: материалы, обработка, измерения и явления . 34 (4). Американское вакуумное общество: 04J106. arXiv : 1606.04167 . дои : 10.1116/1.4954642 .
- ^ де Йонг, Тобиас А.; Йобст, Йоханнес; Йоу, Хёбин; Красовский Евгений Евгеньевич; Ким, Филип; ван дер Молен, Sense Jan (2018). «Измерение локального угла закручивания и расположения слоев в гетероструктурах Ван-дер-Ваальса» . Физический статус Solidi B. 255 (12). Уайли: 1800191. doi : 10.1002/pssb.201800191 . hdl : 1887/62920 .
- ^ Перейти обратно: а б Латычевская Т.; Эшер, К.; Андрегг, В.; Андрегг, М.; Финк, Х.-В. (20 июня 2019 г.). «Прямая визуализация транспорта заряда в подвешенных (или отдельно стоящих) нитях ДНК с помощью низкоэнергетической электронной микроскопии» . Научные отчеты . 9 (1). Природа: 8889. doi : 10.1038/s41598-019-45351-4 . ПМК 6586886 . ПМИД 31222124 . Текст был скопирован из этого источника, который доступен по международной лицензии Creative Commons Attribution 4.0 .
- ^ Финк, Х.-В; Стокер, В.; Шмид, Х. (30 мая 1990 г.). «Голография с электронами низкой энергии». Физ. Преподобный Летт . 65 (10). Американское физическое общество: 1204–1206. дои : 10.1103/PhysRevLett.65.1204 . ПМИД 10042201 .
- Бауэр, Эрнст (1998). «Основы ЛЭМ». Поверхностный обзор и письма . 5 (6): 1275–1286. Бибкод : 1998SRL.....5.1275B . дои : 10.1142/S0218625X98001614 .
- Бауэр, Эрнст (1994). «Микроэнергетическая электронная микроскопия» . Реп. прог. Физ . 57 (9): 895–938. Бибкод : 1994РПФ...57..895Б . дои : 10.1088/0034-4885/57/9/002 . S2CID 250913078 .
- Тромп, РМ (2000). «Микроскопия низкоэнергетического электрона» (PDF) . IBM J. Res. Дев . 44 (4): 503–516. дои : 10.1147/rd.444.0503 . S2CID 37638137 .
- Андерс, С.; Падмор, Ховард А.; Дуарте, Роберт М.; Реннер, Тимоти; Стаммлер, Томас; Шолль, Андреас; Шейнфейн, Майкл Р.; Штер, Иоахим; и др. (1999). «Фотоэмиссионный электронный микроскоп для исследования магнитных материалов» . Обзор научных инструментов . 70 (10): 3973–3981. Бибкод : 1999RScI...70.3973A . дои : 10.1063/1.1150023 . Архивировано из оригинала 23 февраля 2013 г. Проверено 19 марта 2020 г.