Электронная микроскопия низких энергий

Низкоэнергетический электронный микроскоп, используемый для исследований поверхности в лаборатории исследования материалов имени Фредерика Зейтца Университета Иллинойса в Урбане, штат Иллинойс, США.

Низкоэнергетическая электронная микроскопия , или LEEM , представляет собой аналитический метод исследования поверхности , используемый для изображения атомарно чистых поверхностей, взаимодействий атом-поверхность и тонких (кристаллических) пленок. 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

LEEM отличается от обычных электронных микроскопов четырьмя основными способами:

1. Образец должен быть освещен с той же стороны оптики изображения, т.е. через линзу объектива, поскольку образцы не прозрачны для электронов низкой энергии;
2. 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);
3. В электростатическом иммерсионном объективе образец приближается к образцу пистолета, замедляя электроны высокой энергии до желаемой энергии только непосредственно перед взаимодействием с поверхностью образца;
4. 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.

Поверхностная дифракция

Конструкция сферы Эвальда для случая нормального падения первичного электронного пучка. Здесь это делается в типичной установке LEED, однако в LEEM используется сложная электронная оптика, которая позволяет отображать результирующие дифракционные картины и, следовательно, поверхность образца.

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:

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

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 ${\textbf {k}}_{0}=2\pi /\lambda _{0}$ и ${\begin{aligned}{\textbf {k}}=2\pi /\lambda \end{aligned}}$, соответственно,

а конструктивная интерференция возникает при условии Лауэ:

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

где (h,k,l) ​​— набор целых чисел и

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

– вектор обратной решетки.

Экспериментальная установка

Типичная линза LEEM/LEED и лучевая диаграмма.

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 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.

методы

Светлопольное изображение LEEM (ступенчатый/фазовый контраст) Cr(100). Атомные ступеньки, ступенчатые сгустки, острова и террасы легко различимы по вертикальному дифракционному контрасту, обусловленному волновой природой электронов. Поле зрения 5,6 мкм.

Изображение LEEM, соответствующее субмонослойной пленке палладия (темный контраст), выращенной на поверхности (110) вольфрама кристалла (яркий контраст). Едва видимые островки представляют собой карбиды вольфрама из -за загрязнения углеродом. Диаметр отображаемой области составляет 10 микрометров .

Дифракция электронов низких энергий

Основная статья: Дифракция электронов низких энергий

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

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.

Графен на SiC состоит из доменов разного порядка укладки. (слева) Микрофотография LEEM в светлом поле образцов двухслойного, трехслойного и четырехслойного интеркалированного графена. (справа) Темнопольные изображения той же области. Хорошо видны области переменного контраста, указывающие на области разного порядка укладки. Адаптировано из

Визуализация в светлом поле

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, конкретно используется волновая природа электрона для создания вертикального дифракционного контраста, что делает видимыми ступеньки на поверхности.

Визуализация в темном поле

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

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 .

Фотовозбуждающая электронная микроскопия (ПЭЭМ) стержней Ag на Si. Здесь ртутная лампа производит фотоны с энергией чуть выше порога работы выхода Ag, и результирующая вторичная электронная эмиссия отображается.

Фотоэмиссионная электронная микроскопия (PEEM)

Основная статья: Фотоэмиссионная электронная микроскопия

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, лево- и право-циркулярное излучение в мягком рентгеновском диапазоне. Такое приложение позволяет ученым восстанавливать топографический, элементный, химический и магнитный контраст поверхностей.

Инструменты 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)

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

Низкоэнергетическая электронная голография молекул ДНК, натянутых на кружевной углерод. Адаптировано из Латычевской и др.

Низкоэнергетическая электронная голография реализуется электроном с кинетической энергией в диапазоне 30 – 250 эВ. Источником когерентного электронного пучка является острый металлический наконечник, а электроны извлекаются посредством автоэмиссии. Волна, прошедшая через образец, распространяется к детектору, где регистрируется интерференционная картина, образованная суперпозицией рассеянной с нерассеянной (опорной) волной, 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.

Контрастное изображение по отражательной способности

Упругое обратное рассеяние электронов низкой энергии от поверхностей сильно. 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 ЛЭМ (SPLEEM)

SPLEEM использует спин-поляризованные электроны освещения для изображения магнитной структуры поверхности посредством спин-спиновой связи падающих электронов со структурой поверхности.

Другое

Другие передовые методы включают в себя:

• 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

• 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.