Interação feixe - material

Transcrição

1 Interação feixe - material Quando se fala em microscopia eletrônica é fundamental entender o efeito de espalhamento dos elétros quando interagindo com o material. - Microscopia ótica so forma imagem se o material interagir com a luz vizivel - Microscopia eletrônica so forma imagem se ocorrer interação o elétron com o materia - Elétrons que atingem a amostra : Feixe incidente ( Incident beam) - Elétrons espalhados : feixe espalhado ( scattered bean) ( diffrated beam) - Elétrons que atravéssam a amostra, desviam pouco sua trajetória, Feixe direto ( direct beam, transmited beam

2 Microscopio Eletronico Para obter sinais de boa qualidade temos que fornecer sinais de qualidade à amostra. Temos que ter um feixe de eletrons estreito. Adicionalmente podem ser usados dispositivos de correção como o Cs, sistemas de correção de aberrações.

3 Interação feixe - material Interações podem ser elasticas ou inelásticas Interações elásticas nao apresentam perda de energia, ou perda pequena. Geralmente são coerentes. Energia do eletron = E el é a mesma que a energia original do feixe Interações inelásticas envolvem perda de energia. Geralmente sao incoerentes. A energia transferida para o material gera sinais de raios-x, eletrons Auger, Eletrons secundarios, plasmons, phonons, UV, catodoluminescencia. Sinais utilizados em microscopia analitica

4 Interação feixe - material

5 Interação feixe - ELASTICA Variação de energia pequena Incoerente para altos angulos (10 o ) Coerente para baixos angulos (1 o ) Experiencia de Rutherford Seção de choque

6 Angulo de espalhamento ( radianos ) - é de fato um semi-angulo. Angulo de espalhamento Angulo total de espalhamento Incremento no angulo de espalhamento d Incremento no ângulo total d As características de espalhamento dependem da energia do eletron incidente, o numero atomico do atomo que provoca o espalhamento, espessura, densidade, cristalinidade e inclinação da amostra.

7 seção transversal de interação (seçao de choque) ( ) - A seção transversal de espalhamento é uma expressão que descreve a probabilidade que um evento particular terá de acontecer. As dimensões da seção transversal são de área, e o termo pode ser pensado como descrevendo o tamanho efetivo do alvo aparente para as partículas incidentes. A secção transversal não representa uma área física mas sim uma probabilidade de que o espalhamento vai ocorrer. Na presença de 1 eletron Em um material

8 Interação feixe - ELASTICA Maior voltagem menor seção de choque Maior Peso atômico, maior seção de choque Angulos pequenos, pequena variação resultam em grande queda da probabilidade de interação Interações de baixo ângulo são mais prováveis

9 Interação feixe - INELÁSTICAS Envolvem perda de energia o sistema é excitado Ângulo é pequeno Sinal incoerênte

10 Interação feixe - material As interações podem ser - Forward scattering o espalhamento envolvem angulos menores que 90 o - back scattering o espalhamento envolve angulos maiores que 90 o - Interação simples - Interações multiplas - A difração é o desvio da direção da onda quando atinge um obstaculo em seu caminho - Espalhamento é o processo pelo qual a particula é defletido como resultado de uma colisao. - Assim Difração para onda e espalhamento para partícula

11 Livre Caminho Médio - é a distância média que um elétron viaja em um material entre dois eventos de um tipo particular de espalhamento. O valor para o livre caminho médio é, então, específico para um evento de espalhamento particular. O livre caminho médio pode ser calculado a partir da seção transversal de espalhamento usando a relação Livre caminho médio Probabilidade do eletron sofrer espalhamento MONTE CARLO SIMULATION

12 Interação feixe Menor peso atômico maior livre caminho médio Maior voltagem maior livre caminho médio

13 Volume de Interação um conjunto inteiro de interações e eventos de espalhamento são possíveis, sendo ineláticas ou elásticas O método de Monte Carlo é uma técnica matemática que tenta modelar a forma do volume de interação, simulando um número grande de trajetórias de elétron pelo sólido. Considera sinais de raios-x característico, elétrons Auger e emissão de elétron secundário. A forma e a profundidade do volume de interação são dependentes da tensão de aceleração, inclinação, e densidade do material. E afetado pelo número atômico da amostra, pela energia do feixe incidente dos elétrons e o ângulo de inclinação da amostra. Se o evento de espalhamento dominante é elástico, ou inelástico, depende do número atômico do material e da energia do feixe usado. Se o evento dominante for elástico, os elétrons tenderão a se espalhar para longe da direção do feixe incidente, dando 'largura' ao volume de interação. se o evento dominante for inelástico, os elétrons sofrerão menor desvio e penetrarão na amostra ao longo das suas trajetórias originais, mas perdendo energia durante seu trajeto.

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18 Dependência com a energia do feixe Quando a energia do feixe aumenta, os elétrons penetram mais na amostra,. Quando os elétrons perdem energia, a probabilidade de espalhamento elástico aumenta A taxa de perda de energia é inversamente proporcional à energia do elétron. Isto significa que quando a energia de feixe de elétron aumenta, a taxa com a qual estes elétrons perdem energia diminui, desta forma eles penetrarão mais na amostra. Dependência com a inclinação da amostra Quando a amostra está inclinada com relação à direção horizontal, o volume de interação já não se parece simétrico, Também pode ser observado que a emissão de elétrons retroespalhados aumenta rapidamente com o aumento da inclinação da amostra.

19 Interações

20 Emissão de raios-x característicos A interação de um elétron de alta energia com um átomo, pode resultar na ejeção de um elétron de uma camada atômica interna. Isto deixa o átomo em estado ionizado ou excitado, com uma vacância nesta camada. A de excitação pode acontecer por um elétron de uma camada mais externa que venha a preencher a vacância A variação em energia é determinada pela estrutura eletrônica do átomo que é única para cada elemento. Esta energia 'característica' pode ser libertada do átomo de dois modos: a primeira é a emissão de um fóton de raios-x com uma energia característica específica para aquela transição e, conseqüentemente, para o elemento. A detecção de tais fótons fornece informação sobre a composição elementar da amostra, em termos de quantidade e distribuição. O segundo modo é a liberação dos chamados elétrons de Auger.

21 Interações Raios-x característico Posição absoluta Intensidade relativa Germânio Puro

22 Interações Raios-x característico Probabilidade de emissão de raios-x

23 Elétrons Auger O bombardeamento da amostra por elétrons de alta energia resulta em átomos ionizados a uma certa profundidade, esta depende da tensão de aceleração e da densidade do material, mas tipicamente é da ordem de 1um. Um átomo ionizado pode emitir raios-x característico ou energia liberada como um elétron. Um elétron preenchendo a vacância inicial pode lançar outro elétron do átomo em uma transição de baixa emissão de radiação chamada de efeito de Auger. Se um elétron da camada interna K é lançado e um elétron da camada L preenche esta vacância, liberta energia e lança um elétron Auger da camada L, a transição de Auger é então chamada de transição KLL.

24 Elétrons Auger Medidas das energias características dos elétrons de Auger formam a base da espectroscopia de Auger. As energias dos picos de elétron Auger permitem que todos os elementos, exceto hidrogênio e hélio, possam ser identificados, uma vez que no mínimo três elétrons são necessários para o processo de emissão. A espectroscopia Auger é uma técnica sensível à superfície, uma vez que elétrons Auger gerados mais profundamente, que os das camadas superficiais, perderão a sua 'assinatura' de energia enquanto caminham para fora da amostra. Desta forma, o sinal detectado inclui elétrons gerados apenas das poucas primeiras mono-camadas da amostra - aqueles que têm energia suficiente para escapar. A técnica é importante na caracterização de camadas superficiais e, geralmente, é usado para monitorar o crescimento de filmes de epitaxiais.

25 Interações Elétrons Auger Não depende do nivel eletronico mas da diferença de energia Não depende do feixe primário Problemas - Ultra alto vácuo necessário - Baixa contagens

26 Catodoluminescência Catodoluminescência (CL) é um termo que descreve o processo da emissão de radiação eletromagnética nas regiões: visíveis, ultravioletas e infravermelhas do espectro quando certos materiais são bombardeados com elétrons de alta energia. Estes materiais emissores de luz, que geralmente são isolantes ou semicondutores, têm preenchidas as bandas de valência e de condução vazia com "gaps" de banda específicos do próprio material. Quando um elétron incidente se espalha inelasticamente para fora do átomo, elétrons na banda de valência preenchida podem ser promovidos para a banda de condução, enquanto deixando uma vacância na banda de valência. As energias dos "gaps" de banda estão, tipicamente, entre 2 e 5eV. Pares elétron-lacuna vão se recombinar e liberar o excesso de energia na forma de luz ou CL.

27 Espalhamento de fônons Uma quantidade significativa da energia perdida na amostra pelos elétrons incidentes, resulta na criação de fônons, ou vibrações da rede. Em cada interação, os elétrons incidentes podem perder ou podem ganhar energia da ordem de kt (0.025 ev) onde T é temperatura em graus Kelvin e k é a constante de Boltzman. Tais interações fazem os átomos na rede vibrar, e isto efetivamente aquece o sólido. Entretanto, a perda de energia é mínima, mas ângulos de espalhamento podem ser significativos.

28 Electron Energy Interações fonos e catodoluminescencia High Energy Electron Conductio n Band Light! Valenc e Band Fixed positive charges Oscillating negative charges

29 Elétrons Secundários O espalhamento inelástico de um elétron de alta energia com elétrons de valência mais externos permite a emissão de elétrons secundários que são caracterizados por terem uma energia cinética menor que 50eV. No caso de metais estes são os elétrons de condução. Em semicondutores, elétrons secundários são produzidos pela geração de pares elétron-lacuna e, em isoladores, pela liberação de elétrons de valência. Estes elétrons podem estar sujeitos a eventos de espalhamento adicionais através dos quais a energia é perdida e, então, somente elétrons que têm energia suficiente para superar a energia de barreira da superfície podem escapar do material e contribuir com o sinal detectado; estes são elétrons na superfície da amostra.

30 Emissão de Elétrons Secundários A emissão de elétrons secundários é um dos sinais mais comuns usados para produzir imagens no MEV, uma vez que a maioria do sinal está confinado a uma região próxima do feixe incidente, e dá origem a uma imagem de alta resolução. Elétrons secundários também podem ser emitidos quando elétrons retroespalhados saem da amostra, freqüentemente adistâncias maiores do feixe.

31 Elétrons Retroespalhados Um número significativo dos elétrons incidentes que atingem uma amostra grossa é re-emitido através da superfície do material. Estes elétrons são conhecidos como elétrons retroespalhados, que sofreram espalhamentos elásticos com alto ângulo no material, fazendo com que eles se aproximem da superfície com energia suficiente escapar. A intensidade do espalhamento está relacionada ao número atômico do átomo; quanto maior o número atômico envolvido do material, maior coeficiente de retroespalhamento, e maior rendimento. Esta dependência do rendimento de retroespalhamento com o número atômico, forma a base para a diferenciação entre fases diferentes provendo, assim, um ponto de partida ideal para guiar uma icroanálise adicional.

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